-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen
Aktuators mit mindestens einem Elektromagneten und einem auf ein Stellglied
einwirkenden Anker, der gegen die Kraft eines Federelementes durch
die Bestromung des Elektromagneten mittels einer Steuereinrichtung
aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung überführbar ist.
Vorzugsweise ist der Aktuator als Hubaktuator für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
ausgebildet, das zu betätigende
Stellglied durch ein Gaswechselventil und das Federelement in Form
einer Ventil-Rückholfeder
gebildet.
-
Bei
einem derartigen Aktuator, wie er auch in der
DE 100 25 847 A1 beschrieben
ist, ist eine Ankerplatte zwischen zwei Elektromagneten angeordnet, die über einen
fest mit der Ankerplatte verbundenen Schaft ein Gaswechselventil
betätigt.
Die beiden gegenüberliegenden
Elektromagneten dienen zum Anziehen der Ankerplatte bis zum oberen
bzw. unteren Anschlag des Elektromagneten sowie zum Halten des Ankers
in den Endlagen durch eine entsprechend verringerte Bestromung.
In den Endlagen (Schaltstellungen) des Ankers bzw. des Gaswechselventils
ist jeweils eine zugehörige
Rückholfeder
gespannt. Durch Abschalten des Haltestroms wird der Bewegungsvorgang
des Ankers von der einen Endlage in die andere Endlage ausgelöst.
-
Bei
einem idealen Aktuator, d.h. einem reibungsfreien Aktuator, und
gleichen auf den Anker einwirkenden Federkräften sowie einer Mittenstellung
im nicht bestromten Betrieb wird der Anker ausgehend von der einen
Endlage durch die gespeicherte Kraft der einen vorgespannten Feder
entgegen der Federkraft der anderen Feder in die andere Endlage überführt. Die
vorhandene Energie ist dann in der anderen Feder gespeichert. Bei
einem realen, reibungsbehafteten Aktuator muss zum Erreichen der anderen
Endlage Energie durch Bestromung des jeweiligen Elektromagneten
zugeführt
werden.
-
Bei
dem in der
DE 100
25 847 A1 beschriebenen Verfahren zum Betreiben dieses
elektromagnetischen Aktuators wird während des Fluges des Ankers
vom einen zum anderen Elektromagneten der Abstand zwischen dem Anker
und dem Ziel-Elektromagneten erfasst und bei Erreichen eines vorgegebenen
Abstand-Schwellenwertes ein integrierend wirkender Regler zur Erzeugung
eines Korrektursignals aktiviert.
-
Zur
Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit bei einem elektromagnetischen
Aktuator ist ferner aus der
DE 199 20 181 A1 ein Verfahren bekannt, bei
dem durch Erfassung der Istwerte von Ankerweg und Ankergeschwindigkeit
und Vergleich der erfassten Istwerte mit Werten aus einem in einer
Steuereinrichtung hinterlegten Kennfeld die Vorgabe eines Sollwertes
für die
Bestromung eines Elektromagneten erfolgt. Nach Vergleich dieses
Sollwertes mit dem ermittelten Istwert für die Bestromung des Elektromagneten
wird der Elektromagnet nach Ausregelung einer sich hieraus ergebenden
Differenz bestromt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung
eines elektromagnetischen Aktuators bereitzustellen, welches bei
Sicherstellung hoher Mittellagengeschwindigkeiten eine geringst
mögliche
Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche jedes Elektromagneten gewährleistet.
Insbesondere soll auch eine hohe Störsicherheit gewährleistet
werden.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Unter
dem Begriff der Trajektorie versteht man allgemein eine Kurve (Zustandskurve)
im n-dimensionalen Raum, die beschrieben wird durch einen Punkt,
der mit fortlaufender Zeit seine Lage in diesem Raum verändert. Auf
diese Weise wird ein Systemzustand zu jedem Zeitpunkt t beschrieben. Bei
der Solltrajektorie gemäß der Erfindung
wird der ortsabhängige
Verlauf einer Führungsgröße (vorliegend:
Ankersollgeschwindigkeit) beschrieben (mit der Zeit t als Laufparameter
der Kurve).
-
Durch
die Hinterlegung von zumindest einer Solltrajektorie für das gewünschte Weg-/Geschwindigkeitsverhalten
des Aktuators bzw. des Ankers innerhalb des Aktuators und die Hinterlegung
von hierzu passenden d.h. zugeordneten Stromvorsteuerwerten kann
zum Einen der Aktuator in einem störungsfreien Normalbetrieb ausschließlich anhand
der Stromvorsteuerwerte über
einen ersten Regler geregelt werden und zum Anderen können bei
Abweichungen vom Normalbetrieb durch Bildung eines Korrekturwertes
anhand der hinterlegten Solltrajektorie(n) über einen zweiten Regler diese
Abweichungen kompensiert werden. Durch die Hinterlegung fester Größen in Form
von Solltrajektorie(n) und Stromvorsteuerwerten können zudem
zeitintensive Online-Berechnungen entfallen. Es wird ein schnelles
zuverlässiges
Regelverhalten erreicht und darüber
hinaus kann diese Regelung mit leistungsschwächeren Steuereinheiten bzw.
Mikrocontrollern realisiert werden.
-
In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Solltrajektorien
für das
gewünschte
Weg-/Geschwindigkeitsverhalten sowie mehrere Bereiche von Stromvorsteuerwerten
vorhanden. Dabei ist jeder der Bereiche bzw. jede Solltrajektorie
einem bestimmten Betriebszustand bzw. Betriebszustandsbereich der
Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Die Betriebszustände werden
anhand der jeweils vorliegenden Betriebsparameter wie Last, Drehzahl
und Steuerzeit (Ventilsteuerzeit) ausgewählt. Durch die paarweise Zuordnung
von Stromvorsteuerbereich und Solltrajektorie in Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebszustand ist gewährleistet, dass für den jeweils
vorliegenden Betriebszustand die optimale Solltrajektorie und die passenden
Stromvorsteuerwerte für
eine zu bildende Sollgröße und somit
für die
Regelung insgesamt vorliegen.
-
Eine
andere Weiterbildung sieht vor, die Auswahl der Reglerparameter
(insbesondere der Reglerverstärkung)
eines der Regler oder beider Regler in Abhängigkeit von der Ankerposition
und/oder der Ankergeschwindigkeit vorzunehmen. Durch diese hubabhängige Reglerparameterauswahl
wird das Regelverhalten des Gesamtsystems deutlich verbessert.
-
Weiterhin
ist vorgesehen für
den Fall, dass ein Regelungseingriff durch den zweiten über die Solltrajektorie
gespeisten Regler (Geschwindigkeitsregler) häufiger oder gar regelmäßig erfolgt
und somit auf eine dauerhafte Änderung
im Bewegungsablauf des Ankers geschlossen werden kann, eine Adaption der
Stromvorsteuerwerte vorzunehmen. Hierdurch wird das Regelverhalten
an die aufgrund von Verschleiß oder
dergleichen hervorgerufenen dauerhaften Bewegungsänderungen
des Ankers angepasst, so dass eine Korrektur über den zweiten Regler wiederum
seltener erforderlich ist.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
die schematische Darstellung eines Regelkreises und seiner Wirkungsweise
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
-
2:
die Darstellung einer mit Regelungseingriffen behafteten Solltrajektorie
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt
einen elektromagnetischen Aktuator 2 in Form eines Hubaktuators
für den
Antrieb eines Gaswechselventils 4 eines Kraftfahrzeugs.
Der Aktuator 2 ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und umfasst
zwei gegenüberliegende
Elektromagneten 2.1 und 2.2, einen zwischen den
Elektromagneten 2.1, 2.2 hin- und herbewegbaren
Anker 2.3 sowie zwei Rückholfedern 2.4, 2.5.
Der Anker 2.3 ist hierbei als Ankerplatte mit einem Ankerschaft
ausgebildet, wobei die Ankerplatte zwischen zwei Endlagen, die jeweils
durch die Anlage an der Polfläche
eines der gegenüberliegenden
Elektromagneten 2.1, 2.2 definiert sind, hin-
und herbewegbar ist. Der Ankerschaft ist dabei jeweils in einer Öffnung eines
Elektromagneten 2.1, 2.2 längsbeweglich hindurchgeführt und überträgt die Bewegungen
des Ankers 2.3, zur Öffnung
und Schließung
des Gaswechselventils 4, auf den Ventilschaft desselben.
Jeder Elektromagnet 2.1, 2.2 besteht aus einem
Joch mit einem Spulenfenster und einer in dem Spulenfenster angeordneten
zu bestromenden Erregerspule. Bei stromlosen Erregerspulen ist der
Anker 2.3 durch die beidseitig an dem Ankerschaft angreifenden
Rückholfedern 2.4, 2.5 in
einer Ruheposition gehalten. In dieser Ruheposition ist die Ankerplatte
mit Vorteil genau in der Mitte zwischen den beiden Polflächen der
gegenüberliegenden
Elektromagneten 2.1, 2.2 angeordnet. Ausgehend
von einer Endlage, in der die Ankerplatte mittels einem niedrigen
Haltestrom gegen die Federkraft der entsprechend gespannten Rückholfeder 2.4, 2.5 an
der Polfläche
eines Elektromagneten 2.1, 2.2 gehalten ist, wird
der Anker 2.3 bei Ausschaltung der Bestromung durch die
vorgespannte Rückholfeder 2.4, 2.5 in
Richtung Polfläche
des gegenüberliegenden
Elektromagneten 2.2, 2.1 beschleunigt. Um den
Anker 2.3 sicher in die andere Endlage überführen zu können, wird die Erregerspule
des gegenüberliegenden
Elektromagneten 2.2, 2.1 gemäß dem erfindungsgemäßen, nachfolgend
beschriebenen Verfahren bestromt. Um bei diesem Einfangvorgang den Anker
möglichst
sanft auf der gegenüberliegenden Polfläche auftreffen
zu lassen, muss eine möglichst geringe
Auftreffgeschwindigkeit gewährleistet
werden. Andererseits muss aber auch gewährleistet sein, dass der Anker
bei entsprechender Anforderung innerhalb kürzester Zeit von der einen
in die andere Endlage überführt werden
kann.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im Folgenden anhand der geregelten Bestromung des oberen Elektromagneten 2.1 beschrieben,
wobei die Ankerplatte ausgehend von einer Position in der sie am
unteren Elektromagneten 2.2 gehalten ist und sich von diesem
aufgrund der wirkenden Federkraft der gespannten Feder 2.4 und
einer Stromreduzierung im unteren Elektromagneten 2.2 von
diesem in Richtung des oberen Elektromagneten 2.1 bewegt.
-
Hierfür findet
das erfindungsgemäße Verfahren
Anwendung, bei dem mittels einem Positionssensor 8 ein
der Position z des Ankers 2.3 entsprechendes Signal zu
jedem Zeitpunkt und bei jedem Punkt des Ankerweges s gebildet wird
und über
einen Stromsensor 10 der Iststrom Iist der
jeweils bestromten Erregerspule eines Elektromagneten 2.1, 2.2 erfasst
wird. Erfindungsgemäß erfolgt
die Regelung des Aktuators 2 bzw. des im Aktuator 2 hin-
und herbewegten Ankers 2.3 über den gesamten Ankerweg s
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Ankerposition z, wobei durch einen Vergleich
bei jeder entsprechenden Ankerposition z von dem zugehörigen ankerpositionsabhängigen Stromvorsteuerwert
IVorsteuer mit dem bei der entsprechenden
Ankerposition z ermittelten Stromistwert Iist mittels
einem ersten Regler 20 (Stromregler; z.B. PI-, PD- oder
PID-Regler) ein Ansteuersignal für
den jeweils zu bestromenden Elektromagneten 2.1, 2.2 generiert
wird.
-
Gemäß der Erfindung
wird weiterhin im Falle einer Abweichung der Anker-Istgeschwindigkeit
vist von einer über eine hinterlegte Solltrajektorie
ST1, ST2, ST3 (über
die Solltrajektorie ist jeder Ankerposition z eindeutig eine Ankersollgeschwindigkeit
vsoll zugeordnet) ermittelten Anker- Sollgeschwindigkeit vsoll über
einen zweiten Regler 40 (Geschwindigkeitsregler; z.B. PI-,
PD- oder PID-Regler) ein Korrekturwert IKorrektur zur Überlagerung
bzw. Korrektur des Stromvorsteuerwertes IVorsteuer erzeugt.
Die Istgeschwindigkeit vist wird dabei bevorzugt
durch Differenzieren des Ankerwegsignals ermittelt. Die Stromvorsteuerwerte
IVorsteuer werden vorzugsweise versuchstechnisch
ermittelt, indem ein Referenzaktuator (z.B. ein oder mehrere Aktuatoren
aus der Herstellung) für
gewünschte
Bewegungsabläufe
unter bestimmten Betriebsbedingungen über eine lange Betriebsdauer
entsprechend angesteuert wird und die hierbei ermittelten beziehungsweise
verwendeten Ansteuerwerte für
jede Ankerposition z als ankerpositionsabhängige Stromvorsteuerwerte IVorsteuer (ggf. unterschiedlichen Betriebszuständen zugeordnet)
in einer Tabelle oder in einer Kennlinie KL1, KL3, KL3 in einem
Steuergerät
hinterlegt werden. Durch die Verwendung dieser versuchstechnisch
ermittelten Stromvorsteuerwerte IVorsteuer zur
Ansteuerung des Aktuators 2 wird dieser im Normalbetrieb
immer optimal angesteuert. Erst bei einer Abweichung von diesem
Normalbetrieb aufgrund von Störeinflüssen (Defekte,
Verschleiß o.d.)
wird dieser Störeinfluss
durch die überlagerte
Geschwindigkeitsregelung mittels dem zweiten Regler 40 korrigiert.
Hierfür
ist (sind) ebenfalls eine oder mehrere Solltrajektorie(n) ST1, ST2,
ST3 im Steuergerät
hinterlegt. Dabei ist auch jede Solltrajektorie ST1, ST2, ST3 vorzugsweise
versuchstechnisch ermittelt worden, indem wiederum anhand eines
Referenzaktuators die Geschwindigkeit des Ankers 2.3 zu
jedem Zeitpunkt bzw. an jeder Position z des Ankerweges s ermittelt
und in einer Solltrajektorie ST1, ST2, ST3 hinterlegt wird.
-
Um
für verschiedene
Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine, aufgrund welcher verschiedene
Anforderungen an den Aktuator 2.3 gestellt werden, ein
möglichst
optimales Regelverhalten des Aktuators 2 zu gewährleisten,
werden bevorzugt für
unterschiedliche Betriebsbedingungen (die durch unterschiedliche
Betriebsparameterbereiche definiert sind) entsprechend hieran angepasste
Stromvorsteuerwertebereiche (Kennlinien oder Tabellen) und angepasste
Solltrajektorien erstellt und hinterlegt, so dass bei einem Wechsel
von einem Betriebszustand in den anderen (z.B. aufgrund einer Laständerung
und/oder einer Drehzahländerung
und/oder geänderter
Steuerzeiten für
Ventilantrieb oder Einspritzung und/oder dergleichen) aufgrund geänderter Betriebsparameter
(Betriebsparameter haben Schwellenwerte unter- oder überschritten)
eine automatische Umschaltung der Regelgrößenpaare „Stromvorsteuerwerte/(Geschwindigkeits-)Solltrajektorie" erfolgt. Dadurch
ist gewährleistet,
dass bei jedem vorliegenden Betriebszustand eine hierzu passende
Solltrajektorie und ein hierzu passender Stromvorsteuerwertebereich
ausgewählt
sind und die Regelung anhand optimal an die vorliegenden Verhältnisse
angepasster Sollwerte erfolgt. Vorzugsweise sind zwei oder drei
Bereiche von Vorsteuerwertebereichen KL1, KL2, KL3 und ebenso viele
Solltrajektorien ST1, ST2, ST3 vorhanden und diese jeweils unterschiedlichen
Betriebszuständen
bzw. Betriebsparameterbereichen zugeordnet, wobei jedem Betriebszustand
bzw. Betriebsparameterbereich paarweise jeweils ein Bereich von
Stromvorsteuerwerten KL1, KL2, KL3 und eine Solltrajektorie ST1, ST2,
ST3 zugeordnet sind. Gemäß 1 sind
beispielsweise folgende Zuordnungen vorgegeben:
- – für Bereiche
geringerer Lastanforderung – KL1/ST1,
- – für Bereiche
mittlerer Lastanforderung – KL2/ST2
und
- – für Bereiche
hoher Lastanforderung – KL3/ST3.
-
Vorzugsweise
werden bei einem oder beiden Reglern 20; 40 – wie schematisch
durch die Funktionsblöcke 20.1, 40.1 dargestellt – die Reglerparameter
(Verstärkungsfaktoren,
Vorhalt- und Verzögerungszeiten
o.d. ...) hubabhängig,
d.h. abhängig
von der jeweils vorliegenden Ankerposition z, automatisch eingestellt.
-
In 2 ist
eine Solltrajektorie ST, die das Weg-/Geschwindigkeitsverhalten
des Ankers 2.3 beschreibt sowie bereichsweise Abweichungen
und deren Ausregelung aufgrund des tatsächlichen Aktuatorverhaltens,
dargestellt.
-
Hierfür ist der
Reglerausgang des Geschwindigkeitsreglers 40 als additiver
Eingang auf den Stromregler 20 aufgeschaltet, so dass sich
eine bekannte Kaskadenregelungsstruktur ergibt. Der Stellgrößenausgang
des Stromreglers 20 wird einer Pulsweitenmodulationseinheit
PWM zugeführt,
die die Ausgangsspannung einer prozentualen Einschaltdauer für den jeweiligen
Elektromagneten 2.1, 2.2 zuordnet. Verhält sich
der Aktuator 2 bzw. der sich im Aktuator 2 bewegende
Anker 2.3 gemäß der im
Steuergerät
ausgewählten
Solltrajektorie, so ist der Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 40 gleich
Null und der Anker 2.3 erreicht die gewünschte Endlage allein durch
die ausgewählten
Werte aus dem aktiven Stromvorsteuerbereich. In diesem Fall erfolgt
die Regelung ausschließlich
anhand der Stromvorsteuerwerte IVorsteuer im
Rahmen der ausgewählten
und durch den Geschwindigkeitsregler 40 zu überwachenden
Solltrajektorie ST (siehe 2). Für den Fall,
dass durch den Geschwindigkeitsregler 40 eine entsprechende
Abweichung zwischen Istgeschwindigkeit vist und
Sollgeschwindigkeit vsoll gemäß der Solltrajektorie
ST; ST1, ST2, ST3 festgestellt wird, greift der Geschwindigkeitsregler 40 ein,
indem er einen Korrekturwert IKonrrektur zur Überlagerung
des Stromvorsteuerwertes IVorsteuer erzeugt.
Die Auswirkungen werden in 2 deutlich
(dünnlinierte
Teilbereiche). Die auftretenden Abweichungen im Regelverhalten werden
durch Rückführung des
Regelverhaltens auf die jeweils ausgewählte Einzel-Solltrajektorie sicher ausgeregelt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit
vorstehend lediglich am Beispiel der Ansteuerung eines einzigen
Elektromagneten 2.1 des Aktuators 2 beschrieben
worden. Zur vollständigen
Regelung des Aktuators 2 ist naturgemäß auch der zweite Elektromagnet 2.2 des
Aktuators 2 in analoger Weise anzusteuern. Hierfür findet mit
Vorteil eine zweite Regelungsschaltung mit gleichem Aufbau Anwendung.
Um ein optimales Ansteuerverhalten (geringe Auftreffgeschwindigkeit
bei hoher Mittellagengeschwindigkeit) des Aktuators 2 gewährleisten
zu können,
sind stets beide Regelkreise aktiv und derart miteinander gekoppelt,
dass der Elektromagnet von der sich die Ankerplatte gerade entfernt
ggf. bremsend und der Elektromagnet auf den sich die Ankerplatte
zu bewegt gezielt beschleunigt wird.