DE10360799A1 - Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen (Hub-)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. Erfindungsgemäß wird ein der Position des Ankers entsprechendes Positionssignal gebildet, der Stromistwert des Elektromagneten erfasst und der Elektromagnet über hinterlegte ankerpositionsabhängige Bereiche mit Stromvorsteuerwerten mittels einem ersten Regler angesteuert, wobei aus einer hinterlegten Solltrajektorie zu der Position des Ankers ein Sollgeschwindigkeitswert zugeordnet wird und in Abhängigkeit von einer Istgeschwindigkeit mittels einem zweiten Regler ein Korrekturwert zur Überlagerung des der Ankerposition zugeordneten Stromvorsteuerwertes erzeugt wird und in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen Stromistwert und dem korrigierten Stromvorsteuerwert über den ersten Regler ein Ansteuersignal für den Elektromagneten erzeugt wird.

Description

  • 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.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen (Hub-)Aktuators (2) mit mindestens einem Elektromagneten (2.1, 2.2) und einem auf ein Stellglied einwirkenden Anker (2.3), der gegen die Kraft eines Federelementes (6.1, 6.2) durch die Bestromung des Elektromagneten (2.1, 2.2) mittels einer Steuereinrichtung aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung überführbar ist, bei dem – ein der Position (z) des Ankers (2.3) entsprechendes Positionssignal gebildet wird, – der Stromistwert (Iist) des Elektromagneten (2.1, 2.2) erfasst wird, – der Elektromagnet (2.1, 2.2) über hinterlegte ankerpositionsabhängige Bereiche (KL1, KL2, KL3) mit Stromvorsteuerwerten (IVorsteuer) mittels einem ersten Regler (20) angesteuert wird, – aus einer hinterlegten Solltrajektorie (ST1, ST2, ST3) zu der Position des Ankers (2.3) ein Sollgeschwindigkeitswert (vsoll) zugeordnet wird, – in Abhängigkeit von einer aus Sollgeschwindigkeit (vsoll) und Istgeschwindigkeit (vist) ermittelten Differenz mittels einem zweiten Regler (40) ein Korrekturwert (IKorrektur) zur Überlagerung des der Ankerposition (z) zugeordneten Stromvorsteuerwertes (IVorsteuer) erzeugt wird, – und in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen Stromistwert (Iist) und korrigiertem Stromvorsteuerwert über den ersten Regler (20) ein Ansteuersignal für den Elektromagneten (2.1, 2.2) erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest zwei Bereiche von Stromvorsteuerwerten (KL1, KL3, KL3) und Solltrakjektorien (ST1, ST2, ST3) vorhanden sind und die unterschiedlichen Bereiche (KL1, KL3, KL3; ST1, ST2, ST3) jeweils unterschiedlichen Betriebsparameterbereichen zugeordnet sind, wobei jedem Betriebsparameterbereich paarweise jeweils ein Bereich von Stromvorsteuerwerten (KL1, KL3, KL3) und eine Solltrajektorie (ST1, ST2, ST3) zugeordnet sind.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerparameter des ersten und/oder des zweiten Reglers (20; 40) ankerpositionsabhängig und/oder ankergeschwindigkeitsabhängig verändert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromvorsteuerwerte (IVorsteuer) aufgrund einer detektierten Änderung im Bewegungsablauf des Ankers (2.3) adaptiert werden.
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