DE19607073A1 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans sind aus der DE-OS 38 43 138 (US-5 245 501) bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans, das eine Erregerwicklung aufweist, beschrieben. Zu Beginn der Ansteuerung wird die Erregerwicklung mit einem erhöhten Strom beaufschlagt. Dieser Wert ist höher als der Strom, der erforderlich ist, um den Anker in seiner Stellung zu halten. Erreicht der Anker seine neue Stellung, so wird der Ansteuerstrom auf einen niederen Stromwert zurückgenommen. Diese Umschaltung erfolgt erst, wenn der Anker seine neue Endlage erreicht hat. Zur Erkennung des Aufschlags des Ankers wird der Stromverlauf ausgewertet.
Die Anforderungen an die Auslegung des Magnetkreises sind mit Hinblick auf die gute Auswertbarkeit des Stromverlaufs und die gewünschte Dynamik der Magnetventilnadel unterschiedlich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans der eingangs genannten Art eine hohe Dynamik des Ankers und einen gut auswertbaren Stromverlauf zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergibt sich ein gut auswertbarer Spannungsverlauf und eine gute Dynamik des Ankers.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale beim Stand der Technik, Fig. 3 die entsprechenden Signale bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise und Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines beliebigen elektromagnetischen Schaltorgans geeignet. Vorzugsweise werden sie zur Steuerung der Bewegung einer Ventilnadel eines Magnetventils verwendet, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, festlegt. Es ist aber auch möglich, die Bewegung eines Ankers eines Magnetventils zu steuern, das beispielsweise für eine Antiblockierregeleinrichtung eines Bremssystems verwendet wird.
In Fig. 1 ist beispielhaft ein Magnetventil 1 dargestellt, das zur Steuerung einer in der Figur nicht dargestellten Dieselbrennkraftmaschine verwendet wird. Die Erregerwicklung 3 des Magnetventils liegt in Reihe mit einer Spannungsquelle 5 und mindestens einem steuerbaren Schaltmittel, beispielsweise einem Transistor, der von einer Steuer- und Regeleinheit 9 entsprechend einem Steuersignal 11 angesteuert wird. Das Steuersignal 11 wird von einer Motorsteuerung 12 bereitgestellt.
In Fig. 2 sind verschiedene Signale, die bei einer solchen Schaltungsanordnung auftreten, aufgetragen. In Teilfigur 2a ist der Strom I, der durch das Magnetventil fließt, das Ansteuersignal A und die Magnetkraft F aufgetragen. Der Strom I ist mit einer durchgezogenen Linie, das Ansteuersignal A ist mit einer gestrichelten Linie und die Magnetkraft F mit einer strichpunktierten Linie eingezeichnet.
In Teilfigur 2b ist entsprechend über die gleichen Zeiteinheiten der Hub H der Magnetventilnadel bzw. des Ankers aufgetragen. Zum Zeitpunkt t1 beginnt die Ansteuerung. Dies bedeutet, das Ansteuersignal A nimmt einen höheren Pegel an. Ab diesem Zeitpunkt steigt der Strom an. Entsprechend steigt die Magnetkraft F ebenfalls an. Nach einer kurzen Verzögerungszeit setzt sich die Ventilnadel in Bewegung.
Zum Zeitpunkt t2 erreicht die Ventilnadel ihre neue Endlage. Dies hat zur Folge, daß sich die Induktivität der Spule ändert, was wiederum bewirkt, daß sich die Steigung des Stroms I ändert. Der Strom I steigt weiter an, bis er einen Stromwert IA erreicht hat, der dem Anzugsstrom entspricht.
Bei der Einrichtung gemäß dem Stand der Technik wird nach dem Zeitpunkt t2 der Strom auf ein niederes Niveau zurückgeregelt. Dieses niedere Stromniveau wird als Haltestrom IH bezeichnet. Dieser Strom ist so gewählt, daß er gerade ausreicht, um den Magnetanker in seiner neuen Position zu halten.
Die Magnetkraft F steigt ab dem Zeitpunkt t1 deutlich an. Die Magnetkraft F fällt, wenn der Strom den Haltestrom erreicht hat, langsam wieder ab.
Zum Zeitpunkt t3 wird die Ansteuerung A zurückgenommen. Dies bewirkt, daß der Strom I und die Magnetkraft F wieder auf Null abfällt. Gleichzeitig geht der Hub der Ventilnadel wieder auf Null zurück. Zum Zeitpunkt t4 ist das Magnetventil wieder geschlossen.
Die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 wird als Einschaltzeit bezeichnet, dies ist diejenige Zeit, die zwischen der Ansteuerung und der Reaktion des Magnetventils verstreicht.
Entsprechend wird die Zeit zwischen t3 und t4 als Schließzeit bezeichnet. Dies ist die Zeit, die zwischen der Ansteuerung und Erreichen der neuen Endlage verstreicht.
Die Schließzeit und die Einschaltzeit werden auch als Schaltzeit bezeichnet.
Die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3 wird als Ansteuerdauer AD bezeichnet.
Die Einschaltzeit und die Schließzeit des Magnetventils hängt bei Dieselbrennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen mit Hochdruckeinspritzung, sehr stark von den Betriebsparametern der Einspritzpumpe ab. Den größten Einfluß besitzen die Batteriespannung, die Betriebstemperatur und die Pumpendrehzahl. Da die Magnetventile direkt den Hochdruck und somit die eingespritzte Kraftstoffmenge steuern, hat eine Veränderung der Einschaltzeit einen sehr großen Einfluß auf die eingespritzte Kraftstoffmenge. Aus diesem Grund muß, um eine genaue Einspritzmenge erzielen zu können, der Einschaltzeitpunkt zum jeweiligen Betriebspunkt korrigiert werden.
Um den Einschaltzeitpunkt zu bestimmen, wird üblicherweise der Verlauf des Stromes über der Zeit t bei konstanter Spannung ausgewertet. Erreicht der Anker seine neue Endlage, dies ist zum Zeitpunkt t2 der Fall, so ändert sich die Induktivität der Spule. Eine sich ändernde Induktivität hat bei konstanter Spannung eine Änderung des Stromverlaufs zur Folge. Der Stromverlauf weist zum Schaltzeitpunkt t2 einen Knick auf. Dieser kann durch Auswerten des Stromverlaufs erkannt werden. Bei konstantem Strom hat eine sich ändernde Induktivität eine Änderung des Spannungsverlaufs zur Folge. Der Spannungsverlauf weist zum Schaltzeitpunkt t2 einen Knick auf. Dieser kann durch Auswerten des Spannungsverlaufs erkannt werden.
Damit sich eine signifikante Änderung der Induktivität ergibt und sich diese signifikant auf den Spannungsverlauf und/oder den Stromverlauf auswirkt, muß der Magnetkreis der Spule entsprechend ausgelegt sein. Eine optimale Auslegung im Sinne eines günstigen Spannungsverlauf und/oder Stromverlaufs hat zur Folge, daß sich die Dynamik der Magnetventilnadel verschlechtert. Dies wiederum bewirkt eine verlängerte Schaltzeit.
Besonders nachteilig bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist es, daß zum Zeitpunkt des Anschlagens der Nadel am Ventilsitz zum Zeitpunkt t2, die Magnetkraft F keinen stationären Zustand erreicht hat. Die Magnetkraft hat gegenüber dem Stromverlauf eine deutliche Phasenverzögerung. Dies hat zur Folge, daß die Schließzeit von der Ansteuerdauer abhängig ist. Diese Abhängigkeit bildet sich dann in Mengenkennfeldern der Pumpe ab und macht den Abgleich der Pumpe besonders schwierig.
Weiterhin ist nachteilig, daß der Magnetkreis, bevor die Nadel den Ventilsitz erreicht, die Sättigung erreicht und der Magnetkreis seine Gegeninduktionseigenschaft verliert. Dies ist insbesondere bei hohen Betriebsspannungen der Fall.
Um dies zu verhindern, wird vorgeschlagen, daß kurz bevor die Nadel den Ventilsitz erreicht, der freie Stromanstieg geändert und der Strom auf den Haltestrom IH geregelt wird.
In Fig. 3 sind die Verläufe der verschiedenen Signale entsprechend wie in Fig. 2 bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise aufgetragen. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird zum Zeitpunkt tr, der unmittelbar vor dem Zeitpunkt t2 liegt, der Sollwert für den Strom I auf den Haltestrom IH abgesenkt. Dies hat zur Folge, daß bereits vor dem Zeitpunkt t2, bei dem die Magnetventilnadel aufschlägt, der Strom den Haltestrom erreicht hat.
Ferner nimmt die Magnetkraft F zu diesem Zeitpunkt bereits einen konstanten Wert an. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt tr bis zum Zeitpunkt t3 weist die Magnetkraft F einen konstanten Wert auf. Die Magnetkraft F steigt ab dem Zeitpunkt t1 bis zu dem Zeitpunkt tr an und nimmt ab dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 einen konstanten Wert an und fällt dann bis zum Zeitpunkt t4 wieder auf Null ab.
Der Strom steigt ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt tr an und fällt dann auf den Haltestrom IH ab. Ab dem Zeitpunkt t3 fällt der Strom wieder auf den Wert Null ab.
Die Umschaltung auf das Haltestromniveau IH erfolgt mittels eines in einem Kennfeld abgelegten Wertes für den Zeitpunkt tr. Der Zeitpunkt tr liegt möglichst kurz vor dem Aufschlagen der Nadel auf dem Ventilsitz, also möglichst kurz vor dem Zeitpunkt t2. Der Abstand zwischen dem Zeitpunkt tr und dem Zeitpunkt t2 ist erfindungsgemäß so bemessen, daß zum Zeitpunkt t2 der Strom den Wert IH und die Magnetkraft F ihren konstanten Wert erreicht hat.
In dem Kennfeld ist ein erwarteter Wert für die Einschaltzeit t2 abgelegt. Zur Erfassung der tatsächlichen Schaltzeit wird der Verlauf der Spannung U ausgewertet. Wird der Strom auf den Haltestrom IH geregelt, so ergibt sich eine Änderung der Spannung, wenn die Ventilnadel aufschlägt. Die Spannungsänderung am Magnetventil während des Anschlagens der Nadel am Ventilsitz, ausgelöst durch die plötzlich abbrechende Gegeninduktion, ist sehr groß und in erster Näherung unabhängig von der Auslegung des Magnetkreises.
In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Flußdiagrammes dargestellt. Bei Beginn der Einspritzung zum Zeitpunkt t1 wird im ersten Schritt 400 für den Strom ein Sollwert IS vorgegeben, der dem Anzugsstrom IA entspricht. Anschließend wird im Schritt 410 der Zeitpunkt tr bestimmt. Der Zeitpunkt tr wird vorzugsweise aus einem Kennfeld, abhängig von verschiedenen Betriebsparametern, die in Schritt 415 bestimmt werden, berechnet. Als Betriebsparameter werden vorzugsweise die Kraftstoffmenge QK und die Drehzahl N verwendet. Des weiteren ist vorteilhaft, wenn der Schaltzeitpunkt BIP, der bei der vorhergehenden Zumessung ermittelt wurde, in die Berechnung des Zeitpunktes tr eingeht.
In einer einfachen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Zeitpunkt tr sich aus dem Schaltzeitpunkt BIP, der dem Zeitpunkt t2 entspricht, die vorhergehenden Zumessungen ergibt. Dabei ergibt sich der Zeitpunkt tr durch Verringerung des Zeitpunktes t2 um ein bestimmtes Zeitintervall. Dieses Zeitintervall berücksichtigt unter anderem die Streuungen des Schaltzeitpunktes t2 von Zumessung zu Zumessung und ist gegebenenfalls so gewählt, daß der Strom zum Schaltzeitpunkt t2 sicher sein Halteniveau IH erreicht hat.
Die anschließende Abfrage 420 überprüft, ob der Zeitpunkt tr bereits erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt erneut Schritt 420 beziehungsweise Schritt 410, indem der Zeitpunkt tr gegebenenfalls nochmals neu berechnet wird. Ist der Zeitpunkt tr erreicht, so wird in Schritt 430 für den Sollwert IS des Stroms das neue Niveau IH vorgegeben. Gleichzeitig wird im Schritt 440 der Schaltzeitpunkt BIP durch Auswerten der am Magnetventil abfallenden Spannung berechnet.
Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführung ist es, daß der Magnetkreis so ausgelegt werden kann, daß sich günstige Schaltzeiten des Magnetventils ergeben. Die Regelung auf den Haltestrom IH vor dem eigentlichen Anschlagen der Nadel beeinflußt die Schaltzeit nur unwesentlich. Die Regelung auf den Haltestrom setzt zu einem Zeitpunkt ein, bei dem die Magnetventilnadel bereits eine hohe Geschwindigkeit erreicht hat und die Magnetkraft durch Verringerung des Luftspalts deutlich angestiegen ist.
Da die Magnetkraft bei Erreichen des Ventilsitzes bereits konstant ist, ergibt sich ein konstantes Ausschaltverhalten auch bei einer variablen Ansteuerdauer. Das heißt, die Ansteuerdauer hat keinen Einfluß auf die Ausschaltzeit.
Des weiteren können Änderungen in den Schaltzeiten durch äußere Einflüsse im Kennfeld berücksichtigt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans, das eine Erregerwicklung aufweist, wobei zur Bewegung des Ankers ein vorgebbarer Strom und/oder eine vorgebbare Spannung an die Erregerwicklung gelegt wird, daß ab einem ersten Zeitpunkt (t1) ein erster Sollwert für den Strom vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ab einem zweiten Zeitpunkt (tr) ein zweiter Sollwert für den Strom vorgebbar ist, der kleiner als der erste Sollwert ist, und der zweite Zeitpunkt (tr) vor einem dritten Zeitpunkt (t2) liegt, bei dem der Anker seine Endlage erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeitpunkt (tr) derart vorgebbar ist, daß zum dritten Zeitpunkt (t2) der Strom den zweiten Sollwert (IH) erreicht hat.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeitpunkt (tr) derart vorgebbar ist, daß zum dritten Zeitpunkt (t2) die Magnetkraft (F) einen konstanten Wert erreicht hat.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeitpunkt (tr) abhängig von wenigstens einer der Größen einzuspritzenden Kraftstoffmenge (QK), Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine und/oder dem dritten Zeitpunkt (t2), der bei der bei der vorhergehenden Zumessung ermittelt wurde, vorgebbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeitpunkt (tr) in einem Kennfeld abgelegt ist.
6. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans, das eine Erregerwicklung aufweist, wobei zur Bewegung des Ankers ein Strom oder eine Spannung an die Erregerwicklung gelegt wird wobei ab einem ersten Zeitpunkt (t1) ein erster Sollwert für den Strom vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ab einem zweiten Zeitpunkt (tr) einen zweiten Sollwert für den Strom vorgeben, der kleiner als der erste Sollwert ist, und der zweite Zeitpunkt (tr) vor einem dritten Zeitpunkt (t2) liegt, bei dem der Anker seine Endlage erreicht.
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