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