DE19724900A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts. Sie betrifft insbesondere ein Stellgerät zum Steuern einer Brennkraftma­ schine.

Ein bekanntes Stellgerät (US 5 350 153) hat ein Stellglied, das als Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb umfaßt einen ersten Elektromagneten mit einem ersten Kern und einer ersten Spule und einen zweiten Elektromagneten mit einem zweiten Kern und einer zweiten Spule. Der erste und zweite Elektroma­ gnet sind in einem vorgegebenen Abstand in einem Gehäuse an­ geordnet. Eine Ankerplatte ist beweglich zwischen dem ersten und zweiten Elektromagneten angeordnet und ist durch eine er­ ste und eine zweite Feder in eine vorgegebene Ruheposition vorgespannt. Die Ankerplatte ist starr mit einem Schaft des Gaswechselventils verbunden. Um die Ankerplatte aus ihrer Ru­ heposition in Anlage mit dem ersten Elektromagneten zu brin­ gen, wird die erste Spule mit einem Anzugsstrom erregt. Der Anzugsstrom bewirkt eine elektromagnetische Kraft, die die Ankerplatte gegen eine durch die erste oder zweite Feder be­ wirkte Kraft an den ersten Elektromagneten zieht. Um die An­ kerplatte von der Anlage mit dem ersten Elektromagneten zu der Anlage mit dem zweiten Elektromagneten zu bringen, wird die zweite Spule mit einem vorgegebenen Fangstrom erregt.

Gleichzeitig wird die erste Spule nicht erregt. Die Anker­ platte schwingt, hervorgerufen durch die Federkraft der er­ sten und zweiten Feder, in Richtung auf den zweiten Elektro­ magneten. Die elektromagnetische Kraft, die durch die Erre­ gung des zweiten Elektromagneten hervorgerufen ist, kompen­ siert lediglich Verluste durch Reibung in den Federn und zwi­ schen der Ankerplatte und dem Gehäuse. Bei dem bekannten Stellgerät kann es passieren, daß die Ankerplatte unerwünscht in ihre Ruheposition abfällt. Dies ist durch Fertigungstole­ ranzen oder Alterung der Bauteile bedingt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Ein­ richtung zum Steuern eines Stellgeräts zu schaffen, das/die einen zuverlässigen Betrieb des Stellgeräts gewährleistet.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa­ tentansprüche gelöst. Die Lösung hat den Vorteil, daß der Fangstrom niedrig vorgegeben werden kann. Dadurch werden die Verluste in dem ersten und zweiten Elektromagneten gering ge­ halten und eine starke Erwärmung des Elektromagneten verhin­ dert, die zu einer thermischen Zerstörung des Elektromagneten führen kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß auch ein zuverläs­ siges Steuern gewährleistet ist, wenn Störkräfte auf das Stellglied einwirken. Derartige Störkräfte können beispiels­ weise durch starke Vibrationen hervorgerufen sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Haltestrom korrigiert, wenn ein Abfall in die Ruheposition erkannt ist. Der Haltestrom kann dann vorteilhaft niedrig vorgegeben werden. Es ist dann gewährleistet, daß einerseits die durch den Haltestrom hervorgerufene elektromagnetische Kraft ausreicht, um die Ankerplatte in Anlage mit dem ersten oder zweiten Elektromagneten zu halten, andererseits jedoch auch eine geringe Verlustwärme erzeugt wird. Der aufgrund des geringen Luftspalts zwischen der Ankerplatte und dem Elektro­ magneten hohe magnetischen Widerstand, hätte bei einem hohen Haltestrom eine sehr hohe thermische Beanspruchung des Stell­ geräts zur Folge.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Anschwingvorgang ausgelöst, nachdem ein Abfall der Ankerplatte in die Ruheposition erkannt wurde. Dazu wird ein Anschwingstrom erst um einen vorgegebenen Wert korrigiert und dann der erste und der zweite Elektromagnet abwechselnd und zwar in etwa mit der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems bestromt. Dies hat den Vorteil, daß die Verfügbarkeit des Stellgeräts erhöht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung eines Stellgeräts in einer Brenn­ kraftmaschine,

Fig. 2 ein Flußdiagramm zum Steuern des Stellgeräts,

Fig. 3 ein weiteres Flußdiagramm zum Korrigieren der Strö­ me durch die erste oder die zweite Spule,

Fig. 4 Signalverläufe der Signale aufgetragen über die Zeit t.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion werden figuren­ übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Stellgerät 1 (Fig. 1) umfaßt einen Stellantrieb 11 und ein Stellglied, das beispielsweise als Gaswechselventil aus­ gebildet ist und einen Schaft 121 und einen Teller 122 hat. Der Stellantrieb 11 hat ein Gehäuse 111 in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet angeordnet sind. Der erste Elektro­ magnet hat einen ersten Kern 112, in dem in einer ringförmi­ gen Nut eine erste Spule 113 eingebettet ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 114, in dem in eine wei­ tere ringförmige Nut eine zweite Spule 115 eingebettet ist. Der erste Kern 112 hat eine Ausnehmung 116a, die eine Führung für den Schaft 121 bildet. Der zweite Kern 114 hat eine wei­ tere Ausnehmung 116b, die auch als Führung des Schafts 121 dient. Eine Ankerplatte 117 ist in dem Gehäuse 111 beweglich zwischen dem ersten Kern 112 und dem zweiten Kern 114 ange­ ordnet. Eine erste Feder 118a und eine zweite Feder 118b spannen die Ankerplatte in eine vorgegebene Ruheposition R vor.

Das Stellgerät 1 ist mit einem Zylinderkopf 21 starr verbun­ den. Dem Zylinderkopf 21 ist ein Ansaugkanal 22 und ein Zy­ linder 23 mit einem Kolben 24 zugeordnet. Der Kolben 24 ist über eine Pleuelstange 25 mit einer Kurbelwelle 26 gekoppelt.

Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die Signale von Sen­ soren erfaßt und Stellsignale für das Steuergerät erzeugt. Die Sensoren sind als ein Positionsgeber 5, der eine Position X der Ankerplatte 117 erfaßt, als ein erster Strommesser 7a, der den Istwert I_AV1 des Stroms durch die erste Spule 113 erfaßt, als ein zweiter Strommesser 7b, der einen Istwert I_AV2 des Stroms durch die zweite Spule 115 erfaßt, als ein Drehzahlgeber 27, der die Drehzahl N der Kurbelwelle 25 er­ faßt, oder als ein Lasterfassungssensor 28 ausgebildet, der vorzugsweise ein Luftmassenmesser oder ein Drucksensor ist. Neben den erwähnten Sensoren können auch weitere Sensoren vorhanden sein.

Ferner sind Treiber 6a, 6b vorgesehen, die die Stellsignale der Steuereinrichtung 4 verstärken.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird das Verfahren zum Steuern des Stellgeräts beschrieben. Dabei ist es für die Erfindung unwe­ sentlich, ob das Verfahren in Form eines Programmes in einem Mikroprozessor abgearbeitet wird, oder ob eine entsprechende Schaltungsanordnung hierfür vorgesehen ist. Das Verfahren kann auch in Form eines Rechenprozesses oder in Form mehrerer Rechenprozesse ausgeführt werden.

In einem Schritt S1 (Fig. 2) wird das Verfahren gestartet. In einem Schritt S2 wird ein Anschwingen der Ankerplatte 117 aus ihrer Ruhelage R gesteuert. Dazu werden die Spulen 113 und 115 abwechselnd und zwar in der Resonanzfrequenz des freien Feder-Masse-Schwingers bestromt, der durch die erste Ankerplatte 117 und die erste und zweite Feder 118a, 118b ge­ bildet wird. Nach einer vorgegebenen Zeit ab dem Beginn des Anschwingens wird die erste oder die zweite Spule 113, 115 mit einem Haltestrom I_H bestromt, der eine elektromagneti­ sche Kraft bewirkt, die ausreicht, um die Ankerplatte in An­ lage mit dem ersten beziehungsweise zweiten Kern 112, 114 zu halten. Alternativ kann die erste oder die zweite Spule 113, 115 auch mit einem Haltestrom I_H bestromt werden, nachdem der Positionsgeber 5 erfaßt hat, daß die Position X der An­ kerplatte 117 eine Schließposition C oder eine Offenposition O ist. Die Ankerplatte 117 ist in der Schließposition, wenn sie in Anlage mit dem ersten Elektromagneten ist, und in der Offenposition O, wenn sie in Anlage mit dem zweiten Elektro­ magneten ist. Der Stellantrieb 11 kann mehrere Betriebszu­ stände einnehmen, so das Anschwingen, das Fangen und das Hal­ ten der Ankerplatte 117.

In einem Schritt S3 wird ein Sollwert I_SP1 des Stroms durch die erste Spule 113 ermittelt. Dazu wird abhängig von dem Be­ triebszustand des Stellantriebs 11 und/oder der Position X der Ankerplatte 117 der Fangstrom oder der Haltestrom oder der Anschwingstrom aus je einem Kennfeld ermittelt und dem Sollwert I_SP1 des Stroms durch die erste Spule 113 zugeord­ net. Die Kennfelder sind dabei vorzugsweise abhängig von der Drehzahl N und dem Luftmassenstrom MAF oder dem Druck MAP in dem Ansaugkanal 22.

In einem Schritt S4 wird der Istwert I_AV1 des Stroms durch die erste Spule 113 von dem Strommesser 7a erfaßt. Die Diffe­ renz des Sollwertes I_SP1 und des Istwertes I_AV1 des Stroms durch die Spule 113 ist die Regeldifferenz, die einem Regler mit Hysterese in einem Schritt S5 zugeführt wird. Der Regler ist vorzugsweise als Zweipunktregler mit Hysterese ausgebil­ det. Die Stellgröße des Reglers ist ein Spannungssignal U1, das dem Treiber 6a zugeführt wird, der es verstärkt und der Spule zuführt.

In einem Schritt S6 wird ein Sollwert I_SP2 des Stroms durch die zweite Spule 115 ermittelt. Dazu wird abhängig von dem Betriebszustand des Stellantriebs 11 und/oder der Position X der Ankerplatte 117 der Fangstrom I_F oder der Haltestrom I_H oder der Anschwingstrom I_A aus je einem Kennfeld ermittelt und dem Sollwert I_SP2 des Stroms durch die erste Spule 113 zugeordnet. Die Kennfelder sind dabei vorzugsweise abhängig von der Drehzahl N und dem Luftmassenstrom MAF oder dem Druck MAP in dem Ansaugkanal 22.

In einem Schritt S7 wird ein Istwert I_AV2 des Stroms durch die zweite Spule 115 von einem Strommesser 7b erfaßt. Die Differenz des Sollwertes I_SP2 und des Istwertes I_AV2 des Stroms durch die zweite Spule 115 ist die Regeldifferenz, die dem Regler im Schritt S8 zugeführt wird. Der Regler erzeugt abhängig von der Regeldifferenz ein Spannungssignal U2, das dem Treiber 6b zugeführt wird. Der Treiber 6b verstärkt das Spannungssignal U2 und beaufschlagt die zweite Spule 115 da­ mit.

In einem Schritt S9 wird geprüft, ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist. Die Abbruchbedingung ist vorzugsweise, ob sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand des Motor­ stops befindet. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren im Schritt S10 beendet. Ist dies jedoch nicht der Fall, so wird das Verfahren in dem Schritt S3 fortgesetzt. Das Verfahren kann dann alternativ auch erst nach einer vorgegebenen Verzö­ gerungszeit im Schritt S3 fortgesetzt werden.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm zum Korrigieren des Fang­ stroms I_F, des Haltestroms I_H und des Anzugsstroms I_A dar­ gestellt. Vorzugsweise werden die Schritte des Flußdiagramms von einem Unterbrechungsprozeß abgearbeitet, der periodisch (zum Beispiel alle 5 ms) quasi parallel zu dem Programm von Fig. 2 aufgerufen wird.

In einem Schritt S14 erfolgt der Start. In einem Schritt S15 wird die Position X der Ankerplatte von dem Positionsgeber 5 erfaßt und eingelesen. In einem Schritt S16 wird überprüft, ob der Betrag der Differenz der Position X und der Ruheposi­ tion R größer ist als ein vorgegebener Toleranzwert DR. Ist dies der Fall, so wird in den Schritt S19 verzweigt, in dem ein Zeitwert T mit dem Wert Null belegt wird. Ist die Bedin­ gung des Schritts S16 jedoch nicht erfüllt, so wird im Schritt S18 der Zeitwert T um eins erhöht.

In einem Schritt S21 wird geprüft, ob der Zeitwert T größer ist als eine vorgegebene Zeitdauer T_DIAG. Ist dies nicht der Fall, so wird das Verfahren im Schritt S22 beendet und der Zeitwert T gespeichert. Ist dies jedoch der Fall, so wird ein Abfall der Ankerplatte 117 in die Ruheposition R erkannt. In einem Schritt S24 wird der Fangstrom I_F um einen ersten Ad­ aptionswert I_AD1 erhöht.

In einem Schritt S25 wird geprüft, ob der Fangstrom I_F grö­ ßer ist als ein maximaler Fangstrom I_F_MAX. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt 26 ein Fehler des Stellgeräts erkannt und das Stellgerät wird nicht mehr angesteuert. Ist die Bedingung des Schritts S25 jedoch nicht erfüllt, so wird in einem Schritt S27 der Haltestrom um einen zweiten Adapti­ onswert I_AD2 erhöht. In einem Schritt S28 wird der An­ zugsstrom I_A um einen dritten Adaptionswert I_AD2 erhöht. In einem Schritt S29 wird dann ein erneutes Anschwingen wie in dem Schritt S2 gesteuert, jedoch mit dem korrigierten An­ zugsstrom I_A.

Der Fangstrom I_F, der Haltestrom I_H und der Anzugsstrom I_A können alternativ auch multiplikativ korrigiert werden.

Das Korrigieren des Fangstroms I_F, des Haltestroms I_H oder des Anzugsstroms I_A in den Schritten S24, S27, S28 erfolgt in einer einfachen Ausgestaltung der Steuereinrichtung 4 durch ein Korrigieren aller zugeordneten Kennfeldwerte. In einer anderen Ausgestaltung der Steuereinrichtung 4 werden nur die der aktuellen Last und Drehzahl zugeordneten und die diesen benachbarten Kennfeldwerte korrigiert.

Fig. 4a zeigt die Stellgröße des Zweipunktreglers mit Hyste­ rese, die ein erstes Spannungssignal U1 ist und mit dem die erste Spule 113 erregt wird. Fig. 4b zeigt den zugeordneten zeitlichen Verlauf des Istwertes I_AV1 des Stroms durch die erste Spule 113. Fig. 4c zeigt den zeitlichen Verlauf der Stellgröße des Zweipunktreglers mit Hysterese für die zweite Spule 115. Die Stellgröße ist das Spannungssignal U2 mit dem die zweite Spule 115 erregt wird. Fig. 4c zeigt den zeitli­ chen Verlauf des zugeordneten Istwertes I_AV2 des Stroms durch die zweite Spule 115. Fig. 4e zeigt den zeitlichen Verlauf der Position X der Ankerplatte 117.

Von einem Zeitpunkt t₁ bis zu einem Zeitpunkt t₃ ist der Sollwert I_SP1 für den Strom durch die erste Spule 113 der Fangstrom I_F. Zum Zeitpunkt t₂ kommt die Ankerplatte 117 zur Anlage mit dem ersten Kern 112. Von dem Zeitpunkt t₃ bis zu einem Zeitpunkt t₄ ist der Sollwert I_SP1 des Stroms durch die Spule der Haltestrom I_H. Der Zeitpunkt t₃ ist vorzugs­ weise so gewählt, daß er möglichst nahe bei dem Zeitpunkt t₂ liegt. Das Auftreffen der Ankerplatte 117 wird vorzugsweise durch ein Auswerten der Position X ermittelt. In einer einfa­ chen Ausführungsform kann der zeitliche Abstand zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃ jedoch auch experimentell bestimmt sein und ein fest vorgegebener Wert sein.

Von dem Zeitpunkt t₄ bis zu einem Zeitpunkt t₁₀ ist der Soll­ wert I_SP1 des Stroms durch die erste Spule 113 gleich null. Nach dem Zeitpunkt t₄ löst sich die Ankerplatte 117 von dem ersten Kern 112 und schwingt durch die von der ersten und zweiten Feder 118a, 118b hervorgerufenen Kraft von der Schließposition C durch die Ruheposition R hin zur Öffnungs­ position O der Ankerplatte 117. Ab dem Zeitpunkt t₅ ist der Sollwert des Stroms durch die zweite Spule 115 der Fangstrom I_F. Die magnetische Kraft, die durch den Strom durch die zweite Spule 115 hervorgerufen ist, zieht die Ankerplatte 117 in Richtung des zweiten Kerns 114. Zu einem Zeitpunkt t₇ ist die Position X der Ankerplatte 117 die Schließposition O.

Zwischen einem Zeitpunkt t₈ und einem Zeitpunkt t₉ ist der Sollwert des Stroms durch die zweite Spule 115 der Haltestrom I_H.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt. Beispielsweise kann das Stellglied auch als Einspritzventil ausgebildet sein. Das Verfahren kann als Pro­ gramm von einem Mikroprozessor abgearbeitet werden. Es kann aber ebenso auch durch eine Logikschaltung oder eine Analog­ schaltungsanordnung realisiert werden. Der Regler kann bei­ spielsweise auch als ein Einpunktregler mit einem Zeitglied oder als ein Pulsweitenmodulations-Regler ausgebildet sein.

Claims (7)

1. Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellge­ räts, das ein Stellglied und einen Stellantrieb hat, der aufweist:

• - einen ersten Elektromagneten und einen zweiten Elektroma­ gneten, der in einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Elektromagneten angeordnet ist,
• - eine bewegliche Ankerplatte (117),
• - eine erste und eine zweite Feder (118a, 118b), die die An­ kerplatte (117) in eine vorgegebene Ruheposition (R) vor­ spannen, und
• - einen Positionsgeber (5), der die Position (X) der Anker­ platte (117) erfaßt; bei dem:
• - die Elektromagnete abwechselnd mit einem vorgegebenen Fang­ strom (I_F) bestromt werden, und
• - der Fangstrom (I_F) erhöht wird, wenn die Ankerplatte (117) länger als eine vorgegebene Zeitdauer (T_DIAG) in der Ruhe­ position (R) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangstrom (I_F) um einen vorgegebenen Adaptionswert (I_AD1) erhöht wird, wenn die Ankerplatte (117) länger als eine vorgegebene Zeitdauer (T_DIAG) in der Ruheposition (R) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert (I_AV1, I_AV2) des Stroms durch den ersten und den zweiten Elektromagneten erfaßt wird, daß ein Spannungs­ signal (U1, U2) von einem Regler erzeugt wird und zwar ab­ hängig von dem Istwert (I_AV1, I_AV2) des Stroms und dem Fangstrom (I_F), und daß dem ersten oder dem zweiten Elek­ tromagneten das Spannungssignal (U1, U2) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste oder der zweite Elektromagnet mit einem vorgegebenen Haltestrom (I_H) bestromt werden, wenn ein Auftreffen der Ankerplatte (117) auf den ersten bzw. den zweiten Elektromagneten erkannt wird, und daß der Haltestrom (I_H) adaptiert wird, wenn die Ankerplatte (117) länger als die vorgegebene Zeitdauer (T_DIAG) in der Ruhe­ position ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Anschwingvorgang gesteuert wird, wenn die Ankerplatte (117) länger in der Ruheposition (R) ist als die vorgegebene Zeitdauer (T_DIAG), daß während des An­ schwingvorgangs der erste oder der zweite Elektromagnet im Wechsel und zwar mit der Eigenfrequenz eines freien Feder- Masse Schwingers, der durch die Ankerplatte (117) und die erste und die zweite Feder (118a, 118b) gebildet wird, mit einem vorgegebenen Anschwingstrom (I_A) bestromt werden, und daß der Anschwingstrom (I_A) adaptiert wird, wenn die Ankerplatte (117) länger als die vorgegebene Zeitdauer (T_DIAG) in der Ruheposition (R) ist.

6. Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellge­ räts, das ein Stellglied und einen Stellantrieb hat, der aufweist:

• - einen ersten Elektromagneten und einen zweiten Elektroma­ gneten, der in einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Elektromagneten angeordnet ist,
• - eine bewegliche Ankerplatte (117),
• - eine erste und eine zweite Feder (118a, 118b), die die An­ kerplatte (117) in eine vorgegebene Ruheposition (R) vor­ spannen, und
• - einen Positionsgeber (5), der die Position (X) der Anker­ platte (117) erfaßt; bei der:
• - erste Mittel vorgesehen sind, die die Elektromagnete ab­ wechselnd mit einem vorgegebenen Fangstrom (I_F) bestromen, und
• - zweite Mittel vorgesehen sind, die den Fangstrom (I_F) er­ höhen, wenn die Ankerplatte (117) länger als eine vorgege­ bene Zeitdauer (T_DIAG) in der Ruheposition (R) ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied als Gaswechselventil ausgebildet ist.