DE19739840C2 - Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigbaren Stellvorrichtung, insbesondere eines Ventils für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigbaren Stellvorrichtung, insbesondere ein periodisch betriebenes Gaswechselventil für Brennkraft­ maschinen.

Ein gattungsbildendes Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des unabhängigen An­ spruchs 1 ist bekannt aus:
"Electromagnetic Engine Valve Actuator with Low Seating Velocity"
Research Disclosure
Nr. 35226, August 1993, Seite 518
XP 000395246, Emsworth, GB.

Dieses Dokument zeigt folgende Merkmale:
Ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetisch betätigbaren Stellvorrichtung, ins­ besondere eines periodisch betriebenen Ventils für Brennkraftmaschinen,
mit einer Schubstange mit mindestens einem an der Schubstange quer zu deren Längsachse befestigten Anker,
der Anker wird zwischen sich gegenüberliegenden Polflächen zweier in axialem Abstand angeordneter Elektromagnete bewegt,
zwei in axialer Richtung wirkende Rückstellfedern sind mit der Stellvorrichtung verbunden, im stromlosen Zustand der Elektromagnete wird der Anker in einer Mittellage zwischen den Elektromagneten gehalten,
die aktuelle Position des Stellorgans und/oder des Ankers wird zu verschiedenen Zeitpunk­ ten mit einem Wegsensorelement erfaßt, aus dem Positionssignal wird die aktuelle Ge­ schwindigkeit ermittelt und die aktuelle Positions-Geschwindigkeitskennlinie gebildet,
die aktuelle Positions-Geschwindigkeitskennlinie wird in einer Steuer- und Regeleinheit mit einer vorgegebenen Soll-Positions-Geschwindigkeitskennlinie verglichen und
über Ansteuersignale an eine Treibschaltung wird der Stromfluß durch die Elektromagnete so eingeteilt, daß der Anker und/oder das Stellorgan sich entlang der vorgegebenen Soll- Positions-Geschwindigkeitskennlinie bewegt.

Berücksichtigt man, daß die erfindungsgemäße Pulsweitenmodulation mit den Endstufen (12, 13) eine konkrete Ausgestaltung einer ansteuerbaren Treiberschaltung ist, sind damit aus dem vorgenannten Dokument alle Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 belegt.

Ungelöst ist jedoch das Problem, den Einfluß betriebsbedingter Störgrößen, insbesondere Temperaturschwankungen, Viskositätsänderungen des Öls bei Gaswechselventilen, Ver­ schleiß der Stellvorrichtung oder Verschmutzung der Stellvorrichtung, in der Steuerung zu eliminieren. Dies kann zu einer Fehlfunktion der Stellvorrichtung führen, insbesondere zu erhöhtem Verschleiß der Stellvorrichtung, unerwünschter Geräuschentwicklung und über­ höhtem Energieverbrauch. Ein sicherer Dauerbetrieb der Stellvorrichtung ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Stellvorrichtung anzugeben, mit dem Störgrößen eliminiert werden können.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Stromfluß durch die Elektromagnete so ein­ gestellt, daß der Anker und/oder das Stellorgan sich entlang einer vorgegebenen Positions- Geschwindigkeitskennlinie bewegt. Die Position des Stellorgans und/oder des Ankers wird mit einem Wegsensor erfaßt und aus der Position die Geschwindigkeit des Stellorgans und/oder des Ankers abgeleitet. Die Position und Geschwindigkeit wird einer Regel- und Steuereinheit zugeführt, welche unter Berücksichtigung aktueller Stellgrößen der Stellvor­ richtung, die von einer Datenquelle zur Verfügung gestellt werden, die Signale zu einem Ansteuersignal für die Elektromagnete verarbeitet und mit dem Ansteuersignal den Strom­ fluß durch die Elektromagneten beeinflußt.

Besonders bevorzugt ist die Bestimmung von Position und Geschwindigkeit durch Bestim­ mung der Induktivität und/oder der Induktivitätsänderung einer Spule, die als Wegsensor­ element eingesetzt wird. Bevorzugt ist die Spule Bestandteil eines Schwingkreises, dessen Frequenz ein Maß für die Induktivität der Spule ist. Günstigerweise ist die Frequenz ein Maß für die Position des Ankers und/oder des Stellorgans, insbesondere ist die Frequenzänderung ein Maß für die Geschwindigkeit des Ankers und/oder der Stellvorrichtung.

Günstig ist, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Stromfluß durch die Elektroma­ gnete so eingestellt wird, daß der Anker und/oder das Stellorgan sich sicher entlang einer vorgegebenen Positions-Geschwindigkeitskennlinie bewegt. Insbesondere wird der Stromfluß durch die Elektromagnete so eingestellt, daß die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche geringer als 3 m/sec ist.

Zweckmäßigerweise wird die Form der Spule so gewählt, daß der Positions-Frequenz- Zusammenhang zumindest näherungsweise linear ist. Eine bevorzugte Form für die Spule ist eine Schneckenform. Eine weitere bevorzugte Form ist die Zylinderform.

Die elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtung weist ein Stellorgan auf, insbesondere ein periodisch betriebenes Gaswechselventil für Brennkraftmaschinen, und einer mit diesem kraftschlüssig verbundenen Schubstange, die einen quer zu deren Längsachse befestigten Anker aufweist, welcher innerhalb einer Magneteinheit zwischen sich gegenüberliegenden Polflächen zweier in axialem Abstand angeordneter Elektromagnete bewegbar ist, wobei zwei in axialer Richtung wirkende Rückstellfedern an der Stellvorrichtung angeordnet sind, so daß der Anker in stromlosem Zustand der Elektromagnete in einer Mittellage zwischen den Elektromagneten ist. Die Stellvorrichtung ist zumindest mittelbar mit einem Wegsenso­ relement verbunden, das die aktuelle Position des Ankers und/oder des Stellorgans be­ stimmt.

Aus der Position wird die Geschwindigkeit des Stellorgans und/oder des Ankers mittels ei­ nes Wegsensors bestimmt. Vorzugsweise ist der Wegsensor der Schubstange der Stellvor­ richtung zugeordnet, mit diesem in Verbindung und/oder Bestandteil von diesem.

In einer Ausführung ist das Wegsensorelement an dem stellorganfernen Schubstangenende angeordnet. In einer weiteren Ausführung ist das Wegsensorelement eng benachbart zur Ma­ gneteinheit angeordnet. In einer weiteren Ausführung ist das Wegsensorelement innerhalb eines im wesentlichen magnetfeldfreien Bereichs des Elektromagneten, insbesondere inner­ halb des dem Schubstangenende nächsten Elektromagneten, angeordnet. Das Wegsenso­ relement kann auch zwischen den Polfächen der Elektromagnete angeordnet sein.

In einer Ausführung ist der Wegsensor ein Halbleitersensor, insbesondere ein Hallsensor. In einer weiteren Ausführung ist der Wegsensor ein magnetischer Sensor. In einer weiteren Ausführung ist der Wegsensor ein optischer Sensor. In einer weiteren Ausführung ist der Wegsensor ein kapazitiver Sensor.

Bevorzugt weist das Wegsensorelement eine Spule auf, deren Induktivität durch die Schub­ stange zumindest mittelbar veränderbar ist. In einer Ausführung ist der Wegsensor durch eine Spule gebildet, in die die Schubstange der Stellvorrichtung zumindest zeitweise eintau­ chen kann. Zweckmäßigerweise ist die Schubstange so ausgebildet, daß durch die Schub­ stange die Induktivität der Spule beeinflußt wird.

Zweckmäßigerweise weist das stellorganferne Schubstangenende Metall und/oder magneti­ sches Material und/oder Ferritmaterial auf.

Besonders vorteilhaft ist, daß mittels des Wegsensors zusätzlich die tatsächliche Aufsetzpo­ sition und/oder der Aufsetzzeitpunkt des Ankers genau bestimmbar ist.

Die Stellvorrichtung kann mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden sein, welche zur Verarbeitung von Signalen des Wegsensorelements und von Betriebsparametern einer mit der Stellvorrichtung in Verbindung stehenden Maschine vorgesehen ist.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Wegsensor,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit Steuer- und Regeleinheit,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuer- und Regelverfahrens,

Fig. 5 ein Weg-Zeitdiagramm einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.

Entscheidend für einen sicheren Dauerbetrieb und die Funktion einer Stellvorrichtung, bei der sich ein mit dem Stellorgan verbundener Anker zwischen den Polflächen zweier gegen­ überliegender Elektromagnete bewegt, ist die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers auf die Polflächen des jeweiligen Elektromagneten. Der Anker ist dabei insbesondere an einer kraft­ schlüssig mit dem Stellorgan verbundenen Schubstange angeordnet.

Ist die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers zu hoch, so prallt der Anker von der Polfläche ab, und der Anker kann nicht vom Elektromagneten gehalten werden. Ein Gaswechselventil kann in diesem Fall nicht schließen und/oder öffnen. Die Wucht beim Aufprallen des Ankers führt gleichzeitig zu einem erhöhten Verschleiß des Stellorgans der Stellvorrichtung. Ist die Aufsetzgeschwindigkeit hoch, jedoch gerade noch niedrig genug, um den Anker gegen die Federkraft durch die magnetische Anziehung noch an der Polfläche zu halten, führt der gro­ ße Impuls des Ankers im Auftreffpunkt ebenfalls zu erhöhtem Verschleiß und Materialer­ müdung von Stellorgan und Anker.

Ist die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers vor der Polfläche zu gering, so kehrt der Anker seine Bewegungsrichtung um, ohne die Polfläche zu berühren, da er von den Stellfedern in eine Mittellage zwischen den Polflächen zurückgezogen wird. Das Magnetfeld des Elektro­ magneten ist zu schwach, um die Federkraft der Rückstellfedern in diesem Fall zu übertref­ fen.

Wünschenswert ist es, eine möglichst geringe Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers zu errei­ chen. Im Idealfall ist eine Geschwindigkeit von 0 m/s beim Aufsetzen des Ankers auf die Polfläche angestrebt, vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des Ankers beim Aufsetzen auf eine Polfläche geringer als 3 m/s. Damit kann ein etwaiges Gaswechselventil sicher schlie­ ßen und öffnen, außerdem wird das Material der Stellvorrichtung vor erhöhtem Verschleiß geschützt, eine unerwünschte Geräuschentwicklung bei der Bewegung des Ankers und/oder des Stellorgans ist vermieden, ebenso ist der Energieverbrauch vorteilhaft vermindert.

Hierzu ist die Stellvorrichtung zumindest mittelbar mit einem Wegsensor verbunden, mit dem sich die Position und/oder die Geschwindigkeit des Ankers bestimmen läßt. Ist die Po­ sition des Ankers bekannt, ist vorzugsweise gleichzeitig die Position des Stellorgans be­ kannt. Eine Steuer- und Regeleinheit nimmt diese Signale des Wegsensors auf und regelt den Stromfluß durch die Elektromagnete so, daß die Aufsetzgeschwindigkeit im Aufsetz­ punkt eine vorgegebene Grenze unterschreitet.

Die Stellvorrichtung ist beispielhaft anhand eines Gaswechselventils insbesondere für eine Brennkraftmaschine dargestellt, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung be­ schränkt. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren für Stellvorrichtungen geeignet, die mittels Elektromagneten betrieben werden.

Eine geeignete Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Stellvorrichtung 1 besteht aus einem Stellorgan 2, insbesondere einem Ventil, mit einer Schubstange 3 und einem quer zur Schubstange angeordneten Anker 4. Die Schubstange 3 ist mit dem Ventil 2 kraftschlüssig verbunden. Die Schubstange 3 ragt in eine Magneteinheit 5 hinein. In der Magneteinheit 5 sind zwei Elektromagnete 6 und 7 axial zur Schubstange 3 angeordnet, deren Polflächen 6.1 und 7.1 sich gegenüberliegen. Der Anker 4 ist zwischen dem unteren und dem oberen Elek­ tromagneten 6 und 7 in axialer Richtung bewegbar. Zwei gegensinnig wirkende Rückstellfe­ dern 8.1 und 8.2, welche zwischen dem Ventil 2 und der Magneteinheit 5 angeordnet sind und die den unteren Bereich der Schubstange 3 der Verstelleinheit 1 umgeben, bewirken, daß der Anker 4 im stromlosen Zustand der Elektromagnete 6 und 7 in etwa in einer Mittel­ stellung zwischen den Polflächen 6.1 und 7.1 verweilt. Die Federn können auch beiderseits des Ankers 4 innerhalb der Magneteinheit 5 angeordnet sein. Indem die Elektromagnete 6, 7 abwechselnd von elektrischem Strom durchflossen werden, wird der Anker 4 abwechselnd von einer der Polfläche 6.1, 7.1 des jeweils bestromten Elektromagneten 6, 7 angezogen. Der Anker bewegt sich periodisch hin und her und bewegt dadurch das Stellorgan 2.

Wird der Elektromagnet 7 eingeschaltet, kommt der Anker 4 an dessen Polfläche 7.1 zur Anlage, wobei das Federelement 8.1 zusammengedrückt und das Federelement 8.2 im we­ sentlichen entlastet wird. In dieser Stellung ist das Ventil 2 geschlossen. Zum Öffnen des Ventils 2 wird der Elektromagnet 7 abgeschaltet und der Elektromagnet 6 eingeschaltet. Der Anker 4 wird nicht mehr an der Polfläche 7.1 gehalten, sondern von der Federkraft des Fe­ derelements 8.1 und der Anzugskraft des Elektromagneten 6 in die Richtung der Polfläche 6.1 gezogen. Dabei schwingt das System Anker/Feder über die Mittellage hinaus bis zur Polfläche 6.1 und wird dort vom bestromten Elektromagneten 6 an seiner Polfläche 6.1 ge­ halten. In dieser Stellung ist das Federelement 8.2 zusammengedrückt und das Federelement 8.1 im wesentlichen entlastet. Das Ventil 2 ist geöffnet.

Ein Wegsensorelement 9 ist im oberen Bereich der Schubstanges 3 der Stelleinrichtung 1 angeordnet. Das Wegsensorelement 9 weist einen Wegsensor oder mehrere Wegsensoren auf. Die Wegsensoren können gleich oder verschiedenartig sein. Im folgenden ist nur ein Wegsensor 9 beschrieben. Der Wegsensor 9 registriert die Position der Schubstange 3 und damit gleichzeitig die Position des Ankers 4 und des Stellorgans 2.

Das Positionssignal des Wegsensors 9 wird in einer Einheit 10 aufbereitet, insbesondere wird aus Positionssignalen s ein Geschwindigkeitssignal v bestimmt, und von dort in eine Steuer- und Regeleinheit 11 eingegeben werden. Es ist auch möglich, die Aufbereitung der Sensorsignale direkt in der Steuer- und Regeleinheit 11 durchzuführen; in dieser Ausführung ist eine gesonderte Aufbereitungseinheit 10 nicht notwendig.

Aus dem Sensorsignal läßt sich auf einfache Weise die Geschwindigkeit des Ankers 4 be­ stimmen, indem zeitdiskret, insbesondere in kurzem zeitlichen Abstand verglichen mit der Gesamtdauer, die der Anker von einer Polfläche zur anderen Polfläche 6.1, 7.1 braucht, die Position des Ankers 4 bestimmt wird, insbesondere ist damit auch der zurückgelegte Weg des Ankers 4 und/oder des Stellorgans 2 bestimmt. Zweckmäßig ist eine Zeitdifferenz von wenigen zehntel oder hundertstel Millisekunden zwischen den Meßpunkten.

In der Steuer- und Regeleinheit 11 erfolgt die Auswertung und/oder Weiterverarbeitung des Positionssignals der Stellvorrichtung 1 und führt zu einer gezielten Beeinflussung der End­ stufen 12 und 13 für die beiden Elektromagnete 6 und 7. Zweckmäßigerweise kann die Steu­ er- und Regeleinheit noch über eine Leitung 14 mit einer zentralen Steuerungseinheit der Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, verbunden sein, welche mit der Stellvor­ richtung 1 ausgestattet ist. Die zentrale Steuerungseinheit ist nicht gesondert dargestellt.

Eine solche etwaige Steuerungseinheit kann Stellgrößen enthalten, insbesondere Betriebspa­ rameter wie Öffnungs- und/oder Schließwinkel, Öffnungs- und/oder Schließzeiten, Drehzahl und/oder Last einer Brennkraftmaschine, Temperaturwerte von Kühl- und Schmiermitteln und/oder Temperaturwerte von Halbleiterschaltern. Diese Stellgrößen werden zweckmäßi­ gerweise der Steuer- und Regeleinheit 11 zur Verfügung gestellt und mit dem Positionswert und/oder der daraus abgeleiteten Geschwindigkeit der Stellvorrichtung 1 zu einem Ansteuer­ signal für die Elektromagnete 6, 7 der Stellvorrichtung 1 verarbeitet. Das Ansteuersignal ist so beschaffen, daß die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers 4 auf den Polflächen 6.1, 7.1 minimal ist, vorzugsweise geringer als 3 m/s.

Zweckmäßigerweise wird der Wegsensor 9 in den Endlagen des Ankers 4, d. h. in den Auf­ setzpositionen des Ankers 4 auf den jeweiligen Polflächen 6.1 und 7.1 und/oder in der Ru­ helage des Ankers 4 mittels der Steuer- und Regeleinheit 11 kalibriert.

Vorzugsweise ist der Wegsensor 9 ein Halbleitersensor, insbesondere ein Hallsensor, ein magnetischer Sensor, ein optischer Sensor oder ein kapazitiver Sensor. Günstig sind alle Arten von Wegsensoren, die eine Taktfrequenz im Bereich von zehntel bis hundertstel ms zum Auslesen der Positionen des Ankers 4 ermöglichen.

In einer bevorzugten Ausführung ist der Wegsensor 9 durch eine Spule gebildet, in die die Schubstange 3 der Stellvorrichtung 1 zumindest teilweise eintauchen kann. Zweckmäßiger­ weise ist die Schubstange 3 so ausgebildet, daß dabei die Induktivität der Spule verändert wird. Die Induktivität der Spule wird vorzugsweise mit einer Frequenzmessung, insbesondere in einem Schwingkreis, gemessen. Die gemessene Frequenz ist ein Maß für die Position und die Frequenzänderung ein Maß für die Geschwindigkeit des Ankers 4.

Die Bauform der Spule 9 wird vorzugsweise so gewählt, daß der Zusammenhang zwischen dem vom Anker 4 zurückgelegten Weg und der Frequenz des die Spule 9 enthaltenden Schwingkreises möglichst linear oder zumindest annähernd linear ist. Damit wird die Aus­ wertung der Positionssignale und die Regelung und/oder Steuerung besonders einfach und zuverlässig. Da aus der Position auch die Geschwindigkeit des Ankers 4 bestimmbar ist, ist damit auch der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeits und Frequenzänderung zumin­ dest annähernd linear.

Zweckmäßigerweise sind die bewegten Teile der Stellvorrichtung 1, insbesondere die Schubstange 3 zumindest in den Bereichen, die von der Meßspule erfaßt werden können, aus Materialien gefertigt, welche die Induktivität der Spule 9 verändern können. Hierzu sind die von der Meßspule 9 erfaßbaren Bereiche elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch. Die Schubstange 3 selbst ist zumindest bereichsweise metallisch. Vorteilhaft ist, die Meßspule 9 mit einem Wechselstrom ausreichend hoher Frequenz zu betreiben, insbesondere ≧ 1 MHz, so daß die mit zunehmenden Wirbelströmen in der Schubstange 3 abnehmende Induktivität der Meßspule 9 erfaßt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Induktivität der Spule 9 zu bestimmen, indem die Induktivi­ tät in einen Schwingkreis integriert ist, wo sie zusammen mit einer Kapazität und einer übli­ chen aktiven Entdämpfung einen Oszillator bildet, dessen Schwingfrequenz von einer Pha­ senregelschleife erfaßbar ist. Dies ist in Element 10 enthalten. Die Phasenregelschleife ent­ hält einen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Steuerspannung als Ausgangssignal dient. Die Spannung des Ausgangssignals der Frequenzmessung in 10 ist ein Maß für die Position des Ankers 4 in der Stellvorrichtung 1.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine besonders geeignete Anordnung einer Stellvorrichtung mit einem Wegsensor 9 dargestellt. Als Stellorgan 2 ist hier ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine dargestellt. Die Meßspule 9 ist im Joch 7.2 des oberen Elektromagneten 7 angeordnet, wo sie im wesentlichen unbeeinflußt von einer etwaigen Bestromung des Elektromagneten 7 ist und so eine weitgehend ungestörte Messung der durch das periodische Eintauchen der Schubstanges 3 in die Spule 9 hervorgerufenen Induktivitätsänderung der Spule 9 ermöglicht. Das Schubstangenende ist metallisch. In einer weiteren Ausführung weist das Schubstangenende ein magnetisches Material auf. In einer weiteren Ausführung weist das Schubstangenende Ferrit auf. Die Schubstange 3 kann insbesondere selbst aus ei­ nem die Induktivität der Spule 9 verändernden Material gebildet sein. Eine weitere Anord­ nung besteht darin, an einer Schubstange 3 Mittel vorzusehen, welche die Induktivität der Spule 9 be­ einflussen.

Die Magneteinheit 5 ist mit einer Hülse 15 umgeben. Die Elektromagnete 6, 7 bestehen aus den Polflächen 6.1, 7.1, den Wicklungen 6.3, 7.3 und deren zugehörigem Joch 6.2, 7.2. Die Schubstange 3 der Stellvorrichtung 1 wird mit Gleitlagern 16.1, 16.2 in den Elektromagne­ ten 7 und 6 und das Ventil 2 mit einem Gleitlager 16.3 im Zylinderkopf 18 gelagert. Die Hülse 15 ist mit dem Zylinderkopf 18 verbunden.

Die Rückstellfedern 8.1 und 8.2 sind innerhalb der Hülse 15 und unterhalb der Magnetein­ heit 5 um die Schubstange 3 angeordnet und auf tellerförmigen Ansätzen 17.1 und 17.2 zwi­ schen den beiden Federn 8.1, 8.2 abgestützt. Der Ansatz 17.1 ist mit der Schubstange 3, der Ansatz 17.2 ist mit dem Zylinderkopf 18 verbunden.

Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die bezüglich der Spule 9 induktivitätsändernde Wir­ kung des Schubstangenendes 3 besonders einfach von der Meßspule 9 zu erfassen ist und daß die gesamte Anordnung kompakt und störunempfindlich ist. Der Einbauort des Wegsen­ sors 9 ist auch für andere Sensortypen geeignet, insbesondere für Halbleitersensortypen.

Aufgrund der Trägheit der elektromagnetischen Stellvorrichtung 1, insbesondere aufgrund der Induktivität der Elektromagneten 6, 7, ist es nicht ausreichend, ausschließlich einen Regler zum Betreiben der Stellvorrichtung 1 zu verwenden. Erfindungsgemäß wird daher eine Steuerung mit aufgesetzter Regelung zum Betreiben der Stellvorrichtung 1 verwendet. Die Stellvorrichtung 1 wird in ihrer Bewegung ständig durch die Regelung mit den Soll­ kennlinien abgeglichen und nicht ihrer Eigendynamik überlassen. Damit wird erreicht, daß kleinere Abweichungen von Sollvorgaben aufgrund von im Betrieb der Stellvorrichtung 1 auftretenden Störgrößen sicher mit der Regelung ausgeglichen werden können. Da nur kleine Abweichungen durch die Regelung ausgeregelt werden müssen, ist die Regelung schnell genug.

In Fig. 3 ist eine geeignete Steuer- und Regeleinheit 11 gemäß der Erfindung skizziert. Die Steuer- und Regeleinheit 11 besteht aus einer Kontrolleinheit 11.1, einer Multiplexereinheit 11.2, einem Datenspeicher 11.3 und einer Pulsweitenmodulationseinheit 11.4.

Als Positionssensor 9 wird eine Meßspule verwendet. Die Position des Ankers 4 wird mit­ telbar über die Eintauchtiefe der Schubstange 3 in die Meßspule 4 bestimmt, indem die In­ duktivität der Spule 9 registriert wird. Die Spule 9 bildet zusammen mit einer Kapazität in Element 10.1 einen Oszillator, insbesondere mit einer üblichen Entdämpfung. In Element 10.2 wird die Schwingfrequenz des Oszillators in eine Spannung oder einen Strom umge­ wandelt, insbesondere mittels einer Phasenregelschleife. Verändert sich die Eintauchtiefe des Schubstangenendes in die Spule 9, wird die Frequenz des Oszillators verstimmt, was zu ei­ ner Änderung des Ausgangssignals von Element 10.2 führt. Aus zwei eng benachbarten Po­ sitionsmessungen des Ankers 4 läßt sich auf einfache Weise dessen Geschwindigkeit v durch zeitliche Differenzierung, insbesondere durch zeitdiskrete Differenzierung bestimmen.

Das Ausgangssignal des Elements 10.2 wird in die Multiplexereinheit 11.2 der Steuer- und Regeleinheit 11 geführt. Die Kontrolleinheit 11.1 ruft die Daten aus der Multiplexereinheit 11.2 ab. Die Kontrolleinheit 11.1 erhält zusätzlich Daten aus einer nicht dargestellten zen­ tralen Steuereinheit, die über die Datenleitung 14 in die Steuer- und Regeleinheit 11 gelan­ gen. Diese Daten enthalten Angaben über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine, so­ wie die gewünschten Steuerwinkel für die Gaswechselventile. Die Kontrolleinheit 11.1 ver­ knüpft die Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten und/oder Stromdaten aus der Multi­ plexereinheit 11.2 mit den Betriebsparametern und den Kennliniendaten des Datenspeichers 11.3 und bildet daraus ein Steuersignal für die Pulsweitenmodulationseinheit 11.4. Diese steuert die Endstufen 12 und 13 an, welche den durch die Elektromagnete 6 und 7 fließenden Strom messen und an die Multiplexereinheit 11.2 weiterleiten.

Die Datenleitung 14 kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, nicht nur Betriebs­ parameter von der zentralen Steuereinheit zur Steuer- und Regeleinheit 11, sondern auch Diagnosedaten zu der zentralen Steuereinrichtung zurück zu übertragen. Vorzugsweise bein­ halten diese Diagnosedaten Angaben über die Verfügbarkeit der Stellvorrichtung 1 oder alle anderen der Steuer- und Regeleinheit 11 bekannten Daten. Die Regel- und Steuereinheit 11 kann damit zweckmäßig zur Unterstützung etwaiger vorhandener Steuereinrichtungen her­ angezogen werden. Die Diagnosedaten enthalten Informationen über etwaige Fehlfunktionen der elektromagnetischen Stellvorrichtung 1 und/oder Statusinformationen, die von der et­ waigen zentralen Steuereinheit verarbeitet werden können. Damit ist es möglich, z. B. fehler­ hafte Stellvorrichtungen abzuschalten und/oder Fehlermeldungen in einen Speicher abzule­ gen und/oder den Benutzer der Brennkraftmaschine über die Fehlfunktion zu informieren.

Das erfindungsgemäße Steuer- und Regelverfahren der Stellvorrichtung 1 beruht auf dem Prinzip der Trajektorienregelung. Es wird angestrebt, die Stellvorrichtung 1 so zu steuern, daß die Bewegung des Ankers 4 einer vorgegebenen Weg-Zeitkennlinie folgt. Damit ist auch die Geschwindigkeits-Zeitkennlinie des Ankers 4 und damit des Stellorgans 2 festgelegt. Dazu wird in einem Datenspeicher 11.3 eine Kennlinie oder eine Kennlinienschar abgelegt, die die Position s des Ankers 4 mit seiner Soll-Geschwindigkeit v verknüpft, insbesondere bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine oder der von der Stell­ vorrichtung 1 beeinflußten Komponente.

Eine Sollkennlinie in der s-v-Ebene liefert den Geschwindigkeits-Sollwert v zu jedem mög­ lichen Istwert der Ankerposition s. Die Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Geschwindigkeit v sowie der Istwert der Position s des Ankers 4 werden einem Regler zugeführt, insbesondere einem Dreipunktregler. Ist die Abweichung negativ, d. h. die Ge­ schwindigkeit des Ankers 4 zu gering, wird der Reglerausgang den vorgesteuerten Strom der Wicklungen des entsprechenden anziehenden Elektromagneten 6 oder 7 erhöhen, um den Anker 4 durch das zusätzliche, stärkere Magnetfeld anzuziehen. Bei einer positiven Abwei­ chung bewirkt der Reglerausgang eine Senkung des Stroms durch die Wicklung des anzie­ henden Magneten und/oder eine Erhöhung des Stroms durch den zweiten Elektromagneten, um den Anker 4 abzubremsen. Innerhalb von bei einem Dreipunkteregler gegebenen Toleranzgrenzen kann günstigerweise die Vorsteuerung, insbesondere Ein- und Ausschaltzeit­ punkte der Bestromung der Elektromagnete 6, 7, unverändert bleiben.

Die Verwendung eines einfacheren Zweipunktreglers ist ebenfalls möglich, um etwaige Ab­ weichungen des Ankers 4 von seiner vorbestimmten Positions-Geschwindigkeitskurve aus­ zugleichen. Der Aufbau ist weniger aufwendig und kostengünstig.

Besonders vorteilhaft ist, das Regel- und Steuerverhalten der Stellvorrichtung 1 adaptiv zu verändern und bei im wesentlichen gleichartigen, über längere Zeit auftretenden Regelab­ weichungen die Parameter der Steuerung anzupassen, um die Regelabweichungen zu mini­ mieren. Insbesondere werden häufige, gleichartige Regelabweichungen von der Steuer- und Regeleinheit 11 registriert und die Steuerung durch Korrekturkennfelder im Datenspeicher 11.3 adaptiert. Damit gelingt es, längerfristige Änderungen der Betriebsbedingungen auszu­ gleichen, insbesondere bei Alterung und/oder Verschleiß der beteiligten Komponenten.

Zur Anpassung des Regel- und Steuerverhaltens werden zweckmäßigerweise regelmäßige, insbesondere automatische, Kalibrierschritte durchgeführt. Befindet sich der Anker 4 an ei­ ner Polfläche 6.1, 7.1 eines der Elektromagneten 6, 7, so regelt die Steuer- und Regeleinheit 11 den Strom durch den jeweiligen Elektromagneten 6, 7 auf eine Stärke, die zum dauerhaf­ ten Halten des Ankers 4 ausreichend ist. Die Kontrolleinheit 11.1 kalibriert den Wegsensor 9 in den beiden Endlagen des Ankers 4 an den Polflächen 6.1, 7.1, da hier die Position des Ankers 4 wohlbekannt und reproduzierbar einstellbar ist. Damit gelingt es einfach und zu­ verlässig, Fehler durch Temperatureinflüsse und/oder Alterung zu eliminieren.

In einer vorteilhaften Ausführung sind Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Elektromagnete 6, 7, Sollkennlinien des Geschwindigkeits-Positions-Verlaufs des Ankers 4 und Sollkennlinien des Strom-Positions-Verlaufs insbesondere in digitaler Form gespeichert. Zweckmäßig ist, für unterschiedliche Betriebsbedingungen, insbesondere Last-, Drehzahl- und/oder Tempe­ raturbereiche unterschiedliche Schaltzeitpunkte und/oder Sollkennlinien zu speichern. Der Vorteil ist, daß die Stellvorrichtung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen optimal ge­ steuert werden kann.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß das Anschwingen des Anker/Federsystems aus der Ruhelage heraus durch einen eigenen Start-Modus von der Steuer- und Regeleinheit 11 selbständig durchgeführt werden kann. Da gemäß der Erfindung die aktuelle Position des Ankers 4 bekannt ist, kann die notwendige Energie zu den optimalen Zeitpunkten in das System eingekoppelt werden. Der Anker 4 kann so mit hoher Zuverlässigkeit und geringem Energieaufwand in eine der beiden Endlagen auf den Polflächen 6.1, 7.1 der beiden Elek­ tromagnete 6, 7 gebracht werden.

In Fig. 4 ist ein Ablaufschema des bevorzugten Steuer- und Regelverfahrens für ein Gas­ wechselventil einer Brennkraftmaschine dargestellt. Zunächst werden Betriebsdaten der von der Stellvorrichtung 1 versorgten Komponente, insbesondere Öffnungs- und Schließwinkel des Ventils 2 über die Datenleitung 14 in die Steuer- und Regeleinheit 11 eingelesen. Dies erfolgt von einem etwaigen Datenspeicher oder von einer etwaigen zentralen Steuereinheit oder einer anderen verfügbaren Datenquelle. Zusätzlich wird eine Information über zu er­ wartende Gegenkräfte, insbesondere den Abgasgegendruck, übermittelt. Mit dem Betrag der zu erwartenden Gegenkräfte wird aus dem Datenspeicher 11.3 der Steuer- und Regeleinheit 11 eine Kennlinie ausgewählt, die einen Bewegungsablauf des Ankers 4 mit möglichst opti­ malem Energieverbrauch und geringem Verschleiß ermöglicht.

Aus diesen Daten werden die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Elektromagneten 6, 7 be­ stimmt. Damit ist es insbesondere möglich, die Elektromagnete 6, 7 bereits zeitlich vor der eigentlichen Bewegung des Ankers 4 auf den entsprechenden Magneten hin einzuschalten. Das Ablaufschema gerät an eine Schleife, die erst mit dem Erreichen der Polfläche 6.1 oder 7.1 des anziehenden Elektromagneten 6 oder 7 durch den Anker 4 endet. Dabei wird wieder­ holt die Position s, die Geschwindigkeit v und der Strom i durch den Magneten gemessen.

Solange die Position s des Ankers 4 keiner Aufsetzposition auf der Polfläche entspricht, wird der Sollverlauf der Ankergeschwindigkeit v_soll(s) und der Sollverlauf des Stromes i_soll(s) aus den ausgewählten Kennlinien im Datenspeicher 11.3 ausgelesen.

Die Soll- und Istdaten werden verglichen und daraufhin die Energie im Elektromagneten 6, 7 verringert, erhöht oder gehalten. Anschließend wird die Schleife wiederholt.

Wird die Aufsetzposition des Ankers 4 auf einer Polfläche 6.1 oder 7.1 erkannt, so wird der Ablauf in einer Stromregelschleife fortgesetzt. Der Strom durch den haltenden Elektroma­ gneten 6 oder 7 wird gemessen, mit einem Sollwert verglichen und gemäß den Regel- Vorgaben entsprechend erhöht oder verringert oder gehalten. Dabei kann insbesondere die Pulsweite mittels einer Pulsweitenmodulation angepaßt werden. Vorzugsweise wird in der Aufsetzposition des Ankers 4 die Aufsetzposition kalibriert.

In Fig. 5 sind Weg- und Geschwindigkeitskennlinien als Funktion der Zeit dargestellt. Die Zeitachse ist normiert. Die Minimalposition entspricht der ersten Polfläche, die Maximalpo­ sition der gegenüberliegenden Polfläche der beiden Elektromagneten. Das schwingungsfähi­ ge System Anker/Feder weist im Idealfall bei vernachlässigter Reibung und ideal schnell schaltbarem Magneten einen sinusförmigen Verlauf von Position und Geschwindigkeit des Ankers über der Zeit auf. Da im realen Betrieb die Reibung nicht vernachlässigbar ist, kom­ pensiert die Steuer- und Regeleinheit 11 diese durch Energiezumessung zu den Elektroma­ gneten 6, 7 zu den jeweils optimalen Zeitpunkten. Damit kann sich das System Anker/Feder dem idealen Verlauf von Position und Geschwindigkeit über der Zeit stark annähern.

Da die Reibungskompensation aufgrund der Systemträgheit nicht vollständig gelingen und insbesondere der Aufbau des magnetischen Feldes im Elektromagneten nicht beliebig schnell erfolgen kann, sind für unterschiedliche Betriebspunkte vorzugsweise unterschiedli­ che Kennlinien einzusetzen, die den für den jeweiligen Betriebspunkt optimalen Verlauf bezüglich Verschleiß und Energieverbrauch darstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuer- und Regelverfahren gelingt es, die Aufsetzgeschwin­ digkeit des Ankers 4 auf die jeweiligen Polflächen 6.1, 7.1 auf eine Geschwindigkeit unter 3 m/s, insbesondere bis unter 1 m/s zu reduzieren. Damit ist der Betrieb der Stellvorrichtung 1, insbesondere der Dauerbetrieb, verbessert und der Verschleiß der Stellvorrichtung verrin­ gert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetisch betätigbaren Stellvorrichtung (1), insbesondere eines periodisch betriebenen Ventils (2) für Brennkraftmaschinen, bei dem
ein an einer Schubstange (3) angebrachter Anker (4) zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polflächen (6.1, 7.1) zweier Elektromagnete (6,7) bewegt wird,
zwei in axialer Richtung der Schubstange (3) wirkende Rückstellfedern (8.1, 8.2) den Anker (4) im stromlosen Zustand der Elektromagnete (6, 7) in einer Mittellage zwischen den Polflächen (6.1, 7.1) halten,
die aktuelle Position der Schubstange (3) zu verschiedenen Zeitpunkten mit einem Wegsensor (9) erfaßt und aus den Positionen zu verschiedenen Zeitpunkten die aktuelle Geschwindigkeit der Schubstange (3) ermittelt und aus Position und Geschwindigkeit der Schubstange (3) eine aktuelle Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie für die Schubstange (3) ermittelt wird,
die aktuelle Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie in einer Steuer- und Regeleinheit (11) jeweils mit einer in der Steuer- und Regeleinheit abgespeicherten, dem aktuellen Betriebszustand entsprechenden aktuellen Soll-Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie verglichen wird
und aus der Regelabweichung zwischen aktueller Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie und aktueller Soll-Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie Ansteuersignale für eine Pulsweitenmodulationseinheit (11.4) gebildet werden zur Regelung des Stromflusses in den Endstufen (12, 13) der Steuer- und Regeleinheit (11), die die Elektromagnete (6, 7) mit Strom versorgen, so daß sich die Schubstange (3) entlang der jeweils aktuellen Soll-Positions-Geschwindigkeits-Kennlinie bewegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Regel- und Steuerverhalten der Stellvorrichtung (1) adaptiv verändert wird, indem bei im wesentlich gleichartigen, über längere Zeit auftretenden Regelabweichungen, die Regelabweichungen in der Steuer- und Regeleinheit (11) registriert werden und durch in einem Datenspeicher (11.3) abgelegte Korrekturfelder die Ansteuersignale an die längerfristigen Änderungen der Betriebsbedingungen angepaßt werden, so daß die Regelabweichungen minimiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Endlagen des Ankers (4) an einer der beiden Polflächen (6.1, 7.1) eine Kalibrierung des Stromes durch die Elektromagneten (6, 7) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Steuer- und Regeleinheit (11) über eine Datenleitung (14) Diagnosedaten ausgelesen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regel- und Steuereinheit (11) über eine Datenleitung (14) von einer externen Datenquelle aktuelle Betriebsparameter zur Bildung der Ansteuersignale zur Verfügung gestellt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch die Elektromagnete (6, 7) so eingestellt wird, daß die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers (4) auf der Polfläche (6.1, 7.1) geringer als 3 m/sec ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (9) durch eine Spule gebildet wird, deren Induktivität durch eine Positionsänderung der Schubstange (3) verändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (9) Bestandteil eines Schwingkreises (9, 10.1, 10.2) ist und die aktuelle Position der Schubstange (3) durch Messung der Schwingkreisfrequenz erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Geschwindigkeit der Schubstange (3) aus der zeitlichen Frequenzänderung der Schwingkreisfrequenz bestimmt wird.