DE19807875A1

DE19807875A1 - Verfahren zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen Aktuator durch extrapolierende Abschätzung der Energieeinspeisung

Info

Publication number: DE19807875A1
Application number: DE19807875A
Authority: DE
Inventors: Guenter Schmitz
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 1999-08-26
Also published as: JPH11329830A; US6141201A

Description

Elektromagnetische Aktuatoren, die im wesentlichen aus wenig stens einem Elektromagneten und einem mit dem zu betätigen den Stellglied verbundenen Anker bestehen, der bei einer Be stromung des Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstell feder bewegbar ist, weisen sich durch eine hohe Schaltge schwindigkeit aus. Ein Problem ist jedoch dadurch gegeben, daß bei der Annäherung des Ankers mit abnehmendem Abstand zur Polfläche des Elektromagneten, d. h. mit kleiner werdendem Luftspalt zwischen Polfläche und Anker, die auf den Anker einwirkenden Magnetkraft progressiv ansteigt, während die Ge genkraft der Rückstellfeder in der Regel nur linear anwächst, so daß der Anker mit anwachsender Geschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft. Neben der Geräuschentwicklung kann es hierbei zu Prellvorgängen kommen, d. h. der Anker trifft zu nächst auf der Polfläche auf, hebt dann aber zumindest kurz fristig ab, bis er endlich vollständig zur Anlage kommt. Hierdurch kann es zu Beeinträchtigungen der Funktion des Stellgliedes kommen, was insbesondere bei Aktuatoren mit ho her Schaltfrequenz zu erheblichen Störungen führen kann.

Es ist daher wünschenswert, wenn die Auftreffgeschwindigkei ten in der Größenordnung unter 0,1 m/s liegen. Wichtig ist es hierbei, daß derart kleine Auftreffgeschwindigkeiten auch un ter realen Betriebsbedingungen mit allen damit verbundenen stochastischen Schwankungen sicherzustellen sind. Störein flüsse von außen, beispielsweise Erschütterungen oder der gleichen, können in der letzten Annäherungsphase oder aber noch nach dem Anlegen an der Polfläche zu einem plötzlichen Abfallen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsver fahren zu schaffen, das es bei einem elektromagnetischen Ak tuator der vorstehend bezeichneten Art ermöglicht, die Bewe gung des Ankers bei seiner Annährung an die Polfläche so zu führen, daß er mit geringer Auftreffgeschwindigkeit an seinem Sitz an der Polfläche zur Anlage kommt, wobei jedoch eine ausreichende Haltekraft nach dem Auftreffen des Ankers auf der Polfläche gegeben sein muß.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Ver fahren zur Regelung eines elektromagnetischen Aktuators mit wenigstens einem Elektromagneten und einem auf ein Stellglied einwirkenden Anker, der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder durch gesteuerte Bestromung des mit einer Polfläche versehenen Elektromagneten aus einer ersten Schalt stellung in eine zweite, durch die Anlage des Ankers an der Polfläche definierten zweiten Schaltstellung bewegbar ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß für die Steuerung der Be stromung zur Einregelung einer geringen Auftreffgeschwindig keit des Ankers auf die Polfläche die beim jeweiligen Schalt vorgang in dem elektromagnetischen Aktuator sich ergebende Energielage erfaßt wird und zwar durch die Erfassung der sich ändernden Ankerposition und/oder der sich ändernden Ankerge schwindigkeit und durch eine extrapolierende Abschätzung der zu erwartenden Energielage beim Auftreffen des Ankers auf die Polfläche und durch Bildung eines Rohkorrekturwertes durch Vergleich der extrapolierenden Abschätzung mit einem vorgege benen Zielwert, wobei der Zielwert durch die im System ge speicherte Gesamtenergie in der zweiten Schaltstellung ausge wählt wird. Mit diesem Verfahren wird die Möglichkeit ausge nutzt, daß moderne elektronische Rechenbausteine über eine hohe Rechengeschwindigkeit verfügen, so daß es möglich ist, nicht nur während des Schaltvorgangs die jeweilige Position und/oder Bewegungsgeschwindigkeit zu erfassen, sondern auch eine Mehrzahl von Aktuatoren hinsichtlich ihres Bewegungsab laufes zu erfassen, die erforderlichen Bewegungswerte zu ver arbeiten und bei sich ergebenden Abweichungen über einen ent sprechenden Regeleingriff für jeden einzelnen Aktuator einen optimalen Ablauf jedes einzelnen Schaltzyklus für jeden Ak tuator zu gewährleisten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierbei mit Vorteil ausgenutzt, daß über eine Erfassung von Zwischenwerten der Ankerbewegung und unter Berücksichti gung von bekannten oder auch meßbaren Störfaktoren die zu er wartende Energielage des Systems zum Zeitpunkt des Ankerauf treffens extrapolierend im Voraus abgeschätzt werden kann, so daß über einen entsprechenden Regler die Bestromung des "fan genden" Elektromagneten und damit die magnetische Energieein speisung so geführt werden kann, daß der Anker mit einer Auf treffgeschwindigkeit an der Polfläche zur Anlage kommt, die nur geringfügig über der idealen Auftreffgeschwindigkeit "Null" liegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung ausführlich erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines elektroma gnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aktuator mit zugehöriger Steuerung,

Fig. 2 eine Grundform einer Regelschaltung in der Steuerung,

Fig. 3 den Verlauf von Weg und Geschwindigkeit des Aktuatorankers in Abhängigkeit von der Zeit ohne Regelung der Bestromung,

Fig. 4 den Verlauf von Weg und Geschwindigkeit mit Regelung der Bestromung,

Fig. 5 die Schaltung gemäß Fig. 2 mit Berücksichtigung der Verluste,

Fig. 6 die Schaltung gemäß Fig. 5 mit zusätzlicher Be rücksichtigung der jeweils anstehenden Strömhöhe,

Fig. 7 die Schaltung gemäß Fig. 5 mit Berücksichtigung eines Abschlagfaktors für den extrapolierend ab geschätzten Bedarf an magnetischer Energie.

In Fig. 1 ist ein Gaswechselventil GWV für eine Kolbenbrenn kraftmaschine schematisch dargestellt, das mit einem elektro magnetischen Aktuator EMA als Ventiltrieb versehen ist. Der Aktuator EMA besteht im wesentlichen aus einem Schließmagne ten 2.1 und einem Öffnermagneten 2.2, zwischen denen ein An ker 1 gegen die Kraft von hier nur schematisch angedeuteten Rückstellfedern RF entsprechend der Bestromung der Elektroma gneten 2 hin und her bewegbar geführt ist. Die beiden mögli chen Schaltstellungen des das Stellglied bildenden Gaswech selventils GWV werden hier jeweils durch die Anlage des An kers an einem der beiden Elektromagneten 2 definiert.

In Fig. 1 ist der Anker in seiner Zwischenstellung gezeigt, nachdem er durch Stromlossetzen des Öffnermagneten 2.2 durch die Kraft der zugeordneten Feder RF 2 in Richtung auf den Schließmagneten 2.1 bewegt wird.

Nachstehend wird das Regelverfahren bei der Bestromung des Schließmagneten 2.1 beschrieben, nachstehend nur noch durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, da die Bestromung des Öffnermagneten 2.2 analog erfolgt. Der Bewegungsvorgang des Ankers 1 wird durch Bestromung des Magneten 2 gesteuert. Der Strom wird vom Stromregler 3 zur Verfügung gestellt, der sei nerseits seine Befehle zur Bestromung von einer Motorsteue rung (ECU) 4 erhält. Mindestens die Ausschaltsignale für den Strom 6 werden dabei an den Stromregler geleitet. Es kann zu sätzlich ein beispielsweise arbeitspunktabhängiger Stromsoll wert 7 von der Motorsteuerung 4 vorgegeben werden.

In einer Meßeinrichtung 8 wird ein Signal in Abhängigkeit der Ankerbewegung detektiert, das nach Auswertung durch die Sig nalaufbereitung 9 als Wegsignal 10 und Geschwindigkeitssig nal 11 der eigentlichen Wegregelungseinheit 12 zur Verfügung gestellt wird. Diese erzeugt das Korrektursignal (Rohkorrek turwert) 13. Die Signale 10 und 11 müssen nicht unbedingt ex akt, also beispielsweise linear den Weg oder die Geschwindig keit wiedergeben, vielmehr reicht jeweils ein Signal, das ei ne entsprechende Information über den Weg bzw. die Geschwin digkeit enthält. So ist also auch beispielsweise eine Meßein richtung denkbar, die das Wegsignal nichtlinear zur Verfügung stellt, also bei großer Annäherung des Ankers eine größere Wegabhängigkeit aufweist als bei weiter entferntem Anker.

Generell können unterschiedliche Meßeinrichtungen verwendet werden, selbst eine Abschätzung der Weg- und Geschwindig keitsinformation aus dem Verlauf von Strom und Spannung ist möglich. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß einerseits die Spannung an der Spule einen weg- und geschwindigkeitsab hängigen Anteil aufweist. Und zwar enthält die Spulenspannung neben dem Spannungsabfall durch den resistiven Widerstand der Spule (U_R = I.R) und einem Spannungsanteil aufgrund der Stromänderung (U_L = L.dI/dt), wobei die Induktivität L wiederum von der Ankerposition abhängt, so daß ein Spannungssignal aufgrund der durch die Annäherung hervorgerufenen Feldände rung und einer sich daraus ergebenden Gegenspannung abgegrif fen werden kann.

Weiterhin ist aber der Zusammenhang zwischen dem Weg und der Geschwindigkeit bekannt, da aufgrund der physikalischen Ge setze die Geschwindigkeit gerade die Ableitung des Weges nach der Zeit darstellt. Somit erhält man die Möglichkeit über die beiden bekannten Zusammenhänge sowohl auf den Weg als auch auf die Position schlußzufolgern.

Auch mit dem Gesamtmodell (Differentialgleichungen v = ds/dt und a = dv/dt sowie ΣF = m.a) mit den bekannten Werten für Ankermassen, Federsteifigkeiten etc. kann ein Abgleich auf die exakten Werte für Weg und Geschwindigkeit erfolgen.

Die Verwertung der Werte für die Geschwindigkeit und die Weg information (Position des Ankers) im Block "Wegregelung" 12 wird anhand der in Fig. 2 dargestellten, die einzelnen zu sätzlichen Schaltelemente enthaltenden Schaltung näher erläu tert. Die Bezugszeichen für die Schaltelemente bezeichnen gleichzeitig die abgegebenen Signale.

Aus der Weginformation 10 wird zunächst die potentielle Ener gie des Ankers in einer Recheneinheit 15 berechnet. Dies ge schieht, indem die in den Federn gespeicherte Energie ermit telt wird. Hierzu wird beispielsweise von der gemessenen An kerposition zunächst die Ruhelage des Ankers subtrahiert. Die gespeicherte Energie ergibt sich dann aus diesem Wert, der quadriert wird und mit dem der Hälfte der aus den beteiligten Federn resultierenden Federsteifigkeit multipliziert werden muß. Also in Formeln: W_pot = 1/2cx² mit x = s + V_H/² wenn s der momentane Abstand von der Polfläche ist, V_H der Ventilhub und die Ruheposition sich in der Mitte zwischen den Magneten be findet (Beispiel ohne Berücksichtigung des Ventilspiels). An stelle der Weginformation kann auch eine Kraftinformation verwendet werden, da die Kraft in den Weg über die Federstei figkeit c umgerechnet werden kann. Somit kann also beispiels weise auch die Kraftinformation, die beispielsweise durch piezo-elektrische Meßunterlegscheiben an den Ventilfedern er faßt werden kann, anstelle der Weginformation verwendet wer den. Auch kann hieraus prinzipiell eine Geschwindigkeitsin formation rückgerechnet werden.

Die Information über die Geschwindigkeit 11, die aus der Weg information, beispielsweise durch Differentiation gewonnen werden kann, wird benutzt, um die jeweils aktuelle kinetische Energie in einer Recheneinheit 14 zu berechnen. Die Berech nung erfolgt nach der Formel W_kin = 1/2 mv², wobei m die beweg te Masse ist, die sich aus Ankermasse, Masse des Ankerbol zens, Masse des Ventils sowie die reduzierte (=anteilige) Masse der Federn zusammensetzt. Die Bestimmung von Ankerposi tion und -geschwindigkeit kann auch erfolgen, indem zunächst die Geschwindigkeit gemessen wird und durch Aufintegration der Weg ermittelt wird.

Die so erhaltenen Energien werden in einem Summierer 16 ad diert und dann in einem Differenzbildner 18 von der für die Endlage erforderlichen Energie W_soll 17 subtrahiert. Bei einem absolut symmetrischen System wäre diese Energie gleich der anfänglichen potentiellen Energie. Ansonsten kann der ent sprechende Wert auf die übliche Art berechnet werden, also bei einer linearen Feder aus W_soll = 1/2 cx² mit x = s - V_H/2. Bei nichtlinearen Feder muß statt dessen der Wert durch Bil dung des Integrals des Kraftverlaufes über den Weg gebildet werden - also

Als Ergebnis der im Differenzbildner 18 durchgeführten Sub traktion ergibt sich als Zielwert der jeweils noch erforder liche Energiebedarf, der mindestens noch zuzuführen ist, um die Endposition überhaupt erreichen zu können.

Demgegenüber wird in einem Rechenblock 19 extrapolierend ab geschätzt, wieviel Energie aufgrund der Magnetkraft noch bis zum Erreichen der Endposition eingekoppelt werden wird. Die se Berechnung wird aufgrund der Kenntnis des Kraftverlaufes über dem Weg durchgeführt; es wird also hier die Magnetkraft kurve über dem Weg aufintegriert - jeweils beginnend mit der aktuellen Position bis hin zur Endlage:

Als "Endlage" kann auch bei Vorhandenseins eines Ventilspiels die Position des Ankers gemeint sein, bei der das Ventil sei nen Sitz erreicht.

Falls diese Energie kleiner ist, als der im Differenzbildner 18 ermittelte aktuelle erforderliche Energiebedarf, dann muß der Strom durch den Magneten erhöht werden, damit die Magnetener gie erhöht wird. Dies kann bewerkstelligt werden, indem in einem Vergleicher 20 ein Quotient aus der im Differenzbildner 18 ermittelten erforderlichen Energie und der im Rechenblock 19 extrapolierend abgeschätzten Magnetenergie gebildet wird. Dieser hier als Rohkorrekturwert 21 bezeichnete Quotient ist naturgemäß bei Übereinstimmung der Energien ein Rohkorrektur wert = 1 und somit ist keine Korrektur erforderlich. Bei ei nem Quotienten kleiner als 1 ist die zu erwartende Magnete nergie zu groß und dementsprechend muß der Strom nach unten korrigiert werden. Bei einem Quotienten größer als 1 ist die erwartete Magnetenergie zu klein, so daß der Strom erhöht werden muß.

Alternativ zur Quotientenbildung kommt eine Differenzbildung in Betracht. Dabei entsprechen dann positive Werte für den Rohkorrekturwert 21 einer zu kleinen Magnetenergie, d. h. der Strom muß erhöht werden, und negative Werte einer zu hohen erwarteten Einspeisung von Magnetenergie, d. h. der Strom muß reduziert werden.

Der jeweils erforderliche Betrag für die Stromerhöheung oder Erniedrigung wird von einem als "Regler" bezeichneten Block 22 bestimmt. Für die Verwendung der Differenz als Rohkorrek turwert 21 kann als Regler ein konventioneller PID-Regler verwendet werden. Der P-Anteil gibt dann den Multiplikator an, mit dem der Rohkorrekturwert 21 multipliziert wird, um zu dem gewünschten Betrag der Stromerhöhung (-reduzierung) zu kommen. Ein I-Anteil (Integralanteil) kann eingeführt werden, um während eines längeren Wegstückes auftretende Abweichungen zu kompensieren. Bei Vorliegen einer erhöhten Reibung bei spielsweise kann der I-Anteil die Regelqualität deutlich ver bessern. Ein D-Anteil (Differentialanteil) dient zur schnel len Ausregelung von Störungen im Wegverlauf sowie auch zur Kompensation eines in der Regelstrecke auftretenden Integral verhaltens z. B. bedingt durch die Induktivität der Spule. Auch andere Regler als PID-Regler sind naturgemäß einsetz bar. Beispielsweise lassen sich auch mit den bekannten "Dead- Beat"-Reglern günstige Eigenschaften erzielen.

Für den Fall einer Quotientenbildung im Vergleicher 20 an stelle einer Differenzbildung muß der Regler offensichtlich anders ausgeführt werden. Ein P-Anteil eines konventionellen PID-Reglers größer als 1 würde einen Korrekturfaktor unter 1, ja durch die Multiplikation auf einen Wert größer 1 erhöhen, so daß anstelle einer gewünschten Absenkung des Stromes eine Anhebung erfolgen würde. Abhilfe schafft die Verwendung einer Potenzbildung. Der Rohkorrekturwert 21 wird mit dem "P"-Fak tor nicht multipliziert sondern potenziert, so daß also z. B. bei einem "P-"Faktor von 2, der sich als sehr günstig heraus gestellt hat, der Rohwert quadriert wird. Damit wird entspre chend dem konventionellen PID-Regler die Regelverstärkung er höht. Auch hierbei kann zusätzlich ein Integralanteil und ein Differentialanteil gebildet werden, der natürlich entspre chend zu berechnen ist. Im Falle des I-Anteils wird hierzu beispielsweise die Abweichung des Wertes von 1 auf integriert und zu dem P-Anteil addiert oder aber auch nach Addition von 1 entsprechend multipliziert.

Bei beiden Verfahren, der Quotientenbildung wie der Diffe renzbildung, ist die Begrenzung des Korrekturwertes ange bracht. Bei der Quotientenbildung hat sich eine Begrenzung nach unten auf einen Wert zwischen 0,1 und 0,3 und nach oben auf einen Wert von 2 bis 3 herausgestellt. Die jeweiligen Werte sind allerdings auch noch abhängig von den Ausgangswer ten für die Ströme zur Abschätzung der Magnetenergie.

Fig. 3 zeigt den Verlauf von Weg a) und Geschwindigkeit b) ohne die Regelung und Fig. 4 zeigt den Verlauf mit Regelung. Der Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 3 zeigt den in den Kurven a) wiedergegebenen Wegverlauf, der bereits den "sanfteren" Verlauf bei Vorhandensein der Regelung. Zum Zeitpunkt des Er reichens der Endposition liegt die Geschwindigkeit mit Rege lung bei weniger als 0,1 m/s während der Verlauf ohne Regelung eine Auftreffgeschwindigkeit von ca. 2 m/s aufweist. Dieser Wert könnte zwar durch "manuelle Optimierung" verbes sert werden, also Absenkung des Stromes bis zur Ausfallgren ze. Aber selbst dann lassen sich Werte von weniger als 0,3 m/s kaum erzielen. Weiterhin besteht ohne Regelung das Problem, daß bei Veränderungen in der Reibung oder alleine schon auf grund der zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozeß Werte für den Strom eingestellt werden müssen, die unter allen Um ständen ein sicheres Fangen des Ankers gewährleisten und für den Normalfall stark überdimensioniert sind, also den Anker zu stark beschleunigen und somit hohe Auftreffgeschwindig keiten bewirken.

In Fig. 4 ist zusätzlich zum Verlauf von Weg a) und Geschwin digkeit b) in Abhängigkeit von der Zeit der Verlauf c) des Korrekturfaktors angegeben. Man erkennt, daß nach anfängli cher Abschätzung der Korrekturfaktor zunächst auf "Null" ge halten wird, dann sich aber im weiteren Verlauf dem Wert 1 nähert, um dann gegen Ende wieder abzusinken.

Die anfängliche "Fehleinschätzung", daß der Strom zu Null korrigiert werden muß, rührt daher, daß zu Beginn ja die im System enthaltene Energie bei Vernachlässigung von Verlusten während der Bewegung tatsächlich für ein Ankommen des Ankers ausreichen würde. Diesen Effekt kann man durch Einführung ei nes weiteren Schätzwertes vermeiden. Hierzu wird beispiels weise ein Energiewert in Abzug gebracht, der jeweils noch bis zum Erreichen der Endlage an Verlusten z. B. durch Reibung er wartet wird. Hierzu wird in der Schaltung gemäß Fig. 2, wie in Fig. 5 dargestellt, ein weiterer (negativer) Summand 23 auf den Summierer 16 geschaltet, der die zu erwartenden Ver luste in Abhängigkeit der derzeitigen Position des Ankers be rücksichtigt. Diese Energie kann berechnet werden aus dem ge schätzten Geschwindigkeitsverlauf, der bei kleinen Reibwerten etwa sinusförmig verläuft. Somit kann als Integralwert eine Cosinus-Funktion angenommen werden, deren Maximalwert bei dem Wert liegt, der bei einem kompletten Bewegungsvorgang verlo ren geht und nachstehend als (W_reibsum) gekennzeichnet ist.

Wenn s den Wegverlauf von des Ventils V_H (Ventilhub) bis 0 darstellt, so ergibt sich demgemäß:

Es hat sich allerdings herausgestellt, daß auch eine lineare Abhängigkeit bereits eine deutliche Verbesserung der Regelung ergibt also

Selbstverständlich ist es auch genausogut möglich, diese be rechnete Reibenergie in den Differenzbildner 18 als positiven Summanden einzuspeisen. Mathematisch ist dieses zu dem vorher Beschriebenen äquivalent.

Sämtliche vorher beschriebenen Energieberechnungen können an stelle einer "Online"-Berechnung auch im voraus durchgeführt werden, beispielsweise durch entsprechende Messungen an einem "Ur-Aktuator". Dann ist es möglich, diese Ergebnisse (also z. B. die Ergebnisse der Integralberechnung) als Wertetabelle (Kennlinien-Feld) in einem Speicher abzulegen (z. B. EPROM). Dann reduziert sich der Rechenaufwand auf einen einfachen Kennfeldzugriff, der auch ohne Prozessor ausgeführt werden kann. Dazu muß lediglich der beispielsweise analog vorliegen de Wert digitalisiert werden (A/D-Wandlung). Der erhaltene Digitalwert kann dann unmittelbar als Adressierung für ein EPROM verwendet werden. So kann der Aufwand stark reduziert werden. Solche Tabellen können aber nicht nur für die Ener gieermittlung in den Elementen 14, 15, 17, 19 und 23 verwen det werden. Selbst der Regler kann solche Tabellen oder Kenn felder beinhalten, um den P-, I- und D-Anteil nichtlinear ge stalten zu können. So kann dann auch die Begrenzung auf mini male und maximale Korrekturwerte realisiert werden. Bei Ver wendung eines Kennfeldes, Tabelle mit zwei Eingangsgrößen, also Weg und Geschwindigkeit, können die Tabellen teilweise oder sogar insgesamt zusammengefaßt werden. Dann erhält man eine "Kennfeldregelung".

Der Rechenblock 19 kann eine einfache Funktion oder Kennlinie für die extrapolierende abschätzende Magnetenergie enthalten, wobei von einem konstanten Strom ausgegangen wird. Alternativ kann jedoch auch ein Kennfeld oder eine Kurvenschar für je weils verschiedene Stromhöhen hinterlegt sein. Dann wird als weiterer Eingang für diesen Rechenblock 19 ein aktueller Stromwert 25 benutzt, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, die entweder aus der Sollvorgabe 7 des Steuergerätes 4 oder aber als Ausgangswert des Stromreglers 3 oder als Meßwert des Stromes durch die Magnetspule stammt.

Insbesondere in Kombination mit einer Vorgabe des Sollstromes gemäß einem als optimal herausgefundenen Stromverlauf kann allerdings auch der Rechenblock 19 aus nur einer abgelegten Kurve, nämlich derjenigen für den Optimalverlauf bestehen. Diese Optimalkurve kann iterativ, also durch mehrfaches Expe riment bestimmt werden. Zunächst wird hierzu beispielsweise ein konstanter Strom als "Optimalkurve 0" angenommen. Damit wird dann der Aktuator gemeinsam mit dem Regler betrieben und so ein optimierter Stromverlauf "Optimalkurve 1" aufgezeich net. Diese wird wiederum für das nächste Regelexperiment ver wendeter und so eine "Optimalkurve 2" ermittelt. Dies wird solange wiederholt, bis sich keine signifikanten Verbesserun gen mehr ergeben.

Der Korrekturwert 13 kann als neuer Stromsollwert, als Faktor oder Summand, für die Veränderung des Stromes verwendet wer den. Dem oben beschriebenen "Wegregler" ist ein Stromregler unterlagert, der den Strom durch die Spule mißt und auf den gewünschten vom Wegregler ermittelten oder beeinflußten Stromsollwert einstellt.

Eine Alternative stellt das Verzichten auf einen separaten Stromregler dar. Hierzu wird vom Wegregler lediglich die Spannung an der Spule beeinflußt.

Um den Anker sicher zu fangen kann gegen Ende der Bewegung auch abhängig von der Ankerposition auf einen vorgebbaren ho hen Stromwert umgeschaltet werden, um das sichere Fangen des Ankers zu gewährleisten. Als Auslegungskriterium für dieses Stromniveau kann der Wert für denjenigen Strom genommen wer den, der mindestens erforderlich ist, um eine der Federkraft überlegene Magnetkraft aufzubringen.

Nach Erreichen der Endposition kann automatisch auf Hal testrom umgeschaltet werden.

Das beschriebene System zur Wegregelung bzw. zur damit mögli chen Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers bzw. des Ventils im Sitz kann insbesondere für das Auftreten grö ßerer Bewegungsverluste noch deutlich verbessert werden, in dem man ein Arbeiten des Reglers grundsätzlich auf der "sicheren" Seite erzwingt. Geschieht dies nicht, ist es mög lich, daß der Anker "verhungert", also die Polfläche des je weils fangenden Magneten nicht mehr erreichen kann, und eine genügende Energieeinspeisung nicht mehr wirksam wird. Diese Problematik stellt sich vor allen Dingen bei den Auslaßventi len, die gegen hohe Gaskräfte öffnen müssen. Die im folgenden beschriebene Verbesserung läßt sich jedoch auch bei den Ein laßventilen sinnvoll verwenden.

Man muß bei dieser Verbesserung sicherstellen, daß die extra polierend abgeschätzte Energiezufuhr jeweils zu klein ange nommen wird, damit bis zuletzt jeweils mehr Energie zugeführt wird als bei dem oben beschriebenen Verfahren. Hierzu wird die extrapolierend abgeschätzte Magnetenergie durch Multipli kation mit einem Reduktionskoeffizienten "r" um einen Ab schlagsfaktor verkleinert (vgl. 24 in Fig. 7). Hierdurch wird der angestrebte Effekt erzielt; der Effekt ist um so größer, je weiter der Anker noch entfernt ist, weil dort der zu er wartende Energiezuwachs betragsmäßig noch größer ist. Gegen Ende der Bewegung wird - betragsmäßig betrachtet - der Effekt immer kleiner, so daß der Regler das gewünschte Ziel auch tatsächlich erreicht. Er wird jedoch gezwungen, sich von der Seite des Energieüberschuß her zu nähern. Als Größe für den Abschlagsfaktor haben sich Werte zwischen 0,3 und 0,6 als in den meisten Fällen gut geeignet herausgestellt. Durch kleine re Werte kann man den Fangvorgang sicherer gestalten und bei größeren Werten wird die Auftreffgeschwindigkeit kleiner ge halten. Somit ist auch eine Anpassung dieses Korrekturfaktors an den Betriebspunkt des Motors sinnvoll: bei kleinen Lasten und Drehzahlen, bei denen es auf ein niedriges Geräusch an kommt, der Einfluß der Verbrennung auf Schwankungen in der Dämpfung der Aktuatorbewegung klein ist, ist ein größerer Wert günstiger. Hingegen bei großen Lasten und Drehzahlen, bei denen das Auftreffgeräusch von Anker und Ventil, also so mit die Auftreffgeschwindigkeit von kleinerer Bedeutung ist, die Laufsicherheit durch größere Schwankungen der Reibein flüsse und Bewegungsanregungen auf die bewegten Teile des Ak tuators gefährdet ist, sind kleinere Werte angebracht.

Eine Alternative oder auch Ergänzung zu diesem Reduktions koeffizienten bietet eine genauere Abschätzung der weiteren Verlaufskurve der Bewegung. Dabei wird für die Berechnung der abgeschätzte Rechenblock 19 sowie die abgeschätzten Reibung (Summand 23) als Endwert der Integration (obere Grenze des Integrals) nicht die Endposition verwendet, sondern vielmehr der gesamte weiter Bewegungsverlauf abgeschätzt. Entsprechend wird für den jeweiligen Vergleich nicht die potentielle Soll energie in der Endlage sondern diejenige in der jeweilig vor ausberechneten Position des Wegverlaufes berechnet. Hieraus ist abschätzbar, ob bei der gewählten Stromhöhe überhaupt je de Position aus energetischen Gesichtspunkten erreichbar ist.

Man stelle sich beispielsweise vor, daß eine Magnetenergiebe rechnung ergibt, daß im letzten Viertel des Weges 90% der ge samten magnetischen Energie eingespeist würde. Der Anker wür de aber durch den äußeren Einfluß der Ausströmvorgänge am Ventil gleich in der ersten Hälfte seiner Bewegung derart ge bremst, daß die am Anfang verfügbare Energie bereits um 40% reduziert wurde. Da bis zu diesem Teil des Weges lediglich 10% der magnetischen Energie eingekoppelt würden, könnte der Anker niemals die Position erreichen, ab der die restlichen 90% der Energie eingespeist werden sollen. Trotzdem würde der im ersten Teil der eingangs anhand von Fig. 2 beschriebene Wegregler 12 (ohne Reduktionskoeffizient) zumindest von einer ausreichenden Energie ausgehen und nicht frühzeitig den Strom erhöhen, um das "Verhungern" zu verhindern.

Mit einer extrapolierenden Abschätzung über den gesamten Weg verlauf kann diese Problem jedoch rechtzeitig erkannt und so mit durch Gegenregelung (frühzeitige Stromerhöhung) kompen siert werden.

Sobald erfaßt wird, daß der Anker 1 an der Polfläche des Elektromagneten 2.1 zur Anlage gekommen ist, beispielsweise durch die Meßeinrichtung 8, dann wird über die Motorsteuerung 4 bzw. den Stromregler 3 der Elektromagnet mit einem Strom in Höhe des notwendigen Haltestroms bestromt, der gegebenenfalls noch zwischen einem oberen und unteren Haltestromniveau ge taktet wird.

Ergänzend ist es auch möglich, bei Anlageerkennung den Strom kurzfristig über das Haltestromniveau zu erhöhen, bevor er auf das Haltestromniveau eingeregelt wird, um ein zufälliges Abfallen des Ankers durch äußere Einflüsse, beispielsweise Erschütterungen, zu vermeiden.

Alternativ zur Verwendung eines konventionellen PID-Reglers kann natürlich auch ein Regler verwendet werden, der für eine optimale Regelung zusätzlich den bisher unberücksichtigten Teil der Regelstrecke mit berücksichtigt. Durch die Indukti vität der Spule sowie durch Wirbelströme wird der maximale Anstieg der Magnetkraft begrenzt. Dieses Verhalten kann durch ein Modell beschrieben und im Regler berücksichtigt werden.

Eine Alternative zu der jeweiligen kompletten Integralbildung über die Magnetenergie bietet sich eine Substitution der In tegrationsvariablen ds durch die Integrationsvariable dt an. Somit wandelt sich das Integral ∫F_magnetds in ∫(F_magnetV)dt um. Wenn die Integrationsgrenzen entsprechend gesetzt werden, so läßt sich die extrapolierte Magnetenergie ausdrücken durch:

Der Vorteil liegt nun darin, daß das Integral ∫(F_magnetV)dt fortlaufend gebildet werden kann durch einen Integrator, der über die Zeit integriert. Technisch ist dieser Integrator deutlich einfacher zu realisieren. Das Integral

kann im voraus berechnet werden und als Konstante dem Verfah ren zur Verfügung gestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen Aktuators mit wenigstens einem Elektromagneten (2) und einem auf ein Stellglied (GWV) einwirkenden Anker (1), der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder (RF) durch gesteuerte Be stromung des mit einer Polfläche versehenen Elektromagneten (2) aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite, durch die Anlage des Ankers (1) an der Polfläche definierten zweiten Schaltstellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung der Bestromung zur Einregelung einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (1) auf die Polfläche,

a) die beim jeweiligen Schaltvorgang in dem elektromagneti schen Aktuator (EMA) sich ergebende Energielage erfaßt wird und zwar durch die Erfassung der sich ändernden An kerposition (s) und/oder der sich ändernden Ankergeschwin digkeit (v) und
b) durch eine extrapolierende Abschätzung der zu erwartenden Energielage (19) beim Auftreffen des Ankers auf die Polfläche und durch
c) Bildung eines Rohkorrekturwertes (21) durch Vergleich der extrapolierenden Abschätzung (19) mit einem vorgegebenen Zielwert (18), wobei der Zielwert durch die im System ge speicherte Gesamtenergie (17) in der zweiten Schaltstel lung ausgewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Rohkorrekturwertes (21) durch Quotientenbildung aus dem Zielwert (18) und dem Wert (19) der extrapolierenden Abschätzung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Rohkorrekturwertes durch Differenzbildung zwi schen Zielwert und dem Wert der extrapolierenden Abschätzung gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Bildung eines Feinkorrekturwertes der durch Quotientenbildung ermittelte Rohkorrekturwert (21) mit dem Faktor 2 oder 3 potentiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Bildung eines Feinkorrekturwertes der durch Differenzbildung ermittelte Rohkorrekturwert (21) mit einem Faktor zwischen 2 und 5 multipliziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der gebildete Korrekturwert (Rohkorrektur wert oder Feinkorrekturwert) auf vorgegebene Minimal- und Ma ximalwerte begrenzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß durch einen Vergleich des durch die extra polierende Abschätzung (19) der zu erwartenden Energielage beim Auftreffen mit der aufgrund der tatsächlichen Bestromung (25) des Elektromagneten zu erwartenden magnetischen Energie einspeisung sowie durch Erfassung von angefallenen Verlusten in mindestens einem Schaltzyklus ein Adaptionswert zur Ver besserung der Abschätzung der Energieeinspeisung im aktuellen Schaltzyklus gewonnen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der extrapolierenden Abschätzung (19) der zu erwartenden Energielage beim Auftreffen auf die Pol fläche der Einfluß des Spiels zwischen Stellglied und Anker durch Ermittlung der jeweiligen kinetischen Energie unter Be rücksichtigung der bewegten Massen des Aktuators und der An kergeschwindigkeit und der jeweiligen durch die Rückstellfe der (RF) gegebenen potentiellen Energie aus der aktuellen Stellung des Ankers in bezug zur Polfläche berechnet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ankerposition durch Erfassung des Wer tes seiner Bewegungsgeschwindigkeit und Integration dieses Wertes festgestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ankergeschwindigkeit über eine Fest stellung der jeweiligen Ankerposition und durch Bildung der Ableitung nach der Zeit erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erfassung der Ankergeschwindigkeit und/oder der Ankerposition durch Erfassung von Strom- und Spannungsverlauf an der Spule des Elektromagneten erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Anpassung der erfaßten Werte für die Ankergeschwindigkeit und/oder der Ankerposition über vorgege bene Meßwerte erfolgt, die über eine an einem Modell durchge führten Vergleichsmessungen in bezug auf die Abhängigkeit von Weg und Geschwindigkeit des Ankers nach der Zeit festgelegt wurden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der aus der extrapolierenden Abschätzung (19) gewonnene Wert der Energielage beim Auftreffen oder der extrapolierend abgeschätzten Magnetenergie mit einem Ab schlagfaktor X = 0,2 bis 0,9 multipliziert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Regelung der Bestromung über einen PID-Regler erfolgt, wobei der P-Anteil in Form eines Exponenten berücksichtigt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Sollwert zur Regelung der Höhe des dem Elektromagneten zuzuführenden Stroms zur Beeinflussung des weiteren Verlaufs der Ankerbewegung durch Multiplikation mit dem Korrekturwert (Roh- oder Feinkorrekturwert) erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sollwert zur Regelung der Höhe des dem Elektromagneten zuzuführenden Stroms zur Beeinflussung des weiteren Verlaufs der Ankerbewegung durch Addition oder Sub traktion des Korrekturwertes (Roh- oder Feinkorrekturwert) erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten bei einem vorgegebenen konstanten Verlauf mit einem Strom vorgegebener Höhe extrapo lierend vorausberechnet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten nach dem jeweils einge stellten Stromwert extrapolierend vorausberechnet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten über einen als optimal vorgegebenen Stromverlauf extrapolierend vorausberechnet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten über eine fortlaufende Aufintegration der auf den Anker wirkenden Kraft in Abhängig keit des Ankerweges im gegebenen Schaltzyklus bis zum Errei chen der zweiten Schaltstellung erfolgt (On-line-Erfassung).

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten über einen Zugriff auf vorgegebene Werte über die Abhängigkeit der jeweiligen Ener gielage von der Position des Ankers zur Polfläche und/oder der Abhängigkeit zwischen Position und Stromhöhe vorausbe rechnet wird, die in einem Kennfeld abgelegt sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu erwartende magnetische Energieein speisung durch den Elektromagneten in Abhängigkeit von vorge gebenen Werten für die Verläufe der kinetischen und/oder der potientiellen Energie des gegebenen Wertes extrapolierend vorausberechnet wird, die in einem Kennfeld abgelegt sind.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Erreichen des Ankers der zweiten Schaltstellung durch Anlage an der Polfläche die Bestromung des Elektromagneten auf Haltestromhöhe umgeschaltet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge kennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Auftreffen des Ankers auf die Polfläche die Stromzufuhr zum Elektromagneten erhöht wird.