DE19825732A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktuators unter Berücksichtigung der Ankerbewegung - Google Patents

Description

Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stell­ gliedes weist wenigstens einen Elektromagneten auf, der über eine Steuereinrichtung bestromt werden kann, sowie einen An­ ker, der mit dem zu betätigenden Stellglied in Wirkverbindung steht und der aus einer ersten Stellposition gegen die Kraft einer Rückstellfeder bei der Bestromung des Elektromagneten an der Polfläche des Elektromagneten in einer zweiten Stell­ position zur Anlage gebracht werden kann. Wird der Elektroma­ gnet stromlos gesetzt, fällt der Anker in seine erste Stell­ position zurück.

Ähnliches gilt für einen elektromagnetischen Aktuator, bei dem zwei Elektromagneten im Abstand zueinander angeordnet sind, zwischen denen der Anker jeweils gegen die Kraft je­ weils einer Rückstellfeder bei abwechselnder Bestromung der Elektromagneten mit Hilfe einer Steuereinrichtung jeweils an dem einen Elektromagneten in seiner ersten Stellposition und an dem anderen Elektromagneten in seiner zweiten Stellpositi­ on zur Anlage gebracht werden kann.

Für den Betrieb derartiger elektromagnetischer Aktuatoren ist es wichtig, daß der Anker in der durch die Anlage an der Polfläche des Elektromagneten definierten Stellposition sicher zur Anlage kommt und auch sicher gehalten wird, solange der Elektromagnet über die Steuereinrichtung bestromt wird.

Verwendet man beispielsweise Rückstellfedern mit linearer Kennlinie, dann ergibt sich, daß bei der Annäherung des An­ kers an die Polfläche des bestromten Elektromagneten der li­ near ansteigend auf den Anker einwirkenden Rückstellkraft der Feder eine progressiv ansteigende Magnetkraft entgegenwirkt, so daß mit zunehmender Annäherung des Ankers an die Polfläche sich seine Bewegungsgeschwindigkeit erhöht. Eine hohe Auf­ treffgeschwindigkeit des Ankers auf die Polfläche macht sich nicht nur in einer erhöhten Geräuschentwicklung bemerkbar, sondern kann im Extremfall auch zu einem "Abprallen" des An­ kers von der Polfläche führen, was günstigstenfalls zu einen mehrmaligen Auftreffen des Ankers bis zur bewegungslosen An­ lage führen kann. Ungünstigstenfalls kann das Abprallen so stark sein, daß der Anker gar nicht zu endgültigen Anlage an der Polfläche kommt, sondern unter dem Einfluß der Rückstell­ kraft wieder in Richtung auf die erste Stellposition zurück­ bewegt wird. Bei der Verwendung von Federn mit progressiver Kennlinie kann dieser Effekt etwas gemindert werden, dennoch bleibt gegen Ende der Ankerbwegung ein beachtlicher Überschuß an Magnetkraft.

Durch eine entsprechende Steuerung der Bestromung bei der An­ näherung des Ankers an die Polfläche des Elektromagneten ist es nun möglich, entsprechend dem Maß der Annäherung die Ma­ gnetkraft zu reduzieren, so daß der bremsende Einfluß der Rückstellkraft der Rückstellfeder stärker zur Geltung kommen kann und dementsprechend der Anker mit reduzierter Geschwin­ digkeit auf die Polfläche "sanft" aufsetzen kann. Damit ist nicht nur die Geräuschentwicklung reduziert sondern gleich­ zeitig auch die Gefahr des Abprellens praktisch ausgeschlos­ sen.

Um nun die Bestromung des Elektromagneten über die Steuerein­ richtung so zu führen, daß ein sicheres Fangen des Ankers an dem Elektromagneten gewährleistet ist, muß die Bewegung des Ankers erfaßt werden und im gleichen Bewegungszyklus die Ma­ gnetkraft beeinflußt werden. Dies ist beispielsweise durch die Anordnung von elektrisch induktiven Sensoren möglich, die den Vorbeiflug des Ankers in einem vorgegebenen Abstand von der Polfläche des fangenden Elektromagneten erfassen, so daß über diesen Sensor ein Signal ausgelöst werden kann, das dann eine Reduzierung der Bestromung des Elektromagneten um ein vorgegebenes Maß und damit eine Reduzierung der Magnetkraft bewirkt. Bei diesem Verfahren kann jedoch nur der Zeitpunkt des Vorbeifluges des Ankers, jedoch nicht die Bewegungsge­ schwindigkeit des Ankers erfaßt werden. Treten beispielsweise zusätzlich zu der der Bewegung des Ankers entgegenwirkenden Kraft der Rückstellfeder im weiteren Verlauf der Bewegung zu­ sätzliche gleich- oder gegengerichtete Kräfte auf, so bei­ spielsweise Reibungskräfte aus der Ankerführung oder auf das betätigende Stellglied einwirkende stochastisch bedingte Ge­ genkräfte, so kann die Fluggeschwindigkeit des Ankers bereits derart reduziert sein, daß er an sich die volle Magnetkraft benötigen würde, um überhaupt an der Polfläche des Elektroma­ gneten zur Anlage zu kommen. Wird nun zum Zeitpunkt des Vor­ beifluges an dem Sensor über eine entsprechende Änderung in der Bestromung die Magnetkraft reduziert, dann kann durchaus der Fall eintreten, daß die Magnetkraft nicht mehr ausreicht, um den Anker überhaupt zu fangen, so daß er sich in Richtung auf seine erste Stellposition zurückbewegt.

Eine derartige "statische" Erfassung der Ankerposition mit­ tels eines Sensors ist daher unbefriedigend, so daß man über zusätzliche Sensoren und eine Zeiterfassung die tatsächliche Ankergeschwindigkeit zu messen versucht hat, um hieraus einen entsprechenden Korrekturwert zur Beeinflussung der Bestromung zu gewinnen. Ebenso wurde vorgeschlagen, die elektrisch in­ duktiven Rückwirkungen, die sich aus der Annäherung des An­ kers an den Elektromagneten ergeben, für Korrektursignale ab­ zuleiten, die dann zur einer Änderung der Bestromung und da­ mit zu einer Änderung der Magnetkraft verwendet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Lösung des Pro­ blems ein anderer Weg vorgeschlagen, nämlich, daß zumindest während eines Teils der Ankerbewegung die Änderung der Stell­ kraft der Rückstellfeder erfaßt wird und hieraus in der Steu­ ereinrichtung die jeweilige Position des Ankers und/oder sein Bewegungsgeschwindigkeit abgeleitet und der abgeleitete Wert zur Kontrolle und/oder zur Beeinflussung der Ansteuerung des Elektromagneten verwendet wird. Diese Lösung geht von der Er­ kenntnis aus, daß die sich laufend verändernde Position des Ankers im Verhältnis zum Elektromagneten von einer durch die Federkonstante vorgegebenen proportionalen Änderung der Rück­ stellkraft ableiten läßt. Damit ist auch ein "Meßwert" gege­ ben, der unmittelbare Rückschlüsse über die jeweilige Positi­ on des Ankers auf seinem Weg aus der ersten Stellposition in die zweite Stellposition ermöglicht, da die Größe der Rück­ stellkraft in der ersten Stellposition, die Größe der Rück­ stellkraft in der zweiten Stellposition, d. h. bei Anlage des Ankers an der Polfläche des Elektromagneten, sowie die Feder­ kennlinie in diesem Bereich bekannt sind. Die Größe der Rück­ stellkraft ist hierbei ausschließlich von der Stellung des Ankers abhängig, so daß zusätzlich auftretende, der Ankerbe­ wegung entgegengerichtete Kräfte nicht als Störeinflüsse in das "Meßergebnis" eingehen. Somit ist es möglich, durch die Vorgabe einer einem Mindestabstand des Ankers von der Polflä­ che entsprechenden Kraft ein Stellsignal auszulösen, sobald bei der Annäherung des Ankers an die Polfläche diese Kraft erreicht wird und dementsprechend auch die Bestromung des Elektromagneten zu korrigieren. Während im Sensor zwangsläu­ fig wegen seiner Baugröße diskreten Abstand zur Polfläche an­ geordnet sein muß, bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, den "Meßpunkt" in beliebigem Abstand, also auch in unmittelbarer Nähe der Polfläche vorzusehen.

Anstelle dieser "statischen" Erfassung der Ankerposition in bezug auf den Elektromagneten bietet das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch die Möglichkeit einer "dynamischen" Po­ sitionserfassung. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Änderung der Rückstellkraft über den gesamten Hub er­ faßt wird und bei Abweichungen von dem in der Steuereinrich­ tung als Sollwert "abgelegten" Sollverlauf entsprechende Stell- und/oder Korrektursignale ausgelöst werden können. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Änderung der Rück­ stellkraft in der Zeit zu erfassen, um hieraus die Bewegungs­ geschwindigkeit des Ankers abzuleiten. Durch die Erfassung der zeitlichen Änderung der Rückstellkraft können zusätzlich auf den Anker und/oder das zu betätigende Stellglied einwir­ kende stochastische Kräfte mit erfaßt werden, so daß die Än­ derung in der Bestromung in der Fangphase entsprechend ange­ paßt werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erfassung der Änderung der Stellkraft der Rückstellfeder durch Messung der Druckkraft auf die Abstützung der Rück­ stellfeder erfolgt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ent­ sprechend ortsfest angeordnete Drucksensoren eingesetzt wer­ den können, wie beispielsweise piezo-elektrische Sensoren, mit Dehnmeßstreifen versehene Druckkörper oder dergleichen, so daß die Verdrahtung für die Weiterleitung der elektrischen Meßsignale ebenfalls ortsfest verlegt werden kann. Der Vor­ teil dieser Form der Erfassung der Rückstellkräfte bietet au­ ßerdem den Vorteil, daß sie unabhängig von der Art der ver­ wendeten Federn ist, so daß sie nicht nur bei mechanischen Federn, beispielsweise Schraubendruckfedern, sondern auch bei anderen Federelementen, wie Luftfedern, Gummifedern oder dergl. einsetzbar ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erfassung der Änderung der Stellkraft der Rückstell­ feder durch Messung der Reaktionskraft zwischen dem Elektro­ magneten und der Abstützung erfolgt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der oder die Sensoren nicht unmittelbar in Ver­ bindung mit der Rückstellfeder gesetzt werden müssen. Übli­ cherweise wird der bzw. werden die Elektromagneten in einem Gehäuse angeordnet, das mit der Abstützung wenigstens einer Rückstellfeder verbunden wird. Bei Aktuatoren mit zwei im Ab­ stand zueinander angeordneten Elektromagneten, wie eingangs beschrieben, enthält auch das Gehäuse selbst eine Abstützung für eine derartige Rückstellfeder. Da das Gehäuse aus ferti­ gungstechnischen Gründen aus mehreren Teilen zusammengefügt ist, wobei in der Regel die Fügeflächen senkrecht zur Kraft­ wirkung der Rückstellfeder ausgerichtet sind, können ein oder mehrere Drucksensoren in einer oder mehrere derartiger Füge­ flächen angeordnet werden. Durch die auf die Abstützung und/oder das den Aktuator mit der Abstützung verbindende Ge­ häuse bei der Ankerbewegung wirkenden wechselnden Rückstell­ kräfte wird die Verbindung zwischen dem Elektromagneten und der Abstützung mit entsprechend proportional zur Kraftwirkung der Feder wechselnden Kräften beaufschlagt, die über einen in der Fügefläche angeordneten Drucksensor entsprechend erfaßt werden können. Auch hier lassen sich piezo-elektrische Senso­ ren oder auch Druckmaßstreifen als Sensoren einsetzen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erfassung der Änderung der Rückstellkraft, insbeson­ dere bei einer mechanischen Feder, durch Messung der Verfor­ mung der Feder selbst erfolgt. Dies kann beispielsweise bei Schraubendruckfedern durch die Anordnung von Dehnmeßstreifen in Form einer Wheatstone'schen-Brückenschaltung unmittelbar auf den Federkörpern selbst erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsformen elektromagnetischer Aktua­ toren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen einfachen Aktuator mit nur einer Rückstellfeder,

Fig. 2 einen Aktuator zur Betätigung eines Gas­ wechselventils mit zwei Elektromagneten.

In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 dargestellt, der einen Elektromagneten 2 aufweist, dessen Polfläche 3 ein Anker 4 zugeordnet ist. Der Anker 4 stützt sich über eine Führungsstange 5 auf dem freien Ende 6 eines zu betätigenden Stellgliedes 7 ab, das über eine Rückstellfeder 8 den Anker 4 gegen einen Anschlag 9 in einer ersten Stellposition mit Ab­ stand zur Polfläche 3 des Elektromagneten 2 hält.

Der Elektromagnet 2 ist mit einer elektronischen Steuerein­ richtung 10 verbunden, über die entsprechend zugeführten Steuersignalen 11 die Spule 12 des Elektromagneten bestromt wird.

Beim Einschalten des Stromes wird ein Magnetfeld aufgebaut, durch das der Anker 4 gegen die Rückstellkraft der Rückstell­ feder 8 in Richtung auf die Polfläche 3 des Elektromagneten 2 bewegt wird, an dieser in seiner zweiten Stellposition zur Anlage kommt und während der Dauer der Bestromung auch in dieser zweiten Stellposition gehalten wird. Die Rückstellfe­ der 8 wird hierbei entsprechend dem Stellhub zusammenge­ drückt.

Wird nun über die Steuereinrichtung 10 der Elektromagnet 2 stromlos gesetzt, wird der Anker 4 unter dem Einfluß der Rückstellkraft der Rückstellfeder 8 wieder in seine erste Stellposition am Anschlag 9 zurückgeführt.

Bei dem hier dargestellten elektromagnetischen Aktuator 1 ist die Rückstellfeder 8 auf einem kraftfühlenden Sensor 13 abge­ stützt. Damit ist es möglich, die sich bei einer Ankerbewe­ gung ändernde Rückstellkraft der Rückstellfeder 8 zu erfas­ sen. Der kraftfühlende Sensor 13 kann beispielsweise auf pie­ zo-elektrischer Basis aufgebaut sein, so daß ein elektrisches Signal 14 zur Verfügung steht, das auf die Steuereinrich­ tung 10 aufgeschaltet und entsprechend verarbeitet werden kann. Da die Rückstellkraft in der ersten Schaltposition, die Rückstellkraft in der zweiten Schaltposition sowie der durch den Abstand der beiden Schaltpositionen vorgegebene Hub des Systems und die Federkennlinie bekannt sind, kann über die Kraftmessung jeweils eine Zuordnung der Ankerposition während der Ankerbewegung vorgenommen werden. Hieraus können dann je nach den Anforderungen entsprechende Stellsignale abgeleitet werden, beispielsweise durch die Vorgabe eines Schwellenwer­ tes für die Rückstellkraft, so daß bei Erreichen dieses Schwellenwertes ein entsprechendes Stellsignal ausgelöst wird.

Da über das Eingangssignal 11 auch zeitbezogene Signale ein­ gegeben werden können und darüber hinaus die Steuereinrich­ tung 10 mit einem entsprechenden Zeitzähler ausgerüstet sein kann, ist es auch möglich, die Änderung der Rückstellkraft pro Zeiteinheit zu ermitteln, so daß hierüber die Bewegungs­ geschwindigkeit des Ankers 4 abgeleitet werden kann, die nicht nur von der zu bewegenden Masse und der Größe der Rück­ stellkraft, sondern auch von anderen äußeren Einflüssen, bei­ spielsweise Reibungswiderständen oder dergl. abhängig ist. Damit können auch derartige Einflüsse auskorrigiert werden.

Bei der Auswahl und der Anordnung des hier nur schematisch dargestellten Sensors 13 muß berücksichtigt werden, daß die Wirkungslinie der resultierenden Kraft einer senkrecht bela­ steten Schraubendruckfeder im allgemeinen nicht deckungs­ gleich ist mit der geometrischen Mittelachse der Feder. Ursa­ che dafür ist die durch die Schraubenlinie bedingte Art der Krafteinleitung, die eine über den Umfang gleichmäßige Bela­ stung der Federenden nicht zuläßt. Das hat zur Folge, daß die Kraft an bevorzugten Stellen der Aufstandsfläche eingeleitet wird, wobei man in der Regel zwei bis drei ausgeprägte Druck­ zentren findet. Aus der Druckverteilung läßt sich der resul­ tierende Summenpunkt der Einzelkräfte ermitteln und bei der Signalerzeugung und Signalauswertung berücksichtigen. Die ex­ zentrische Lage dieses Punktes bewirkt in der Aufstandsfläche der Feder Reaktionskräfte, die durch Querkräfte und Einspann­ momente nachgewiesen werden können. Probleme dieser Art sind überall da zu erwarten, wo bewegliche Teile über Schrauben­ druckfedern abgestützt werden und die Funktionssicherheit durch Reibung und Verschleiß infolge der bereits erwähnten Reaktionskräfte beeinträchtigt wird. Diese Momente werden beim vorliegenden Verfahren auf den Anker übertragen und be­ wirken eine Rotation des Ankers um seine Hochachse. Folge ist das unerwünschte Anschlagen des Ankers an die seitlich den Ankerraum begrenzenden Distanzblöcke und die damit verbundene Verschleißgefahr sowie die Einleitung stochastisch auftreten­ der Reibungseffekte in das schwingungsfähiger Feder-Masse-System. Diese Form der Ankerbewegung ist unerwünscht und sollte daher so klein wie möglich gehalten werden.

In Fig. 2 ist die Anwendung des Verfahrens an einem elektro­ magnetischen Aktuator beschrieben, bei dem zwei Elektromagne­ ten 2.1 und 2.2 mit Abstand zueinander angeordnet sind, zwi­ schen denen dann der Anker 4 gegen die Kraft jeweils einer Rückstellfeder 8.1 und 8.2 hin und her bewegbar ist. Es han­ delt sich praktisch um eine spiegelbildliche Anordnung des in Fig. 1 dargestellten Systems, wobei die erste Stellposition durch die Anlage des Ankers 4 am Elektromagneten 2.1 und die zweite Stellposition durch die Anlage des Ankers 4 am Elek­ tromagneten 2.2 definiert ist. Die beiden Elektromagneten 2.1 und 2.2 sind in einem mehrteiligen Gehäuse 15 angeordnet, dessen einzelne Gehäuseteile miteinander und mit einer Basis 17, beispielsweise einem Zylinderkopf verspannt sind. Die Fü­ geflächen 16 sind quer zur Kraftrichtung der Rückstellfedern 8 ausgerichtet. Die Rückstellfedern 8.1 und 8.2 sind in ihrer Kraftrichtung gegeneinander gerichtet, so daß, identische Fe­ dern vorausgesetzt, bei stromlos gesetzten Elektromagneten der Anker 4 in einer Mittelstellung zwischen den beiden Elek­ tromagneten 2 zur Ruhe kommt. Die Rückstellfeder 8.1 dient hierbei als Schließfeder, während die Rückstellfeder 8.2 als Öffnerfeder dient. Über eine entsprechende Steuereinrichtung 10 werden dann die beiden Elektromagneten 2 entsprechend dem vorgegebenen Steuerprogramm abwechselnd bestromt, so daß der Anker 4 und damit das Stellglied 7, beispielsweise ein Gas­ wechselventil an einer Kolbenbrennkraftmaschine, hin- und herbewegt werden können. Entsprechend dem Steuerprogramm kön­ nen dann auch Haltezeiten vorgesehen werden, so daß der Anker 4 entsprechend der Vorgabe durch die Steuereinrichtung in der einen und/oder der anderen Stellposition über vorgebbare Zei­ ten gehalten werden kann.

Statt nun, wie bei Fig. 1, die sich bei einer Ankerbewegung ergebende Änderung der Kraftwirkung der Rückstellfedern un­ mittelbar über die Abstützung einer der Rückstellfedern zu erfassen, ist bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 in we­ nigstens einer der Fügeflächen 16 zwischen den einzelnen Ge­ häuseteilen ein entsprechender Drucksensor 13.1 angeordnet. Der Drucksensor erfaßt die wechselnden Kraftwirkungen auf die hier nur angedeuteten Verbindungselemente 18, die bei einer Ankerbewegung durch die sich ändernden Stellkräfte der Rück­ stellfedern 8 wirksam werden. Auch hier wird das vom Sensor 13.1 ausgehende Signal 14 auf die Steuereinrichtung 10 aufge­ schaltet.

Bei dieser Aktuatorenform mit zwei gegeneinander gerichteten Rückstellfedern kann das vorstehend beschriebene Problem der Ankerrotation, auch mit seinen Auswirkungen auf die Sensorer­ fassung und die Wirkung der unvermeidlichen außermittigen Krafteinleitung bereits bei der Auslegung der Schraubenfedern des elektromagnetischen Aktuators berücksichtigt werden. Die von der Öffnerfeder 8.2 und Schließfeder 8.1 auf den Anker 4 wirkenden Momente sollen sich in ihrer Wirkung auf den Anker 4 ausgleichen, so daß keine Rotationsbewegungen des Ankers 4 auftritt. Dies kann ermöglicht werden durch unterschiedliche Wicklungsrichtungen der Öffner- und Schließfeder. Die über die Endwindungen eingeleiteten Federkräfte führen bei dieser Wicklungsanordnung zu gegensinnigen Drehungen der beiden Fe­ dern im Betrieb. Diese gegenläufigen Federrotationen werden daher nicht auf den Anker übertragen und bewirken bei gleich eingeleiteten Federquerkraftkomponenten keine Ankerdrehbewe­ gung.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Stellgliedes, der wenigstens einen auf einer Abstützung befestigten Elektromagneten aufweist, der über eine Steuereinrichtung bestromt wird, sowie einen Anker, der mit dem Stellglied in Wirkverbindung steht und der aus einer ersten Stellposition gegen die Kraft einer Rückstellfe­ der bei Bestromung des Elektromagneten an der Polfläche des Elektromagneten in einer zweiten Stellposition zur Anlage ge­ bracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während eines Teils der Ankerbewegung die Änderung der Stellkraft der Rückstellfeder erfaßt wird und hieraus in der Steuereinrich­ tung die jeweilige Position des Ankers und/oder seine Bewe­ gungsgeschwindigkeit abgeleitet und der abgeleitete Wert zur Kontrolle und/oder zur Beeinflussung der Ansteuerung des Elektromagneten verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Änderung der Stellkraft der Rückstellfeder durch Messung der Druckkraft auf die Abstützung der Rück­ stellfeder erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Änderung der Stellkraft der Rückstellfeder durch Messung der Reaktionskraft zwischen dem Elektromagneten und der Abstützung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Änderung der Stellkraft insbesondere bei einer mechanischen Feder durch Messung der Verformung der Feder selbst erfolgt.