DE19832198A1 - Controlling armature motion in electromagnetic actuator used to operate internal combustion engine valve - Google Patents

Controlling armature motion in electromagnetic actuator used to operate internal combustion engine valve

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DE19832198A1
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Abstract

During initial pull-in, the voltage (U) is reduced to zero. Just before impact of the armature (4d) on either coil, (4a, 4b), the voltage is reapplied for braking effect. Switching instants are time-optimized.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betäti­ gung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fang­ vorganges die an der den Anker einfangenden Spule an liegende elektrische Spannung reduziert wird. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 195 30 121 A1 verwiesen.The invention relates to a control method for the final phase movement an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuation supply of a gas exchange stroke valve of an internal combustion engine, the Armature oscillating between two solenoid coils against each other Force at least one return spring by alternating energization of the Electromagnetic coils is moved, and being with an approximation of Anchor to the initially energized coil during the so-called catch the electrical on the coil capturing the armature Tension is reduced. The technical environment is based on the DE 195 30 121 A1 referenced.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventil­ trieb von Brennkraftmaschinen, d. h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hub­ kolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktuatoren in gewünsch­ ter Weise betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktua­ toren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch kön­ nen die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Betriebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetrie­ benen Fahrzeuges angepaßt werden.A preferred application for an electromagnetic actuator with the features of claim 1 is the electromagnetically actuated valve powered by internal combustion engines, d. H. the gas exchange globe valves of a stroke Piston internal combustion engines are desired by such actuators actuated way, d. H. oscillatingly opened and closed. At a Such electro-mechanical valve train, the globe valves are individually  or also in groups via electromechanical actuators, the so-called Aktua gates moved, the time for opening and closing each Lift valves can be chosen essentially completely freely. This allows the valve timing of the internal combustion engine optimally to the current Operating state (this is defined by speed and load) and to the respective requirements with regard to consumption, torque, emissions, Comfort and responsiveness of a driven by the internal combustion engine been adapted vehicle.

Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektroma­ gneten für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektromagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positio­ nen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch auf die beigefügte Fig. 1 verwiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordne­ tem Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Ak­ tuator-Ankers zeigt und wobei zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der Aktuator-Hubventil-Einheit der Verlauf des Ankerhubes bzw. Ankerweges zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen und ferner der Verlauf des Stromflusses in den beiden Elektromagnet-Spulen jeweils über der Zeit entsprechend einem (gegen über der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 einfacheren) bekannten Stand der Technik dargestellt ist.The essential components of a known actuator for actuating the lift valves of an internal combustion engine are an armature and two electromagnets for holding the armature in the position "lift valve open" or "lift valve closed" with the associated solenoid coils, and also return springs for the Movement of the armature between the positions "lift valve open" and "lift valve closed". For this purpose, reference is also made to the attached FIG. 1, which shows such an actuator with associated lifting valve in the two possible end positions of the lifting valve and actuator armature, and the course between the two states or positions of the actuator / lifting valve unit shown of the armature stroke or armature path between the two solenoid coils and also the course of the current flow in the two solenoid coils each over time is shown in accordance with a known state of the art (compared to DE 195 30 121 A1 mentioned earlier).

Wie ersichtlich ist in Fig. 1 der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen-Hub­ ventiles dargestellt, welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Wie üblich greift an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an, ferner wirkt auf den Schaft des Hubventiles 1 - hier unter Zwischenschaltung eines hy­ draulischen Ventilspielausgleichselementes 3 - der in seiner Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktuator ein. Dieser besteht neben zwei Elektroma­ gnet-Spulen 4a, 4b aus einer auf den Schaft des Hubventiles 1 einwirkenden Stö­ ßelstange 4c, die einen Anker 4d trägt, der zwischen den Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Am dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der Stößelstange 4c greift ferner eine Ventilöffnungsfeder 2b an.As can be seen in Fig. 1, the closing process of an internal combustion engine valve is shown, which is designated by the reference number 1 . As usual, this valve valve 1 is attacked by a valve closing spring 2 a, further acting on the stem of the lifting valve 1 - here with the interposition of a hydraulic valve lash compensation element 3 - the actuator designated in its entirety by 4 . This consists in addition to two electromagnetic coils 4 a, 4 b from an acting on the stem of the globe valve 1 push rod 4 c, which carries an armature 4 d, which is guided between the electromagnet coils 4 a, 4 b to be longitudinally displaceable. At the end of the push rod 4 c facing away from the stem of the lift valve 1 , a valve opening spring 2 b also engages.

Hierbei handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für wel­ ches die Ventilschließfeder 2a und die Ventilöffnungsfeder 2b eine erste so­ wie eine zweite Rückstellfeder bilden, für welche folglich im weiteren eben­ falls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet werden. Linksseitig ist in Fig. 1 die erste Endposition dieses schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in wel­ cher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist und der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt, die im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4b das Hubventil 1 in seiner geöff­ neten Position hält. Rechtsseitig ist in Fig. 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 voll­ ständig geschlossen ist und der Anker 4d an der oberen Elektromagnet-Spule 4a anliegt, die im folgenden auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4a das Hubventil 1 in seiner geschlossenen Po­ sition hält.This is thus is an oscillatory system for wel ches the valve closing spring 2 a and the valve opening spring 2 b a first as a second return spring form for which consequently the further precisely if the reference numerals 2 a, 2 may be used b. On the left side in Fig. 1, the first end position of this vibratory system is shown, in which cher the lift valve 1 is fully open and the armature 4 d is applied to the lower electromagnetic coil 4 b, which is also referred to as opener coil 4 b in the following after this coil 4 b holds the globe valve 1 in its open position. On the right side in Fig. 1, the second end position of the oscillatory system is shown, in which the globe valve 1 is fully closed continuously and the armature 4 d is applied to the upper electromagnetic coil 4 a, which is also referred to below as a closer coil 4 a after this coil 4 a holds the globe valve 1 in its closed position.

Im folgenden wird nun kurz der Schließvorgang des Hubventils 1 beschrie­ ben, d. h. in Fig. 1 der Übergang vom linksseitigen Zustand in den rechts­ seitig dargestellten Zustand; dazwischen sind die entsprechenden Verläufe der in den Spulen 4a, 4b fließenden elektrischen Ströme I sowie der Hub­ verlauf bzw. die Wegkoordinate z des Ankers 4d jeweils über der Zeit t auf­ getragen.In the following, the closing operation of the globe valve 1 is now briefly described, ie in FIG. 1 the transition from the left-hand state to the state shown on the right; in between, the corresponding courses of the electrical currents I flowing in the coils 4 a, 4 b and the stroke course or the path coordinate z of the armature 4 d are respectively plotted over the time t.

Ausgehend von der linksseitigen Position "Hubventil offen" wird zunächst die Öffner-Spule 4b bestromt, um den Anker 4d in dieser Position gegen die ge­ spannte Ventilschließfeder 2a (= untere erste Rückstellfeder 2a) zu halten, wobei der Strom I in dieser Spule 4b im I-t-Diagramm gestrichelt dargestellt ist. Wird nun der Strom I der Öffner-Spule 4b für einen gewünschten Über­ gang nach "Hubventil geschlossen" ausgeschaltet, so löst sich der Anker 4d von dieser Spule 4b und das Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventil­ schließfeder 2a in etwa bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleu­ nigt, bewegt sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter und spannt dabei die Ventilöffnungsfeder 2b, so daß das Hubventil 1 (und der Anker 4d) dadurch abgebremst werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu ei­ nem geeigneten Zeitpunkt bestromt (der Strom I für die Spule 4a ist im I-t-Diagramm in durchgezogener Linie dargestellt), wodurch diese Spule 4a den Anker 4d einfängt - hierbei handelt es sich um den sog. Fangvorgang -, und ihn schließlich in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlos­ sen" hält. Nachdem der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen ist, wird in dieser im übrigen auf ein niedrigeres Haltestrom-Niveau umgeschaltet (vgl. I-t-Diagramm).Starting from the left-hand position "lifting valve open", the opening coil 4 b is first energized to hold the armature 4 d in this position against the ge valve closing spring 2 a (= lower first return spring 2 a), the current I in this coil 4 b is shown in dashed lines in the It diagram. If the current I of the opening coil 4 b is switched off for a desired transition to "lift valve closed", then the armature 4 d releases from this coil 4 b and the lift valve 1 is closed by the tensioned valve closing spring 2 a Accelerated to its central position (upwards), however, moves further due to its inertia and tensions the valve opening spring 2 b, so that the globe valve 1 (and the armature 4 d) are braked thereby. Then the make coil 4 a is energized at a suitable time (the current I for the coil 4 a is shown in a solid line in the It diagram), whereby this coil 4 a captures the armature 4 d - these are the so-called catching process -, and finally holds it in the position shown on the right "lifting valve closed". After the armature 4 d is securely caught by the coil 4 a, this is switched to a lower holding current level in the rest of this (see. It diagram).

Der umgekehrte Übergang von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen" geschieht ausgehend von der in Fig. 1 rechtsseitig dargestellten Position analog durch Ausschalten des Stromes I in der Schließer-Spule 4a und zeit­ versetztes Einschalten des Stromes für die Öffner-Spule 4b. Generell wird dabei für das Bestromen der Spulen 4a, 4b an diese eine ausreichende elektrische Spannung gelegt, während das Abschalten des elektrischen Stromes I durch eine Herabsetzung der elektrischen Spannung auf den Wert "Null" initiiert wird. Die notwendige elektrische Energie für den Betrieb jedes Aktuators 4 wird dabei entweder dem Bordnetz des von der zugehörigen Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges entnommen oder über eine separate, dem Ventiltrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Energiever­ sorgung bereitgestellt. Dabei wird die elektrische Spannung durch die Ener­ gieversorgung konstant gehalten, und der Spulenstrom I der den Brenn­ kraftmaschinen-Hubventilen 1 zugeordneten Aktuatoren 4 durch ein Steuer­ gerät derart gesteuert, daß sich die notwendigen Kräfte für das Öffnen, Schließen und Halten des bzw. der Hubventile 1 in der jeweils gewünschter Position ergeben.The reverse transition from "lift valve closed" to "lift valve open" takes place analogously from the position shown on the right in FIG. 1 by switching off the current I in the make coil 4 a and switching the current for the break coil 4 b at different times . In general, an adequate electrical voltage is applied to the coils 4 a, 4 b while the switching off of the electrical current I is initiated by a reduction in the electrical voltage to the value "zero". The electrical energy required for the operation of each actuator 4 is either taken from the vehicle electrical system of the vehicle driven by the associated internal combustion engine or is provided via a separate energy supply adapted to the valve train of the internal combustion engine. The electrical voltage is kept constant by the energy supply, and the coil current I of the internal combustion engine lift valves 1 associated actuators 4 is controlled by a control device such that the necessary forces for opening, closing and holding the lift valve or valves 1 in the desired position.

Beim soeben erläuterten Stand der Technik wird der Spulenstrom I während des sogenannten Fangvorganges, in welchem eine der beiden Spulen 4a, 4b danach trachtet, den Anker 4d einzufangen (hierbei handelt es sich um die eingangs genannte Endphase der Anker-Bewegung), vom genannten Steu­ ergerät bzw. von einer Steuereinheit durch Taktung auf einen im wesentli­ chen konstanten Wert geregelt, der groß genug ist um den Anker 4d unter allen Bedingungen sicher einzufangen. Nun ist die Kraft der fangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b auf den Anker 4d näherungsweise propor­ tional zum Strom I und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Spule und Anker. Wird nun - wie im bekannten Stand der Technik - ein im wesentli­ chen konstanter Strom I eingestellt, so steigt die auf den Anker 4d einwir­ kende Magnet-Kraft mit seiner Annäherung an die jeweilige ihn einfangende Spule 4a bzw. 4b umgekehrt proportional zum verbleibenden Spalt, wodurch die Ankerbeschleunigung und die Ankergeschwindigkeit ansteigen. Hieraus resultiert eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 4d auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b, was zum einen einen hohen Verschleiß im Aktuator 4, zum anderen aber auch eine hohe Geräuschentwicklung zur Fol­ ge hat. Ein weiterer Nachteil sind die bei der kurz beschriebenen getakteten Stromregelung auftretenden Umschaltverluste der Transistoren, die eine er­ höhte Leistungsaufnahme und Temperaturbelastung des verwendeten Steu­ ergerätes sowie eine erhöhte elektromagnetische Abstrahlung in den Zulei­ tungen der Aktuatoren zur Folge haben.In the prior art just explained, the coil current I during the so-called catching process, in which one of the two coils 4 a, 4 b seeks to capture the armature 4 d (this is the end phase of the armature movement mentioned at the beginning), from the mentioned control unit or from a control unit regulated by clocking to an essentially constant value which is large enough to safely capture the anchor 4 d under all conditions. Now the force of the catching electromagnetic coil 4 a or 4 b on the armature 4 d approximately proportional to the current I and inversely proportional to the distance between the coil and armature. If - as in the known prior art - a substantially constant current I is set, the magnetic force acting on the armature 4 d increases with its approach to the respective coil 4 a or 4 b capturing it inversely proportional to remaining gap, whereby the armature acceleration and the armature speed increase. This results in a high impact speed of the armature 4 d on the respective electromagnetic coil 4 a or 4 b, which on the one hand causes high wear in the actuator 4 , but on the other hand also results in a high level of noise. Another disadvantage are the switching losses of the transistors that occur in the briefly described clocked current control, which result in increased power consumption and thermal stress on the control device used and increased electromagnetic radiation in the feed lines of the actuators.

Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung so­ wie den Aktuatorverschleiß bringt der aus der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 bekannte Stand der Technik. Hierin ist ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektroma­ gnetischen Aktuator vorgeschlagen, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser an liegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt (d. h. im wesentli­ chen reduziert) wird, so daß der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. In dieser besagten Schrift ist ferner noch davon die Rede, daß das Ausmaß der Spannungsbe­ grenzung bzw. Spannungsreduzierung in einem Kennfeld festgelegt sein kann, wobei zu vermuten ist, daß die entsprechenden Werte und insbeson­ dere auch der jeweilige Zeitpunkt, zu welchem diese Spannungsreduzierung einsetzen soll, auf experimentellem Wege bestimmt werden müssen.Improvements in particular with regard to noise as the actuator wear brings that from the above  DE 195 30 121 A1 known prior art. Here is a procedure for Reduction of the speed at which an anchor hits an electroma genetic actuator proposed, with an approach of the armature to the pole face of the coil capturing the armature, the one lying on it Voltage is limited to a predeterminable maximum value (i.e. essentially Chen reduced), so that the current flowing through the coil during part of the time of the voltage limitation drops. In this said Scripture also speaks of the extent of the tension limit or voltage reduction can be defined in a map can, whereby it can be assumed that the corresponding values and in particular the time at which this voltage reduction should begin to be determined experimentally.

Demgegenüber weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, d. h. es soll ein einfach praktikables und dabei effizien­ tes Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf­ gezeigt werden. Der Begriff der "Endphasen-Bewegung" steht dabei für denjenigen Abschnitt im oszillierenden Bewegungsablauf des Ankers zwi­ schen den beiden Magnetspulen, in welchem sich der Anker an eine der Magnetspulen annähernd vor dieser Magnetspule befindet und von dieser eingefangen werden soll. In anderen Worten ausgedrückt soll durch dieses Regelungsverfahren somit für die Endphasen-Bewegung während des sog. Fangvorganges die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der ihn einfan­ genden Magnetspule reduziert werden.In contrast, it is the task of the to show further improvements lying invention, d. H. it is supposed to be simple and practical tes control method for the end-phase movement of an anchor electromagnetic actuator according to the preamble of claim 1 to be shown. The term "final phase movement" stands for that section in the oscillating movement of the armature between between the two solenoids, in which the armature is attached to one of the Magnet coils are located approximately in front of and from this solenoid to be captured. In other words, this is supposed to Control procedure for the final phase movement during the so-called The speed of impact of the anchor on which it catches ing magnetic coil can be reduced.

Die Lösung dieser genannten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zunächst auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird, so daß sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase anschließt, und daß kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese wieder elektrische Spannung angelegt und diese somit eingeschaltet wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte aus einer im wesentlichen zeit­ optimalen Regelung abgeleitet werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildun­ gen sind Inhalt der Unteransprüche.The solution to this problem is characterized in that the Voltage first reduced to the value "zero" and thus switched off is, so that there is a braking phase to the catching phase of the catching process connects, and that just before the armature hits the coil  this again applied electrical voltage and thus switched on is, the respective switching times from an essentially time optimal regulation can be derived. Advantageous training and further education conditions are the content of the subclaims.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispieles, für welches weiterhin optionale Ergänzungen angegeben sind. Dabei enthält dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel bereits Bestandteile, die Ergänzungen der eigentlichen Erfindung darstellen und demzufolge In­ halt der Unteransprüche sind. Des besseren Verständnisses wegen sind diese betreffenden Bestandteile teilweise bereits in der grundlegenden Be­ schreibung enthalten.The invention is explained in more detail with reference to a preferred embodiment example, for which optional additions are also specified. This preferred embodiment already contains components represent the additions to the actual invention and consequently in stop of the subclaims. For better understanding some of these relevant components are already in the basic Be include writing.

Allgemein wird nach der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die be­ kannte Stromregelung oder die ebenfalls bekannte (empirisch festzulegen­ de) Spannungsreduzierung während des Fangvorganges für den Anker durch eine im wesentlichen zeitoptimale Regelung zu ersetzen, welche die elektri­ sche Spannung während des Fangvorganges (d. h. in der Endphase der An­ ker-Bewegung) zunächst auf den Wert "Null" reduziert und hierdurch die sog. Fangphase unterbricht, so daß sich an die Fangphase eine sog. Bremspha­ se anschließt, und welche kurz vor einem Auftreffen des Ankers auf die Spule - d. h. immer noch während des Fangvorganges innerhalb einer sog. Auftreffphase - an diese Spule wieder elektrische Spannung anlegt, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der elektrischen Spannung aus der besagten (zumindest im wesentlichen) zeit­ optimalen Regelung abgeleitet werden.It is generally proposed according to the present invention that be known current regulation or the also known (to be determined empirically de) voltage reduction during the catching process for the anchor by to replace an essentially time-optimal control, which the electri tension during the catching process (i.e. in the final phase of the start ker movement) initially reduced to the value "zero" and thereby the so-called Interruption phase interrupts, so that a so-called braking phase se, and which shortly before the anchor hits the Coil - d. H. still during the catching process within a so-called Impact phase - electrical voltage is applied to this coil again, whereby the respective switching times for switching off and switching on the electrical voltage from said (at least essentially) time optimal regulation can be derived.

Dabei kann einem die zeitoptimale Regelung ausführenden zeitoptimalen Regler ein Zusatzregler nebengeordnet sein, der die Annäherung des An­ kers an die ihn einfangende Spule überwacht, und in welchem die Soll-Trajek­ torien aus dem zeitoptimalen Regler übernommen und zeit- oder wegabhängig abgelegt werden, und der eine zusätzliche Regelung insbe­ sondere in der Auftreffphase vornimmt, wobei die von dem oder den Reg­ ler(n) benötigten Zustandsgrößen durch einen sog. Beobachter rekonstruiert werden.In this case, the time-optimal control that executes the time-optimal regulation can Regarding an additional regulator, the approach of the An kers to the coil catching him, and in which the target trajectory Torias taken from the time-optimal controller and time or  are stored depending on the route, and in particular an additional regulation special in the impact phase, whereby the reg The state variables required are reconstructed by a so-called observer become.

In Fig. 2 ist das entsprechende Regelungskonzept als Blockbild dargestellt, wobei der zeitoptimale Regler die Bezugsziffer 10 trägt, und die Regelung anhand der Signale eines sog. Beobachters 11 erfolgt, dessen Signale fer­ ner von einem dem Regler 10 nebengeordneten Zusatzregler 12 verarbeitet werden. Die Ausgangsgröße des Regelungskonzeptes (bzw. der beiden Regler 10, 12) ist die an der jeweils den Anker 4d (vgl. hierzu Fig. 1) ein­ fangenden Spule 4a bzw. 4b angelegte bzw. an liegende elektrische Span­ nung U.In Fig. 2, the corresponding control concept is shown as a block diagram, the time-optimal controller is given the reference number 10 , and the control is carried out using the signals of a so-called observer 11 , whose signals are processed by an additional controller 12 which is adjacent to the controller 10 . The output variable of the control concept (or of the two controllers 10 , 12 ) is the one on the armature 4 d (cf. FIG. 1), a catching coil 4 a or 4 b applied or applied to the electrical voltage U.

Dabei ist die dem Hubverlauf des Hubventiles 1 bzw. Ankers 4d entspre­ chende Position des Ankers 4d zwischen den Spulen 4a, 4b durch die Weg­ koordinate z - diese wird auf geeignete Weise gemessen - eine Eingangs­ größe des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, welche dem Beobach­ ter 11 mitgeteilt und in diesem weiter verarbeitet wird. Der Einfachheit halber wird dabei im folgenden die Position des Ankers direkt mit "z" bezeichnet, ohne den erklärenden Begriff "Wegkoordinate" zu verwenden.The stroke of the lift valve 1 or armature 4 d corresponding position of the armature 4 d between the coils 4 a, 4 b by the path coordinate z - this is measured in a suitable manner - an input variable of the control concept described here, which the observer 11 communicated and further processed in this. For the sake of simplicity, the position of the armature is referred to directly with "z" in the following, without using the explanatory term "path coordinate".

Aus dieser Wegkoordinate bzw. Anker-Position z ist im übrigen durch einma­ lige bzw. zweimalige Ableitung über der Zeit t die Bewegungsgeschwindig­ keit des Ankers sowie die Anker-Beschleunigung schätzbar bzw. ermit­ telbar. Diese abgeleiteten Größen , werden dabei vom Beobachter 11 ermittelt und den Reglern 10, 12 mitgeteilt.From this path coordinate or anchor position z, the movement speed of the armature and the armature acceleration can be estimated or ascertained by one or two derivations over time t. These derived variables are determined by the observer 11 and communicated to the controllers 10 , 12 .

Eine weitere Eingangsgröße des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, die dem Beobachter 11 mitgeteilt und in diesem weiter verarbeitet wird, ist - wie Fig. 2 zeigt - der in den jeweiligen Spulen 4a, 4b (vgl. Fig. 1) ermittelte Stromfluß I. Another input variable of the control concept described here, which is communicated to the observer 11 and processed further in it, is - as shown in FIG. 2 - the current flow I determined in the respective coils 4 a, 4 b (cf. FIG. 1).

Bevorzugt unterteilt der zeitoptimale Regler 10 den gesamten Fangvorgang des Ankers 4d in drei Phasen, nämlich:
The time-optimal controller 10 preferably divides the entire catching process of the armature 4 d into three phases, namely:

  • - erstens eine Fangphase FP,- firstly, a catch phase FP,
  • - zweitens eine sich daran anschließende Bremsphase BP, und- secondly, a subsequent braking phase BP, and
  • - drittens eine hierauf folgende Auftreffphase AP.- thirdly, a subsequent impact phase AP.

An die letztgenannte schließt sich als viertes die übliche Haltephase HP an, in welcher der Anker 4d, nachdem er sicher auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist, an dieser gehalten wird. Diese einzelnen Phasen sind in der an späterer Stelle noch ausführlich erläuterten Fig. 3 dargestellt. Dabei wird in der Fangphase FP sowie in der Auftreffphase AP an die jeweilige, den Anker 4d einfangende Spule 4a bzw. 4b eine elektri­ sche Spannung angelegt (und somit ein Stromfluß I initiiert), während in der Bremsphase BP die an der jeweiligen Spule anliegende Spannung auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird.Fourthly, the latter is followed by the usual holding phase HP, in which the armature 4 d is held on the armature 4 d after it has safely hit the respective electromagnetic coil 4 a or 4 b. These individual phases are shown in FIG. 3, which will be explained in detail later. In this case, an electrical voltage is applied to the respective armature 4 d or coil 4 a or 4 b in the catching phase FP and in the impact phase AP (and thus a current flow I is initiated), while in the braking phase BP the one at the respective Coil applied voltage is reduced to the value "zero" and is therefore switched off.

Das elektrische Strom- und Spannungsprofil in der Fangphase FP sind frei wählbar. In der Bremsphase BP sowie in der Auftreffphase AP kann optional eine zusätzliche Feinregelung des Auftreffvorganges durch den bereits er­ wähnten Zusatzregler 12 erfolgen. Ferner können das Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofil der Ankerbewegung positions- oder wegabhängig vorgegeben werden.The electrical current and voltage profile in the FP capture phase can be freely selected. In the braking phase BP and in the impact phase AP, additional fine control of the impact process can optionally be carried out by the additional controller 12 already mentioned. Furthermore, the speed and acceleration profile of the armature movement can be specified as a function of position or path.

Erfindungsgemäß werden die beiden Umschaltbedingungen zwischen den genannten drei Phasen FP, BP, AP durch eine sog. Schaltfläche (hierbei handelt es sich um ein Kennfeld) sowie durch eine Schaltkurve (hierbei han­ delt es sich um eine Kennlinie in dieser Schaltfläche) ermittelt und zwar ins­ besondere (d. h. für die folgenden Erläuterungen zunächst alleinig) durch den (zumindest im wesentlichen) zeitoptimalen Regler 10. According to the invention, the two switchover conditions between the three phases FP, BP, AP are determined by a so-called button (this is a map) and by a switching curve (this is a characteristic curve in this button) and ins special (ie initially only for the following explanations) by the (at least essentially) time-optimal controller 10 .

Neben diesen beiden dem Fachmann für Regelungstechnik geläufigen Be­ griffen einer "Schaltfläche" und einer "Schaltkurve" wird im folgenden noch der ebenfalls bekannte Begriff "Trajektorie" verwendet, bei welcher es sich um die Bahnkurve des mittels des zeitoptimalen Reglers 10 gesteuert zu bewegenden Objektes im Zustandsraum (an späterer Stelle mit ZR bezeich­ net) handelt, hier also um die Bahnkurve des Ankers 4d im Zustandsraum ZR (vgl. abermals vorab Fig. 3) auf seinem Weg zwischen den beiden Spu­ len 4a, 4b.In addition to these two familiar to those skilled in control engineering Be a "button" and a "switching curve" in the following the also known term "trajectory" is used, which is the trajectory of the object to be controlled by means of the time-optimal controller 10 in the State space (later referred to as ZR net) is concerned, here is the trajectory of the armature 4 d in the state space ZR (see FIG. 3 again in advance) on its way between the two coils 4 a, 4 b.

Im folgenden wird nun ein bevorzugter zeitoptimaler Regler 10 näher be­ schrieben:
Zur Erzielung einer gewünschten Reduktion seiner Auftreffgeschwindigkeit auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b muß der Anker 4d (vgl. Fig. 1) bereits in seiner Flugphase, d. h. vor dem eigentlichen Auftreffen, abgebremst werden, und zwar in der sog. Bremsphase BP. Allerdings sollte diese Bremsphase BP die Öffnungs- und Schließzeit des vom Aktuator 4 betätigen Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 nicht mehr als nötig verlän­ gern. Diese Frage nach dem schnellsten Regelvorgang zum Erreichen einer Endlage wird von der Theorie der zeitoptimalen Regelung beantwortet. Demnach ist das optimale Profil einer Stellgröße ein Umschalten der Ein­ gangsgröße zwischen Minimalwert und Maximalwert, wobei die Zahl der Umschaltungen von der Systemordnung der Regelstrecke abhängt.
A preferred time-optimized controller 10 will now be described in more detail below:
In order to achieve a desired reduction in its impact speed on the coil 4 a or 4 b catching it, the armature 4 d (cf. FIG. 1) must be braked in its flight phase, ie before the actual impact, in the so-called Braking phase BP. However, this braking phase BP should not extend the opening and closing times of the internal combustion engine lift valve 1 actuated by the actuator 4 more than necessary. This question about the fastest control process to reach an end position is answered by the theory of time-optimal control. Accordingly, the optimal profile of a manipulated variable is a switchover of the input variable between minimum value and maximum value, the number of switchovers depending on the system order of the controlled system.

Für ein aperiodisches System n-ter Ordnung genügen genügen nach dem dem Fachmann bekannten Satz von Feldbaum eine Einschaltung, n-1 Um­ schaltungen und eine Ausschaltung der maximalen Stellgröße, jeweils zum richtigen Zeitpunkt, um sämtliche Zustandsgrößen von beliebigen Anfangs­ werten in kürzest möglicher Zeit in ihre stationären Endwerte zu bringen, d. h. das System in die Ruhelage zu führen. For an aperiodic n-order system, suffice according to one known to the person skilled in the art from Feldbaum a switch-on, n-1 Um circuits and switching off the maximum manipulated variable, each for right time to all state variables from any start bring values to their final values in the shortest possible time, d. H. to lead the system to the rest position.  

Zur Auslegung der zeitoptimalen Regelung muß daher die Systemordnung des Aktuators 4 bekannt sein. Sie ist durch die Zahl unabhängiger Zu­ standsgrößen bestimmt. Physikalisch gesehen ist der Zustand eines dyna­ mischen Systems zu jedem Zeitpunkt durch den Energiegehalt der im Sy­ stem vorhandenen unabhängigen Energiespeicher bestimmt; der aktuelle Zustand des Systems wird durch die aktuellen Werte der Zustandsgrößen eindeutig festgelegt.The system order of the actuator 4 must therefore be known in order to design the time-optimal control. It is determined by the number of independent status variables. From a physical point of view, the state of a dynamic system is determined at all times by the energy content of the independent energy storage system in the system; the current state of the system is clearly defined by the current values of the state variables.

Im vorliegenden Anwendungsfall (vgl. hierzu auch Fig. 1) korrespondiert der magnetische Fluß Φ in der bzw. den Spulen 4a, 4b mit der Energie des Ma­ gnetfeldes, die Bewegungsgeschwindigkeit z des Ankers 4d mit der kineti­ schen Energie der bewegten Massen (sich im wesentlichen zusammenset­ zend aus Hubventil 1, Stößelstange 4c und Anker 4d) und die Ankerposition z mit der potentiellen Energie der beiden Rückstellfedern 2a, 2b.In the present application (cf. also FIG. 1), the magnetic flux Φ in the coil or coils 4 a, 4 b corresponds to the energy of the magnetic field, the movement speed z of the armature 4 d to the kinetic energy of the moving masses (substantially zusammenset zend from lift valve 1, the push rod 4 and c armature 4 d) and the armature position z with the potential energy of the two return springs 2 a, 2 b.

Aufgrund der drei unabhängigen Energiespeicher ist das vorliegende System von dritter Ordnung, so daß eine zeitoptimale Regelung 3. Ordnung mit den Zustandsgrößen Φ, , z und möglich wäre. Diese mögliche Wahl der Zu­ standsgrößen ist aber nicht zwingend vorgeschrieben und insbesondere nicht auf die eigentlichen Speichervariablen beschränkt; wesentlich ist, daß durch die Zustandsgrößen der Systemzustand eindeutig definiert ist. So kann z. B. anstelle des Flusses Φ auch die Magnetkraft, oder der Spulen­ strom I oder die Ankerbeschleunigung verwendet werden.Because of the three independent energy stores, the present system of third order, so that a time-optimal 3rd order control with the State variables Φ,, z and would be possible. This possible choice of to Stand sizes are not mandatory and in particular not limited to the actual memory variables; it is essential that the system state is clearly defined by the state variables. So can e.g. B. instead of the flux Φ also the magnetic force, or the coils current I or the armature acceleration can be used.

Für die weiteren Ausführungen wird neben der Ankerposition z und Anker-Geschwin­ digkeit für den Entwurf des zeitoptimalen Reglers 10 die Anker­ beschleunigung als dritte Zustandsgröße gewählt, da sie als direkte Ab­ leitung der Ankergeschwindigkeit eine leicht interpretierbare Größe dar­ stellt. Prinzipiell kann die Regelung aber auch mit jeder anderen der er­ wähnten Größen aufgebaut werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zeitoptimale Regler 10 von dritter Ordnung ist, wodurch der verzögerte Auf­ bau von Magnetfeld und Magnetkraft im Regelungskonzept berücksichtigt werden kann.For the further explanations, in addition to the armature position z and armature speed, the armature acceleration is selected as the third state variable for the design of the time-optimal controller 10 , since it represents an easily interpretable quantity as a direct derivation of the armature speed. In principle, the control can also be built up with any other of the variables mentioned. It is particularly advantageous if the time-optimal controller 10 is of the third order, as a result of which the delayed build-up of the magnetic field and magnetic force can be taken into account in the control concept.

Nach der Theorie der zeitoptimalen Regelung sind für ein System 3. Ordnung zwei Schaltpunkte zu bestimmen, wobei der erste Umschaltpunkt eine Funk­ tion aller drei Zustandsgrößen (und somit eine - bereits kurz ange­ sprochene - Schaltfläche) und der zweite Umschaltpunkt eine Funktion von zwei der drei Zustandsgrößen (und somit eine - ebenfalls bereits kurz erwähnte sog. - Schaltkurve) ist.According to the theory of time-optimal regulation are 3rd order for a system to determine two switching points, the first switching point being a radio tion of all three state variables (and thus one - already briefly spoken - button) and the second switching point a function of two of the three state variables (and thus one - also - also mentioned briefly - Switching curve).

Für die Anwendung der vorgeschlagenen zeitoptimalen Regelung ist außer­ dem zu berücksichtigen daß sich das System zu Beginn des Regelvorgan­ ges nicht in Ruhelage befindet, sondern bereits im Übergang aus der vorhe­ rigen Haltephase HP an der anderen, der jetzt den Anker 4d einfangenden gegenüberliegenden Spule (4b bzw. 4a).For the application of the proposed time-optimal control, it must also be taken into account that the system is not in the idle state at the beginning of the control process, but already in the transition from the previous holding phase HP to the other, which now catches the armature 4 d opposite coil ( 4 b or 4 a).

Daher ist zu berücksichtigen, daß die elektrische Spannung an der jetzt den Anker 4d einfangenden Spule während einer Flug-Bewegung des Ankers eingeschaltet wird.It must therefore be taken into account that the electrical voltage at the coil 4 d now catching the armature is switched on during a flight movement of the armature.

Die beigefügte und im folgenden erläuterte Fig. 3 zeigt die einzelnen Pha­ sen der zeitoptimalen Regelung während der Fangvorganges des Ankers 4d durch eine der beiden Spulen 4a, 4b bei einem System nach Fig. 1:
Jeweils über der Zeit t ist dabei im oberen Diagramm die an die den Anker einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Spannung U aufge­ tragen, während im unteren Diagramm die zugehörige Wegkoordinate z des Ankers 4d (=Ankerposition z) dargestellt ist. Im oberen Diagramm sind dabei die einzelnen erfindungsgemäßen Phasen, nämlich die Fangphase FP, die Bremsphase BP, und die Auftreffphase AP, an welche sich die übliche Hal­ tephase HP anschließt, gekennzeichnet.
. The attached and explained in the following Figure 3 shows the single pha se of the time-optimal control during the fishing operation of the armature 4 d by one of the two coils 4 a, 4 b for a system of Fig. 1:
In each case over the time t, the voltage U applied to the electromagnetic coil capturing the armature is carried up in the upper diagram, while the associated path coordinate z of the armature 4 d (= armature position z) is shown in the lower diagram. In the upper diagram, the individual phases according to the invention, namely the catching phase FP, the braking phase BP, and the impact phase AP, which are followed by the usual holding phase HP, are identified.

Was nun den Start der Fangphase FP zum Zeitpunkt t1 betrifft, zu welchem die den Anker einfangende Spule mit elektrischer Spannung U beaufschlagt wird, so kann dieser Einschaltzeitpunkt t1 grundsätzlich frei gewählt werden; es muß hierbei lediglich sichergestellt sein, daß der Anker 4d überhaupt noch eingefangen werden kann. Der Einfachheit halber wird hier vorge­ schlagen, daß die Spannung U dann eingeschaltet wird, wenn die Ankerpo­ sition z eine bestimmte, wählbare Schwelle (diese wird mit z1 bezeichnet) überschreitet. Grundsätzlich kann diese Schwelle z1 auch variabel sein, wo­ durch zusätzliche Randbedingungen wie z. B. unterschiedliche auf das zu bewegende Hubventil 1 einwirkende äußere Kräfte (wie insbesondere Gas­ kräfte) in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine berück­ sichtigt werden können.As far as the start of the capture phase FP at time t 1 is concerned, at which the coil capturing the armature is supplied with electrical voltage U, this switch-on time t 1 can in principle be chosen freely; it only has to be ensured that the anchor 4 d can still be captured at all. For the sake of simplicity, it will be suggested here that the voltage U is switched on when the Ankerpo position z exceeds a certain, selectable threshold (this is referred to as z 1 ). In principle, this threshold z 1 can also be variable, where additional conditions such as. Example, different to the force acting to lift valve 1 moving external forces (such as in particular gas forces) can be taken into into account in different operating points of the internal combustion engine.

Die sich an die Fangphase FP anschließende Bremsphase BP wird erfin­ dungsgemäß durch Abschalten der elektrischen Spannung U gestartet, so­ bald die Ankerposition z eine Schaltfläche z2 erreicht, die über den drei Zu­ standsgrößen Ankerposition z, Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers und Anker-Beschleunigung aufgespannt ist.The braking phase BP following the catching phase FP is started according to the invention by switching off the electrical voltage U as soon as the armature position z reaches a button z 2 which is spanned by the three state variables armature position z, movement speed of the armature and armature acceleration.

In Fig. 3 wurde versucht, diese Schaltfläche z2 im zugehörigen durch (z, , ) aufgespannten Zustandsraum ZR graphisch darstellen; diese Darstel­ lung befindet sich dabei zwischen dem U-t-Diagramm und dem z-t-Dia­ gramm und ist dem Zeitpunkt t2, zu welchem die Bremsphase BP ge­ startet wird, zugeordnet. Dabei sind in diesem Zustandsraum ZR drei mögli­ che Trajektorien T1, T2, T3, d. h. Bahnkurven, auf denen sich der Anker 4d bspw. bewegen kann, dargestellt.In FIG. 3 an attempt has been made to graphically represent this button z 2 in the associated state space ZR spanned by (z,,); this representation is located between the Ut diagram and the zt diagram and is associated with the time t 2 at which the braking phase BP is started. Three possible trajectories T 1 , T 2 , T 3 , ie trajectories on which the armature 4 d can move, for example, are shown in this state space ZR.

Sobald nun die jeweils zutreffende, d. h. aktuelle Trajektorie T1 (mit i=1, 2, 3, . . ., n) auf die Schaltfläche z2 im Zustandsraum ZR auftrifft (und zwar zum Zeitpunkt t2), so wird die elektrische Spannung U an der den Anker 4d einfangenden Spule 4a (oder 4b) abgeschaltet, d. h. auf den Wert "Null" re­ duziert. Dies hat zur Folge, daß der Anker 4d ausgehend von der jetzt aktu­ ellen Position z2 (er befindet sich nun zum Zeitpunkt t2 nämlich auf der Schaltfläche z2) nicht nur nicht weiter beschleunigt sondern aufgrund der unvermeidbaren Reibungs- und hier gewünschten Wirbelstrom-Verluste wie gewünscht abgebremst wird.As soon as the respectively applicable, ie current, trajectory T 1 (with i = 1, 2, 3,..., N) hits button z 2 in state space ZR (at time t 2 ), the electrical voltage becomes U switched off at the armature 4 d catching coil 4 a (or 4 b), ie reduced to the value "zero". This has the consequence that the armature 4 d not only does not accelerate further from the now current position z 2 (it is now at the time t 2 namely on the button z 2 ) but because of the inevitable friction and eddy current desired here - Losses are braked as desired.

Um letztendlich bei geringstmöglicher Zeitverzögerung ein möglichst sanftes bzw. weiches Auftreffen des Ankers 4d auf der ihn aktuell einfangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b zu erzielen, wird im Anschluß an die Bremsphase BP die sog. Auftreffphase AP gestartet, und zwar durch Wie­ der-Einschalten der elektrischen Spannung U in der betroffenen Spule 4a bzw. 4b. Dies erfolgt erfindungsgemäß zum Zeitpunkt t3, sobald die Anker­ position z eine in der Schaltfläche z2 liegende Schaltkurve z3 erreicht, die durch die beiden Zustandsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers und Anker-Beschleunigung definiert ist.In order to achieve the smoothest or softest possible impact of the armature 4 d on the electromagnetic coil 4 a or 4 b currently capturing it, with the least possible time delay, the so-called impact phase AP is started after the braking phase BP, namely by How to turn on the electrical voltage U in the coil 4 a or 4 b concerned. This takes place according to the invention at the time t 3 as soon as the armature position z reaches a switching curve z 3 which is located in the button z 2 and which is defined by the two state variables movement speed of the armature and armature acceleration.

Auch diese Schaltkurve z3 ist - dem Zeitpunkt t3 zugeordnet - im Zustands­ raum ZR inklusive möglicher Trajektorien T1, T2, T3, längs derer sich der An­ ker 4d in diesem Zustandsraum ZR auf der Schaltfläche z2 bewegen kann, dargestellt.This switching curve z 3 is also assigned to the time t 3 in the state space ZR including possible trajectories T 1 , T 2 , T 3 , along which the anchor 4 d can move in this state space ZR on the button z 2 .

Nachdem nun der Anker 4d sicher auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist bzw. an dieser anliegt, wird die bereits im be­ kannten Stand der Technik übliche Haltephase HP eingeleitet, und zwar durch Umschalten auf Haltestromregelung, was wie dargestellt durch eine getaktete Beaufschlagung der jeweiligen Spule 4a, 4b mit der (gleichwertigen) elektrischen Spannung U erfolgt.Now that the armature 4 d has safely hit the respective coil 4 a or 4 b it catches or bears against it, the holding phase HP, which is already known in the prior art, is initiated, namely by switching to holding current control, what how represented by a clocked application of the respective coil 4 a, 4 b with the (equivalent) electrical voltage U.

Die bislang hier beschriebene Ausführungsform des zeitoptimalen Reglers 10 als solcher einer dritten Ordnung ist die vorteilhafteste für die derzeit in Entwicklung befindlichen Aktuatoren 4 zur Betätigung von Brennkraftma­ schinen-Hubventilen 1. Es sind jedoch durchaus auch Varianten hiervon möglich:
So ist auch eine zeitoptimale Regelung zweiter Ordnung denkbar, insbeson­ dere wenn in einer künftigen Aktuatorkonstruktion das elektromagnetische Teilsystem deutlich schneller als das mechanische Teilsystem reagieren kann. Dann kann der Aktuator als System 2. Ordnung angenommen und die Reglerordnung entsprechend reduziert werden.
The embodiment of the time-optimal controller 10 described here as such of a third order is the most advantageous for the actuators 4 currently under development for actuating internal combustion engine lift valves 1 . However, variants of this are also possible:
Time-optimized second-order control is also conceivable, especially if the electromagnetic subsystem can react significantly faster than the mechanical subsystem in a future actuator design. Then the actuator can be assumed to be a 2nd order system and the controller order can be reduced accordingly.

Möglich ist aber auch eine zeitoptimale Regelung vierter Ordnung. Dies kann notwendig werden, falls in einer künftigen Aktuatorkonstruktion die Auswir­ kung der Wirbelströme im Anker oder in der Spule auf das dynamische Ver­ halten des Aktuators nicht vernachlässigt werden kann. Ferner ist eine zei­ toptimale Regelung fünfter Ordnung denkbar, falls in einer künftigen Aktua­ torkonstruktion die Auswirkung der Wirbelströme im Anker und in der Spule auf das dynamische Verhalten des Aktuators nicht vernachlässigt werden kann.However, fourth-order time-optimal regulation is also possible. This can become necessary if the effects in a future actuator design eddy currents in the armature or in the coil to the dynamic Ver holding the actuator can not be neglected. Furthermore, one time optimal fifth-order regulation conceivable, if in a future actua the effect of eddy currents in the armature and in the coil not be neglected on the dynamic behavior of the actuator can.

Schließlich ist auch noch eine "im wesentlichen zeitoptimale Regelung" mög­ lich, welche zwar nach der Theorie der Regelungstechnik keine "reine" zeit­ optimale Regelung darstellt, die jedoch die in den bisherigen und folgenden Erläuterungen enthaltenen Erkenntnisse nutzt, um die Endphasen-Be­ wegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators insbesondere für die Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Gaswechselventiles wie ge­ wünscht zu regeln, d. h. insbesondere die Anker-Auftreffgeschwindigkeit zu reduzieren.Finally, "essentially time-optimal regulation" is also possible Lich, which according to the theory of control engineering is not a "pure" time represents optimal regulation, which however in the previous and following Explanations contained insights uses to the final phase loading movement of an armature of an electromagnetic actuator in particular for the actuation of an internal combustion engine gas exchange valve as ge wishes to regulate, d. H. especially the anchor impact speed to reduce.

Wie aus der obigen ausführlichen Beschreibung der zeitoptimalen Regelung dritter Ordnung klar ersichtlich wird, ist diese (im wesentlichen) zeitoptimale Regelung in der Lage, irgendwelche Störungen auszugleichen, die auftreten, ehe die jeweilige Anker-Trajektorie T1, T2, T3 auf der Schaltfläche z2 auftrifft. As can be clearly seen from the above detailed description of the time-optimal control of the third order, this (essentially) time-optimal control is able to compensate for any disturbances that occur before the respective anchor trajectory T 1 , T 2 , T 3 on the Button z 2 hits.

Später auftretende Störungen können mit dieser relativ einfachen Grundform des Regelungskonzeptes jedoch nicht mehr korrigiert werden.Faults that occur later can be done with this relatively simple basic form of the regulatory concept, however, can no longer be corrected.

Um auch einen danach evtl. auftretenden Restfehler auszugleichen, kann die Annäherung des Ankers 4d an die jeweilige Spule 4a, 4b durch den be­ reits kurz erwähnten Zusatzregler 12 (vgl. Fig. 2) überwacht werden, wobei die Soll-Trajektorien T1 aus dem zeitoptimalen Regler 10 übernommen und im Zusatzregler 12 zeit- oder wegabhängig abgelegt werden können. Dabei ist je nach Größe des auftretenden Restfehlers eine Regelung alleinig in der Auftreffphase AP oder zusätzlich in der Bremsphase BP möglich.In order to compensate for any residual errors that may occur afterwards, the approach of the armature 4 d to the respective coil 4 a, 4 b can be monitored by the additional controller 12 (see FIG. 2) which has already been briefly mentioned, the target trajectories T 1 from the time-optimal controller 10 and can be stored in the additional controller 12 as a function of time or distance. Depending on the size of the residual error that occurs, regulation is possible only in the impact phase AP or additionally in the braking phase BP.

Im folgenden wird kurz ein in der Auftreffphase AP wirkender Zusatzreg­ ler 12 beschrieben. Für diesen sind die folgenden unterschiedlichen Ausfüh­ rungsformen möglich:
In Form eines klassischen Reglers (PI-, PD,- PID-Regler) erfolgt die Ausle­ gung des Zusatzreglers 12 bspw. anhand eines linearisierten Modelles des Aktuators 4 für die Endphase des Bewegungsablaufes des Ankers 4d. Es läßt sich jedoch zeigen, daß ein Aktuator wie der vorliegende mit einem klassischen Regler nicht vollständig steuerbar ist, d. h. es lassen sich keine beliebig kleinen Auftreffgeschwindigkeiten realisieren. Die tatsächlichen Auf­ treffgeschwindigkeiten hängen vom jeweiligen Aktuator, der Form der Soll-Tra­ jektorien und von den auftretenden Störkräften ab. Ein nicht zu unter­ schätzender Vorteil des klassischen Reglers ist hingegen seine einfache Realisierbarkeit.
In the following, an additional controller 12 acting in the impact phase AP is briefly described. The following different embodiments are possible for this:
In the form of a classic controller (PI, PD, PID controller), the additional controller 12 is designed, for example, using a linearized model of the actuator 4 for the final phase of the movement sequence of the armature 4 d. However, it can be shown that an actuator like the present one cannot be fully controlled with a classic controller, ie it is not possible to achieve impinging speeds of any desired value. The actual impact speeds depend on the respective actuator, the shape of the target trajectories and the interference forces that occur. An advantage of the classic controller that should not be underestimated, however, is its simple implementation.

In Form eines linearen Zustandsreglers erfolgt die Auslegung des Zusatz­ reglers 12 ebenfalls anhand eines linearisierten Modelles des Aktuators für die Endphase des Bewegungsablaufes. Als Entwurfsverfahren kommt z. B. die Polvorgabe in Betracht. Durch einen derartigen Zusatzregler 12 wird das gesamte System vollständig steuerbar, d. h. es lassen sich prinzipiell beliebig geringe Auftreffgeschwindigkeiten realisieren. Da die Auslegung auf einem linearen Ansatz basiert, der Aktuator aber ein stark nichtlineares Verhalten zeigt, ist die Robustheit des Reglers gegenüber veränderten Aktuatorver­ halten (Fertigungstoleranzen, Alterung) jedoch gering.In the form of a linear state controller, the additional controller 12 is also designed on the basis of a linearized model of the actuator for the end phase of the movement sequence. As a design process comes e.g. B. consider the pole specification. With such an additional controller 12 , the entire system can be completely controlled, ie, in principle, impingement speeds of any kind can be achieved. Since the design is based on a linear approach, but the actuator shows a strongly non-linear behavior, the robustness of the controller with regard to changed actuator behavior (manufacturing tolerances, aging) is low.

Weiterhin möglich ist ein nichtlinearer Zustandsregler für den Zusatzregler 12, durch welchen man eine erhöhte Robustheit erreicht, insbesondere wenn der Zustandsregler bevorzugt als "sliding mode control" ausgeführt wird. In einem derartigen "sliding mode controller" kann zusätzlich die Tatsache be­ rücksichtigt werden, daß die Leistungselektronik im getakteten Betrieb nur Stellsignale bestimmter Höhe umsetzen kann. Mit einer Auslegung nach dem "Sliding-mode-Prinzip" erhält man folgendes Stellgesetz:
A non-linear status controller for the additional controller 12 is also possible, by means of which increased robustness is achieved, in particular if the status controller is preferably designed as a "sliding mode control". In such a "sliding mode controller", the fact can also be taken into account that the power electronics can only implement control signals of a certain height in clocked operation. With a design according to the "sliding mode principle" one obtains the following law:

mit λ, Smin, Smax als applizierbaren Parametern. Dabei wird als Leistungs­ elektronik eine Brückenschaltung angenommen, die über Freilaufkreis (U=0) und Sperrkreis (U=Umin) verfügt. Hier kann nun für die zusätzliche Regelung der Auftreffphase AP die Schaltfläche z2(, ) des zeitoptimalen Reglers 10 als Sollwert für einen Dreipunktregler (Umin/0/Umax) verwendet werden, der die aktuelle Ankerposition z bei Auftreten einer zu starken Abweichung korri­ giert.with λ, S min , S max as applicable parameters. A bridge circuit is assumed as the power electronics, which has a freewheeling circuit (U = 0) and blocking circuit (U = U min ). For the additional control of the impingement phase AP, the button z 2 (,) of the time-optimal controller 10 can now be used as a setpoint for a three-point controller (U min / 0 / U max ), which corrects the current armature position z when an excessive deviation occurs yaws.

Im folgenden wird nun auf den eingangs der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles bereits kurz erwähnten Beobachter 11 (vgl. hierzu auch Fig. 2 sowie die im folgenden erläuterte Fig. 4) eingegangen:
Wie sich aus der bisherigen Beschreibung ergibt, benötigen sowohl der zeit­ optimale Regler 10 als auch der ggf. vorhandene Zusatzregler 12 für die Durchführung ihrer Funktion drei Zustandsgrößen und zwar bevorzugt die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleunigung . Grundsätzlich ist es möglich, diese Zustandsgrö­ ßen über geeignete Sensoren zu messen. Um jedoch Sensoren einzusparen oder kostspielige durch kostengünstige Sensoren zu ersetzen, können zu­ mindest zwei dieser Zustandsgrößen auch durch einen sog. Beobachter 11 rekonstruiert werden, der in Fig. 4 in einem Blockschaltbild dargestellt ist.
In the following, the observer 11 already briefly mentioned at the beginning of the description of the preferred embodiment (cf. also FIG. 2 and FIG. 4 explained below) will be discussed:
As is apparent from the foregoing description, both of the time-optimal controller 10 and the optionally present additional regulator 12 need to carry out their function three state variables, namely preferably z is the armature position, the moving speed of the armature 4 d and the armature acceleration . In principle, it is possible to measure these state variables using suitable sensors. However, in order to save sensors or to replace expensive sensors with inexpensive sensors, at least two of these state variables can also be reconstructed by a so-called observer 11 , who is shown in a block diagram in FIG. 4.

In diesem Beobachter 11 ist dem Aktuator 4 ein Aktuatormodell 114 parallel geschaltet, das mit derselben Eingangsgröße wie der Aktuator 4, nämlich mit der an die jeweilige Spule 4a, 4b angelegten Spannung U gespeist wird. Die auf dieser Basis geschätzte Ankerposition wird mit der tatsächlichen ge­ messenen Ankerposition z verglichen, und die Differenz hieraus (z-) wird über eine Korrekturfunktion 115 auf die Zustandsgrößen des Aktuatormo­ dells 114 zurückgekoppelt. Bei einem Modellfehler oder bei einer fehlerhafter Schätzung der Anfangszustände gleicht der Beobachter 11 aufgrund der Korrekturfunktion 115 die geschätzten Zustände den tatsächlichen Zustän­ den an. Die Auslegung der Korrekturfunktion 115 kann dabei durch ver­ schiedene Verfahren der linearen oder nichtlinearen Regelungstheorie erfol­ gen und soll hier nicht näher behandelt werden.In this observer 11 , the actuator 4 is connected in parallel with an actuator model 114 , which is fed with the same input variable as the actuator 4 , namely with the voltage U applied to the respective coil 4 a, 4 b. The anchor position estimated on this basis is compared with the actual measured anchor position z, and the difference therefrom (z-) is fed back via a correction function 115 to the state variables of the actuator model 114 . In the event of a model error or an incorrect estimate of the initial states, the observer 11 adjusts the estimated states to the actual states on the basis of the correction function 115 . The design of the correction function 115 can be carried out by various methods of linear or non-linear control theory and will not be dealt with in more detail here.

Im folgenden wird die bevorzugte Ausführungsform des Aktuatormodells 114 zur Ermittlung der geschätzten Ankerposition beschrieben. In diesem Ak­ tuatormodell 114 sind das mechanische und das elektromagnetische Ver­ halten des Aktuators 4 zu berücksichtigen. Die Mechanik läßt sich dabei durch einen Feder-Masse-Schwinger nachbilden, während das elektromag­ netische Verhalten über die Induktionsgleichung beschrieben wird, so daß sich folgendes Differentialgleichungssystem ergibt:
The preferred embodiment of the actuator model 114 for determining the estimated armature position is described below. In this actuator model 114 , the mechanical and electromagnetic behavior of the actuator 4 must be taken into account. The mechanics can be simulated by a spring-mass oscillator, while the electromagnetic behavior is described using the induction equation, so that the following system of differential equations results:

mit den folgenden Konstanten:
U: Spulenspannung
R: ohmscher Widerstand der Spule
I: Spulenstrom
N: Windungszahl der Spule
F: magnetischer Fluß
z: Ankerposition, Luftspalt
m: Summe der bewegten Massen
kfr: Reibungskoeffizient
ksp: Federkonstante
und den folgenden Kennfeldern
I = f1(Φ,z)
Fmag = f2(Φ,z)
wobei f1(Φ,z) und f2(Φ,z) aus Messungen oder Magnetfeldsimulationen zu bestimmen sind.
with the following constants:
U: coil voltage
R: ohmic resistance of the coil
I: coil current
N: number of turns of the coil
F: magnetic flux
z: anchor position, air gap
m: sum of the moving masses
k fr : coefficient of friction
k sp : spring constant
and the following maps
I = f 1 (Φ, z)
F mag = f 2 (Φ, z)
where f 1 (Φ, z) and f 2 (Φ, z) are to be determined from measurements or magnetic field simulations.

Vereinfachend können diese Beziehungen über ein magnetisches Netzwerk und dessen Kraftwirkung beschrieben werden:
To simplify, these relationships can be described via a magnetic network and its force effect:

mit A = Fläche senkrecht zum Fluß an der Grenzfläche zwischen Magnet­ spule und Luftspalt und
I = 1/N.(Φ,z).Φ
wobei der magnetische Widerstand sich für ein Netzwerk nach Fig. 5 zu berechnen ist.
with A = area perpendicular to the flux at the interface between the solenoid and the air gap and
I = 1 / N. (Φ, z) .Φ
the magnetic resistance being calculated for a network according to FIG. 5.

Wie bei den bislang beschriebenen Reglern 10, 12, so sind auch beim Ak­ tuatormodell 114 verschiedene Ausführungsformen möglich. Insbesondere kann anstelle des magnetischen Flusses Φ auch die Magnetkraft, der Spu­ lenstrom I oder die Ankerbeschleunigung verwendet werden. Wesentlich ist auch hier, das neben der Mechanik der verzögerte Aufbau von Magnet­ feld und Magnetkraft im Aktuatormodell 114 berücksichtigt wird. Wie beim Regler 10 bzw. 12 auch kann im übrigen auch beim Aktuatormodell 114 eine veränderte Aktuatorkonstruktion durch eine Anpassung der Modellordnung berücksichtigt werden.As with the controllers 10 , 12 described so far, different embodiments are also possible with the actuator model 114 . In particular, the magnetic force, the coil current I or the armature acceleration can be used instead of the magnetic flux verwendet. It is also important here that, in addition to the mechanics, the delayed build-up of magnetic field and magnetic force is taken into account in the actuator model 114 . As with the controller 10 or 12 , a modified actuator design can also be taken into account in the actuator model 114 by adapting the model order.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in das Regelungskonzept zumindest eine Zusatzfunktion integriert sein, nach welcher die Soll-Trajektorien des zeitoptimalen Reglers 10 nicht zu ei­ ner mit der mechanischen Endlage des Ankers 4d übereinstimmenden End­ lage des Reglers 10 führen, was im folgenden anhand dreier möglicher zu­ sätzlicher Funktionen näher beschrieben wird. Während nämlich nach den bisherigen Erläuterungen die sog. Soll-Trajektorien Ti so ausgelegt wurden, daß die mechanische Endlage des Ankers 4d, in welcher dieser an einer der beiden Spulen 4a, 4b des Aktuators 4 anliegt (und in der Haltephase HP hieran gehalten wird), mit der Endlage des (im wesentlichen) zeitoptimalen Reglers 10 übereinstimmt, ist auch eine davon abweichende Regelstrategie möglich. Das beschriebene (im wesentlichen) zeitoptimale Reglerprinzip läßt nämlich auch eine reglerspezifische Endlage zu, die sich von der mechani­ schen Endlage des Ankers 4d unterscheidet, so daß - im bevorzugten An­ wendungsfall als Aktuator zur Betätigung zumindest eines Brennkraftma­ schinen-Hubventiles 1 (vgl. nochmals Fig. 1) - quasi beliebige Zwischenposi­ tionen dieses Hubventiles 1 zwischen seinen beiden Endpositionen "Hub­ ventil vollständig offen" und "Hubventil geschlossen" quasi stationär einge­ stellt werden können.According to an advantageous further development of the method according to the invention, at least one additional function can be integrated in the control concept, according to which the target trajectories of the time-optimal controller 10 do not result in an end position of the controller 10 which corresponds to the mechanical end position of the armature 4 d, as follows is described in more detail using three possible additional functions. While, according to the previous explanations, the so-called target trajectories T i were designed so that the mechanical end position of the armature 4 d, in which it rests on one of the two coils 4 a, 4 b of the actuator 4 (and in the holding phase HP is held there), with the end position of the (essentially) time-optimal controller 10 , a control strategy deviating therefrom is also possible. The described (essentially) time-optimized controller principle allows namely a controller-specific end position, which differs from the mechanical end position of the armature 4 d, so that - in the preferred application as an actuator for actuating at least one internal combustion engine lift valve 1 (cf. again Fig. 1) - quasi any intermediate positions of this globe valve 1 between its two end positions "lift valve fully open" and "lift valve closed" can be quasi stationary.

Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß diese möglichen Zusatz­ funktionen (alleine oder kumuliert) nicht nur bei nach der klassischen Theorie der Regelungstechnik "reinen" zeitoptimalen Reglern anwendbar bzw. um­ setzbar sind, sondern auch bei "im wesentlichen zeitoptimalen Reglern", d. h. solchen, die die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Grundlagen nutzen. It should be expressly pointed out that this possible addition functions (alone or cumulative) not only in the classic theory the control technology "pure" time-optimal controllers applicable or around are settable, but also in "essentially time-optimal controllers", d. H. those based on the principles described in the present invention use.  

Nach einer ersten möglichen Zusatzfunktion kann somit eine sog. Schwebe­ position des Ankers 4d in einer fiktiven Endlage eingestellt werden, in wel­ cher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet bleibt. Somit wird anstelle der mechanischen Endlage des Ankers 4d beim Öffnen und/oder beim Schließen des Hubventiles 1 eine fiktive Endlage vor der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b angefah­ ren, und der Anker in dieser Zwischenposition durch einen Regler in der Schwebe gehalten. Da dann kein Auftreffen des Ankers 4d auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b stattfindet, wird hierdurch die Geräuschentwicklung erheb­ lich um ein weiteres reduziert.After a first possible additional function, a so-called floating position of the armature 4 d can be set in a fictitious end position, in which the armature 4 d remains at least slightly spaced from the coil 4 a or 4 b capturing it. Thus, instead of the mechanical end position of the armature 4 d when opening and / or closing the globe valve 1, a fictitious end position in front of the respective electromagnetic coil 4 a or 4 b is started, and the armature in this intermediate position by a regulator in suspension held. Since then no impingement of the armature 4 d on the respective coil 4 a or 4 b takes place, the noise is thereby significantly reduced Lich by another.

Ein derartiges Schweben des Ankers 4d und somit des Hubventiles 1 erfor­ dert jedoch eine vollständige Steuerbarkeit; d. h. der Regler der Schwebe­ phase muß daher ein linearer oder nichtlinearer Zustandsregler sein, wie dies bereits in Verbindung mit dem Zusatzregler 11 beschrieben wurde.Such floating of the armature 4 d and thus the globe valve 1, however, requires complete controllability; ie the regulator of the floating phase must therefore be a linear or non-linear state regulator, as has already been described in connection with the additional regulator 11 .

Nach einer zweiten möglichen Zusatzfunktion kann eine Schwebeposition des Ankers 4d in einer (anderen) fiktiven Endlage eingestellt werden, in wel­ cher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn zuvor freigebenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet bleibt. Somit wird bspw. bei einer Öffnungs­ bewegung des Hubventiles 1 nicht die Öffner-Spule 4b (vgl. hierzu nochmals Fig. 1), sondern eine fiktive Endlage des Ankers in der Nähe der Schließer-Spule 4a angefahren, die bspw. einem minimalen Ventilhub des Hubventiles 1 von ca. 1 mm bis 2 mm entspricht. Wird der Anker 4d und somit das Hub­ ventil 1 in einer derartigen Position in der Schwebe gehalten, so kann diese Funktion insbesondere bei einer Verwendung des Aktuators 4 zur Betätigung des Brennkraftmaschinen-Einlaßventiles zur verbesserten Gemischaufbe­ reitung und im Falle einer Betätigung des Brennkraftmaschinen-Auslaß­ ventiles zur Optimierung der Ladungsbewegung eingesetzt werden. According to a second possible additional function, a floating position of the armature 4 d can be set in a (different) fictitious end position, in which the armature 4 d remains at least slightly spaced from the coil 4 a or 4 b that previously released it. Thus, for example, with an opening movement of the lift valve 1, not the opening coil 4 b (cf. again Fig. 1), but a fictitious end position of the armature near the closing coil 4 a is approached, for example, a minimal Valve stroke of the lift valve 1 corresponds to approx. 1 mm to 2 mm. If the armature 4 d and thus the lifting valve 1 is held in such a position in suspension, this function can in particular when using the actuator 4 to actuate the internal combustion engine inlet valve for improved mixture preparation and in the event of actuation of the internal combustion engine outlet valves are used to optimize the charge movement.

Nach einer dritten möglichen Zusatzfunktion kann ein Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers 4d erfolgen, in welcher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a oder 4b beabstandet bleibt, wonach eine zweite Endlage angefahren wird, die der mechanischen Endla­ ge des Ankers 4d entspricht. Mit dieser Funktion ist quasi ein elektronischer Ventilspielausgleich im Hubventiltrieb einer Brennkraftmaschine möglich. Demzufolge wird bei einem Schließvorgang des Brennkraftmaschinen-Hub­ ventiles 1 zunächst eine erste Endlage des Ankers 4d angefahren, die dem Aufsetzen des Hubventils 1 auf seinem Ventilsitz entspricht. Anschlie­ ßend daran wird der Anker 4d in eine zweite Endlage gefahren, die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht. Beim Öffnen des Hubventils 1 wird dann eine erste Endlage entsprechend dem Ventilspiel angefahren und anschließend eine zweite Endlage, die der mechanischen Endlage des An­ kers 4d an der Öffner-Spule 4b entspricht. Statt der mechanischen Endlagen können hierbei im übrigen auch fiktive Endlagen angefahren werden.According to a third possible additional function, a first quasi-end position of the armature 4 d can be approached, in which the armature 4 d remains at least slightly spaced from the coil 4 a or 4 b capturing it, after which a second end position is approached which is mechanical End position of the armature 4 d corresponds. With this function, an electronic valve clearance compensation in the lift valve drive of an internal combustion engine is practically possible. Accordingly, in a closing operation of the engine lifting valve 1 , a first end position of the armature 4 d is first approached, which corresponds to the placement of the lifting valve 1 on its valve seat. Then the armature 4 d is moved into a second end position, which corresponds to its own mechanical end position. When opening the lift valve 1 , a first end position is then approached according to the valve clearance and then a second end position, which corresponds to the mechanical end position of the core 4 d on the break coil 4 b. Instead of the mechanical end positions, fictitious end positions can also be used.

Abschließend seien (nochmals) die signifikanten Vorteile des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, resultierend aus der Verwendung eines (zumindest im wesentlichen) zeitoptimalen Reglers 10 sowie ggf. der beschriebenen Zu­ satz-Elemente bzw. -Funktionen zusammengestellt:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht die Dar­ stellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b.
Finally, the significant advantages of the method according to the invention, resulting from the use of an (at least essentially) time-optimal controller 10 and, if appropriate, the described additional elements or functions are summarized:
The proposed complete state feedback enables the Dar position arbitrarily low impact speeds of the armature 4 d on the respective electromagnetic coil 4 a or 4 b.

Die unvermeidliche Verlängerung der Flugzeit durch die Bremsphase BP wird auf ein Minimum beschränkt. Der (im wesentlichen) zeitoptimale Regler 10 definiert das erreichbare Limit.The inevitable extension of the flight time by the braking phase BP is kept to a minimum. The (essentially) time-optimal controller 10 defines the achievable limit.

Der (im wesentlichen) zeitoptimale Regler 10 arbeitet mit minimaler Schalthäufigkeit; Umschaltverluste in der Leistungselektronik und elektroma­ gnetische Störfelder werden minimiert. The (essentially) time-optimal controller 10 operates with a minimum switching frequency; Switching losses in power electronics and electromagnetic interference fields are minimized.

Durch eine Zusatzregelung insbesondere in der Auftreffphase AP kann die Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen, Alterung und Störkräften (wie z. B. auf das Hubventil wirkende Gaskräfte) erhöht werden.Through an additional regulation, especially in the impact phase AP, the Robustness against manufacturing tolerances, aging and disturbing forces (such as e.g. B. acting on the globe valve gas forces) can be increased.

Eine weitere Steigerung der Robustheit wird durch eine Zusatzregelung in der Bremsphase BP erreicht.A further increase in robustness is provided by an additional regulation in the braking phase BP is reached.

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion des Schwebens, in welcher der Anker 4d eine Regler-Endlage einnimmt, die sich von der mechanischen Endlage unterscheidet, ermöglicht eine weitere Reduktion des Geräuschni­ veaus.The described possible additional function of floating, in which the armature 4 d assumes a controller end position, which differs from the mechanical end position, enables a further reduction in the noise level.

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion eines minimalen Ventilhubes des Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 ermöglicht eine verbesserte Ge­ mischaufbereitung und Ladungsbewegung in bzw. an der Brennkraftmaschi­ ne, ohne daß hierzu konstruktive Änderungen des Aktuators 4 erforderlich sind.The described possible additional function of a minimal valve lift of the internal combustion engine lift valve 1 enables improved mixing preparation and charge movement in or on the internal combustion engine ne, without this requiring structural changes to the actuator 4 .

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion des elektronischen Ventil­ spielausgleiches ermöglicht einen Spielausgleich am Brennkraftmaschinen-Hub­ ventil, ebenfalls ohne konstruktive Änderungen am Aktuator 4. Insbe­ sondere wird hiermit das in Fig. 1 noch dargestellte und mit der Bezugsziffer 3 bezeichnete hydraulische Ventilspielausgleichselement nicht mehr benö­ tigt.The described possible additional function of the electronic valve backlash compensation enables backlash compensation on the internal combustion engine valve, likewise without design changes to the actuator 4 . In particular, the hydraulic valve lash compensation element shown in FIG. 1 and designated by the reference number 3 is no longer required.

Ferner wird das Problem der Messung aller benötigten Zustandsgrößen durch den Einsatz des Beobachters 11 basierend auf den Meßgrößen Ven­ tilhub bzw. Ankerposition z und Spulenstrom I gelöst.Furthermore, the problem of measuring all the required state variables is solved by using the observer 11 based on the measured variables Ven tilhub or armature position z and coil current I.

Dabei sei abschließend noch darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Finally, it should be pointed out that a large number of Details quite different from the embodiment shown can be without leaving the content of the claims.  

BezugszeichenlisteReference list

11

Hubventil
Lift valve

22nd

a Ventilschließfeder = (erste) Rückstellfeder
a valve closing spring = (first) return spring

22nd

b Ventilöffnungsfeder = (zweite) Rückstellfeder
b Valve opening spring = (second) return spring

33rd

Ventilspielausgleichselement
Valve clearance compensation element

44th

Aktuator
Actuator

44th

a Elektromagnet-Spule = Schließer-Spule
a Electromagnetic coil = normally open coil

44th

b Elektromagnet-Spule = Öffner-Spule
b Electromagnetic coil = normally closed coil

44th

c Stößelstange
c Push rod

44th

d Anker
d anchor

1010th

zeitoptimaler Regler
time-optimal controller

1111

Beobachter
observer

114114

Aktuatormodell
Actuator model

115115

Korrekturfunktion
Correction function

1212th

Zusatzregler
AP Auftreffphase
BP Bremsphase
FP Fangphase
HP Haltephase
I Stromfluß in
Additional controller
AP impact phase
BP braking phase
FP catch phase
HP hold phase
I current flow in

44th

a, a,

44th

b
U elektrische Spannung an
b
U electrical voltage on

44th

a, a,

44th

b
Ti
b
T i

Soll-Trajektorie in ZR
ZR Zustandsraum
t Zeit
z Position des Ankers
Target trajectory in ZR
ZR state space
t time
z position of the anchor

44th

d = Wegkoordinate der Anker-Position
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers
d = path coordinate of the anchor position
Movement speed of the anchor

44th

d
Ankerbeschleunigung
z1
d
Anchor acceleration
z 1

Schwelle = Anker-Position zum Starten von FP
z2
Threshold = anchor position to start FP
z 2

Schaltfläche in ZR
z3
Button in ZR
z 3

Schaltkurve auf z2
Switching curve on z 2

Claims (9)

1. Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers (4d) eines elektromagnetischen Aktuators (4), insbesondere zur Betäti­ gung eines Gaswechsel-Hubventiles (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker (4d) oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (2a, 2b) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers (4d) an die zunächst bestromte Spule (4a oder 4b) während des so­ genannten Fangvorganges die an der den Anker (4d) einfangenden Spule (4a, 4b) anliegende elektrische Spannung (U) reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U) zunächst auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird, so daß sich an die Fangphase (FP) des Fangvorganges eine Bremsphase (BP) an­ schließt, und daß kurz vor dem Auftreffen des Ankers (4d) auf die Spule (4a, 4b) an diese wieder elektrische Spannung (U) angelegt und diese somit eingeschaltet wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte aus einer im wesentlichen zeit­ optimalen Regelung abgeleitet werden. 1. Control method for the end phase movement of an armature ( 4 d) of an electromagnetic actuator ( 4 ), in particular for the actuation of a gas exchange stroke valve ( 1 ) of an internal combustion engine, the armature ( 4 d) oscillating between two electromagnetic coils ( 4 a, 4 b) is moved against the force of at least one return spring ( 2 a, 2 b) by alternating energization of the electromagnet coils ( 4 a, 4 b), and with an approach of the armature ( 4 d) to the first energized coil ( 4 a or 4 b) during the so-called catching process, the electrical voltage (U) applied to the coil ( 4 a, 4 b) capturing the armature ( 4 d) is reduced, characterized in that the voltage (U) first reduced to the value "zero" and thus switched off, so that a braking phase (BP) closes at the catching phase (FP) of the catching process, and that shortly before the armature ( 4 d) hits the coil ( 4 a , 4 b) to this again electrical tension (U) and this is therefore switched on, the respective switching times being derived from an essentially optimal time control. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitoptimale Regelung dritter Ord­ nung zur Anwendung kommt.2. The method according to claim 1, characterized in that a time-optimal regulation of third order used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitoptimale Regelung zweiter Ordnung oder vierter Ordnung oder fünfter Ordnung zur Anwendung kommt.3. The method according to claim 1, characterized in that a time-optimal control second Order or fourth order or fifth order to apply is coming. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zeitoptimalen Regler (10) dritter Ordnung als Zustandsgrößen die Position des Ankers (z), des­ sen Bewegungsgeschwindigkeit () und die Anker-Beschleunigung () berücksichtigt werden.4. The method according to claim 2, characterized in that the position of the armature (z), the sen movement speed () and the armature acceleration () are taken into account as state variables in a time-optimal controller ( 10 ). 5. Verfahren nach einem Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Laufe einer Flug-Bewegung des An­ kers (4d) in Richtung zur ihn einfangenden Elektromagnet-Spule (4a, 4b)
  • - die Fangphase (FP) durch Beaufschlagen dieser Spule (4a, 4b) mit elektrischer Spannung (U) gestartet wird, sobald die Anker­ position (z) eine wählbare Schwelle (z1) erreicht,
  • - die sich daran anschließende Bremsphase (BP) durch Ab­ schalten der elektrischen Spannung (U) gestartet wird, sobald die Ankerposition (z) eine Schaltfläche (z2) erreicht, die über den drei Zustandsgrößen Ankerposition (z), Bewegungsge­ schwindigkeit () des Ankers und Anker-Beschleunigung () aufgespannt ist,
  • - die sich daran anschließende Auftreffphase (AP) durch Wieder-Einschalten der elektrischen Spannung (U) gestartet wird, so­ bald die Ankerposition (z) eine in der Schaltfläche (z2) liegende Schaltkurve (z3) erreicht, die durch die beiden Zustandsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit () des Ankers und Anker-Beschleunigung () definiert ist,
  • - die sich daran anschließende Haltephase (HP) durch Um­ schalten auf Haltestromregelung gestartet wird, sobald der An­ ker (4d) sicher an der ihn einfangenden Elektromagnet-Spule (4a, 4b) anliegt.
5. The method according to any one of claims 2 or 4, characterized in that in the course of a flight movement of the core ( 4 d) towards the electromagnet coil capturing it ( 4 a, 4 b)
  • - The catching phase (FP) is started by loading this coil ( 4 a, 4 b) with electrical voltage (U) as soon as the anchor position (z) reaches a selectable threshold (z 1 ),
  • - The subsequent braking phase (BP) is started by switching off the electrical voltage (U) as soon as the armature position (z) reaches a button (z 2 ) that is above the three state variables armature position (z), speed of movement () Anchor and anchor acceleration () is spanned,
  • - The subsequent impact phase (AP) is started by switching the electrical voltage (U) on again as soon as the armature position (z) reaches a switching curve (z 3 ) located in the button (z 2 ), which is determined by the two state variables Movement speed () of the armature and armature acceleration () is defined,
  • - The subsequent holding phase (HP) by switching to holding current control is started as soon as the armature ( 4 d) is securely connected to the electromagnet coil ( 4 a, 4 b) capturing it.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zeitoptimalen Regler (10) ein Zu­ satzregler (12) nebengeordnet ist, der die Annäherung des Ankers (4d) an die ihn einfangende Spule (4a, 4b) überwacht, in welchem die Soll-Trajektorien (Ti) aus dem zeitoptimalen Regler (10) übernommen und zeit- oder wegabhängig abgelegt werden, und der eine zusätzli­ che Regelung insbesondere in der Auftreffphase (AP) vornimmt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time-optimal controller ( 10 ) to a set controller ( 12 ) is secondary, which monitors the approach of the armature ( 4 d) to the coil capturing it ( 4 a, 4 b) , in which the target trajectories (T i ) are taken from the time-optimal controller ( 10 ) and stored as a function of time or distance, and which performs an additional regulation, in particular in the impact phase (AP). 7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Regler (10,12) benötigten Zu­ standsgrößen durch einen Beobachter (11) rekonstruiert werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the state variables required by the controller ( 10 , 12 ) are reconstructed by an observer ( 11 ). 8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Zusatzfunktion integriert ist, nach welcher die Soll-Trajektorien (Ti) des zeitoptimalen Reglers (10) nicht zu einer mit der mechanischen Endlage des Ankers (4d) übereinstimmenden Endlage des Reglers (10) führen. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one additional function is integrated, according to which the target trajectories (T i ) of the time-optimal controller ( 10 ) does not correspond to an end position corresponding to the mechanical end position of the armature ( 4 d) of the controller ( 10 ). 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zusatzfunktion zumindest eine der folgenden Funktionen erzeugbar ist:
  • - eine Schwebeposition des Ankers (4d) in einer fiktiven Endlage, in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule (4a, 4b) beabstandet bleibt,
  • - eine Schwebeposition des Ankers (4d) in einer fiktiven Endlage, in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn zuvor freigebenden Spule (4b, 4a) beabstandet bleibt,
  • - ein Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers (4d), in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn ein­ fangenden Spule (4a, 4b) beabstandet bleibt, und ein sich dar­ an anschließende Anfahren einer zweiten Endlage, die der me­ chanischen Endlage des Ankers (4d) entspricht.
9. The method according to claim 8, characterized in that at least one of the following functions can be generated by the additional function:
  • a floating position of the armature ( 4 d) in a fictitious end position, in which the armature ( 4 d) remains at least slightly spaced from the coil ( 4 a, 4 b) capturing it,
  • a floating position of the armature ( 4 d) in a fictitious end position, in which the armature ( 4 d) remains at least slightly spaced from the coil ( 4 b, 4 a) that previously released it,
  • - Moving to a first quasi-end position of the armature ( 4 d), in which the armature ( 4 d) remains at least slightly spaced from the coil ( 4 a, 4 b) catching it, and then moving to a second one End position that corresponds to the mechanical end position of the armature ( 4 d).
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