DE19834548A1 - Movement control of armature of electromagnetic actuator, such as GAS change valve of IC engine, with armature oscillating between two electromagnet coils - Google Patents

Movement control of armature of electromagnetic actuator, such as GAS change valve of IC engine, with armature oscillating between two electromagnet coils

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Abstract

The observer is in the form of an extended Kalman filter with constant amplifying (K), processing the voltage applied to the attracting coil, in addition to the above mentioned measure values. The armature oscillates under AC against a force of resetting spring(s). At the proximity of the armature to the next current receiving coil, the voltage (U) at the armature attracting coil is controllably reduced with consideration of measured values for actual armature position and current flow (i) at the coil. For this purpose from such measured values, estimated values for the armature motion velocity and its acceleration are determined via a so called observer (1) and a mathematical model. The observer is in the form of an extended Kalman filter with constant amplifying (K), processing the voltage applied to the attracting coil, in addition to the above mentioned measure values.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillie­ rend 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 zu­ nächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung unter Rückgriff auf Meßwerte für die aktuell festgestellte Anker-Position sowie für den in der einfangenden Spule festgestellten Stromfluß geregelt reduziert wird, wozu aus diesen festgestellten Meßwerten über einen sogenannten Beobachter unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sowie für die Anker- Beschleunigung ermittelt werden.The invention relates to a method for motion control for an anchor an electromagnetic actuator, in particular for actuating a Gas exchange stroke valves of an internal combustion engine, the armature oscillating rend between two solenoid coils each against the force at least a return spring by alternating energization of the electromagnetic Coils is moved, and with an approach of the armature to the next energized coil during the so-called catching process the voltage applied to the armature catching coil Recourse to measured values for the currently determined anchor position and for the current flow detected in the catching coil is reduced in a controlled manner is what from these measured values determined via a so-called Observer using a mathematical model estimates for the speed of movement of the anchor as well as for the anchor Acceleration can be determined.

Zum technischen Umfeld wird neben der DE 195 30 121 A1 insbesondere auf die nicht vorveröffentlichten deutsche Patentanmeldung 198 32 198.8 verwiesen. Dabei baut die vorliegende Patentanmeldung inhaltlich vollstän­ dig auf dem in der deutschen Patentanmeldung 198 32 198.8 beschriebenen Sachverhalt bzw. Gegenstand auf. In der vorliegenden Patentanmeldung wird daher der technologische Hintergrund nicht ausführlich erläutert, viel­ mehr werden in diesem Zusammenhang die gleichen Begriffe wie in der ge­ nannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung verwendet.In addition to DE 195 30 121 A1, the technical environment in particular to the unpublished German patent application 198 32 198.8  referred. The content of this patent application is complete dig on the one described in German patent application 198 32 198.8 Facts or subject. In the present patent application the technological background is therefore not explained in detail, much more in this context the same terms as in the ge called unpublished patent application used.

Kurz zusammengefaßt betrifft die nicht vorveröffentlichte deutsche Pa­ tentanmeldung 198 32 198.8 ein Regelungsverfahren für die Endphasen- Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Brennkraftmaschine. Dabei wird mit einer Annäherung des Ankers an die ihn einfangende Spule die an letzterer angelegte elektrische Spannung geregelt reduziert, wobei eine elektronische hier sog. Aktuator-Regeleinheit auch Signale von einem soge­ nannten Beobachter empfängt und verarbeitet, die neben der Position des Ankers dessen aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit sowie dessen aktuelle Beschleunigung wiedergeben, um diesen Regelungsprozess wie gewünscht durchführen zu können.Briefly summarized concerns the unpublished German Pa tent registration 198 32 198.8 a regulatory procedure for the final phase Movement of an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a gas exchange valve of an internal combustion engine. Here is approached with an approach of the armature to the coil catching it the latter applied regulated reduced electrical voltage, one electronic here so-called actuator control unit also signals from a so-called named observer receives and processes, in addition to the position of the Ankers whose current speed of movement and its current Play acceleration to complete this regulatory process as desired to be able to perform.

Die für die genannte Regelung benötigten Werte für den Hub bzw. Position sowie für die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers können dabei nicht alle mit Hilfe geeigneter Sensoren erfaßt werden, weil die Kosten für derartige Sensoren für eine Großserienausführung des Aktuators zu hoch sind und es aufgrund des beschränkten Bauraumes (bspw. in einer Brenn­ kraftmaschine) nicht möglich ist, derartige Sensoren sowie die benötigten Stromversorgungs- und Steuerleitungen zwischen diesem Aktuator und der elektronischen Aktuator-Regeleinheit unterzubringen. Tatsächlich gemessen wird demzufolge lediglich der Hub, d. h. die aktuelle Position des Ankers im Aktuator. Aus diesem Hubsignal könnten theoretisch durch zeitliches Diffe­ renzieren die Werte für die Anker-Geschwindigkeit sowie die Anker- Beschleunigung abgeleitet werden, jedoch ist dies in der Praxis nicht durch­ führbar, weil die so gewonnenen Signale mit starkem Rauschen behaftet sind oder einen starken zeitlichen Verzug aufweisen.The values for the stroke or position required for the control mentioned as well as for the speed and acceleration of the anchor not all can be detected with the help of suitable sensors because the cost of Such sensors are too high for a large-scale version of the actuator and it is due to the limited installation space (e.g. in a distillery motor) is not possible, such sensors and the required Power supply and control lines between this actuator and the to accommodate electronic actuator control unit. Actually measured consequently, only the stroke, i.e. H. the current position of the anchor in Actuator. From this stroke signal could theoretically differ by time limit the values for the anchor speed and the anchor  Acceleration can be derived, however, in practice this is not due feasible because the signals obtained in this way have a lot of noise are or have a long time delay.

Ebenfalls in der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 198 32 198.8 wird daher vorgeschlagen, im Beobachter ein mathematisches Modell zu implementieren, welches aus den tatsächlich vorhandenen Meß­ werten, nämlich der Anker-Position und dem Stromfluß in der einfangenden Spule Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung ermittelt.Also in the aforementioned unpublished patent application 198 32 198.8 is therefore proposed, in the observer a mathematical one Implement model, which from the actually existing measuring values, namely the anchor position and the current flow in the capturing Coil estimates for the speed of movement of the armature and for the armature acceleration is determined.

Einen vorteilhaften derartigen Beobachter aufzuzeigen bzw. einen solchen Beobachter in der Weise weiterzubilden, daß mit diesem diese Schätzwerte schnell und möglichst sicher ermittelt werden können, ist Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung.To show an advantageous observer of this type or such To train observers in such a way that these estimates can be used with this can be determined quickly and as safely as possible, is the task of the present invention.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachter als ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung ausgeführt ist, welches neben den genannten festgestellten Meßwerten (nämlich Anker- Position und Stromfluß in der einfangenden Spule) zusätzlich die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung U verarbeitet.The solution to this problem is characterized in that the observer is designed as an extended Kalman filter with constant gain, which, in addition to the stated measured values (namely anchor Position and current flow in the capturing coil) additionally to the capturing coil applied electrical voltage U processed.

Die gewünschten Größen, nämlich die Geschwindigkeit und die Beschleuni­ gung des Ankers soll somit mit Hilfe eines erweiterten Kalman-Filters auf der Basis eines Aktuatormodells aus den vorhandenen (festgestellten) Meßwer­ ten errechnet werden. Dabei ist dem Fachmann für Regelungstechnik ein Kalman-Filter grundsätzlich bekannt; für den vorliegenden Anwendungsfall wird dabei ein erweitertes Kalman-Filter vorgeschlagen, weil es sich beim zugrundeliegenden System um ein nichtlineares System handelt, während ein einfaches Kalman-Filter nur für lineare Systeme geeignet ist. The desired sizes, namely the speed and the acceleration The anchor should therefore be placed on the with the help of an extended Kalman filter Basis of an actuator model from the existing (determined) measured values can be calculated. The specialist for control engineering is a Basically known Kalman filter; for the present application an extended Kalman filter is proposed because it is the underlying system is a nonlinear system, while a simple Kalman filter is only suitable for linear systems.  

Für den Entwurf des erweiterten Kalman-Filters wird somit ein physikalisches Modell des Aktuators zugrunde gelegt, welches aus einem mechanischen Teil und einem elektrischen Teil besteht. Der mechanische Teil des Modells besteht aus einem Feder-Masse-Dämpfer-System und kann dementspre­ chend leicht über eine Differentialgleichung 2. Ordnung dargestellt werden. Der elektrische Teil des Modells besteht aus einer elektrischen Spule, ge­ wickelt um ein ferromagnetisches Joch, und einem Anker, so daß die Spule eine hubabhängige und magnetflußabhängige Induktivität besitzt. Hierdurch wird - wie bereits angedeutet - das System in einem hohen Maße nichtlinear.A physical is thus used for the design of the extended Kalman filter Model of the actuator, which consists of a mechanical Part and an electrical part. The mechanical part of the model consists of a spring-mass damper system and can accordingly be easily represented by a 2nd order differential equation. The electrical part of the model consists of an electrical coil, ge wraps around a ferromagnetic yoke, and an armature, so that the coil has a stroke-dependent and magnetic flux-dependent inductance. Hereby As already indicated, the system becomes highly non-linear.

Die Modellbildung und Implementation des nichtlinearen elektrischen Teils geschieht bevorzugt über Kennfelder und/oder Tabellen. Für den Entwurf des erweiterten Kalman-Filters werden zusätzlich zum Modell auch noch Ableitungen (sog. Jacobi-Matrizen) von den Modell- und Ausgangsgleichun­ gen für die Meßwerte benötigt, die entweder analytisch oder numerisch be­ stimmt werden müssen. Bei dem Entwurf des Kalman-Filters wird dann die sog. Kalman-Verstärkung berechnet. Dies hat derart zu erfolgen, daß eine entsprechende Einspeisung der Meßwerte für die Anker-Position sowie für den Spulen-Strom in den Beobachter zu einer Konvergenz der hierin ermit­ telten Schätzwerte gegen die tatsächlichen Werte von Anker-Geschwin­ digkeit und Anker-Beschleunigung oder zumindest zu einem genügend klei­ nen Schätzfehler führt. Dies hat bei extrem kurzer Rechenzeit zu erfolgen und wird dadurch sichergestellt, daß neben den Meßwerten für Anker- Position und Spulen-Strom zusätzlich die Größe der an die einfangende Spule angelegten elektrischen Spannung verarbeitet wird.Modeling and implementation of the nonlinear electrical part is preferably done via maps and / or tables. For the design of the extended Kalman filter are in addition to the model Derivatives (so-called Jacobi matrices) from the model and initial equations conditions for the measured values that are either analytical or numerical must be agreed. When designing the Kalman filter, the so-called Kalman gain calculated. This has to be done in such a way that a corresponding feeding of the measured values for the anchor position and for the coil current into the observer to converge which is determined herein estimated values against the actual values of Anker-Geschwin speed and anchor acceleration or at least to a sufficiently small size leads to an estimation error. This has to be done with an extremely short computing time and is thereby ensured that in addition to the measured values for anchor Position and coil current are also the size of the capturing Coil applied electrical voltage is processed.

Grundsätzlich kann die Kalman-Verstärkung selbst als Funktion der Schätz­ werte oder als Funktion der Zeit (hierbei handelt es sich um ein linearisiertes Kalman-Filter) dargestellt werden. Besonders schnell errechenbar ist die ge­ wünschte Abschätzung im Beobachter jedoch dann, wenn das Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung arbeitet, wenn es sich also um ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung handelt.Basically, the Kalman gain itself can be a function of the estimate values or as a function of time (this is a linearized Kalman filter). The ge can be calculated particularly quickly  desired estimation in the observer, however, if the Kalman filter works with constant gain, if it is an extended one Kalman filter with constant gain.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispieles, wobei in der beigefügten einzigen Figur neben einem Block­ schaltbild des erfindungsgemäßen Beobachters das den im folgenden er­ läuterten Zusammenhängen zugrunde gelegte mathematische Modell des elektromagnetischen Aktuators dargestellt ist.The invention is explained in more detail with reference to a preferred embodiment example, being in the attached single figure next to a block circuit diagram of the observer according to the invention he the following explained the underlying mathematical model of the electromagnetic actuator is shown.

Dabei werden zunächst die in dieser Beschreibung durchgängig verwende­ ten Bezeichnungen für die einzelnen physikalischen bzw. allgemein rele­ vanten Größen definiert:
z: (Wegkoordinate der) Anker-Position
= v: Geschwindigkeit des Ankers
: Beschleunigung des Ankers
U: elektrische Spannung an der den Anker einfangenden Spule
I: elektrischer Strom in der den Anker einfangenden Spule
m: Masse des durch den Aktuator gebildeten Feder-Masse- Schwingers
ω: Eigenfrequenz dieses Feder-Masse-Schwingers
d: Dämpfungskonstante dieses Feder-Masse-Schwingers
Fmag: Magnetkraft der aktiven Magnet-Spule
Φ: magnetischer Fluß in der aktiven Magnet-Spule
Θ: Hiermit wird allgemein eine physikalische Größe bezeichnet, die den Zustand der aktiven Magnetspule eindeutig charakteri­ siert, so bspw. die Magnetkraft Fmag, oder der Strom I oder der magnetische Fluß Φ First, the terms used throughout this description are defined for the individual physical or generally relevant variables:
z: (path coordinate of) anchor position
= v: speed of the anchor
: Acceleration of the armature
U: electrical voltage at the coil capturing the armature
I: electric current in the coil catching the armature
m: mass of the spring-mass oscillator formed by the actuator
ω: natural frequency of this spring-mass oscillator
d: damping constant of this spring-mass oscillator
F mag : magnetic force of the active magnet coil
Φ: magnetic flux in the active magnet coil
Θ: This is generally used to denote a physical quantity that uniquely characterizes the state of the active magnet coil, for example the magnetic force F mag , or the current I or the magnetic flux Φ

Sowohl der Strom I = I(Θ, z) als auch die magnetische Kraft Fmag sind dabei jeweils nichtlineare Funktionen des magnetischen Flusses Φ und der Weg­ koordinate z, die im allgemeinen numerisch bestimmt werden und in der elektronischen Aktuator-Regeleinheit als Kennfeld abgelegt werden können.Both the current I = I (Θ, z) and the magnetic force F mag are in each case nonlinear functions of the magnetic flux Φ and the path coordinate z, which are generally determined numerically and are stored in the electronic actuator control unit as a map can.

Weiterhin werden in dieser Beschreibung noch die folgenden Bezugsziffern und Bezeichnungen verwendet:
1: Beobachter (bzw. Blockschaltbild hiervon)
2: Aktuator-Modell (bzw. Blockschaltbild hiervon)
2': Abbild von 2
(A)-(E) Zustandsgleichungen
f, g, h: unterschiedliche mathematische Funktionen
x: Vektor zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes, hier:
The following reference numbers and designations are also used in this description:
1 : Observer (or block diagram thereof)
2 : actuator model (or block diagram thereof)
2 ': image of 2
(A) - (E) equations of state
f, g, h: different mathematical functions
x: vector for characterizing the actuator state, here:

x = [Θ, v, z]
x = [Θ, v, z]

: Schätzwert für x, vom Beobachter ermittelt
y: Vektor der festgestellten Meßwerte: y = [z, I]
K: konstante Verstärkung des als Beobachter 1 zum Einsatz kommenden Kalman-Filters: Estimated value for x, determined by the observer
y: vector of the measured values determined: y = [z, I]
K: constant gain of the Kalman filter used as observer 1

Um nun den für die Regelung der Ankerbewegung im elektromagnetischen Aktuator wie eingangs erläutert erforderlichen Beobachter entwickeln zu können, wird ein mathematisches Modell dieses Aktuators benötigt, welches im folgenden genauer erläutert wird. Dieses mathematische Modell soll im Hinblick auf eine Implementation in der elektronischen Aktuatuor- Regeleinheit möglichst einfach sein und einen möglichst geringen Rechen­ aufwand erfordern.In order to regulate the armature movement in the electromagnetic Actuator as described at the beginning develop necessary observers a mathematical model of this actuator is required, which is explained in more detail below. This mathematical model is intended in With regard to an implementation in the electronic actuator Control unit should be as simple as possible and the least possible rake require effort.

Da mit der genannten elektronischen Aktuatuor-Regeleinheit lediglich die Anfangspphase und/oder die Endphase der Ankerbewegung geregelt wer­ den soll, muß auch nur der Einfluß der den Anker aktuell loslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule berücksichtigt werden. Der Einfluß der dieser loslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule gegenüberliegende Magnet- Spule, welche den Anker vor der aktuell zu regelnden Ankerbewegung fest­ gehalten hatte, kann somit vernachlässigt werden, da der magnetische Fluß hierin zum aktuellen Regelungszeitpunkt noch nicht aufgebaut bzw. nahezu vollständig abgebaut ist.Because with the electronic actuator control unit mentioned only the Whoever regulates the initial phase and / or the final phase of the anchor movement  only the influence of the anchor currently releasing or capturing magnet coil are taken into account. The influence of this releasing or catching magnet coil opposite magnet Coil, which fixes the anchor before the currently to be controlled anchor movement had held, can thus be neglected because of the magnetic flux not yet built up or almost here at the current time of regulation is completely degraded.

Aufbauend auf dieser Erkenntnis läßt sich der gesamte Aktuator somit bspw. durch das folgende Gleichungssystem beschreiben, wobei diese Gleichun­ gen im weiteren auch als Zustandsgleichungen des Aktuators bezeichnet werden:
Building on this knowledge, the entire actuator can thus be described, for example, by the following system of equations, these equations also being referred to below as state equations of the actuator:

(A) = g (z, , Θ)
(B) = 1/m . Fmag . (Φ, z) - d . v - ω2 . z
(C) = v(A) = g (z,, Θ)
(B) = 1 / m. F likes . (Φ, z) - d. v - ω 2 . e.g.
(C) = v

Dabei ergibt sich die genaue Form der mathematischen Funktion g in der Zustandsgleichung (A) aus der individuellen Wahl der Größe Θ und den detaillierten physikalischen Eigenschaften des elektromagnetischen Aktua­ tors. Diese mathematische Funktion g wird in der Regel durch numerische Berechnungen bestimmt und kann in der elektronischen Aktuator- Regeleinheit in Form von Kennfeldern oder Tabellen abgelegt sein.This gives the exact form of the mathematical function g in the State equation (A) from the individual choice of the size Θ and the detailed physical properties of the electromagnetic actuator tors. This mathematical function g is usually given by numerical Determines calculations and can be done in the electronic actuator Control unit in the form of maps or tables.

Bei der Formulierung dieser Zustandsgleichungen (A), (B), (C) ist es im übri­ gen nicht zwingend notwendig, die hier angegebene Form zu wählen. Diese wird im folgenden nur als repräsentatives Beispiel für eine Darstellung mit Zustands-Differentialgleichungen benutzt, um die Funktion sowie die Imple­ mentation und die Arbeitsweise des hier als erweitertes Kalman-Filter aus­ geführten Beobachters zur Schätzung der Geschwindigkeit v und der Be­ schleunigung des Ankers zu erläutern. It is otherwise when formulating these equations of state (A), (B), (C) It is not absolutely necessary to choose the form specified here. These is used in the following only as a representative example of a representation State differential equations used to perform the function as well as the imple mentation and how it works here as an extended Kalman filter guided observer to estimate the speed v and the Be to explain the acceleration of the anchor.  

Die hier gewählten Variablen Θ, v, z zur Charakterisierung des Aktuatorzu­ standes werden dann zu einem hier drei Komponenten besitzenden Vektor x zusammengefaßt.The variables Θ, v, z selected here to characterize the actuator then become a vector x having three components here summarized.

Kürzt man weiterhin die rechte Seite der Zustandsgleichungen (A), (B), (C) mit f(x, U) ab und faßt die festgestellten Meßwerte I und z zu einem Vektor y = h(x) zusammen, so erhält man die folgende abgekürzte Darstellung der Zustandsgleichungen:
If you shorten the right side of the equations of state (A), (B), (C) with f (x, U) and combine the measured values I and z into a vector y = h (x), you get the the following abbreviated representation of the equations of state:

(D) = f(x, U)
(E) y = h(x)(D) = f (x, U)
(E) y = h (x)

Das sich damit ergebende Blockschaltbild des mathematischen Aktuator- Modelles ist in der beigefügten Figur mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet. Wie ersichtlich besitzt dieses mathematische Aktuatormodell (im weiteren eben­ falls mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet) eine einzige variable Eingangsgröße, nämlich die an die aktive Magnet-Spule angelegte Spannung U. Die einzige Ausgangsgröße dieses Aktuatormodelles 2 ist der Vektor y, d. h. die am rea­ len Aktuator auch tatsächlich feststellbaren Meßwerte I und z.The resulting block diagram of the mathematical actuator model is designated by the reference number 2 in the attached figure. As can be seen, this mathematical actuator model (hereinafter also referred to by reference number 2 ) has a single variable input variable, namely the voltage U applied to the active magnet coil. The only output variable of this actuator model 2 is the vector y, that is to say the real one Actuator actually detectable measured values I and z.

In der elektronischen Aktuator-Steuereinheit ist dieses mathematische Ak­ tuatormodell 2 so wie hier dargestellt selbstverständlich nicht implementiert, da hier der Aktuator, der durch dieses Aktuatormodell 2 wiedergegeben wird, in der Realität vorhanden ist. Implementiert ist in der Aktuator-Steuereinheit vielmehr ein (in der beigefügten Figur mit der Bezugsziffer 1 bezeichneter) Beobachter 1, der anhand dieses Aktuatormodelles 2 aus der an die reale aktive Magnet-Spule angelegten Spannung U einen Schätzwert für den Vektor x ermittelt. Of course, this mathematical actuator model 2, as shown here, is not implemented in the electronic actuator control unit, since here the actuator represented by this actuator model 2 is present in reality. Controller actuator (in the accompanying figure by the reference numeral 1 designated) observer 1, the voltage applied based on this Aktuatormodelles 2 from the active to the real magnetic coil voltage U is implemented in the rather x determines an estimate of the vector.

Damit der Beobachter 1 diese Funktion erfüllen kann, ist in diesem Beob­ achter 1 ein Abbild 2' dieses mathematischen Aktuatormodelles 2 implemen­ tiert. Dabei ist dieser Beobachter 1 wie dargestellt als ein erweitertes Kal­ man-Filter mit einer konstanten Verstärkung K ausgebildet, welches neben den bereits genannten festgestellten Meßwerten z, I die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung U verarbeitet.So that the observer 1 can fulfill this function, an image 2 'of this mathematical actuator model 2 is implemented in this observer 1 . As shown, this observer 1 is designed as an extended Kalman filter with a constant gain K, which, in addition to the measured values z, I already mentioned, processes the electrical voltage U applied to the capturing coil.

Wie aus dem in der beigefügten Figur dargestellten Blockschaltbild ersicht­ lich wird, erhält dieser Beobachter 1 ein erstes Eingangssignal in Form der an den tatsächlichen Aktuator (hier repräsentiert durch das Aktuatormodell 2) angelegten Spannung U und ferner ein zweites Eingangssignal in Form des am tatsächlichen Aktuator (hier repräsentiert durch das Aktuatormodell 2) festzustellenden Meßwert-Vektors y = [z, I].As can be seen from the block diagram shown in the attached figure, this observer 1 receives a first input signal in the form of the voltage U applied to the actual actuator (represented here by the actuator model 2 ) and also a second input signal in the form of the actual actuator ( represented here by the actuator model 2 ) measured value vector y = [z, I].

Das einzige Ausgangssignal dieses Beobachters 1 ist dann (wie gewünscht) der Schätzwert für den Vektor x zur Charakterisierung des Aktuatorzu­ standes.The only output signal of this observer 1 is then (as desired) the estimate for the vector x to characterize the Aktuatorzu state.

Dieses Blockschaltbild des Beobachters 1 ist soweit selbst erklärend, so daß im folgenden lediglich noch die Entwurfsgleichungen (ebenfalls in Form ei­ nes bevorzugten Ausführungsbeispieles) für das erweiterte Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung angegeben werden:This block diagram of the observer 1 is self-explanatory so far that only the design equations (also in the form of a preferred exemplary embodiment) for the extended Kalman filter with constant gain are given below:

Für den Schätzwert gilt die folgende Differentialgleichung:
The following differential equation applies to the estimate:

= f(, U) + K . (y-h())
= f (, U) + K. (yh ())

Ferner ist die folgende algebraische Riccati-Gleichung zu lösen:
The following algebraic Riccati equation must also be solved:

(M + αL)P + P(MT + αL) - PNTR-1NP + Q = 0,
(M + αL) P + P (M T + αL) - PN T R -1 NP + Q = 0,

mit der Linearisierung: M = ∂f/∂x(x, U) und N = ∂h/∂x(x).with the linearization: M = ∂f / ∂x (x, U) and N = ∂h / ∂x (x).

Dabei bezeichnen x, U konstante Werte der Zustands- bzw. Eingangsgrö­ ßen, an denen diese Linearisierung berechnet wird. X, U denote constant values of the state or input variable at which this linearization is calculated.  

Die Größen M, N, L, K, P, Q, R sind Matrizen, wobei Q und R als beliebige positive Matrizen gewählt werden können und L die Einheitsmatrix bezeich­ net. M und N sind Jacobi-Matrizen und werden über die partiellen Ableitun­ gen von f und h nach x berechnet. α ≧ 0 ist eine nichtnegative reelle Kon­ stante. Das hochgestellte "T" bedeutet Matrixtransposition, das hochgestellte "-1" Matrixinversion.The sizes M, N, L, K, P, Q, R are matrices, with Q and R as any positive matrices can be selected and L denotes the unit matrix net. M and N are Jacobi matrices and are derived from the partial derivatives gene from f and h to x. α ≧ 0 is a non-negative real con aunt. The superscript "T" means matrix transposition, the superscript "-1" matrix inversion.

Hiermit ergibt sich dann die Kalman-Verstärkung K wie folgt:
This then gives the Kalman gain K as follows:

K = PNTR-1.K = PN T R -1 .

Insgesamt liegen die Vorteile des hier dargestellten Verfahrens in einer ge­ nauen und insbesondere schnellen Schätzung der für die eingangs ge­ nannte Regelung zur Bewegungssteuerung eines Aktuator-Ankers erforderli­ chen physikalischen Größen. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details der vorliegenden Beschreibung durchaus abweichend hiervon gestaltet sein, ohne den Inhalt des Patentanspruches zu verlassen.Overall, the advantages of the method shown here lie in a ge accurate and in particular quick estimate of the ge for the beginning called regulation for motion control of an actuator armature required physical quantities. Of course, many can deviating from the details of the present description be designed without leaving the content of the claim.

Claims (1)

Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektroma­ gnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswech­ sel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine,
wobei der Anker oszillie­ rend 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 be­ stromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung (U) unter Rückgriff auf Meßwerte für die aktuell festgestellte Anker- Position (z) sowie für den in der einfangenden Spule festgestellten Stromfluß (I) geregelt reduziert wird, wozu aus diesen festgestellten Meßwerten (z, I) über einen soge­ nannten Beobachter (1) unter Rückgriff auf ein mathematisches Mo­ dell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit () des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung () ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachter (1) als ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung (K) ausgeführt ist, welches neben den genannten festgestellten Meßwerten (z, I) zusätzlich die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung (U) verarbei­ tet.Method of motion control for an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a gas exchange selector valve of an internal combustion engine,
wherein the armature oscillating between two electromagnetic coils is moved against the force of at least one return spring by alternating energization of the electromagnetic coils,
and with an approach of the armature to the coil, which is initially energized, during the so-called catching process, the electrical voltage (U) applied to the coil capturing the armature, using measurement values for the currently determined armature position (z) and for the one in the capturing Coil determined current flow (I) is reduced in a controlled manner, for which purpose these measured values (z, I) are used by a so-called observer ( 1 ) using a mathematical model to estimate the movement speed () of the armature and the armature acceleration ( ) can be determined, characterized in that the observer ( 1 ) is designed as an extended Kalman filter with constant gain (K) which, in addition to the stated measured values (z, I), also the electrical voltage (U ) processed.
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