DE19834548B4 - Method for controlling the movement of an armature of an electromagnetic actuator - Google Patents

Method for controlling the movement of an armature of an electromagnetic actuator Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung 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 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 sogenannten Beobachter (1) unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit (z .) des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung (z ..) 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...Method for controlling the movement of an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a gas exchange stroke valve of an internal combustion engine, wherein the armature oscillating between two solenoid coils is moved in each case against the force of at least one return spring by alternating energization of the solenoid coils,
and wherein with an approximation of the armature to the coil initially energized during the so-called capture process applied to the armature capturing the coil electrical voltage (U), taking recourse to measured values for the currently detected anchor position (z) and for in the trapping coil determined current flow (I) is reduced regulated,
for which are determined from these determined measured values (z, I) via a so-called observer (1) using recourse to a mathematical model estimated values for the movement speed (z.) of the armature as well as for the armature acceleration (z ..),
characterized in that the observer (1) as an extended Kalman filter with constant gain (K) is executed, which in addition to the said detected measured values (z, I) in addition to the ...

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 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 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 The invention relates to a motion control method for a person Armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a Gas exchange lift valves of an internal combustion engine, wherein the armature oscillating between two solenoid coils respectively against the Force of at least one return spring is moved by alternating energization of the solenoid coils, and wherein with a approach the anchor to the first energized coil during the so-called catching the at the anchor catching coil applied electrical voltage using current readings detected anchor position and for the detected in the trapping coil Regulated current flow is reduced, for which purpose from these measured values over a so-called observer under recourse on a mathematical model estimates of the movement speed of the anchor as well as for the anchor acceleration be determined.

Aus der DE 195 44 207 A1 ist ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktuatoren bekannt. Hierbei wird unter anderem erläutert, die Ankergeschwindigkeit des Aktuators entsprechend einer Sollkurvenvorgabe einzustellen, um auf diese Weise eine Verringerung des Kontaktprellens zu erzielen.From the DE 195 44 207 A1 is a method for model-based measurement and control of movements of electromagnetic actuators known. Here, among other things, it is explained to adjust the armature speed of the actuator according to a target curve specification, in order to achieve a reduction of the contact bounce in this way.

Aus der DE 196 15 542 A1 ist eine Motorlastbestimmungseinrichtung bekannt, die einen Kalman-Filter aufweist.From the DE 196 15 542 A1 An engine load determination device is known which has a Kalman filter.

Zum technischen Umfeld wird ferner neben der DE 195 30 121 A1 insbesondere auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 198 32 198 A1 verwiesen. Dabei baut die vorliegende Patentanmeldung inhaltlich vollständig 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, vielmehr werden in diesem Zusammenhang die gleichen Begriffe wie in der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung verwendet.The technical environment is also next to the DE 195 30 121 A1 in particular to the non-prepublished German patent application DE 198 32 198 A1 directed. The content of the present patent application is based entirely on the facts or subject matter described in German patent application 198 32 198.8. In the present patent application, therefore, the technological background is not explained in detail, but in this context, the same terms as in the aforementioned non-prepublished patent application are used.

Kurz zusammengefaßt betrifft die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 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 sogenannten 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.Short summarized concerns the non-pre-published German Patent Application 198 32 198.8 a control method for the end-phase movement of an anchor an electromagnetic actuator, in particular for actuating a gas exchange valve an internal combustion engine. This is done with an approximation of Anchor to the catching him coil applied to the latter electric Voltage regulated reduced, whereby an electronic here so-called. Actuator control unit also signals from a so-called observer receives and processed, in addition to the position of the anchor whose current speed of movement as well as its current acceleration to reflect this regulatory process as required carry out to be able to.

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 Brennkraftmaschine) 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 Differenzieren die Werte für die Anker-Geschwindigkeit sowie die Anker- Beschleunigung abgeleitet werden, jedoch ist dies in der Praxis nicht durchführbar, weil die so gewonnenen Signale mit starkem Rauschen behaftet sind oder einen starken zeitlichen Verzug aufweisen.The for the required regulation for the Stroke or position as well as for the speed and acceleration of the armature can thereby not all are detected with the help of suitable sensors, because the cost for such Sensors for a mass production of the Actuators are too high and it due to the limited space (For example, in an internal combustion engine) is not possible, such sensors as well as the required power supply and control lines between this actuator and the electronic Actuator control unit accommodate. In fact, it is measured only the hub, i. the current position of the armature in the actuator. For this lifting signal could theoretically by temporally differentiating the values for the anchor speed as well as the anchor acceleration However, this is not feasible in practice, because the signals thus obtained are subject to strong noise or have a strong time delay.

Ebenfalls in der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 198 32 198 A1 wird daher vorgeschlagen, im Beobachter ein mathematisches Modell zu implementieren, welches aus den tatsächlich vorhandenen Meßwerten, 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 said non-prepublished patent application DE 198 32 198 A1 It is therefore proposed to implement in the observer a mathematical model which determines estimated values for the movement speed of the armature as well as for the armature acceleration from the actually existing measured values, namely the armature position and the current flow in the trapping coil.

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 vorliegenden Erfindung.a advantageous such observer show or such To train observers in the way that with these these estimates fast and possible can be reliably determined is the object 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 this object is characterized in that the observer as an extended Kalman filter with constant amplification is executed, which in addition to the stated measured values (namely anchor position and current flow in the catching coil) additionally the voltage applied to the trapping coil voltage U processed.

Die gewünschten Größen, nämlich die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Ankers soll somit mit Hilfe eines erweiterten Kalman-Filters auf der Basis eines Aktuatormodells aus den vorhandenen (festgestellten) Meßwerten 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 variables, namely the speed and the acceleration of the armature should thus be calculated with the aid of an extended Kalman filter on the basis of an actuator model from the existing (determined) measured values. The expert in control engineering is basically aware of a Kalman filter; For the present application case is an extended Kalman filters are proposed because the underlying system is a nonlinear system, whereas 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 dementsprechend leicht über eine Differentialgleichung 2. Ordnung dargestellt werden. Der elektrische Teil des Modells besteht aus einer elektrischen Spule, gewickelt 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.For the design of the extended Kalman filter thus becomes a physical model based on 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 therefore easily over a differential equation of the second order can be represented. The electric Part of the model consists of an electric coil, wound around a ferromagnetic yoke, and an armature, so that the coil a stroke-dependent and magnetflußabhängige inductance has. This will - like already indicated - that System to a high degree nonlinear.

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 Ausgangsgleichungen für die Meßwerte benötigt, die entweder analytisch oder numerisch bestimmt 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 ermittelten Schätzwerte gegen die tatsächlichen Werte von Anker-Geschwindigkeit und Anker-Beschleunigung oder zumindest zu einem genügend kleinen 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.The Modeling and implementation of the nonlinear electrical Part happens preferably over Maps and / or tables. For the design of the extended Kalman filter will be added to the Model also derivatives (so-called Jacobi matrices) of the model and initial equations for the measured values needed which must be determined either analytically or numerically. at The design of the Kalman filter is then calculated using the so-called Kalman gain. This has to be done in such a way that a corresponding feed-in of the measured values for the armature position as well as for the Coil current in the observer to a convergence of the herein determined estimates against the actual Values of anchor velocity and anchor acceleration or at least to a sufficient small estimation error leads. This has to be done with extremely short computing time and is thereby made sure that next the measured values for anchor position and coil current additionally the size of the the trapping coil processes applied electrical voltage becomes.

Grundsätzlich kann die Kalman-Verstärkung selbst als Funktion der Schätzwerte 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 amplification itself as a function of the estimates or as a function of time (this is a linearized Kalman filter) being represented. The desired estimate can be calculated very quickly However, if the Kalman filter operates with constant gain, then observers So if it is an extended Kalman filter with a constant reinforcement is.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, wobei in der beigefügten einzigen Figur neben einem Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Beobachters das den im folgenden erläuterten Zusammenhängen zugrunde gelegte mathematische Modell des elektromagnetischen Aktuators dargestellt ist.It will be explained in more detail the invention with reference to a preferred embodiment, wherein in the attached single figure next to a block diagram of the observer according to the invention that explained in the following cohere underlying mathematical model of the electromagnetic actuator is shown.

Dabei werden zunächst die in dieser Beschreibung durchgängig verwendeten Bezeichnungen für die einzelnen physikalischen bzw. allgemein relevanten Größen definiert:

  • z: (Wegkoordinate der) Anker-Position
  • z . = v: Geschwindigkeit des Ankers
  • z ..: 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 charakterisiert, so bspw. die Magnetkraft Fmag, oder der Strom I oder der magnetische Fluß Φ
First, the terms used throughout this description for the individual physical or generally relevant quantities are defined:
  • z: (path coordinate of) anchor position
  • for example = v: velocity of the anchor
  • z ..: acceleration of the anchor
  • U: electrical voltage at the armature catching coil
  • I: electric current in the armature catching coil
  • 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 magnetic coil
  • Θ: This generally refers to a physical quantity that uniquely characterizes the state of the active magnet coil, such as 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 Wegkoordinate 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 each nonlinear functions of the magnetic flux Φ and the path coordinate z, which are generally determined numerically and can be stored in the electronic actuator control unit as a map ,

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: x = [Θ, v, z]
  • x ^: 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
Furthermore, the following reference numbers and terms are used in this description:
  • 1 : Observer (or block diagram of it)
  • 2 : Actuator model (or block diagram of it)
  • 2 ' : Image of 2
  • (A) - (E) equations of state
  • f, g, h: different mathematical functions
  • x: vector for the characterization of the actuator state, here: x = [Θ, v, z]
  • x ^: estimated value for x, determined by the observer
  • y: vector of the detected measured values: y = [z, I]
  • K: constant reinforcement of the as observer 1 for use with the Kalman filter

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 Rechenaufwand erfordern.Around now the for the regulation of the armature movement in the electromagnetic actuator such explained at the beginning Being able to develop required observers becomes a mathematical one Model of this actuator needed which will be explained in more detail below becomes. This mathematical model is intended to be implemented in the electronic Aktuatuor control unit preferably be easy and one as possible require little computational 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 Ioslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule berücksichtigt werden. Der Einfluß der dieser Ioslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule gegenüberliegende Magnet-Spule, welche den Anker vor der aktuell zu regelnden Ankerbewegung festgehalten hatte, kann somit vernachlässigt werden, da der magnetische Fluß hierin zum aktuellen Regelungszeitpunkt noch nicht aufgebaut bzw. nahezu vollständig abgebaut ist.As regulated with said electronic Aktuatuor control unit only the Anfangsspphase and / or the final phase of the armature movement If you want to, you have to take into account only the influence of the magnet coil that is currently releasing or catching the armature. The influence of the magnet coil located opposite this latching or trapping magnetic coil, which had held the armature in front of the armature movement currently to be controlled, can thus be neglected, since the magnetic flux is not yet built up or nearly completely degraded at the current control time ,

Aufbauend auf dieser Erkenntnis läßt sich der gesamte Aktuator somit bspw. durch das folgende Gleichungssystem beschreiben, wobei diese Gleichungen im weiteren auch als Zustandsgleichungen des Aktuators bezeichnet werden: Θ . = g(z, z ., Θ) (A) v . = 1m ·Fmag·(Φ, z) – d·v – ω2·z (B) z . = v (C) Based on this finding, the entire actuator can thus be described, for example, by the following equation system, these equations also being referred to as equation of state of the actuator in the following: Θ. = g (z, z, Θ) (A) v. = 1 m · F like · (Φ, z) - d · v - ω 2 · Z (B) for example = v (C)

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 Aktuators. 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.there gives the exact form of the mathematical function g in the Equation of state (A) from the individual choice of size Θ and the detailed one physical properties of the electromagnetic actuator. This mathematical function g is usually numerical Calculations determined and may be in the electronic actuator control unit in the form be stored by maps or tables.

Bei der Formulierung dieser Zustandsgleichungen (A), (B), (C) ist es im übrigen 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 Implementation und die Arbeitsweise des hier als erweitertes Kalman-Filter ausgeführten Beobachters zur Schätzung der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung z .. des Ankers zu erläutern.at It is the formulation of these equations of state (A), (B), (C) Furthermore not absolutely necessary to choose the form indicated here. These is only considered representative in the following example for a representation with state differential equations used to the function as well as the implementation and operation of the here as an extended Kalman filter executed observer to estimate the Speed v and the acceleration z .. of the anchor to explain.

Die hier gewählten Variablen Θ, v, z zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes werden dann zu einem hier drei Komponenten besitzenden Vektor x zusammengefaßt.The chosen here Variables Θ, v, z for characterizing the actuator state then become a three-component vector x summarized here.

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: x . = f(x, U) (D) y = h(x) (E) If one continues to reduce the right-hand side of the equations of state (A), (B), (C) with f (x, U) and combines the observed values I and z into a vector y = h (x), one obtains the following abbreviated representation of the equations of state: x. = f (x, U) (D) y = h (x) (E)

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 ebenfalls 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 realen Aktuator auch tatsächlich feststellbaren Meßwerte I und z.The resulting block diagram of the mathematical actuator model is shown in the attached figure with the reference numeral 2 designated. As can be seen, this mathematical actuator model has (also with the reference numeral 2 denotes a single variable input, namely the voltage applied to the active magnet coil U. The only output of this actuator model 2 is the vector y, ie, the actual actuator also actually detectable measured values I and z.

In der elektronischen Aktuator-Steuereinheit ist dieses mathematische Aktuatormodell 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 x ^ für den Vektor x ermittelt.In the electronic actuator control unit is this mathematical actuator model 2 of course not implemented as shown here, since here the actuator, by this actuator model 2 is reproduced in reality. Instead, an actuator (implemented in the attached figure with the reference numeral 1 designated) observer 1 , by this actuator model 2 from the applied to the real active magnetic coil voltage U an estimated value x ^ determined for the vector x.

Damit der Beobachter 1 diese Funktion erfüllen kann, ist in diesem Beobachter 1 ein Abbild 2' dieses mathematischen Aktuatormodelles 2 implementiert. Dabei ist dieser Beobachter 1 wie dargestellt als ein erweitertes Kalman-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.Thus the observer 1 can fulfill this function is in this observer 1 an image 2 ' this mathematical actuator model 2 implemented. It is this observer 1 As shown, it is designed as an extended Kalman filter with a constant gain K, which processes the electrical voltage U applied to the trapping coil in addition to the already established measured values z, I.

Wie aus dem in der beigefügten Figur dargestellten Blockschaltbild ersichtlich 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 accompanying figure, this observer receives 1 a first input signal in the form of the actual actuator (here represented by the actuator model 2 ) and further a second input signal in the form of the actual actuator (here represented by the actuator model 2 ) measured value vector y = [z, I].

Das einzige Ausgangssignal dieses Beobachters 1 ist dann (wie gewünscht) der Schätzwert

Figure 00090001
für den Vektor x zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes.The only output signal from this observer 1 is then (as desired) the estimate
Figure 00090001
for the vector x for characterizing the actuator state.

Dieses Blockschaltbild des Beobachters 1 ist soweit selbst erklärend, so daß im folgenden lediglich noch die Entwurfsgleichungen (ebenfalls in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispieles) für das erweiterte Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung angegeben werden:
Für den Schätzwert x ^ gilt die folgende Differentialgleichung:

Figure 00090002
This block diagram of the observer 1 is so far self-explanatory, so that in the following only the design equations (also in the form of a preferred embodiment) are given for the extended Kalman filter with constant gain:
For the estimated value x ^ the following differential equation applies:
Figure 00090002

Ferner ist die folgende algebraische Riccati-Gleichung zu lösen: (M + αL)P + P(MT + αL) – PNTR–1NP + Q = 0,mit der Linearisierung: M = ∂f/∂x(x, U) und N = ∂h/∂x(x).Furthermore, the following algebraic Riccati equation is to be solved: (M + αL) P + P (M T + αL) - PN T R -1 NP + Q = 0, with the linearization: M = ∂f / ∂x ( x . U ) and N = ∂h / ∂x ( x ).

Dabei bezeichnen x, U konstante Werte der Zustands- bzw. Eingangsgrößen, an denen diese Linearisierung berechnet wird.Designate x . U Constant values of the state or input variables 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 bezeichnet. M und N sind Jacobi-Matrizen und werden über die partiellen Ableitungen von f und h nach x berechnet. α ≥ 0 ist eine nichtnegative reelle Konstante. Das hochgestellte „T" bedeutet Matrixtransposition, das hochgestellte „–1" Matrixinversion.The Sizes M, N, L, K, P, Q, R are matrices, where Q and R are any positive ones Matrices selected can be and L denotes the unit matrix. M and N are Jacobi matrices and will be over the partial derivatives of f and h are calculated according to x. α ≥ 0 is one non-negative real constant. The superscript "T" means matrix transposition superscript "-1" matrix inversion.

Hiermit ergibt sich dann die Kalman-Verstärkung K wie folgt: K = PNTR–1. This then gives the Kalman gain K as follows: K = PN T R -1 ,

Insgesamt liegen die Vorteile des hier dargestellten Verfahrens in einer genauen und insbesondere schnellen Schätzung der für die eingangs genannte Regelung zur Bewegungssteuerung eine Aktuator-Ankers erforderlichen physikalischen Größen. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details der vorliegenden Beschreibung durchaus abweichend hiervon gestaltet sein, ohne den Inhalt des Patentanspruches zu verlassen.All in all The advantages of the method presented here are accurate and especially fast estimate the for the initially mentioned control for motion control an actuator armature required physical quantities. there can Of course a variety of details of the present description certainly deviating from this, without the content of the claim to leave.

Claims (1)

Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung 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 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 sogenannten Beobachter (1) unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit (z .) des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung (z ..) 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) verarbeitet.Method for controlling the movement of an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a gas exchange stroke valve of an internal combustion engine, wherein the armature oscillating between two solenoid coils is moved against the force of at least one return spring by alternating energization of the solenoid coils, and wherein with a Approach of the armature to the initially energized coil during the so-called trapping the voltage applied to the armature catching coil electrical voltage (U), taking recourse to measured values for the currently detected armature position (z) and for the detected in the trapping coil current flow (I. ) is reduced, for which purpose from these measured values (z, I) via a so-called observer ( 1 ) using a mathematical model, estimated values for the movement speed (z.) of the armature and for the armature acceleration (z ..) are determined, characterized in that the observer ( 1 ) is designed as an extended Kalman filter with constant gain (K), which in addition to said detected measured values (z, I) additionally processes the electrical voltage (U) applied to the trapping coil.
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