DE19852230B4 - Method for determining the position of an armature oscillating between two magnetic coils - Google Patents

Method for determining the position of an armature oscillating between two magnetic coils Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Position eines zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Ankers, insbesondere eines solchen, der ein Brennkraftmaschinen-Hubventil betätigt, mittels eines an die Bewegung des Ankers gekoppelten Wegaufnehmers, der wegabhängig ein elektrisches Spannungssignal abgibt, dabei jedoch die beiden möglichen Endlagen des Ankers nicht voneinander unterscheiden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Wegaufnehmers zusätzlich in eine die Geschwindigkeit des Ankers vorzeichenbehaftet ermittelnde elektronische Auswerteeinheit eingespeist wird, so daß aus dem Vorzeichen der Anker-Geschwindigkeit feststellbar ist, welcher der beiden Endlagen sich der Anker nähert, wobei anhand der elektrischen Spannungssignale des Wegaufnehmers die Ankerposition zumindest bereichsweise mittels einer in einer elektronischen Auswerteeinheit abgelegten Kennlinie ermittelt wird, während in den Endlagen ein elektronischer Abgleich des Wegaufnehmer-Signales mit der physikalischen Anker-Endlage vorgenommen wird.method to determine the position of one oscillating between two magnetic coils moving armature, in particular such, which is an internal combustion engine globe valve actuated, by means of a displacement transducer coupled to the movement of the armature, the path-dependent emits an electrical voltage signal, but the two potential End positions of the armature can not differ from each other, thereby characterized in that Signal of the transducer in addition in a the speed of the anchor signed determining electronic evaluation unit is fed so that from the Sign of the anchor speed is detectable, which of the both end positions the anchor is approaching, being based on the electrical voltage signals of the transducer the anchor position at least partially by means of a in a electronic evaluation unit stored characteristic curve is determined, while in the end positions an electronic adjustment of the position transducer signal with the physical armature end position is made.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Ankers, insbesondere eines solchen, der ein Brennkraftmaschinen-Hubventil betätigt, mittels eines an die Bewegung des Ankers gekoppelten Wegaufnehmers, der wegabhängig ein elektrisches Spannungssignal abgibt, dabei jedoch die beiden möglichen Endlagen des Ankers nicht exakt voneinander unterscheiden kann.The The invention relates to a method for determining the position of a between two magnetic coils oscillating armature, in particular a such that actuates an engine lift valve by means of a coupled to the movement of the armature transducer, the depending on the path electrical voltage signal outputs, but the two possible End positions of the anchor can not be exactly different from each other.

Aus der DE 38 07 278 A1 ist ein Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Magnetventilen und eine Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Dabei wird bei einem herkömmlichen Magnetventil während eines Arbeitsspiels der Erregerstrom des Betätigungsmagneten über der Zeit als Messfunktion erfasst und hieraus die Änderung des Erregerstroms als Kontrollfunktion über der Zeit abgeleitet und zum Vergleich mit Folgemessungen am gleichen Magnetventil abgespeichert. Die Messanordnung ist derart ausgebildet, dass bei Verwendung nur einer Spule einem logarithmischen Verstärker eine Rechenschaltung zur Vorzeichenumkehr eines Teils des Messsignals vorgeschaltet ist.From the DE 38 07 278 A1 a method for the safety inspection of solenoid valves and a measuring arrangement for carrying out the method is known. In this case, in a conventional solenoid valve during a cycle the energizing current of the actuating magnet over time as a measuring function detected and derived from the change of the excitation current as a control function over time and stored for comparison with subsequent measurements on the same solenoid valve. The measuring arrangement is designed such that, when only one coil is used, a logarithmic amplifier is preceded by an arithmetic circuit for reversing the sign of a part of the measuring signal.

Des Weiteren ist aus der DE 37 31 984 A1 ein Verfahren zur adaptiven Stellregelung bei elektro-mechanischen Antrieben bekannt. Dabei wird bei einem adaptiven, modellgestützten Stellregler mit Reibungskompensation vorgeschlagen, zur Vermeidung des bei jedem Vorzeichenwechsel in der Bewegung des angetriebenen Gliedes auftretenden Einschwingvorgang des Beobachters diesen durch einen nichtlinearen Beobachter zu ersetzen. Der Betrag der Reibkraft wird dann vorzeichenrichtig zur Reibungskompensation auf den Ausgang des Stellreglers geschaltet, wobei das Vorzeichen aus Strecken- oder Beobachtergrößen gewonnen wird.Furthermore, from the DE 37 31 984 A1 a method for adaptive control in electro-mechanical drives known. It is proposed in an adaptive, model-based control with friction compensation, to avoid the occurring at each sign change in the movement of the driven member transient process of the observer to replace it with a non-linear observer. The amount of frictional force is then connected with the correct sign for frictional compensation to the output of the actuator, the sign is obtained from distance or observer sizes.

Die nachveröffentlichte DE 197 39 840 A1 beschreibt eine elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Stellvorrichtung, wobei die Stellvorrichtung mit einem Wegsensor verbunden ist und die Geschwindigkeit des Stellorgans gesteuert wird. Eine Anpassung des Regel- und Steuerverhaltens kann durch regelmäßig, automatisch durchgeführte Kalibrierschritte in den Endlagen des Ankers an den Polflächen des Elektromagneten erfolgen.The post-published DE 197 39 840 A1 describes an electromagnetically operable actuator and a method of operating the actuator, wherein the actuator is connected to a displacement sensor and the speed of the actuator is controlled. An adaptation of the control and regulating behavior can be carried out by regular, automatically performed calibration steps in the end positions of the armature on the pole faces of the electromagnet.

Zum technischen Umfeld wird neben der DE 197 06 106 A1 auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 198 34 548 A1 verwiesen.The technical environment is next to the DE 197 06 106 A1 to the non-prepublished German patent application DE 198 34 548 A1 directed.

Beispielsweise in Verbindung mit der Betätigung der den Ladungswechsel einer Brennkraftmaschine steuernden Hubventile durch sog. elektromagnetische Aktuatoren ist es besonders vorteilhaft, die jeweils aktuelle Position des oszillierend bewegten Hubventiles bzw. des dieses betätigenden, zwischen den beiden Magnetspulen des elektromagnetischen Aktuators oszillierend bewegten Ankers zu kennen. Damit ist es nämlich möglich, durch eine ge eignete Bestromung der Aktuator-Magnetspulen den Anker bzw. das Hubventil in einer gewünschten Weise zu betätigen.For example in connection with the operation the charge cycle of an internal combustion engine controlling lift valves by so-called electromagnetic actuators, it is particularly advantageous the current position of the oscillating lifting valve or of this, between the two solenoids of the electromagnetic actuator to know oscillating moving anchor. Thus it is possible by a ge suitable energization of the actuator solenoids the anchor or the lift valve in a desired Way to operate.

Zur Ermittlung der jeweils aktuellen Ankerposition kann dabei ein an sich bekannter Wegaufnehmer zum Einsatz kommen, der – angekoppelt an die Bewegung bspw. des Ankers – wegabhängig ein elektrisches Spannungssignal abgibt. Ein Beispiel für einen derartigen Wegaufnehmer bzw. Sensor, der auf Basis des magnetoresistiven Effektes arbeitet, ist in der eingangs erstgenannten DE 197 06 106 A1 gezeigt.To determine the respective current armature position, a known displacement transducer can be used which, coupled to the movement, for example, of the armature, emits an electrical voltage signal depending on the path. An example of such a transducer or sensor, which operates on the basis of the magnetoresistive effect, is in the initially mentioned DE 197 06 106 A1 shown.

In Versuchen hat sich jedoch herausgestellt, daß ein solcher magnetoresistiver Sensor in den Endlagenbereichen des Ankers, wenn dieser sich also nahe einer der beiden Magnetspulen befindet, ein nichtlineares Ausgangssignal erzeugt und somit in diesen Endlagenbereichen die Ankerposition nicht ausreichend genau wiedergeben kann. In anderen Worten ausgedrückt, ist die Auflösung dieses Wegaufnehmers in den Endlagenbereichen des Ankers nicht ausreichend hoch. Nun kann diese Problematik dadurch gelöst werden, daß entweder der Gebermagnet des magnetoresistiven Sensors oder magnetoresistive Sensor selbst gegenüber der üblichen Einbaurichtung um 90° verdreht angeordnet wird, da damit die Auflösung des Wegaufnehmers/Sensors in den Endlagenbereichen des Ankers erheblich erhöht wird, während der zwischen diesen Endlagenbereichen mittlere Bereich des Ankerweges dann nicht mehr so genau erfaßt werden kann, was aber für den bevorzugten Anwendungsfall, nämlich in Verbindung mit einem elektromagnetischen Aktuator für ein Brennkraftmaschinen-Hubventil auch nicht erforderlich ist. Jedoch ergibt sich dann ein neues Problem, nämlich daß sich mit dieser neuen Gebermagnet- oder Sensor-Anordnung eine Mehrdeutigkeit des Sensorsignales einstellt, d.h. daß nicht mehr erkennbar ist, auf welcher der beiden Seiten – bezogen auf die Mitte des möglichen Ankerweges – sich der Anker befindet. In anderen Worten ausgedrückt bedeu tet dies, daß der Wegaufnehmer insbesondere in den Endlagenbereichen des Ankers ausreichend genau feststellen kann, wie weit der Anker von einer der beiden Magnetspulen entfernt ist, es läßt sich jedoch nicht feststellen, nahe welcher der beiden (möglichen) Magnetspulen sich der Anker aktuell befindet.In It has been found, however, that such a magnetoresistive Sensor in the end position areas of the armature, if this is so located near one of the two magnetic coils, a non-linear output signal generated and thus in these end positions the anchor position can not reproduce sufficiently accurately. In other words, is the resolution this transducer in the end-position areas of the armature is not sufficient high. Now this problem can be solved by either the encoder magnet of the magnetoresistive sensor or magnetoresistive Sensor itself opposite the usual Mounting direction rotated by 90 ° is arranged, since thus the resolution of the transducer / sensor is considerably increased in the end-position areas of the armature, while the intermediate region of the anchor path between these end-point regions then no longer so accurate can be, but what for the preferred application, namely in conjunction with a electromagnetic actuator for an engine lift valve is also not required. however Then there is a new problem, namely that with this new encoder magnet or Sensor arrangement adjusts an ambiguity of the sensor signal, i.e. that not It is more recognizable on which of the two sides - related to the middle of the possible Anchor way - yourself the anchor is located. In other words, this means that the position transducer Determine with sufficient accuracy, especially in the end-of-travel areas of the anchor how far away the armature of one of the two magnetic coils is, it can be however, do not determine which of the two (possible) Solenoids, the anchor is currently located.

Eine Abhilfemaßnahme für diese zuletzt geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß diese Problematik selbstverständlich nicht auf magnetoresistive Sensoren an elektromagnetischen Aktuatoren für die Betätigung von Brennkraftmaschinen-Hubventilen beschränkt ist; vielmehr kann diese Problematik auch bei anderen an die Bewegung eines zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Ankers gekoppelten Wegaufnehmern auftreten, die zwar wegabhängig ein (ausreichend genaues) elektrisches Spannungssignal abgeben, dabei jedoch die beiden möglichen Endlagen des Ankers nicht (exakt) voneinander unterscheiden können.To point out a remedy for this last-mentioned problem is the object of the present invention. It should be expressly noted that this problem selbstver is not limited to magnetoresistive sensors on electromagnetic actuators for the operation of engine lift valves; Rather, this problem may also occur in other coupled to the movement of an oscillating between two magnetic coils armature transducers, although give way dependently a (sufficiently accurate) electrical voltage signal, but the two possible end positions of the armature can not (exactly) distinguish from each other.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs.The solution This object is characterized by the totality of features of the independent Claim.

Erfindungsgemäß ist die zeitliche Entwicklung des vom Wegaufnehmer bzw. Sensor abgegebenen (elektrischen Spannungs-)Signals auswertbar, d.h. es wird der Bewegungszustand erkannt, in welchem sich der Anker, ausgehend von einer der beiden Endlage, auf die Mittellage-(diese befindet sich exakt in der Mitte zwischen den beiden Magnetspulen)-zubewegt. Dabei kann das Sensorsignal gleichzeitig für eine Berechnung bzw. ausreichend genaue Schätzung der Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers herangezogen werden, so wie dies bspw. in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 198 34 548.8 beschrieben ist. Aus dieser Analyse des Bewegungszustandes ergibt sich somit, in welche Richtung sich der Anker bewegt, d.h. die Ankergeschwindigkeit wird vorzeichenbehaftet ermittelt, so daß bspw. ein positiver Wert für die Ankergeschwindigkeit für eine Annähe rung des Ankers an die untere, im Anwendungsfall nach der eingangs genannten DE 197 06 106 A1 das Hubventil öffnenden Magnetspule steht, während ein negativer Wert für die Ankergeschwindigkeit dann für eine Annäherung des Ankers an die obere, im Anwendungsfall nach der eingangs genannten DE 197 06 106 A1 das Hubventil schließende Magnetspule steht.According to the invention, the temporal evolution of the output from the transducer or sensor (electrical voltage) signal can be evaluated, ie it detects the state of motion, in which the anchor, starting from one of the two end position, on the Mittellage- (this is exactly in the middle between the two magnetic coils). In this case, the sensor signal can be used simultaneously for a calculation or sufficiently accurate estimation of the speed and acceleration of the armature, as for example in the not previously published German Patent Application 198 34 548.8 is described. From this analysis of the state of motion thus results in which direction the armature moves, ie the anchor speed is determined signed, so that, for example. A positive value for the anchor speed for an Annähe tion of the anchor to the lower, in the application of the aforementioned DE 197 06 106 A1 the lifting valve opening solenoid is, while a negative value for the armature speed then for an approach of the armature to the upper, in the application of the aforementioned DE 197 06 106 A1 the lifting valve closing solenoid is.

Mit dem vom Wegaufnehmer bzw. Sensor abgegebenen elektrischen Spannungs-Signal kann somit direkt festgestellt werden, wie weit der hinsichtlich seiner Wegstrecke zu untersuchende Anker von einer der beiden Magnetspulen entfernt ist, und über die zeitliche Betrachtung des Sensor-Signales ist es somit möglich, festzustellen, von welcher der beiden Magnetspulen sich der Anker aktuell entfernt (bzw. auf welche der beiden Magnetspulen sich der Anker aktuell hinbewegt). Somit kann bei Überschreiten der Anker-Mittellage jedes Sensorsignal in korrekter Weise einem definierten Ankerhub bzw. exakt einer konkreten Ankerposition zugeordnet werden.With the output from the transducer or sensor electrical voltage signal can thus be determined directly how far the respect his path to be examined anchor of one of the two magnetic coils is removed, and over the temporal consideration of the sensor signal is it thus possible determine from which of the two solenoid coils the armature currently removed (or on which of the two magnetic coils of the Anchor currently moved). Thus, when the anchor middle position is exceeded each sensor signal in a correct way a defined anchor stroke or exactly assigned to a specific anchor position.

Ferner wird vorgeschlagen, den – wie eingangs genannt – insbesondere im Bereich der Mittellage stark nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Ankerhub und dem Sensorsignal über geeignet zu wählende Kennfelder oder Tabellen nachzubilden, d.h. daß zumindest bereichsweise die Ankerposition mittels einer in einer elektronischen Auswerteeinheit abgelegten Kennlinie oder dgl. ermittelt wird, während insbesondere in den hochaufgelösten Endbereichen der Ankerposition, in denen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sensor-Signal und dem Ankerhub (bzw. der vom Anker zurückgelegten Wegstrecke) besteht, eine di rekte Umrechnung des Sensorsignales in den Ankerhub (bspw. mittels eines Multiplikationsfaktors) möglich ist.Further it is proposed that - how mentioned at the beginning - in particular in the area of the middle layer strongly nonlinear relationship between the Armature stroke and the sensor signal via suitable to choose To map maps or tables, i. that at least partially the Anchor position by means of a stored in an electronic evaluation unit Characteristic curve or the like. Is determined, in particular in the high-resolution end regions the anchor position, in which a linear relationship between the Sensor signal and the armature stroke (or the traversed by the armature Distance) exists, a di rect conversion of the sensor signal in the armature stroke (eg. By means of a multiplication factor) is possible.

Weiterhin wurde bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt, daß geringfügige Störanteile, die sich in Form von Offsets aufgrund von Ungenauigkeiten in der Ansteuerungs- und Auswerteelektronik im Sensorsignal befinden, dadurch eliminiert werden können, daß in den Endlagen des Ankers ein elektronischer Abgleich des Sensor- bzw. Wegaufnehmer-Signales mit der physikalischen Anker-Endlage vorgenommen wird. Diese ohne diese zusätzliche Maßnahme eventuell vorhandenen Offsets können sich insbesondere in den Endlagenbereichen in Form von Meßfehlern bemerkbar machen, da dort das Sensorsignal weiterhin relativ klein ist und dadurch die annähernd konstanten Offsets im Vergleich dazu ein relativ großes Gewicht erhalten. Dieser störende Einfluß kann nun aber durch eine geeignete Kalibrierung minimiert werden: Da nämlich die Endlagen des Ankers physikalisch durch dessen Endanschläge festgelegt und daher bekannt sind, können diese zur Kalibrierung bzw. Eichung des Sensors/Wegaufnehmers benutzt werden.Farther was performing the method according to the invention found that minor disturbance components, arising in the form of offsets due to inaccuracies in the Control and evaluation in the sensor signal are, thereby can be eliminated that in the end positions of the armature, an electronic adjustment of the sensor or transducer signal with the physical armature end position is made. These may be present without this additional measure Offsets can especially in the end position areas in the form of measurement errors make noticeable, because there the sensor signal continues to be relatively small is and thus the approximate constant offsets compared to a relatively large weight receive. This disturbing Influence can But now be minimized by a suitable calibration: Because namely the End positions of the armature physically determined by the end stops and therefore are known used for calibration or calibration of the sensor / transducer become.

Zusammenfassend ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren somit möglich, auch einen Wegaufnehmer zu verwenden, der nicht in der Lage ist, die beiden möglichen Endlagen des Ankers voneinander zu unterscheiden, wobei nun derart genaue Informationen über die Position des Ankers zwischen den beiden Magnetspulen erhalten werden können, daß beim bevorzugten Anwendungsfall, nämlich der Betätigung von Brennkraftmaschinen-Hubventilen, nahezu jede gewünschte Betätigung derselben umsetzbar ist.In summary it is with the method according to the invention thus possible also to use a transducer that is unable to the two possible ones End positions of the armature to distinguish from each other, now such accurate information about get the position of the armature between the two magnetic coils that can be at the preferred Use case, namely the operation of engine lift valves, almost any desired activity the same is feasible.

Claims (1)

Verfahren zur Ermittlung der Position eines zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Ankers, insbesondere eines solchen, der ein Brennkraftmaschinen-Hubventil betätigt, mittels eines an die Bewegung des Ankers gekoppelten Wegaufnehmers, der wegabhängig ein elektrisches Spannungssignal abgibt, dabei jedoch die beiden möglichen Endlagen des Ankers nicht voneinander unterscheiden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Wegaufnehmers zusätzlich in eine die Geschwindigkeit des Ankers vorzeichenbehaftet ermittelnde elektronische Auswerteeinheit eingespeist wird, so daß aus dem Vorzeichen der Anker-Geschwindigkeit feststellbar ist, welcher der beiden Endlagen sich der Anker nähert, wobei anhand der elektrischen Spannungssignale des Wegaufnehmers die Ankerposition zumindest bereichsweise mittels einer in einer elektronischen Auswerteeinheit abgelegten Kennlinie ermittelt wird, während in den Endlagen ein elektronischer Abgleich des Wegaufnehmer-Signales mit der physikalischen Anker-Endlage vorgenommen wird.Method for determining the position of an oscillator oscillatingly moved between two magnetic coils, in particular one which actuates an internal combustion engine lifting valve, by means of a displacement sensor coupled to the movement of the armature, which emits an electrical voltage signal path-dependent, but not the two possible end positions of the armature may differ from each other, characterized in that the signal of the displacement transducer additionally fed into an electronic evaluation unit determining the sign of the speed of the armature is determined so that from the sign of the anchor speed, which of the two end positions, the armature approaches, wherein the armature position is determined based on the electrical voltage signals of the position sensor at least partially by means of a stored in an electronic evaluation unit, while in the end positions electronic adjustment of the transducer signal is made with the physical armature end position.
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