DE19853662A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebs - Google Patents

Abstract

Ein elektromagnetischer Stellantrieb hat mindestens einen Elektromagneten und einen Anker, der mit mindestens einem Rückstellmittel mechanisch gekoppelt ist und der zwischen einer ersten Anlagefläche an dem Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche beweglich ist. Ein Regler (R) ist vorgesehen, der ein Stellsignal für den Stellantrieb erzeugt. Der zeitliche oder der von der Position (s) des Ankers abhängige Verlauf der Regelgröße des Reglers (R) wird in einem ersten Betriebszustand (Z1) des Stellantriebs erfaßt. In einem zweiten Betriebszustand (Z2) des Stellantriebs wird die Führungsgröße des Reglers (R) aus dem Verlauf der Regelgröße in dem ersten Betriebszustand (Z1) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebs, der insbe­ sondere zum Steuern eines Gaswechselventils einer Brennkraft­ maschine vorgesehen ist.

Ein bekanntes Stellgerät (DE 195 26 683 A1) hat ein Stell­ glied, das als Gaswechselventil ausgebildet ist, und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb weist zwei Elektromagnete auf, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels eine Ankerplatte durch Abschalten des Spulenstroms am halten­ den Elektromagneten und Einschalten des Spulenstroms am fan­ genden Elektromagneten bewegt werden kann. Der Spulenstrom das jeweils fangenden Elektromagneten wird auf einen vorgege­ benen Fangwert geregelt und zwar während einer vorgegebenen Zeitdauer, die so bemessen ist, daß die Ankerplatte innerhalb der Zeitdauer auf eine Anlagefläche am fangenden Elektroma­ gneten trifft. Anschließend wird der Spulenstrom des fangen­ den Elektromagneten auf einen Haltewert geregelt.

Immer strengere gesetzliche Grenzwerte zur Schallabstrahlung von Kraftfahrzeugen und Anforderungen nach leise laufenden Brennkraftmaschinen setzen für die Serientauglichkeit des Stellantriebs zwingend voraus, daß die Schallerzeugung durch den Stellantrieb gering ist. Außerdem ist eine lange Lebens­ dauer des Stellantriebs sicherzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Ein­ richtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebs zu schaffen, das/die die Schallerzeugung beim Auftreffen ei­ ner Ankerplatte eines Ankers auf einen Elektromagneten mini­ miert und gleichzeitig eine lange Lebensdauer des Stellan­ triebs gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unab­ hängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung eines Stellantriebs und einer Steuer­ einrichtung in einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zum Regeln des elektromechanischen Stellantriebs,

Fig. 3 Positions- und Geschwindigkeitsverläufe s,v aufgetra­ gen über eine Zeit t.

Ein Stellgerät (Fig. 1) umfaßt einen Stellantrieb 1 und ein Stellglied 2, das bevorzugt als Gaswechselventil ausgebildet ist und einen Schaft 21 und einen Teller 22 hat. Der Stellan­ trieb 1 hat ein Gehäuse 11, in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 12, der mit einer ersten Spule 13 versehen ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, der mit einer zweiten Spule 15 versehen ist. Ein Anker ist vorge­ sehen, dessen Ankerplatte 16 in dem Gehäuse 11 beweglich zwi­ schen einer ersten Anlagefläche 15a des ersten Elektromagne­ ten und einer zweiten Anlagefläche 15b des zweiten Elektroma­ gneten angeordnet ist. Die Ankerplatte 16 ist somit beweglich zwischen einer Schließposition s_maxS und einer Offenposition s_maxO. Der Anker umfaßt desweiteren einen Ankerschaft 17, der durch Ausnehmungen des ersten und zweiten Kerns 12, 14 ge­ führt ist und der mit Schaft 21 des Stellglieds 2 mechanisch koppelbar ist.

Ein erstes Rückstellmittel 18a und ein zweites Rückstellmit­ tel 18b, die vorzugsweise als Federn ausgebildet sind, span­ nen die Ankerplatte 16 in eine vorgegebene Ruheposition s₀ vor. Ein Positionssensor 19 ist derart an oder in dem Stell­ antrieb angeordnet, daß er mittelbar oder unmittelbar die Position der Ankerplatte 16 und des Ankerschafts 17 erfaßt.

Das Stellgerät ist mit einem Zylinderkopf 31 einer Brenn­ kraftmaschine starr verbunden. Dem Zylinderkopf 31 ist ein Ansaugkanal 32 und ein Zylinder 33 mit einem Kolben 34 zuge­ ordnet. Der Kolben 34 ist über eine Pleuelstange 35 mit einer Kurbelwelle 36 gekoppelt.

Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die die Signale des Positionssensors und/oder eines Drehzahlgebers 37 und/oder eines Lasterfassungssensors 38, der beispielsweise als Luft­ massenmesser oder als Drucksensor ausgebildet sein kann, und/oder eines Temperatursensors 39 und ggf. weiterer Senso­ ren erfaßt. Die Steuereinrichtung 4 kommuniziert ggf. mit ei­ ner übergeordneten Steuereinrichtung für Motorbetriebsfunk­ tionen und empfängt von dieser Steuersignale. Die Steuerein­ richtung 4 steuert abhängig von den Signalen der Sensoren und Steuersignalen die erste und zweite Spule 13, 15 des Stellan­ triebs 1 an. Die Steuereinrichtung 4 umfaßt eine Steuerein­ heit 41, in der die Stellsignale für die Spulen 13, 15 be­ rechnet werden, und eine erste Leistungsendstufe 42 und eine zweite Leistungsendstufe 43, die die Stellsignale verstärken.

Die Rückstellmittel 18a und 18b der Anker mit der Ankerplatte 16 und dem Ankerschaft 17 und das als Gaswechselventil ausge­ bildete Stellglied 2, falls es mit dem Ankerschaft 17 gekop­ pelt ist, bilden einen Feder-Masse-Schwinger.

In der Steuereinheit 41 ist ein Programm gespeichert, das während des Betriebs des Stellantriebs 1 zum Steuern des Stellantriebs 1 abgearbeitet wird.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm des Programms dargestellt. In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem Schritt S2 wird geprüft, ob von der übergeordneten Steuerein­ richtung ein Wechsel der Position s der Ankerplatte 16 von der Schließposition s_maxS hin zu der Offenposition s_maxO ange­ fordert wurde. Alternativ kann auch das Positionssignal des Positionssensors 19, das den Istwert s_ist der Position der An­ kerplatte repräsentiert, dahingehend überprüft werden, ob sich der Istwert s_ist der Position seit dem letzten Aufruf des Schrittes S2 von der Schließposition s_maxS, also von der er­ sten Anlagefläche 15a wegbewegt hat. Ist die Bedingung des Schrittes S2 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S3 fortgesetzt. Andernfalls wird nach einer vorgege­ benen Wartezeit die Bedingung des Schrittes S2 erneut ge­ prüft.

In einem Schritt S3 wird geprüft, ob eine Änderung AN einer Betriebsgröße seit dem letzten Durchlauf der nachfolgenden Schritte größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Ist die Bedingung des Schrittes S3 erfüllt, so wird die Bearbei­ tung in einem Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls wird in ei­ nem Schritt S3a geprüft, ob der Istwert s_ist der Position eine vorgegebene Position s₁ erreicht hat. Ist dies der Fall, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S6 fortgesetzt, der weiter unten beschrieben ist. Falls die Bedingung des Schritts S3a nicht erfüllt ist, so wird sie nach einer vorge­ gebenen Wartezeit erneut geprüft. Die Betriebsgröße ist vor­ zugsweise eine die Temperatur der Brennkraftmaschine charak­ terisierende Größe, wie beispielsweise die Öl- oder Kühlmit­ teltemperatur, oder eine Lastgröße, die aus der Drehzahl und dem Luftmassenstrom, der von dem Luftmassenmesser 38 erfaßt wird, oder einem Saugrohrdruck ermittelt wird.

In dem Schritt S4 wird der zeitliche Verlauf der Istwerte s_ist erfaßt und als zeitlicher Verlauf der Sollwerte s_soll der Po­ sition abgespeichert. Das Erfassen der Istwerte s_ist der Posi­ tion im Schritt S4 erfolgt solange, bis die Bedingung des Schrittes S5 erfüllt ist. Die Bedingung des Schritts S5 ist erfüllt, wenn der aktuelle Istwert s_ist gleich ist einer vor­ gegebenen Position s₁. Ein erster Betriebszustand Z1 des Stellantriebs ist dadurch definiert, daß das Programm die Schritte S4 und S5 abarbeitet. Demnach wird der erste Be­ triebszustand Z1 eingenommen, wenn die Bedingungen der Schritte S2 und S3 erfüllt sind und zwar solange bis die Be­ dingung des Schrittes S5 erfüllt ist.

In einem Schritt S6 erfolgt eine Steuerung der Stellsignale. Der Schritt S6 wird vorzugsweise verlassen, wenn der Istwert s_ist der Position s die vorgegebene Position s₂ erreicht. In dem Schritt S6 werden so Stellsignale für den Stellantrieb erzeugt, ohne dazu den tatsächlichen Verlauf der Position der Ankerplatte auszuwerten. Das Vorgehen gemäß Schritt S6 zeich­ net sich dadurch aus, daß es einen geringen Rechenaufwand be­ nötigt. Während der Bearbeitung des Schrittes S6 befindet sich der Stellantrieb in einem dritten Betriebszustand Z3.

In einem Schritt S7 wird ein Regler R aktiviert, dessen Re­ gel- und Führungsgröße die Position s ist und der entsprechen­ de Stellsignale zum Steuern der ersten oder zweiten Spule 13, 15 erzeugt. Die Sollwerte s_soll der Position s werden aus dem in dem Schritt S4 ermittelten Sollwertverlauf ermittelt. Vor­ zugsweise sind die vorgegebenen Positionen s₁ und s₂ symme­ trisch zu der Ruheposition s₀. Die Regelung erfolgt solange, bis in einem Schritt S8 der Istwert s_ist der Position die Of­ fenposition s_maxO erreicht hat. Ein zweiter Betriebszustand Z2 des Stellantriebs ist dadurch definiert, daß sich das Pro­ gramm in den Schritten S7 oder S8 befindet, d. h. es erfolgt eine Regelung der Position s der Ankerplatte.

Während des ersten Betriebszustandes Z1 schwingt die Anker­ platte von der Schließposition s_maxS hin zu der Ruheposition s₀. Dabei wird der Strom durch die erste Spule 13 sehr schnell verringert mit der Folge, daß die Kräfte, die durch das Bestromen der Spule 13 hervorgerufen werden und die auf die Ankerplatte 16 einwirken, vernachlässigbar sind. Der Ver­ lauf der Schwingung der Ankerplatte 16 von der Schließpositi­ on s_maxS hin zu der vorgegebenen Position s₁ entspricht in diesem Bereich demnach der idealen Schwingung des Feder- Masseschwingers unter Berücksichtigung der aktuell herrschen­ den Dämpfung.

Das Regeln der Position mit dem Regler R, dessen Führungsgrö­ ße der in dem Schritt S4 ermittelte Verlauf der Istwerte s_ist der Position ist, gewährleistet, daß die Bewegung der Anker­ platte 16 hin zu der Offenposition s_maxO annähernd gleichen Verlauf hat wie die ideale Schwingung des Feder-Masse- Schwingers unter Berücksichtigung der aktuell herrschenden Dämpfung von der Schließposition s_maxS zu der vorgegebenen Po­ sition s₁. Dadurch ist gewährleistet, daß die Ankerplatte mit einer sehr geringen Geschwindigkeit (≦ 0,3 m/sec) auf die zweite Anlagefläche 15b trifft und somit die Schallemissionen und der Verschleiß der Ankerplatte 16 und des zweiten Elek­ tromagneten gering sind.

Das Schwingungsverhalten des Feder-Masse-Schwingers hängt we­ sentlich ab von Betriebsgrößen wie der Temperatur aber auch der aktuellen Last an der Brennkraftmaschine. Ändert sich die entsprechende Betriebsgröße nicht mehr als der vorgegebene Schwellenwert SW, so kann auf ein Erfassen des Verlaufs der Istwerte s_ist der Position und ein Zuordnen dieser zu den Sollwerten s_soll der Position im Schritt S4 verzichtet werden, ohne daß die Auftreffgeschwindigkeit der Ankerplatte 16 an der zweiten Anlagefläche 15b abhängig von der Regelung im Schritt S7 wesentlich erhöht wird. Der Vorteil hierbei ist jedoch, daß die Rechenbelastung der Steuereinheit 4 geringer ist. Spielt jedoch die Rechenbelastung der Steuereinheit 41 keine so große Rolle, so kann auch auf die Überprüfung in dem Schritt S3 verzichtet werden und sobald die Bedingung des Schrittes S2 erfüllt ist, die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt werden.

Die vorgegebene Position s₁ liegt zwischen der Schließpositi­ on s_maxS und der Ruheposition s₀. Falls die vorgegebene Posi­ tion s₁ identisch mit der Ruheposition s₀ ist, entfällt der Schritt S6 und die Bearbeitung wird nach dem Erfüllen der Be­ dingung des Schritte S5 direkt in dem Schritt S7 fortgesetzt.

Alternativ kann in dem Schritt S4 auch der Verlauf der Ist­ werte v_IST der Geschwindigkeit der Ankerplatte 16 erfaßt wer­ den und entsprechenden Sollwerten v_SOLL der Geschwindigkeit der Ankerplatte zugeordnet werden, wie dies in dem Schritt S4a alternativ dargestellt ist. Dabei kann der Verlauf der Sollwerte v_SOLL entweder abhängig von der Zeit oder abhängig von der Position s gespeichert werden. Als weitere Alternati­ ve zu dem Schritt S4 kann entsprechend im Schritt S4b der Verlauf der Istwerte a_ist der Beschleunigung erfaßt werden und dem Sollwert a_Soll der Beschleunigung zugeordnet werden. Die Sollwerte a_Soll der Beschleunigung können abhängig von der Zeit t oder der Position s gespeichert werden.

Die Bedingung des Schrittes S5 kann alternativ auch dann er­ füllt sein, wenn der Betrag des Istwertes v_IST der Geschwin­ digkeit größer ist als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert SW2, wie dies in dem Schritt S5a dargestellt ist, oder wenn der Istwert a_ist der Beschleunigung der Ankerplatte 16 kleiner ist als ein dritter Schwellenwert SW3, wie dies in dem Schritt S5b dargestellt ist oder wenn ein tatsächlicher Zeit­ wert der Zeit t größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert t_SW der Zeit, wie dies in einem Schritt S5c dargestellt ist. Entsprechend kann die Führungs- und Regelgröße des Reglers R auch die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung oder eine beliebige Kombination der Position der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Ankerplatte 16 sein. Die jeweilige Auswahl der Sollwerte s_soll, v_SOLL und a_soll kann zeitabhängig oder abhängig von der Position s erfolgen.

Das Programm in der Fig. 2 ist für den Fall dargestellt, daß in dem Schritt S2 geprüft wird, ob ein Übergang von der Schließposition s_maxS hin zu der Offenposition s_maxO erfolgen soll. Das Programm kann jedoch selbstverständlich alternativ auch dahingehend angepaßt werden, daß ein umgekehrter Bewe­ gungsverlauf, also von der Offenposition s_maxS hin zu der Schließposition s_maxS gesteuert und geregelt werden kann. Die Istwerte der Geschwindigkeit v_IST oder der Beschleunigung a_ist werden vorzugsweise durch einfaches bzw. zweifaches Differen­ zieren der Istwerte s_ist der Position berechnet. Die Istwerte der Geschwindigkeit v_IST oder der Beschleunigung a_ist können auch von einem Beobachter geschätzt werden, der ein physika­ lisches Modell des Stellantriebs 1 umfaßt, wobei das Modell abhängt von dem Strom durch die Spulen und dem Istwert s_ist der Position. Hat der Regler R mehr als eine Regel und eine Führungsgröße, wie dies beispielsweise einer Kombination der Position, und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Be­ schleunigung der Fall ist, so wird die Regelgüte des Reglers erhöht.

Der Verlauf der Istwerte in dem Schritt S4, S4a, S4b wird vorzugsweise bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren derar­ tigen Stellantrieben für jeden Stellantrieb einzeln aufgenom­ men und entsprechenden Sollwerten zugeordnet, die dann in dem Schritt S7, S7a, S7b zur Regelung verwendet werden. Dadurch können Fertigungsstreuungen in der Serienproduktion der Stel­ lantriebe und das Alterungsverhalten der Stellantriebe be­ rücksichtigt werden und unabhängig davon jeweils eine geringe Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die jeweilige Anlage­ fläche 15a, 15b erreicht werden.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf und der Position s und der Geschwindigkeit v dargestellt. In einem ersten Zustand wird der Verlauf der Istwerte v_IST der Geschwindigkeit aufge­ nommen und den entsprechenden Sollwert v_SOLL zugeordnet. In dem zweiten Zustand Z2 werden die in dem ersten Zustand auf­ genommenen Istwerte als Sollwerte des Reglers R vorgegeben. Dabei ist jeweils der Sollwert v_SOLL der Sollwert im aktuellen Zeitpunkt der dem zu der Ruheposition s₀ auf der Zeitachse symmetrischen Istwert v_IST der Geschwindigkeit entspricht.

Wenn das Stellglied 2 als Gaswechselventil ausgebildet ist, wird durch das/die erfindungsgemäße Verfahren/Einrichtung auch eine geringe Schallemission beim Aufsetzen des Tellers 21 auf dem im Zylinderkopf 31 ausgebildeten Ventilsitz ge­ währleistet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellan­ triebs (1) mit mindestens einem Elektromagneten und einem An­ ker, der mit mindestens einem Rückstellmittel (18a, 18b) me­ chanisch gekoppelt ist und der zwischen einer ersten Anlage­ fläche (15a) an dem Elektromagneten und einer weiteren Anla­ gefläche (15b) beweglich ist, wobei ein Regler (R) vorgese­ hen, der ein Stellsignal für den Stellantrieb (1) erzeugt, bei dem

• - der zeitliche oder von der Position (s) des Ankers abhängi­ ge Verlauf der Regelgröße des Reglers (R) in einem ersten Betriebszustand (Z1) des Stellantriebs erfaßt wird,
• - in einem zweiten Betriebszustand (Z2) des Stellantriebs (1) die Führungsgröße des Reglers (R) aus dem Verlauf der Re­ gelgröße in dem ersten Betriebszustand (Z1) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand eingenommen wird, wenn sich der Anker von einer der Anlageflächen (15a, 15b) zu lösen beginnt und bis er eine vorgegebene Position (s₁, s₂) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand eingenommen wird, wenn sich der An­ ker von einer der Anlageflächen (15a, 15b) zu lösen beginnt und bis er eine vorgegebene Geschwindigkeit erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand eingenommen wird, wenn sich der An­ ker von einer der Anlageflächen (15a, 15b) zu lösen beginnt und bis seine Beschleunigung einen vorgegebenen Wert hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand eingenommen wird, wenn sich der An­ ker von einer der Anlageflächen (15a, 15b) zu lösen be­ ginnt, und zwar für eine vorgegebene Zeitdauer.

6. Verfahren einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Betriebszustand eingenommen wird, wenn sich zusätzlich eine Betriebsgröße um einen vorgege­ benen Schwellenwert (SW) verändert hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (1) in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und daß die Betriebsgröße eine die Temperatur oder die Last der Brennkraftmaschine kennzeichnende Größe ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regel- und Führungsgröße die Positi­ on (s) und/oder die Geschwindigkeit und/oder die Beschleu­ nigung des Ankers sind.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Betriebszustand (Z3) die Stellsignale durch eine Steuerung eingestellt werden.

10. Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stel­ lantriebs (1) mit mindestens einem Elektromagneten und einem Anker, der mit mindestens einem Rückstellmittel (18a, 18b) mechanisch gekoppelt ist und der zwischen einer ersten Anla­ gefläche (15a) an dem Elektromagneten und einer weiteren An­ lagefläche (15b) beweglich ist, wobei die Einrichtung umfaßt:

• - einen Regler (R), der ein Stellsignal für den Stellantrieb (1) erzeugt,
• - Mittel zum Erfassen des zeitlichen oder von der Position (s) des Ankers abhängigen Verlaufs der Regelgröße des Reg­ lers (R) in einem ersten Betriebszustand (Z1) des Stellan­ triebs,
• - Mittel zum Ermitteln der Führungsgröße des Reglers (R) in einem zweiten Betriebszustand (Z2) des Stellantriebs (1) aus dem Verlauf der Regelgröße in dem ersten Betriebs zu­ stand (Z1).