DE19909109A1 - Verfahren zur Erfassung der Ankerbewegung an einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bewegungserkennung, insbesondere zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen Aktuator, mit wenigstens einem Elektromagneten, der wenigstens eine Polfläche aufweist und mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden ist, und der einen Anker aufweist, der mit einem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht, welcher bei Stromzufuhr zum Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus einer ersten Schaltstellung in Richtung auf die Polfläche des Elektromagneten in eine durch der Polfläche zugeordneten zweiten Schaltstellung bewegbar ist, wobei über wenigstens einen dem Elektromagneten zugeordneten Richtungserfassungssensor die Ausrichtung eines sich bei der Annäherung des Ankers ändernden magnetischen Streufeldes erfaßt und entsprechend der Änderung der Ausrichtung ein Stellsignal für die Stromversorgung ausgelöst wird.

Description

Elektromagnetische Aktuatoren, die im wesentlichen aus wenig­ stens einem Elektromagneten und einem mit dem zu betätigen­ den Stellglied verbundenen Anker bestehen, der bei einer Be­ stromung des Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstell­ feder bewegbar ist, weisen sich durch eine hohe Schaltge­ schwindigkeit aus. Ein Problem ist jedoch dadurch gegeben, daß bei der Annäherung des Ankers mit abnehmendem Abstand zur Polfläche des Elektromagneten, d. h. mit kleiner werdendem Luftspalt zwischen Polfläche und Anker, die auf den Anker einwirkende Magnetkraft progressiv ansteigt, während die Ge­ genkraft der Rückstellfeder in der Regel nur linear anwächst, so daß der Anker mit anwachsender Geschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft. Neben der Geräuschentwicklung kann es hierbei zu Prellvorgängen kommen, d. h. der Anker trifft zu­ nächst auf der Polfläche auf, hebt dann aber zumindest kurz­ fristig ab, bis er endlich vollständig zur Anlage kommt. Hierdurch kann es zu Beeinträchtigungen der Funktion des Stellgliedes kommen, was insbesondere bei Aktuatoren mit ho­ her Schaltfrequenz zu erheblichen Störungen führen kann.

Es ist daher wünschenswert, wenn die Auftreffgeschwindigkei­ ten in der Größenordnung unter 0,1 m/s liegen. Wichtig ist es hierbei, daß derart kleine Auftreffgeschwindigkeiten auch un­ ter realen Betriebsbedingungen mit allen damit verbundenen stochastischen Schwankungen sicherzustellen sind. Störein­ flüsse von außen, beispielsweise Erschütterungen oder der­ gleichen, können in der letzten Annäherungsphase oder aber noch nach dem Anlegen an der Polfläche zu einem plötzlichen Abfallen führen.

Aus DE-197 06 106 A ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Verbrennungsmotor bekannt, an dem ein Meßmittel zu einer kontaktlosen Bestim­ mung der Steilposition des Ventils vorgesehen ist, welche ein mit dem Ventilschaft verbundenes Element zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfeldes sowie mindestens einen magnetfeld­ empfindlichen Sensor enthalten, der ein einen erhöhten mag­ netoresestiven Effekt zeigendes Schichtsystem mit einer Meß­ schicht zur Erfassung des Magnetfeldes aufweist, wobei das magnetfelderzeugende Element relativ zu dem magnetfeld­ empfindlichen Sensor derart zu führen ist, daß die auf die Meßschicht auftreffenden Komponenten des Magnetfeldes mit einer Bezugsachse in der Meßschichtebene einen mittleren Winkel einschließen, der eindeutig mit der jeweiligen Posi­ tion des magnetfeldempfindlichen Sensors relativ zu dem mag­ netfelderzeugenden Element korreliert ist. Bei der Anwendung dieses Systems ergeben sich allerdings einige Probleme. Zum einen erfordert dieses System eine große Bauhöhe, die für ei­ ne Serienanwendung an Verbrennungsmotoren nicht praktikabel ist. Des weiteren ergibt sich das Problem, daß das sich än­ dernde Magnetfeld, insbesondere das Streufeld des Elektroma­ gneten, sich mit dem "vorbestimmten" Magnetfeld überlagert und damit die Messung verfälscht. Der Sensor des vorbekannten Systems reagiert zwar nicht auf die sich ändernde Magnetfeld­ stärke, durch die Überlagerung eines Störfeldes ändert sich aber die resultierende Richtung des gesamten Magnetfeldes am Sensor. Dementsprechend ist es auch erforderlich, eine zu­ sätzliche magnetische Abschirmung vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bewegungserkennung zu schaffen, das die vorbeschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Ver­ fahren zur Bewegungserkennung, insbesondere zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem ekektromagnetischen Ak­ tuator mit wenigstens einem Elektromagneten, der wenigstens eine Polfläche aufweist und mit einer steuerbaren Stromver­ sorgung verbunden ist, und der einen Anker aufweist, der mit dem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht, welcher bei Stromzufuhr zum Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus einer ersten Schaltstellung in Richtung auf die Polfläche des Elektromagneten in eine durch die Anla­ ge an der Polfläche gegebene zweite Schaltstellung bewegbar geführt ist, wobei über wenigstens einen dem Elektromagneten zugeordneten Richtungserfassungssensor die Ausrichtung des sich bei Annäherung des Ankers ändernden magnetischen Streu­ feldes erfaßt und entsprechend der Änderung der Ausrichtung ein Stellsignal für die Stromversorgung ausgelöst wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht mit zwei verschie­ denen Magnetfeldern sondern nur mit einem Magnetfeld gearbei­ tet, nämlich dem Magnetfeld des auf den Anker einwirkenden Elektromagneten. Hierbei wird mit Vorteil die Tatsache ausge­ nutzt, daß die Richtung dieses Magnetfeldes durch die sich ändernde Position des Ankers gegenüber der Polfläche des Elektromagneten sich ebenfalls ändert, wobei die Stromhöhe praktisch keine Rolle spielt. Etwa auftretende Sättigungsef­ fekte können durch eine Korrektur des Sensorsignals dadurch eliminiert werden, daß aus einer vorher bestimmten Abweichung in Abhängigkeit der Stromhöhe eine Korrektur des Wegsignals vorgenommen wird. Der Feldlinienverlauf des Streufeldes ist bei großer Entfernung des Ankers von der Polfläche im wesent­ lichen parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers ausgerich­ tet. Erst unmittelbar am Anker werden die Feldlinien "abge­ bogen", so daß sie unter einem Winkel zur Bewegungsrichtung verlaufen. Der Richtungserfassungssensor wird nun so dem Elektromagneten zugeordnet, daß er bei noch entferntem Anker im wesentlichen von den parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers verlaufenden Feldlinien durchsetzt wird und erst im Annäherungsbereich des Ankers an die Polfläche im wesentli­ chen quer von den Feldlinien durchsetzt wird, wobei durch die Richtungsänderung ein entsprechendes elektrisches Signal aus­ gelöst werden kann, das zur einer Änderung der Stromzufuhr zum Elektromagneten ausgenutzt wird. Durch den axialen Ab­ stand des Richtungserfassungssensors gegenüber der Polflä­ chenebene kann nun der Abstand zwischen Anker und Polfläche vorgegeben werden, in dem der Regeleingriff zur Änderung der Bestromung des Elektromagneten ausgelöst werden soll. Ein be­ sonderer Vorteil besteht darin, daß Veränderungen der Aus­ richtung des Magnetfeldes über eine große Wegstrecke der An­ kerbewegung erfaßt werden können und dementsprechend auch die Bestromung des Elektromagneten laufend nachgeführt werden kann. Bei entsprechender Positionierung des Sensors kann da­ bei eine sehr feinfühlige Erfassung der Ankerposition gegen­ über der Polfläche erzielt werden, die dann gegeben ist, wenn der Richtungserfassungssensor von den Feldlinien gerade senk­ recht zur Bewegungsrichtung des Ankers durchsetzt wird und so für das entstehende Signal die stärkste Änderung gegeben ist. Somit kann am Ende der Bewegung - also kurz vor dem Aufsetzen eine sehr genaue Regelung erfolgen, weil ein sehr präzises, hochaufgelöstes Wegsignal zur Verfügung steht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß über den Richtungserfassungssensor der Feldlinienverlauf des magnetischen Streufeldes seitlich neben der Polfläche er­ faßt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß wenigstens zwei Richtungserfassungssensoren in unterschiedli­ cher Ausrichtung zueinander und zum Elektromagneten vorgese­ hen sind. Damit ist die Möglichkeit gegeben, ein Referenzsi­ gnal zu bilden und die Signalbildung zu verbessern.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen für ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aktuator mit zugehöriger Steuerung,

Fig. 2 schematisch den Verlauf des Magnetfeldes an einem der Elektromagneten des Aktuators bei großem Ankerabstand,

Fig. 3 den Verlauf des Magnetfeldes am Elektromagneten bei geringem Ankerabstand,

Fig. 4 in größerem Maßstab die Anordnung eines Richtungserfassungssensors mit Feldlinienverlauf im Bereich IV in Fig. 2,

Fig. 5 den Feldlinienverlauf in vergrößerter Darstellung im Bereich V in Fig. 3,

Fig. 6 eine Ausführungsform mit zwei Richtungs­ erfassungssensoren,

Fig. 7 einen Aktuator mit integriertem Richtungs­ erfassungsensor.

In Fig. 1 ist ein Gaswechselventil GWV für eine Kolbenbrenn­ kraftmaschine schematisch dargestellt, das mit einem elektro­ magnetischen Aktuator EMA als Ventiltrieb versehen ist. Der Aktuator EMA besteht im wesentlichen aus einem Schließmagne­ ten 2.1 und einem Öffnermagneten 2.2, zwischen denen ein An­ ker 1 gegen die Kraft von hier nur schematisch angedeuteten Rückstellfedern RF entsprechend der Bestromung der Elektroma­ gneten 2 hin und her bewegbar geführt ist. Die beiden mögli­ chen Schaltstellungen des das Stellglied bildenden Gaswech­ selventils GWV werden hier jeweils durch die Anlage des An­ kers an einem der beiden Elektromagneten 2 definiert.

In Fig. 1 ist der Anker in seiner Zwischenstellung gezeigt, nachdem er durch Stromlossetzen des Schließmagneten 2.1 durch die Kraft der zugeordneten Feder RF 1 in Richtung auf den Öffnermagneten 2.2 bewegt wird.

Nachstehend wird das Regelverfahren bei der Bestromung des Öffnermagneten 2.2 beschrieben, nachstehend nur noch durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, da die Bestromung des Schließmagneten 2.1 analog erfolgt. Der Bewegungsvorgang des Ankers 1 wird durch Bestromung des Magneten 2 gesteuert. Der Strom wird vom Stromregler 3 zur Verfügung gestellt, der sei­ nerseits seine Befehle zur Bestromung von einer Motorsteue­ rung (ECU) 4 erhält. Mindestens die Ausschaltsignale für den Strom 6 werden dabei an den Stromregler geleitet. Es kann zu­ sätzlich ein beispielsweise arbeitspunktabhängiger Stromsoll­ wert 7 von der Motorsteuerung 4 vorgegeben werden.

Mit einem Richtungserfassungssensor 8 wird über die Änderung der Ausrichtung des Feldlinienverlaufs des Steuerfeldes des Elektromagneten 2 ein Signal in Abhängigkeit der sich ändern­ den Ankerposition detektiert, das nach Auswertung durch die Signalaufbereitung 9 als Wegsignal 10 und/oder Geschwindig­ keitssignal einer Wegregelungseinheit 12 zur Verfügung ge­ stellt wird. Diese erzeugt das Steuersignal 13. Das Signal 10 muß nicht unbedingt exakt, also beispielsweise linear den Weg oder die Geschwindigkeit wiedergeben, vielmehr reicht jeweils ein Signal, das eine entsprechende Information über den Weg bzw. die Geschwindigkeit oder auch in bezug auf einen vorge­ gebenen Abstand des Ankers 1 zur Polfläche des Elektromagne­ ten 2 enthält. So ist also auch beispielsweise eine Meßein­ richtung denkbar, die das Wegsignal nichtlinear zur Verfügung stellt, also bei großer Annäherung des Ankers eine größere Wegabhängigkeit aufweist als bei weiter entferntem Anker.

Weiterhin ist aber der Zusammenhang zwischen dem Weg und der Geschwindigkeit bekannt, da aufgrund der physikalischen Ge­ setze die Geschwindigkeit gerade die Ableitung des Weges nach der Zeit darstellt. Somit erhält man die Möglichkeit über die beiden bekannten Zusammenhänge aus der Änderung der Ausrich­ tung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Zeit sowohl auf den Weg und/oder die Position als auch auf die Geschwindig­ keit schlußzufolgern.

Die in der Signalaufbereitung 9 gewonnenen Werte für die Än­ derung der Ausrichtung des Magnetfeldes und damit über die Position des Ankers werden im Block "Wegregelung" 12 verar­ beitet, so daß dann über den Stromregler 3 und dessen An­ steuerung über die Motorsteuerung 4 die Bestromung der je­ weils aktivierten Elektromagneten, hier des Elektromagneten 2.2, so geregelt werden kann, daß bei der Annäherung an die Polfläche auf den Anker 1 eine Magnetkraft wirkt, die so be­ messen ist, daß der Anker letztendlich mit geringer Geschwin­ digkeit auftrifft.

Fig. 2 und 3 zeigen schematisch den Elektromagneten 2 bei Be­ stromung seiner Spule 14, jedoch mit unterschiedlichen Ab­ ständen des Ankers 1 zur Polfläche 15. Hierbei ist das Ma­ gnetfeld 16 mit seinen Magnetlinien nur für den rechten Teil der Spule 14 dargestellt.

Am Rand der Polfläche 15 weist das Magnetfeld 16 eine nach außen gerichtete Verzerrung in Form eines Streufeldes 17 auf. Eine Signifikanz der Ausrichtung des Streufeldes 17 ist im Bereich des Ankers 1 gegeben, da hier die Feldlinien des Streufeldes 17 praktisch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers (Pfeil 18) ausgerichtet sind. Wie der Vergleich von Fig. 2 und 3 erkennen läßt, bleibt diese Ausrichtung am Anker erhalten und zwar unabhängig vom Abstand des Ankers 1 zur Polfläche 15.

In den Fig. 4 und 5 sind in größerem Maßstab die in Fig. 2 und 3 mit IV bzw. V gekennzeichneten Bereiche dargestellt.

Bringt man im Bereich des Streufeldes 17 unmittelbar neben dem Bewegungsbereich des Ankers 1 einen Richtungserfassungs­ sensor 8 an, beispielsweise einen GiantMagnetic-Resistance Sensor, der so ausgebildet ist, daß er in einem großen Feld­ stärkebereich ein nur von der Magnetfeldrichtung abhängiges Signal abgibt. Der Absolutwert der Feldstärke ist dabei durch das spezielle Sensorprinzip nicht relevant. Damit ist auch eine Möglichkeit gegeben, über die sich ändernde Richtung des Magnetfeldes die Position des Ankers 1 gegenüber der Polflä­ che 15 zu erfassen. Dies ist aus dem Vergleich zwischen Fig. 4 und Fig. 5 ohne weiteres ersichtlich. Der Richtungserfas­ sungssensor 8 ist hierbei zweckmäßigerweise so ausgestaltet, daß bei einer Durchflutung in Bewegungsrichtung 18 ein schwa­ ches Signal und bei einer Durchflutung senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung 18 infolge der geänderten Durchflutungsrichtung und auch infolge des erhöhten magnetischen Flusses durch die Bündelung in diesem Bereich ein stärkeres Signal erzeugt wird. Dieses Signal kann dann, wie in Fig. 1 dargestellt, auf die Signalaufbereitung 9 aufgeschaltet und entsprechend zur Regelung der Bestromung des fangenden Elektromagneten 2 be­ nutzt werden.

Wie Fig. 4 und 5 erkennen lassen, besteht ferner dies Möglich­ keit, durch die Vorgabe eines entsprechenden Abstandes a des Richtungserfassungssensors gegenüber der Ebene der Polfläche 15 auch noch den Punkt zu variieren, in dem eine maximale, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers ausgerichtete Durchflutung des Richtungserfassungssensors 8 erfolgt.

Während in der Regel die ankerwegabhängige Richtungsänderung laufend erfaßt und eine entsprechend fortlaufende Nachfüllung des Reglers erfolgt, kann je nach der Empfindlichkeit des verwendeten Richtungserfassungssensors auch als einmaliger Regeleingriff beim Erreichen eines Maximums ein Steuersignal ausgelöst werden. Oder aber es ist auch möglich, die Verände­ rung der Ausrichtung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen und hierüber nicht nur die Position bzw. den Abstand des Ankers gegenüber der Polfläche fortlaufend zu be­ stimmen, sondern auch noch eine Auswertung hinsichtlich der jeweiligen Ankergeschwindigkeit vorzunehmen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung, die hinsichtlich der Position des Ankers 1 der Darstellung gemäß Fig. 4 ent­ spricht, sind zwei Richtungserfassungssensoren 8.1 und 8.2 vorgesehen. Diese Sensoren sind so ausgebildet, daß sie je­ weils das stärkste Signal dann abgeben, wenn sie senkrecht durchflutet werden. Dementsprechend sind die beiden Rich­ tungserfassungssensoren 8.1 und 8.2 unter einem rechten Win­ kel zueinander angeordnet, so daß der Richtungserfassungs­ sensor 8.1 die Veränderung des Feldlinienverlaufs in der polflächenfernen Annäherungsphase des Ankers 1 zu erfassen vermag und die Änderung des Feldlinienverlaufs über den zwei­ ten Richtungserfassungssensor 8.2 dann erfaßt wird, wenn sich der Anker 1 in der letzten Annäherungsphase zur Polfläche 15 befindet. Durch eine Verknüpfung der Signale beider Sensoren in der Signalaufbereitung 9 kann dann das entsprechende Stellsignal zur Aufschaltung auf die Wegregelungseinheit 12 erzeugt werden. Auch eine geringe noch vorhandene Stromabhän­ gigkeit kann durch die Verwendung von zwei Sensoren durch Verknüpfung beider Signale, beispielsweise durch Quotienten­ bildung, kompensiert werden.

In Fig. 7 ist schematisch ein Elektromagnet, beispielsweise der Elektromagnet 2.2 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 dargestellt. Bei Elektromagneten dieser Bauform mit einem W-förmigen Jochkörper 2.3 ergeben sich aufgrund der Anordnung der als Ring ausgebildeten und in die Nuten des Jochkörpers 2.3 eingelegten Spule 20 (der vordere Teil der Spule 20 ist hier weggeschnitten) die angedeuteten Verläufe der Feldlini­ en. Damit besteht die Möglichkeit, einen Richtungserfassungs­ sensor 8 in den Jochkörper 2.3 in der dargestellten Weise zu integrieren und zwar dadurch, daß er auf der Polfläche 15 oder teilweise vertieft in die Polfläche 15 eingelassen ange­ ordnet ist. Der Richtungserfassungssensor 8 überragt hierbei die Polfläche 15. Entsprechend ist im Anker 1 eine Ausnehmung 19 von entsprechender Größe angeordnet, die die erforderliche Verzerrung des Magnetfeldes nach Art eines Streufeldes be­ wirkt, so daß bei Annäherung des Ankers 1 und dem Eintauchen des Richtungserfassungssensors 8 in die Ausnehmung 19 die sich ergebende Richtungsänderung der Feldlinien erfaßbar wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Richtungssensor 8, bezogen auf die Symmetrieebene des Jochkörpers 2.3, und die Ausnehmung 19 im Anker 1 entsprechend außermittig angeordnet, so daß bei einer Annäherung des Ankers 1 an die Polfläche 15 auch sichergestellt ist, daß der Richtungserfassungssensor 8 in jeder Position des Ankers durchflutet wird.

Die entsprechend der hier gegebenen Definition der Polfläche 15 jeweils zugeordnete zweite Schaltstellung kann nun entwe­ der durch die unmittelbare Anlage des Ankers 1 auf der Pol­ fläche 15 des jeweils fangenden Magneten gegeben sein. Es ist aber auch möglich, daß bei dem hier gegebenen Anwendungsbei­ spiel eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung ei­ nes Gaswechselventils die zweite Schaltstellung bei der Funk­ tion "Ventil schließen" bereits erreicht ist, wenn das Gas­ wechselventil an seiner Dichtfläche anliegt, der Anker 1 je­ doch noch nicht die Polfläche des Schließmagneten 2.1 er­ reicht hat. Dies kann gegeben sein, wenn - wie in Fig. 1 an­ gedeutet - der Führungsbolzen 1.1 geteilt ist und infolge ei­ nes Ventilspiels sich der Anker 1 noch in Richtung auf die Polfläche des fangenden Elektromagneten - hier des Schließ­ magneten 2.1 - bewegt, während sich das Gaswechselventil be­ reits in Ruhe befindet.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bewegungserkennung, insbesondere zur Rege­ lung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagne­ tischen Aktuator, mit wenigstens einem Elektromagneten, der wenigstens eine Polfläche aufweist und mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden ist, und der einen Anker aufweist, der mit einem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht, welcher bei Stromzufuhr zum Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus einer ersten Schaltstellung in Rich­ tung auf die Polfläche des Elektromagneten in eine durch der Polfläche zugeordneten zweiten Schaltstellung bewegbar ist, wobei über wenigstens einen dem Elektromagneten zugeordneten Richtungserfassungssensor die Ausrichtung eines sich bei der Annäherung des Ankers ändernden magnetischen Streufeldes er­ faßt und entsprechend der Änderung der Ausrichtung ein Stell­ signal für die Stromversorgung ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Richtungserfassungssensor der Feldlinienverlauf des magnetischen Streufeldes seitlich neben der Polfläche erfaßt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens zwei Richtungserfassungssensoren in unterschiedlicher Ausrichtung zueinander und zum Feld des Elektromagneten vorgesehen sind.