DE19920181A1 - Verfahren zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen Aktuator durch eine kennfeldgestützte Regelung der Bestromung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Einregelung einer geringen Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers auf die Polfläche eines Elektromagneten an einem elektromagnetischen Aktuator beim jeweiligen Schaltvorgang durch Erfassen des Ankerwegs und des Verlaufs der Ankergeschwindigkeit als Ist-Werte, Vergleichen der erfaßten Ist-Werte von Ankerweg und Ankergeschwindigkeit über ein in der Steuereinrichtung abgelegtes Kennfeld und Vorgabe eines Soll-Wertes für die Bestromung des Elektromagneten und Vergleich von Ist-Wert und Soll-Wert für die Bestromung und nach Ausregelung einer sich hieraus ergebenden Differenz Bestromung der Elektromagneten.

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 einwirkenden 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 0,05 m/s liegen. Wichtig ist es hierbei, daß derart kleine Auftreffgeschwindigkeiten auch unter 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsver­ fahren zu schaffen, das es bei einem elektromagnetischen Ak­ tuator der vorstehend bezeichneten Art ermöglicht, über eine Regelung der Bestromung des Elektromagneten die Bewegung des Ankers so zu führen, daß er mit geringer Auftreffgeschwindig­ keit an seinem Sitz an der Polfläche zur Anlage kommt. Eine ausreichende Haltekraft nach dem Auftreffen des Ankers auf der Polfläche muß durch einen entsprechend eingeregelten Hal­ testrom über die Steuerung vorgegeben werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem Ver­ fahren zur Regelung eines elektromagnetischen Aktuators mit wenigstens einem Elektromagneten und einem auf ein Stellglied einwirkenden Anker, der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder durch gesteuerte Bestromung des mit einer Polfläche versehenen Elektromagneten über eine Steuereinrich­ tung aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite, durch die Anlage des Ankers an der Polfläche definierten zweiten Schaltstellung bewegbar ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß beim jeweiligen Schaltvorgang der Ankerweg s und der Ver­ lauf der Ankergeschwindigkeit v als Ist-Werte erfaßt werden, die erfaßten Ist-Werte von Ankerweg und Ankergeschwindigkeit mit einem in der Steuereinrichtung abgelegten Kennfeld für eine vorgegebene Abhängigkeit der Geschwindigkeit über den Flugweg des Ankers verglichen und hiernach ein Soll-Wert für die Bestromung des Elektromagneten vorgegeben wird, und daß der Ist-Wert für die Bestromung mit dem Soll-Wert für die Be­ stromung verglichen und nach Aufregelung einer sich hieraus ergebenden Differenz der Elektromagnet für die Ankerbewegung bestromt wird. Mit diesem Verfahren wird die Möglichkeit aus­ genutzt, daß moderne elektronische Rechenbausteine über eine hohe Rechengeschwindigkeit verfügen, so daß es möglich ist, nicht nur während des Schaltvorgangs die jeweilige Position und/oder Bewegungsgeschwindigkeit zu erfassen, sondern auch eine Mehrzahl von Aktuatoren hinsichtlich ihres Bewegungsab­ laufes zu erfassen, die erforderlichen Bewegungswerte zu ver­ arbeiten und bei sich ergebenden Abweichungen über einen ent­ sprechenden Regeleingriff für jeden einzelnen Aktuator einen optimalen Ablauf jedes einzelnen Schaltzyklus für jeden Ak­ tuator zu gewährleisten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierbei mit Vorteil ausgenutzt, daß über ein in der Steuereinrichtung abgelegtes Kennfeld, in dem zur Erzeugung des Sollwertes für die Bestromung die geforderte Abhängig­ keit der Ankergeschwindigkeit über den Ankerweg vorgegeben ist, und durch Erfassung der Ist-Werte der Ankerbewegung hin­ sichtlich Ankerweg und Geschwindigkeit Störfaktoren durch ei­ ne kennfeldabhängigen Änderung der Sollwertvorgabe für den Stromregler und damit der Ist-Wert für die Bestromung des "fangenden" Elektromagneten und damit die magnetische Ener­ gieeinspeisung so geführt werden kann, daß der Anker mit ei­ ner Auftreffgeschwindigkeit an der Polfläche zur Anlage kommt, die nur geringfügig über der idealen Auftreffgeschwin­ digkeit "Null" liegt. Der Begriff "Kennfeld" im Sinne der Er­ findung umfaßt sowohl ein einzelnes Kennfeld als auch ein Sy­ stem von Kennfeldern, die für eine Vielzahl von Betriebszu­ ständen gelten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer Dar­ stellungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema für einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kennfeld­ belegung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm für eine Kennfeldbelegung.

Im Schaltschema gem. Fig. 1 ist ein Gaswechselventil GWV für eine Kolbenbrennkraftmaschine schematisch dargestellt, das mit einem elektromagnetischen Aktuator EMA als Ventiltrieb versehen ist. Der Aktuator EMA besteht im wesentlichen aus einem Schließmagneten 2.1 und einem Öffnermagneten 2.2, zwi­ schen denen ein Anker 1 gegen die Kraft von hier nur schema­ tisch angedeuteten Rückstellfedern RF1 und RF2 entsprechend der Bestromung der Elektromagneten 2 hin und her bewegbar ge­ führt ist. Die beiden möglichen Schaltstellungen des das Stellglied bildenden Gaswechselventils GWV werden hier je­ weils durch die Anlage des Ankers an einem der beiden Elek­ tromagneten 2 definiert.

Nachstehend wird das Regelverfahren für die Bestromung des Schließmagneten 2.1 beschrieben, im folgenden nur noch durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, da die Bestromung des Öffnermagneten 2.2 analog erfolgt.

Im Schaltschema ist der Anker 1 in einer Zwischenstellung ge­ zeigt, nachdem er durch Stromlossetzen des Öffnermagneten 2.2 durch die Kraft der zugeordneten Feder RF2 in Richtung auf den Schließmagneten 2.1, d. h. in Pfeilrichtung bewegt wird. Der Bewegungsvorgang des Ankers 1 wird jeweils durch die Be­ stromung der Magneten 2 gesteuert. Bei dem dargestellten Be­ wegungsvorgang in Pfeilrichtung erfolgt dies über eine Steue­ rung der Bestromung des fangenden Schließmagneten 2.1, so daß auf den Anker 1 eine Magnetkraft einwirkt, die gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder RF1 am Schließmagneten wirkt, nachdem der Anker 1 bei seiner Bewegung durch die Mit­ telstellung hindurchgegangen ist. Bei starkem Gegendruck kann es jedoch zweckmäßig sein, den fangenden Magneten unmittelbar nach dem Lösen des Ankers vom haltenden Magneten zu bestro­ men. Der Anstieg der Federkraft ist hierbei in der Regel li­ near, während der Anstieg der Magnetkraft bei ungeregelter Bestromung mit zunehmender Annäherung des Ankers 1 an die Polfläche des Magneten 2 progressiv ansteigt und so mit zu­ nehmender Annäherung ein ansteigender Kraftüberschuß der Mag­ netkraft entsteht, der den Anker 1 zunehmend beschleunigt, so daß der Anker mit hoher Geschwindigkeit auf die Polfläche unter Geräuschentwicklung auftrifft und durch Prellvorgänge je nach der Höhe der Geschwindigkeit trotz der Magnetfeldes sich wieder zurückbewegen kann. Diese Prellvorgänge sind so­ wohl für das Schließen des Ventils als auch für das Öffnen des Ventils nachteilig, so daß hier durch eine Regelung der Bestromung die Energieeinspeisung in den Anker über das Mag­ netfeld nach Möglichkeit so geregelt werden muß, daß die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die Polfläche nahezu "Null" ist, so daß anschließend die Bestromung auf die Höhe des Haltestroms eingeregelt werden kann.

Der Strom wird vom Stromregler 3 zur Verfügung gestellt, der seinerseits seine Befehle zur Bestromung von einer Motorsteu­ ereinrichtung 4 erhält. Mindestens die Ausschaltsignale 5 für den Strom werden dabei an den Stromregler 3 geleitet.

Um nun den Strom so regeln zu können, daß die tatsächlichen, sich während des Betriebes und auch im Verlaufe einer länge­ ren Lebensdauer sich ändernden Verhältnisse berücksichtigt werden können, ist dem Aktuator eine hier nur schematisch dargestellte Erfassungs- und/oder Meßeinrichtung 7 zugeord­ net. In der Meßeinrichtung 7 wird als Signal der Ankerweg er­ faßt, wobei diese Wegerfassung nicht zwingend durch eine un­ mittelbar Wegmessung erfolgen muß, sondern auch über eine Ab­ leitung des Ankerweges aus anderen Kenndaten erfolgen kann, wie dies nachstehend noch näher beschrieben werden wird. Das über die Meßeinrichtung 7 gewonnene Wegsignal 8 und ein hier­ aus über eine Differenzierung 9 abgeleitetes Geschwindig­ keitssignal 10 wird der Motorsteuereinrichtung 4 zugeführt.

Zur Verarbeitung des Wegsignals 8 und des Geschwindigkeitsig­ nals 10 ist die Motorsteuereinrichtung 4 mit einem Kennfeld oder einem Kennfeldsystem 11 mit Kennfeldern für mehrere Ak­ tuatoren versehen, in dem der Verlauf der Geschwindigkeit über den Ankerweg aufgrund empirischer Erkenntnisse oder auf­ grund von Berechnungen aus den Kenndaten des Aktuators vorge­ geben ist. Der Geschwindigkeitsverlauf über den Weg ist hier­ bei so ausgelegt, daß er die wünschenswerte geringe Auftreff­ geschwindigkeit von unter 0,05 m/s aufweist. Diesem durch das Kennfeld vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf ist ein Verlauf für einen Strom-Soll-Wert zugeordnet.

Liegt das über die Meßeinrichtung 7 erfaßte Wegsignal 8 und das hieraus abgeleitete Geschwindigkeitssignal 10 in seinem tatsächlichen Verlauf in der Vorgabe des Kennfeldes, ent­ spricht der Strom-Soll-Wert der Vorgabe durch das Kennfeld. Ergeben sich jedoch im Vergleich zum abgelegten Kennfeld Ab­ weichungen in der Abhängigkeit zwischen Geschwindigkeits­ signal und Wegsignal, dann wird der Strom-Soll-Wert entspre­ chend korrigiert.

Der so gewonnene, ggf. korrigierte Strom-Soll-Wert 12 wird dann dem Stromregler 3 aufgeschaltet, in dem auch der Strom- Ist-Wert 13 erfaßt wird, so daß in bezug auf den ggf. korri­ gierten Strom-Soll-Wert 12 der Strom-Ist-Wert 13 zur Bestrom­ ung des Elektromagneten 2 entsprechend geregelt werden kann.

Da statt einer starren Strom-Soll-Wertvorgabe der Strom-Soll-Wert 12 unter Berücksichtigung der erfaßten tatsächlichen Be­ wegungsverhältnisse am Aktuator über das vorgegebene Kennfeld 11 bzw. ein Kennfeldsystem der Motorsteuereinrichtung selbst korrigiert wird, ist es möglich, auf das Bewegungsverhalten des Aktuators einwirkende Störungen auszuregeln.

Zur Erfassung von Weg und/oder Geschwindigkeit können die verschiedensten Verfahren eingesetzt werden. So ist es bei­ spielsweise möglich, durch eine Erfassung der wegabhängigen Veränderung der Rückstellkraft der Rückstellfeder RF1 bzw. RF2 über piezoelektrische Geber, die der Abstützung der Rück­ stellfedern RF1 bzw. RF2 zugeordnet sind, ein entsprechendes Wegsignal und ein Geschwindigkeitssignal abzuleiten.

Es ist auch möglich, einen sogenannten LED-Schattungssensor im Bereich des Ankers 1 anzubringen. Meßgröße bei diesem Sen­ sor ist die Änderung der Lichtintensität, die bei der Anker­ bewegung durch eine entsprechende hubabhängige Abschattung bewirkt wird. Daraus kann die aktuelle Ankerposition und da­ mit auch der Ankerweg und hieraus abgeleitet, die Ankerge­ schwindigkeit bestimmt werden.

Auch durch die Anordnung von "richtungsfühlenden" Sensoren an den Elektromagneten ist es möglich, über die Erfassung der sich ändernden Richtung des Verlaufs der magnetischen Feldli­ nien die sich ändernde Ankerposition und damit den Ankerweg zu erfassen. Durch eine entsprechende Anordnung kann das Hauptfeld, aber auch das Streufeld des Elektromagneten gemes­ sen werden und aus den sich von der Position des Ankers ab­ hängigen Veränderungen der Ankerweg abgeleitet werden.

Da es hier insbesondere auf die Erfassung der Ankerbewegung im Nahbereich der Polfläche des Elektromagneten ankommt, ist es auch möglich, über kapazitive Sensoren und die Veränderung ihrer Kapazität in Abhängigkeit vom Ankerhub die Ankerbewe­ gung zu erfassen. Erforderlich sind aber hier hochfrequente Anregungsfrequenzen im MHz-Bereich.

Der hier in bezug auf den Anker 1 verwendete Begriff "End­ lage" gilt auch für die Positionen, die der Anker einnimmt, wenn bei Vorhandensein eines Ventilspiels das Ventil seien Sitz erreicht.

Grundsätzlich gilt für die Regelung der Bestromung, daß durch die Steuerung auf einen Haltestrom umgeschaltet wird, der auch getaktet sein kann, wenn der Anker an einer Polfläche seine Endlage erreicht hat.

Das beschriebene Verfahren zur Reduzierung der Auftreffge­ schwindigkeit des Ankers bzw. des Ventils im Sitz berücksich­ tigt auch das Auftreten größerer Bewegungsverluste, da es über die "Führung" der Bestromung nach der Ankergeschwindig­ keit in Abhängigkeit vom Weg ein Arbeiten des Reglers auf der sicheren Seite erzwingt. Damit kann verhindert werden, daß der Anker "verhungert", also die Polfläche des jeweils fan­ genden Magneten nicht mehr erreichen kann, da immer eine ge­ nügende Energieeinspeisung bewirkt wird. Die Problematik stellt sich vor allen Dingen bei den Gasauslaßventilen, die gegen hohe Gaskräfte öffnen müssen.

Zur Belegung des Kennfeldes 11 werden die gemessenen oder auch rekonstruierten Größen "Weg" und "Geschwindigkeit" an ein Kennfeld adressiert, dem direkt ein Strom-Soll-Wert ent­ nommen wird, und zwar derart, daß basierend auf einem wirk­ lichkeitsnahen Aktuatormodell jeweils der optimale Strom er­ mittelt wird, der eine Aufsetzgeschwindigkeit von annähernd 0 ermöglicht. Dies erfolgt entsprechend der Grafik in Fig. 2 durch numerische Lösung des Differentialgleichungssystems des Aktuatormodells, indem vom Augenblick des Aufsetzens des An­ kers mit niedriger Aufsetzgeschwindigkeit (Punkt A im Zu­ standsraum) ausgehend rückwärts in der Zeit integriert wird. Dabei wird für jedes Wegelement Δs = s_i - s_i-1, das dem Wegab­ stand zweier benachbarter Kennfeldpunkte entspricht und für jede sinnvolle Geschwindigkeit V_j des Kennfeldes an der Weg­ position s_j jeweils der Wertebereich der Stromvorgabe in ge­ nügend feiner Abstufung durchlaufen, um für jede sinnvolle Geschwindigkeit v_j an der Wegposition s_i-1 einen Strom-Soll- Wert zu erhalten, der sicher zum Ausgangspunkt A führt. Dabei kann ein zusätzliches Gütemaß verwendet werden, um unter meh­ reren möglichen Strom-Soll-Werten einen optimalen Wert auszu­ wählen.

Das in Fig. 3 wiedergegebene Flußdiagramm zeigt den Ablauf des in Fig. 2 schematisch dargestellten Kennfeldfüllens durch Rückwärtsrechnen über einen Rechner. Begonnen wird mit dem gewünschten Endzustand, also s = 0 ( = anliegender Anker) und einer bestimmten Sollauftreffgeschwindigkeit v = v(0). Ausge­ hend hiervon wird aufgrund der Kräftegleichungen mit Hilfe des Modells errechnet, welcher Zustand (s(i), v(j)) kurz vor­ her vorgelegen haben muß. Wenn ein bestimmter Strom vorausge­ setzt wird. Somit ist es durch dieses Rückwärtsrechnen mög­ lich, für verschiedene Stromwerte herauszufinden, bei welchem "Vorzustand" der Strom ZU dem gewünschten "Endzustand" führt. Dieser Stromwert wird nun unter dem entsprechenden Kennfeld­ punkt, also dem entsprechenden Vorzustand eingetragen. Dies wird solange wiederholt, bis alle sinnvollen Stromwerte durchgespielt sind, wie in Fig. 2 dargestellt.

Nach dem ersten Durchlaufen aller möglichen Stromwerte erhält man nun eine neuerliche Anzahl von möglichen Kennfeldpunkten, die eine Erreichung des endgültigen Endzustandes ermöglichen. Diese Kennfeldpunkte sind in der Abb. 2 als zweite Spalte von links zu sehen. Nun wird für jeden dieser Punkte mit dem Rückwärtsrechnen zur dritten Spalte begannen. Jeder dieser Punkte wird nun als neuer "gewünschter Zustand" ange­ sehen und für jeden dieser Punkte wird für alle sinnvollen Ströme die Rückwärtsrechnung durchgebührt. So wird bei jedem Punkt für jeden Strom ein "Vorzustand" s(i), v(j) ermittelt, der bei dem entsprechenden Strom zu dem gewünschten Zustand führt. Somit ist es auch möglich, daß ein "Vorzustand" bei unterschiedlichen Strömen zu mehreren gültigen "gewünschten" Zuständen führt. Zunächst muß also in jedem Kennfeldpunkt so­ wohl der Strom als auch der hiermit erreichbare "Endzustand" bzw. gewünschte Zustand gespeichert werden.

Abschließend muß nun noch zwischen den jeweils möglichen Strömen in einem Kennfeldpunkt ausgewählt werden. Hierfür kann ein Gütemaß ermittelt werden, das eine Bewertung der Kennfeldpunkteinträge vornimmt. Ein solches Gütemaß kann bei­ spielsweise aufgrund einer als besonders sinnvoll erachteten Trajektorie durch das Kennfeld ermittelt werden (je weniger Abweichung von der Trajektorie, um so besser ist der Kenn­ feldeintrag). Oder es können auch andere Kriterien wie bei­ spielsweise ein möglichst wenig zu ändernder Strom zur Aus­ wahl der endgültigen Kennfeldeinträge verwendet werden.

Claims (1)

1. Verfahren zur Regelung eines elektromagnetischen Aktuators mit wenigstens einem Elektromagneten und einem auf ein Stell­ glied einwirkenden Anker, der gegen die Kraft wenigstens ei­ ner Rückstellfeder durch gesteuerte Bestromung des mit einer Polfläche versehenen Elektromagneten über eine Steuereinrich­ tung aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite, durch die Anlage des Ankers an der Polfläche definierte zweite Schaltstellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung der Bestromung zur Einregelung einer geringen Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die Polfläche

   • a) beim jeweiligen Schaltvorgang der Ankerweg (s) und der Verlauf der Ankergeschwindigkeit (v) als Ist-Werte er­ faßt werden,
   • b) die erfaßten Ist-Werte von Ankerweg (s) und Ankerge­ schwindigkeit (v) mit einem in der Steuereinrichtung abgelegten Kennfeld für eine vorgegebene Abhängigkeit der Geschwindigkeit über den Flugweg des Ankers vergli­ chen werden und hierdurch ein Soll-Wert für die Be­ stromung des Elektromagneten vorgegeben wird und
   • c) der Ist-Wert für die Bestromung mit dem Soll-Wert für die Bestromung verglichen und nach Ausregelung einer sich hieraus ergebenden Differenz der Elektromagnet be­ stromt wird.