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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Elektromagneteinheit
(solenoid device) und insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung
der statischen Ankerposition der Elektromagneteinheit ohne Verwendung
von Sensoren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
herkömmliches
elektromagnetisches Stellglied (actuator) zum Öffnen und Schließen eines Ventils
einer Brennkraftmaschine enthält
im Allgemeinen einen Elektromagneten, der eine elektromagnetische
Kraft auf einen Anker ausübt,
wenn er von Strom durchflossen wird. Der Anker wird durch eine Rückholfeder
vorgespannt, und er ist mit dem Zylinderventil des Motors verbunden.
Der Anker wird vom Elektromagneten in einer Betriebsstellung gegen
den Stator des Stellglieds gehalten, und wenn der Strom am Elektromagneten
abgeschaltet wird, kann sich der Anker durch die Rückholfeder
zu einer anderen Betriebsstellung hin bewegen und dort verbleiben.
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Herkömmliche
elektronische Hochgeschwindigkeits-Elektromagneteinheiten für Einspritzventile enthalten
einen Anker, der sich in Bezug auf einen Stator bewegen kann, um
die Bewegung eines Einspritzventils zu steuern.
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Bei
Elektromagneteinheiten, die für
ein elektromagnetisches Stellglied oder ein Kraftstoffeinspritzventil
vorgesehen sind, kann es wünschenswert sein,
die statische Stellung des Ankers in Bezug zum Stator zwecks mechanischer
Justierung zu ermitteln, oder um den Positionsstatus des Ankers
für Diagnosezwecke
zu bestimmen.
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DE 197 36 963 beschreibt
ein Ventil und ein Stellglied, in denen eine Position im stromlosen
Zustand ermittelt und die Vorspannkraft der Ventilfedern entsprechend
justiert wird.
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Bei
einem elektromagnetischen Stellglied ist es oft erforderlich, für einen
spezifischen Abstand zwischen dem Anker und den Elektromagneten
zu sorgen (eine mechanische Mittenjustierung). Zu einigen herkömmlichen
Verfahren der mechanischen Mittenjustierung gehören die folgenden:
- 1) Während
der Installation des Stellglieds wird der Spalt zwischen Anker und
Stator mechanisch gemessen, und es werden die erforderlichen Justagen
vorgenommen. Ein erneutes Justieren würde bedeuten, dass man fast
zur Zusammenbauphase zurückkehren
muss, um für
eine neuerliche mechanische Messung den notwendigen Zugang zu haben,
oder es wäre
die Verwendung eines auf dem Stellglied angebrachten Positionssensors
erforderlich.
- 2) Wenn das Stellglied in Betrieb ist, wird die Aufprallgeschwindigkeit
bei nichtgeregeltem Anker so justiert, dass sie unter der Annahme
gleicher Eingangsstromprofile beim Öffnen und Schließen relativ
gleich groß ist.
Für die
Messung der Geschwindigkeit ist entweder ein Laser-Doppler-Sensor
oder ein anderer geeigneter Geschwindigkeitssensor oder ein Positionssensor erforderlich,
dessen Signalableitung als Geschwindigkeitswert verwendet wird.
- 3) Wenn das Stellglied in Betrieb ist, wird der nichtgeregelte
Strom dahingehend überwacht,
ob während
des Ankerflugs irgendeine Abweichung vom Normalwert auftritt. Die
Abweichung vom Normalwert wird subjektiv verwendet, um einen ungefähren Versatz
des Ankers von seiner optimalen Stellung zu ermitteln.
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Es
besteht folglich ein Bedarf, die statische Position des Ankers einer
elektronisch gesteuerten Elektromagneteinheit zu ermitteln, bei
der der Einsatz eines Sensors entbehrlich ist, die keine zyklische
Operation der Einheit erfordert und bei der nach der Installation
ein reproduzierbarer Einstellpunkt zur Verfügung steht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den oben genannten
Bedarf zu befriedigen. Gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem
ein Verfahren entsprechend den Ausführungen im unabhängigen Anspruch
bereitgestellt wird.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sowie die Betriebsverfahren und die Funktionen der betreffende Elemente
der Anordnung, die Kombination der Teile und die Wirtschaftlichkeit
ihrer Herstellung werden bei der Betrachtung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung
und der anhängenden
Ansprüche
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die alle Bestandteile
der vorliegenden Spezifikation sind, deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Elektromagneteinheit, insbesondere
eines gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung bereitgestellten elektromagnetischen
Stellglieds, das mit einem Gaswechselventil eines Motors verbunden gezeigt
ist;
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1a ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Elektromagneteinheit,
insbesondere ein gemäß den Grundgedanken der
vorliegenden Erfindung bereitgestelltes elektronisch gesteuertes
Einspritzventil;
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2 ist
ein Blockschaltbild einer Stromkreisstruktur der Elektromagneteinheit
von 1;
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3 ist
ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Stromkreisstruktur
der Elektromagneteinheit von 1;
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4 ist
ein Blockschaltbild, das einen Fluss-Spiegelkreis der Stromkreisstruktur
von 3 zeigt;
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5 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss (ramped flux)
und den entsprechenden Strom durch die Spule zum Öffnen der Elektromagneteinheit
von 1 zeigt, wobei die Ankerposition von 6 mm bis
2 mm verändert
wird;
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6 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 2 mm versetzten
Ankerposition zeigt;
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7 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 1 mm versetzten
Ankerposition zeigt;
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8 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 0,5 mm versetzten
Ankerposition zeigt;
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9 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 0,25 mm versetzten
Ankerposition zeigt;
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10 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 125 μm versetzten
Ankerposition zeigt; und
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11 ist
ein Diagramm der Erfindung, das den ansteigenden Fluss und die entsprechende Änderung
des Stroms sowohl durch die Spule zum Öffnen als auch durch die Spule
zum Schließen
der Elektromagneteinheit (bei denen die jeweilige Stromstärke gleich
groß ist)
in 1 von einer nominalen zu einer um 62 μm versetzten
Ankerposition zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezug
nehmend auf 1 wird eine Elektromagneteinheit
in Form eines elektromagnetischen Stellglieds allgemein mit der
Bezeichnung 10 gezeigt, das eine Elektromagneteinheit darstellt,
in der die statische Position eines Ankers gemäß den Grundgedanken der vorliegenden
Erfindung ermittelt wird. Es wird zwar ein elektromagnetisches Stellglied zur
Verwendung in elektronischen Ventilsteuerungen gezeigt, um eine
Elektromagneteinheit für
die Zwecke der Beschreibung der Erfindung darzustellen, die Erfindung
ist jedoch nicht auf ein Stellglied beschränkt. Die Erfindung betrifft
jede elektronisch gesteuerte Elektromagneteinheit wie zum Beispiel
ein Kraftstoffeinspritzventil 100, das in 1a gezeigt ist.
Das Kraftstoffeinspritzventil 100 enthält ein Gehäuse 140 und einen
Magnetkreis, der im Gehäuse 140 untergebracht
ist. Der Magnetkreis umfasst eine Spule 160, einen Statorkern 180 und
einen Anker 200, der mit einem Einspritzventil 210 verbunden
ist. Der Anker 200 bewegt sich zwischen einer ersten und
einer zweiten Position in Bezug auf den Statorkern 180 und
bewegt damit das Einspritzventil 210 zwischen einer offenen
und einer geschlossenen Position.
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Wie
oben erwähnt,
wird die Erfindung mit Bezug auf das elektromagnetische Stellglied
von 1 beschrieben. Das elektromagnetische Stellglied 10 enthält einen
ersten Elektromagneten mit der allgemeinen Bezeichnung 12,
der einen Statorkern 14 und eine Elektromagnetspule 16 enthält, die
dem Statorkern 14 zugeordnet ist. Ein zweiter Elektromagnet
mit der allgemeinen Bezeichnung 18 ist im Allgemeinen dem
ersten Elektromagneten 12 gegenüberliegend angeordnet. Der
zweite Elektromagnet 18 enthält einen Statorkern 20 und
eine Elektromagnetspule 22, die dem Statorkern 20 zugeordnet
ist. Das elektromagnetische Stellglied 10 enthält einen
ferromagnetischen Anker 24, der durch einen hydraulischen
Ventilversteller 27 und den Schaft 25 mit einem
Schaft 26 des Fluidwechselventils 28 verbunden ist.
Der Anker 24 ist im Allgemeinen zwischen den Elektromagneten 12 und 18 angeordnet,
damit eine durch die Elektromagneten erzeugte Kraft auf ihn einwirken
kann. Wenn durch die Elektromagneten 12 und 18 kein
Strom fließt,
wird der Anker 24 im Allgemeinen zwischen den beiden Elektromagneten 12 und 18 durch
gegeneinander wirkende Federn 30 und 32 in einer
Ruheposition gehalten. Wenn sich das Ventil in einer geschlossenen
Position befindet (1), wirkt der Anker 24 auf
den Statorkern 14 des ersten Elektromagneten 12.
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Jeder
Statorkern und die zugehörige
Spule definieren zusammen mit dem Anker 24 einen magnetischen
Kreis des Stellglieds 10. Weiterhin ist wie in 1 ersichtlich
ein Luftspalt 34 zwischen dem Anker 24 und dem
Elektromagneten 18 vorgesehen. Es ist klar, dass ein Luftspalt
zwischen dem Anker 24 und dem oberen Elektromagneten 12 zu
bestimmten Zeiten während
des Schwingens des Ankers 24 entsteht. Der Luftspalt 34 stellt
in einem ferromagnetischen Kreis eine Diskontinuität dar, die
die Reluktanz (den magnetischen Widerstand für den Magnetfluss) des Kreises
erhöht.
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Die
US-Patentanmeldung Nr. 09/122 042 mit dem Titel "A Method For Controlling Velocity Of
An Armature Of An Electromagnetic Actuator" beschreibt eine Regelung eines elektromagnetischen Stellglieds
auf der Grundlage einer Änderungsrate des
magnetischen Flusses, ohne dass dafür ein Flusssensor benötigt wird.
Darüber
hinaus wird in der US-Patentanmeldung von den Erfindern Czimmek und
Wright mit dem Titel "A
Method For Determining Magnetic Characteristics Of An Electronically
Controlled Solenoid",
deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen
wird, ein Verfahren zur Erzeugung einer Magnetisierungskurve einer
elektronisch gesteuerten Elektromagneteinheit mit einem Anker in
einer statischen Position unter Anwendung einer Regelung des magnetischen Flusses
beschrieben.
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Die
Erfindung verwendet eine Regelung des magnetischen Flusses, um eine
statische Position des Ankers 24 der elektronisch gesteuerten
Elektromagneteinheit 10 zu ermitteln.
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Bezug
nehmend auf 2 wird ein Blockschaltbild einer
Stromkreisstruktur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Regelung des magnetischen
Flusses beinhaltet. Die Struktur dieser Schaltung beruht auf einer
Steuerung der Ankergeschwindigkeit kurz vor dem Aufprall, indem
die Änderungsrate
des magnetischen Flusses im Anker/Stator-Magnetkreis durch Messen der
Spannung an den Klemmen der Spule 22 geregelt wird. In
der Schaltung von 2 wird eine Spannung 36 an
den Klemmen der Spule 22 einem Komparator 38 zugeführt. Ebenfalls
dem Komparator 38 zugeführt
wird eine Schwellenspannung 40. Das Ausgangssignal des
Komparators 38 wird zu einer logischen Zeitsteuerkomponente 42 „logisch
hinzugefügt" und an eine Ansteuerschaltung 44 für das Stellglied
gegeben, um das Stellglied 10 anzusteuern. Sobald die Stellglied-Ansteuerschaltung 44 aktiviert wird,
wird die Elektromagnetspule 22 eingeschaltet.
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Die
gemessene Spulenklemmenspannung 36 wird mit der Schwellenspannung 40 verglichen, und
die Schwellenspannung 40 wird zur Steuerung eines Fangstroms
verwendet, der der Elektromagnetspule 22 des Stellglieds 10 zugeführt wird,
so dass auf diese Weise der magnetische Fluss 41 gesteuert
wird.
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Obwohl
das direkte Messen der Spulenklemmenspannung zum Steuern des Aufpralls
des Ankers 24 des Stellglieds 10 sehr effektiv
ist, ist es vorzuziehen, die hohe Gleichtaktspannung, die üblicherweise an
jeder Klemme der Spule 22 anliegt, nicht physisch zu messen.
Es könnte
stattdessen ein parametrisch ermitteltes Spiegelbild der Spulenklemmenspannung und
somit ein Spiegelbild der Änderung
des Flusses im Magnetkreis des Stellglieds derart von dem Stromkreis
des Stellglieds 10 bereitgestellt werden, dass keine Notwendigkeit
mehr besteht, zum Messen der Spulenklemmenspannung die Spulenklemmen
physisch zu berühren.
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Mit
Bezug auf 3 wird ein Systemblockschaltbild
der Steuerung des Elektromagneten oder des Stellglieds 10 gezeigt,
bei dem ein ,Fluss-Spiegel'-Schaltkreis
verwendet wird. Das Stellglied 10 ist elektrisch mit einem "Öffnen-"Stromverstärker 43 und einem „Schließen-"Stromverstärker 45 verbunden. Die
Stromverstärker 43 und 45 sind
jeweils mit einem programmierbaren Stromregler oder Ansteuerbord 46 verbunden.
Die Programmierung für
die Stromsteuerung wird durch ein Schaltkreisbord 47 für einen weichen
Aufprall ausgeführt,
das die gewünschten Änderungsraten
des Magnetflusses steuert und regelt, die zur Steuerung der Magnetkraft
auf den Anker 24 des Stellglieds 10 erforderlich
sind, und somit den Flussverlauf steuert. Die Regelung des Flusses erfolgt
durch eine Rückkopplung
der Stellgliedspulenspannung 48 zu einem Flussspiegelschaltkreis 49 auf
dem Schaltkreisbord 47 für einen weichen Aufprall.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild einer Flussspiegelschaltung 49 des
Stellglieds 10. Die Elektromagnetspule 22 des
Stellglieds 10 wird vorzugsweise durch einen PWM-Stromregler 50 (Schaltmodus) angesteuert,
der einer Hochspannungs-Leistungstransistorstufe
(die eine Hochspannungsstromversorgung 52 und einen Leistungsschalter 54 enthält) eine
Impulsfolge zuführt,
der anschließend
Spannungsimpulse auf die Spule 22 gibt. Es ist klar, dass der
Strom auch durch andere Mittel, z.B. durch einen Spannungsregler
oder Verstärker,
geregelt werden kann. Das Hinzufügen
der Flussspiegelung zu diesem herkömmlichen Lösungsansatz besteht im Durchleiten
des PWM-Signals mit einem Logikpegel vom Stromregler 50 durch
einen Puffer 56. Die Klemmenspannung des Puffers 56 wird
von einer verkleinerten Kopie des Hochspannungsversorgungssystems 52 abgeleitet.
Zum Schluss wird die skalierte und gepufferte Impulsfolge 58 durch
ein Tiefpassfilter 60 geglättet und an den Komparator 38 angelegt. Ebenfalls
dem Komparator 38 zugeführt
wird eine Schwellenspannung 40. Das Ausgangssignal des Komparators 38 wird
zu einer logischen Zeitsteuerkomponente 42 „logisch
hinzugefügt" und an eine Ansteuerschaltung 44 für das Stellglied
gegeben, um das Stellglied 10 anzusteuern. Sobald die Stellglied-Ansteuerschaltung 44 aktiviert
wird, wird die Elektromagnetspule 22 eingeschaltet. Die
geglättete Impulsfolge 61 vom
Tiefpassfilter 60 wird mit der Schwellenspannung 40 verglichen,
und die Schwellenspannung 40 wird zur Steuerung eines Fangstroms
verwendet, der der Elektromagnetspule 22 des Stellglieds 10 zugeführt wird,
so dass auf diese Weise der magnetische Fluss 41 gesteuert
wird.
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Die
Zeitkonstante des Tiefpassfilters 60 wird zur Geschwindigkeit
des Ankers im Stellglied 10 passend gewählt. Das Ausgangssignal des
Tiefpassfilters 60 ist eine Verkleinerung und ein Spiegelbild
der hohen Betriebsspannung der Spule 22 und entspricht der
gewünschten Änderungsgeschwindigkeit
des magnetischen Flusses dΦ/dt,
der als Rückkopplungsvariable
zur Steuerung der Aufprallgeschwindigkeit des Ankers 24 verwendet
wird.
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Gemäß der Erfindung
wurde das Stellglied 10 mit den programmierbaren Stromverstärkern 43 und 45 elektrisch
verbunden, die vom Bord 47 für einen weichen Aufprall und
dem Ansteuerbord 46 programmiert werden. Mit Bezug auf
die 5 bis 11 wurde der Fluss so gesteuert,
dass er linear bis zu einem geeigneten Maximum anstieg, und die Stromstärke wurde
bei der Änderung
der statischen Ankerposition zu einer anderen Position im Hinblick auf Änderungen
beobachtet.
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In 5 wurde
der Strom der Spule 22 zum Öffnen beobachtet, und die Ankerposition
wurde in 1-mm-Schritten verändert,
von einem Anker/Stator-Spalt 34 von 2 mm bis 6 mm. Bei
dem Änderungsbetrag
von 4 mm ergab sich für
den Spitzenwert des Stroms ein Änderungsbetrag
von 1,5 A, und es wurde eine entsprechende Änderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
beobachtet. Bei dieser Durchführungsart
wird eine Änderung
des Stromes bei einer Ankerpositionsänderung mit einem festen Flussprofil
aufgezeigt.
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In
den 6 bis 9 wurde der Strom durch die
Spule 22 zum Öffnen
und auch der Strom der Spule 16 zum Schließen beobachtet
und die Änderung
des Stroms von einer Nominalposition zu den Versatzpositionen von
2 mm, 1 mm, 0,5 mm und 0,25 mm dargestellt. An der Nominalposition
waren die Ströme
durch die Spulen 16 und 22 gleich. Es konnte somit
aufgezeigt werden, dass die Bewegung von einer nominalen Ankerposition
(magnetische Mittenposition) zu Ankerversatz- Positionen in gegenüberliegenden Spulen zu sich
in entgegengesetzte Richtungen ändernden
Strömen
führt.
Die Stromrichtungen der Änderungen
hängen
von der Richtung des Ankerpositionsversatzes ab.
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9 zeigt
darüber
hinaus gleichzeitig eine konditionierte Version des Stroms. Diese
konditionierte Stromversion ist eine auf 0,5 Volt pro Ampere Strom
skalierte Spannung, und sie ist gefiltert, um die Auswirkungen der
Regelungsschaltvorgänge
auf das beobachtete Signal auf ein Mindestmaß zu verringern. Dieses neue
Stromsignal wurde in den 10 und 11 verwendet,
um eine größere Auflösung bei
der Anzeige von Stromänderungen
zu erzielen. Die Skalierung in den 10 und 11 beträgt ebenfalls
0,5 V/A, also werden pro Einheit 50 mV/100 mA angezeigt.
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In
den 10 und 11 wurde
der jeweilige Strom durch die Spule 22 zum Öffnen und
durch die Spule 16 zum Schließen beobachtet, und in den Abbildungen
wird die Stromänderung
bei einer Ankerverschiebung von der Nominalposition (bei der die Ströme durch
beide Spulen 16 und 22 gleich groß sind)
zu den Versatzpositionen von 125 μm
bzw. 62 μm
gezeigt. Neben dem Aufzeigen der Stromänderung bei einer Änderung
der Position und der Empfindlichkeit gegenüber der Richtung der Ankerpositionsänderung
wird der hohe Empfindlichkeitsgrad des sensorlosen Verfahrens zur
Ermittlung einer statischen Ankerposition mit einer Auflösung von
besser als einigen zig μm
dargestellt.
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Bei
der oben genannten "nominalen
Position" handelt
es sich um die Position des Ankers 24, in der die Ströme in beiden
Spulen, der Spule zum Öffnen
und der Spule zum Schließen,
im Wesentlichen gleich groß sind
und folglich im Wesentlichen der gleiche Fluss erzeugt wird. Die „nominale
Position" ist die gleiche
wie die nachfolgend beschriebene „magnetische Mittenposition".
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Im
Hinblick auf die oben präsentierten
Ergebnisse ist die sensorlose Ermittlung der statischen Ankerposition
in einem elektromechanischen Stellglied oder einer Elektromagneteinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
und zwar auf der Grundlage der dargestellten Empfindlichkeit auf
die Ankerposition, die Empfindlichkeit auf die Richtung der Ankerpositionsänderungen
und einer hohen Auflösung bei
der Ermittlung der Ankerposition.
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Die
Ermittlung der statischen Ankerposition wird durch die Verwendung
der folgenden grundlegenden statischen Beziehungen ermöglicht: RΦ = NI (Beziehung 1)wobei:
- R
- der magnetische Widerstand
(Reluktanz)
- Φ
- der Fluss
- N
- die Anzahl der Windungen
der Spule; und
- I
- der Strom durch die
Spule ist.
RαD/μA (Beziehung 2)wobei: - R
- der magnetische Widerstand
(Reluktanz)
- D
- der Magnetspalt
- μ
- die Permeabilität; und
- A
- die Fläche ist.
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Wenn
sich der magnetische Widerstand R (der eine Funktion des magnetischen
Spalts D ist, wie man aus der Beziehung 2 sehen kann) bei gleichbleibender
Windungszahl N der Spule und gleichbleibendem Fluss Φ ändert, muss
sich der Strom I ebenfalls ändern.
Wenn sich der magnetische Widerstand bei unveränderter Windungszahl und gleichgroßem Strom ändert, gilt
in gleicher Weise, dass sich der Fluss ändern muss. Bei einer experimentellen
Umsetzung der vorliegenden Erfindung werden die Windungszahl der
Spule und der Fluss als unveränderliche
Parameter festegelegt. Infolgedessen führt bei Anwendung der obigen
statischen Beziehung 1 jede Änderung
des magnetischen Widerstands (des Spalts) zu einer Änderung
des Stroms.
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Bezug
nehmend auf das Systemblockschaltbild in 3 ist in
der typischen Anwendung der vorliegenden Erfindung ein Elektromagnet
oder ein ähnliches
elektromechanisches Stellglied 10 elektrisch mit einem
programmierbaren Stromregler oder Stromverstärker verbunden. Die Stromprogrammierung
wird durch das Bord 47 für einen weichen Aufprall durchgeführt, um
die gewünschte
Flussänderungsrate
und somit den Flussverlauf zu steuern und zu regeln. Eine Regelung
des Flusses wird durch eine Rückkopplung
der Stellgliedspulenspannung zum Flussspiegelschaltkreis 49 auf
dem Bord 47 für einen
weichen Aufprall erreicht. Wenn die grundlegende statische Beziehung
verwendet wird, ist die Anzahl der Windungen der Spulen typischerweise fest,
und die statische Ankerposition und somit der magnetische Widerstand ändern sich.
Die Parameter des Flusses und des Stroms sind die verbleibenden gesteuerten
oder beobachteten Variablen. Es wird entweder die Flussrate gesteuert,
und eine Stromrate wird beobachtet, oder es wird eine Stromrate
gesteuert, und eine Flussrate wird beobachtet. Darüber hinaus
sind Änderungsrichtung, Änderungsraten, Änderungsformen,
Abtastpunkte, Abtastraten oder Kombinationen davon nicht auf diejenigen
begrenzt, die hier spezifisch erwähnt werden.
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Die
Flussänderungsrate
kann ermittelt und durch Messung der Klemmenspannung der Spule oder
durch Verwendung des Flussspiegelschaltkreises 49 geregelt
werden, der die Spulenklemmenspannung wie oben erläutert spiegelt.
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Um
die Erläuterungen
einfach zu halten, wird bei den Beispielen der nachfolgend beschriebenen sensorlosen
Ermittlung der Ankerposition die Steuerung des Flusses verwendet.
Man ließ den
Fluss linear auf einen in Bezug auf die jeweilige Spule geeigneten
Wert ansteigen, und die Anstiegsgeschwindigkeit oder der Wert des
sich ergebenden Stroms für jede
Spule war die für
die der Ermittlung der Ankerposition beobachtete Variable. Mit Bezug
auf 1 liefert der Anker 24 des Stellglieds 10 die
Bewegung zum Öffnen
und Schließen
des daran befestigten Ventils 28 über den sich linearen bewegenden
Schaft 25 unter der Steuerung von zwei gegensinnig wirkenden
Federn 30, 32 und ihrer entsprechenden Elektromagneten 12 und 18 zum Öffnen bzw.
Schließen.
Die zum Bewegen des Ankers 24 zwischen dem Elektromagneten 12 und
dem Elektromagneten 18 erforderliche kinetische Energie
wird größtenteils
in den Federn 30 und 32 als potenzielle Energie
gespeichert, und die Elektromagnetspulen 16 und 22 liefern
die Zusatzenergie, die während
jedes Ankerhubs aufgrund von Reibung und Gas- oder Fluidarbeit verloren
geht. Die magnetische und die mechanische Mittenposition des Ankers 24 sollte
bei einem präzise hergestellten
Elektromagneten dieses Typ zwar identisch sein, aufgrund von Toleranzen
und anderen Variablen ist dies jedoch nicht immer der Fall.
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Aus
diesem Grunde werden die Justage des Ankers 24 auf die
magnetische Mittenposition und die Justage des Ankers 24 auf
die mechanische Mittenposition als separate Ausführungen der Erfindung in den
nachstehenden Beispielen behandelt.
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BEISPIEL 1
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Justage der Ankerposition
auf die magnetische Mittenposition in einem elektromagnetischen
Stellglied.
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Wenn
das Stellglied 10 in seiner endgültigen Lage auf dem Zylinderkopf 33 (1)
einer Brennkraftmaschine montiert ist, werden die Stellgliedspulen 16 und 22 alternierend
unter der Steuerung des Flusses bestromt, und zwar über eine
geeignete Motordiagnoseausrüstung
mit Anweisungen über
ein Motorsteuergerät
(Engine Control Unit ECU) und/oder eine elektronische Ventilsteuereinheit (Electronic
Valve Controller EVC) 45. Die resultierenden Stromanstiegsgeschwindigkeiten
(current slopes) wurden für
jede Spule unabhängig
zeitlich gemittelt, um kleine elektronische Schwankungen zu glätten. Die
resultierenden Mittelwerte der Stromanstiegsgeschwindigkeiten der
einzelnen Spulen wurden in Echtzeit verglichen, um auf einer geeigneten
Anzeigeinheit Daten bereitzustellen. Bei diesem Beispiel hatte das
Stellglied 10 eine Justierschraube 35, um die
Kompression der Feder 30 einzustellen und somit die Position
des Ankers 24 mittels des Schafts 37 zu justieren,
der dem Anker 24 funktionsmäßig zugeordnet ist. Die Schraube 25 wird
mechanisch in Bezug auf das Gehäuse 39 so
verstellt, dass die Anzeigeeinheit Stromanstiegsgeschwindigkeiten darstellt,
die im Wesentlichen für
alle Spulen gleich sind. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die
Ankerposition des Stellglieds auf dem Zylinderkopf mechanisch so
justiert werden kann, dass bei allen Spulen für einen gewünschten Fluss im Wesentlichen
gleiche Stromprofile gelten. Das Stellglied 10 wird also
mit dem Anker 24 in eine Position gebracht, in der für jede Spule 16 und 22 im
Wesentlichen gleiche Magnetisierungskurven bereitgestellt werden. Aus
diesem Grunde befindet sich der Anker 24 in der magnetischen
Mittenposition.
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BEISPIEL 2
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Justage der
Ankerposition auf eine mechanische Mittenposition
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a) Kalibrierung von vorgemessenen
Stellgliedern mit der elektronischen Ventilsteuereinheit (EVC)
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Wenn
sich das Stellglied 10 vor der Installation auf dem Zylinderkopf 33 einer
Brennkraftmaschine und während
der Durchführung
der elektrischen Qualitätskontrolle
in einer Endphase des Zusammenbaus befindet, kann der Anker 24 des
Stellglieds 10 in eine mechanische Mittenposition gebracht
werden, indem die Lage des Ankers 24 zwischen den Elektromagneten 12 und 18 physisch
gemessen wird. Anschließend
wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises für jede Spule 16 und 22 mit
Hilfe der Bestimmung der Induktion oder eines anderen Verfahrens
zur Ermittlung magnetischer Kenwerte gemessen. Der Wert des magnetischen
Widerstands gibt eindeutig darüber
Auskunft, dass sich das Stellglied 10 mit seinem Anker 24 in
der mechanischen Mittenposition befindet. Daher müssen die
Reluktanzdaten für
die Installation und die Justage dem Stellglied seriell zur Verfügung gestellt
werden. Die Daten können
beispielsweise in einer Datenbank gespeichert werden, damit sie
verfügbar
sind, wenn das Stellglied installiert wird, oder sie können als
Zahl oder als Balkencode auf dem Stellglied selbst gespeichert werden.
Das Stellglied 10 wird anschließend auf dem Zylinderkopf 33 angebracht
und auf ähnliche Weise
justiert wie bei der Justage auf die magnetische Mittenposition
(mit Hilfe der Einstellschraube 35), allerdings unter Verwendung
der für
dieses Stellglied gespeicherten Reluktanzdaten, um die Stromanstiegsgeschwindigkeiten
mit dem notwendigen Versatz zum Justieren auf die mechanische Mittenposition
zu korrigieren. Die elektronische Ventilsteuereinheit (EVC) 45 wird
mit dem Versatz für
jedes Stellglied des Motors programmiert. Für jedes Stellglied ist auf
dem Zylinderkopf 33 ein bestimmter Platz registriert, so
dass das Stellglied bei der Durchführung von Wartungs- oder Reparaturarbeiten
nicht von dem Kanal getrennt wird, an dem es mit seinen eindeutigen
Merkmalen von der EVC vermutet wird. Wenn ein Stellglied ausgetauscht
wird, muss die EVC mit den Versatzdaten des neuen Stellglieds aktualisiert
werden, um eine ordnungsgemäße mechanische
Justierung zu gewährleisten.
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b) Kalibrierung der EVC
auf installierte und gemessene Stellglieder – Sonderfälle
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Wenn
die Stellglieder 10 auf dem Zylinderkopf 33 montiert
werden, wird die mechanische Mittenposition jedes Stellglieds justiert,
und sein eindeutiger Versatz der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird in
der EVC 45 für
den Fall von Neujustierungen während
der Lebenszeit des Stellglieds aufgezeichnet. Dadurch wird das physische
Ausmessen der Ankerposition entbehrlich, und es wird stattdessen
die Anwendung von sensorlosen Verfahren durch das Motordiagnosesystem
möglich.
Wenn ein Stellglied ausgewechselt wird, muss die EVC mit dem neuen
Versatz programmiert werden, sobald das neue Stellglied mittels
einer physischen Messung justiert ist.
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Ein
Sonderfall der Stellgliedjustage wäre es, wenn für eine optimale
Funktion unter bestimmten Bedingungen einen Versatz des Ankers gewünscht wird.
Dieser Ankerversatz kann entweder als Änderung der Programmierung
des vorgemessenen Stellglieds oder als zusätzlicher Versatz eingeführt werden,
der während
der Justage des Ankers den Stromanstiegsgeschwindigkeiten hinzugefügt werden muss.
Das einfachste Verfahren bestünde
darin, das Stellglied auf die magnetische oder die mechanische Mittenposition
zu justieren und anschließend
die Einstellschraube um ein paar Grad zu verdrehen, um den gewünschten
Versatz der Ankerposition zu erhalten.
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Ein
weiterer Sonderfall der EVC-Programmierung bestünde darin, den Versatz der
Stromanstiegsgeschwindigkeit zum Zwecke der Motorselbstdiagnose
zu verwenden. Die EVC kann in einigen geeigneten Betriebszuständen (beim
Start) Magnetisierungskurven erzeugen und die Kurven mit denjenigen
vergleichen, die in der EVC bei der ersten Installation und Justage
der Stellglieder programmiert wurden. Jede Abweichung der vorliegenden Kurven
von den ursprünglichen
Kurven könnte
verwendet werden, um mögliche
Probleme zu diagnostizieren, beispielsweise die einfache Notwendigkeit, das
Auftreten eines mechanischen Fehlers besser zu erkennen (z.B. das
Brechen einer Ventilfeder, das Verklemmen des Ankerschafts usw.).
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Auf
dem Gebiet der Elektromagnete der diversen Kraftsteinspritzventile
gab es bis zum Vorliegen dieser Erfindung kein praktikables Verfahren
der Ermittlung der statischen Ankerposition und damit der Nadelposition,
um einen Fehler während
des Lebenszyklus des Einspitzventils zu erkennen. Die vorliegende
Erfindung stellt ein sensorloses Verfahren für das Motorsteuergerät bereit,
um festzustellen, ob der Anker eines Kraftstoffeinspritzventils
in einer offenen oder geschlossenen Stellung festklemmt. Während der
Offen-Phase des
Einspritzventils kann beispielsweise eine Magnetisierungskurve erzeugt
werden, indem man den Fluss bis zu einem bestimmten Wert des Stroms
ansteigen lässt.
Diese Kurve ist eindeutig, wenn sich der Anker gegenüber dem
Stator tatsächlich
in einer offenen Stellung befindet. Wenn sich der Anker aus irgendeinem
Grunde in einer von der Offenstellung verschiedenen Position befindet (z.B.
teilweise offen oder geschlossen), ist die Magnetisierungskurve
anders. Die Tatsache, dass sie anders ist, zeigt eine Situation
an, die nicht der normalen Situation entspricht. Es ist nicht einmal
erforderlich zu wissen, wie die Magnetisierungskurve in allen anderen
Ankerstellungen aussieht, es genügt,
dass es eine andere Magnetisierungskurve gibt. Ebenso kann während der
Schließphase
des Einspritzventils eine Magnetisierungskurve erzeugt werden (allerdings
bei einem geringeren Fluss, damit das Einspritzventil nicht unbeabsichtigt
geöffnet
wird), und jede Abweichung von dem, was als normal angesehen wird,
wäre ein
Hinweis, dass ein Einspritzventil nicht vollständig geschlossen ist.