DE60103118T2

DE60103118T2 - Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils

Info

Publication number: DE60103118T2
Application number: DE60103118T
Authority: DE
Inventors: Carlo Rossi; Gianni Padroni; Riccardo Nanni
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: DE60103118D1; EP1209328A3; US20020100439A1; BR0106023A; EP1209328A2; US6683775B2; ITBO20000678A0; ITBO20000678A1; BRPI0106023B1; ES2218327T3; EP1209328B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator zur Steuerung eines Motorventils.
Wie es bekannt ist, werden gegenwärtig Verbrennungsmotoren des in der am 4. August 1999 eingereichten, italienischen Patentanmeldung B099A000443 offenbarten Typs getestet, in welchen die Bewegung der Einlass- und Auslass-Ventile durch elektronmagnetische Aktuatoren ausgeführt wird. Diese elektromagnetischen Aktuatoren haben unbestrittene Vorteile, da sie es möglich machen, jedes Ventil gemäß einem für jeden Betriebszustand des Motors optimierten Gesetz anzusteuern, während herkömmliche mechanische Aktuatoren (typischerweise Nockenwellen) es notwendig machen, ein Hubprofil der Ventile zu definieren, welches ein akzeptabler Kompromiss für all die möglichen Betriebszustände des Motors darstellt.
Ein elektromagnetischer Aktuator für ein Ventil eines Verbrennungsmotors des oben beschriebenen Typs umfasst normalerweise mindestens einen Elektromagneten, der ausgebildet ist, um einen Aktuator-Körper aus ferromagnetischem Material zu verschieben, der mechanisch mit dein Schaft des entsprechenden Ventils verbunden ist. Um ein bestimmtes Bewegungsgesetz auf das Ventil anzuwenden, steuert eine Steuereinheit den Elektromagneten mit einem Strom, der über der Zeit variiert, um den Aktuator-Körper entsprechend zu verschieben.
Bekannte Steuereinheiten steuern insbesondere die an der Spule des Elektromagneten anliegende Spannung, um einen Strom, dessen Stärke als eine Funktion der gewünschten Position des Aktuators festgelegt ist, in dieser Spule fließen zu lassen. Aus experimentellen Tests wurde jedoch festgestellt, dass bekannte Steuereinheiten des oben beschriebenen Typs nicht im Stande sind, eine ausreichend präzise Steuerung des Bewegungsgesetz des Aktuator-Körpers zu garantieren.
Die EP 0 959 479 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, während sich der Anker von einer ersten Position in Richtung auf eine zweite Position bewegt; wobei der elektromagnetische Aktuator eine Spule und einen Kern an der zweiten Position umfasst und die Spule eine magnetische Kraft erzeugt, um den Anker zu veranlassen, sich in Richtung auf den Kern zu bewegen und an diesem anzuliegen. Eine Feder-Anordung wirkt auf den Anker, um den Anker weg von der zweiten Position zu einer Rücksetz-Position zu führen; das Verfahren umfasst die Schritte: selektives Erregen der Spule, um es dem Anker zu gestatten, sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung auf den Kern zu bewegen, Bestimmen einer bestimmen Spannung, die einer Spannung über der Spule entspricht, wenn sich der Anker in Richtung auf den Kern bewegt, und Nutzen der bestimmten Spannung als eine Rückkopplungs-Variable, um die Energie zu der Spule zu steuern, um eine Geschwindigkeit des Ankers zu steuern, während sich der Anker in Richtung auf den Kern bewegt.
Die FR 2 784 712 offenbart einen elektromagnetischen Aktuator für ein IC-Motorventil mit einem Anker, der auf dem Ventilschaft fixiert ist, durch Federn stabilisiert ist, welcher magnetisch verschoben wird. Der elektromagnetische Ventil-Aktuator umfasst einen Ventil-Antriebs-Anker und Rückholfedern, die vorgesehen sind, um das Ventil in einer bestimmten Ruheposition zu halten, im Wesentlichen auf halbem Wege zwischen zwei Extrempositionen, nämlich einer geschlossenen Ventil-Position und einer offenen Ventil-Position; eine elektromagnetische Einheit umfasst einen ferromagnetischen Kern, der auf beiden Seiten des Ankers vorgesehen ist, und eine Stromversorgungs-Schaltung. Die Strom-Schaltung berechnet die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Anker an jede seiner Extrem-Positionen annähert, durch Messen des durch die elektromagnetische Einheit fließenden Stroms, und sie legt einen Strom an die elektromagnetische Einheit an, welche eine Änderung der Geschwindigkeit für die Einhaltung eines bestimmten Referenzprofils servo-steuert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Steuerverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator für die Steuerung eines Motorventils bereitzustellen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist, und das insbesondere einfach und wirtschaftlich zum Ausführen ist, und im Stande ist, eine sehr präzise Steuerung des Bewegungsgesetzes des Aktuator-Körpers zu garantieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein Steuerverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator für die Steuerung eines Motorventils, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, welche eine nichtbeschränkende Ausführungsform von dieser zeigen, in welchen:
1 eine schematische Ansicht, in Seitenansicht und teilweise im Schnitt, eines Motorventils und eines entsprechenden elektromagnetischen Aktuators ist, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung betätigt wird;
2 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit des Aktuators von 1 ist;
3 eine schematische Ansicht einer elektromagnetischen Schaltung der Steuereinheit von 2 ist;
4 eine schematische Ansicht einer elektrischen Schaltung ist, die das Verhalten von in den elektromagnetischen Aktuator von 1 induzierten Fremdströmen modelliert;
5 eine detailliertere, schematische Ansicht der Steuereinheit von 3 ist.
In 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator (des in der am 4. August 1999 eingereichten, italienischen Patentanmeldung B099A000443 offenbarten Typs) als Ganzes durch 1 angegeben und mit einem Einlass- oder Auslass-Ventil 2 eines Verbrennungsmotors eines bekannten Typs verbunden, um dieses Ventil 2 entlang einer longitudinalen Achse 3 des Ventils zwischen einer geschlossenen Position (nicht dargestellt) und einer Position maximaler Öffnung (nicht dargestellt) zu verschieben.
Der elektromagnetische Aktuator 1 umfasst einen mindestens teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellten Oszillations-Arm 4, welcher aufweist ein an einem Träger 5 derart angelenktes erstes Ende, dass dieser um eine zu der longitudinalen Achse 3 des Ventils 2 senkrechte Rotationsachse 6 oszillieren kann, und ein zweites Ende, das durch ein Gelenk 7 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden ist. Der elektromagnetische Aktuator 1 umfasst ferner zwei Elektromagneten 8, die in einer fixierten Position durch den Träger 5 derart getragen werden, dass sie auf gegenüberliegen den Seiten des Oszillations-Arms 4 angeordnet sind, und eine Feder 9, die mit dem Ventil 2 verbunden und ausgebildet ist, um den Oszillations-Arm 4 in einer Zwischen-Position (dargestellt in 1) zu halten, in welcher der Oszillations-Arm 4 äquidistant von den Polschuhen 10 der zwei Elektromagneten 8 ist.
Im Betrieb werden die Elektromagneten 8 durch eine Steuereinheit 11 (dargestellt in 2) gesteuert, um abwechselnd oder gleichzeitig eine Anziehungskraft magnetischen Ursprungs auf den Oszillations-Arm 4 auszuüben, um diesen zur Rotation um die Rotationsachse 6 zu bringen, wodurch das Ventil 2 entlang der entsprechenden longitudinalen Achse 3 und zwischen der bereits erwähnten geschlossenen und maximal offenen Position verschoben wird (nicht dargestellt). Das Ventil 2 befindet sich insbesondere in der bereits erwähnten geschlossenen Position (nicht dargestellt), wenn der Oszillations-Arm 4 an dem unteren Elektromagneten 8 anliegt, und befindet sich in der bereits erwähnten Position maximaler Öffnung, wenn der Oszillations-Arm 4 an dem oberen Elektromagneten 8 anliegt, und befindet sich in einer teilweise offenen Position, wenn keiner der Elektromagneten 8 gespeist wird und sich der Oszillations-Arm 4 in der bereits erwähnten Zwischen-Position (dargestellt in 1) als Ergebnis der durch die Feder 9 ausgeübten Kraft befindet.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die Steuereinheit 11 einen Referenz-Erzeugungs-Block 12, einen Steuer-Block 13, einen Treiber-Block 14, der im Stande ist, den Elektromagneten 8 eine zeitlich variable Spannung v(t) zuzuführen, und einen Abschätz-Block 15, der ausgebildet ist, um im Wesentlichen in Echtzeit abzuschätzen die Position x(t) des Oszillations-Arms 4, die Geschwindigkeit s(t) des Oszillations-Arms 4 und den durch den Os zillations-Arm 4 fließenden Fluss φ(t) durch Messen elektrischer Größen des Treiber-Blocks 14 und/oder der beiden Elektromagneten 8. Wie in 3 dargestellt ist, umfasst jeder Elektromagnet 8 einen entsprechenden magnetischen Kern 16, der mit einer entsprechenden Spule 17 in Verbindung steht, welcher durch den Treiber-Block 14 eine Funktion von Befehlen zugeführt wird, welche aus dem Steuer-Block 13 empfangen werden.
Im Betrieb empfängt der Referenz-Erzeugungs-Block 12 als Eingangsgröße eine Vielzahl von Parametern, die die Betriebsbedingungen des Motors angeben (z. B. die Last, die Drehzahl, die Position des Drosselklappenkörpers, die Winkelposition der Antriebswelle, die Temperatur des Kühlmittels) und liefert dem Steuer-Block 13 ein Soll-Bewegungsgesetz des Oszillations-Arms 4 (und daher des Ventils 2). Dieses Soll-Bewegungsgesetz des Oszillations-Arms 4 ist beschrieben durch die Kombination des Soll-Wertes x_obj(t) der Position des Oszillations-Arms 4, des Sollwertes s_obj(t) der Geschwindigkeit des Oszillations-Arms 4 und des Sollwertes a_obj(t) der Beschleunigung des Oszillations-Arms 4.
Der Steuer-Block 13 entwickelt, basierend auf dem Soll-Bewegungsgesetz des Oszillations-Arms 4 und basierend auf den abgeschätzten Werten x(t), s(t) und φ(t), die aus dem Abschätz-Block 15 empfangen werden, ein Steuersignal z(t) und führt dieses zur Ansteuerung der Elektromagneten 8 zu dem Treiber-Block 14.
Die Steuerverfahren für die Elektromagneten 8, die von der Steuereinheit 11 verwendet werden, werden nachfolgend beschrieben unter spezieller Bezugnahme auf 3, in welcher ein einzelner Elektromagnet 8 der Einfachheit halber gezeigt ist, und unter spezieller Bezugnahme auf 5, in welcher die Steuereinheit 11 detaillierter gezeigt ist.
Im Betrieb, wenn der Treiber-Block 14 eine zeitlich variable Spannung v(t) an die Anschlüsse der Spule 17 des Elektromagneten 8 anlegt, wird die Spule 17 von einem Strom i(t) durchflossen, wodurch der Fluss φ(t) über einen mit der Spule 17 verbundenen magnetischen Kreis 18 erzeugt wird. Der mit der Spule 17 verbundene magnetische Kreis 18 besteht insbesondere aus dem Kern 16 aus ferromagnetischem Material des Elektromagneten 8, dem Oszillations-Arm 4 aus ferromagnetischem Material und einem zwischen dem Kern 16 und dem Oszillations-Arm 4 vorliegenden Luftspalt 19.
Die Anwendung des verallgemeinerten Ohmschen Gesetzes auf die durch die Spule 17 gebildete elektrische Schaltung liefert eine Differentialgleichung [1] (in welcher N die Anzahl der Windungen der Spule 17 ist): [1] v(t) = N · dφ(t) / dt + RES · i(t)
Der magnetische Kreis 18 weist eine Gesamt-Reluktanz R auf, die durch die Summe der Reluktanz von Eisen R_fe und der Reluktanz R₀ des Luftspalts 19 gebildet ist; der Wert des in dem magnetischen Kreis 18 fließenden Flusses φ(t) ist mit dem Wert des in der Spule 17 fließenden Stromes i(t) durch die Gleichung [2] verknüpft: [2] N · i(t) = R · φ(t) – (Rfe + R0) · φ(t)
Im Allgemeinen hängt der Wert der Gesamt-Reluktanz R ab sowohl von der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 (das heißt von der Weite des Luftspalts 19, welche gleich, abzüglich einer Konstanten, der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 ist) als auch von dem durch den Fluss φ(t) angenommenen Wert. Abgesehen von vernachlässigbaren Fehlern (das heißt als eine erste Näherung) kann angenommen werden, dass der Reluktanz-Wert von Eisen R_fe ausschließlich von dem durch den Fluss φ(t) angenommenen Wert abhängt, während der Reluktanz-Wert des Luftspalts R₀ ausschließlich von der Position x(t) abhängt, das heißt [3] R(x(t), φ(t)) = Rfe(φ(t)) + R0(x(t)) [4] N · i(t) = R(x(t), φ(t)) · φ(t) [5] N · i(t) = Rfe(φ(t)) · φ(t) + R0(x(t)) · φ(t) [6] N · i(t) = Hfe(φ(t)) + R0(x(t)) · φ(t)
Die Beziehung zwischen der Luftspalt-Reluktanz R₀ und der Position x(t) kann in einer relativ einfachen Weise durch Auswerten der Eigenschaften des magnetischen Kreises 18 erhalten werden; ein Beispiel eines Modells des Verhaltens des Luftspaltes 19 wird durch Gleichung [7] gezeigt:
in welcher K₀, K₁, K₂ _; K₃ Konstanten sind, die experimentell durch eine Reihe von Messungen des magnetischen Kreises 18 erhalten werden können.
Die Anwendung der Gesetze des Elektromagnetismus auf den magnetischen Kreis 18 liefert Gleichung [8], welche es möglich macht, den Wert der durch den Elektromagneten 8 auf den Oszillations-Arm 4 ausgeübten Anziehungskraft f(t) zu berechnen (Gleichung [9] wird einfach aus Gleichung [8] erhalten):
Letztlich wird das mechanische Modell des Oszillations-Arms 4 durch Gleichung [ 10] geliefert: [10] M · a(t) – B · s(t) – Ke · (x(t) – Xe) – Pe = f(t) in welcher:

M die Masse des Oszillations-Arms 4 ist;
B der Koeffizient der hydraulischen Reibung ist, welcher der Oszillations-Arm 4 ausgesetzt ist;
K_e die Elastizitätskonstante der Feder 9 ist;
X_e die Position des Oszillations-Arms 4 ist, die der Ruheposition der Feder 9 entspricht,
P_e die Vorspannkraft der Feder 9 ist;
f(t) die durch den Elektromagneten 8 auf den Oszillations-Arm 4 ausgeübte Anziehungskraft ist.

Wie in 5 gezeigt ist, führt der Referenz-Erzeugungs-Block 12 das Soll-Bewegungsgesetz des Oszillations-Arms 4 zu einem Berechnungs-Element 13a des Blocks 13, wobei das Soll-Bewegungsgesetz definiert ist durch den Sollwert x_obj(t) der Position des Oszillations-Arms 4, den Sollwert s_obj(t) der Geschwindigkeit des Oszillations-Arms 4 und den Sollwert a_obj(t) der Beschleunigung des Oszillations-Arms 4. Auf Basis der Werte x_obj(t), s_obj(t) und a_obj(t), die von dem Erzeugungs-Block 12 empfangen werden, und durch Anwendung der Gleichung [10] berechnet das Berechnungs-Element 13a einen Sollwert f_obj(t) der Kraft, die der Elektromagnet 8 auf den Oszillations-Arm 4 ausüben muss, um diesen zu veranlassen, das Soll-Bewegungsgesetz auszuführen, das durch den Referenz-Erzeugungs-Block 12 gebildet wird.
Ein Berechnungs-Element 13b des Steuerelements 13 empfängt als Eingangsgröße den Soll-Kraft-Wert f_obj(t) aus dem Berechnungs-Element 13a und die Werte der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 und des durch den magnetischen Kreis 18 fließenden Flusses φ(t) aus dem Abschätz-Block 15; als Funktion der Werte f_obj(t), x(t) und φ(t) und durch Anwendung der Gleichung [9] berechnet das Berechnungs-Element 13b einen Sollwert φ_ol(t) des magnetischen Flusses, der durch den magnetischen Kreis 18 fließen muss, um den Sollwert f_obj(t) der Kraft zu erzeugen, die der Elektromagnet 8 auf den Oszillations-Arm 4 ausüben muss.
Der Sollwert φ_ol(t) des magnetischen Flusses ist ein Wert, der gemäß einer Steuerungslogik berechnet wird, da keine Interferenz, welcher der Elektromagnet 8 ausgesetzt sein kann, in der Berechnung dieses Sollwertes φ_ol(t) berücksichtigt wird; aus diesem Grund addiert ein Summier-Element 13c einen weiteren Sollwert φ_cl(t) des magnetischen Flusses zu dem Soll wert φ_ol(t) des magnetischen Flusses, um einen Gesamt-Sollwert φ_c(t) des magnetischen Flusses zu erhalten. Der Gesamt-Sollwert φ_ol(t) des magnetischen Flusses wird durch das Summier-Element 13c zu einem Berechnungs-Element 13d geführt, welches als Funktion des Gesamt-Sollwerts φ_c(t) das Steuersignal z(t) zum Ansteuern des Elektromagneten 8 erzeugt.
Der weitere Sollwert φ_ol(t) wird durch ein Berechnungs-Element 13e des Steuer-Blocks durch bekannte Rückkopplungs-Steuer-Verfahren erzeugt, um jegliche Interferenzen zu berücksichtigen, welchen der Elektromagnet 8 ausgesetzt sein kann. Insbesondere wird der weitere Sollwert φ_ol(t) durch eine Rückkopplung des abgeschätzten tatsächlichen Zustands des Oszillations-Arms 4 bezüglich des Soll-Zustands des Oszillations-Arms 4 erzeugt; der abgeschätzte tatsächliche Zustand des Oszillations-Arms 4 wird durch die Werte gebildet, die durch den Abschätz-Block 15 von der Position x(t) des Oszillations-Arms 4, der Geschwindigkeit s(t) des Oszillations-Arms 4 und des magnetischen Flusses φ(t) abgeschätzt werden, während der Soll-Zustand des Oszillations-Arms 4 durch den Sollwert x_obj(t) der Position des Oszillations-Arms 4, durch den Sollwert s_obj(t) der Geschwindigkeit des Oszillations-Arms 4 und durch den Sollwert φ_ol(t) des magnetischen Flusses gebildet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Elektromagnet 8 mit Spannung angesteuert und das durch das Berechnungs-Element 13d erzeugte Steuersignal z(t) gibt im Wesentlichen den Wert der Spannung v(t) an, die an die Spule 17 des Elektromagneten 8 anzulegen ist; das Berechnungs-Element 13d empfängt als Eingangsgröße den Gesamt-Sollwert φ_c(t) des magnetischen Flusses und den gemessenen Wert i(t) (gemessen durch ein Amperemeter 20) des Stroms, der durch die Spule 17 fließt, und be rechnet durch Anwenden der Formel [1] den Wert der Spannung v(t), die an die Spule 17 anzulegen ist, um die Erzeugung des Gesamt-Sollwertes φ(t) des magnetischen Flusses zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Elektromagnet 8 durch einen Schaltverstärker, der in dem Treiber-Block 14 integriert ist, mit Spannung angesteuert, die an der Spule 17 des Elektromagneten 8 anliegende Spannung v(t) variiert daher kontinuierlich zwischen drei Werten (+V_Zufuhr, 0, –V_Zufuhr) und das Steuersignal z(t) gibt den PWM an, das heißt die Zeitfolge der Alternation der drei Spannungswerte, die an die Spule 17 anzulegen sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) umfasst der Steuer-Bock 13 nicht das Berechnungs-Element 13e und die Steuerung des magnetischen Flusses φ(t) ist ausschließlich gemäß einer Steuerungslogik ausgeführt, das heißt nur durch Verwenden des Sollwertes φ_ol(t) des magnetischen Flusses.
Es ist aus dem Obigen verständlich, dass die Energieversorgung des Elektromagneten 8 gesteuert wird als Funktion eines Gesamt-Sollwerts φ_c(t) des magnetischen Flusses φ(t), der in dem magnetischen Kreis 18 fließt; wobei die Steuerung der Elektromagnete 8 als Funktion des magnetischen Flusses φ(t) es dem Oszillations-Arm 4 und daher dem Ventil 2 ermöglicht äußerst präzise das Soll-Bewegungsgesetz zu beachten.
Die Verfahren, die von dem Abschätz-Block 15 verwendet werden, um den Wert des Flusses φ(t), den Wert der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 und den Wert der Geschwindigkeit s(t) des Oszillations-Arms 4 zu berech nen, werden nachfolgend unter besonderer Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Durch Lösen der bereits erwähnten Gleichung [6] bezüglich R₀(x(t)), ist es möglich, den Luftspalt-Reluktanz-Wert R₀ zu erhalten, wenn der Wert des Stroms i(t) (welcher Wert leicht durch ein Amperemeter 20 gemessen werden kann) bekannt ist, wenn der Wert von N (fest und abhängig von den baulichen Eigenschaften der Spule 17) bekannt ist, wenn der Wert des Flusses φ(t) bekannt ist, und wenn die zwischen der Reluktanz von Eisen R_fe und dem Fluss φ (bekannt aus den baulichen Eigenschaften des magnetischen Kreises 18 und den magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials, das heißt leicht aus experimentellen Tests erhältlich) existierende Beziehung bekannt ist.
Sobald die Beziehung zwischen der Luftspalt-Reluktanz R₀ und der Position x bekannt ist (z. B. des durch die obige Gleichung [7] vorgesehenen Typs), kann die Position x erhalten werden aus der Luftspalt-Reluktanz R₀ durch Anwenden der inversen Beziehung (diese kann entweder durch Gebrauch der exakten Gleichung oder durch Anwenden eines annähernden digitalen Berechnungsverfahrens angewandt werden). Das bereits Gesagte kann in den Gleichungen [11] und [12] zusammengefasst werden:
Es ist verständlich, dass, falls es möglich ist, den Fluss φ(t) zu messen, es möglich ist, die Position x(t) des Oszillations-Arms 4 in einer relativ einfachen Weise zu berechnen. Außerdem ist es ausgehend von dem Wert der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 möglich, den Wert der Geschwindigkeit s(t) dieses Oszillations-Arms 4 durch eine einfache Ableitungs-Operation nach der Zeit der Position x(t) zu berechnen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der Fluss φ(t) berechnet werden durch Messen des durch die Spule 17 fließenden Stroms i(t) durch das Amperemeter 20, durch Messen der an den Anschlüssen der Spule 17 anliegenden Spannung v(t) durch ein Voltmeter und durch Kenntnis des Wertes des Widerstands RES der Spule 17 (welcher Wert einfach gemessen werden kann). Dieses Messverfahren des Flusses φ(t) basiert auf den Gleichungen [13] und [14]
Der bestimmungsgemäße Zeitpunkt 0 ist derart gewählt, dass der Wert des Flusses φ(0) bei diesem Zeitpunkt 0 genau bekannt ist; insbesondere wird der Zeitpunkt 0 normalerweise in einem Zeitintervall gewählt, während welchem kein Strom durch die Spule 17 fließt und daher der Fluss φ im Wesentlichen Null ist (die Wirkung von einer Rest-Magnetisierung ist vernachlässigbar), oder der Zeitpunkt 0 wird bei einer vorbestimmten Position des Oszillations-Arms 4 gewählt (typischerweise, wenn der Oszillations-Arm 4 an den Polschuhen 10 des Elektromagneten 8 anliegt), bei welchem der Wert der Position x und daher der Wert des Flusses φ bekannt ist.
Das bereits beschriebene Verfahren für die Berechnung des Flusses φ(t) ist ziemlich präzise und schnell (das heißt frei von Verzögerungen); jedoch wirft dieses Verfahren einige Probleme wegen der Tatsache auf, dass die an den Anschlüssen der Spule 17 anliegende Spannung v(t) normalerweise durch einen Schaltverstärker erzeugt wird, der in dem Treiber-Block 14 integriert ist, und daher kontinuierlich zwischen drei Werten (+V_Zufuhr, 0, –V_Zufuhr) variiert, wobei zwei von diesen (+V_Zufuhr, e –V_Zufuhr) einen relativ hohen Wert aufweisen und daher ohne Unterstützung relativ komplexer und kostenaufwändiger Messkreise schwierig präzise zu messen sind.
Außerdem erfordert das bereits beschriebene Verfahren für die Berechnung des Flusses φ(t) ein kontinuierliches Ermitteln des durch die Spule 17 fließenden Stromes i(t) und ein kontinuierliches Kennen des Widerstands RES der Spule 17, welcher Widerstands-Wert, wie bekannt ist, mit Änderungen in der Temperatur der Spule 17 variiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der magnetische Kern 16 mit einer Hilfsspule 22 verbunden (bestehend aus mindestens einer Windung und im Allgemeinen mit einer Anzahl N_a von Windungen versehen), mit deren Anschlüssen ein weiteres Voltmeter 23 verbunden ist; da die Anschlüsse der Spule 22 im Wesentlichen offen sind (der innere Widerstand des Voltmeters 23 ist so hoch, dass dieser als unendlich betrachtet werden kann, ohne dadurch merkliche Fehler einzuführen), fließt kein Strom durch die Spule 22 und die Spannung v_a(t) an ihren Anschlüssen hängt ausschließlich von der Ableitung des Flusses φ(t) über der Zeit ab, aus welcher es möglich ist, den Fluss durch eine Integrations-Operation zu erhalten (es sollte auf die bereits diskutierten Betrachtungen bezüglich des Wertes φ0) verwiesen werden):
Die Verwendung des Messwertes der Spannung v_a(t) der Hilfsspule 22 macht es möglich, jede beliebige Art von Messungen und/oder Schätzungen des elektrischen Stroms und des elektrischen Widerstands zu vermeiden, um den Fluss φ(t) zu berechnen; außerdem ist der Wert der Spannung v_a(t) mit dem Wert der Spannung v(t) (weniger Streuungen) durch die Gleichung [17] verknüpft:
als Ergebnis von welcher durch geeignete Dimensionierung der Anzahl der Windungen N_a der Hilfsspule 22 es möglich ist, relativ einfach den Wert der Spannung v_a(t) in einem messbaren Intervall in einer präzisen Weise zu halten.
Es ist aus dem Vorherigen verständlich, dass durch Verwenden des Messwertes der Spannung v_a(t) der Hilfsspule 22, die Berechnung des Wertes des Flusses φ(t) präziser, schneller und einfacher bezüglich der Verwendung der Ermittlung der Spannung v(t) an den Anschlüssen der Spule 17 ist.
In der obigen Beschreibung sind zwei Verfahren zum Abschätzen der Ableitung des Flusses φ(t) über der Zeit angegeben worden. Gemäß einer Ausführungsform wird sie bestimmt, um nur ein Verfahren für die Berechnung der Ableitung des Flusses φ(t) zu verwenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird sie bestimmt, um beide Verfahren für die Berechnung der Ableitung des Flusses φ(t) über der Zeit zu verwenden, und um ein Mittel (möglicherweise gewichtet bezüglich der abgeschätzten Genauigkeit) der Ergebnisse der zwei angewandten Verfahren zu verwenden, oder um ein Ergebnis zu verwenden, um das andere zu verifizieren (falls eine beträchtliche Diskrepanz zwischen den zwei Ergebnissen vorliegt, ist es wahrscheinlich, dass ein Fehler in den Abschätzungen geschehen ist).
Es ist schließlich verständlich, dass die bereits beschriebenen Verfahren für die Abschätzung der Position x(t) nur angewandt werden können, wenn ein Strom durch die Spule 17 eines Elektromagneten 8 fließt. Aus diesem Grund arbeitet der Abschätz-Block 15 mit den beiden Elektromagneten 8, um die mit einem Elektromagneten 8 durchgeführte Abschätzung zu verwenden, wenn der andere deaktiviert ist. Wenn beide Elektromagneten 8 aktiv sind, berechnet der Abschätz-Block 15 ein Mittel der zwei Werte x(t), die mit den zwei Elektromagneten 8 berechnet werden, möglicherweise gewichtet als eine Funktion der jedem Wert x(t) zugeordneten Genauigkeit (im Allgemeinen wird die Abschätzung der Position x bezüglich eines Elektromagneten 8 präziser, wenn sich der Oszillations-Arm 4 relativ nahe an den Polschuhen 10 dieses Elektromagneten 8 befindet).
Es wurde beobachtet, dass als Ergebnis der schnellen Verschiebungen des Oszillations-Arms 4, die durch das durch einen Elektromagneten 8 erzeugte magnetische Feld bewirkt werden, Fremdströme i_par, welche im Wesent lichen vom Pulstyp und relativ groß sind, in diesen Oszillations-Arm 4 induziert werden. Insbesondere sind diese Fremdströme i_par zusammen mit dem in der Spule 17 fließenden Strom i(t) verantwortlich für die Erzeugung des durch den magnetischen Kreis 18 fließenden Flusses φ(t) durch Zuführung einer Kontribution h_p(t) von Amperewindungen zu der Erzeugung dieses Flusses φ(t); folglich wird die Gleichung [6] gemäß Beziehung [6'] modifiziert: [6'] N · i(t) + hp(t) = Hfe (φ(t)) + R0(x(t)) · φ(t) und die Gleichungen [11] und [12] werden gemäß den Beziehungen [11'] und [12'] modifiziert:
Es ist verständlich, dass, falls in der Abschätzung der Position x(t) des Oszillations-Arms 4 die Wirkung der Fremdströme i_par nicht berücksichtigt wird, die Abschätzung der Position x(t) um einen Wert unrichtig sein wird, der je größer desto stärker die Fremdströme i_par sind ist.
Um zu versuchen, die Kontributionen h_p(t) der Amperewindungen der Fremdströme i_par abzuschätzen, ist es möglich, diese Fremdströme i_par mit einem einzelnen äquivalenten Fremdstrom i_p(t) zu modellieren, welcher in einer einzelnen äquivalenten Windung p fließt (dargestellt in 4), die magnetisch mit dem magnetischen Kreis 18 verbunden ist, in welchem der magnetische Fluss φ(t) fließt; die Windung p weist ihren eigenen Wider stand R_p, ihre eigene Induktivität L_p auf und ist kurzgeschlossen. Die Werte des Widerstands R_p und der Induktivität L_P der Windung p können in einer relativ einfachen Weise durch eine Reihe experimenteller Messungen des Elektromagneten 8 erhalten werden. Die elektrische Schaltung der Windung p wird durch die Differentialgleichung [19] beschrieben, die aus der Anwendung des verallgemeinerten Ohmschen Gesetzes erhalten wird:
Ein Weitergehen auf den L-Transformationen (Laplace-Transformationen) und das Erhalten der Übertragungsfunktion des Stromes i_p in der Ebene der Laplace-Transformationen liefert die Gleichungen [19] und [20]: [19] –Rp · IP = s · Φ + Lp · s · Φ
Sobald die Werte des Widerstands R_p und der Induktivität L_P der Windung p bekannt sind, und sobald der Wert des magnetischen Flusses φ(t) durch eines der zwei bereits beschriebenen beiden Verfahren abgeschätzt worden ist, kann der Wert des äquivalenten Fremdstroms i_p(t) durch Anwenden eines bekannten Verfahrens einer L-Antitransformation auf Gleichung [20] erhalten werden; vorzugsweise wird der Wert des äquivalenten Fremdstroms i_p(t) erhalten, indem die Gleichung [20] diskret gemacht und ein digitales Verfahren (das einfach über Software ausgeführt werden kann) angewandt wird.
Es ist verständlich, dass der äquivalente Fremdstrom i_p(t) an den magnetischen Kreis 18 durch Fließen in einer einzigen äquivalenten Windung p angelegt wird, und daher der äquivalente Fremdstrom i_p(t) eine Kontribution h_p(t) von Amperewindungen erzeugt, die entsprechend seiner Intensität sind, das heißt: [21] hp(t) = ip(t) · l

Claims

Steuerverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator (1) zur Steuerung eines Motorventils (2), wobei das Verfahren die Phasen umfasst elektrische Versorgung von mindestens einem Elektromagneten (8) zum Erzeugen einer auf einen Aktuator-Körper (4) wirkenden magnetischen Anziehungskraft (f), Bestimmen eines Sollwertes (φ_c) des Magnetflusses (φ), der in dem durch den Elektromagneten (8) und den Aktuator-Körper (4) gebildeten magnetischen Kreis (18) fließt, und Regeln der elektrischen Versorgung (i, v) des Elektromagneten (8) als eine Funktion des Sollwertes (φ_c) des Magnetflusses (φ); wobei der Sollwert (φ_c) des Magnetflusses (φ) als Funktion eines Sollwertes (f_obj) der magnetischen Anziehungskraft (f) berechnet wird, die auf den Aktuator-Körper (4) wirkt und durch den Elektromagneten (8) erzeugt wird; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sollwert (φ_c) des Magnetflusses (φ) durch Anwenden der folgenden Gleichung berechnet wird:
in welcher: φ_c(t) der Sollwert des Magnetflusses (φ) ist; f_obj(t) der Sollwert der magnetischen Anziehungskraft (f) ist; x(t) die Position des Aktuator-Körpers (4) ist; R(x, φ) die Reluktanz des magnetischen Kreises (18) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektromagnet (8) eine Spule (17) umfasst, welche mit einer variablen Spannung (v) versorgt wird, deren Wert bestimmt wird durch Anwendung der Gleichung: v(t) = N * dφ (t) / dt + RES * i(t) in welcher: v(t) die variable Spannung ist, die an die Anschlüsse der Spule (17) angelegt ist; N die Anzahl von Windungen der Spule (17) ist; φ(t) der Magnetfluss (φ) ist, der in dem magnetischen Kreis (18) fließt; RES der Widerstand der Spule (17) ist; i(t) der elektrische Strom ist, der durch die Spule (17) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollwert (φ_c) des Magnetflusses (φ) berechnet wird als die Summe eines ersten Beitrages (φ_ol), der gemäß einer Steuerungslogik berechnet wird, und eines zweiten Beitrages (φ_cl), der gemäß einer Regelungslogik berechnet wird; wobei der erste Beitrag (φ_ol) als Funktion eines Sollwertes (f_obj) der magnetischen Anziehungskraft (f) berechnet wird, die auf den Aktuator-Körper (4) wirkt und durch den Elektromagneten erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Beitrag (φ_ol) des Sollwertes (φ_c) des Magnetflusses (φ) berechnet wird durch Anwenden der folgenden Gleichung:
in welcher: φ_ol(t) der erste Beitrag zum Sollwert (φ_c) des Magnetflusses (φ) ist; f_obj(t) der Sollwert der magnetischen Anziehungskraft (f) ist; x(t) die Position des Aktuator-Körpers (4) ist; R(x, φ) die Reluktanz des magnetischen Kreises (18) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sollwert (f_obj) der magnetischen Anziehungskraft (f) berechnet wird als eine Funktion einer Soll-Bewegungsvorschrift für den Aktuator-Körper (4).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Sollwert (f_obj) der magnetischen Anziehungskraft (f) berechnet wird durch Anwenden der folgenden Gleichung: fobj(t) = M*aobj(t) – B*Sobj(t) – Ke*(xobj(t) – Xe) – Pe in welcher: f_obj(t) der Sollwert der magnetischen Anziehungskraft (f) ist; M die Masse des Aktuator-Körpers (4) ist; B der Koeffizient einer hydraulischen Reibung ist, welcher der Aktuator-Körper (4) ausgesetzt ist; K_e die Elastizitätskonstante einer Feder (9) ist, die auf den Aktuator-Körper (4) wirkt; X_e der Position des Aktuator-Körpers (4) ist, die der Ruheposition der Feder (9) entspricht; P_e die Vorspannkraft der Feder (9) ist; x_obj(t) die Sollposition des Aktuator-Körpers (4) ist; s_obj(t) die Soll-Geschwindigkeit des Aktuator-Körpers (4) ist; a_obj(t) die Soll-Beschleunigung des Aktuator-Körpers (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der zweite Beitrag (φ_cl) berechnet wird durch eine Rückführung eines berechneten Ist-Zustandes des Aktuator-Körpers (4), unter Bezugnahme auf einen Soll-Zustand des Aktuator-Körpers (4).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der berechnete Ist-Zustand des Aktuator-Körpers (4) bestimmt wird aus den berechneten Werten der Position (x) des Aktuator-Körpers (4), der Geschwindigkeit (s) des Aktuator-Körpers (4) und des Magnetflusses (φ), wobei der Soll-Zustand des Aktuator-Körpers (4) bestimmt wird aus dem Sollwert (x_obj) der Position des Aktuator-Körpers (4), dem Sollwert (s_obj) der Geschwindigkeit des Aktuator-Körpers (4) und den ersten Beitrag (φ_ol) des Sollwert (φ_c) des Magnetflusses (φ).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wert des Magnetflusses (φ) durch die folgenden Schritte berechnet wird: Messen des Wertes, der durch einige elektrische Größen (i, v; v_a) eines elektrischen Kreises (17; 22) angenommen wird, der mit dem magnetischen Kreis (18) verbunden ist, Berechnen des Differentials über der Zeit des Magnetflusses (φ) als eine lineare Verknüpfung der Werte der elektrischen Größen (i, v; v_a), und Integrieren des Differentials des Magnetflusses (φ) über der Zeit.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Strom (i), der durch eine Spule (17) des Elektromagneten (8) fließt, und die Spannung (v), die an die Anschlüsse dieser Spule (17) angelegt ist, gemessen werden, wobei das Differential über der Zeit des Magnetflusses (φ) und der Magnetfluss (φ) selbst berechnet werden durch Anwenden der folgenden Formeln:
in welcher: φ der Magnetfluss (φ) ist; N die Anzahl vor. Windungen der Spule (17) ist; v die Spannung (v) ist, die an die Anschlüsse der Spule (17) angelegt ist; RES der Widerstand der Spule (17) ist; i der Strom (i) ist, der durch die Spule (17) fließt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Spannung (v_a), die an den Anschlüssen einer Hilfsspule (22) liegt, die mit dem magnetischen Kreis (18) gekoppelt und mit dem Magnetfluss (φ) verbunden ist, gemessen wird, wobei die Hilfsspule (22) im wesentlichen elektrisch offen ist, und wobei das Differential über der Zeit des Magnetflusses (φ) und der Magnetfluss (φ) selbst berechnet werden durch Anwenden der folgenden Formeln:
in welcher: φ der Magnetfluss (φ) ist; Na die Anzahl von Windungen der Hilfsspule (22) ist; v_a die Spannung (v_a) ist, die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Position (x) des Aktuator-Körpers (4) bezogen auf den Elektromagneten (8) bestimmt wird als eine Funktion des Wertes, der durch die Gesamt-Reluktanz (R) des magnetischen Kreises (18) angenommen wird, wobei der Wert der Gesamt-Reluktanz (R) des magnetischen Kreises (18) berechnet wird als ein Quotient zwischen einem Gesamt-Wert von mit dem magnetischen Kreis (18) verbundenen Amperewindungen und einem Wert des Magnetflusses (φ), der durch den magnetischen Kreis (18) läuft, wobei der Gesamt-Wert von Amperewindungen berechnet wird als eine Funktion des Wertes eines Stromes (i), der durch eine Spule (17) des Elektromagneten (8) fließt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei es angenommen wird, dass die Gesamt-Reluktanz (R) gebildet wird durch die Summe einer ersten Reluktanz (R₀) aufgrund eines Luftspaltes (19) des magnetischen Kreises (18) und einer zweiten Reluktanz (R_fe) aufgrund des Bauteils aus ferromagnetischem Material (16, 4) des magnetischen Kreises (18), wobei die erste Reluktanz (R₀) von den baulichen Eigenschaften des magnetischen Kreises (18) und von dem Wert der Position (x) abhängig ist und die zweite Reluktanz (R_fe) von den baulichen Eigenschaften des magnetischen Kreises (18) und von einem Wert eines Magnetflusses (φ) abhängig ist, der durch den magnetischen Kreis (18) läuft, wobei die Position (x) als eine Funktion des Wertes bestimmt wird, der durch die erste Reluktanz (R₀) angenommen wird.