DE60108705T2 - Schätzungsverfahren für die Wirkung parasitärer Ströme in einem elektromagnetischen Stellglied zur Betätigung eines Brennkraftmaschinenventils - Google Patents

Schätzungsverfahren für die Wirkung parasitärer Ströme in einem elektromagnetischen Stellglied zur Betätigung eines Brennkraftmaschinenventils Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschätzen des Effektes von parasitären Strömen in einem elektromagnetischen Stellglied für die Steuerung eines Motorventils.
  • Wie bekannt ist, werden Verbrennungsmotoren gegenwärtig getestet, in welchen die Bewegung der Einlass- und Auslassventile durch elektromagnetische Stellglieder durchgeführt wird. Die elektromagnetischen Stellglieder haben zweifelsfrei Vorteile, da sie es möglich machen, jedes Ventil entsprechend einem Gesetz zu steuern, das im Hinblick auf einen Betriebszustand des Motors optimiert wird, wohingegen es herkömmliche mechanische Stellglieder (typischerweise Nockenwellen) notwendig machen, ein Hubprofil der Ventile zu definieren, welches ein akzeptabler Kompromiss für alle möglichen Betriebsbedingungen des Motors ist.
  • Ein elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil eines Verbrennungsmotors des oben beschriebenen Typs umfasst normalerweise wenigstens einen Elektromagneten, der so ausgebildet ist, dass dieser den Körper eines Stellgliedes aus ferromagnetischem Material, der mechanisch mit der Stange des jeweiligen Ventils verbunden ist, verschieben kann. Um ein spezielles Bewegungsgesetz auf das Ventil anzuwenden, treibt eine Steuereinheit des Elektromagneten mit einem Strom an, der sich mit der Zeit verändert, um den Körper des Stellgliedes in geeigneter Weise zu verschieben.
  • Es wurde bei experimentellen Versuchen beobachtet, dass es, um eine relativ hohe Präzision bei der Steuerung des Ventils zu erhalten, notwendig ist, die Position des Körpers des Stellgliedes in Rückkopplung zu steuern; es ist deshalb notwendig, eine präzise Auslesung, im Wesentlichen in Echtzeit, der Position dieses Stellgliedkörpers zu haben.
  • In elektromagnetischen Stellgliedern des oben beschriebenen Typs wird die Position des Stellgliedkörpers mit Hilfe eines Lasersensors gelesen, welcher jedoch teuer empfindlich und schwer zu kalibrieren ist und deshalb ungeeignet für die Massenproduktion ist. Es wurden deshalb Verfahren für die Abschätzung der Position des Stellgliedkörpers basierend auf der Messung der elektrischen Magnituden (Spannung und Strom) der elektrischen Schaltungen vorgeschlagen, die an den betriebenen Elektromagneten gekoppelt sind.
  • Diese Verfahren zum Abschätzen der Position des Stellgliedkörpers sind jedoch nicht sehr genau, da sie der Auswirkung parasitärer Ströme ausgesetzt sind, die in den Stellgliedkörper als Ergebnis der schnellen Verschiebungen dieses Stellgliedkörpers induziert werden.
  • Um den Effekt der parasitären Ströme, die in den Stellgliedkörper induziert werden, zu begrenzen, wurde vorgeschlagen, den Stellgliedkörper aus ferromagnetischem, nicht aber elektrisch leitendem Material herzustellen, oder es wurde vorgeschlagen, den Stellgliedkörper aus laminiertem ferromagnetischem Material herzustellen. Es wurde jedoch beobachtet, dass sowohl bei der Verwendung eines ferromagnetischen, nicht aber elektrisch leitenden Materials, als auch bei Verwendung eines laminierten ferromagnetischen Materials der Effekt der parasitären Ströme, die in dem Stellgliedkörper induziert sind, unterdrückt, nicht aber beseitigt werden. Darüber hinaus verringert die Verwendung eines ferromagnetischen, nicht aber elektrisch leitenden Materials die mechanische Festigkeit des Stellgliedkörpers.
  • Die US 4,659,969 offenbart ein variables Reluktanz-Stellglied, das ein durch einen Solenoid-betriebenes Bewegungselement hat, in welchem der Strom im Solenoid durch ein Signal gesteuert wird, das für die magnetische Kraftliniendichte in dem Magnetkreis des Stellgliedes repräsentativ ist; das Signal wird durch eine Halleffekt-Vorrichtung erzeugt, die in dem Magnetkreis angeordnet ist. Vorzugsweise steuert die Halleffekt-Vorrichtung den Strom in dem Solenoid durch Steuern seines Arbeitszyklusses; jedoch kann auch eine kontinuierliche Steuerung des Stromes verwendet werden. Alternative Ausführungsformen sind für ein Stellglied mit konstanter Kraft, ein Stellglied, dessen Kraft-Verschiebungskennlinie verändert wird, und ein Stellglied, in welchem die Kraft selektiv gesteuert werden kann, vorgesehen. Eine Ausführungsform ist auch vorgesehen für ein selektives Steuern der Position des Bewegungselements basierend auf den gemessenen und elektrischen Parametern des Stellgliedes.
  • In VEKARA T.T. et al.: "DYNAMIC MODEL OF AN ELECTROPMAGNETIC MASSIVE CORE BRAKE ACTUATOR", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, IEEE INC. NEW YORK, US, Band 32, Nr. 3, 01. Mai 1996 (1996-05-01), Seiten 1970–1974, XP000657908 ISSN: 0018-9464, werden zwei Alternativen dynamischer elektromechanischer Modelle für magnetische Stellglieder offenbart, die Wirbelströme enthalten; insbesondere ist die Verwendung von magnetischen Stellgliedern in einer elektromagnetischen Massivkernbremse offenbart.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Abschätzen des Effekts der parasitären Ströme in einem elektromagnetischen Stellglied für die Steuerung eines Motorventils zu schaffen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist und das insbesondere einfach und wirtschaftlich auszuführen ist.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich deshalb auf ein Verfahren zum Abschätzen der parasitären Ströme in einem elektromagnetischen Stellglied für die Steuerung eines Motorventils gemäß Anspruch 1.
  • Die vorliegende Erfindung wird unten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche eine nicht beschränkende Ausführungsform derselben zeigen, in welchen:
  • 1 eine schematische Ansicht in seitlicher Hervorhebung und teilweise im Schnitt eines Motorventils relativ elektromagnetischen Stellgliedes ist, das in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet;
  • 2 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit des Stellgliedes aus 1 ist; 3 eine schematische Ansicht eines elektromagnetischen Schaltkreises der Steuereinheit aus 2 ist;
  • 4 eine schematische Ansicht eines elektrischen Schaltkreises ist, welche das Verhalten von parasitären Strömen, die in dem elektromagnetischen Stellglied aus 2 induziert sind, nachbildet.
  • In 1 ist ein elektromagnetisches Stellglied (des Typs, der in der italienischen Patentanmeldung B099A000443, eingereicht am 04. August 1999, offenbart ist) insgesamt mit 1 dargestellt und ist an ein Einlass- oder Auslassventil 2 eines Verbrennungsmotors bekannter Bauart gekoppelt, um dieses Ventil 2 entlang einer Längsachse 3 des Ventils zwischen einer geschlossenen Position (bekannt und nicht gezeigt) und einer Position der maximalen Öffnung (bekannt und nicht gezeigt) zu verschieben.
  • Das elektromagnetische Stellglied 1 umfasst einen Schwingarm 4 aus wenigstens teilweise ferromagnetischem Material, welcher mit einem ersten Ende an einem Halter 5 angelenkt ist, so dass dieser um eine Drehachse 6, senkrecht zur Längsachse 3 des Ventils 2 schwingen kann, und mit einem zweiten Ende mit Hilfe eines Gelenks 7 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden ist. Das elektromagnetische Stellglied 1 umfasst ferner zwei Elektromagnete 8, die durch den Halter 5 an einer festen Position gehalten werden, so dass sie auf gegenüber liegenden Seiten des Schwingarms 4 angeordnet sind, und eine Feder 9, die an das Ventil 2 gekoppelt ist und so ausgebildet ist, dass sie den Schwingarm 4 in einer Zwischenposition hält (in 1 gezeigt), in welcher der Schwingarm 4 gleich weit von den polaren Erstreckungen 10 der zwei Elektromagnete 8 entfernt ist.
  • Im Betrieb werden die Elektromagnete 8 durch eine Steuereinheit 11 gesteuert (in 2 gezeigt), so dass sie alternativ oder simultan eine Anziehungskraft magnetischen Ursprungs auf den Schwingarm 4 ausüben, um diesen dazu zu veranlassen, um die Drehachse 6 zu drehen, wodurch das Ventil 2 entlang der jeweiligen Längs achse 3 und zwischen der oben erwähnten geschlossenen und maximalen Öffnungsposition (nicht gezeigt) verschoben wird. Das Ventil 2 befindet sich insbesondere in der oben erwähnten geschlossenen Position (nicht gezeigt), wenn der Schwingarm 4 an den unteren Elektromagneten 8 anschlägt, befindet sich in der oben erwähnten Position der maximalen Öffnung (nicht gezeigt), wenn der Schwingarm 4 an den oberen Elektromagneten 8 anschlägt und befindet sich in einer teilweise offenen Position, wenn keiner der Elektromagneten 8 gespeist wird und sich der Schwingarm 4 als Ergebnis der durch die Feder 9 ausgeübten Kraft in der oben erwähnten Zwischenposition (in 1 gezeigt) befindet.
  • Die Steuereinheit 11 steuert die Position des Schwingarms 4, das heißt, die Position des Ventils 2, in Rückkopplung und in einer im Wesentlichen bekannten Weise als Funktion der Betriebsbedingungen des Motors. Insbesondere umfasst die Steuereinheit 11, wie in 2 gezeigt, einen Referenzwert-Erzeugungsblock 12, einen Berechnungsblock 13, einen Antriebsblock 14, der so ausgebildet ist, dass dieser die Elektromagneten 8 mit einem über die Zeit variablen Strom versorgt, und einen Abschätzungsblock 15, welcher so ausgebildet ist, dass dieser im Wesentlichen in Echtzeit die Position x(t) und die Geschwindigkeit s(t) des Schwingarms 4 mit Hilfe von Messungen elektrischer Magnituden des Antriebsblocks 14 und/oder der zwei Elektromagnete 8 abschätzt. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst jeder Elektromagnet 8 einen jeweiligen Magnetkern 16, der mit der korrespondierenden Spule 17 gekoppelt ist, welche von dem Antriebsblock 14 in Abhängigkeit von Befehlen, die vom Berechnungsblock 13 aus erhalten werden, gespeist wird.
  • Im Betrieb erhält der Referenzwert-Erzeugungsblock 12 als Eingabe eine Mehrzahl von Parametern, welche die Betriebsbedingungen des Motors angeben (z.B. die Last, die Umdrehungszahl, die Position des Ventilklappenkörpers, die Winkelposition der Antriebswelle, die Temperatur der Kühlflüssigkeit) und versorgt den Berechnungsblock 12 mit einem objektiven Wert xR(t) (das heißt, einem erwünschten Wert) der Position des Schwingarms 4 (und somit des Ventils 2).
  • Der Berechnungsblock 13 verarbeitet und liefert auf der Basis des objektiven Wertes xR(t) der Position des Schwingarms 4 und auf der Basis des geschätzten Wertes x(t) der Position des Schwingarmes 4, der vom Abschätzblock 15 erhalten wird, ein Steuersignal z(t) zum Antrieb der Elektromagneten 8 an den Antriebsblock 14. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verarbeitet der Berechnungsblock 13 auch das Steuersignal z(t) auf der Basis eines geschätzten Wertes s(t) der Geschwindigkeit des Schwingarms 4, der von dem Abschätzblock 15 erhalten wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) liefert der Referenzwert-Erzeugungsblock 12 dem Berechnungsblock 13 sowohl einen objektiven Wert xR(t) der Position des Schwingarms 4 als auch einen objektiven Wert sR(t) der Geschwindigkeit des Schwingarms 4.
  • Der Schwingarm 4 ist zwischen den polaren Erstreckungen 10 der zwei Elektromagnete 8 angeordnet, welche durch den Halter 5 in einer festen Position und in einem festen Abstand in Bezug zueinander gehalten werden, und deshalb kann der geschätzte Wert x(t) der Position des Schwingarms 4 direkt mit Hilfe einer einfachen algebraischen Summenoperation aus einem geschätzten Wert d(t) des Abstands erhalten werden, die zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms 4 und einem korrespondierenden Punkt eines der zwei Elektromagneten 8 besteht. Ebenso kann der geschätzte Wert s(t) der Geschwindigkeit des Schwingarms 4 direkt aus einem geschätzten Wert der Geschwindigkeit erhalten werden, die zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms 4 und einem korrespondierenden Punkt eines der zwei Elektromagneten 8 besteht.
  • Um den Wert x(t) zu berechnen, berechnet der Abschätzblock 15 zwei geschätzte Werte d1(t), d2(t) des Abstands, der zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms 4 und einem korrespondierenden Punkt jedes der zwei Elektromagneten 8 vorliegt; aus den zwei geschätzten Werten d1(t), d2(t) erhält der Abschätzblock 15 zwei Werte x1(t), x2(t), die aufgrund von Rausch- und Messfehlern im Allgemeinen voneinander unterschiedlich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform berechnet der Abschätzblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte x1(t), x2(t), möglicherweise gewichtet auf der Basis der jedem Wert x(t) zugeschriebenen Genauigkeit. Ebenso berechnet der Abschätzblock 15, um den Wert s(t) zu berechnen, die zwei geschätzten Werte der Geschwindigkeit, die zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms 4 und einem korrespondierenden Punkt jedes der zwei Elektromagnete 8 besteht; aus den zwei geschätzten Werten der Geschwindigkeit erhält der Abschätzblock 15 zwei Werte s1(t), s2(t), die aufgrund von Rausch- und Messfehlern im Allgemeinen voneinander unterschiedlich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform berechnet der Abschätzblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte s1(t), s2(t), möglicherweise gewichtet auf der Basis der jedem Wert s(t) zugeschriebenen Genauigkeit.
  • Die von dem Abschätzblock 15 verwendeten Verfahren, um einen geschätzten Wert d(t) des Abstands, der zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms und einem korrespondierenden Punkt des Elektromagneten 8 besteht, zu berechnen und um einen geschätzten Wert der Geschwindigkeit, die zwischen einem vorbestimmten Punkt des Schwingarms 4 und einem korrespondierenden Punkt des Elektromagneten 8 besteht, zu berechnen, werden unten mit besonderer Bezugnahme auf 3 beschrieben, in welcher ein einzelner Elektromagnet 8 gezeigt ist.
  • Im Betrieb wird, wenn der Antriebsblock 14 eine über die Zeit variable Spannung V(t) an die Anschlüsse der Spule 17 des Elektromagneten 8 anlegt, diese Spule 17 von einem Strom I(t) durchflossen, wodurch ein Magnetfluss φ(t) mit Hilfe eines Magnetkreises 18, der an die Spule 17 gekoppelt ist, erzeugt wird.
  • Der Magnetkreis 18, der an die Spule 17 gekoppelt ist, ist insbesondere aus dem Kern 16 aus ferromagnetischem Material des Elektromagneten 8, dem Schwingarm 4 aus ferromagnetischem Material und dem Luftspalt 19, der zwischen dem Kern 16 und dem Schwingarm 4 vorliegt, zusammengesetzt.
  • Der Magnetkreis 18 hat eine Gesamtreluktanz R, die durch die Summe der Reluktanz Rfe von Eisen und der Reluktanz R0 des Luftspalts gebildet wird; der Wert des in dem Magnetkreis 18 zirkulierenden Magnetfluss φ(t) ist durch die folgende Beziehung (in welcher N die Anzahl von Windungen der Spule 17 ist) mit dem Wert des in der Spule 17 zirkulierenden Stromes I(t) verknüpft: N·I(t) = R·φ(t) R = Rfe + R0
  • Im Allgemeinen hängt der Wert der Gesamtreluktanz R sowohl von der Position x(t) des Schwingarms 4 (das heißt, von der Amplitude des Luftspalts 19, welche gleich, weniger als eine Konstante, der Position x(t) des Schwingarms 4 ist) und von dem Wert abhängt, der von dem Magnetfluss φ(t) angenommen wird. Ohne vernachlässigbare Fehler (das heißt, als eine erste Annäherung) kann angenommen werden, dass der Reluktanzwert von Eisen Rfe nur von dem vom Magnetfluss φ(t) angenommenen Wert abhängt, während der Reluktanzwert des Luftspalts R0 nur von der Position x(t) abhängt, das heißt: R(x(t), φ(t)) = Rfe(φ(t)) + R0(x(t)) N·I(t) = R(x(t), φ(t))·φ(t) N·I(t) = Rfe(φ(t))·φ(t) + R0(x(t))·φ(t)
  • Durch Auflösen der oben gegebenen letzten Gleichung nach R0 (x(t)) ist es möglich, den Luftspalt-Reluktanzwert R0 zu erhalten, wenn der Wert des Stromes I(t) (welcher ohne Weiteres durch ein Amperemeter 20 gemessen werden kann) bekannt ist, wenn der Wert von N (festgelegt und abhängig von den konstruktiven Eigenschaften der Spule 17) bekannt ist, wenn der Wert des Magnetflusses φ(t) bekannt ist und wenn die zwischen der Reluktanz von Eisen Rfe und dem Magnetfluss φ (bekannt aus den konstruktiven Eigenschaften des Magnetkreises 18 und den magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials, das heißt, ohne Weiteres erhältlich aus experimentellen Versuchen) bestehende Beziehung bekannt ist.
  • Die zwischen der Luftspalt-Reluktanz R0 und der Position x bestehende Beziehung kann in einer relativ einfachen Weise erhalten werden, indem die Kennlinien des Magnetkreises 18 (ein Beispiel eines Verhaltensmodells des Luftspalts 19 wird durch die folgende Gleichung dargestellt) analysiert werden. Sobald die Beziehung zwischen der Luftspalt-Reluktanz R0 und der Position x bekannt ist, kann die Position x aus der Luftspalt-Reluktanz R0 erhalten werden, indem die inverse Beziehung verwendet wird (diese kann verwendet werden entweder durch Nutzen der exakten Gleichung oder durch Anwenden eines näherungsweise arbeitenden digitalen Berechnungsverfahrens). Das Obige kann in den folgenden Beziehungen zusammengefasst werden (in welchen Hfe(φ(t)) = Rfe(φ(t))·φ(t)):
    Figure 00090001
  • Die Konstanten K0, K1, K2, K3 sind Konstanten, die experimentell durch eine Reihe von Messungen des Magnetkreises 18 erhalten werden können.
  • Aus dem Obigen ergibt sich, dass, falls es möglich ist, den Magnetfluss φ(t) zu messen, es auch möglich ist, die Position x(t) des Schwingarms 4 in einer relativ einfachen Weise zu berechnen. Darüber hinaus ist es ausgehend von dem Wert der Position x(t) des Schwingarms 4 möglich, den Wert der Geschwindigkeit s(t) dieses Schwingarms 4 durch eine einfache Operation der Ableitung über die Zeit der Position x(t) zu berechnen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der Magnetfluss φ(t) berechnet werden, indem der Strom I(t), der durch die Spule 17 fließt, mit Hilfe des Amperemeters 20 bekannter Bauart gemessen wird, indem die Spannung V(t), die an die Anschlüsse der Spule 17 angelegt ist, mit Hilfe eines Voltmeters 21 bekannter Bauart gemessen wird und indem der Wert des Widerstandes RES der Spule 17 (welcher leicht gemessen werden kann) bekannt ist. Dieses Messverfahren für den Magnetfluss φ(t) basiert auf den folgenden Beziehungen (in welchen N die Anzahl der Windungen der Spule 17 ist):
    Figure 00100001
  • Der konventionelle Augenblick 0 wird derart ausgewählt, dass der Wert des Magnetflusses φ(0) zu diesem Augenblick 0 präzise bekannt ist; insbesondere wird der Augenblick 0 normalerweise innerhalb eines Zeitintervalls ausgewählt, während dessen der Strom nicht durch die Spule 17 läuft und deshalb der Magnetfluss φ im Wesentlichen Null ist (der Effekt einer Restmagnetisierung ist vernachlässigbar), oder der Augenblick 0 wird an einer vorbestimmten Position des Schwingarms 4 gewählt (typischerweise dann, wenn der Schwingarm 4 an die polaren Erstreckungen 10 des Elektromagneten 8 anstößt), an welcher der Wert der Position x und somit der Wert des Magnetflusses φ bekannt ist.
  • Das oben für die Berechnung des Magnetflusses φ(t) beschriebene Verfahren ist ziemlich genau und schnell (das heißt, frei von Verzögerungen); dieses Verfahren lässt aber einige Probleme aufgrund der Tatsache entstehen, dass die Spannung V(t), die an die Anschlüsse der Spule 17 angelegt ist, normalerweise durch einen Schaltverstärker erzeugt wird, der in den Antriebsblock 14 integriert ist und deshalb kontinuierliche zwischen drei Werten variiert (+VVersorgung, 0, –VVersorgung), von denen zwei (–VVersorgung, –VVersorgung) einen relativ hohen Wert haben und deshalb schwer genau, ohne die Unterstützung relativ komplexer und kostenaufwendiger Messschaltungen zu messen sind. Ferner erfordert das oben für die Berechnung des Magnetflusses φ(t) beschriebene Verfahren ein kontinuierliches Ablesen des Stroms I(t), der durch die Spule 17 zirkuliert und eine kontinuierliche Kenntnis des Wertes des Widerstandes RES der Spule 17, wobei der Widerstandswert, wie bekannt ist, mit den Schwankungen der Temperatur der Spule 17 variiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetkern 16 an eine Hilfsspule 22 gekoppelt (zusammengesetzt aus wenigstens einer Windung und im Allgemeinen mit einer Anzahl von Na Windungen versehen), an deren Anschlüsse ein weiteres Voltmeter 23 angeschlossen ist; wenn die Anschlüsse der Spule 22 im Wesentlichen offen sind (der innere Widerstand des Voltmeters 23 ist so hoch, dass dieser als unendlich angesehen werden kann, ohne dadurch nennenswerte Fehler einzuführen), fließt kein Strom durch die Spule 22, und die Spannung Va(t) an diesem Anschluss hängt nur von der Ableitung des Magnetflusses φ(t) über die Zeit ab, aus welcher es möglich ist, den Magnetfluss mit Hilfe einer Integrationsoperation zu erhalten (es sollte Bezug genommen werden auf die Betrachtungen, die oben im Hinblick auf den Wert φ(0) besprochen wurden):
    Figure 00110001
  • Die Verwendung der Ablesung der Spannung Va(t) der Hilfsspule 22 macht es möglich, jede Art von Messungen und/oder Abschätzungen des elektrischen Stromes und des elektrischen Widerstandes zu vermeiden, um den Magnetfluss φ(t) zu berechnen; darüber hinaus ist der Wert der Spannung Va(t) verknüpft mit dem Wert des Wertes der Spannung V(t) (geringe Streuungen) durch die Beziehung:
    Figure 00110002
  • Als ein Ergebnis davon ist es durch ein richtiges Dimensionieren der Anzahl von Windungen Na der Hilfsspule 22 relativ einfach möglich, den Wert der Spannung Va(t) ein einer präzisen Weise innerhalb eines messbaren Intervalls zu halten.
  • Aus dem Obigen wird klar, dass durch Verwenden der Ablesung der Spannung Va(t) der Hilfsspule 22 die Berechnung des Wertes des Magnetflusses φ(t) präziser, sehr schnell und einfacher im Hinblick auf die Verwendung der Ablesung der Spannung V(t) an den Anschlüssen der Spule 17 ist.
  • In der obigen Beschreibung wurden zwei Verfahren zum Abschätzen der Ableitung des Magnetflusses φ(t) über die Zeit gegeben. Gemäß einer Ausführungsform wird entschieden, nur ein Verfahren zur Berechnung der Ableitung des Magnetflusses φ(t) zu verwenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird entschieden, beide Verfahren zur Berechnung der Ableitung des Magnetflusses φ(t) über die Zeit zu verwenden und einen Mittelwert (möglicherweise gewichtet im Hinblick auf die geschätzte Präzision) der Ergebnisse der zwei angewendeten Verfahren zu verwenden oder ein Ergebnis zu verwenden, um das andere zu verifizieren (falls eine erhebliche Diskrepanz zwischen den zwei Ergebnissen vorliegt, ist es möglich, dass ein Fehler bei den Abschätzungen aufgetreten ist).
  • Es wird schließlich ersichtlich sein, dass die oben beschriebenen Verfahren zum Abschätzen der Position x(t) nur dann verwendet werden können, wenn Strom durch die Spule 17 eines Elektromagneten 8 fließt. Aus diesem Grund arbeitet, wie dies oben beschrieben wurde, der Abschätzungsblock 15 mit 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 Abschätzungsblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte x(t), die mit den zwei Elektromagneten 8 berechnet wurden, möglicherweise gewichtet in Abhängigkeit von der jedem Wert x(t) zugeschriebenen Präzision (im Allgemeinen ist die Abschätzung der Position x, die mit Bezug auf einen Elektromagneten 8 ausgeführt wurde, präziser, wenn der Schwingarm 4 relativ nahe an den polaren Erstreckungen 10 dieses Elektromagneten 8 ist).
  • Es wurde beobachtet, dass als ein Ergebnis der schnellen Verschiebungen des Schwingarms 4, die durch das Magnetfeld bewirkt werden, das durch einen Elektromagneten 8 erzeugt wird, parasitäre Ströme Ipar, welche im Wesentlichen pulsartig sind und relativ hoch sind, in diesen Schwingarm 4 induziert werden. Insbesondere sind diese parasitären Ströme Ipar zusammen mit dem Strom I(t), der in der Spule 17 zirkuliert, verantwortlich für die Erzeugung des Magnetflusses φ(t), der durch den Magnetkreis 18 hindurch fließt, indem sie einen Beitrag hp(t) von Amperewindungen zur Erzeugung dieses Magnetflusses φ(t) liefern: R(x(t), φ(t)) = Rfe(φ(t)) + R0(x(t)) N·I(t) + hp(t) = R(x(t), φ(t))·φ(t) N·I(t) + hp(t) = Rfe(φ(t))·φ(t) + R0(x(t))·φ(t) N·I(t) + hp(t) = Hfe(φ(t)) + R0(x(t))·φ(t)
    Figure 00130001
  • Es wird klar, dass, falls bei der Abschätzung der Position x(t) des Schwingarms 4 nicht der Effekt der parasitären Ströme Ipar berücksichtigt wird, die Abschätzung der Position x(t) um einen Wert unkorrekt wird, der höher ist, je intensiver die parasitären Ströme Ipar sind.
  • Um zu versuchen, den Beitrag hp(t) der Amperewindungen der parasitären Ströme Ipar abzuschätzen, ist es möglich, diese parasitären Ströme Ipar mit einem einzelnen äquivalenten parasitären Strom Ip(t) nachzubilden, welcher in einer einzelnen äquivalenten Windung p zirkuliert (in 4 gezeigt), die magnetisch an den Magnetkreis 18 gekoppelt ist, in welchem der Magnetfluss φ(t) zirkuliert; die Windung p hat ihren eigenen Widerstand Rp, ihre eigene Induktanz Lp und ist kurz geschlossen.
  • Die Werte des Widerstandes Rp und der Induktanz Lp der Windung p können in einer relativ einfachen Weise mit Hilfe einer Reihe von experimentellen Messungen des Elektromagneten 8 erhalten werden. Es ist offensichtlich, dass die Windung p auch magnetisch an die Leistungsspule 17 des Elektromagneten 8 gekoppelt ist, wobei die Spule 17 N-Windungen und ihren eigenen Widerstand RES hat.
  • Die Gleichung, welche den elektrischen Schaltkreis der Spule 17 und die Windung p beschreiben, werden durch die Anwendung des verallgemeinerten Ohmschen Gesetzes gegeben:
    Figure 00140001
  • Ein Bewegen zu den L-Transformationen (Laplace'sche Transformationen) und der Erhalt der Transferfunktion des Stromes Ip in der Ebene der Laplace-Transformationen liefert: –Rp·Ip = s·Φ + Lp·s·Φ
    Figure 00140002
  • Sobald die Werte des Widerstandes Rp und der Induktanz Lp der Windung p bekannt sind und sobald der Wert des Magnetflusses φ(t) durch eines der oben beschriebenen zwei Verfahren abgeschätzt worden ist, kann der Wert des äquivalenten parasitären Stroms Ip(t) erhalten werden, indem ein bekanntes Verfahren der L-Antitransformation angewendet wird; vorzugsweise wird der Wert des äquivalenten parasitären Strom Ip(t) erhalten, indem die oben erwähnte Gleichung diskretisiert wird und ein digitales Verfahren angewendet wird (dieses kann ohne weiteres über eine Software implementiert werden).
  • Es wird klar, dass er äquivalente parasitäre Strom Ip(t) auf den Magnetkreis 18 aufgebracht wird, indem dieser in einer einzelnen äquivalenten Windung p zirkuliert, und deshalb erzeugt der äquivalente parasitäre Strom Ip(t) einen Beitrag hp(t) der Amperewindungen, der gleich seiner Intensität ist. Mit anderen Worten: hp(t) = Ip(t)·1
    Figure 00150001

Claims (12)

  1. Verfahren zum Abschätzen der Position (x) eines Stellgliedes (4) in einem elektromagnetischen Stellantrieb (1) zur Steuerung eines Motorventils (2), wobei das Stellglied (4) wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellt ist und in Richtung wenigstens eines Elektromagneten (8) unter der Wirkung der durch diesen Elektromagneten (8) erzeugten magnetischen Anziehungskraft verstellt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position (x) des Stellgliedes (4) in Bezug zu dem Elektromagneten (8) als eine Funktion des Wertes bestimmt wird, der durch die gesamte Reluktanz (R) eines den Elektromagneten (8) und das Stellglied (4) umfassenden magnetischen Schaltkreises (18) bestimmt wird, wobei der Wert der gesamten Reluktanz (R) des magnetischen Schaltkreises (18) als ein Verhältnis zwischen einem Gesamtwert der dem magnetischen Schaltkreis (18) zugeordneten Amperewindungen und einem Wert des durch diesen magnetischen Schaltkreis (18) hindurchgehenden Magnetflusses (φ) berechnet wird und der Gesamtwert der Amperewindungen berechnet wird als die Summe eines ersten Beitrags, der auf dem Wert eines durch eine Spule (17) des Elektromagneten (8) zirkulierenden Stromes (I) zurückzuführen ist, und eines zweiten Beitrages (hp), der auf parasitäre Ströme (Ipar) zurückzuführen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die parasitären Ströme (Ipar) mit Hilfe eines äquivalenten parasitären Stromes (Ip) modelliert werden, der in einer äquivalenten Windung (p) zirkuliert, die mit dem durch den Elektromagneten (8) und dem Stellglied (4) gebildeten magnetischen Schaltkreis (18) kurz geschlossen und magnetisch gekoppelt ist, und der Wert des äquivalenten parasitären Stromes (Ip) abgeschätzt wird, indem die durch Anwenden des verallgemeinerten Ohmschen Gesetzes auf die äquivalente Windung (p) erhaltene Differenzialgleichung gelöst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem das verallgemeinerte Ohmsche Gesetz auf die äquivalente Windung (p) mit Hilfe der Gleichung angewendet wird:
    Figure 00170001
    in welcher: • φ der Magnetfluss ist, der durch den magnetischen Schaltkreis (18), hindurch geht; • Ip der äquivalente parasitäre Strom (Ip) ist; • Rp der Widerstand (Rp) der äquivalenten Windung (p) ist; • Lp die Induktanz (Lp) der äquivalenten Windung (p) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Widerstand (Rp) und die Induktanz (Lp) der äquivalenten Windung (p) experimentell erhalten werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, in welchem die Differenzialgleichung in die Laplace-Domäne transformiert wird und in Bezug auf den äquivalenten parasitären Strom (Ip) gelöst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die Differenzialgleichung in der Laplace-Domäne durch digitale Verfahren diskretisiert und aufgelöst wird, um die Abschätzung für den äquivalenten parasitären Strom (Ip) zu erhalten.
  7. Verfahren nach einem Ansprüche 3 bis 6, in welchem der Wert des Magnetflusses (φ) abgeschätzt wird, indem der durch den Strom (I), der durch die Spule (17) des Elektromagneten (8) zirkuliert, angenommene Wert und die an die Anschlüsse dieser Spule (17) angelegte Spannung (V) gemessen werden, die Ableitung über die Zeit des Magnetflusses (φ) als eine lineare Kombination der Werte solcher elektrischen Magnituden (I, V) berechnet wird und die Ableitung des Magnetflusses (φ) über die Zeit integriert wird; wobei die Ableitung über die Zeit des Magnetflusses (φ) und der Magnetfluss selbst (φ) durch Anwenden der folgenden Formeln berechnet wird:
    Figure 00180001
    in welchen: • φ der Magnetfluss (φ) ist; • N die Anzahl der Windungen der Spule (17) ist; • V ist die Spannung (V) die an die Anschlüsse der Spule (17) angelegt wird; • RES ist der Widerstand der Spule (17); • I der Strom (I) ist, der durch die Spule (17) läuft.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, in welchem der Wert des Magnetflusse (φ) abgeschätzt wird, indem der durch die Spannung (Va), die an den Anschlüssen der mit dem magnetischem Schaltkeis (18) gekoppelten und mit dem Magnetfluss (φ) versorgten Hilfsspule (22) vorliegt, angenommene Wert gemessen wird, die Ableitung über die Zeit des Magnetflusses (φ) als Funktion der Spannung (Va) berechnet wird, die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorliegt, und die Ableitung des Magnetflusses (φ) über die Zeit integriert wird; wobei die Hilfsspule (22) im wesentlichen elektrisch offen ist; und wobei die Ableitung über die Zeit des Magnetflusses (φ) und der Magnetfluss selbst (φ) durch Anwenden der folgenden Formeln berechnet wird:
    Figure 00190001
    in welchem: • der Magnetfluss (φ) ist; • Na die Anzahl der Windungen der Hilfsspule (22) ist; • Va die Spannung (Va) ist, die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorliegt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem angenommen wird, dass die gesamte Reluktanz (R) gebildet wird durch die Summe einer ersten Reluktanz (R0), die auf einen Luftspalt (19) des magnetischen Schaltkreises (18) zurückzuführen ist, und einer zweiten Reluktanz (Rfe) die auf die Komponente des ferromagnetischen Materials (16, 4) des magnetischen Schaltkreises (18) zurückzuführen ist, wobei die erste Reluktanz (R0) abhängt von den konstruktiven Merkmalen des magnetischen Schaltkreises (18) und von dem Wert der Position (x) und die zweite Reluktanz (Rfe) abhängig ist von den konstruktiven Merkmalen des magnetischen Schaltkreises (18) und von einem Wert eines Magnetflusses (φ), der durch den magnetischen Schaltkeis (18) hindurch geht, wobei die Position (x) als eine Funktion des durch die erste Reluktanz (R0) angenommenen Wertes bestimmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, in welchem der Wert der zweiten Reluktanz (Rfe) als eine Funktion des Wertes des Magnetflusses (φ) berechnet wird und der Wert der ersten Reluktanz (R0) als die Differenz zwischen dem Wert der gesamten Reluktanz R und den Wert der zweiten Reluktanz (Rfe) berechnet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, in welchem eine erste mathematische Beziehung definiert wird, die den Wert der ersten Reluktanz (R0) als eine Funktion des Wertes der Position (x) ausdrückt, wobei die Position (x) bestimmt wird, in dem ein Wert der ersten Reluktanz (R0) geschätzt wird und die Operation einer Umkehrung der ersten mathematischen Beziehung auf diesen Wert der ersten Reluktanz (R0) angewendet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, in welchem die erste mathematische Beziehung durch die Gleichung definiert wird:
    Figure 00200001
    in welcher R0 die erste Reluktanz (R0) ist, x(t) die Position (x) ist und K0, K1, K2, K3 vier Konstanten sind.
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