DE60108998T2

DE60108998T2 - Steuerungssystem zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils

Info

Publication number: DE60108998T2
Application number: DE60108998T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Zama-shi Kumaki; Ikuhiro Zushi-shi Taniguchi; Taketoshi Yokohama-shi Kawabe; Shigeru Fujisawa-shi Nakajima
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2021-06-01
Also published as: EP1160423B1; EP1160423A3; EP1160423A2; JP3707354B2; DE60108998D1; US6497205B2; JP2001342855A; US20010054399A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem zum Steuern einer elektromagnetisch betätigten Ventileinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und im speziellen auf ein elektromagnetisches Ventilsteuersystem, das in der Lage ist, eine sanfte Landung eines beweglichen Elements auf einem Elektromagnet in einer Ventilöffnungs-/Schließsteuerung zu bewerkstelligen.
In den vergangenen Jahren wurden verschiedene elektromagnetische Ventilbetätigungssysteme vorgestellt, die ein elektromagnetisches Stellorgan einsetzen, das ein bewegliches Element, ein Paar von Elektromagneten und ein Paar von Federn umfasst, um die Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine hin und herbewegend zu betätigen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass ein bewegliches Element eines solches Ventilbetätigungssystems sanft auf einem Elektromagneten gelandet wird, während eine erforderliche Bewegungsleistung gewährleistet wird. Eine vorläufige japanische Patentveröffentlichung Nr. (Heisei)11-159313 offenbart eine Landemethode zum sanften Landen eines beweglichen Elements auf einem Elektromagneten in einem elektromagnetischen Ventilbetätigungssystem. Solch eine sanfte Landung in diesem System wird erreicht durch zeitiges Abschalten des Elektromagneten während einer Phase zwischen einem Anschaltmoment des Elektromagneten und dem Landemoment des beweglichen Elements. Ferner, um eine weitere präzise Landesteuerung einer elektromagnetischen Ventileinheit umfassend ein Ventil und ein elektromagnetisches Stellorgan zu realisieren, wurde eine Steuermethode vorgestellt, die einen für ein Vibrationssystem der elektromagnetischen Ventileinheit repräsentativen Kennwert verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Jedoch wird der Kennwert des Vibrationssystems der gesteuerten elektromagnetischen Ventileinheit entsprechend einer Betriebsbedingung verändert. Im Speziellen wird eine Reibung in der elektromagnetischen Ventileinheit erheblich von einer Temperatur beein flusst, weil die Reibung in hohem Maße von einer Eigenschaft eines Schmieröls abhängt, dessen Viskosität sich im Einklang mit der Temperaturveränderung verändert. Deshalb ist es schwierig, eine erforderliche Landesteuerung mit nur einer Größe, die einen voreingestellten Kennwert repräsentiert, beständig auszuführen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem bereitzustellen, welches ferner eine Steuerung für die sanfte Landung einer elektromagnetischen Ventileinheit zuverlässig ausführt, durch Verändern einer Modellkonstante des Vibrationssystems einer gesteuerten elektromagnetischen Ventileinheit im Einklang mit einem tatsächlichen Betriebszustand.
Um das obige Ziel zu erreichen stellt die Erfindung das elektromagnetische Ventilsteuersystem nach Anspruch 1 bereit.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht in einem Ventilsteuersystem, welches eine elektromagnetische Ventileinheit und ein Steuergerät umfasst. Die elektromagnetische Ventileinheit umfasst ein Ventil, ein Paar von Elektromagneten, die in einem voneinander beabstandeten Verhältnis in axialer Ausrichtung mit dem Ventil angeordnet sind, um einen Arbeitsraum zu bilden, ein bewegliches Element, das axial beweglich in dem Arbeitsraum zwischen den Elektromagneten angeordnet ist und mit dem Ventil ineinander greift, ein Paar von Federn, die die beweglichen Elemente vorspannen, um das bewegliche Element in einem mittleren Abschnitt des Arbeitsraums zu platzieren, wenn beide Elektromagnete abgeschaltet sind. Das Steuergerät ist an die elektromagnetische Ventileinheit angeschlossen und führt eine Initialisierungssteuerung zum Bewegen der beweglichen Elemente auf eine Startposition aus, durch wiederholtes Anschalten der Elektromagnete im Einklang mit einer Eigenfrequenz eines Vibrationssystems der elektromagnetischen Ventileinheit. Das Steuergerät ermittelt Amplituden der Schwingung des beweglichen Elements während der Initialisierungssteuerung, berechnet einen Steigerungsgrad der ermittelten Amplituden, und schätzt eine Reibungsgröße des Vibrationssystems auf der Basis des berechneten Steigerungsgrades ab.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Steuersystems eines elektromagnetisch betätigten Motorventils gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Geschwindigkeitsfunktion des beweglichen Elements, die in einer Landesteuerung vom Steuersystem aus 1 verwendet wird.
3 ist ein Blockschaltbild eines Regelungssystems aus der Schemaansicht des Steuersystems, das eine Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung einer Struktur eines Steuergeräts in dem Steuersystem.
5 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Anschaltsteuerroutine im Startzustand.
6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Bewegung eines beweglichen Elements während einer Resonanzinitialisierungssteuerung.
7 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Kennfeldes, repräsentierend ein Verhältnis zwischen einem Steigerungsgrad und einer Reibung.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Temperatur-Reibungskennfeldes.
9 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Einschaltsteuerroutine während des normalen Betriebszustands, die von dem Steuergerät des Steuersystems ausgeführt wird.
10 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Landesteuerung, die von dem Steuergerät der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
11 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Reibungsabschätzroutine zum Abschätzen einer Reibung während eines normalen Betriebszustands, die von dem Steuergerät ausgeführt wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezug nehmend auf 1 bis 11 wird ein Ausführungsbeispiel eines Steuersystems für elektromagnetisch betätigte Motorventile im Einklang mit der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Wie in 1 gezeigt wird, ist das Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet, um die Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zu steuern. Vier Ventileinheiten 100 sind für jeden Zylinder des Motors vorgesehen. Zwei der Ventileinheiten dienen als Einlassventile, und die anderen zwei Ventileinheiten 100 dienen als Auslassventile. Im Speziellen sind bei jedem Zylinder des Motors zwei mit den Einlassdurchgängen in Verbindung stehende Einlassöffnungen und zwei mit den Auslassdurchgängen in Verbindung stehende Auslassöffnungen in einem Zylinderkopf 1 ausgebildet. Um die Erklärung der Struktur der Ventileinheiten 100 zu vereinfachen, wird eine der Ventileinheiten 100 erläutert.
Ein Ventil 3 jeder Ventileinheit 100 ist in eine Öffnung 2 der Einlass- und Auslassöffnungen installiert. Das Ventil 3 durchdringt eine untere Wand eines Gehäuses 12, und ist hin und herbewegbar, während es vom Zylinderkopf 1 gelagert wird. Eine Halterung 4 ist an einem oberen Endabschnitt des Ventils 3 befestigt. Eine Ventilschließfeder 5 ist zwischen der Halterung 4 und einer der Halterung 4 zugewandten Wand des Zylinderkopfs 1 installiert, und spannt das Ventil 3 in einer Ventilschließrichtung vor.
Ein scheibenartiges bewegliches Element 6, hergestellt aus weichmagnetischem Material, ist einstückig an einen Führungsschaft 7 angeschlossen. Ein unteres Ende des Führungsschafts 7 ist in Kontakt mit einem oberen Ende des Ventils 3. Eine Halterung 8 ist an einem oberen Abschnitt des Führungsschafts 7 befestigt. Eine Ventilöffnungsfeder 9 ist zwischen der Halterung 8 und einer oberen Wand des Gehäuses 10 installiert. Die Ventilöffnungsfeder 9 spannt das bewegliche Element 6 integral mit dem Führungsschaft 7 in der Ventilöffnungsrichtung vor, und deshalb ist das Ventil 3 in der Ventilöffnungsrichtung durch die Ventilöffnungsfeder 9 über den Führungsschaft 7 vorgespannt. Dementsprechend sind das Ventil 3 und das bewegliche Element 6 in einer Hin- und Herbewegung einheitlich bewegbar. Wenn das Ventil 3 und das bewegliche Element 6 in den verbundenen Zustand gebracht werden, spannen die Ventilschließ- und Öffnungsfedern 5 und 9 das bewegliche Element 6 in einer in 1 gezeigten neutralen Position vor. Obwohl diese Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung so gezeigt und beschrieben wurde, dass ein Schaft des Ventils 3 von dem Führungsschaft 7 trennbar ist, ist es selbstverständlich, dass das Ventil 3 und der Führungsschaft 7 einstückig geformt sind.
Ein Ventilöffnungselektromagnet 10 ist unterhalb des beweglichen Elements 6 angeordnet und hat einen vorbestimmten Abstand von dem beweglichen Element 6, und ein Ventilschließelektromagnet 11 ist oberhalb des beweglichen Elements 6 angeordnet und hat einen vorbestimmten Abstand vom beweglichen Element 6. Deshalb ist das bewegliche Element 6 beweglich in dem Arbeitsraum zwischen den Ventilöffnungs- und Schließelektromagneten 10 und 11 angeordnet. Sowohl die Ventilöffnungs- und Schließelektromagnete 10 und 11 haben jeweils Führungslöcher, und der Führungsschaft 7 ist so gelagert, dass er sich in diesen Führungslöchern hin und herbewegen kann. Die Neutralposition des beweglichen Elements 6 ist in einer im Allgemeinen mittigen (dazwischenliegenden) Position zwischen den Ventilöffnungs- und Schließelektromagneten 10 und 11 festgelegt.
Ein Positionssensor 13 ist im Gehäuse 12 installiert und ermittelt eine Position des beweglichen Elements 6 in der Axialrichtung. In dieser Ausführung wird ein Laserverschiebungsmesser als Positionssensor 13 verwendet.
Ein Steuergerät 21 des Steuersystems empfängt ein Ventilöffnungs-/Schließkommando von einer Motorsteuereinheit 22 und gibt ein Einschaltsignal an einen Antriebsschaltkreis 23 auf der Basis der empfangenen Ventilöffnungs-/Schließkommandos aus, um den Ventilöffnungselektromagneten oder Ventilschließelektromagneten 11 einzuschalten. Der Antriebsschaltkreis 23 stellt elektrischen Strom aus einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) für die Elektromagnete 10 und 11 bereit, um auf das bewegliche Element 6 eine angemessene elektromagnetische Kraft auszuüben.
Ferner empfängt das Steuergerät 21 von einem Temperatursensor 14 ein Temperatursignal, das eine Schmieröltemperatur anzeigt, und von dem Schaltkreis 23 eine für jeden Elektromagneten 10, 11 bereitzustellende Stromstärke i. In dieser Ausführung wird ein Kühlmitteltemperatursignal T_w, das eine Motorkühlmitteltemperatur anzeigt, in das Steuergerät 21 eingegeben, als eine Temperatur entsprechend zu einer Schmieröltemperatur.
Nachstehend wird die Art der Betätigung der Ventileinheit 100 erläutert.
Die jeweiligen Ventilöffnungs- und Schließfedern 5 und 9 wurden so ausgelegt, dass das bewegliche Element 6 aufgrund der Vorspannkräfte der Federn 5 und 9 in der Neutralposition positioniert ist, wenn beide Elektromagnete 10 und 11 ausgeschaltet sind.
Wenn die Betätigung des beweglichen Elements 6 gestartet wird, wird eine Initialisierungssteuerung zum Positionieren des beweglichen Elements 6 in einer gesetzten (Lande-) Position auf dem Ventilschließelektromagneten 11 ausgeführt, um den Energieverbrauch zu verringern und um die Herstellungskosten eines Stromversorgungsschaltkreises der Elektromagnete 10 und 11 zu reduzieren.
Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Initialisierungssteuerung ist eine Methode, in der eine Amplitude einer abwechselnden Verschiebung des beweglichen Elements 6 schrittweise erhöht wird durch abwechselndes Bereitstellen von elektrischem Strom für die Elektromagnete 10 und 11, und das bewegliche Element 6 zuletzt eine vorbestimmte Ausgangsstellung erreicht, entsprechend der Stellung, in der das Ventil vollkommen geschlossen ist. Im Speziellen wird eine Ventileinheit 100 als ein Masse-Feder-Vibrationssystem dargestellt, welches aus den Federn 5 und 9 und den beweglichen Teilen einschließlich Ventil 3, beweglichem Element 6 und Führungsschaft 7 gebildet wird. Eine Eigenfrequenz f₀ des Masse-Feder-Vibrationssystems wird dargestellt durch die Gleichung f₀ = 2π√K/m, wobei eine zusammengesetzte Federkonstante der Federn 5 und 9 gleich K ist, und eine Gesamtträgheitsmasse der beweglichen Teile gleich m ist. Durch abwechselndes Anschalten der Ventilöffnungs- und Schließelektro magnete 10 und 11 in einem Zyklus entsprechend zu dieser Eigenfrequenz f₀, erzeugt das Masse-Feder-Vibrationssystem eine Resonanz und erreicht die Initialisierungssteuerung (nachstehend wird diese initialisierung "Resonanzinitialisierung" genannt).
Die normale Ventilbetätigung jedes der Einlass- und Auslassventile wird nach der Vervollständigung der Resonanzinitialisierung gestartet. Beispielsweise, wenn ein in eine geschlossene Stellung gebrachtes Ventil 3 in eine geöffnete Stellung bewegt wird, wird zuerst der Ventilschließelektromagnet 11 abgeschaltet. In Antwort auf die Abschaltbetätigung des Ventilschließelektromagneten 11 wird das bewegliche Element 6 im Grunde genommen abwärts verschoben aufgrund der Kräfte der Federn 5 und 9. Die beweglichen Teile der Ventileinheit 100 erzeugen einen Energieverlust aufgrund einer Reibung basierend auf einer Viskosität des Schmieröls. Um diesen Energieverlust auszugleichen und um die normale Ventilbetätigung zu erhalten, wird der Ventilöffnungselektromagnet 10 während eines Öffnungsvorgangs des beweglichen Elements 6 angeschaltet.
Ein Diagramm der 2 zeigt eine Ortskurve des beweglichen Elements 6. In diesem Diagramm stellt eine horizontale Achse eine Position z des beweglichen Elements 6 dar, wenn die Neutralposition des beweglichen Elements 6 auf einen Ausgangspunkt eingestellt ist, und eine Vertikalachse stellt eine Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 in der Position z dar. Beim Abschalten des Ventilschließelektromagneten 11 startet das bewegliche Element 6, das von dem Ventilschließelektromagneten 11 angezogen werden sollte, eine freie Vibration von einer Position z = –z1 (wobei z1 > 0). In dieser Situation, wird die Bewegung in diesem Vibrationssystem im Allgemeinen bestimmt durch die folgende Gleichung (1). mz .. + cz . + kz = 0 (1)
In dieser Gleichung (1), ist c ein Dämpfkoeffizient und zeigt insbesondere eine Größenordnung der Reibung an.
In dem Moment, wenn das bewegliche Element 6 auf eine Position verschoben wird, wo die magnetische Kraft des Ventilöffnungselektromagneten 10 sich auf das bewegliche Element 6 auswirkt, wird der Ventilöffnungselektromagnet 10 eingeschaltet. Das bewegliche Element 6 wird durch die magnetische Kraft des Ventilöffnungselektromagneten 10 beeinflusst und wird auf eine vorbestimmte Position (z = z3) verschoben. Durch Bereit stellen eines vorbestimmten elektrischen Stroms für den Ventilöffnungselektromagneten 10 während dieser Periode wird das bewegliche Element 6 beschleunigt, wenn sich das bewegliche Element 6 dem Ventilöffnungselektromagneten 10 annähert. Um eine radiale Kollision zwischen dem beweglichen Element 6 und dem Ventilöffnungselektromagneten 10 zu verändern, wird eine Landesteuerung zum sanften Landen des beweglichen Elements 6 auf dem Ventilöffnungselektromagneten 10 ausgeführt durch Abbremsen der Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6.
Um diese Landesteuerung zu erreichen (Kollisionsverhinderungssteuerung), wird die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 nach dem Starten des Anschaltens des Ventilöffnungselektromagneten 10 auf eine Zielgeschwindigkeit r im Einklang mit der Position z mittels einer in 3 gezeigten Regelung geregelt. In diesem Steuersystem, ermittelt das Steuersystem 21 die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 und gibt das Anschaltkommando aus, so dass die ermittelte Geschwindigkeit v der Zielgeschwindigkeit r nachfolgt. Durch Anschalten des Ventilöffnungselektromagneten 10 durch den Antriebsschaltkreis 23 entsprechend dem Anschaltstrom, ist es möglich, das bewegliche Element 6 sanft auf dem Ventilöffnungselektromagneten 10 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit wie 0,1 (m/s) oder weniger zu landen. Ferner wird es möglich, das bewegliche Element 6 in einer Position anzuhalten, in der das bewegliche Element 6 einen vorbestimmten Abstand mit Bezug auf den Ventilöffnungselektromagneten 10 hat, und um das bewegliche Element 6 auf der beabstandeten Position zu halten bis die nächste Schließbetätigung ausgeführt wird.
Wenngleich nur die Betätigung der Ventileinheit 100 während der Ventilöffnungsperiode zuvor erläutert wurde, wird die Betätigung während der Ventilschließperiode ebenso ähnlich zu der während der Ventilöffnungsperiode ausgeführt. Deshalb wird die Erklärung der Betätigung während der Ventilschließperiode hier ausgelassen.
Wenn die zuvor genannte Landesteuerung ausgeführt wird, wird die Genauigkeit der Steuerung durch Verwenden einer Modellkonstante wie einer Masse m, der Reibung c und einer Federkonstante K für ein gesteuertes System der Ventileinheit 100 verbessert. Jedoch neigt die Reibung c dazu, sich entsprechend der Veränderung einer Temperatur, im Speziellen der Veränderung der Öltemperatur, stark zu verändern.
Mit dem derartig eingerichteten Ventilsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Reibung c von einem Bewegungsbild des beweglichen Elements 6 während der Resonanzinitialisierung abzuschätzen, und diese abgeschätzte Reibung c in der Landessteuerung zu reflektieren.
4 zeigt ein Blockschaltbild des Steuergeräts 21 des Ventilsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Anfangsphase-Reibungs-Abschätzungsabschnitt 31 des Steuergeräts 21 liest die Position z während der Resonanzinitialisierungssteuerung und ermittelt einen Steigerungsgrad α einer Amplitude der Initialisierungsschwingung des beweglichen Elements 6. Der Anfangsphasen-Reibungs-Abschätzungsabschnitt 31 schätzt die Reibung c bei der vorliegenden Temperatur auf der Basis des ermittelten Steigerungsgrades α und eines Steigerungs-Reibungs-Kennfeldes 32, das zuvor im Steuergerät 21 bereitgestellt wurde, ab. Das Steigerungs-Reibungs-Kennfeld 32 repräsentiert ein Verhältnis zwischen dem Steigerungsgrad α und der Reibung c.
Das Steuergerät 21 speichert die abgeschätzte Reibung c mit der Kühlmitteltemperatur T_w bei der abgeschätzten Phase in dem Reibungs-Temperatur-Kennfeld 33 in Form eines Temperatur-Reibungs-Verhältnisses. Wenn die ermittelte Kühlmitteltemperatur T_w der in dem Kennfeld 33 gespeicherten Kühlmitteltemperatur entspricht, wird die abgeschätzte Reibung c der ermittelten Kühlmitteltemperatur T_w anstelle der zuvor gespeicherten Reibungsdaten gespeichert.
Ein Normalbetriebs-Reibungs-Abschätzabschnitt 34 des Steuergeräts 21 schätzt die Reibung c bei der vorliegenden Temperatur auf der Basis der ermittelten Kühlmitteltemperatur T_w und mit Bezug auf das Temperatur-Reibungs-Kennfeld 33 ab. Wenn die ermittelte Kühlmitteltemperatur T_w nicht der gespeicherten Temperatur entspricht, wird die Reibung c interpoliert aus den gespeicherten zwei an die ermittelte Kühlmitteltemperatur angrenzenden Temperatur-Reibungs-Daten.
Ein Steuerungsparameter-Einstellabschnitt 35 des Steuergeräts stellt einen optimalen Steuerungsparameter PRM auf der Basis der im Anfangsphasen-Reibungs-Abschätzabschnitt 31 oder Normalbetrieb-Reibungs-Abschätzabschnitt 34 abgeschätz ten Reibung ein. Beispielsweise kann der Steuerungszuwachs (Regelungszuwachs) G des in 3 gezeigten Landungssteuergeräts in Abhängigkeit der Reibung c variiert werden.
Ein Hauptverarbeitungsabschnitt 36 gibt Einschaltkommandos an den Antriebsschaltkreis 23 zum Anschalten des Ventilöffnungselektromagneten 10 bzw. des Ventilschließelektromagneten 11 aus, nach dem Berücksichtigen der abgeschätzten Reibung c und dem festgesetzten Steuerungsparameter PRM, wenn der Hauptverarbeitungsabschnitt 36 ein Ventilöffnungs-/Schließkommando von einer Motorsteuereinheit 22 empfängt.
Nachstehend wird die Steuerprozedur des Steuergeräts 21 mit Bezug auf ein Flussdiagramm der 5 erläutert, welches eine beim Start der Ventileinheit 100 ausgeführte Resonanzinitialisierungssteuerungsroutine zeigt. Dieses Flussdiagramm führt die Resonanzinitialisierungssteuerung und die Abschätzung der Reibung c aus.
In dem Schritt S1 liest das Steuergerät 21 die Position z des beweglichen Elements 6.
Im Schritt S2 entscheidet das Steuergerät 21 ob die Resonanzinitialisierung abgeschlossen wurde oder nicht. In diesem Ausführungsbeispiel entscheidet das Steuergerät, ob das bewegliche Element 6 die Ausgangsstellung erreicht, um die Vervollständigung der Resonanzinitialisierung zu entscheiden. Wenn die Entscheidung im Schritt S2 negativ ist, d. h., wenn die Resonanzinitialisierung nicht abgeschlossen wurde, geht die Routine auf einen Schritt S3 vor. Wenn die Entscheidung im Schritt S2 positiv ist, geht die Routine auf den Schritt S5 vor.
In dem Schritt S3 kommandiert das Steuergerät 21 dem Antriebsschaltkreis 23, die Ventilöffnungs- und Schließelektromagnete 10 und 11 abwechselnd anzuschalten, um die Amplitude der Schwingung des beweglichen Elements 6 zu vergrößern.
Im Schritt S4 speichert das Steuergerät 21 eine gegenwärtige Position z.
Im Schritt S5, anschließend an die positive Entscheidung im Schritt S2, berechnet das Steuergerät 21 den Steigerungsgrad α der Amplitude des beweglichen Elements 6 auf Basis der im Steuergerät 21 gespeicherten Positionsinformation z. In diesem Ausfüh rungsbeispiel sammelt das Steuergerät 21 die Position z des beweglichen Elements während der Resonanzinitialisierung durch wiederholtes Ausführen des Schritts S4 an, und bildet eine Wellenform W1, die eine Schwingung des beweglichen Elements 6 während der Resonanzinitialisierung repräsentiert, wie in 6 gezeigt wird. Das Steuergerät 21 erhält die Spitzenwerte P1 bis P9 der jeweiligen Zyklen aus der Wellenform W1 und erhält den Steigerungsgrad α aus einer Kennlinie W2, die durch Verbinden der Spitzenwerte P1 bis P9 erhalten wird, wie in 6 gezeigt ist. Weil eine Steigerungsrate der Kennlinie W2 dem Steigerungsgrad α entspricht, kann die Steigerungsrate der Kennlinie W2 als Steigerungsgrad α behandelt werden. Wenn der Steigerungsgrad α groß ist, wird die Resonanzinitialisierung schnell erreicht. Deshalb, in diesem schnell erreichten Zustand, schätzt das Steuergerät 21 ab, dass die Reibung c klein ist. Andererseits, wenn der Steigerungsgrad α klein ist, wird die Resonanzinitialisierung nicht schnell erreicht und benötigt eine relativ lange Zeit. Dementsprechend, in diesem verzögerten Zustand, schätzt das Steuergerät 21 ab, dass die Reibung c groß ist.
Hierbei, durch Annähern der Kennlinie W2 mit der folgenden Gleichung (2), wird die Steigerungsrate mit dieser Gleichung (2) durch einen Koeffizienten b der Gleichung (2) repräsentiert. a(1 – e–bt) = At (2)
In dieser Gleichung (2), ist eine Amplitude zur Zeit t gleich At und eine maximale Amplitude in diesem Vibrationssystem ist a. Die Maximalamplitude a wird repräsentiert durch einen Abstand zwischen der Neutralposition und der Ausgangsstellung, in der das bewegliche Element 6 im Grunde in Kontakt mit einem der Elektromagneten 10 oder 11 ist, und in diesem Ausführungsbeispiel ist a gleich z1 (a = z1), wie in 2 gezeigt wird.
Schritte S1 und S4 bilden die Initialisierungsamplitudenermittlungsmittel, und Schritt S5 bezeichnet Amplitudensteigerungsgradberechnungsmittel.
Im Schritt S6 schätzt das Steuergerät 21 die Reibung c auf der Basis des berechneten Steigerungsgrades α und des Erhöhungs-Reibungs-Kennfeldes 32 ab. In diesem Ausführungsbeispiel wurden eine Vielzahl von Reibungen c1 bis cn entsprechend zu einer Vielzahl von Steigerungsgraden α1 bis αn vorab gemessen und als Erhöhungs-Reibungs-Kennfeld 32 abgespeichert. Um die Erklärung zu vereinfachen, wird die Erklä rung zu zwei Reibungen c1 und c2 entsprechend zu Steigerungsgraden α1 und α2 nachstehend mit Bezug auf ein Diagramm der 7 gemacht. Wenn der erhaltene Steigerungsgrad nahe bei und zwischen den gespeicherten Steigerungsgraden α1 und α2 ist, wird die Reibung c aus den gespeicherten zwei Reibungen c1 und c2 entsprechend zu den Steigerungsgraden α1 und α2, interpoliert, wie in 7 gezeigt wird.
Im Schritt S7 setzt das Steuergerät 21 einen optimalen Steuerungsparameter PRM mit Bezug auf die abgeschätzte Reibung c fest. Beispielsweise für das Verhältnis zwischen den optimalen Steuerungsparametern PRM1 bis PRMn wurden die Reibungen c1 bis cn zuvor durch Experimente erhalten und in einem Kennfeld des Steuergeräts 21 gespeichert. Dementsprechend erhält das Steuergerät 21 den in der tatsächlichen Steuerung verwendeten Steuerungsparameter PRM aus dem Kennfeld und auf der Basis der abgeschätzten Reibung c. Dieser Schritt S7 bildet ein Steuerungsparametereinstellmittel.
Der im Schritt S7 eingestellte Steuerungsparameter PRM entspricht einem in der Einschaltsteuerung für die Elektromagnete 10 und 11 verwendeten Steuerungszuwachs G. Wenn die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 von einem Beobachter der Landesteuerung abgeschätzt wird, kann die Reibung c direkt in dem Design des Beobachters reflektiert werden.
Im Schritt S8 liest das Steuergerät 21 die Kühlmitteltemperatur T_w.
Im Schritt S9 speichert das Steuergerät 21 die abgeschätzte Reibung c als ein Verhältnis zur Kühlmitteltemperatur T_w und aktualisiert das Temperatur-Reibungskennfeld 33 bei jeder Ausführung der Resonanzinitialisierung. Mit Bezug auf 8 hat das Temperatur-Reibungs-Kennfeld 33 in einem Ausgangszustand nur die Koordinatenachsen Kühlmitteltemperatur T_w und Reibung c gespeichert, und erhöht dann schrittweise die Information durch jede Resonanzinitialisierung. Es ist wünschenswert, das Kennfeld 33 mit den neuen Daten zu aktualisieren, wenn die Kühlmitteltemperatur T_w der neuen Daten, deren zugehörige Kühlmitteltemperaturen T_w bereits abgespeichert wurden, erhalten wird. Bei diesem Aktualisierungsbetrieb wird das Kennfeld 33 schrittweise perfektioniert und füllt insbesondere die Daten bei einer gewöhnlichen Temperatur während der Resonanzinitialisierung auf. Dieser Schritt S9 bildet ein Reibungsgrößenspeichermittel.
Nachstehend wird die vom Steuergerät 21 nach der Vervollständigung der Resonanzinitialisierung ausgeführte Normalbetriebsteuerroutine mit Bezug auf ein Flussdiagramm der 9 erläutert.
Im Schritt S11 liest das Steuergerät 21 das Ventilöffnungs-/Schließkommando für jede Ventileinheit 100 für jedes der Einlass- und Auslassventile.
Im Schritt S12 entscheidet das Steuergerät 21 ob das Lesekommando das Ventilöffnungskommando ist oder nicht. Wenn die Entscheidung im Schritt S12 positiv ist, geht die Routine auf den Schritt S13 vor. Wenn die Entscheidung im Schritt S12 negativ ist, geht die Routine zum Schritt S15 vor.
Im Schritt S13 kommandiert das Steuergerät 21 den Antriebsschaltkreis 23 zum Abschalten des Ventilschließelektromagneten (VCE) 11.
Im Schritt S14 kommandiert das Steuergerät 21 den Antriebsschaltkreis 23 zum Anschalten des Ventilöffnungselektromagneten (VOE) 10 und zum Ausführen der Landesteuerung. Das heißt, die Routine springt auf die von einem Flussdiagram der 10 gezeigte Ladesteuerungsroutine. Nach der Ausführung der Ladesteuerungsroutine für den Ventilöffnungselektromagneten 10 geht die Routine auf den Schritt S15 vor. Die Landesteuerungsroutine wird später erläutert.
Im Schritt S15 entscheidet das Steuergerät 21, ob die erhaltenen Kommandos das Ventilschließkommando enthalten oder nicht. Wenn die Entscheidung im Schritt S15 positiv ist, geht die Routine auf Schritt S16 vor. Wenn die Entscheidung im Schritt S15 negativ ist, geht die Routine auf einen Wiederholungsschritt.
Im Schritt S16, anschließend an die positive Entscheidung im Schritt S15, kommandiert das Steuergerät 21 den Antriebsschaltkreis 23 zum Abschalten des Ventilöffnungselektromagneten (VOE) 10.
Im Schritt S17 kommandiert das Steuergerät 21 den Antriebsstromkreis 23 zum Anschalten des Ventilschließelektromagneten (VCE) 11 und zum Ausführen der Landesteuerung des Ventilschließelektromagneten 11. Das heißt, die Routine springt auf die von Flussdiagramm der 10 gezeigte Landesteuerungsroutine. Nach der Ausführung der Landesteuerungsroutine für den Ventilschließelektromagneten 11, geht die Routine auf den Wiederholungsblock.
Nachstehend wird die Landesteuerung mit Bezug auf das Flussdiagramm der 10 erläutert. Wie oben erwähnt, wird diese Routine als Subroutine bei den Schritten S14 und S17 der 9 separat ausgeführt.
Im Schritt S21 liest das Steuergerät 21 die Position z des beweglichen Elements 6.
Im Schritt S22 entscheidet das Steuergerät 21, ob die gelesene Position z größer oder gleich zu dem Wert z2 ist oder nicht. Das heißt, das Steuergerät 21 entscheidet, ob oder ob nicht das bewegliche Element 6 auf eine Position bewegt ist, wo die elektromagnetische Kraft des Ventilöffnungselektromagneten 10 (oder Ventilschließelektromagneten 11) das bewegliche Element 6 beeinflusst, wie in 2 gezeigt wird. Wenn die Entscheidung im Schritt S22 negativ ist (z < z2), geht die Routine auf den Schritt S21 vor. Das heißt, die Schritte S21 und S22 werden wiederholt, bis die Entscheidung im Schritt S22 positiv wird. Wenn die Entscheidung im Schritt S22 positiv ist (z ≥ z2) geht die Routine auf den Schritt S23 vor.
Im Schritt S23 führt das Steuergerät 21 die Steuerungsparametereinstellsteuerung aus, um den Steuerungsparameter PRM einzustellen. Im Speziellen springt die Routine auf die von einem Flussdiagramm der 11 gezeigte Steuerungsparametereinstellsteuerungsroutine. Nach der Ausführung der in 11 gezeigten Steuerungsparametereinstellsteuerung geht die Routine zum Schritt S24 zurück. Die Steuerungsparametereinstellroutine wird später erläutert.
Im Schritt S24 ermittelt das Steuergerät 21 die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6. In diesem Ausführungsbeispiel erhält das Steuergerät 21 die Geschwindigkeit v auf der Basis der vom Positionssensor 13 ermittelten Position z. Im Speziellen wird die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 auf der Basis einer Verschiebung pro Zeiteinheit (v = dz/dt), wie einer Differenz (z_n – z_n–1) zwischen einer vorherigen Position z_n–1 und einer gegenwärtigen Position z_n erhalten. Die Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 kann erhalten werden durch Vorsehen eines Geschwindigkeitssensors zum Ermitteln der Geschwindigkeit des beweglichen Elements 6, oder durch Auslegen eines Beobachters der Geschwindigkeit v und Abschätzen der Geschwindigkeit v von diesem Beobachter. In solch einem Fall ist es notwendig, ein Modell eines Zustands eines gesteuerten Systems zu bestimmen, um den Beobachter der Geschwindigkeit v auszulegen. Zur Berücksichtigung eines auf die beweglichen Abschnitte des gesteuerten Systems (Ventileinheit 100) ausgeübten Reibungswiderstands und der Elastizität der Federn 5 und 9 ist die Reibung c in dem Modell enthalten. Dementsprechend, wenn es möglich ist, die Reibung c entsprechend dieser Bedingung abzuschätzen, trägt die Abschätzung zum weiteren genauen Bestimmen der Geschwindigkeit v bei.
Im Schritt S25 berechnet das Steuergerät die Zielgeschwindigkeit r. Die Zielgeschwindigkeit r ist eine gemäß der Position z des beweglichen Elements 6 festgelegte Funktion, und es ist wünschenswert, dass die Zielgeschwindigkeit r_z2 bei Position z2 gleich einer Geschwindigkeit v_z2 gesetzt ist, die aus der freien Vibration (r_z2 = v_z2) abgeleitet ist, wenn die Position z bei einem Umschaltstartpunkt z2 (z = z2) ist. Zum Landeabschlusspunkt, wenn es so eingestellt ist, dass bei z = z3 die Geschwindigkeit v_z3 gleich Null ist (v_z3 = 0), wird es möglich, die Kollision zwischen dem beweglichen Element 6 und dem Ventilöffnungselektromagneten 10 zu verhindern und das bewegliche Element 6 bei der vorbestimmten Position bis zur nächsten Ventilschließbetätigung zu halten.
Im Schritt S26 berechnet das Steuergerät 21 eine elektrische Zielstromstärke i*, um sie dem Ventilöffnungselektromagneten 10 bereit zu stellen, in einer Weise, um einen Regelungskorrekturstrom zu erhalten, durch Multiplizieren einer Differenz (r – v) zwischen der Zielgeschwindigkeit r und der tatsächlichen Geschwindigkeit v des beweglichen Elements 6 mit dem Steuerungszuwachs G und durch Addieren des Regelungskorrekturstroms zur tatsächlichen elektrischen Stromstärke i (i* = G(r – v) + i).
Im Schritt S27 steuert das Steuergerät 21 den Antriebsschaltkreis 23, um dem entsprechenden Elektromagneten 10, 11 die elektrische Zielstromstärke i* bereitzustellen. Dementsprechend wird eine elektromotorische Gegenkraft beim zugehörigen Elektromagneten im Einklang mit der Bewegung des beweglichen Elements 6 erzeugt, und die tatsächlich dem zugehörigen Elektromagneten bereitzustellende elektrische Stromstärke wird bestimmt. Ferner wird die Anziehungskraft f des zugehörigen Elektromagneten auf das bewegliche Element 6 im Einklang mit der tatsächlichen elektrischen Stromstärke und der Position z des beweglichen Elements 6 ausgeübt. Ein beweglicher Abschnitt, der das bewegliche Element 6 in der elektromagnetischen Ventileinheit 100 umfasst, wird durch die Anziehungskraft f und die Vorspannkraft der Federn 5 und 9 angetrieben, so dass das Ventilelement 3 zu der vollständig geöffneten Stellung gefahren wird.
Nachstehend wird die Steuerungsparametereinstellsteuerung mit Bezug auf das Flussdiagramm der 11 erläutert.
Im Schritt S31 liest das Steuergerät 21 die Kühlmitteltemperatur T_w.
Im Schritt S32 schätzt das Steuergerät 21 die Reibung c mit Bezug auf das Kennfeld 33 ab.
Im Schritt S33 stellt das Steuergerät den Steuerungsparameter PRM auf der Basis der im Schritt S32 abgeschätzten Reibung c und mit Bezug auf das in 8 gezeigte Kennfeld ein.
Nach der Ausführung des Schritts S33 geht die Routine auf die Routine der Landesteuerung zurück.
Mit dem derartig eingerichteten Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die tatsächliche Reibung c bei der Temperatur während der Resonanzinitialisierung abzuschätzen, und daher wird es möglich, die präzise Reibung c angepasst an die Veränderung der Temperatur in der Landesteuerung des beweglichen Elements 6 zu reflektieren. Deshalb wird es möglich, die Kollision zwischen dem beweglichen Element 6 und den Elektromagneten 10 und 11 sicher zu verhindern, und die Lebenszeit des Ventils 3 zu erhöhen. Ferner, weil mit dem Steuerungsparameter PRM im Speziellen ein Steuerungszuwachs G auf der Basis der abgeschätzten Reibung c festgesetzt ist, wird die Landesteuerung ferner beständig und zuverlässig entsprechend der Fluktuation der Reibung ausgeführt.
Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Veränderungen und Variationen des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels ergeben sich für den Fachmann im Lichte der obigen Lehre. Der Schutzbereich der Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Ein Steuersystem zum Steuern einer elektromagnetischen Ventileinheit (100), die elektromagnetische Ventileinheit (100) umfasst ein Ventil (3), ein Paar von Elektromagneten (10, 11), die in einem voneinander beabstandeten Verhältnis in axialer Ausrichtung mit dem Ventil (3) angeordnet sind, um einen Arbeitsraum zu bilden, ein bewegliches Element (6), das axial beweglich in dem Arbeitsraum zwischen den Elektromagneten (10, 11) angeordnet ist, während es mit dem Ventil (3) ineinandergreift, und ein Paar von Federn (5, 9), die das bewegliche Element (6) vorspannen, um das bewegliche Element (6) in einem mittleren Abschnitt des Arbeitsraums anzuordnen, wenn beide Elektromagnete (10, 11) abgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (21) umfasst: Initialisierungsamplitudenermittlungsmittel zum Ermitteln der Amplituden der Schwingung des beweglichen Elements (6) während der Initialisierungssteuerung; Amplitudensteigerungsgradberechnungsmittel zum Berechnen eines Steigerungsgrades der ermittelten Amplituden; Reibungsgrößenabschätzmittel zum Abschätzen einer Reibungsgröße des Vibrationssystems auf der Basis des berechneten Steigerungsgrades; und Steuermittel zum Steuern eines für die Elektromagnete bereitgestellten elektrischen Stroms basierend auf der abgeschätzten Reibungsgröße, um das bewegliche Element (6) auf dem Elektromagneten (10, 11) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu laden.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Steuergerät (21), angeschlossen an die elektromagnetische Ventileinheit (100), wobei das Steuergerät (21) eine Initialisierungssteuerung ausführt zum Bewegen des beweglichen Elements (6) auf eine Ausgangsstellung durch wiederholtes Anschalten der Elektromagnete (10, 11) entsprechend einer Eigenfrequenz eines Vibrationssystems der elektromagnetischen Ventileinheit (100), wobei das Steuergerät (21) eine Amplitude der Schwingung des beweglichen Elements (6) während der Initialisierungssteuerung ermittelt, einen Steigerungsgrad der ermittelten Amplituden berechnet und eine Reibungsgröße des Vibrationssystems auf der Basis des berechneten Steigerungsgrades abschätzt.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (21) einen Steuerungsparameter, der bei der Steuerung der für die Elektromagnete (10, 11) bereitgestellten elektrischen Stromstärke verwendet wird, auf der Basis der abgeschätzten Reibungsgröße bestimmt.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (21) eine Temperatur entsprechend einer Temperatur eines Schmieröls zum Schmieren beweglicher Teile der elektromagnetischen Ventileinheit (100) ermittelt, und die abgeschätzte Reibungsgröße und die während der Initialisierungssteuerung ermittelte Temperatur entsprechend zu der abgeschätzten Reibungsgröße speichert, als ein Verhältnis zwischen der Reibungsgröße und der Temperatur.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 4, wobei das Steuergerät (21) die Reibungsgröße aus dem Verhältnis und der ermittelten gegenwärtigen Temperatur, die eine Temperatur des Schmieröls anzeigt, bestimmt, und wobei das Steuergerät (21) einen Steuerungsparameter, der zur Steuerung des für die Elektromagnete (10, 11) bereitgestellten elektrischen Stroms verwendet wird, auf der Basis der abgeschätzten Reibungsgröße bestimmt.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (21) Positionen des beweglichen Elements während der Initialisierungssteuerung ansammelt und eine erste Wellenform bestimmt, die eine Schwingung des beweglichen Elements (6) während der Initialisierungssteuerung repräsentiert, und wobei das Steuergerät (21) aus der ersten Wellenform eine zweite Kurve bestimmt, die den Steigerungsgrad der Schwingung während der Initialisierungssteuerung repräsentiert.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (21) ein Parameterkennfeld, das ein Verhältnis zwischen einem Steuerungsparameter und der Reibungsgröße repräsentiert, umfasst, und den Steuerungsparameter aus dem Parameterkennfeld und der abgeschätzten Reibungsgröße bestimmt.
Das Ventilsteuersystem nach Anspruch 2 zum elektromagnetischen Steuern jedes der Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuergerät (21) die elektromagnetische Ventileinheit (100) auf der Basis eines aus der abgeschätzten Reibungsgröße ermittelten Steuerungsparameters steuert.
Eine Methode zum Steuern einer elektromagnetischen Ventileinheit (100), wobei die elektromagnetische Ventileinheit (100) dazu eingerichtet ist, ein Ventil (3) durch elektromagnetisches Steuern eines Paars von Elektromagneten (10, 11) zu betätigen, um ein bewegliches Element (6), das in einem Arbeitsraum zwischen den Elektromagneten (10, 11) angeordnet ist und die Vorspannkraft eines Paars von Federn (5, 9) erfährt, zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Methode umfasst: Ermitteln von Amplituden der Schwingung des beweglichen Elements (6) während der Initialisierungssteuerung; Berechnen eines Steigerungsgrades der ermittelten Amplituden; Abschätzen einer Reibungsgröße des Vibrationssystems auf der Basis des berechneten Steigerungsgrades; und Steuern eines für die Elektromagnete (10, 11) bereitgestellten elektrischen Stroms basierend auf der abgeschätzten Reibungsgröße, um das bewegliche Element (6) auf den Elektromagneten mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu landen.