DE60124614T2

DE60124614T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Ankers in einem elektromagnetischen Aktuator zur Steuerung eines Motorventils

Info

Publication number: DE60124614T2
Application number: DE60124614T
Authority: DE
Inventors: Carlo Rossi; Alberto Tonielli
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-05-05
Also published as: US20020014269A1; ES2274834T3; ITBO20000247A1; BR0101918A; DE60124614D1; US6571823B2; IT1321181B1; EP1152129B1; EP1152129A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschätzen der Position eines Betätigungsgliedkörpers in einem elektromagnetischen Betätigungsglied zum Steuern des Ventils eines Motors.
Wie bekannt ist, gibt es heute Verbrennungsmotoren in der Experimentalphase, des Typs, der in der italienischen Patentanmeldung B099A000443 beschrieben ist, eingereicht am 4. August 1999, wobei die Bewegung des Einlass- und Ablassventils durch elektromagnetische Betätigungsglieder ausgeführt wird.
Diese elektromagnetischen Betätigungsglieder weisen unzweifelhafte Vorteile auf, indem sie es ermöglichen, jedes Ventil gemäß einem optimierten Gesetz für jede Betriebsbedingung des Motors zu steuern, während übliche mechanische Betätigungslieder (üblicherweise Nockenwellen) die Begrenzung eines Profils zum Anheben der Ventile benötigen, was einen akzeptablen Kompromiss für alle möglichen Bedingungen des Motorbetriebs darstellt.
Ein elektromagnetisches Betätigungsglied für einen Verbrennungsmotor des oben beschriebenen Typs weist normalerweise wenigstens einen Elektromagneten auf, der einen Betätigungsgliedkörper verschieben kann, der aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, und der mechanisch mit der Stange des zugehörigen Ventils verbunden ist. Um ein bestimmtes Bewegungsgesetz auf das Ventil anzuwenden, steuert eine Steuereinheit den Elektromagneten mit einem Strom, der über eine Zeitspanne hinweg variabel ist, um den Betätigungsgliedkörper in geeigneter Weise zu verschieben.
Experimentelle Tests haben gezeigt, dass es, um eine relativ hohe Genauigkeit in der Steuerung des Ventils zu erreichen, nötig ist, die Position des Betätigungsglied körpers mit Rückkopplung zu steuern; es ist also eine genaue Messung, im Wesentlichen in Echtzeit, der Position des Betätigungsgliedkörpers selbst erforderlich.
Bei elektromagnetischen Betätigungsgliedern des oben beschriebenen Typs wird die Position des Betätigungsgliedkörpers mit Hilfe eines Lasersensors gemessen, der allerdings kostspielig, empfindlich, und schwer zu kalibrieren ist, und deshalb zur Benutzung in der Massenproduktion ungeeignet ist.
FR 2784712 A1 offenbart ein elektromagnetisches Betätigungsglied für ein Verbrennungsmotorventil, und umfasst einen Anker, der an einem Ventilschaft befestigt ist, der durch Federn stabilisiert ist, und magnetisch zwischen vollständig geöffneten und geschlossenen Positionen verschoben wird. Die Federn und das Ventil sind derart abgemessen, dass bei abgeschaltetem Magnet die Position des Ventils zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen liegt. Die Magnetspule wird von einer Steuerung unter Strom gesetzt, die einstückig mit der Motormanagementeinheit ausgebildet ist, die Eingaben von einem Positionssensor erhält, der an dem Ventil angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschätzen der Position eines Betätigungsgliedkörpers in einem elektromagnetischen Betätigungsglied bereitzustellen, um ein Ventil eines Motors zu steuern, die frei sind von den beschriebenen Nachteilen, und die insbesondere einfach und wirtschaftlich implementierbar sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen der Position eines Betätigungsgliedkörpers in einem elektromagnetischen Betätigungsglied bereitgestellt, um ein Ventil eines Motors zu steuern, wie in den beiliegenden Ansprüchen angeführt.
Die vorliegende Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben werden, die eine nicht beschränkende Ausführungsform derselben beschreiben, wobei:
1 eine schematische erhöhte Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines Ventils eines Motors, und eines zugehörigen elektromagnetischen Betätigungsglieds ist, das gemäß einem Verfahren arbeitet, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit des Betätigungsglieds aus 1 ist;
3 in schematischer Weise einen Teil der Steuereinheit aus 2 zeigt; und
4 ein Schaltdiagramm eines Details aus 3 zeigt.
In 1 bezeichnet 1 insgesamt ein elektromagnetisches Betätigungsglied 1 (des in der italienischen Patentanmeldung B099A000443, eingereicht am 4. August 1999, beschriebenen Typs), das mit einem Einlass- oder Ablassventil 2 eines Verbrennungsmotors eines bekannten Typs verbunden ist, um das Ventil 2 selbst entlang einer Längsachse 3 des Ventils zwischen einer Schließposition (die bekannt und nicht dargestellt ist), und einer Position maximaler Öffnung (die bekannt und nicht dargestellt ist) zu verschieben.
Das elektromagnetische Betätigungsglied umfasst einen kleinen Schwungarm 4, der wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, der ein erstes Ende, das auf einem Stützelement 5 schwingt, um so um eine Rotationsachse 6 schwingen zu können, die senkrecht ist zu der Längsachse 3 des Ventils 2, und ein zweites Ende aufweist, das mit Hilfe eines Scharniers 7 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden ist. Das elektromagnetische Betätigungsglied 1 umfasst auch zwei Elektromagneten 8, die in einer festen Position durch das Stützelement 5 abgestützt sind, um auf gegenüberliegenden Seiten des kleinen Schwungarms 5 angeordnet zu sein, und eine Feder 9, die mit dem Ventil 2 verbunden ist, und den kleinen Schwungarm 4 in einer intermediären Position (gezeigt in 1) halten kann, in der der kleine Schwungarm 4 selbst in gleichem Abstand von den Polstücken 10 der zwei Elektromagneten 8 angeordnet ist.
Bei der Benutzung werden die Elektromagneten 8 von einer Steuereinheit 11 gesteuert, um wechselweise oder gleichzeitig eine Anziehungskraft magnetischen Ursprungs auf den kleinen Schwungarm 4 auszuüben, damit dieser um die Rotationsachse 6 rotiert, und auf diese Weise das Ventil 2 entlang der zugehörigen Längsachse 3, und zwischen der Position maximaler Öffnung und der Schließposition (nicht dargestellt) verschiebt. Insbesondere befindet sich das Ventil 2 in der Schließposition (nicht dargestellt), wenn der kleine Schwungarm 4 an dem unteren Elektromagneten 8 anliegt, und befindet sich in der Position maximaler Öffnung (nicht dargestellt), wenn der kleine Schwungarm 4 an dem oberen Elektromagneten 8 anliegt, und befindet sich in einer Position der teilweisen Öffnung, wenn die zwei Elektromagneten 8 beide ausgeschaltet sind, und der kleine Schwungarm 4 sich aufgrund der Wirkung der Kraft, die von der Feder 9 ausgeübt wird in der intermediären Position (dargestellt in 1) befindet.
Die Steuereinheit 11 steuert die Position des kleinen Schwungarms 4 mit Rückkopplung, und in einer im Wesentlichen bekannten Weise, d.h. sie steuert die Position des Ventils 2 aufgrund der Betriebsbedingungen des Motors.
Insbesondere, wie in 2 gezeigt, umfasst die Steuereinheit 11 einen Referenzerzeugungsblock 12, einen Rechen block 13, einen Steuerblock 14, der die Elektromagneten 8 mit einem Strom versorgen kann, der über eine Zeitspanne hinweg variabel ist, und einen Schätzblock 15, der im Wesentlichen in Echtzeit die Position x(t) und die Geschwindigkeit v(t) des kleinen Schwungarms 4 einschätzen kann.
In der Benutzung empfängt der Referenzerzeugungsblock 12 als Eingang mehrere Parameter, welche die Betriebsbedingungen des Motors anzeigen (beispielsweise die last, die Drehzahl, die Position des Schwimmkörpers, die Winkelposition der Motorwelle, und die Temperatur des Kühlfluids), und stellt an Rechenblock 13 einen objektiven Wert x_R(t) (d.h. einen erforderlichen Wert) der Position des kleinen Schwungarms 4 (und so des Ventils 2) bereit.
Auf der Basis des objektiven Werts x_R(t) der Position des kleinen Schwungarms, und auf der Basis des geschätzten Werts x(t) des kleinen Schwungarms 4, der von dem Schätzblock 15 empfangen wird, verarbeitet und überträgt der Rechenblock 13 ein Steuersignal z(t) an den Steuerblock 14, um die Elektromagneten 8 zu steuern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verarbeitet der Rechenblock 13 das Steuersignal z(t) auch auf der Basis eines geschätzten Werts v(t) der Geschwindigkeit des kleinen Schwungarms 4, der von dem Schätzblock 15 empfangen wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, stellt der Referenzerzeugungsblock 12 entweder einen objektiven Wert x_R(t) der Position des kleinen Schwungarms 4, oder einen objektiven Wert v_R(t) der Geschwindigkeit des kleinen Schwungarms 4 an den Rechenblock bereit.
Wie in 3 gezeigt, stellt der Steuerblock 14 Leistung an die zwei Elektromagneten 8 bereit, von denen jeder einen zugehörigen Magnetkern 16 aufweist, der mit einer zugehörigen Spule 17 verbunden ist, um den kleinen Schwungarm 4 anhand der Befehle zu verschieben, die von dem Rechenblock 13 empfangen werden. Der Schätzblock 15 liest die Werte des Steuerblocks 14 und der zwei Elektromagneten 8, die im Folgenden genauer beschrieben werden sollen, sowie einen geschätzten Wert v(t) der Geschwindigkeit des kleinen Schwungarms 4.
Der kleine Schwungarm 4 ist zwischen den Polstücken 10 der zwei Elektromagneten 8 angeordnet, die von dem Stützelement 5 in der festen Position abgestützt werden, und in einem festen Abstand D im Verhältnis zueinander, so dass der geschätzte Wert x(t) der Position des kleinen Schwungarms 4 durch eine einfache algebraische Operation des Addierens eines geschätzten Werts d(t) des Abstands, der zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4 und einem entsprechenden Punkt eines der beiden Elektromagneten 8 besteht, direkt bestimmt werden. Ebenso kann der geschätzte Wert v(t) der Geschwindigkeit des Schwungarms 4 durch einen geschätzten Wert der Geschwindigkeit, die zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4 und einem entsprechenden Punkt eines der beiden Elektromagneten 8 besteht, direkt bestimmt werden.
Um den Wert x(t) zu berechnen, berechnet der Schätzblock 15 die zwei werte d₁(t), d₂(t) des Abstands, der zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4 und einem entsprechenden Punkt jedes der beiden Elektromagneten 8 besteht; mit den zwei geschätzten Werten d₁(t), d₂(t) bestimmt der Schätzblock zwei Werte x₁(t), x₂(t), die im Allgemeinen aufgrund von Rauschen und Messfehlern voneinander abweichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Schätzblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte x₁(t), x₂(t), optional gewichtet auf der Basis der Genauigkeit, die jedem Wert x(t) zugeschrieben wird. Ebenso berechnet der Schätzblock 15, um den Wert v(t) zu berechnen, die zwei geschätzten Werte der Geschwindigkeit, die zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4 und einem entsprechenden Punkt eines der beiden Elektromagneten 8 besteht; mit den zwei geschätzten Geschwindigkeitswerten bestimmt der Schätzblock 15 zwei Werte v₁(t), v₂(t), die im Allgemeinen aufgrund von Rauschen und Messfehlern voneinander abweichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Schätzblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte v₁(t), v₂(t), der optional auf der Basis der Genauigkeit, die jedem Wert v(t) zugeschrieben wird, gewichtet wird.
Unter besonderer Bezugnahme auf 4, die einen einzelnen Elektromagneten 8 zeigt, erfolgt nun eine Beschreibung der Verfahren, die von dem Schätzblock 15 benutzt werden, um einen geschätzten Wert d(t) des Abstands zu berechnen, der zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4, und einem entsprechenden Punkt des Elektromagneten 8 besteht, und um einen geschätzten Wert der Geschwindigkeit zu berechnen, die zwischen einem bestimmten Punkt des kleinen Schwungarms 4, und einem entsprechenden Punkt des Elektromagneten 8 besteht.
Wenn der Steuerblock 14 in der Benutzung eine Spannung v(t), die über eine Zeitspanne hinweg variabel ist, an die Anschlüsse der Spule 17 des Elektromagneten 8 anlegt, fließt ein Strom i(t) durch die Spule 17 selbst, die auf diese Weise einen Fluss φ(t) durch einen Magnetschaltkreis 18 erzeugt, der mit der Spule 17 verbunden ist. Insbesondere besteht der Magnetschaltkreis 18, der mit der Spule 17 verbunden ist, aus dem Kern 16 aus ferromagnetischem Material des Elektromagneten 8, aus dem kleinen Schwungarm 4 aus ferromagnetischem Material, und dem Spalt 19, der zwischen dem Kern 16 und dem Schwungarm 4 existiert.
Der Magnetschaltkreis 18 weist einen Gesamtwiderstand R auf, der durch die Summe des magnetischen Widerstands des Eisens R_fe und des magnetischen Widerstands des Spalts R_O definiert ist; der Wert des Flusses φ(t), der in dem Magnetschaltkreis 18 zirkuliert, ist dem Wert des Stroms i(t), der in der Spule 17 zirkuliert, in dem folgenden Verhältnis zugeordnet (wobei N die Anzahl der Windungen der Spule 17 ist): N·i(t) = R·φ(t) R = Rfe + RO.
Im Allgemeinen hängt der Wert des Gesamtwiderstands R sowohl von der Position x(t) des kleinen Schwungarms 4 (d.h. von der Größe des Spalts 19, der, abgesehen von einer Konstante, äquivalent zu der Position x(t) des kleinen Schwungarms ist), als auch von dem Wert ab, der von dem Fluss φ(t) angenommen wird. Abgesehen von vernachlässigenswerten Fehlern (d.h. in der ersten Annäherung) kann davon ausgegangen werden, dass der Wert des magnetischen Widerstands des Spalts R_fe nur von dem Wert abhängt, der von dem Fluss φ(t) angenommen wird, während der Wert des Widerstands des Spalts R_O nur von der Position x(t) abhängig ist, d.h.: R(x(t), φ(t)) = Rfe(φ(t)) + RO(x(t)) N·i(t) = R(x(t), φ(t))·φ(t) N·i(t) = Rfeφ(t))·φ(t) + RO(x(t))·φ(t)
Durch Lösen der letzten oben stehenden Gleichung, in Bezug auf R_O(x(t)), ist es möglich, den Wert des magnetischen Widerstands an dem Spalt R_O zu bestimmen, wenn der Wert des Stroms i(t) bekannt ist, der leicht mit Hilfe eines Amperemessers 20 gemessen werden kann, wenn der Wert von N bekannt ist (der feststeht und von den Struktureigenschaften der Spule 17 abhängt), wenn der Wert des Flusses φ(t) bekannt ist, und wenn das Verhältnis bekannt ist, das zwischen dem magnetischen Widerstand des Eisens R_fe und dem Fluss φ besteht (der anhand der Struktureigenschaften des Magnetschaltkreises 18 bekannt ist, und anhand der magne tischen Eigenschaften des benutzten Materials, oder leicht mit Hilfe von experimentellen Tests bestimmt werden kann).
Das Verhältnis, das zwischen dem magnetischen Widerstand an dem Spalt R_O und der Position x besteht, kann relativ einfach durch Analysieren der Eigenschaften des Magnetschaltkreises 18 bestimmt werden (ein Beispiel eines Modells des Verhaltens des Spalts 19 ist durch die nachfolgende Gleichung dargestellt). Wenn das Verhältnis zwischen dem magnetischen Widerstand an dem Spalt R_O und der Position x bekannt ist, kann die Position x von dem magnetischen Widerstand an dem Spalt R_O bestimmt werden, indem das Umkehrverhältnis angewandt wird (das entweder durch Benutzen der genauen Gleichung, oder durch Anwenden einer Methodologie für annähernde numerische Berechnung angewandt werden kann). Die vorangehenden Ausführungen können durch die folgenden Verhältnisse zusammengefasst werden (wobei H_fe (φ(t)) = R_fe φ(t)·φ(t))
Die Konstanten K₀, K₁, K₂, K₃ sind Konstanten, die experimentell mit Hilfe einer Serie von Messungen an dem Magnetschaltkreis 18 bestimmt werden können.
Aus den vorangehenden Ausführungen wird deutlich, dass es, wenn es möglich ist, den Fluss φ(t) zu messen, möglich ist, die Position x(t) des kleinen Schwungarms 4 relativ leicht zu berechnen. Zusätzlich ist es ausgehend von dem Wert der Position x(t) des kleinen Schwungarms 4 möglich, den Wert der Geschwindigkeit v(t) des kleinen Schwungarms 4 selbst zu bestimmen, mit Hilfe einer einfachen Operation des Verschiebens der Position x(t) für ein Zeitintervall.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der Fluss φ(t) berechnet werden, indem der Strom i(t) gemessen wird, der durch die Spule 17 zirkuliert, mit Hilfe des Amperemessers 20 eines bekannten Typs, indem die Spannung v(t) gemessen wird, die an die Anschlüsse der Spule 17 angelegt wird, mit Hilfe eines Voltmeters 21 eines bekannten Typs, und durch Ermitteln des Widerstands RES der Spule (ein Wert, der leicht gemessen werden kann). Dieses Verfahren zum Messen des Flusses φ(t) basiert auf den folgenden Verhältnissen (wobei N die Anzahl der Windungen der Spule 17 ist):
Der konventionelle Zeitpunkt 0 wird so ausgewählt, dass der Wert des Flusses φ(0) am Zeitpunkt 0 selbst genau bestimmt wird; insbesondere wird der Zeitpunkt 0 innerhalb eines Zeitintervalls ausgewählt, in dem kein Strom durch die Spule 17 fließt, und der Fluss φ also im Wesentlichen null ist (der Effekt von Restmagnetisierung ist vernachlässigenswert), oder der Zeitpunkt 0 wird an einer vorbestimmten Position des kleinen Schwungarms 4 ausgewählt (üblicherweise dann, wenn der kleine Schwungarm 4 an den Polstücken 10 des Elektromagneten 8 anliegt), an der der wert der Position x bekannt ist, und so der Wert des Flusses φ bekannt ist.
Das oben beschriebene Verfahren zum Berechnen des Flusses φ ist recht genau und schnell (d.h. es ist frei von Verzögerungen); allerdings erzeugt dieses Verfahren einige Probleme, die dadurch verursacht werden, dass die Spannung v(t), die an die Anschlüsse der Spule 17 angelegt wird, normalerweise von einem Schaltverstärker erzeugt wird, der in den Steuerblock 14 integriert ist, und so ständig zwischen drei Werten (+V_Versorgung, 0, –V_Versorgung) schwankt, von denen zwei (+V_Versorgung, –V_Versorgung) einen Wert aufweisen, der relativ hoch ist, und deshalb schwer ohne die Hilfe relativ komplexer und deshalb kostspieliger Messschaltkreise messbar ist. Außerdem erfordert das oben beschriebene Verfahren zum Berechnen des Flusses φ(t) ein ständiges Messen des Stroms i(t), der durch die Spule 17 zirkuliert, und eine ständige Kenntnis des Werts des Widerstands RES der Spule 17, welcher, wie bekannt, schwankt, indem die Temperatur der Spule 17 selbst schwankt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist mit dem Magnetkern 16 eine Hilfsspule 22 verbunden (die aus wenigstens einer Windung aufgebaut ist, und im Allgemeinen mit einer Anzahl von N_a Windungen versehen ist), an deren Anschlüssen ein weiterer Voltmeter 23 angeschlossen ist; da die Anschlüsse der Spule 22 im Wesentlichen offen sind (der innere Widerstand des Voltmeters 23 ist hoch genug, um als unendlich betrachtet werden zu können, ohne jedoch signifikante Fehler einzubringen), fließt kein Strom durch die Spule 22, und die Spannung v_a an ihren Anschlüssen hängt nur von der Drift des Flusses φ(t) über eine Zeitspanne hinweg ab, so dass es möglich ist, den Fluss mit Hilfe einer Operation der Integration zu bestimmen (in Bezug auf den Wert φ(0) gelten die oben angeführten Überlegungen):
Die Benutzung der Messung der Spannung v_a(t) der Hilfsspule 22 ermöglicht es, jede Art von Messung und/oder Schätzung von elektrischem Strom und elektrischem Widerstand zu vermeiden, um den Fluss φ(t) zu berechnen, wobei außerdem der Wert der Spannung v_a(t) zu dem Wert der Spannung v(t) (bis auf die Ausbreitung) durch das folgende Verhältnis in Bezug gesetzt wird:
so dass es, durch Bereitstellen einer geeigneten Anzahl Na von Windungen der Hilfsspule 22, möglich ist, den Wert der Spannung v_a(t) in einem Intervall zu halten, das genau und relativ leicht messbar ist.
Aus den vorangehenden Ausführungen wird deutlich, dass durch die Benutzung der Messung der Spannung v_a(t) der Hilfsspule 22 die Berechnung des Werts des Flusses φ genauer, schneller und einfacher ist als durch die Benutzung der Spannung v(t) an den Enden der Spule 17.
In der vorangehenden Beschreibung wurden zwei Verfahren zum Schätzen der Drift des Flusses φ(t) über eine Zeitspanne hinweg bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform wird ausgewählt, nur ein Verfahren zur Berechnung der Drift des Flusses φ(t) zu benutzen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ausgewählt, beide Verfahren zum Berechnen der Drift des Flusses φ(t) über eine Zeitspanne hinweg zu benutzen, und einen Mittelwert (der optional im Verhältnis zu der geschätzten Genauigkeit gewichtet wird) der Ergebnisse der zwei angewandten Verfahren zu benutzen, oder ein Ergebnis zu benutzen, um das andere zu prüfen (wenn eine signifikante Diskrepanz zwischen den zwei Ergebnissen vorliegt, ist es wahrscheinlich, dass bei den Schätzungen ein Fehler aufgetreten ist).
Außer zur Schätzung der Position x(t) des kleinen Schwungarms 4 kann die Messung des Flusses φ(t) von der Steuereinheit 11 dazu benutzt werden, den Wert der Kraft f(t) der Anziehung, die von dem Elektromagneten 8 auf den Schwungarm ausgeübt wird, zu verifizieren, indem:
Außerdem steuert gemäß einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, die Steuereinheit 11 durch Rückkopplung den Wert des Flusses φ(t) derart, dass eine Messung des Flusses φ(t) essentiell ist, damit diese Art der Steuerung des Flusses φ(t) durchgeführt werden kann (normalerweise wird die Steuerung mit Rückkopplung des Wertes des Flusses φ(t) als eine Alternative zu der Steuerung mit Rückkopplung des Werts des Stroms i(t) angewandt, der in der Spule 17 zirkuliert).
Zuletzt sollte beachtet werden, dass die oben beschriebenen Verfahren zum Schätzen der Position x(t) nur benutzt werden können, wenn Strom durch die Spule 17 eines Elektromagneten 8 fließt. Aus diesem Grund, wie zuvor erläutert, arbeitet der Schätzblock 15 mit beiden Elektromagneten 8, um die Schätzung zu benutzen, die mit einem Elektromagnet 8 durchgeführt wird, wenn der andere ausgeschaltet ist. Wenn beide Elektromagneten 8 aktiv sind, erzeugt der Schätzblock 15 einen Mittelwert der zwei Werte x(t), die mit den zwei Elektromagneten 8 berechnet werden, und der optional anhand der Genauigkeit gewichtet wird, die jedem Wert x(t) zugeschrieben wird (im Allgemeinen ist die Schätzung der Position x, die in Bezug auf einen Elektromagneten 8 durchgeführt wird, genauer, wenn der kleine Schwungarm 4 relativ nah zu den Polstücken 10 des Elektromagneten 8 selbst ist).

Claims

Verfahren zum Schätzen der Position (x) eines Betätigungsgliedkörpers (4), der wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, in einem elektromagnetischen Betätigungsglied (1) zum Steuern eines Ventils (2) eines Motors; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verschieben des Betätigungsgliedkörpers (4) in Richtung von wenigstens einem Elektromagneten (8) durch die Wirkung der Kraft der elektromagnetischen Anziehung, die von dem Elektromagneten (8) selbst erzeugt wird; Bestimmen des Werts, der von dem magnetischen Gesamtwiderstand (R) eines Magnetschaltkreises (18) angenommen wird, der durch den Elektromagneten (8) und den Betätigungsgliedkörper (4) ausgemacht wird; und Bestimmen der Position (x) des Betätigungsgliedkörpers (4) im Verhältnis zu dem Elektromagneten (8) anhand des Werts, der von dem magnetischen Gesamtwiderstand (R) des Magnetschaltkreises (18) angenommen wird, der durch den Elektromagneten (8) und den Betätigungsgliedkörper (4) ausgemacht wird; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass von dem magnetischen Gesamtwiderstand (R) angenommen wird, dass er aus der Summe eines ersten magnetischen Widerstands (R_O), der von einem Spalt (19) in dem Magnetschaltkreis (18) verursacht wird, und eines zweiten magnetischen Widerstands (R_fe) besteht, der von dem Teil des Magnetschaltkreises verursacht wird, der aus ferromagnetischem Material (16, 4) hergestellt ist; wobei der erste magnetische Widerstand (R_O) von den Struktureigenschaften des Magnetschaltkreises (18), und von dem Wert der Position (x) abhängt, und der zweite magnetische Widerstand (R_fe) von den Struktureigenschaften des Magnetschaltkreises (18), und einem Wert eines magnetischen Flusses (φ) abhängt, der durch den Magnetschaltkreis (18) fließt; und wobei die Position anhand des Werts bestimmt wird, der von dem ersten magnetischen Widerstand (R_O) angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert des magnetischen Gesamtwiderstands (R) des Magnetschaltkreises (18) berechnet wird als das Verhältnis zwischen dem Wert eines Stroms (i), der durch eine Spule (17) des Elektromagneten (8) zirkuliert, und einem Wert des magnetischen Flusses (φ), der durch den Magnetschaltkreis (18) fließt; wobei der Wert des zweiten magnetischen Widerstands (R_fe) gemäß dem Wert des magnetischen Flusses (φ) berechnet wird; und wobei der Wert des ersten magnetischen Widerstands (R_O) als die Differenz zwischen dem Wert des magnetischen Gesamtwiderstands (R) und dem Wert des zweiten magnetischen Widerstands (R_fe) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erstes mathematisches Verhältnis definiert wird, das den Wert des ersten magnetischen Widerstands (R_O) gemäß dem Wert der Position (x) ausdrückt; wobei die Position (x) bestimmt wird durch Schätzen eines Werts des ersten magnetischen Widerstands (R_O), und durch Anwenden der Operation der Umkehrung des ersten mathematischen Verhältnisses auf den Wert des ersten magnetischen Widerstands (R_O) selbst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste mathematische Verhältnis durch folgende Gleichung definiert ist: RO(x(t)) = K1[1 – e–k2·x(t) + k3·x(t)] + K0 wobei R_O der erste Widerstand (R_O), x(t) die Position (x), und K₀, K₁, K₂, K₃ vier Konstanten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wert des magnetischen Flusses (φ) geschätzt wird, indem der Wert gemessen wird, der von einigen elektrischen Größen (i, v, v_a) eines elektrischen Schaltkreises (17; 22) angenommen wird, der mit dem Magnetschaltkreis (18) verbunden ist, durch Berechnen der Drift des magnetischen Flusses (φ) als eine lineare Kombination der Werte der elektrischen Größen (i, v, v_a) über eine Zeitspanne hinweg, und durch Integrieren der Drift des magnetischen Flusses (φ) über eine Zeitspanne hinweg.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Strom (i), der durch eine Spule (17) des Elektromagneten (8) fließt, und die Spannung, die an die Anschlüsse der Spule (17) selbst angelegt wird, gemessen werden; wobei die Drift des magnetischen Flusses (φ) über eine Zeitspanne hinweg, und der magnetische Fluss (φ) selbst durch Anwenden der folgenden Formel berechnet werden:
wobei: – φ der magnetische Fluss (φ) ist, – N die Anzahl der Windungen der Spule (17) ist, – v die Spannung (v) ist, die an die Anschlüsse der Spule (17) angelegt wird, – RES der Widerstand der Spule (17) ist, – i der Strom (i) ist, der durch die Spule (17) zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Messung der Spannung (v_a) erfolgt, die an den Anschlüssen einer Hilfsspule (22) vorliegt, die mit dem Magnetschaltkreis (18) verbunden ist, und den magnetischen Fluss (φ) verkettet; wobei die Hilfsspule (22) im Wesentlichen elektrisch offen ist; und wobei die Drift des magnetischen Flusses (φ) über eine Zeitspanne hinweg und der magnetische Fluss (φ) selbst durch Anwenden der folgenden Formeln berechnet werden:
wobei: – φ der magnetische Fluss (φ) ist, – N die Anzahl der Windungen der Windungen der Hilfsspule (22) ist, – v_a die Spannung (v_a) ist, die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorliegt.
Vorrichtung zum Schätzen der Position (x) eines Betätigungsgliedkörpers (4), der wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, in einem elektromagnetischen Betätigungsglied (1) zum Steuern eines Ventils (2) eines Motors; wobei das elektromagnetische Betätigungsglied (1) Folgendes umfasst: wenigstens einen Elektromagneten (8), der durch die Wirkung der Kraft der magnetischen Anziehung verschoben werden kann, die durch den Elektromagneten selbst (8) erzeugt wird; den Betätigungsgliedkörper (4); ein Schätzmittel (15), das die Position (x) des Betätigungsgliedkörpers (4) im Verhältnis zu dem Elektromagneten (8) anhand des Werts bestimmen kann, der von dem magnetischen Gesamtwiderstand (R) eines Magnetschaltkreises (18) angenommen wird, der den Elektromagneten (8) und den Betätigungsgliedkörper (4) umfasst; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass von dem magnetischen Gesamtwiderstand (R) angenommen wird, dass er aus der Summe eines ersten magnetischen Widerstands (R_O), der von einem Spalt (19) in dem Magnetschaltkreis (18) verursacht wird, und eines zweiten magnetischen Widerstands (R_fe) besteht, der von dem Teil des Magnetschaltkreises verursacht wird, der aus ferromagnetischem Material (16, 4) hergestellt ist; wobei der erste magnetische Widerstand (R_O) von den Struktureigenschaften des Magnetschaltkreises (18), und von dem Wert der Position (x) abhängt, und der zweite magnetische Widerstand (R_fe) von den Struktureigenschaften des Magnetschaltkreises (18), und einem Wert eines magnetischen Flusses (φ) abhängt, der durch den Magnetschaltkreis (18) fließt; und wobei die Position anhand des Werts bestimmt wird, der von dem ersten magnetischen Widerstand (R_O) angenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Schätzmittel (15) den Wert eines magnetischen Flusses (φ) bestimmen kann, der durch den Magnetschaltkreis (18) fließt; wobei der Elektromagnet (8) eine Spule (17) umfasst, und das Schätzmittel einen Amperemeter (20) umfasst, um den Strom (i) zu messen, das durch die Spule (17) zirkuliert, und einen Voltmeter (21), um die Spannung (v) zu messen, die an die Anschlüsse der Spule (17) selbst angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Schätzmittel (15) den Wert eines magnetischen Flusses (φ) bestimmen kann, der durch den Magnetschaltkreis (18) fließt; wobei das Schätzmittel eine Hilfsspule (22) umfasst, die mit dem Magnetschaltkreis (18) verbunden ist, den magnetischen Fluss (φ) verkettet, und im Wesentlichen elektrisch offen ist, und einen Voltmeter (23) zum Messen der Spannung (v_a), die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorliegt.