DE60223627T2 - Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils vom Positionsanschlag heraus - Google Patents

Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils vom Positionsanschlag heraus Download PDF

Info

Publication number
DE60223627T2
DE60223627T2 DE60223627T DE60223627T DE60223627T2 DE 60223627 T2 DE60223627 T2 DE 60223627T2 DE 60223627 T DE60223627 T DE 60223627T DE 60223627 T DE60223627 T DE 60223627T DE 60223627 T2 DE60223627 T2 DE 60223627T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electromagnet
actuator body
force
value
calculated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60223627T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60223627D1 (de
Inventor
Gianni Padroni
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marelli Europe SpA
Original Assignee
Magneti Marelli Powertrain SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magneti Marelli Powertrain SpA filed Critical Magneti Marelli Powertrain SpA
Application granted granted Critical
Publication of DE60223627D1 publication Critical patent/DE60223627D1/de
Publication of DE60223627T2 publication Critical patent/DE60223627T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils
    • F01L2009/2109—The armature being articulated perpendicularly to the coils axes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Magnetically Actuated Valves (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelungsverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator zur Regelung eines Ventils eines Motors.
  • Bekanntlich werden derzeit Verbrennungsmotoren der Art, wie sie in der am 4. August 1999 eingereichten italienischen Patentanmeldung BO99A000443 offenbart sind, getestet, bei denen das Einlaß- und das Auslaßventil durch elektromagnetische Aktuatoren verstellt werden. Diese elektromagnetischen Aktuatoren haben unbestrittene Vorteile, da sie es ermöglichen, jedes Ventil nach einem Gesetz zu steuern, das für jeden Betriebszustand des Motors optimiert ist, während es bei herkömmlichen mechanischen Aktuatoren (üblicherweise Nockenwellen) erforderlich ist, ein Hubprofil für die Ventile zu definieren, welches für die Gesamtheit der möglichen Betriebszustände des Motors einen annehmbaren Kompromiß darstellt.
  • Ein elektromagnetischer Aktuator für ein Ventil eines Verbrennungsmotors der oben beschriebenen Art umfaßt normalerweise einen Aktuatorkörper, der mit dem Schaft des Ventils verbunden ist und in Ruhezuständen von wenigstens einer Feder in einer Zwischenstellung zwischen zwei aberregten Elektromagneten gehalten wird; im Betrieb werden die Elektromagneten so gesteuert, daß sie abwechselnd eine Anziehungskraft magnetischen Ursprungs auf den Aktuatorkörper ausüben, um diesen Aktuatorkörper zwischen den beiden Grenzanschlagsstellungen zu verschieben, die einer maximal geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung des jeweiligen Ventils entsprechen.
  • Damit das Ventil aus der maximal geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung oder umgekehrt verstellt wird, muß der Aktuatorkörper aus einer Stellung in Anlage an einem ersten Elektromagneten in eine Stellung in Anlage an einen zweiten Elektromagneten verschoben werden; zum Zwecke der Ausführung dieser Verschiebung wird der erste Elektromagnet aberregt und der zweite Elektromagnet daraufhin mit den Erregungsparametern erregt, d. h. mit Werten der Stärke, der Dauer und des Anfangszeitpunkts des Erregerstroms, je nach dem Motorpunkt.
  • Es wurde jedoch festgestellt, daß bei den bekannten elektromagnetischen Aktuatoren der oben beschriebenen Art die Anlagestellung an dem zweiten Elektromagneten normalerweise mit einer verhältnismäßig hohen Aufprallgeschwindigkeit des Aktuatorkörpers auf den zweiten Elektromagneten erreicht wird, was sowohl erhebliche mechanische Belastungen des elektromagnetischen Aktuators als auch – vom elektromagnetischen Aktuator erzeugt – einen hohen Geräuschpegel verursacht.
  • In dem Versuch, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, ist die Verwendung eines externen Positionssensors vorgeschlagen worden, der für jeden Augenblick die genaue Position des Aktuatorkörpers liefert und eine präzise Steuerung der Ist-Position des Aktuatorkörpers ermöglicht; es sind jedoch keine Positionssensoren im Handel erhältlich, die in der Lage wären, die für eine rentable Nutzung zu diesem Zwecke erforderliche Genauigkeit und Lebensdauer zu bieten.
  • In der US5905625A1 ist ein Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Aktuators offenbart, der einen mit einer Polfläche versehenen Elektromagneten, einen zu der Polfläche hin und von dieser weg beweglichen Anker und eine Rückstellfeder aufweist, die eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt, mit der der Anker von der Polfläche weg beaufschlagt wird; die Stromversorgung wird so gesteuert, daß zumindest entlang einem Endabschnitt des Verschiebeweges des Ankers während seiner Annäherung an die Polfläche die Kraft-Zeit-Kurve der Magnetkraft parallel zur Kraft-Verlagerungs-Federkurve der Rücksetzfeder verläuft und oberhalb von dieser liegt.
  • Die US6141201A1 offenbart ein Verfahren zur Regulierung der Aufprallgeschwindigkeit des Ankers in einem elektromagnetischen Aktuator dadurch, daß die benötigte Energie durch Extrapolation geschätzt wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Regelungsverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator zur Regelung eines Ventils eines Motors zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere leicht und wirtschaftlich in der Ausführung ist.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein Regelungsverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator zur Regelung eines Ventils eines Motors, wie es im Patentanspruch 1 beansprucht ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen eine nicht einschränkende Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Ventils eines Motors und eines dazugehörigen elektromagnetischen Aktuators, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren funktioniert, in einem Seitenaufriß und teilweise im Querschnitt;
  • 2 ein Diagramm eines elektromagnetischen Schaltkreises des Aktuators aus 1;
  • 3 Graphen der Zeitkurve einiger Größenordnungen, die für den elektromagnetischen Aktuator aus 1 typisch sind.
  • In 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator (der in der europäischen Patentanmeldung EP1087110 offenbarten Art) insgesamt mit 1 bezeichnet und an ein Einlaß- oder ein Auslaßventil 2 eines Verbrennungsmotors einer bekannten Art gekoppelt, um das Ventil 2 längs einer Längsachse 3 des Ventils zwischen einer geschlossenen Stellung (bekannt und nicht gezeigt) und einer maximal geöffneten Stellung (bekannt und nicht gezeigt) zu verschieben.
  • Der elektromagnetische Aktuator 1 umfaßt einen Schwinghebel 4, der wenigstens teilweise aus ferromagnetischem Material besteht und ein erstes Ende hat, das so an einen Träger 5 angelenkt ist, das es um eine Drehachse 6 schwingen kann, die quer zur Längsachse 3 des Ventils 2 verläuft, sowie ein zweites Ende aufweist, das über ein Scharnier 7 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden ist. Der elektromagnetische Aktuator 1 umfaßt ferner zwei Elektromagnete 8, die von dem Träger 5 in einer festen Stellung gehalten werden, so daß sie auf entgegengesetzten Seiten des Schwinghebels 4 angeordnet sind, sowie eine Feder 9, die mit dem Ventil 2 gekoppelt ist und den Schwinghebel 4 in einer Zwischenstellung (in 1 gezeigt) halten kann, in der dieser Schwinghebel 4 von den Polausdehnungen 10 der beiden Elektromagnete 8 gleich weit entfernt ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, ist die mit dem Ventil 2 gekoppelte Feder 9 von einer Torsionsstabfeder flankiert, die mit dem zwischen dem Träger 5 und dem Schwinghebel 4 angeordneten Scharnier gekoppelt ist.
  • Im Betrieb steuert eine Steuereinheit 11 die Stellung des Schwinghebels 4, d. h. die Stellung des Ventils 2, mit Rückkopplung und auf eine im wesentlichen bekannte Weise auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen; insbesondere erregt die Steuereinheit 11 die Elektromagneten 8, um auf den Schwinghebel 4 abwechselnd oder gleichzeitig eine Anziehungskraft magnetischen Ursprungs auszuüben, um zu bewirken, daß er sich um die Drehachse 6 dreht, wodurch das Ventil 2 entlang der jeweiligen Längsachse 3 und zwischen der oben erwähnten, maximal geöffneten Stellung und der oben erwähnten, geschlossenen Stellung (nicht gezeigt) verschoben wird.
  • Wie in 1 gezeigt, befindet sich das Ventil 2 in der oben erwähnten geschlossenen Stellung (nicht gezeigt), wenn der Schwinghebel 4 an dem erregten oberen Elektromagneten 8 anliegt, befindet sich in der oben erwähnten maximal geöffneten Stellung (nicht gezeigt), wenn der Schwinghebel 4 an dem erregten unteren Elektromagneten 8 anliegt, und befindet sich in einer teilweise geöffneten Stellung, wenn beide Elektromagnete aberregt sind und sich der Schwinghebel 4 als Folge der von der Feder 9 ausgeübten Kraft in der oben erwähnten Zwischenstellung (in 1 gezeigt) befindet.
  • Wie in 2 gezeigt, weist jeder Elektromagnet 8 einen jeweiligen Magnetkern 12 auf, der mit einer entsprechenden Spule 13 gekoppelt ist, die über die Steuereinheit 11 mit einem Strom i(t) versorgt wird, der zeitlich veränderbar ist, um über einen entsprechenden mit der Spule 13 gekoppelten Magnetkreis 14 einen Fluß φ(t) zu erzeugen. Jeder Magnetkreis 14 wird insbesondere aus dem entsprechenden Kern 12 aus ferromagnetischem Material, dem Schwinghebel 4 aus ferromagnetischem Material und dem Luftspalt 15 zwischen dem entsprechenden Kern 12 und dem Schwinghebel 4 gebildet.
  • Jeder Magnetkreis 14 weist einen magnetischen Gesamtwiderstand R auf, der von der Summe aus dem magnetischen Widerstand des Eisens Rfe und dem magnetischen Widerstand des Luftspalts R0 gebildet wird (Gleichung [2]); der Wert des in dem Magnetkreis 14 zirkulierenden Flusses φ(t) ist mit dem Wert des in der zugehörigen Spule 13 fließenden Stroms i(t) über die Gleichung [1] verknüpft, wobei N die Anzahl der Windungen der Spule 13 ist: N·i(t) = R·φ(t) [1] R = Rfe + R0 [2]
  • Insgesamt hängt der Wert des magnetischen Gesamtwiderstands R sowohl von der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 (d. h. von der Amplitude des Luftspalts 15, die der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 weniger einer Konstanten entspricht) als auch von dem Wert ab, den der Fluß φ(t) annimmt. Läßt man vernachlässigbare Fehler außer Acht, also als eine erste Annäherung, kann man davon ausgehen, daß der magnetische Widerstandswert des Eisen Rfe nur von dem Wert abhängt, den der Fluß φ(t) annimmt, während der Wert des magnetischen Widerstands des Luftspalts R0 nur von der Stellung x(t) abhängt, d. h.: R(x(t),φ(t)) – (φ(t)) + R0(x(t)) [3] N·i(t) = R(x(t),φ(t))·φ(t) [4] N·i(t) = Rfe(φ(t))·φ(t) + R0(x(t))·φ(t) [5] N·i(t) = Hfe(φ(t)) + R0(x(t))·φ(t) [6] R0(x(t)) = (N·i(t) – Hfe((t)))/φ(t) [7]
  • Aus der Gleichung [7] ist dann klar, daß es möglich ist, den von dem magnetischen Widerstand des Luftspalts R0 angenommenen Wert und damit die Stellung x(t) des Schwinghebels 4 zu berechnen, wenn der von dem Fluß φ(t) angenommene Wert und der von dem Strom i(t) angenommene Wert bekannt sind; es ist insbesondere, nachdem der vom magnetischen Widerstand des Luftspalts R0 angenommene Wert berechnet worden ist, verhältnismäßig einfach, die Stellung x(t) des Schwinghebels 4 zu erhalten, da die baulichen Eigenschaften des Magnetkreises 14 bekannt sind.
  • Die Beziehung zwischen dem Luftspaltwiderstand R0 und der Stellung x kann auf relativ einfache Weise erhalten werden, indem die Eigenschaften des Magnetkreises 14 analysiert werden (ein Beispiel eines Verhaltensmodells des Luftspalts 15 ist unten in Gleichung [9] gezeigt). Sobald die Beziehung zwischen dem Luftspaltwiderstand R0 und der Stellung x bekannt ist, kann die Stellung x aus dem Luftspaltwiderstand R0 durch Anwenden der umgekehrten Beziehung erhalten werden (entweder unter Verwendung der exakten Gleichung oder mittels Verwendung eines Näherungsverfahrens der Digitalrechentechnik anzuwenden). Die folgenden Gleichungen fassen das Vorhergehende zusammen:
    Figure 00060001
  • Die Konstanten K0, K1, K2 und K3 sind Konstanten, die experimentell im Wege einer Reihe von Messungen des Magnetkreises 14 erhalten werden können.
  • Aus dem Vorangehenden ist erkennbar, daß die Stellung x(t) des Schwinghebels 4 nur dann genau berechnet werden kann, wenn der Wert, den der Fluß (t) annimmt, deutlich von Null verschieden ist, d. h. wenn wenigstens einer der Elektromagnete 8 erregt ist; sind beide Elektromagnete 8 aberregt, dann ist es nicht möglich, die Stellung x(t) des Schwinghebels 4 zu berechnen.
  • Wie in 3 gezeigt, ist zum Zeitpunkt t0 der obere Elektromagnet 8 erregt, der untere Elektromagnet 8 aberregt und der Schwinghebel 4 in einer Anlagestellung an den oberen Elektromagneten 8 unbeweglich, wobei diese Anlagestellung herkömmlicherweise einem Wert X1 der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 entspricht; die oben erwähnte dazwischenliegende Ruhestellung entspricht einem Nullwert der Stellung x(t) des Schwinghebels 4, und die Anlagestellung an den unteren Elektromagneten 8 entspricht einem Wert X2 der Stellung x(t) des Schwinghebels 4. Zur Verschiebung des Schwinghebels 4 aus der Anlagestellung an dem oberen Elektromagneten 8 in die Anlagestellung an den unteren Elektromagneten 8, d. h. um das Ventil 2 aus der geschlossenen Stellung in die maximal geöffnete Stellung zu überführen, wird der obere Elektromagnet 8 aberregt und der untere Elektromagnet 8 daraufhin erregt.
  • Ab dem Zeitpunkt t0 wird der obere Elektromagnet 8 über die Steuereinheit 11 durch Änderung des dem oberen Elektromagneten 8 zugeführten Erregerstroms i(t) teilweise aberregt, damit der von dem oberen Elektromagneten 8 erzeugte Magnetfluß φ(t) von einem Betriebswert Φ1 schnell auf einen Schätzwert ΦS verringert wird, der Fluß φ(t) während einer Schätzzeitspanne (die zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 liegt) auf dem Schätzwert ΦS gehalten wird und der Fluß (t) schließlich schnell auf Null gesetzt wird. Der Schätzwert ΦS ist niedriger als der Wert ΦR, was bewirkt, daß sich der Schwinghebel 4 von dem oberen Elektromagneten 8 löst; aus diesem Grund ist der Schwinghebel 4 ab dem Zeitpunkt t1, zu dem der Fluß φ(t) unter den Wert ΦR fällt, von dem oberen Elektromagneten 8 gelöst und beginnt, sich infolge der von der Feder 9 ausgeübten Federkraft auf den unteren Elektromagneten 8 zuzubewegen.
  • Während der Schätzzeitspanne schätzt die Steuereinheit 11 den Mittelwert der Störkraft Fd, die als Folge der Wirkung der Gase im Zylinder (nicht gezeigt) auf das Ventil 2 wirkt; insbesondere wird der Momentanwert der Störkraft Fd in einer Folge von N Zeitintervallen, die in der Schätzzeitspanne liegen (d. h. zwischen den Zeitpunkten t2 und t3), geschätzt und das Mittel der N Momentanwerte durch Anwendung der Gleichung [11] berechnet:
    Figure 00070001
  • Zur Schätzung des Momentanwertes der Störkraft Fd zu einem kten Zeitpunkt, zu dem der Schwinghebel 4 in der Stellung xk ist, wird die Gleichung [12] angewandt, bei der Ld die von der Störkraft Fd geleistete Arbeit ist:
    Figure 00070002
  • Die während einer vorbestimmten Zeitspanne, in der sich der Schwinghebel 4 aus einer Anfangs- in eine Endstellung bewegt, von der Störkraft Fd geleistete Arbeit Ld wird durch Anwendung der Gleichung [13] berechnet:
    Figure 00070003
    wobei:
    • Ld
    die von der Störkraft Fd geleistete Arbeit ist,
    EE
    die von der Feder 9 gespeicherte elastische Energie ist,
    Ek
    die kinetische Energie ist, die der Schwinghebel 4 besitzt,
    Lm
    der Wert ist, der von der vom oberen Elektromagneten 8 erzeugten elektromagnetischen Kraft erzielt wird,
    Lv
    die von der Flüssigkeitsreibkraft geleistete Arbeit ist, m die Masse des Schwinghebels 4 ist,
    k
    die Elastizitätskonstante der Feder 9 ist,
    x
    die momentane Stellung des Schwinghebels 4 ist,
    xi
    die Anfangsstellung des Schwinghebels 4 ist,
    xf
    die Endstellung des Schwinghebels 4 ist,
    v
    die momentane Geschwindigkeit des Schwinghebels 4 ist,
    vi
    die Anfangsgeschwindigkeit des Schwinghebels 4 ist,
    vf
    die Endgeschwindigkeit des Schwinghebels 4 ist,
    Fm
    die von dem oberen Elektromagneten erzeugte elektromagnetische Kraft ist,
    Fb
    die auf den Schwinghebel 4 wirkende Flüssigkeitsreibkraft ist.
  • Insbesondere wird der Wert der auf den Schwinghebel 4 wirkenden Flüssigkeitsreibkraft Fb als Produkt aus der momentanen Geschwindigkeit v(t) des Schwinghebels 4 und einem Flüssigkeitsreibungsbeiwert berechnet, der konstant oder temperaturabhängig ist. Während der Schätzzeitspanne ist der Wert des Flusses φ(t) konstant und gleich dem Schätzwert Φs; während der Schätzzeitspanne wird die vom oberen Elektromagneten 8 erzeugte elektromagnetische Kraft Fm deshalb mittels der Gleichung [14] berechnet:
    Figure 00080001
    Figure 00090001
  • Es ist klar, daß der Wert der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 während der Schätzzeitspanne durch Anwenden der Gleichung [10] berechnet wird, während der Wert der Geschwindigkeit v(t) des Schwinghebels 4 während der Schätzzeitspanne durch Ableiten des Wertes der Stellung x(t) gegen die Zeit berechnet wird.
  • Am Ende der Schätzzeitspanne wird der obere Elektromagnet 8 aberregt, und bis zur Aktivierung des unteren Elektromagneten 8 gelingt es der Steuereinheit 11, durch Anwenden der Gleichung [10] den Wert der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 zu berechnen; außerdem muß die Steuereinheit 11 auch den Verlauf der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 gegen die Zeit nach der Aberregung des oberen Elektromagneten 8 kennen, um die Erregungsparameter des unteren Elektromagneten 8 (Stärke, Dauer und Anfangszeitpunkt des entsprechenden Erregerstroms i(t)) genau zu bestimmen, um zu bewirken, daß der Schwinghebel 4 mit einer Geschwindigkeit von im wesentlichen Null auf den unteren Elektromagneten 8 auftrifft.
  • Um ferner den Verlauf der Stellung x(t) des Schwinghebels 4 gegen die Zeit nach der Aberregung des oberen Elektromagneten 8 zu schätzen, verwendet die Steuereinheit 11 ein Berechnungsmodell des mechanischen Systems SM, das den Schwinghebel 4 und die Feder 9 umfaßt, wobei das Berechnungsmodell durch die Gleichung [15] zusammengefaßt ist: m·dv(t)/dt = k·(x(t) – X0) – Fd(t) – Fb(t) [15]wobei:
    • m
    die Masse des Schwinghebels 4 ist,
    v(t)
    die Geschwindigkeit des Schwinghebels 4 ist,
    x(t)
    die Stellung des Schwinghebels 4 ist,
    k
    die Elastizitätskonstante der Feder 9 ist,
    X0
    die Stellung des Schwinghebels 4 ist, die der Ruhestellung der Feder 9 entspricht,
    Fd(t)
    die Störkraft ist,
    Fb(t)
    die Flüssigkeitsreibkraft ist.
  • Zur Anwendung der Gleichung [15] muß die Steuereinheit 11 den Momentanwert der auf das Ventil 2 wirkenden Störkraft Fd ab der Aberregung des oberen Elektromagneten 8 bis zur Erregung des unteren Elektromagneten 8 unter Verwendung des Mittelwerts der während der Schätzzeitspanne berechneten Störkraft Fd schätzen; insbesondere nimmt die Steuereinheit 11 an, daß die Störkraft Fd einen linearen Verlauf hat, der von dem geschätzten Mittelwert auf den Nullwert abnimmt, der zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der obere Elektromagnet 8 im wesentlichen abgeschaltet ist, und dem Zeitpunkt liegt, zu dem der Schwinghebel 4 in Anlage an den unteren Elektromagneten 8 gelangt.
  • Die oben genannten Erregungsparameter des unteren Elektromagneten 8 werden so berechnet, daß dem Schwinghebel 4 die mechanische Energie zugeführt wird, die ihm fehlt, damit er die gewünschte Anlagestellung mit einer Aufprallgeschwindigkeit v(t) von im wesentlichen Null erreicht, d. h., daß der Schwinghebel 4 mit der Energie versorgt wird, die während der Verschiebung zwischen der Anlagestellung an dem oberen Elektromagneten 8 und der Anlagestellung an dem unteren Elektromagneten 8 abgeführt wird.
  • Insbesondere werden die Erregungsparameter des unteren Elektromagneten 8 in Abhängigkeit von der Schätzung der durch die Gleichung [11] erhaltenen mittleren Störkraft Fdmedia berechnet; da der Anfangswert der mittleren Störkraft Fdmedia bekannt ist und das Modell des Verlaufs der Störkraft Fd definiert ist (wie oben erwähnt, nimmt die Steuereinheit 11 an, daß die Störkraft Fd einen linearen Verlauf aufweist, der von dem geschätzten Mittelwert auf den Nullwert abnimmt, der zwischen dem Zeitpunkt, zu dem obere Elektromagnet 8 im wesentlichen abgeschaltet ist, und dem Zeitpunkt liegt, zu dem der Schwinghebel 4 mit dem unteren Elektromagneten 8 in Anlage gelangt), kann man die von der Störkraft Fd geleistete Arbeit Ld ohne weiteres aus der Gleichung [16] erhalten (bei der Xi die Anfangsstellung und Xf die Wirk-Endstellung der Störkraft Fd ist):
    Figure 00110001
  • Nimmt man an, daß die vom unteren Elektromagneten 8 geleistete Arbeit die von der Störkraft Fd geleistete Arbeit Ld ausgleicht, so ergibt sich die Gleichung [17]:
    Figure 00110002
    wobei:
    • Fm
    die vom unteren Elektromagneten 8 erzeugte Kraft ist (siehe diesbezüglich Gleichung [14]),
    α
    ein Steuerparameter ist,
    ϕ2
    der Festwert des Magnetflusses φ2 ist, bei dem der untere Elektromagnet 8 normalerweise arbeitet,
    Xein
    die Stellung des Schwinghebels 4 ist, in der der untere Elektromagnet 8 aktiviert ist,
    X2
    die Endstellung des Schwinghebels 4 ist, in der der Schwinghebel 4 an dem unteren Elektromagneten 8 in Anlage ist,
    Xcos t
    die Stellung des Schwinghebels 4 ist, in der der untere Elektromagnet 8 den Magnetflußwert ϕ2 erreicht und beibehält.
  • Löst man die Gleichung [17] auf, so kann man die Werte der Parameter Xein und ϕ2 erhalten, die die Erregung des unteren Elektromagneten 8 kennzeichnen.
  • Der Steuerparameter α wird zur Optimierung der darauf folgenden Regelungsphase des unteren Elektromagneten 8 benötigt, so daß dann, wenn der Schwinghebel 4 die Anlagestellung an den unteren Elektromagneten 8 erreicht, das durch die Gleichung [18] (bei der m die Masse des Schwinghebels 4 und Li die Arbeit der auf den Schwinghebel 4 wirkenden Kräfte ist) definierte Energiegleichgewicht entsteht, d. h. der Schwinghebel 4 mit einer Sollgeschwindigkeit Vf auf den unteren Elektromagneten 8 auftrifft:
    Figure 00120001
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Erregungsparameter des unteren Elektromagneten 8 in Abhängigkeit von der Differenz berechnet, die zwischen einer von der Feder 9 in der Anlagestellung an dem unteren Elektromagneten 8 (d. h. in der Sollstellung) statisch gespeicherten elastischen Energie EE und der in dem mechanischen System SM dynamisch gespeicherten mechanischen Energie EM vorliegt; diese mechanische Energie EM wird durch Anwenden der Gleichung [19] und unter Verwendung der Werte der Stellung x(t) und der Geschwindigkeit v(t) des Schwinghebels 4 berechnet, die durch die Auflösung der Gleichung [15] geliefert werden: EM(t) = EE(t) + Ex(t) = 12 ·k·(x2(t) – x20 ) + 12 ·m·v2(t) [19]wobei:
    • m
    die Masse des Schwinghebels 4 ist,
    v(t)
    die Geschwindigkeit des Schwinghebels 4 ist,
    k
    die Elastizitätskonstante der Feder 9 ist,
    X0
    die Stellung des Schwinghebels 4 ist, die der Ruhestellung der Feder 9 entspricht.
  • Wenn der untere Elektromagnet 8 erregt und in stabilem Betrieb ist (d. h. am Ende eines Aktivierungsübergangsvorgangs) ist es also offensichtlich möglich, durch Anwendung der Gleichung [10] die Stellung x(t) des Schwinghebels 4 genau zu berechnen und somit die Stellung x(t) sowie die Geschwindigkeit v(t) des Schwinghebels 4 mit Rückkopplung zu regeln, in dem Versuch, eine Auftreffgeschwindigkeit auf den unteren Elektromagneten 8 von im wesentlichen Null zu erhalten; die Möglichkeiten der Schlußkorrektur mittels der Rückkopplungsregelung sind jedoch relativ mäßig und müssen, damit sie tatsächlich effizient sind, mit der oben beschriebenen vorhergehenden Steuerung der Erregung des unteren Elektromagneten 8 kombiniert werden.

Claims (19)

  1. Regelungsverfahren für einen elektromagnetischen Aktuator (1) zur Regelung eines Ventils (2) eines Zylinders eines Motors aus einem Anlagezustand, in dem ein Aktuatorkörper (4), der das Ventil (2) betätigt und so angeordnet ist, daß er sich zwischen zwei Elektromagneten (8) bewegt, in Anlage an einen ersten erregten Elektromagneten (8) und entgegen der Wirkung wenigstens eines elastischen Körpers (9) gehalten wird, wobei das Regelungsverfahren den Schritt umfaßt, bei dem der Aktuatorkörper (4) in Anlage an einen zweiten Elektromagneten (8) gebracht wird, indem der erste Elektromagnet (8) aberregt wird und daraufhin der zweite Elektromagnet (8) erregt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es den folgenden Schritt umfaßt: während des Aberregens des ersten Elektromagneten (8) wird der Mittelwert einer Störkraft (Fd) gemessen, die infolge der Wirkung der Gase im Zylinder auf das Ventil (2) wirkt, und der Erregerstrom (i), der dem zweiten Elektromagneten (8) zugeführt wird, wird abhängig vom Mittelwert der während des Aberregens des ersten Elektromagneten (8) wirkenden Störkraft (Fd) geregelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf der Grundlage des Mittelwerts der während der Aberregungsphase des ersten Elektromagneten (8) auf das Ventil (2) wirkenden Störkraft (Fd) der Wert der Störkraft (Fd) bis zur Erregung des zweiten Elektromagneten (8) geschätzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem angenommen wird, daß die Störkraft (Fd) einen linearen Verlauf hat, der von dem geschätzten Mittelwert auf den Wert abnimmt, der zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der erste Elektromagnet (8) im wesentlichen abgeschaltet ist, und dem Zeitpunkt liegt, zu dem der Aktuatorkörper (4) mit dem zweiten Elektromagneten (8) in Anlage gelangt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Erregungsparameter des zweiten Elektromagneten (8) berechnet werden, um dem Aktuatorkörper (4) die mechanische Energie zuzuführen, die ihm fehlt, damit er die Anlagestellung an dem zweiten Elektromagneten (8) mit einer Aufprallgeschwindigkeit (v) von im wesentlichen null erreicht, und dem Aktuatorkörper (4) die Energie zugeführt wird, die während der Verschiebung zwischen der Anlagestellung an dem ersten Elektromagneten (8) und der Anlagestellung an dem zweiten Elektromagneten (8) abgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Erregungsparameter des zweiten Elektromagneten (8) unter der Annahme berechnet werden, daß die von dem zweiten Elektromagneten (8) geleistete Arbeit die von der Störkraft (Fd) geleistete Arbeit (Ld) ausgleicht, gemäß der folgenden Gleichung:
    Figure 00140001
    wobei: Ld die von der Störkraft (Fd) geleistete Arbeit ist, Fm die von dem zweiten Elektromagneten (8) erzeugte Kraft ist, α ein Steuerparameter ist, x die Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, φ2 der Magnetfluß des zweiten Elektromagneten (8) ist, ϕ2 der Festwert des Magnetflusses ist, bei dem der zweite Elektromagnet (8) normalerweise arbeitet, XEIN die Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, in der der zweite Elektromagnet (8) aktiviert ist, X2 die Endstellung des Aktuatorkörpers (4) ist, in der der Aktuatorkörper (4) mit dem zweiten Elektromagneten (8) in Anlage ist, Xcos t die Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, in der der untere Elektromagnet (8) den Magnetflußwert ϕ2 erreicht und beibehält.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Steuerparameter (α) unter der Annahme berechnet wird, daß der Aktuatorkörper (4) mit einer Sollgeschwindigkeit (Vf) derart auf den zweiten Elektromagneten (8) auftrifft, daß die Summe der Arbeit der Kräfte, die auf den Aktuatorkörper (4) wirken, gleich der kinetischen Energie ist, die der Schwingkörper (4) besitzt.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem eine mechanische Energie (EM), die in dem aus dem Aktuatorkörper (4) und dem elastischen Körper (9) gebildeten mechanischen System (SM) dynamisch gespeichert ist, in Abhängigkeit von der Störkraft (Fd) geschätzt wird und die Erregungsparameter des zweiten Elektromagneten (8) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einer von dem elastischen Körper (9) in der Anlagestellung statisch gespeicherten elastischen Energie (EE) und der in dem mechanischen System (SM) dynamisch gespeicherten mechanischen Energie (EM) berechnet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem abhängig von der Störkraft (Fd) ein Verdrängungsgesetz des Aktuatorkörpers (4) während der Phase zwischen der Aberregung des ersten Elektromagneten (8) und der Erregung des zweiten Elektromagneten (8) geschätzt wird und die in dem mechanischen System (SM) dynamisch gespeicherte mechanische Energie (EM) in Abhängigkeit von dem Verdrängungsgesetz des Aktuatorkörpers (4) geschätzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Verdrängungsgesetz mittels eines Berechnungsmodells des mechanischen Systems geschätzt wird, wobei das Berechnungsmodell die Wirkung der Störkraft (Fd) berücksichtigt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Berechnungsmodell die Wirkung einer auf den Aktuatorkörper (4) wirkenden Flüssigkeitsreibung berücksichtigt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Berechnungsmodell durch die folgende Gleichung definiert wird: m·dv(t)/dt = k·(x(t) – x0) – Fd(t) – Fb(t)wobei: m die Masse des Aktuatorkörpers (4) ist, v(t) die Geschwindigkeit des Aktuatorkörpers (4) ist, x(t) die Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, k die Elastizitätskonstante des elastischen Körpers (9) ist, x0 die Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, die der Ruhestellung des elastischen Körpers (9) entspricht, Fd(t) die Störkraft ist, Fb(t) die Kraft der Flüssigkeitsreibung ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Mittelwert der Störkraft (Fd) während einer vorbestimmten Schätzzeitspanne der Aberregungsphase des ersten Elektromagneten (8) berechnet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein vom ersten Elektromagneten (8) erzeugter Magnetfluß (φ) auf einem während der Schätzzeitspanne berechneten Schätzwert (ΦS) konstant gehalten wird, wobei dieser Schätzwert (ΦS) unter einem Wert (ΦR) liegt, der bewirkt, daß sich der Aktuatorkörper (4) vom ersten Elektromagneten (8) löst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der vom ersten Elektromagneten (8) erzeugte Magnetfluß (φ) schnell auf den Schätzwert (ΦS) verringert wird, für die Dauer der Schätzzeitspanne konstant und gleich dem Schätzwert (ΦS) gehalten wird und schließlich schnell auf einen Nullwert verringert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Mittelwert der Störkraft (Fd) berechnet wird, indem die während eines vorbestimmten Zeitraums von der Störkraft geleistete Arbeit (Ld) durch die Verdrängung geteilt wird, die während desselben Zeitraums vom Aktuatorkörper (4) bewirkt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Mittelwert der Störkraft (Fd) berechnet wird, indem das Mittel aus einer Reihe von Momentanwerten der Störkraft (Fd) bestimmt wird, wobei jeder Momentanwert der Störkraft (Fd) dadurch bestimmt wird, daß die während einer vorbestimmten Zeitspanne von der Störkraft geleistete Arbeit (Ld) durch die Verdrängung geteilt wird, die in derselben Zeitspanne vom Aktuatorkörper (4) bewirkt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Arbeit (Ld), die von der Störkraft (Fd) während einer vorbestimmten Zeitspanne geleistet wird, in der sich der Aktuatorkörper (4) aus einer Ausgangs- in eine Endstellung bewegt, durch Anwendung der folgenden Gleichung berechnet wird:
    Figure 00160001
    wobei: Ld die von der Störkraft geleistete Arbeit ist, EE die von dem elastischen Körper (9) gespeicherte elastische Energie ist, Ek die kinetische Energie ist, die der Aktuatorkörper (4) besitzt, Lm der Wert ist, der von der vom ersten Elektromagneten (8) erzeugten elektromagnetischen Kraft erreicht wird, Lv die von der Kraft der Flüssigkeitsreibung geleistete Arbeit ist, m die Masse des Aktuatorkörpers (4) ist, k die Elastizitätskonstante des elastischen Körpers (9) ist, x die momentane Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist, xi die Ausgangsstellung des Aktuatorkörpers (4) ist, xf die Endstellung des Aktuatorkörpers (4) ist, v die momentane Geschwindigkeit des Aktuatorkörpers (4) ist, vi die Ausgangsgeschwindigkeit des Aktuatorkörpers (4) ist, vf die Endgeschwindigkeit des Aktuatorkörpers (4) ist, Fm die vom ersten Elektromagneten (8) erzeugte elektromagnetische Kraft ist, Fb die Kraft der Flüssigkeitsreibung ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Kraft der Flüssigkeitsreibung als Produkt aus der momentanen Geschwindigkeit des Aktuatorkörpers (4) und einem konstanten Flüssigkeitsreibungsbeiwert berechnet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 und Anspruch 13, bei dem die elektromagnetische Kraft mittels der folgenden Gleichung berechnet wird:
    Figure 00170001
    wobei: Fm die elektromagnetische Kraft ist, Φs der Schätzwert des Magnetflusses ist, R0 der Luftspaltwiderstand des dem ersten Elektromagneten (8) zugeordneten Magnetkreises ist, x die momentane Stellung des Aktuatorkörpers (4) ist.
DE60223627T 2001-06-19 2002-06-18 Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils vom Positionsanschlag heraus Expired - Lifetime DE60223627T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT2001BO000390A ITBO20010390A1 (it) 2001-06-19 2001-06-19 Metodo di controllo di un attuatore elettromagnetico per il comando di una valvola di un motore a partire da una condizione di battuta
ITBO20010390 2001-06-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60223627D1 DE60223627D1 (de) 2008-01-03
DE60223627T2 true DE60223627T2 (de) 2008-10-23

Family

ID=11439435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60223627T Expired - Lifetime DE60223627T2 (de) 2001-06-19 2002-06-18 Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils vom Positionsanschlag heraus

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6920029B2 (de)
EP (1) EP1271570B1 (de)
BR (1) BR0202533A (de)
DE (1) DE60223627T2 (de)
ES (1) ES2296844T3 (de)
IT (1) ITBO20010390A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10053596A1 (de) * 2000-10-28 2002-05-02 Daimler Chrysler Ag Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes
FR2934413B1 (fr) * 2008-07-24 2015-01-02 Schneider Electric Ind Sas Actionneur electromagnetique comportant des moyens de controle de fonctionnement autoadaptatifs et procede utilisant un tel actionneur
EP2562549A1 (de) * 2010-04-20 2013-02-27 Anyang Anke Electric Co., Ltd. Impulsstromsensor und blitzschutzschrank mit überspannungswellenaufzeichnung mit dem sensor
US11181052B2 (en) 2019-09-26 2021-11-23 Setaysha Technical Solutions, Llc Air-fuel metering for internal combustion reciprocating engines

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3307070C2 (de) * 1983-03-01 1985-11-28 FEV Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren mbH, 5100 Aachen Stelleinrichtung für ein zwischen zwei Endstellungen verstellbares Schaltelement
DE3307683C1 (de) * 1983-03-04 1984-07-26 Klöckner, Wolfgang, Dr., 8033 Krailling Verfahren zum Aktivieren einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung sowie Vorrichtung zum Durchfuehren des Verfahrens
DE19544207C2 (de) 1995-11-28 2001-03-01 Univ Dresden Tech Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktoren
DE19640659B4 (de) * 1996-10-02 2005-02-24 Fev Motorentechnik Gmbh Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Aktuators mit Beeinflussung des Spulenstroms während der Ankerbewegung
DE19807875A1 (de) * 1998-02-25 1999-08-26 Fev Motorentech Gmbh Verfahren zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen Aktuator durch extrapolierende Abschätzung der Energieeinspeisung
DE59902798D1 (de) * 1998-11-26 2002-10-24 Siemens Ag Verfahren zum steuern eines elektromechanischen stellantriebs für ein gaswechselventil einer brennkraftmaschine
DE19960796C5 (de) * 1998-12-17 2009-09-10 Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama-shi Elektromagnetisch betätigbare Ventilsteuervorrichtung und Verfahren zum Steuern eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils
DE19954416A1 (de) 1999-11-12 2001-05-17 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum Anschwingen eines elektromagnetischen Aktuators
IT1311411B1 (it) * 1999-11-30 2002-03-12 Magneti Marelli Spa Metodo per il controllo di attuatori elettromagnetici perazionamento di valvole di aspirazione e scarico in motori a
IT1311434B1 (it) * 1999-12-17 2002-03-12 Magneti Marelli Powertain Spa Metodo per il controllo di attuatori elettromagnetici perl'azionamento di valvole di aspirazione e scarico in motori a
IT1321161B1 (it) * 2000-03-24 2003-12-30 Magneti Marelli Spa Metodo per la regolazione di correnti durante fasi di stazionamento inattuatori elettromagnetici per l'azionamento di valvole di

Also Published As

Publication number Publication date
EP1271570A1 (de) 2003-01-02
US20030052763A1 (en) 2003-03-20
BR0202533A (pt) 2003-04-01
ES2296844T3 (es) 2008-05-01
EP1271570B1 (de) 2007-11-21
DE60223627D1 (de) 2008-01-03
US6920029B2 (en) 2005-07-19
ITBO20010390A1 (it) 2002-12-19
ITBO20010390A0 (it) 2001-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69912877T2 (de) Verfahren zur Regelung der Geschwindigkeit eines Ankers in einem elektromagnetischem Aktuator
DE60121253T2 (de) Verfahren zum Überhitzungsschutz eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung von Einlass- und Auslassventilen einer Brennkraftmaschine
DE69907008T2 (de) Elektromagnetische ventilsteuerungseinrichtung und verfahren
DE60102131T2 (de) Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventilantriebes in einem nockenwellenlosen Motor
DE69821900T2 (de) Elektronische Steuerung des Aufschlags eines Ankers in einem elektromagnetischem Aktuator
EP0264706A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
DE60124614T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Ankers in einem elektromagnetischen Aktuator zur Steuerung eines Motorventils
DE102008002901A1 (de) Steuerung für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil
DE60015048T2 (de) Verfahren zum Betreiben Elektromagnetischer Aktoren zur Betätigung von Einlass- und Auslass-Ventilen in einer Brennkraftmaschine
EP1134364B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktors
DE10235196A1 (de) Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils sowie eine Anlage mit einem solchen Schaltventil
EP0973177B1 (de) Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators
DE60103118T2 (de) Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils
DE102006043677A1 (de) Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils
DE60223627T2 (de) Regelverfahren eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung eines Motorventils vom Positionsanschlag heraus
DE10047964A1 (de) Aktuator-Steuer/Regeleinrichtung
DE60120274T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betriebenen Ventilanordnung
DE2452325A1 (de) Elektromagnetische anschlagvorrichtung fuer drucker
DE4002883C2 (de)
DE60108705T2 (de) Schätzungsverfahren für die Wirkung parasitärer Ströme in einem elektromagnetischen Stellglied zur Betätigung eines Brennkraftmaschinenventils
DE60201327T2 (de) Verfahren zum Abschätzen der Position und Geschwindigkeit eines Ankers in einem elektromagnetischen Aktor zur Steuerung eines Motorventils
DE10126025A1 (de) Elektomagnetischer Aktuator
DE3632475A1 (de) Geraeuschdaempfungsvorrichtung, inbesondere fuer hydraulische und pneumatische ventile sowie fuer betaetigungsmagneten
DE19529152A1 (de) Aus der Ruhelage selbstanziehender elektromagnetischer Aktuator
DE10005953A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators und elektromagnetischer Aktuator

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition