DE69409485T2

DE69409485T2 - Verfahren zur Steuerung eines bistabilen elektromagnetischen Stellgliedes und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE69409485T2
Application number: DE69409485T
Authority: DE
Inventors: Jacques Beroff; Nicolas Venuti
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1994-01-07
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: EP0662697A1; FR2714998A1; FR2714998B1; DE69409485D1; EP0662697B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines bistabilen elektromagnetischen Steligliedes, das beispielsweise zur Steuerung eines Ventus eines Verbrennungsmotors dient. Sie betrifft ebenso eine Steuervorrichtung und ein Stellglied, die speziell für die Ausführung dieses Verfahrens entworfen sind.
Die betroffenen Steliglieder sind vom bekannten Typ mit zwei stabilen Zuständen, die jeweils durch die Anregung der Spulen von zwei Elektromagneten (Figuren 1a bis 1c) erzielt werden, in deren Luftspalt ein beweglicher Anker angeordnet ist (EP-A-376 716).
Bei den bekannten Verfahren findet der Übergang vom ersten stabilen Zustand zum zweiten stabilen Zustand und umgekehrt dadurch statt, daß der Spulenstrom des zweiten Elektromagneten eine bestimmte Zeit ΔT nach der Unterbrechung des Spulenstroms des ersten Elektromagneten angelegt wird. Damit das Heranziehen des vom ersten Elektromagneten losgelassenen Ankers optimal ausgeführt wird, muß der Zeitabstand ΔT geeignet gewählt werden. Wenn diese Zeit zu gering ist, kann die in dem beweglichen Anker gespeicherte Energie ein Zurückprallen verursachen, wenn sie zu groß ist, kann das Heranziehen nicht stattfinden.
Genauer können bei der Verwendung für die Ventilsteuerung eines Motors zahlreiche Störfaktoren einwirken und den Zeitabstand verändern, der optimal wäre. Deshalb hängen der Laststrom der Spulen vom Zustand und der Temperatur der Fahrzeugbatterie ab. Die mechanischen Widerstände sind ebenfalls von der Temperatur und insbesondere von der Öl- temperatur abhängig, was zu erheblichen Abständen zwischen einem Kaltstart und bei heißem Motor führt. Die Wahl eines konstanten ΔT führt daher zu einem mangelhaften Betrieb.
Die Erfindung schlägt vor, den oben genannten Nachteilen in einem Steuerungsverfahren eines elektromagnetischen Stellgliedes mit zwei aktiven stabilen Stellungen und einer Ruhestellung abzuhelfen, wobei das Stellglied vom Typ mit einem beweglichen Anker ist, der mit der zu betätigenden Einrichtung, beispielsweise einem Ventil eines Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei dieser Anker in dem Luftspalt, der einen ersten und eine zweiten identischen, gegenüber angeordneten Elektromagneten trennt, im Ruhezustand aufgrund der entgegengesetzten Rückstellkräfte von zwei identischen Federn mit gleichen Abständen zu den Elektromagneten angeordnet ist, Verfahren, in dem das Umschalten von der einen zur anderen aktiven Stellung ausgeführt wird, indem der zweite Elektromagnet angeregt wird, wenn eine Zeit ΔT, die für die normalen Betriebsbedingungen vorbestimmt ist, nach dem Unterbrechen des Anregestromes des ersten Elektromagneten verstrichen ist und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
a) - Vorverschieben des Anregungsbefehls des zweiten Elektromagneten in bezug auf die Zeit ΔT, die für einen optimalen Betrieb unter normalen Bedingungen vorbestimmt ist;
b) - Unterbrechen des Anregestromes des zweiten Elektromagneten zu einem Zeitpunkt, der durch die Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Gliedes bzw. der beweglichen Einrichtung bestimmt wird;
c) - Wiederherstellen des Anregestromes nach einer Unterbrechungszeitdauer in abnehmender Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Gliedes.
Vorzugsweise wird der Ahregestrom des zweiten Elektromagneten beim Durchgang des beweglichen Ankers durch eine Referenzposition unterbrochen, die vorteilhafterweise der Ruhestellung des Ankers entspricht.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal wird die Unterbrechungszeitdauer in Abhängigkeit von der zwischen dem Zeitpunkt Tc des Unterbrechungsbeginnes und dem Zeitpunkt Tp des Endes der vorausgegangenen Ansteuerung verstrichenen Zeit Tc-Tp berechnet.
Vorzugsweise ist in diesem Fall die Unterbrechungszeitdauer ΔTc eine ansteigende Funktion der verstrichenen Zeit Tc-Tp.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist von dem Typ, der ein elektromagnetisches Stellglied mit zwei aktiven stabilen Stellungen und einer Ruhestellung, dessen beweglicher Anker, der mit der zu betätigenden Einrichtung verbunden ist, in dem Luftspalt von zwei identischen Elektromagneten angeordnet ist, die einander gegenüber in einem Gehäuse angeordnet sind, und Einrichtungen zum Umschalten der Steuerströme der Elektromagneten aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Einrichtungen aufweist, um beim Durchgang des beweglichen Ankers bei einer vorbestimmten Stellung seines Verlaufes ein Signal zu erzeugen und an die Umschalteinrichtungen abzugeben.
Vorzugsweise weisen die Einrichtungen zum Erzeugen und Abgeben des Signals einen mit dem Gehäuse des Stellgliedes verbundenen Positionsnehmer auf, der vorteilhafterweise mit gleichen Abständen zu den zwei Elektromagneten angeordnet werden kann, um den Durchgang des beweglichen Ankers zu erfassen.
Die Erfindung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung besser verständlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die einzig als Beispiel angegeben sind, und in denen:
- die Figuren 1a bis 1c ein bekanntes Stellglied in seinen verschiedenen Positionen zeigen;
- die Graphik der Figur 2a die Position P des Ankers in Abhängigkeit von der Zeit zeigt;
- die Graphiken der Figuren 2b und 2c die Steuersignale eines bekannten Verfahrens zur Steuerung eines solchen Stellgliedes zeigen;
- die Graphik der Figur 2d die Stromstärke einer Spule in Abhängigkeit der Zeit zeigt;
- die Figuren 3a und 3b die Fehler beim Heranziehen des Ankers im bekannten Verfahren zeigen;
- die Figur 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung ist;
- die Figuren 5a bis 5e Diagramme sind, die die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen;
- die Figur 6 einen axialen Schnitt eines erfindungsgemäßen Stellgliedes zeigt, das für die Steuerung eines Ventils verwendet wird.
Ein bekanntes elektromagnetisches Stellglied mit zwei stabilen Stellungen und einer Ruhestellung ist in den Figuren 1a, 1b und 1c dargestellt und durch die allgemeine Bezugsziffer 1 bezeichnet.
Es weist in einem Gehäuse 10 befestigt zwei identische Elektromagneten 11 und 12 auf, von denen jeder eine Anregespule 21, 22 aufweist. Ein beweglicher Anker 3, der von einer Platte aus magnetischem Blech gebildet wird, ist im Luftspalt e angeordnet, der zwischen den zwei gegenüber angeordneten Elektromagneten eingeschlossen ist. Zwei identische Schraubenfedern 31 und 32 sind gemäß der Achse XX des Stellgliedes beiderseits der Platte 3 angeordnet, so daß sie sie in der Ruhestellung halten, d. h. wenn keine der Spulen angeregt ist, im gleichen Abstand zu den zwei Elektromagneten (Figur la). Die Stange 5, die axial angeordnet und an der Mitte der Platte 3 befestigt ist, ist mit der nicht dargestellten zu steuernden Einrichtung verbunden.
Die Figur 1b zeigt eine erste stabile Stellung, die erzielt wird, wenn die Spule 21 des Elektromagneten 11 angeregt ist während die Spule 22 des Elektromagneten 12 es nicht ist. Der Anker 3 klebt in diesem Fall am Anker des Elektromagneten 11. Die Figur 1c zeigt die zweite stabile Stellung, die erzielt wird, wenn die Spule 22 angeregt wird während die Spule 21 es nicht ist. Der Anker 3 klebt in diesem Fall am Anker des Elektromagneten 12.
Das üblicherweise zum Umschalten von der ersten stabilen Stellung zur zweiten stabilen Stellung verwendete Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2a bis 2d beschrieben. Die erste Stellung des Ankers 3 ist von 0 bis Tl durch die Ordinate P1 dargestellt und die zweite Stellung durch die zum Zeitpunkt T2 erreichte Ordinate P2. Die Signale zur Steuerung der Ströme in den Spulen 21 und 22 werden durch A1 bzw. A2 bezeichnet. Im Zustand 1 dieser Signale ist die entsprechende Spule angeregt. Um den Anker 3 von P1 zu P2 zu überführen, wird zunächst der Strom der Spule 21 unterbrochen, indem das Signal A1 vom Zustand 1 in den Zustand 0 übergeführt wird. Eine gewisse Zeit ΔT nach dieser Unterbrechung wird der Strom I der Spule 22 angesteuert, indem das Signal A2 vom Zustand 0 in den Zustand 1 übergeführt wird, und der Strom der Spule 22 entwickelt sich, wie in der Figur 2d dargestellt.
Damit das Heranziehen des Ankers 3 durch den Elektromagneten 12 auf optimale Weise durchgeführt wird, muß der Zeitabstand ΔT geeignet gewählt werden, um das Nichtanhaften des Ankers (Figur 3a), wenn die magnetische Energie nicht ausreicht, oder das Zurückprallen (Figur 3b)zu verhindern, wenn es einen Energieüberschuß gibt.
Außerdem führen bei der Anwendung zur elektromagnetischen Steuerung von Ventilen eines Verbrennungsmotors die mit dem Fahrzeug verbundenen Betriebsbedingungen zu Veränderungen des in der Figur 2d dargestellten Eingangsstromes (courant d'appel), beispielsweise beim Kaltstart und/oder wenn die Aufladung der Batterie nicht optimal ist.
Man wird dann dazu geführt, den Übergang vom Zustand 0 in Zustand 1 des Signals A2 (oder des Signals A1) in bezug auf ΔT vorwegzunehmen, das bei normalen Bedingungen (erhitzter Motor, normale Aufladung der Batterie) optimal bestimmt wird, so daß man unter allen Bedingungen über genügend Energie im Moment der Berührung des Ankers 3 mit dem magnetischen Kreis des Elektromagneten 12 (oder 11) verfügt, was zum nachteiligen Zurückprallen führt, wenn die Bedingungen normal sind.
Gemäß der Erfindung geht man, um diese Nachteile abzustellen, auf die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 5a bis 5e dargelegte Weise vor.
In diesen Figuren stellt der Ursprung der Abszissen den Zeitpunkt dar, in dem die Spule des Elektromagneten, der den zuvor hergestellten stabilen Zustand entspricht, durch Übergang des entsprechenden Steuersignals vom Zustand 1 in den Zustand 0 zum Zeitpunkt Tp aus geschaltet wird. Die Anregung des anderen Elektromagneten wird in bezug auf die Zeit Δt (Figur 5b), die für eine optimale Funktion unter normalen Bedingungen vorbestimmt ist, wie bereits dargelegt auf den Zeitpunkt Ta (Figur 5c) vorverschoben.
Der Anregestrom dieses Elektromagneten wird dann zu einem Zeitpunkt Tc unterbrochen, der durch die Bewegung des beweglichen Ankers 3 bestimmt wird, beispielsweise bei seinem Durchgang durch einen Zwischenpunkt PR seines Verlaufs von P1 zu P1 (Figur 5a). Man stellt dann den Anregestrom nach einer Unterbrechungsdauer wieder her, die in Abhängigkeit von der Bewegung des Ankers 3 berechnet wird, beispielsweise in Abhängigkeit von der zwischen der Unterbrechung bei und dem Durchgang des Ankers 3 durch die Referenzstellung PR verstrichenen Zeit.
Wenn das verwendete bistabile Stellglied perfekt symmetrisch ist, wie das in den Figuren 1a bis 1c beschriebene, wird die Referenzstellung PR vorzugsweise im gleichen Abstand zu den zwei Elektromagneten gewählt und allgemeiner wird sie der Ruhestellung des beweglichen Ankers 3 entsprechen (Figur 1a).
Die Dauer der Unterbrechung in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 3 wird experimentell in Abhängigkeit der Betriebscharakteristiken des zu steuernden Organs bestimmt.
Beispielsweise können im Fall der Steuerung eines Einlaßventils mit einem Durchmesser von 32 mm und einer Masse von 0,14 kg, wobei das Ventil dem kleineren der zwei Einlaßventile eines Vierzylindermotors mit einem Hubraum von ungefähr 1,9 l entspricht, und bei dem der Weg von 6,5 mm in einer konstanten Zeit von 5 ms durchlaufen werden muß, wobei der Zeitpunkt Tp der Unterbrechung des Signals A1 als Ursprung genommen wird, die Größenordnungen die folgenden sein:
Normale Steuerung ΔT = 0,8 bis 1,4 ms
Vorverschobene Steuerung TA = 0,5 ms
Gesteuerte Unterbrechung Tc = 3 ms
Dauer der Unterbrechung ΔTc = 0,4 ms
Allgemein wird, um eine Unterbrechungsdauer in abnehmender Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Einrichtung zu erreichen, ΔTc eine ansteigende Funktion von Tc-Tp sein. Man bemißt auf diese Weise angemessen die magnetische Kraft, um das Zurückprallen der Platte 3 zu verhindern, wobei ein für die Kompensierung der Störungen der Plattenbewegung ausreichender Bereich bestehen bleibt.
In der Praxis wird man an einer ansteigenden linearen Funktion der Form
ΔTc = (Tc-Tp-Init) x K
festhalten können, in der K eine Konstante ist, wie bei spielsweise 0 < K < 1, und Tp ein Motorkontrollwert.
Init ist die Zeit, die zwischen dem Ende der Ansteuerung der zuvor angeregten Spule und dem Zeitpunkt verstreicht, in dem sich die Platte 3 effektiv vom magnetischen Kreis dieser Spule löst.
Nun wird eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens entworfene Vorrichtung beschrieben.
Die Vorrichtung (Figur 4) weist ein Stellglied 1 des zuvor beschriebenen Typs auf, das darüber hinaus einen Positionsaufnehmer 6 aufweist, der geeignet ist, ein elektrisches Signal beim Durchgang des Ankers 3 bei seiner Ruheposition auszusenden. Ein Kontrollsystem 7 empfängt über die üblichen Informationen hinaus, beispielsweise von der elektronischen Steuerung eines Verbrennungsmotors, dessen Stellglied 1 ein Ventil steuert, das vom Aufnehmer 6 beim Durchgang des Ankers 3 ausgesendete Signal.
Das System 7 erstellt mittels einer Verstärkungsstufe 8 die logischen Signale A1 und A1, die die Spulen 21 bzw. 22 steuern.
Nun wird ein Verfahren beschrieben, das von dem Kontrollsystem 7 verwendet werden kann, um die Lücke in der Zeit Tc auszulösen und ihre Dauer ΔTc zu berechnen. Um die Zeitdauer Tc-Tp-Init zu bestimmen, könnte man selbstverständlich ein analoges Verfahren verwenden, aber man weiß, daß die numerischen Verfahren präziser und zuverlässiger sind, insbesondere bei Verwendung einer Uhr und eines Abwärtszählers. Um Tc-Tp-Init mit dem Faktor K zu multiplizieren, ist es unter diesen Umständen vorteilhaft, zwei Zeitbasen zu verwenden, die eine zum Zählen, die andere zum Abwärtszählen.
Zunächst muß das Ende der Ansteuerung A1 der zuvor angeregten Spule festgestellt werden, beispielsweise indem eine Flankendetektion durchgeführt wird. Der so festgestellte Zeitpunkt Tp wird als Ursprung gewählt. Man initialisiert dann einen Abwärtszähler mit dem Wert mit und zählt dann herab; wenn der Zähler bei 0 angelangt ist, zählt man unter Verwendung einer ersten Uhr bis zum Zeitpunkt Tc des Durchganges der Platte 3 vor dem Detektor 6. Man erhält dann am Ausgang des Abwärtszählers Tc-Tp-Init. Der Beginn der Lücke wird gleichzeitig zu der Zeit Tc ausgelöst und es wird dann mit einer zweiten Uhr abwärts gezählt. Da die Frequenzen der zwei Uhren im Verhältnis K stehen, erhält man allerdings eine Zeitdauer:
ΔTc = (Tc-Tp-Init) x K
Es ist interessant, denselben Schaltkreis für die Steuerung der zwei Spulen zu verwenden, indem die zwei Eingänge und die zwei Steuerausgänge A1 und A2 gemultiplext werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines in der Figur 6 im Maßstab 1 dargestellten erfindungsgemäßen Stellgliedes, ist der Aufnehmer 6 in die Außenwand des Gehäuses 10 im gleichen Abstand zu den Ankern der Spulen 11 und 12 eingesetzt. Ein Ventil V und sein Sitz 5 sind in der Zwischenstellung dargestellt, die dem Ruhezustand des Stellgliedes entspricht. Der Ventilschaft geht in die Stange 5 über, die vom beweglichen Anker 3 mitgeführt wird. Die Gleichgewichtsposition P1 entspricht dem geschlossenen Ventil und die Position P2 seiner vollständigen Öffnung.
Die Federn 31 und 32 stützen sich mit ihren der Platte 3 entgegengesetzten Enden am Gehäuse 10 bzw. am Zylinderkopf C des Motors ab.
Das Stellglied weist üblicherweise Einrichtungen zur Einstellung der Verschlußstellung des Ventils V in Anlage an seinen Sitz S auf. Diese Einrichtungen können Beilagscheiben oder Federringe 102 aufweisen, die unter dem Flansch 101 des Gehäuses 10 vor der Befestigung auf dem Zylinderkopf C durch Schrauben, wie beispielsweise 103, angeordnet werden. Üblicherweise weist es ebenfalls Einrichtungen zur Einstellung der Nullage auf, die dem Ruhezustand entspricht. Diese Einrichtungen können durch eine Schraube 104 gebildet werden, die mit einem entsprechenden Innengewinde des Gehäuses 10 zusammenwirkt und an der sich das der Platte 3 entgegengesetzte Ende der Feder 31 abstützt. Die axiale Verschiebung des von der Schraube 104 gebildeten Anschlags erlaubt auf diese Weise die Einstellung der Ruhestellung der Platte 3. Nach der Einstellung wird die Schraube 104 durch eine Kontermutter 105 verriegelt.
Damit die Position des Aufnehmers 6 an der Wand des Gehäuses 10 so exakt wie möglich der Nullstellung der Platte 3 entspricht, ist der Aufnehmer 6 in einer Bohrung eines zylindrischen Zwischenstücks 106 zentriert, die die Länge des Luftspaltes e zwischen den Ankern der Elektromagneten 11, 12 bestimmt, wobei dieser Luftspalt den Gesamtweg der Platte 3 zwischen ihren zwei stabilen Extremstellungen P1, P2 begrenzt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellgliedes (1) mit zwei aktiven stabilen Stellungen und einer Ruhestellung, wobei das Stellglied vom Typ mit einem beweglichen Anker (3) ist, der mit der zu betätigenden Einrichtung, beispielsweise einem Ventil (V) eines Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei dieser Anker in dem Luftspalt (e), der einen ersten und einen zweiten identischen, gegenüber angeordneten Elektromagneten (11, 12) trennt, im Ruhezustand mit gleichen Abständen zu den zwei Elektromagneten aufgrund der entgegengesetzten Rückstellkräfte von zwei identischen Federn (31, 32) angeordnet ist, Verfahren, in dem das Umschalten von der einen zur anderen aktiven Stellung ausgeführt wird, indem der zweite Elektromagnet angeregt wird, wenn eine Zeit ΔT, die für die normalen Betriebsbedingungen vorbestimmt ist, nach dem Unterbrechen des Anregestromes des ersten Elektromagnetes verstrichen ist und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist:

a) - Vorverschieben des Anregungsbefehls des zweiten Elektromagnetes im bezug auf die Zeit ΔT, die für einen optimalen Betrieb unter normalen Bedingungen vorbestimmt ist;

b)- Unterbrechen des Anregestromes des zweiten Elektromagneten zu einem Zeitpunkt, der durch die Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Gliedes (3,5) bestimmt wird;

c)- Wiederherstellen des Anregestromes nach einer Unterbrechungszeitdauer ΔTc in abnehmender Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Gliedes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Anregestroms des zweiten Elektromagneten durch Durchgang des beweglichen Ankers durch eine Referenzstellung (PR) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzposition (PR) der Ruhestellung des Ankers (3) entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungszeitdauer in Abhängigkeit von der zwischen dem Zeitpunkt Tc des Unterbrechungsbeginnes und dem Zeitpunkt Tp des Endes der vorgenannten Betätigung verstrichenen Zeit Tp-Tp berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer ΔTc des Unterbrechens eine ansteigende Funktion der Zeit Tc-Tp ist.

6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, mit einem elektromagnetischen Stellglied (1) mit zwei aktiven stabilen Stellungen und einer Ruhestellung, bei der der bewegliche Anker, der mit der zu betätigenden Einrichtung (V) verbunden ist, in dem Luftspalt (e) von zwei identischen Elektromagneten (11, 12) angeordnet ist, die einander gegenüber in einem Gehäuse (10) angeordnet sind, und mit Einrichtungen zum Umschalten der Steuerströme der Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (6) aufweist, um beim Durchgang des beweglichen Ankers bei einer vorbestimmten Stellung (PR) seines Verlaufes ein Signal zu erzeugen und an die Umschalteinrichtungen abzugeben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen und Abgeben des Signals einen Positionsaufnehmer (6) aufweisen, der mit dem Gehäuse des Stellgliedes verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (6) angeordnet ist, um den Durchgang des beweglichen Ankers (3) bei gleichem Abstand zu den zwei Elektromagneten zu erfassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (6) in die äußere Wand des Gehäuses (10) eingesetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (6) in einem Zwischenstück (106) zentriert ist, das den Gesamtweg der Platte (3) zwischen seinen zwei stabilen Endstellungen (P1, P2) begrenzt.