EP1682751A2 - Verfahren zur regelung eines verdrehwinkels sowie phasenverstellvorrichtung zur durchf hrung eines derartigen verfahrens - Google Patents

Verfahren zur regelung eines verdrehwinkels sowie phasenverstellvorrichtung zur durchf hrung eines derartigen verfahrens

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EP1682751A2
EP1682751A2 EP04802686A EP04802686A EP1682751A2 EP 1682751 A2 EP1682751 A2 EP 1682751A2 EP 04802686 A EP04802686 A EP 04802686A EP 04802686 A EP04802686 A EP 04802686A EP 1682751 A2 EP1682751 A2 EP 1682751A2
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EP
European Patent Office
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rotation
angle
speed
current
calculating
Prior art date
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EP04802686A
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EP1682751B1 (de
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Uwe Finis
Kave Kianer
Marco Rohe
Markus Wilke
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Schaeffler Engineering GmbH
Original Assignee
AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a relative angle of rotation between a camshaft and a crankshaft in an internal combustion engine by means of an electromechanical phase adjustment device.
  • the invention further relates to a phase adjustment device for performing such a method.
  • Electromechanical phase adjustment devices of the generic type are known from DE 100 38 354 AI or DE 102 22 475 AI. Such phase adjustment devices are used to adjust the relative angle of rotation between a camshaft and the crankshaft of an internal combustion engine. By adjusting this angle of rotation, the opening times of the intake or exhaust valves can be influenced in a targeted manner, which has proven to be advantageous when operating internal combustion engines with regard to fuel consumption and pollutant emissions.
  • a rotation angle cascade control for such electromechanical phase adjustment devices which uses the actuator speed as a control variable in a lower-level control circuit.
  • a disadvantage of such a rotation angle cascade control is that the actuator speed differs from the changes over time of the rotation angle and the rotation angle cascade control thus exhibits poor control behavior.
  • the object of the invention is to develop a method for quickly and precisely regulating the relative angle of rotation between see a camshaft and a crankshaft in an internal combustion engine by means of an electromechanical phase adjustment device.
  • the essence of the invention is that first the at least one measurable variable, which is usually easy to measure, is used to calculate the change in the rotation angle over time, hereinafter referred to as the adjustment speed, and this is used as the controlled variable.
  • the actual adjustment speed calculated from at least one measured variable is compared with a target adjustment speed and the resulting adjustment speed control deviation is fed to an adjustment speed controller, which is subordinate to an angle of rotation controller which specifies the target adjustment speed.
  • an adjustment speed controller which is subordinate to an angle of rotation controller which specifies the target adjustment speed.
  • an actual adjustment speed is calculated according to claim 2
  • the speed of the internal combustion engine, which is superimposed on the phase adjustment device is included in the calculation of the actual adjustment speed, so that an operating point change of the internal combustion engine acting as a fault is corrected without delay and exactly, or simultaneously with an adjustment of the relative angle of rotation
  • Operating point change of the internal combustion engine is used to adjust the relative angle of rotation.
  • a calculation of the superimposition speed according to claim 3 is easy to carry out, since the superimposition speed results as half the speed of the crankshaft.
  • a calculation in an observer model according to claim 4 allows a very precise determination of the actual adjustment speed, since inaccuracies in the calculation of the actual adjustment speed are corrected in the observer model.
  • a target current according to claim 5 allows a current regulator to be superimposed.
  • a current controller subordinate to the adjustment speed controller, according to claim 6, permits a delay-free and exact correction of disturbances to the current of the actuator and thus to the drive torque of the actuator. Malfunctions can arise, for example, from the temperature dependence of resistances of the actuator.
  • a limitation of the target current according to claim 7 enables effective protection of the actuator against overload.
  • Another object of the invention is to provide a phase adjustment device for carrying out a method for quickly and accurately regulating a relative angle of rotation between a camshaft and a crankshaft in an internal combustion engine.
  • phase adjustment device with the features of claim 8.
  • the advantages of invented phase adjustment device according to the invention correspond to those which were carried out above in connection with the method according to the invention for regulating a relative angle of rotation between a camshaft and a crankshaft.
  • a DC motor according to claim 10 allows simple design and adjustment of the controller.
  • 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with a phase adjustment device
  • FIG. 2 is a schematic representation of a method for controlling a relative angle of rotation between a camshaft and a crankshaft by means of a phase adjustment device according to a first embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method for regulating a relative angle of rotation according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a method for regulating a relative angle of rotation according to a third exemplary embodiment
  • Fig. 5 is a schematic representation of a method for controlling a relative angle of rotation according to a fourth embodiment.
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine 1, which is constructed in a known manner.
  • the internal combustion engine 1 comprises a plurality of cylinders 2 arranged in series, in each of which a piston 3 is guided.
  • Each piston 3 is connected to a crankshaft 5 by means of a connecting rod 4, the crankshaft 5 being rotatably supported about a crankshaft axis of rotation 6.
  • a crankshaft sensor 7 is arranged, which serves to measure an angle of rotation ⁇ ⁇ and a speed ⁇ ⁇ of the crankshaft 5.
  • a crankshaft gear 8 is arranged at a second end of the crankshaft 5 and drives a camshaft gear 10 via a toothed belt 9.
  • the camshaft gear 10 is coupled to an electromechanical phase adjustment device 11 and a camshaft 12.
  • the phase adjustment device 11 comprises a swash plate mechanism 13 and an actuator 14 in the form of a DC motor, the swash plate mechanism 13 being connected to the DC motor 14, the camshaft gear 10 and the camshaft 12 in such a way that an angle of rotation ⁇ N of the camshaft 12 can be set.
  • a swash plate mechanism 13 is connected to the DC motor 14, the camshaft gear 10 and the camshaft 12 in such a way that an angle of rotation ⁇ N of the camshaft 12 can be set.
  • the detailed structure of the swash plate mechanism 13 reference is made to DE 100 38 354 AI and DE 102 22 475 AI.
  • a plurality of spaced-apart cams 15 are fastened along the camshaft 12, each of which actuates a valve 16 for introducing or discharging gas into the cylinders 2.
  • a camshaft sensor 17 is attached to an end of the camshaft 12 facing away from the camshaft gear 10. ordered, which serves to measure the angle of rotation ⁇ N and the speed ⁇ N of the camshaft 12.
  • the phase adjustment device 11 further comprises a regulating and control unit 18 which is connected to the crankshaft sensor 7, the camshaft sensor 17, a first actuator sensor 19 and a second actuator sensor 20 for the transmission of measurement data.
  • the first actuator sensor 19 is used to measure the rotational angle ⁇ s and the rotational speed ⁇ s of the DC motor 14, and the second actuator sensor 20 is used to measure the armature current I s of the DC motor 14.
  • the control and control unit 18 is used to control the DC motor 14 connected to a power electronics circuit, not shown, by means of which the DC motor 14 is actuated.
  • the camshaft 12 is rotated about a camshaft axis of rotation 21 via the swash plate gear 13.
  • the adjustment speed ⁇ is defined as the change over time of the relative adjustment angle ⁇ with the dimension ° / sec.
  • the adjustment speed ⁇ is related to the crankshaft 5 and thus has the unit ° crankshaft / sec.
  • the speed of the camshaft gear 10 is referred to below as the superimposed speed ⁇ Ü .
  • a method implemented in the regulating and control unit 18 of the phase adjustment device 11 for regulating the relative angle of rotation ⁇ according to a first exemplary embodiment is described in more detail below with reference to FIG. 2.
  • a rotation angle control deviation ⁇ between a set rotation angle ⁇ TARGET to be set and a determined actual rotation angle ⁇ ACTUAL is calculated.
  • the twist angle control deviation ⁇ is then fed to a twist angle controller 23, in which a target adjustment speed ⁇ TARGET which is dependent on the twist angle control deviation ⁇ is calculated.
  • the target rotation angle ⁇ TARGET is specified by a superordinate motor control, not shown.
  • the actual angle of rotation ⁇ 1S ⁇ can be determined either by direct measurement, as is known from DE 102 36 507 AI, or from existing measured variables, such as the angle of rotation ⁇ of the crankshaft 5, the angle of rotation ⁇ N of the camshaft 12 and the angle of rotation ⁇ s of the DC motor 14 can be calculated. Is the measurement or calculation of the actual twist angle ⁇ IS ⁇ ideal, this corresponds to the relative twist angle ⁇ .
  • an adjustment speed control deviation ⁇ between the desired adjustment speed ⁇ TARGET and a calculated actual adjustment speed ⁇ 1S ⁇ is also calculated.
  • the adjustment speed control deviation ⁇ is fed to an adjustment speed controller 26 subordinate to the angle of rotation controller 23, in which an output variable dependent on the adjustment speed control deviation ⁇ is calculated and output.
  • the output variable of the adjustment speed controller 26 is a target value for the current-driving voltage of the DC motor 14, which is set on the DC motor 14 by a power electronic circuit (not shown).
  • the direct current motor 14 adjusts the twist angle ⁇ via the swash plate gear 13 until the desired twist angle ⁇ SHOULD be reached and the twist angle control deviation ⁇ becomes zero.
  • the angle of rotation controller 23 is part of a first control loop for controlling the angle of rotation ⁇ and the adjustment speed controller 26 is part of a second control loop for controlling the adjustment speed ⁇ , the second control loop being cascaded under the first control loop.
  • the computing effort in the regulating and control unit 18 is kept low.
  • Known linear methods for parameterizing the controllers 23, 26 can be used by using linear controller structures.
  • the subordinate control of the adjustment speed ⁇ allows the control of the angle of rotation ⁇ to settle quickly with little overshoot and very good stationary control accuracy.
  • the number of parameters of the controllers 23, 26 to be set is manageable, so that the parameterization of the controllers 23, 26 is clear for an applicator and is therefore easy to carry out.
  • a method for regulating the angle of rotation ⁇ implemented in the regulating and control unit 18 according to a second exemplary embodiment is described below with reference to FIG. 3.
  • the main difference compared to the first embodiment is that the output variable of the adjustment speed controller 26 and the rotational speed ⁇ s of the direct current motor 14 are fed to a disturbance variable compensation 27 in which a self-induction voltage of the direct current motor 14 dependent on the rotational speed ⁇ s of the direct current motor 14 is compensated.
  • the output variable of the disturbance variable compensation 27 is a setpoint value for the current-driving voltage of the direct current motor 14 which is compensated as a function of the self-induction voltage and which is fed to a power electronic circuit and is set by the latter on the direct current motor 14.
  • the dynamics of the regulation of the twist angle ⁇ can be improved by the disturbance variable compensation 27.
  • a method implemented in the regulating and control unit 18 for regulating the angle of rotation ⁇ according to a third exemplary embodiment is described below with reference to FIG. 4.
  • the main difference compared to the first and second exemplary embodiment is that the actual adjustment speed ⁇ ACT is calculated in an observer model 28.
  • the phase adjustment device 11 is at least partially modeled in the observer model 28, the modeled state variables of the phase adjustment device 11, in particular the actual adjustment speed ⁇ j S ⁇ , being continuously corrected by comparing the observer model 28 by means of the actual angle of rotation ⁇ S ⁇ .
  • the comparison of the observer model 28 prevents the calculated actual adjustment speed ⁇ ACT from drifting from the real adjustment speed ⁇ due to the integrating system behavior.
  • the actual adjustment speed ⁇ ACTUAL can be calculated very precisely in the observer model 28.
  • a method for regulating the angle of rotation ⁇ implemented in the regulating and control unit 18 is described below with reference to FIG. 5 described according to a fourth embodiment.
  • the essential difference compared to the previous exemplary embodiments is that the output variable of the adjustment speed controller 26 is interpreted as a target current I DES of the DC motor 14 and in a third calculation module 29 a current control deviation ⁇ I between the target current I DES and a measured actual current I IS ⁇ of the DC motor 14 is calculated.
  • a manipulated variable dependent on the current control deviation ⁇ I for adjusting the twist angle ⁇ is then calculated in a current controller 30 subordinate to the adjustment speed controller 26.
  • the actual current I 1S ⁇ of the direct current motor 14 is measured by means of the second actuator sensor 20.
  • the measurement of the actual current I IS ⁇ is ideal, then this corresponds to the armature current I s of the direct current motor 14.
  • a third control loop is subordinate to the first and second control loops.
  • a current limitation is also provided in the current controller 30, which serves to limit the target current I SOLL to a maximum current value I MAX , which also limits the armature current I s .
  • the current limitation serves to protect the DC motor 14 against overload.
  • the disturbance variable compensation 27 and the observer model 28 can be combined with the method for regulating the angle of rotation ⁇ according to the fourth exemplary embodiment.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung eines relativen Verdrehwinkel (Phi) zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle mittels einer elektromechanischen Phasenverstellvorrichtung ist zur Erzielung eines schnellen und exakten Regelverhaltens vorgesehen, dass eine Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung (Deltaohm) zwischen einer Soll-Verstellgeschwindigkeit (ohmSOLL) und einer aus zumindest einer Messgrösse berechneten Ist-Verstellgeschwindigkeit (ohmIST) in einem einem ersten Regelkreis zur Regelung des relativen Verdrehwinkels (Phi) unterlagerten zweiten Regelkreis zur Regelung einer Verstellgeschwindigkeit (ohm) berechnet wird. Abhängig von der Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung (Deltaohm) wird mittels eines einem Verdrehwinkel-Regler (23) unterlagerten Verstellgeschwindigkeits-Reglers (26) eine Ausgangsgrösse berechnet, die zum Verstellen des relativen Verdrehwinkels (Phi) mittels eines elektromechanischen Stellgliedes (14) verwendet wird. Durch die Regelung der Verstellgeschwindigkeit (ohm) kann der relative Verdrehwinkel (Phi) schnell und exakt eingeregelt werden. Weiterhin wird eine Phasenverstellvorrichtung zur Regelung des relativen Verdrehwinkels (Phi) bereitgestellt.

Description

Verfahren zur Regelung eines Verdrehwinkels sowie Phasenverstellvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines relativen Ver- drehwinkels zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine mittels einer elektromechanischen Phasenverstellvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Phasenverstellvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Elektromechanische Phasen verstellvorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind aus der DE 100 38 354 AI oder der DE 102 22 475 AI bekannt. Derartige Phasenverstellvorrichtungen dienen zum Verstellen des relativen Verdrehwinkels zwischen einer Nockenwelle und der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Durch das Verstellen dieses Verdrehwinkels können die Öffnungszeiten der Einlass- oder Auslassventile gezielt beeinflusst werden, was sich beim Betrieb von Brennkraftmaschinen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen als vorteilhaft erwiesen hat.
Aus der DE 102 59 134 AI ist eine Verdrehwinkel-Kaskadenregelung für derartige elektromechanische Phasenverstellvorrichtungen bekannt, die als Regelgröße in einem unterlagerten Regelkreis die Stellglied-Drehzahl verwendet. Nachteilig bei einer derartigen Verdrehwinkel-Kaskadenregelung ist, dass die Stellglied-Drehzahl von der zeitlichen Änderungen des Ver- drehwinkels abweicht und die Verdrehwinkel-Kaskadenregelung somit ein schlechtes Regelverhalten aufweist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen und genauen Regelung des relativen Verdrehwinkels zwi- sehen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine mittels einer elektromechanischen Phasenverstellvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zunächst aus zumindest einer in der Regel einfach messbaren Messgröße die zeitliche Änderung des Verdreh winkeis, nachfolgend als Verstellgeschwindigkeit bezeichnet, berechnet und diese als Regelgröße verwendet wird. Die aus zumindest einer Messgröße berechnete Ist- Verstellgeschwindigkeit wird mit einer Soll- Verstellgeschwindigkeit verglichen und die sich daraus ergebende Verstellgeschwindigkeits- Regelabweichung wird einem Verstellgeschwindigkeits-Regler zugeführt, wobei dieser einem Verdrehwinkel-Regler unterlagert ist, der die Soll- Verstellgeschwindigkeit vorgibt. Dadurch, dass die Verstellgeschwindigkeit aus zumindest einer in der Regel einfach messbaren Messgröße berechnet wird, ist eine aufwändige und teure direkte Messung nicht erforderlich. Gleichzeitig kann in dem Verfahren als Regelgröße direkt die zeitliche Änderung des Verdrehwinkels verwendet werden, was zu einem schnelle- ren und genaueren Einregelverhalten des Verdrehwinkels führt.
Wird eine Ist- Verstellgeschwindigkeit gemäß Anspruch 2 berechnet, so fließt in die Berechnung der Ist- Verstellgeschwindigkeit die der Phasenverstellvorrichtung überlagerte Drehzahl der Brennkraftmaschine ein, so dass ein als Störung wirkender Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine verzögerungsfrei und exakt ausgeregelt oder ein gleichzeitig mit einer Verstellung des relativen Verdrehwinkels stattfindender Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine zum Einregeln des relativen Verdrehwinkels benutzt wird. Eine Berechnung der Überlagerungsdrehzahl gemäß Anspruch 3 ist einfach durchführbar, da sich die Überlagerungsdrehzahl als die Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle ergibt.
Eine Berechnung in einem Beobachtermodell gemäß Anspruch 4 erlaubt eine sehr präzise Bestimmung der Ist- Verstellgeschwindigkeit, da Unge- nauigkeiten in der Berechnung der Ist- Verstellgeschwindigkeit in dem Beobachtermodell korrigiert werden.
Ein Soll-Strom gemäß Anspruch 5 erlaubt die Unterlagerung eines Strom- Reglers.
Ein dem Verstellgeschwindigkeits-Regler unterlagerter Strom-Regler ge- maß Anspruch 6 erlaubt ein verzögerungsfreies und exaktes Ausregeln von Störungen auf den Strom des Stellgliedes und somit auf das Antriebsmoment des Stellgliedes. Störungen können sich beispielsweise durch die Temperaturabhängigkeit von Widerständen des Stellgliedes ergeben.
Eine Begrenzung des Soll-Stroms gemäß Anspruch 7 ermöglicht einen wirkungsvollen Schutz des Stellgliedes vor Überlastung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Phasenverstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur schnellen und genauen Regelung eines relativen Verdrehwinkels zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Phasenverstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die Vorteile der erfin- dungsgemäßen Phasenverstellvorrichtung entsprechen denen, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle ausgeführt wurden.
Eine Weiterbildung gemäß Anspruch 9 führt zu den im Zusammenhang mit Anspruch 6 genannten Vorteilen.
Ein Gleichstrommotor gemäß Anspruch 10 erlaubt eine einfache Ausle- gung und Einstellung der Regler.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Phasenverstellvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle mittels einer Phasenverstellvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels gemäß einem zweiten Aus-, führungsbeispiel,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die in bekannter Weise aufgebaut ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mehrere in Reihe angeordnete Zylinder 2, in denen jeweils ein Kolben 3 geführt ist. Jeder Kolben 3 ist mittels einer Pleuelstange 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden, wobei die Kurbelwelle 5 um eine Kurbelwellen-Drehachse 6 drehbar gelagert ist. An einem ersten Ende der Kurbelwelle 5 ist ein Kurbelwellensensor 7 angeordnet, der zur Messung eines Drehwinkels Φκ und einer Drehzahl Ωκ der Kurbelwelle 5 dient. An einem zweiten Ende der Kurbelwelle 5 ist ein Kurbelwellenrad 8 angeordnet, das über einen Zahnriemen 9 ein Nocken- wellenrad 10 antreibt. Das Nockenwellenrad 10 ist mit einer elektromechanischen Phasenverstellvorrichtung 11 und einer Nockenwelle 12 gekoppelt.
Die Phasenverstellvorrichtung 11 umfasst ein Taumelscheibengetriebe 13 und ein Stellglied 14 in Form eines Gleichstrommotors, wobei das Taumel- Scheibengetriebe 13 mit dem Gleichstrommotor 14, dem Nockenwellenrad 10 und der Nockenwelle 12 derart verbunden ist, dass ein Drehwinkel ΦN der Nockenwelle 12 einstellbar ist. Bezüglich des detaillierten Aufbaus des Taumelscheibengetriebes 13 wird auf die DE 100 38 354 AI und die DE 102 22 475 AI verwiesen.
Entlang der Nockenwelle 12 sind mehrere beabstandet angeordnete Nocken 15 befestigt, welche jeweils ein Ventil 16 zum Ein- oder Auslassen von Gas in die Zylinder 2 betätigen. An einem dem Nockenwellenrad 10 abgewandten Ende der Nockenwelle 12 ist ein Nockenwellensensor 17 an- geordnet, der zur Messung des Drehwinkels ΦN und der Drehzahl ΩN der Nockenwelle 12 dient.
Die Phasenverstellvorrichtung 11 umfasst weiterhin eine Regel- und Steu- ereinheit 18, die zur Übertragung von Messdaten mit dem Kurbelwellensensor 7, dem Nockenwellensensor 17, einem ersten Stellgliedsensor 19 und einem zweiten Stellgliedsensor 20 verbunden ist. Der erste Stellgliedsensor 19 dient zur Messung des Dreh winkeis Φs und der Drehzahl Ωs des Gleichstrommotors 14 und der zweite Stellgliedsensor 20 dient zur Mes- sung des Ankerstroms Is des Gleichstrommotors 14. Zum Ansteuern des Gleichstrommotors 14 ist die Regel- und Steuereinheit 18 mit einer nicht dargestellten leistungselektronischen Schaltung verbunden, mittels der der Gleichstrommotor 14 betätigt wird. Mittels des Gleichstrommotors 14 und dem angetriebenen Nockenwellenrad 10 wird über das Taumelscheibenge- triebe 13 die Nockenwelle 12 um eine Nockenwellen-Drehachse 21 gedreht.
Zur Veränderung der Öffnungszeiten der Ventile 16 ist ein relativer Verdrehwinkel Φ zwischen der Nockenwelle 12 und der Kurbelwelle 5 defi- niert, der sich zu Φ = ΦN - Φκ berechnet. Die Verstellgeschwindigkeit Ω ist als die zeitliche Änderung des relativen Verstellwinkels Φ mit der Dimension °/sec definiert. Insbesondere wird die Verstellgeschwindigkeit Ω auf die Kurbelwelle 5 bezogen und weist somit die Einheit °Kurbelwelle/sec auf. Die Drehzahl des Nockenwellenrades 10 wird nach- folgend als Überlagerungsdrehzahl ΩÜ bezeichnet. Aufgrund der festen Kopplung zwischen der Kurbelwelle 5 und dem Nockenwellenrad 10 mittels des Zahnriemens 9 ergibt sich die Überlagerungsdrehzahl zu Im stationären Betrieb der Phasenverstellvorrichtung 11, d. h. wenn keine Änderung des relativen Verdrehwinkels Φ erfolgen soll, muss sich aufgrund des konstruktiven Aufbaus des Taumelscheibengetriebes 13 der Gleichstrommotor 14 immer mit der Überlagerungsdrehzahl ΩÜ = Ωκ/2 drehen, damit der relative Verdrehwinkel Φ zwischen der Nockenwelle 12 und der Kurbelwelle 5 konstant bleibt. Soll der relative Verdrehwinkel Φ verändert werden, so muss sich der Gleichstrommotor 14 je nach Verdrehrichtung entweder schneller oder langsamer als die Überlagerungsdrehzahl ΩÜ = Ωκ/2 drehen. Durch die Veränderung des Verdrehwinkels Φ werden die Öffnungszeiten der Ventile 16 verändert, wodurch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 1 verändert wird.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 2 ein in der Regel- und Steuereinheit 18 der Phasenverstellvorrichtung 11 realisiertes Verfahren zur Regelung des relativen Verdrehwinkels Φ gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel genauer beschrieben. In einem ersten Berechnungsmodul 22 wird zunächst eine Verdrehwinkel-Regelabweichung ΔΦ zwischen einem einzustellenden Soll- Verdrehwinkel ΦSOLL und einem ermittelten Ist- Verdrehwinkel ΦIST berechnet. Die Verdrehwinkel-Regelabweichung ΔΦ wird anschließend einem Verdrehwinkel-Regler 23 zugeführt, in dem eine von der Verdrehwinkel-Regelabweichung ΔΦ abhängige Soll- Verstellgeschwindigkeit ΩSOLL berechnet wird. Der Soll-Verdrehwinkel ΦSOLL wird durch eine nicht dargestellte übergeordnete Motorsteuerung vorgegeben. Der Ist- Verdrehwinkel Φ1Sτ kann entweder durch direkte Messung ermittelt wer- den, wie aus der DE 102 36 507 AI bekannt ist, oder aus vorliegenden Messgrößen, wie beispielsweise dem Drehwinkel Φ der Kurbelwelle 5, dem Drehwinkel ΦN der Nockenwelle 12 und dem Drehwinkel Φs des Gleichstrommotors 14 berechnet werden. Ist die Messung oder Berechnung des Ist- Verdrehwinkels ΦISτ ideal, so entspricht dieser dem relativen Verdrehwinkel Φ.
In einem zweiten Berechnungsmodul 24 wird weiterhin eine Verstell- geschwindigkeits-Regelabweichung ΔΩ zwischen der Soll- Verstellgeschwindigkeit ΩSOLL und einer berechneten Ist- Verstellgeschwindigkeit Ω1Sτ berechnet. Zur Berechnung der Ist- Verstellgeschwindigkeit Ω1ST ist ein Verstellgeschwindigkeits- Berechnungsmodul 25 vorgesehen, indem die Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩISτ in Abhängigkeit der gemessenen Drehzahl Ωs des Gleichstrommotors 14 und der Überlagerungsdrehzahl ΩÜ = Ωκ/2 des Nockenwellenrades 10 berechnet wird. Ist die Berechnung der Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩISχ ideal, so entspricht diese der Verstellgeschwindigkeit Ω. Die Verstell- geschwindigkeits-Regelabweichung ΔΩ wird einem dem Verdrehwinkel- Regler 23 unterlagerten Verstellgeschwindigkeits-Regler 26 zugeführt, in dem eine von der Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung ΔΩ abhängige Ausgangsgröße berechnet und ausgegeben wird. Die Ausgangsgröße des Verstellgeschwindigkeits-Reglers 26 ist ein Sollwert für die stromtreibende Spannung des Gleichstrommotors 14, der durch eine nicht darge- stellte leistungselektronische Schaltung an dem Gleichstrommotor 14 eingestellt wird. Abhängig von der Ausgangsgröße des Verstellgeschwindig- keits-Reglers 26 verstellt der Gleichstrommotor 14 über das Taumelscheibengetriebe 13 den Verdrehwinkel Φ, bis der einzustellende Soll- Verdrehwinkel ΦSOLL erreicht ist und die Verdrehwinkel-Regelabweichung ΔΦ zu Null wird. Der Verdrehwinkel-Regler 23 ist Teil eines ersten Regelkreises zur Regelung des Verdrehwinkels Φ und der Verstellgeschwin- digkeits-Regler 26 ist Teil eines zweiten Regelkreises zur Regelung der Verstellgeschwindigkeit Ω, wobei der zweite Regelkreis dem ersten Regelkreis kaskadenartig unterlagert ist. Durch die Regelung der Verstellgeschwindigkeit Ω können einerseits Änderungen in der Überlagerungsdrehzahl ΩÜ, d. h. Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine, die für die Regelung als Störgröße wirken (vgl. Pfeil bei Taumelscheibengetriebe 13 in Fig. 2) verzögerungsfrei und exakt in dem unterlagerten Regelkreis zur Regelung der Verstellgeschwindigkeit Ω ausgeregelt werden, andererseits können Änderungen in der Überlagerungsdrehzahl ΩÜ bei einem gleichzeitig mit einer Verstellung des relativen Verdreh winkeis Φ stattfindenden Betriebspunktwechsels dazu genutzt werden, den relativen Verdrehwinkel Φ schnell einzuregeln. Dies ist da- durch möglich, da die Überlagerungsdrehzahl ΩÜ in die Berechnung der Ist- Verstellgeschwindigkeit Ω1ST eingeht. Dadurch, dass direkt die Verstellgeschwindigkeit Ω geregelt wird, ist es außerdem möglich, dass für den Verdrehwinkel-Regler 23 und den Verstellgeschwindigkeits-Regler 26 lineare Reglerstrukturen zum Einsatz kommen können, so dass die Ausle- gung und Parametrierung der Regler 23, 26 einfach möglich ist. Zusätzlich wird der Rechenaufwand in der Regel- und Steuereinheit 18 gering gehalten. Durch die Anwendung linearer Reglerstrukturen können bekannte lineare Methoden zur Parametrierung der Regler 23, 26 angewendet werden. Die unterlagerte Regelung der Verstellgeschwindigkeit Ω erlaubt ein schnelles Einschwingen der Regelung des Verdrehwinkels Φ bei geringem Überschwingen und sehr guter stationärer Regelgenauigkeit. Zusätzlich ist die Anzahl der einzustellenden Parameter der Regler 23, 26 überschaubar, so dass die Parametrierung der Regler 23, 26 für einen Applikateur anschaulich und somit leicht durchführbar ist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein in der Regel- und Steuereinheit 18 realisiertes Verfahren zur Regelung des Verdrehwinkels Φ gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Ausgangsgröße des Verstellgeschwindigkeits-Reglers 26 und die Drehzahl Ωs des Gleichstrommotors 14 einer Störgrößenkompensation 27 zugeführt werden, in der eine von der Drehzahl Ωs des Gleichstrommotors 14 abhängige Selbstinduktionsspannung des Gleichstrommotors 14 kompen- siert wird. Die Ausgangsgröße der Störgrößenkompensation 27 ist ein abhängig von der Selbstinduktionsspannung kompensierter Sollwert für die stromtreibende Spannung des Gleichstrommotors 14, der einer leistungselektronischen Schaltung zugeführt und durch diese an dem Gleichstrommotor 14 eingestellt wird. Durch die Störgrößenkompensation 27 kann die Dynamik der Regelung des Verdrehwinkels Φ verbessert werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 ein in der Regel- und Steuereinheit 18 realisiertes Verfahren zur Regelung des Verdrehwinkels Φ gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩIST in einem Beobachtermodell 28 berechnet wird. In dem Beobachtermodell 28 ist die Phasenverstellvorrichtung 11 zumindest teilweise modelliert, wobei die modellierten Zustandsgrößen der Phasenverstellvorrichtung 11, insbesondere die Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩjSτ, ständig durch einen Abgleich des Beobachtermodells 28 mittels des Ist- Verdrehwinkels ΦιSτ korrigiert werden. Durch den Abgleich des Beobachtermodells 28 wird verhindert, dass die berechnete Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩIST infolge des integrierenden Systemverhaltens von der realen Verstellgeschwindigkeit Ω abdriftet. Die Ist- Verstellgeschwindigkeit ΩIST kann in dem Beobachtermodell 28 sehr exakt berechnet werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein in der Regel- und Steuereinheit 18 realisiertes Verfahren zur Regelung des Verdrehwinkels Φ gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der wesentliche Unterschied gegenüber den vorangegangenen Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Ausgangsgröße des Verstellgeschwindigkeits-Reglers 26 als ein Soll-Strom ISOLL des Gleichstrommotors 14 interpretiert wird und in einem dritten Berechnungsmodul 29 zunächst eine Strom-Regelabweichung ΔI zwischen dem Soll-Strom ISOLL und einem gemessenen Ist- Strom IISτ des Gleichstrommotors 14 berechnet wird. Anschließend wird in einem dem Verstellgeschwindigkeits-Regler 26 unterlagerten Strom-Regler 30 eine von der Strom-Regelabweichung ΔI abhängige Stellgröße zum Verstellen des Verdrehwinkels Φ berechnet. Die Messung des Ist-Stromes I1Sχ des Gleichstrommotors 14 erfolgt mittels des zweiten Stellgliedsensors 20. Ist die Messung des Ist-Stromes IISτ ideal, so entspricht dieser dem Ankerstrom Is des Gleichstrommotors 14. Durch die Regelung des Ist-Stromes IISτ des Gleichstrommotors 14 wird dem ersten und zweiten Regelkreis ein dritter Regelkreis unterlagert. Durch die Regelung des Ist-Stroms IιS können Störungen auf den Ankerstrom Is und damit auf das Antriebsmoment des Gleichstrommotors 14 verzögerungsfrei und exakt ausgeregelt werden. In dem Strom-Regler 30 ist ferner eine Strombegrenzung vorgesehen, die zur Begrenzung des Soll-Stromes ISOLL auf einen maximalen Stromwert IMAX dient, wodurch auch der Ankerstrom Is begrenzt wird. Die Strombegrenzung dient zum Schutz des Gleichstrommotors 14 vor Überlastung. Die Störgrößenkompensation 27 und das Beobachtermodell 28 sind mit dem Verfahren zur Regelung des Verdrehwinkels Φ gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kombinierbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind bei einer Nennleistung von 50 Watt des Gleichstrommotors 14 momentane Verstellgeschwindigkeiten Ω von bis zu 900 ° Kurbel welle/sec bei einem maximal zulässigen Überschwingen von kleiner als 2,5 °Kurbelwelle möglich. Die stationäre Genau- igkeit des relativen Verdrehwinkels Φ ist kleiner als ± 1 Kurbelwelle. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden außerdem Störungen, insbesondere eine als Störung wirkende Änderung der Drehzahl Ωκ der Kurbelwelle 5, sehr gut ausgeregelt. Ist weiterhin ein Strom-Regler 30 vorge- sehen, werden Störungen auf den Ankerstrom Is des Gleichstrommotors 14 verzögerungsfrei und exakt ausgeregelt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels (Φ) zwischen einer Nockenwelle (12) und einer Kurbelwelle (5) mittels einer elekt- romechanischen Phasenverstellvorrichtung (11), umfassend die Schritte: - Berechnen einer Verdrehwinkel-Regelabweichung (ΔΦ) zwischen einem einzustellenden Soll- Verdreh winkel (ΦSOLL) und einem ermittelten Ist- Verdrehwinkel (ΦJST) in einem ersten Regel- kreis, - Berechnen einer von der Verdrehwinkel-Regelabweichung (ΔΦ) abhängigen Soll- Verstellgeschwindigkeit (ΩSOLL) mittels eines Verdrehwinkel-Reglers (23), - Berechnen einer Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung (ΔΩ) zwischen der Soll-Verstellgeschwindigkeit (ΩSOLL) und einer aus zumindest einer Messgröße berechneten Ist- Verstellgeschwindigkeit (ΩISχ) in einem dem ersten Regelkreis unterlagerten zweiten Regelkreis, - Berechnen einer von der Verstellgeschwindigkeits- Regelabweichung (ΔΩ) abhängigen Ausgangsgröße mittels eines dem Verdrehwinkel-Reglers (23) unterlagerten Verstell- geschwindigkeits-Reglers (26), und - Verstellen des Verdrehwinkels (Φ) in Abhängigkeit der in den vorangegangenen Schritten berechneten Größen mittels eines elektromechanischen Stellgliedes (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist- Verstellgeschwindigkeit (ΩISτ) zumindest aus einer Drehzahl (Ωs) des Stellgliedes (14) und einer Überlagerungsdrehzahl (ΩÜ) einer Antriebswelle oder einer mit dieser gekoppelten Welle berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Über- lagerungsdrehzahl (ΩÜ) zumindest aus der Drehzahl (Ωκ) der Kurbelwelle (5) berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist- Verstellgeschwindigkeit (ΩISτ) in einem Beobachtelmodell (28) be- rechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße des Verstellgeschwindigkeits-Reglers (26) ein Soll- Strom (ISOLL) des Stellgliedes (14) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte: - Berechnen einer Strom-Regelabweichung (ΔI) zwischen dem Soll-Strom (ISOLL) und einem gemessenen Ist-Strom (IISχ) des Stellgliedes (14) in einem dem zweiten Regelkreis unterlagerten dritten Regelkreis, und - Berechnen einer von der Strom-Regelabweichung (ΔI) abhängigen Stellgröße mittels eines dem Verstellgeschwindigkeits- Reglers (26) unterlagerten Strom-Reglers (30) vor dem Verstellen des Verdrehwinkels (Φ).
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Strom (ISOLL) auf einen maximalen Stromwert (IMAX) begrenzt ist.
8. Phasenverstellvorrichtung (11) zur Regelung eines relativen Verdrehwinkels (Φ) zwischen einer Nockenwelle (12) und einer Kurbelwelle (5), umfassend - ein erstes Berechnungsmodul (22) zum Berechnen einer Ver- drehwinkel-Regelabweichung (ΔΦ) zwischen einem einzustellenden Soll- Verdrehwinkel (ΦSOLL) und einem ermittelten Ist- Verdrehwinkel (ΦIST) in einem ersten Regelkreis, - einen Verdrehwinkel-Regler (23) zum Berechnen einer von der Verdrehwinkel-Regelabweichung (ΔΦ) abhängigen Soll- Verstellgeschwindigkeit (ΩSOLL)> - ein zweites Berechnungsmodul (24) zum Berechnen einer Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung (ΔΩ) zwischen der Soll- Verstellgeschwindigkeit (ΩSOLL) und einer aus zumindest einer Messgröße berechneten Ist- Verstellgeschwindigkeit (ΩISχ) in einem dem ersten Regelkreis unterlagerten zweiten Regelkreis, - einen dem Verdrehwinkel-Regler (23) unterlagerten Verstell- geschwindigkeits-Regler (26) zum Berechnen einer von der Verstellgeschwindigkeits-Regelabweichung (ΔΩ) abhängigen Ausgangsgröße, und - ein elektromechanisches Stellglied (14) zum Verstellen des Verdrehwinkels (Φ).
9. Phasenverstellvorrichtung nach Anspruch 8, umfassend - ein drittes Berechnungsmodul (29) zum Berechnen einer Strom- Regelabweichung (ΔI) zwischen einem Soll-Strom (ISOLL) und einem gemessenen Ist-Strom (IISτ) des Stellgliedes (14) in einem dem zweiten Regelkreis unterlagerten dritten Regelkreis, und - einen dem Verstellgeschwindigkeits-Regler (26) unterlagerten Strom-Regler (30) zum Berechnen einer von der Strom- Regelabweichung (ΔI) abhängigen Stellgröße vor dem Verstellen des Verdrehwinkels(Φ).
10. Phasenverstellvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14) ein Gleichstrommotor ist.
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