JP2000049012A - 電磁アクチュエ―タのア―マチュアの運動制御方法 - Google Patents

電磁アクチュエ―タのア―マチュアの運動制御方法

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JP2000049012A
JP2000049012A JP11203677A JP20367799A JP2000049012A JP 2000049012 A JP2000049012 A JP 2000049012A JP 11203677 A JP11203677 A JP 11203677A JP 20367799 A JP20367799 A JP 20367799A JP 2000049012 A JP2000049012 A JP 2000049012A
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coil
reciprocating valve
voltage
target trajectory
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Ralf Cosfeld
コスフェルト ラルフ
Konrad Reif
ライフ コンラート
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁アクチュエータの当接速度を低下させる
ための簡単に実施可能で効果的な方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、特に内燃機関のガス交換往復
弁を操作するために、電磁アクチュエータのアーマチュ
アの運動を制御する方法に関する。アーマチュアは２個
の電磁石コイルの間で振動するように、その都度少なく
とも１個の戻しばねの力に抗して電磁石コイルの交互の
通電によって動かされ、いわゆる受け止め相の間、先ず
最初に通電されたコイルにアーマチュアが近づくにつれ
て、アーマチュアを受け止めるコイルに加えられる電圧
が低下させられる。受け止め過程の受け止め相に制動相
が接続し、この制動相でアーマチュアがコイルに当接す
るまで電圧がクロックパルス制御されてこのコイルに加
えられ、電圧−クロックの関係がアーマチュア目標運動
を示す目標軌跡に基づいてコントローラによって決定さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アーマチュアが２
個の電磁石コイルの間で振動するように、その都度少な
くとも１個の戻しばねの力に抗して電磁石コイルの交互
の通電によって動かされ、いわゆる受け止め相の間、先
ず最初に通電されたコイルにアーマチュアが近づくにつ
れて、アーマチュアを受け止めるコイルに加えられる電
圧が低下させられる、特に内燃機関のガス交換往復弁を
操作するために、電磁アクチュエータのアーマチュアの
運動を制御する方法に関する。技術的な環境については
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３０１２１号公
報を参照されたし。
【０００２】
【従来の技術】請求項１記載の特徴を有する電磁アクチ
ュエータの好ましい用途は、内燃機関の電磁操作される
弁機構である。すなわち、往復ピストン式内燃機関のガ
ス交換往復弁がこのようなアクチュエータによって所望
なごとく操作され、振動するように開閉される。このよ
うな電気機械式弁機構の場合には、往復弁は、電気機械
式操作要素、いわゆるアクチュエータを介して、個別的
またはグループをなして動かされる。この場合、各々の
往復弁の開閉時点はほぼ完全に自由に選択可能である。
これにより、内燃機関の弁開閉時間を、そのときの運転
状態（この運転状態は回転数と負荷によって定められ
る）と、燃料消費、トルク、エミッション、内燃機関に
よって駆動される車両の快適性および応答状態に関する
その都度の要求とに最適に適合させることができる。
【０００３】内燃機関の往復弁を操作するための公知の
アクチュエータの重要な構成部品は、アーマチュアと、
このアーマチュアを“往復弁開放”位置と“往復弁閉
鎖”位置に保持するための２個の電磁石と、この電磁石
に所属する電磁コイルと、“往復弁開放”位置と“往復
弁閉鎖”位置の間でアーマチュアを動かすための戻しば
ねである。これについて添付の図１を参照する。図１は
このようなアクチュエータとそれに付設された往復弁を
示し、その際往復弁とアクチュエータのアーマチュアが
両端位置にある。アクチュエータ−往復弁−ユニットの
図示した両状態または両位置の間に、（冒頭に述べたド
イツ連邦共和国特許出願公開第１９５３０１２１号公報
よりも簡単な）公知の技術水準の場合の、両電磁コイル
の間のアーマチュアストロークｚまたはアーマチュア変
位の変化と、両電磁コイル内の電流Ｉの変化が時間ｔに
対して示してある。
【０００４】図１には、内燃機関の往復弁の閉鎖過程が
示してある。この往復弁は参照番号１で示され、その弁
座３０の方に移動する。この往復弁１には通常のごと
く、弁閉鎖ばね２ａが作用している。更に、全体を４で
示したアクチュエータが、（必ずしも必要ではない）液
圧式弁隙間補正要素３を介在して、往復弁１のシャフト
に作用している。このアクチュエータは２個の電磁石コ
イル４ａ，４ｂのほかに、往復弁１のシャフトに作用す
る突棒４ｃを備えている。この突棒はアーマチュア４ｄ
を支持している。アーマチュアは電磁石コイル４ａ，４
ｂの間で振動するように縦方向に摺動可能に案内されて
いる。往復弁１のシャフトと反対側の突棒４ｃの端部に
は更に、弁開放ばね２ｂが作用している。
【０００５】それによって、この装置は振動可能な装置
である。この場合、弁閉鎖ばね２ａと弁開放ばね２ｂは
第１と第２の戻しばねを形成している。従って、この第
１と第２の戻しばねのために、以下において参照番号２
ａ，２ｂが使用される。図１の左側には、この振動可能
な装置の第１の端位置が示してある。この第１の端位置
では、往復弁１は完全に開放し、アーマチュア４ｄは下
側の電磁石コイル４ｂに接触している。この電磁石コイ
ルは以下、開放コイル４ｂと呼ぶ。その後で、このコイ
ル４ｂは往復弁１をその開放位置に保持する。図１の右
側には振動可能な装置の第２の端位置が示してある。こ
の第２の端位置では、往復弁１は完全に閉じ、アーマチ
ュア４ｄは上側の電磁石コイル４ａに接触している。こ
の電磁石コイルは以下、閉鎖コイル４ｂと呼ぶ。その後
で、このコイル４ａは往復弁１をその閉鎖位置に保持す
る。
【０００６】次に、往復弁１の閉鎖過程、すなわち図１
において左側の状態から右側に示す状態への移行につい
て手短に説明する。この左側の状態と右側の状態の間
で、コイル４ａ，４ｂ内を流れる電流Ｉの変化と、アー
マチュア４ｄのストロークの変化すなわち変位座標ｚが
それぞれ、時間ｔに対して記入されている。その際、変
位座標ｚにおいて、値ｚ0 は完全に開放した往復弁１に
対応する。すなわち、アーマチュア４ｄは開放コイル４
ｂに接触している。一方、ｚ＝ｚ1 の場合には、アーマ
チュア４ｄは開放コイル４ｂに接触している。
【０００７】左側の位置“往復弁開放”から出発して、
先ず最初に、開放コイル４ｂに通電される。それによっ
て、アーマチュア４ｄは上記の弁閉鎖ばね２ａ（＝下側
の第１の戻しばね２ａ）に抗してこの位置に保持され
る。この場合、このコイル４ｂ内の電流ＩはＩ−ｔグラ
フで破線で示してある。“往復弁閉鎖”への所望される
移行のために開放コイル４ｂの電流Ｉが遮断されると、
アーマチュア４ｄがこのコイル４ｂから離れ、往復弁１
が圧縮された閉鎖ばね２ａによってそのほぼ中間位置ま
で（上方に）加速され、その慣性力に基づいて更に移動
し、その際弁開放ばね２ｂが圧縮されるので、それによ
って往復弁１（およびアーマチュア４ｄ）が制動され
る。それに続いて、閉鎖コイル４ａは適当な時点で通電
される（コイル４ａの電流ＩはＩ−ｔグラフにおいて実
線で示してある）。それによって、このコイル４ａはア
ーマチュア４ｄを受け止め（これはいわゆる受け止め過
程である）、最終的に右側に示す位置“往復弁閉鎖”に
アーマチュアを保持する。アーマチュア４ｄがコイル４
ａによって確実に受け止められた後で、このコイルでは
低い保持電流レベルに切換えられる（Ｉ−ｔグラフ参
照）。
【０００８】“往復弁閉鎖”から“往復弁開放”への逆
の移行は、図１の右側に示した位置から出発して、閉鎖
コイル４ａの電流Ｉの遮断と、時間的にずらした、開放
コイル４ｂの通電によって行われる。その際一般的に、
コイル４ａ，４ｂの通電のためにこのコイルに充分な電
圧がかけられ一方、電流Ｉの遮断は電圧を値“零”に低
下させることによって開始される。その際、各々のアク
チュエータ４を運転するために必要な電気的エネルギー
は、内燃機関によって駆動される車両の電気系から取り
出されるかまたは内燃機関の弁機構に適合した別個のエ
ネルギー供給部を介して準備される。その際、電圧はエ
ネルギー供給部によって一定に保たれ、内燃機関往復弁
１に付設されたアクチュエータ４のコイル電流Ｉは、往
復弁１の開放、閉鎖および保持のために必要な力がその
所望な位置で生じるように、制御機器によって制御され
る。
【０００９】上述の技術水準の場合、両コイル４ａ，４
ｂの一方がアーマチュア４ｄを受け止めようとするいわ
ゆる受け止め過程の間、コイル電流Ｉは上記の制御機器
または制御ユニットによってクロックパルス制御で切換
えることにより一定の値に調節される。この値はあらゆ
る条件下でアーマチュア４ｄを確実に受け止めるために
充分な大きさである。アーマチュア４ｄに作用する受け
止め電磁石コイル４ａまたは４ｂの力は、電流Ｉに近似
的に比例し、コイルとアーマチュアの間隔に逆比例す
る。公知の技術水準のように、一定の電流Ｉが生じる
と、アーマチュア４ｄに作用する電磁力は、アーマチュ
アを受け止めるコイル４ａまたは４ｂに近接するにつれ
てかつ残っている隙間に逆比例して増大する。それによ
って、アーマチュア加速度とアーマチュア速度が増大す
る。これにより、その都度の電磁石コイル４ａまたは４
ｂへのアーマチュア４ｄの大きな衝突速度が生じる。こ
れは一方ではアーマチュア４の大きな摩耗を生じ、他方
では大きな騒音を発生することになる。他の欠点は、手
短に説明したクロックパルス的な電流制御の際に発生す
るトランジスタのスイッチングロスである。このスイッ
チングロスは使用される制御機器の電力消費の増大およ
び温度上昇と、アクチュエータの給電線の電磁放射線の
増大を生じることになる。
【００１０】特に騒音発生とアクチュエータ摩耗の観点
からの改善は、冒頭に述べたドイツ連邦共和国特許出願
公開第１９５３０１２１号公報によって知られている技
術水準によってもたらされる。この公報では、電磁アク
チュエータのアーマチュアの衝突速度を低減するための
方法が提案されている。この場合、アーマチュアがそれ
を受け止めるコイルの極面に近接するにつれて、このコ
イルにかかる電圧が予め設定可能な最大値に制限される
（すなわち、実質的に低減される）ので、コイルを流れ
る電流は、電圧制限時間の一部の間低下する。この公報
には更に、電圧制限または電圧低下の程度を特性マップ
で定めることが記載されている。この場合、対応する値
と、この電圧低下を開始するその都度の時点を、実験的
な方法で決定しなければならないであろう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】これに対して、本発明
の課題は、一層の改善を行うことである。すなわち請求
項１の上位概念に記載された電磁アクチュエータの当接
速度を低下させるための簡単に実施可能で効果的な方法
を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明に従
い、受け止め過程の受け止め相に制動相が接続し、この
制動相でアーマチュアがコイルに当接するまで電圧がク
ロックパルス制御されてこのコイルに加えられ、電圧−
クロックの関係がアーマチュア目標運動を示す目標軌跡
に基づいてコントローラによって決定されることによっ
て解決される。有利な実施形と他の実施形は従属請求項
に記載されている。その際、本発明の有利な実施形で
は、コントローラによって、電圧−クロックの関係に加
えて、量的に一定の電圧値の正負符号が定められる。す
なわち、正の電圧値または負の電圧値または電圧値
“零”がアーマチュアを受け止めるコイルに加えられ
る。
【００１３】本発明では、公知の電流制御または同様に
公知の（経験的に決定される、受け止め過程中の電圧低
下が、制御によって置き換えられる。この制御は、受け
止め過程のいわゆる制動相の間、アーマチュアがそれを
受け止める磁気コイルに当接する直前に、電圧をこのコ
イルに制御して加え、しかもクロックパルス制御で加え
る。この場合、電圧（並びに場合によっては電圧の正負
符号）の遮断および投入のためのその都度の切換え時点
は、アクチュエータ目標運動を示す目標軌跡に基づいて
定められる。
【００１４】概念“軌跡”は制御技術の専門家にとって
知られており、コントローラによって制御されて動かさ
れる物体の軌道カーブを、状態空間内で描く。すなわ
ち、本件の場合には両電磁石イルの間でのアーマチュア
の軌道カーブである。その際、この目標軌跡が時間（通
常のごとく“ｔ”で示す）に対してあるいは時間に依存
して、アーマチュアの位置に関する値（以下“変位座
標”とも呼ぶ）、アーマチュアの速度に関する値および
アーマチュアの加速度に関する値を含んでいると有利で
ある。すなわち、この目標軌跡は、適当な制御機器に固
定記憶可能であるかあるいはそのときの境界条件に依存
して後で詳しく説明するように個別的に演算可能である
簡単な値表である。その際、試験と演算によって、制御
のためのこのような目標軌跡が上記の制動相にのみ設け
ることで充分であることが判った。というのは、制御を
行う時点で常に、受け止め相内でまだ動いているアーマ
チュアが次のような状態にあるからである。すなわち、
アーマチュアの位置（すなわち、変位座標）と速度と加
速度が、互いにほぼ一定の関係を有する（少なくとも上
記の用途のために要求される条件の範囲内で）状態にあ
るからである。
【００１５】
【発明の実施の形態】図２には、制御コンセプトがブロ
ック図として示してある。この場合、コントローラには
参照番号１０が付けてあり、制御はアーマチュア目標運
動を示す目標軌跡２０の信号に基づいて行われ、この場
合コントローラ１０は更に目標軌跡２０に並列に配置さ
れたオブザーバ１１の信号を処理する。制御コンセプト
またはコントローラ１０の出力量は、その都度アーマチ
ュア４ｄ（図１参照）を受け止めるコイル４ａまたは４
ｂに加えられる電圧Ｕである。この電圧Ｕは好ましくは
量的に一定の値を有し、コントローラ１０によって時間
的にクロックパルス制御で（スイッチモードで）それぞ
れのコイル４ａまたは４ｂに加えられる。この場合、コ
ントローラ１０は更に、電圧の正負符号を定めることが
できる。すなわち、正の電圧値または負の電圧値あるい
は電圧値“零”がクロックパルス制御で、アーマチュア
４ｄを受け止めるコイル４ａまたは４ｂに加えられる。
【００１６】その際、往復弁１またはアーマチュア４ｄ
のストローク変化に対応する、コイル４ａと４ｂの間に
おけるアーマチュア４ｄの、変位座標ｚ（これは適当な
方法で測定される）による位置は、ここで説明する制御
コンセプトの入力量である。この入力量はオブザーバ１
１によって更に処理される。その際、簡単にするため
に、以下において、概念“変位座標”を使用しないで、
アーマチュアの位置を“ｚ”と呼ぶ。
【００１７】この変位座標すなわちアーマチュア位置ｚ
から更に、時間ｔを介して１回または２回微分すること
によって、アーマチュアの速度ｚ′と、アーマチュア加
速度ｚ″が評価または算出可能である。その際、値ｚ
と、それから微分された量ｚ′，ｚ″はオブザーバ１１
によって算出され、いわゆる評価値２１としてコントロ
ーラ１０に伝えられる。
【００１８】更に、評価値２１を算出する際にオブザー
バ１１によって処理される、ここで説明する制御コンセ
プトの他の入力量は、それぞれのコイル４ａ，４ｂ（図
１参照）で検出された電流Ｉ（しかも加えられた電圧Ｕ
の結果としての電流）である。
【００１９】次に説明する図３のａ，ｂ，ｃ，ｄは、図
１の装置の両コイル４ａ，４ｂの一方によるアーマチュ
ア４ｄの受け止めの間の、本発明による制御の個々の相
を示している。
【００２０】その際、上側のブラフ（図３のａ）には、
アーマチュアを受け止める電磁コイルに加えられる電圧
Ｕが、時間ｔに対して記入されている。第２のグラフ
（図３のｂ）には、アーマチュア４ｄの変位座標ｚ（す
なわち、ｚ＝０とｚ＝ｚmax の間の値をとるアーマチュ
ア位置ｚ）が示してある。その際、図３のａには、本発
明による個々の相、すなわち受け止め相ＦＰ、制動相Ｂ
Ｐおよびアーマチュアがコイルに当たった後行われる保
持相ＨＰが記載されている。
【００２１】アーマチュアを受け止めるコイルに電圧Ｕ
が印加される時点ｔ1 における受け止め相ＦＰのスター
トについて言うと、この投入時点ｔ1 は基本的には或る
限界内で自由に選択可能である。この場合、アーマチュ
ア４ｄを受け止めできることだけが必須条件である。こ
こで、簡単にするために、アーマチュア位置ｚが選定可
能な所定の閾値を上回るときに、電圧Ｕを加えることを
提案する。この閾値は基本的には変更可能である。それ
によって、例えば動かすべき往復弁１に作用するいろい
ろな外的力のような（特にガス力のような）付加的な境
界条件を、内燃機関のいろいろな運転時点で考慮するこ
とができる。
【００２２】図３のａに示すように、本発明に従い、コ
ントローラ１０はアーマチュア４ｄの受け止め相全体を
２つの相に分割する。すなわち、第１の相としての受け
止め相ＦＰと、第２の相としての、それに続く制動相Ｂ
Ｐに分割する。この制動相には、（アーマチュア４ｄが
それぞれのコイル４ａまたは４ｂに当接した後で）第３
の相としての普通の保持相ＨＰが続く。この保持相で
は、アーマチュア４ｄはそれぞれの電磁石コイル４ａま
たは４ｂに確実に当たった後で、この電磁石上に保持さ
れる。そのために、保持電流制御に切換えられる。これ
は図示のように、それぞれのコイル４ａ，４ｂに（同じ
値の）電圧Ｕをクロックパルス制御で印加することによ
って行われる。
【００２３】本発明にとって重要な制動相ＢＰでは、公
知の受け止め相ＦＰの後で、時点ｔ 2 で、先ず最初に、
アーマチュア４ｄを受け止めるそれぞれのコイル４ａま
たは４ｂの電圧供給が中断される。それによって、この
制動相ＢＰがスタートする。この制動相では、値的に一
定の電圧Ｕが当該のコイル４ａ，４ｂにクロックパルス
制御でおよび好ましくは正負符号変更可能に加えられる
（およびそれによって電流Ｉが流れる）。その際、値的
に一定の電圧Ｕの遮断および投入のその都度の時点（す
なわち、いわゆる電圧−クロックの関係）と、電圧の正
負符号（すなわち、負の電圧値または正の電圧値の選
択）は、コントローラ１０で決定される。コントローラ
１０の機能について次に説明する。アーマチュア４ｄ
（図１参照）を受け止めるコイル４ａまたは４ｂへのア
ーマチュアの当接速度を所望されるように低下させるた
めに、アーマチュアはその飛行相で既に、すなわち当接
の前に制御して制動しなければならず、しかもいわゆる
制動相ＢＰで制動しなければならない。勿論、この制動
相ＢＰはアクチュエータ４によって操作される内燃機関
往復弁１の開閉時間を、必要以上に延長しないようにす
べきである。
【００２４】この要求を満足するコントローラ１０を開
発するために、アーマチュア運動のための適当な状態量
を選択すべきである。この場合、アーマチュア位置ｚ
と、基本的にはアーマチュア位置ｚの時間的な差によっ
て算出可能であるアーマチュア速度ｚ′のほかに、アー
マチュア加速度ｚ″が第３の状態量として選択される。
というのは、このアーマチュア加速度がアーマチュア速
度ｚ′の直接的な微分値として、容易に解釈可能な量で
あるからである。原理的には、他の状態量によって制御
を行うことができる。
【００２５】制動相ＢＰの間、コントローラ１０はその
所望な機能を実施するために、すなわちアーマチュア４
ｄをできるだけソフトにかつ衝撃のないように、アーマ
チュアを受け止める電磁石コイル４ａ，４ｂに載せるこ
とができるようにするために、いわゆる目標軌跡２０に
基づいて作用する。この目標軌跡は時間ｔに依存して、
アーマチュア４ｄの位置ｚ、速度ｚ′および加速度ｚ″
の互いに相関する値を含んでいる。従って、この目標軌
跡２０は図２において簡略化して示した目標値の値表以
外にない。
【００２６】電磁アクチュエータ４の運転時にアーマチ
ュア４ｄの位置ｚ、速度ｚ′および加速度ｚ″の実際の
値が、目標値から大きくずれていると、コントローラ１
０は電圧Ｕ（場合によって必要であるこの電圧の正負符
号の変化を含めて）を適当に投入または遮断することに
よってこのずれを補正する。その際、コントローラ１０
の詳細な設計は、線形および非線形の制御理論のいろい
ろな方法によって行うことができ、ここでは詳細に説明
しない。
【００２７】この値表または目標軌跡２０の算出につい
て言うと、この値表または目標軌跡は特に次のような境
界条件から演算される。すなわち、その都度の電磁石コ
イル４ａまたは４ｂに当たる時点でのアーマチュア４ｄ
の加速度ｚ″が“零”を有するという境界条件から演算
される。換言すると、これは、アーマチュア４ｄが衝撃
のないようにコイル４ａまたは４ｂに当たることを意味
する。他の境界条件は勿論、当接時のアーマチュア４ｄ
の所定の位置（すなわち、ｚ＝ｚmax ）と、そのときに
当てはまるアーマチュア速度の値ｚ′＝０（零）であ
る。
【００２８】更に説明するために、図３のｂ，ｃ，ｄを
参照する。この場合、アーマチュア運動の最終相におけ
る、すなわちアーマチュア４ｄがそれを受け止めるコイ
ル４ａまたは４ｂに当接する前の位置ｚ（図３のｂ）、
（所望な）アーマチュア速度ｚ′（図３のｃ）および
（所望な）アーマチュア加速度ｚ″（図３のｄ）が、時
間ｔに対して記入されている。この場合、ｔ2 （これは
定電圧が遮断され、本来の制御過程が開始される、受け
止め相ＦＰの最終時点である）と載置時点ｔ4 との間の
時間、すなわち制動相ＢＰが示してある。
【００２９】従って、ｔ2 の左側は、アーマチュア４ｄ
が受け止めコイルの方に移動する受け止め相ＦＰであ
る。この場合、加速度ｚ″はこの受け止め相ＦＰで低下
しないだけでなく、既に負の値をとっている。なぜな
ら、例えばコイル４ａへのこの近接運動によって、戻し
ばね２ｂ（図１参照）が圧縮されるからである。すなわ
ち、アーマチュア４ｄの飛行速度ｚ′がこの戻しばね２
ｂによって既に制動されているからである。
【００３０】時点ｔ2 で、本来の制御過程が開始され
る。すなわち、制動相ＢＰがスタートする。この制動相
ＢＰはコントローラ１０によって次のように理想的に行
われる。すなわち、アーマチュア４ｄがコイル４ａ（ま
たは４ｂ）上にやさしく載る、すなわち載置時点ｔ4 で
加速度ｚ″が再び値“零”になるように行われる。
【００３１】図３のｄのｚ″−ｔ−グラフに示すよう
に、この理想的なひいては所望される加速度変化は、時
点ｔ3 （この時点はｔ2 よりも遅い）と載置時点ｔ4 と
の間で非常に良好に直線に近づき、そして時点ｔ2 とｔ
3 の間で放物線に近づく。従って、ｔ3 ＜ｔ4 に関し
て、次の関係が当てはまる。
【００３２】ｚ″（ｔ）＝ｊ・（ｔ4 −ｔ） ｚ′（ｔ）＝ｊ／２・（ｔ4 −ｔ）2 ｚ（ｔ）＝ｊ／６・（ｔ4 −ｔ）3 ＋ｚe その際、ｚ′（ｔ）とｚ（ｔ）に関する式は、関連する
境界条件を考慮して、加速度の時間的な積分ｚ″（ｔ）
から生じる。この場合、“ｊ”は定数である。
【００３３】更に、ｔ2 ＜ｔ＜ｔ3 については、次の関
係が当てはまる。 ｚ″（ｔ）＝α0 ＋α1 ・ｔ＋α2 ・ｔ2 ｚ′（ｔ）＝ｚ′0 ＋α0 ・ｔ ＋α1 / 2 ・ｔ2 ＋α
2 /3・ｔ3 ｚ（ｔ）＝ｚ0 ＋ｚ′0 ・ｔ＋α0 /2・ｔ2 ＋α1/6 ・
ｔ3 ＋α2 /12 ・ｔ4 その際、定数ｚ0 ，ｚ′0 ，α0 ，α1 ，α2 は、時点
ｔ3 でのｚ″，ｚ′，ｚに関する連続条件から決定可能
である。この場合、この定数の２つは自由に選択可能で
ある。α0 の値と、上記の放物線（時点ｔ3 ）の頂点の
位置は、或る限界内で任意に選択可能である。
【００３４】その際、上記の目標軌跡をそれぞれ直線の
一部と放物線によって示すことは必ずしも必要ではな
い。例えば多項式、正弦関数等のような他の数学幾何学
的関数を全く同様に使用することができる。
【００３５】上記の説明から判るように、コントローラ
１０はその機能を発揮するために３つの状態量を必要と
し、この状態量は好ましくはアーマチュア位置ｚと、ア
ーマチュア４ｄの運動速度ｚ′と、アーマチュア加速度
ｚ″である。基本的には、これらの状態量を、適当なセ
ンサによって測定することができる。しかし、センサを
節約するためにあるいはコストのかかるセンサを低コス
トのセンサによって置き換えるために、この状態量の少
なくとも２つを、図２に関連して既に簡単に説明したい
わゆるオブザーバ１１によって求めることができる。
【００３６】オブザーバ１１内で、アクチュエータモデ
ルがアクチュエータ４に平行に接続されている。このア
クチュエータモデルにはアクチュエータ４にとって重要
な実際量、すなわちそれぞれのコイル４ａ，４ｂ内で検
出された電流Ｉの量が供給される。これに基づいて評価
されたアーマチュア位置を、このオブザーバ１１内で、
実際に測定され入力量としてオブザーバ１１に付加的に
伝えられたアーマチュア位置ｚと比較することができ、
その差を、補正機能を介して、アーマチュアモデルの量
またはいわゆる状態量にフィードバックすることができ
る。モデルエラーまたは開始状態のエラーを含む評価の
際に、オブザーバ１１はその中に含まれた補正機能に基
づいて、アーマチュア位置ｚに関する評価値、アーマチ
ュア４ｄの運動速度ｚ′およびアーマチュア加速度ｚ″
を、その実際の値に合わせる（本説明と異なり、上記の
値ｚ，ｚ′，ｚ″の代わりに、他の適当な量または状態
量をアクチュエータ状態を示すために用いることができ
る）。
【００３７】その際、上記の補正機能の設計は、線形ま
たは非線形の制御理論のいろいろな方法で行うことがで
き、ここでは詳しく説明しない。本発明の他の有利な実
施形を説明する前に、次に、目標軌跡に基づくコントロ
ーラ１１を使用することによって生じる、本発明による
方法の重要な利点についてまとめて説明する。
【００３８】提案された完全な状態復帰は原理的には、
電磁石コイル４ａまたは４ｂに対するアーマチュア４ｄ
の任意に低い衝突速度を示すことができる。特に、アー
マチュア４ｄが衝撃のないように（すなわち、値“零”
の加速度ｚ″で）コイルに当たることができるので、時
点ｔ4 でのこの当接による騒音発生が最小となる。
【００３９】前もってあるいは適当な電子制御装置のバ
ックグラウンドで演算された目標軌跡により、本来の制
御過程中のリアルタイム演算作業が少なくなる。その
際、上記の有利な用途の場合、目標軌跡の演算は、内燃
機関の運転中に適応を可能にし、しかも例えば回転数、
負荷トルク、温度、摩耗等のような内燃機関の実際の運
転状態に依存して適応を可能にする。
【００４０】更に、必要なすべての量の測定の問題が、
オブザーバの使用によって、測定量である弁ストローク
またはアーマチュア位置ｚとコイル電流Ｉに基づいて解
決される。
【００４１】次に、内燃機関往復弁を操作するためのア
クチュエータのアーマチュアの運動を制御するための方
法を、他の方法の達成に関連して補足説明する。この方
法に従って、アーマチュアおよびまたはガス交換往復弁
のいろいろな運動経過のためのいろいろな目標軌跡が設
けられている。その際、更に説明するために、いわゆる
目標軌跡はアーマチュア４ｄの所望な運動経過だけによ
って簡略化して示してあり、参照番号２０または２０
ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・を付けてある。
【００４２】従って、このような実施形により、アーマ
チュア４ｄと往復弁１を、所望な方法でその都度の端位
置に移行させることができるだけなく、そのほかに上記
要素の他の運動経過を変換することができる。起こり得
る他の運動経過の例が、既に述べたように簡略化して示
した目標軌跡２０ａ，２０ｂ，２０ｃの形で図４，５に
示してある。この場合それぞれ、図１の目標軌跡２０の
図示に類似して、アーマチュア４ｄの変位座標の変化が
時間ｔに対して示してある。
【００４３】例えば、往復弁１をその完全開放位置に案
内する目標軌跡２０ａ（図４参照）のほかに、図５に示
した、往復弁１を部分的に開放する少なくとも１つの目
標軌跡２０ｂを設けることができる。その際、図５の図
示は、次の点で図１，４の図示と異なっている。すなわ
ち、図５には往復弁１の開閉運動が示され、それによっ
て時間軸線（ｔ）が図１，４よりも長い時間にわたって
延びている点が異なっている。その際（図示のように）
往復弁１がそれを部分的に開放する目標軌跡２０ｂによ
ってその閉鎖位置の近くに保持されると有利である。す
なわち、往復弁１を操作するアーマチュア４ｄの変位座
標ｚの値変化が比較的に小さいので、閉じた往復弁１か
ら出発してあるいはｚ＝ｚ1 （すなわち、アーマチュア
４ｄが閉鎖コイル４ａに接触している）から出発して、
短いアーマチュアストロークｚ＝ｚ3 または変位座標ｚ
3 が達成される。
【００４４】従って、このような目標軌跡２０ｂによ
り、上記のコントローラを用いて、架空の端位置でアー
マチュア４ｄの浮動位置が生じる。この端位置で、アー
マチュア４ｄは、前もってアーマチュアを解放した閉鎖
コイル４ａから少なくとも少しだけ離れたままである。
それによって、例えば往復弁１の開放運動時に、開放コ
イル４ｂ（これについては図１参照）ではなく、架空の
端位置、すなわちアーマチュア４ｄのｚ＝ｚ3 が閉鎖コ
イル４ａの近くで動き始める。この端位置はは例えば約
１〜２ｍｍの往復弁１の最小弁ストロークに一致する。
アーマチュア４ｄ、ひいては往復弁１がこのような位置
（例えばｚ3 ）で浮動保持されると、これは内燃機関吸
気弁の操作時に混合気処理を改善することになり、内燃
機関排気弁の操作の場合には、内燃機関の専門家にとっ
て基本的に知られているように、給気運動を最適化する
ことになる。
【００４５】更に、特に往復弁１の閉鎖過程のために、
電磁石コイルまたは閉鎖コイル４ａから少し離隔してア
ーマチュア４ｄを少なくとも短時間保持する目標軌跡２
０ｃを設けることができる。この場合、図４に示すよう
に、ｚ＝ｚ0 から出発して先ず最初に、アーマチュア４
ｄの最初の準端位置のスタートが行われる。この端位置
はｚ＝ｚ0 によって定義され、アーマチュア４ｄは少な
くとも少しだけ、アーマチュアを受け止めるコイル４ａ
から離隔されたままである。その後で、第２のアーマチ
ュア端位置がスタートする。この第２の端位置はその機
械的な端位置、すなわちｚ＝ｚ1 に一致する。これによ
って、内燃機関の往復弁機構における電子的な弁遊び補
正が可能である。従って、内燃機関往復弁１の閉鎖過程
で、アーマチュア４ｄは先ず最初に位置ｚ2 の方に移動
する。この位置は弁座３０（図１参照）における往復弁
１の載置に一致する。続いて、アーマチュア４ｄは位置
ｚ 1 に移動する。この位置はその本来の機械的端位置に
一致する。この端位置では、アーマチュアは閉鎖コイル
４ａに接触する。
【００４６】更に、それに続く往復弁１の開放の際、先
ず最初に、アーマチュア４ｄの第１の準−端位置が弁遊
び（すなわち、再び位置ｚ＝ｚ2 ）に相応してスタート
し、続いて第２の端位置がスタートする。この第２の端
位置は開放コイル４ｂ上のアーマチュア４ｄの機械的な
端位置に一致する（すなわち、ｚ＝ｚ0 ）。それによっ
て、アーマチュア４ｄは位置ｚ2 の弁隙間に基づいてあ
るいは弁遊びを克服して、往復弁１のシャフトにできる
だけやさしく衝突する。
【００４７】更に、電磁石コイル４ａ，４ｂにおけるア
ーマチュア４ｄの機械的な端位置の代わりに、アーマチ
ュア４ｄの架空の端位置すなわちいわゆる準−端位置
（ｚ0とｚ1 の間）がスタートする。すなわち、図示し
ていない目標軌跡が設けられている。この目標軌跡は往
復弁１を例えばその端位置に移動させ、その際アーマチ
ュア４ｄはそそれぞれの電磁石コイル４ａまたは４ｂか
ら離隔保持される。これにより、架空の端位置または準
−端位置におけるアーマチュア４ｄのいわゆる浮動位置
が生じる。この端位置では、アーマチュア４ｄは少なく
とも少しだけ、アーマチュアを受け止めるコイル４ａま
たは４ｂから離隔されたままである。それによって、往
復弁１の開放およびまたは閉鎖時に、アーマチュア４ｄ
の機械的な端位置の代わりに、架空の端位置がそれぞれ
の電磁石コイル４ａまたは４ｂの前に移動し、アーマチ
ュアはこの中間位置で、適当な目標軌跡を加工する冒頭
に述べたコントローラによって浮動保持される。それぞ
れのコイル４ａまたは４ｂに対してアーマチュア４ｄが
衝突しないので、これにより、弁機構の騒音発生が大幅
に低減される。
【００４８】既に述べたように、このいろいろな目標軌
跡２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・が電子式コント
ローラで加工される。このコントローラは、それぞれの
電磁石コイル４ａおよびまたは４ｂの通電を、適当な電
圧−クロックの関係（電圧−クロックの比）によって開
始する。このコントローラを丈夫にするために、設けら
れたすべての目標軌跡２０・・・は運転状態の量として
定められる。この運転状態では、制御される系、すなわ
ちガス交換往復弁１の電磁弁機構が、所望な挙動を有す
る。そのために、この考察される系がその都度所望され
る目標軌跡に相応して所望な運転状態にもたらされ、そ
の都度の運動経過が終了するまでこの運転状態をもはや
逸脱しない。これは適当な前提条件の下で、不連続な操
作信号によって、二位置コントローラのように行うこと
ができる。或る前提条件の下では、所望な運転状態が偏
差または外乱と無関係に選定可能であるので、制御され
る系は偏差や外乱に左右されない。
【００４９】次に、いろいろな目標軌跡２０，２０ａ，
２０ｂ，２０ｃ・・・に基づくコントローラを使用する
この方法の重要な利点についてまとめて説明する。
【００５０】提案された完全な状態復帰は、それぞれの
電磁石コイル４ａまたは４ｂに対するアーマチュア４ｄ
の低い任意の衝突速度を生じることができる。しかし、
アーマチュア４ｄがそれぞれのコイル４ａ，４ｂにもは
や載らないときには、それに関連する載置騒音は完全に
消滅する。更に、そうでないときに載置によって発生す
る摩耗現象が充分に除去される。
【００５１】特に戻しばね２ａ，２ｂによっておよび磁
気的な設計によって全体的に定められる或る限界内で、
アクチュエータ４ひいては往復弁１のストロークを任意
に調節することができ、個々の開閉過程のために変更可
能である。
【００５２】そうでないときに機械的な内燃機関往復弁
機構の場合に必要である液圧式弁遊び補正装置を省略す
ることができ、（常に必要である既存の）弁遊びを電磁
的に補正することができる。
【００５３】上述のように、アーマチュアに近い位置に
あり、従って通電されるコイルに加えられる電圧がクロ
ックパルスで制御され、コントローラの電圧−クロック
の関係がアーマチュア目標運動を示す目標軌跡に基づい
て定められるように、電磁アクチュエータのアーマチュ
アの運動は制御される。その際、コントローラおよびま
たは目標軌跡は内燃機関のいろいろな運転状態に適合可
能である。既に述べたように、目標軌跡の演算は内燃機
関の運転中も適応を可能にし、しかも例えば回転数、負
荷トルク、温度、摩耗等のような実際の運転状態に依存
して適当を可能にする。すなわち、実際には、アクチュ
エータの動的挙動は特にガス交換往復弁に作用するガス
力に基づいて、内燃機関の負荷状態や回転数に大きく左
右される。更に、部品温度の変化、特に内燃機関潤滑油
の温度の変化と、摩耗現象は、アクチュエータの機械的
な特性を変えることになる。
【００５４】次に、上記の適合の少なくとも一つがどの
ようにしてきわめて効果的に実施可能であるかについて
説明する。これによれば特に、いろいろな内燃機関運転
状態への適合の方法が特に数値的な最適化アルゴリズム
に基づいて行われ、電子制御ユニットに格納可能であ
る。更に、内燃機関の運転の際に、変化する外部の境界
条件に対するコントローラおよびまたは目標軌跡の付加
的な適合を、少なくとも一時的に行われるバックグラウ
ンドプロセスで行うことができる。
【００５５】それによって、いろいろな内燃機関運転条
件に対する適合が先ず最初に行われるので、この適合の
結果を電子制御ユニットに固定記憶することができる。
内燃機関の実際の運転状態に依存して、コントローラは
適当な適合によって作動するかあるいはこの運転状態に
適合した目標軌跡に従う。その際、先ず最初の適合の事
実について述べると、この適合はシミュレーションに基
づいておよびまたは試験台測定に基づいて実施可能であ
る。
【００５６】この適合のために基本的には、数値的な最
適化アルゴリズムの使用が提案される。特に、アーマチ
ュア運動のための制御プロセス全体を、少なくとも１つ
の適切な制御基準に基づいて最適化すべきである。この
ような制御基準の例は、アーマチュアを適切に受け止め
る電磁石コイルに対するアーマチュアの衝突速度あるい
は衝突の時点でのアーマチュアの加速度である。
【００５７】特に変化する境界条件に対する適合は、内
燃機関の運転時に、少なくとも一時的に行われるバック
グラウンドプロセスで行われる。この場合、適当な電子
制御ユニットによって、いわゆる現在進行中の適応を可
能にするために、充分な演算能力が供される。
【００５８】従って、付加的に提案した手段により、ア
クチュエータのための制御運転または運動制御方法の運
転が、内燃機関のいろいろな運転状態で保証される。更
に、外的因子に基づく機械的な特性の変化が制御で考慮
される。しかし、これと多数の他の細部は、特許請求の
範囲の内容を逸脱することなく、上記の説明と全く異な
るように形成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の往復弁の従来の閉鎖過程を示す。
【図２】制御コンセプトのブロック図である。
【図３】一方のコイルによるアーマチュア受け止め中
の、本発明による制御の個々の相を示す。
【図４】往復弁をその完全開放位置に案内する目標軌跡
を示す。
【図５】往復弁を部分的に開放する少なくとも１つの目
標軌跡を示す。
【符号の説明】
１ 往復弁 ２ａ 弁閉鎖ばね＝（第１の）戻
しばね ２ｂ 弁開放ばね＝（第２の）通
しばね ３ 弁遊び補正要素 ４ アクチュエータ ４ａ 電磁石コイル＝閉鎖コイル ４ｂ 電磁石コイル＝開放コイル ４ｃ 突棒 ４ｄ アーマチュア １０ コントローラ １１ オブザーバ ２０ 目標軌跡 ２０ａ 往復弁を閉鎖位置に動かす
アーマチュアの目標軌跡 ２０ｂ 往復弁に小さなストローク
を生じるアーマチュアの目標軌跡 ２０ｃ 弁遊びを考慮するアーマチ
ュアの目標軌跡 ２１ オブザーバ ３０ 往復弁の弁座 ＢＰ 制動相 ＦＰ 受け止め相 ＨＰ 保持相 Ｉ 電磁石コイル内の電流 Ｕ 電磁石コイルの電圧 ｔ 時間 ｔ1 受け止め相の開始時点 ｔ2 受け止め相の終了時点＝制
動相の開始時点 ｔ4 コイルにおけるアーマチュ
アの載置時点 ｚ アーマチュアの位置＝アー
マチュア位置の変位座標 ｚ′ アーマチュアの運動速度 ｚ″ アーマチュア加速度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コンラート ライフ ドイツ連邦共和国 デー・85764 オーバ ーシュライスハイム アイヒェンシュトラ ーセ 12

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アーマチュア（４ｄ）が２個の電磁石コ
    イル（４ａ，４ｂ）の間で振動するように、その都度少
    なくとも１個の戻しばね（２ａ，２ｂ）の力に抗して電
    磁石コイル（４ａ，４ｂ）の交互の通電によって動かさ
    れ、いわゆる受け止め相の間、先ず最初に通電されたコ
    イル（４ａ，４ｂ）にアーマチュア（４ｄ）が近づくに
    つれて、アーマチュア（４ｄ）を受け止めるコイル（４
    ａ，４ｂ）に加えられる電圧（Ｕ）が低下させられる、
    特に内燃機関のガス交換往復弁（１）を操作するため
    に、電磁アクチュエータ（４）のアーマチュア（４ｄ）
    の運動を制御する方法において、受け止め過程の受け止
    め相（ＦＰ）に制動相（ＢＰ）が接続し、この制動相で
    アーマチュア（４ｄ）がコイル（４ａ，４ｂ）に当接す
    るまで電圧（Ｕ）がクロックパルス制御されてこのコイ
    ルに加えられ、電圧−クロックの関係がアーマチュア目
    標運動を示す目標軌跡（２０）に基づいてコントローラ
    （１０）によって決定されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 量的に一定の正または負の電圧値または
    電圧値“零”がクロックパルス制御されて、アーマチュ
    ア（４ｄ）を受け止めるコイル（４ａ，４ｂ）に加えら
    れることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 コントローラ（１０）がアーマチュア運
    動に対して平行に算出されたこのアーマチュア運動の評
    価値（２１）を目標軌跡（２０）と比較することを特徴
    とする請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】 目標軌跡（２０）が時間に対する、アー
    マチュア（４ｄ）のストローク（ｚ）、速度（ｚ′）お
    よび加速度（ｚ″）の値を含んでいることを特徴とする
    請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 目標軌跡（２０）が特に境界条件から演
    算され、この境界条件で、アーマチュア（４ｄ）の速度
    （ｚ″）が電磁石コイル（４ａ，４ｂ）に当接する時点
    で値“零”を有することを特徴とする請求項１〜４のい
    ずれか一つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 アーマチュア（４ｄ）およびまたはガス
    交換往復弁（１）のいろいろな運動経過のためのいろい
    ろな目標軌跡（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・）が設け
    られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一
    つに記載の方法。
  7. 【請求項７】 往復弁（１）をその完全に開放した位置
    に案内する目標軌跡（２０ａ）のほかに、往復弁（１）
    を部分的に開放する少なくとも１つの目標軌跡（２０
    ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項６記載の
    方法。
  8. 【請求項８】 往復弁（１）がそれを部分開放する目標
    軌跡（２０ａ）によってその閉鎖位置近くに保持される
    ことを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 往復弁（１）の閉鎖過程のために、アー
    マチュア（４ｄ）を少なくとも短時間だけ電磁石コイル
    （４ａ）から少しだけ離隔保持する目標軌跡（２０ｃ）
    が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいず
    れか一つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 往復弁（１）をその端位置に動かし、
    その際アーマチュア（４ｄ）をその都度の電磁石コイル
    （４ａまたは４ｂ）から離隔保持する目標軌跡（２０）
    が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいず
    れか一つに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 コントローラ（１０）およびまたは目
    標軌跡（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・）が内燃機関の
    いろいろな運転状態に適合している、請求項１〜１０の
    いずれか一つに記載の方法において、適合の方法が特に
    数値的な最適化アルゴリズムに基づいて行われ、かつ電
    子制御装置に記憶されることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 コントローラ（１０）およびまたは目
    標軌跡（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）がそれ自体変化する
    外部の境界条件に適合する、請求項１１記載の方法にお
    いて、内燃機関の運転時に少なくとも一時的に経過する
    バックグラウンドプロセスで適合が行われることを特徴
    とする請求項１１記載の方法。
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