Beschreibung
Verfahren zum Bestimmen einer Position abhangig von dem Meßsignal eines Positionssensors
Die Erfindung oetπfft em Verfahren zum Bestimmen einer Position abhangig von dem Meßsignal eines Positionssensors, insbesondere für den Einsatz des Positionssensors bei einem ele tromechanischen Stellantrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine.
Ein präzises Bestimmen der Position des Gaswechselventils ist die Grundlage für einen gerauscharmen und weitgehend ver- schleißfreien Betrieb eines elektromechanischen Stellan- triebs, der beispielsweise zum Steuern der Bewegung von Gas- wechselventilen bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Derartige elektromechanische Stellantriebe sind beispielsweise aus der EP 0 724 067 AI bekannt.
Positionssensoren, die ein magnetoresistives Element und einen relativ zu dem magnetoresistiven Element beweglichen Permanentmagneten aufweisen, werden zum Erfassen der Position bei insbesondere dem elektromechanischen Stellantrieb eingesetzt. Magnetoresistive Elemente, insbesondere sogenannte Giant Magneto Resistive (GMR) Elemente erzeugen ein Meßsignal, das von der Richtung des auf sie einwirkenden magnetischen Feldes abhangt. Bei einer linearen Bewegung des Permanentmagneten zu dem magnetoresistiven Element hat das Meßsignal des Positionssensors im wesentlichen einen cosmusformi- gen Verlauf.
Der Zusammenhang zwischen dem Meßsignal des Positionssensors und der zugehörigen Position wird durch Messungen an einem Referenz-Positionssensor ermittelt und dann m Form einer Kennlinie, z.B. als Tabelle, in Steuereinheiten abgelegt, die die Position aus der Kennline abhangig von dem Meßsignal des Serien-Positionssensors ermitteln. Dabei treten ggf. Fehler
bei der Bestimmung der Position auf und zwar erstens αurcn Ungenauigkeiten bei der Anordnung des Permanentmagneten an dem Objekt, dessen Position erfaßt werden soll, bezoger auf die Anordnung des magnetoresistiven Elements, zweitens durch Ungenauigkeiten bei der Anordnung des Sensorelelements , drittens aufgrund von Toleranzen bei der Fertigung der Pos tions- sensoren, und viertens durch den Einfluß von Störgrößen wie der Temperatur des Sensorelements.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen einer Position abhangig von dem Meßsignal eines Positionssensors zu schaffen, das e n präzises und zuverlässiges Bestimmen der Position sicherstellt. Die Aufgabe wird erfmdungsge- maß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 ge- lost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in αen Unteranspruchen gekennzeichnet.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati¬ schen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines Positionssensors m einem Stellantrieb für em Gaswechselventil einer Brennkraf ma- schme, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Positionssensors, Figur 3 eine Darstellung einer zweiten Ausfuhrungsform des Positionssensors Figur 4 den Verlauf des Meßsignals des Positionssensors abhangig von der Position, Figur 5 ein erstes Flußdiagramm zum Ermitteln einer Kenngroße für den axialen Versatz.
Figur 6 e zweites Flußdiagramm zum Ermitteln der Position.
Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfaßt einen Stellantrieb, der auf e als Gaswechselventil ausgebildetes Stellglied einwirkt und der m einem Zylinderkopf 31 der Brennkraftma- schme angeordnet ist. Das Gaswechselventil 2 ist entweder als Auslaßventil oder als Einlaßventil ausgebildet. Das Gas-
wechselventil 2 hat einen Schaft 21 und einen Teller 22. Der Stellantrieb 1 hat em Gehäuse 11, dem em erster und em zweiter Magnet angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 12, der mit einer ersten Spule 13 versehen ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, der mit einer zweiten Spule 15 versehen ist. Em Anker ist vorgesehen, dessen Ankerplatte 16 in dem Gehäuse 11 beweglich zwischen einer ersten Anlageflache 15a des ersten Elektromagneten und einer zweiten Anlageflache 15b des zweiten Elektroma- gneten angeordnet ist. Die Ankerplatte ist somit beweglich zwischen einer ersten Endposition sEι (Schließposition) und einer zweiten Endposition sE2 (Offenposition) . Der Anker umfaßt desweiteren einen Ankerschaft 17, der durch Ausnehmungen des ersten und des zweiten Kerns 12, 14 gefuhrt ist und der mit dem Schaft 21 des Gaswechselventils 2 mechanisch koppelbar ist. Em erstes Ruckstellmittel 18a und em zweites Ruckstellmittel 18b, die vorzugsweise als Federn ausgebildet sind, spannen die Ankerplatte 16 m die vorgegebene Ruheposi- tion So vor.
Em Positionssensor ist vorgesehen, der derart an oder in dem Stellantrieb 1 angeordnet ist, daß er mittelbar oder unmittelbar die Position s der Ankerplatte 16 und αes Ankerschafts 17 erfaßt. Der Positionssensor umfaßt em Sensorelement 19a und em Geberteil 19b. Vorzugsweise ist das Geoerteil 19b an dem Ankerschaft 17 und das Sensorelement 19a in dem Gehäuse 11 angeordnet. Die Bewegungsrichtung des Ankerschafts 17 ist durch den Doppelpfeil dargestellt.
Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die das Meßsignal des Positionssensors oder auch weiterer Sensoren erfaßt und gegebenenfalls von einer übergeordneten Steuereinrichtung für Motorbetriebsfunktionen Steuersignale empfangt. Die Steuereinrichtung 4 steuert abhangig von den Meßsignalen und den Steuersignalen die erste und die zweite Spule 13, 15 des
Stellantriebs 1 an. Die Steuereinrichtung 4 umfaßt eine Steuereinheit 41, in der die Stellsignale für die Spulen 13 und
15 berechnet werden, wofür u. a. vorzugsweise e Positionsregler vorgesehen ist, und eine erste Leistungsendstufe 42 und eine zweite Leistungsendstufe 43, die die Stellsignale verstärkt. Die Steueremπcntung 4 kann alternativ auch eine Baueinheit mit der ubergeorαneten Steuereinrichtung für Mo- torbetneDsfunktionen bilden.
Figur 2 zeigt den Positionssensor in vergrößerter Darstellung. Das Geberteil 19b ist als Permanentmagnet ausgebildet, der im wesentlichen stabformig ist und mit seiner Magnetisierungsrichtung (also der Magnetachse zwischen dem Nordpol N und dem Sudpol S) senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Ankerschafts 17 (angedeutet durcn den Doppelpfeil) angeordnet ist. Das Sensorelement 19a ist als GMR-Element ausgebildet und derart angeordnet, daß die Bezugsachse b der Magnetisierung der Meßschicht des GMR-Elements parallel zu der Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten angeordnet ist. Das Sensorelelement 19a kann aber beispielsweise auch als AMR- Element oder als em sonstiges Element ausgebildet sein, das em von der Richtung des Magnetfeldes abhangiges Meßsignal erzeugt .
Das Sensorelement 19a und das Sensorelement 19b sind idealerweise so zueinander angeordnet, daß die Magnetfeldkomponente H n der Ruheposition s0 der Winkel α = 0 mit der Bezugsachse des Sensorelements 19a einschließt. Jeder Winkel α, den die Magnetfeldkomponente Hκ der Bezugsachse b des Sensorelements 19a einschließt, ist mit der jeweiligen Position s kor- relliert .
Alternativ kann das Geberteil 19b, wie in Figur 3 dargestellt, auch mit seine Magnetisierungsrichtung parallel zu der Bewegungsrichtung des Ankerschafts 17 angeordnet sein.
Der von der Position abhangige Verlauf des Meßsignals des Positionssensors gemäß Figur 2 oder 3 ist exemplarisch in Figur 4 dargestellt. Längs der Ordinate ist das Meßsignal aufgetra-
gen normiert auf einen Wertebereich zwischen null und eins. Längs der Abszisse ist die Position s des Geberteils 19b und damit mittelbar auch des Ankerschafts 17 und der Ankerplatte 16 aufgetragen. Das Meßsignal zeigt einen glockenförmigen, cosinusartigen Verlauf, wobei dieser sichtlich in dem Nahoe- reich der ersten und zweiten Endposition sE1, sE2 annanerend linear ist, wahrend er m der Ruheposition s0 stark gekrümmt ist. Der cosinusartige Verlauf hangt ao von oer relativen Orientierung zweier Magnetisierungen in dem Sensoreiement 19a, nämlich der Magnetisierung des hartmagnetischen Anteils, welche die Bezugsachse b bestimmt, und der dem externen Feld folgenden Magnetisierung des weichmagnetischen Anteils und damit vom externen Feld ab. Dabei muß die Feldstarke nur innerhalb eines bestimmten Feldfensters liegen bevorzugt etwa im Bereich von 3 bis 30 kA/m. Für kleinere Feldstarken ist der weichmagnetische Anteil nicht gesattigt, für größere Feldstarken wird der hartmagnetische Anteil beeinflußt.
Der Verlauf des Meßsignals zeichnet sich dadurch aus, daß ge- rade in dem Nahbereich an der ersten und zweiten Endposition sEι, sE2 das Signal annähernd linear verlauft, wodurch eine hohe Auflosung des Meßsignals und em präzises Bestimmen der Position ermöglicht ist.
Eine eindeutige Zuordnung der jeweiligen Position ist jedocn nur bei dem Extremum des Meßsignals möglich, das nier ein Maximum ist. Diese eindeutige Zuordnung im gesamten Wertebereich des Meßsignals kann jedocn durch Auswerten von zur Verfugung stehenden Informationen, wie der gerade aktuellen gewunscnten Endposition des Gaswechselventils (ggf. abgeleitet aus den Steuersignalen der übergeordneten Steuereinrichtung) , oder aus dem Strom durch die jeweilige Spule erfolgen. Der Vorteil bei dieser Kurvenform ist, daß zur Kalibrierung der Kurve die Meßsignale in der ersten und zweiten Endposition sEι, sE2 und zusatzlich das Maximum des Meßsignals ermittelbar sind. Somit hat man drei Punkte zur Verfugung, bei denen die Kennlinie eindeutig bestimmbar ist, was für eine Steuerung des Ventiles
mittels eines Beobachtersystems von Vorteil ist, da sich die Kurve stets bestimmen laßt.
In Figur 5 ist em erstes Flußdiagramm zum Ermitteln einer Kenngroße für den axialen Versatz dargestellt, der definiert ist durch den Versatz der Bezugsachse b des Sensorelements 19a zu der Magnetisierungsachse des Geberteils 19b in der Bewegungsrichtung des Geberteils 19b und zwar wenn die Ankerplatte 16 m der Ruheposition so ist. Idealerweise ist dieser axiale Versatz gleich Null. Bei einem Serieneinsatz des Positionssensors in dem elektromechanischen Stellantrieb 1 können jedoch Ungenauigkeiten bei der Anordnung des Positionssensors auftrete .
Das Programm (Figur 5) wird in einem Schritt Sl gestartet. In einem Schritt S2 werden der Istwert UEnsτ des Meßsignals des Positionssensors in der ersten Endposition sEi, der Istwert E2i5 des Meßsignals in der zweiten Endposition sE2 und der Istwert UMAXIST des Extremalwertes des Meßsignals erfaßt.
In einem Schritt S3 wird em Istquotient IQ berechnet. Dazu wird die Differenz des Istwertes UMAXIST des Extremalwertes des Meßsignals und des Istwertes UEnsτ des Meßsignals m oer ersten Endposition sEι ermittelt und die Differenz des Istwer- tes U AXIST und des Istwertes UE2ιsτ ermittelt. Der Istquotient entspricht dann dem Quotienten der beiden Differenzen. Der Istquotient zeichnet sich dadurch aus, daß er unabhängig von einer Verschiebung und einer Änderung der Verstärkung des Meßsignals ist und em Maß für den axialen Versatz ist.
In einem Schritt S4 wird ein Sollquotient SQ ermittelt. Dazu wird die Differenz des Sollwertes UMAXSOLL des Extremalwertes des Meßsignals und des Sollwertes UE1SOLL des Meßsignals in der ersten Position sEι berechnet. Ferner wird die Differenz des Sollwertes UMAXΞOLL des Extremalwertes des Meßsignals und des Sollwertes UE2S0LL des Meßsignals m der zweiten Endposition sE2 ermittelt. Durch Verhaltnisbildung der beiden Differenzen
wird dann der Sollquotient SQ berechnet. Die Sollwerte UEiS0LL / UE2SOLI,, UMAXSGLL sind fest vorgegeben und durch Messungen an dem Referenz-Positionssensor ermittelt. Alternativ kann der Sollquotient SQ auch als fest vorgegebener Wert in der Steu- ereinheit 41 abgespeicnert sein.
In einem Schritt S4 werden em erster Korrekturwert ΔUEι und em zweiter Korrekturwert ΔUE2 abhangig von dem Istquotienten IQ und dem Sollquotienten SQ ermittelt. Vorzugsweise werden die Korrekturwerte aus einer Tabelle ermittelt, in der der erste und der zweite Korrekturwert ΔUEJ_, ΔUE2 und der Istquotient IQ aufgetragen sind. Alternativ kann das Ermitteln über einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Istquotienten IQ und den ersten und zweiten Korrekturwerten ΔUEι, ΔUE2 erfol- gen. Die Tabelle ist durch Versuche oder Messungen vorab ermittelt .
In einem Schritt S5 wird em korrigierter Sollwert UEιSoiι' des Meßsignals in der ersten Endposition sEι aus der Summe des Sollwertes UEιSon des Meßsignals in der ersten Endposition sEχ und des ersten Korrekturwerts ΔUE1 ermittelt. In einem Schritt S6 wird em korrigierter Sollwert UE2Soι1- des Meßsignals m der zweiten Endposition sE2 aus der Summe des Sollwertes UE2soiι des Meßsignals in der zweiten Endposition und des zweiten Korrekturwerts ΔUE2 ermittelt. Die korrigierten Sollwerte UEιSou' und UE2Son' sind jeweils eine Kenngroße für den axialen Versatz zwischen dem Geberteil 19b und dem Sensorelement 19a. Der axiale Versatz kann durch die korrigierten Sollwerte UEιSoιι<oder UE2Son' aus einer ersten bzw. zweiten Kennlinie ermittelt werden, die durch Messungen an dem Refe- renz-Positionssensor ermittelt wurde und m der Steuereinheit 41 abgelegt ist.
Da der axiale Versatz durch Ungenauigkeiten beim Einbau des Positionssensors und der Herstellung des Stellantriebs bedingt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Schritte Sl bis S7 in dem Startbetrieb des Stellantriebs durchgeführt werden. Da-
durch ist dann die Rechenbelastung der Steuereinheit 41 im nachfolgenden Betrieb des Positionssensors geringer. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Schritte Sl bis S7 nur nach einer Wartung oder bei der ersten Inbetriebnahme des Positi- onssensors durchgeführt werden.
In einem Schritt S10 (Figur 6) wird em zweites Programm gestartet, mit dem die Position s ermittelt wird. Es werden die zuvor in dem Programm gemäß Figur 4 ermittelten korrigierten Sollwerte UE2soii' ι UEιSoιi' aus einem Speicher eingelesen. In einem Schritt Sll werden die Istwerte UEιIΞτ, UE2IΞτ, UAXIST des Meßsignals in der ersten und zweiten Endposition sEι, sE2 und des Extremalwertes ermittelt.
In einem Schritt S12 wird anschließend e erster Verstar- kungswert vi und em erster Offset-Wert i durch die Losung des m dem Schritt S12 angegebenen linearen Gleichungssystems abhangig von den Sollwerten UEιSoιi' , UAXSOL und den Istwerten UEnsτr UMAXIST ermittelt.
In einem Schritt S13 wird anschließend em zweiter Verstar- kungswert v2 und em zweiter Offset-Wert k2 durch die Losung des m dem Schritt S13 angegebenen linearen Gleichungssystems abhangig von den Sollwerten UE2Ξoιi' , UMAXSO L und den Istwerten UE2ιST, UMAXIST ermittelt.
In einem Schritt S14 wird der aktuelle Istwert UIST des Meßsignals des Positionssensors ermittelt. In einem Schritt S15 wird geprüft, ob die Position der Ankerplatte 16 im Bereich zwischen der ersten Endposition sEι und der Ruheposition so oder im Bereich zwischen der Ruheposition so und der zweiten Endposition sE2 ist. Dies kann unter anderem aus der Historie des Meßsignals, aus der Bestromung der Spulen 13, 15 und aus den Steuerbefehlen der übergeordneten Steuereinrichtung für Motorbetriebsfunktionen hergeleitet werden.
ERSATZBLÄIT (REGEL26)
Ist die Position der Ankerplatte 16 in dem Bereich zwischen der ersten Endposition sE2 und der Ruheposition s0, so wird in einen Schritt S16 verzweigt. Andernfalls wird in einen Schritt S17 verzweigt.
In dem Schritt S16 wird em korrigierter Istwert UISτ- des Meßsignals durcn die m dem Schritt S16 angegebene lineare Transformation des Istwertes UXSτ des Meßsignals abhangig von dem ersten Verstarkungswert vx und dem ersten Offset-Wert k± ermittelt. In einem Schritt S18 wird dann die Position s aus der Differenz zweier Kennlinien-Operationen ermittelt. Bei der ersten Kennl ien-Operation wird aus der ersten Kennlinie KL1 e Wert abhangig von dem korrigierten Istwert Uis des Meßsignals ermittelt. In der zweiten Kennlmien-Operation wird aus der ersten Kennlinie KL1 em Wert abhangig von dem korrigierten Sollwert UEιSoιi' des Meßsignals m der ersten Endposition sEι ermittelt. Durch die zweite Kennlmien- Operation wird der axiale Versatz berücksichtigt. Durcn die erste Kennlmien-Operation wir die Verschiebung und die Änderung der Verstärkung des Meßsignals berücksichtigt. Insgesamt erhalt man so anhand von einer fest abgespeicherten und an dem Referenz-Positionssensor aufgenommenen ersten Kennlinie e hochprazises Positionssignal unabhängig von Toleranzen bei der Fertigung des Positionssensors, von Ungenauigkeiten bei der Anordnung des Permanentmagneten relativ zu dem magnetoresistiven Element und von dem Einfluß der Störgrößen. In einem Schritt S20 wird das Programm dann beendet.
In dem Schritt S17 wird em korrigierter Istwert UIST- des Meßsignals durch die in dem Schritt S17 angegebene lineare Transformation des Istwertes Uτ.Sτ des Meßsignals abhangig von dem zweiten Verstarkungswert v2 und dem ersten Offset-Wert k2 ermittelt. In einem Schritt S19 wird dann die Position s aus der Differenz zweier Kennlinien-Operationen ermittelt. Bei der ersten Kennlmien-Operation wird aus der zweiten Kennlinie KL2 em Wert abhangig von dem korrigierten Istwert Uτ.ST'
des Meßsignals ermittelt. In der zweiten Kennlmien-Operation wird aus der zweiten Kennlinie KL2 em Wert abhangig von dem korrigierten Sollwert UE2Soll- des Meßsignals in der zweiten Endposition sE2 ermittelt. Durch die zweite Kennlmien- Operation wird der axiale Versatz berücksichtigt, durch die erste Kennlmien-Operation die Verschiebung und die Änderung der Verstärkung des Meßsignals berücksichtigt. Insgesamt erhalt man so anhand von einer fest abgespeicherten und an dem Referenz-Positionssensor aufgenommenen zweiten Kennlinie em hochprazises Positionssignal unabhängig von Toleranzen bei der Fertigung des Positionssensors, von Ungenauigkeiten bei der Anordnung des Permanentmagneten relativ zu dem magnetoresistiven Element und von dem Einfluß der Störgrößen. In einem Schritt S20 wird das Programm dann beendet.
Die Schritte Sll bis S13 werden bevorzugt nur dann abgearbeitet, wenn eine vorgegebene Zeitdauer wahrend des Betriebs des Positionssensors (z.B. eine Sekunde) abgelaufen ist und/oder beim Start des Betriebs des Positionssensors und dann nur, wenn die in den Schritten S18 und S19 ermittelten Positionen in den Endpositionen als fehlerhaft erkannt werden und/oder eine die Temperatur des Positionssensors charakterisierende Große, die beispielsweise die Temperatur des Positionssensors ist, sich um einen vorgegebenen Schwellenwert verändert hat. Dadurch kann der Rechenaufwand m der Steuereinheit 41 gering gehalten werden ohne die Genauigkeit der Verstarkungswerte vi, v2 und der Offset-Werte ki, k2 zu verringern, da Versuche ergeben haben, daß die Störgrößen, die eine Veränderung des Verstarkungswertes und des Offset-Wertes ergeben sich nur langsam andern.
Die Schritte S14 bis S20 werden entweder in einem vorgegebenen Zeitraster (z.B. alle 50 μs) oder bei einer Brennkraftma¬ schine abhangig von der Drehzahl ausgeführt.