WO2001020140A1 - Verfahren zum steuern eines elektromechanischen stellantriebes - Google Patents

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WO2001020140A1
WO2001020140A1 PCT/DE2000/003113 DE0003113W WO0120140A1 WO 2001020140 A1 WO2001020140 A1 WO 2001020140A1 DE 0003113 W DE0003113 W DE 0003113W WO 0120140 A1 WO0120140 A1 WO 0120140A1
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Achim Koch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1866—Monitoring or fail-safe circuits with regulation loop

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electromechanical actuator.
  • the coil of the respective electromagnet is energized, the required current being greater in a catching phase than in a holding phase in which the gas exchange valve is held in an end position.
  • the gas exchange valve is a spring-mass oscillator. Its natural or resonant frequency determines the speed at which the valve can be moved between the end positions. Due to the physical conditions, a minimum operating time from one end position to the other is specified. It is known to take this minimum positioning time into account when calculating the control times.
  • the invention has for its object to provide an improved method for controlling an electromechanical actuator, in which the effects of gluing are minimized.
  • the gluing depends on the reduction of the current in the coil and this in turn on the supply voltage of the actuator and the coil current level during the holding in the end position. Therefore, in one variant of the invention, at least one of these variables is recorded and the time period t is selected as a function thereof.
  • the time period t is measured when the actuator is actuated and the measured value is taken into account during the next actuation.
  • timing fluctuations have a very negative effect on exhaust gas emissions and smooth running, especially when the intake valves are closed.
  • FIG. 5 shows a first flow chart of a method for controlling the electromechanical actuator
  • FIG. 6 shows a second flow chart of the method.
  • Fig. 1 shows an electromagnetic actuator 1 for a gas valve designed as a poppet valve, which consists of a valve divider 2 with valve seat 3 and a valve stem 4, which is mounted in a house-side guide 5 and is provided with a cone piece 6 at the upper end.
  • Actuator 1 moves the valve disk between two end positions: the gas exchange valve is closed in an upper end position and opened in a lower end position.
  • a valve spring 8 arranged between the house-side guide 5 and the cone piece 6 acts on the valve plate in the closed position.
  • the actuator 1 also consists of an upper ferromagnetic coil body 10 and a lower ferromagnetic coil body 12, each of which carries a coil 14 and 16.
  • An armature shaft 17 is slidably mounted within the upper coil body 10 and has a plate-shaped armature 18 which lies between the two coils 14, 16.
  • the end faces 19 and 20 of the two coil formers 10 and 12 facing the armature 18 form stops for the armature 18 and thus define the upper and lower end positions of the gas exchange valve in which it is open or closed.
  • An actuator spring 22 is clamped between the armature shaft 17 and a stop 24 on the house side and acts on the armature 18 in the direction of the open position of the valve plate 2.
  • the armature 18 rests on the valve stem 4. As long as the coils 14 and 16 are de-energized, the armature 18 is held by the valve spring 8 and the actuator spring 22 in the central position between the two end faces 19 and 20, as shown in the drawing.
  • the two coils 14 and 16 are each energized by a driver circuit 26, 27, which are controlled by a control circuit 28.
  • a piezo element 30 ' is further provided on the actuator spring support.
  • Another piezo element 32 ' is provided on the house-side guide 5.
  • the output signals of the two piezo elements 30 ', 32' are fed to the control circuit 28, which uses them to regulate the speed of impact of the armature 18 on the bobbins 10 and 12 on the end faces 19 and 20 so that the valve without bouncing, can be moved quietly, quickly and at the desired time to the respective end position.
  • the driver circuit is shown by way of example together with a more detailed illustration of the control circuit 28 in FIG. 3.
  • FIG. 3 shows the driver circuit 26 for the coil 14.
  • the driver circuit 27 is designed analogously.
  • the coil 14 is controlled by an asymmetrical half bridge.
  • the coil 14 is connected between a high-side FET Th, which is connected on the other hand to the supply voltage Vcc, and a low-side FET Tl, which in turn is connected via a resistor R to the reference potential.
  • a diode D2 is connected in the forward direction with the highside FET Th.
  • a diode D1 is connected in the forward direction between the connection node of the coil 14 with the low-side FET T1 and the supply voltage Vcc.
  • the supply voltage Vcc is connected to the reference potential via a capacitor C.
  • a target current m of the coil 14 is adjusted.
  • the actual current is measured via the voltage drop across the resistor R in the low side branch.
  • the voltage drop is tapped by a differential amplifier 30, the output value of which is fed via an adder node 31, to which a constant voltage source 32 is also fed, a filter 33 and further to an analog / digital converter 34 and a microcontroller 35.
  • FIGS. 2a to 2c now show the current flow m of the circuit 26 m different operating states of the actuator.
  • the elements corresponding to FIG. 3 are identified by the same reference numerals.
  • Fig. 2a shows the energization of the coil 14 while holding the actuator m the end position, m, the gas exchange valve is closed.
  • the current flows in the direction of the arrow labeled 40 from the supply voltage Vcc via the conductive highside FET Th, through the coil 14 and the likewise conductive lowside FT Tl and through the resistor R to the reference potential.
  • the switching off of the coil can be seen in FIG. 2b. To do this, the highside FET Th is opened. Then the energy stored in the coil 14 is reduced by the current flow m in the direction of the arrow 40 via the low-side FET T1 and the diode D2.
  • the driver circuit 26 m can be switched in the manner designated m Fig. 2c.
  • the Lowside-FET Tl is also opened. This as “clamp Men” designated state discharges the coil 14 by a current flow in the direction of arrow 40 via the diodes D2 and Dl and the correspondingly biased capacitor C. By clamping the coil, the coil current can be switched off much faster than by simply switching off, as in Fig. 2b is shown.
  • the current in the coil 14 drops when clamped with an exponential function. This drop is shown in the time curve of FIG. 4 in the upper curve.
  • the time constant of the exponential drop is determined by the level of the supply voltage. The higher the supply voltage, the faster the current reduction in the coil 14 takes place.
  • the initial current level i.e. the current with which the coil 14 is energized in the circuit of Fig. 2a does not affect the time constant of the exponential drop, but does affect the time until the current has sufficiently decayed, i.e. until the actuator is released from the end position.
  • the upper time series shows the course of the energization of a coil when the actuator is held, for example the energization of the coil 14 in order to hold the armature 18 in the end position in which the gas exchange valve is closed.
  • the time t is on the X axis
  • the coil 14 is energized with a holding current I m until time t 0 .
  • the control circuit 28 controls the current between the values I min and I max .
  • the coil 14 is clamped.
  • the current I thus drops to 0 between the time t 0 and ti.
  • This current level is designated I 0 in FIG. 4. From time ti, coil 14 is therefore no longer energized.
  • the associated stroke signal H shows that the armature 18 is only released from the end position H z at a later time t 2 .
  • the armature 18 thus leaves the end face 19, to which the stroke signal H z is assigned, only a time t k after the time t 0 at which the coil 14 was started to be clamped.
  • the stroke signal is constant at the value H z . This is caused by the magnetic "sticking", which is based on the time required for the coil current dissipation.
  • That the stroke signal also maintains the value H z over the time period t m , that is to say that the armature 18 on the end face for an even longer time 19 remains, has its cause in the mechanical "sticking", which is caused by additional adhesion effects in the actuator, for example by an oil film or by guide friction.
  • step S1 the supply voltage Vcc and the current coil current I (to) are measured.
  • the electrical adhesive time t e is determined from these parameter values. This can for example by means of a map in which the corresponding adhesive time was stored for the parameters. Alternatively, this can also be done using the following equation:
  • Tl denotes the time constant of the exponential current decay, which is determined as a function of the level of the supply voltage Vcc, for example from a table previously determined experimentally. From the above equation, by simply solving for t, one can determine the period of time during which the current has dropped to a specific current I f , during which the magnetic force caused by this current becomes smaller than the resulting force of the springs 22 and 8 anchored to the middle position.
  • This current I f is known for a given actuator or can simply be determined experimentally by slowly lowering the current I m until the armature 18 is released from the end position.
  • step S3 the mechanical gluing time t m is determined in step S3, for example taken from a map.
  • An alternative determination of the mechanical adhesive time t m will be explained later with reference to FIG. 6.
  • step S4 the adhesive times t e and t m are added to the time period t k .
  • step S5 the switching time specification t fV at which the gas exchange valve is to leave the end position is determined in a known manner.
  • step S6 the time at which the coil current is switched off, ie the coil is to be clamped, is determined by subtracting the adhesive time t k from the switching time specification t sv , so that the switching time t s is obtained. If the coil is now clamped at this switching time t s , it is ensured that the armature 18 of the actuator or the gas exchange valve is released from the end position at the desired switching time specification t sv and the “free flight” begins.
  • step S3 As an alternative to taking the mechanical adhesive time t m from a characteristic diagram m step S3, which means a fixed value for the mechanical adhesive time t m , the method steps shown in FIG. 6 can be carried out: First, in step S31 a start value of the mechanical Gluing time for a subsequent adaptation process taken from a memory. This can be a value that has been stored once or the value for the mechanical adhesive time t m determined during the last operating run of the control circuit 28. Then, in step S32, with this starting value, the time period t k is determined for the first time in accordance with the steps in FIG. 5 and used to control the actuator.
  • step S33 the stroke signal H is monitored at the same time and the time difference between the time t 2 at which the actuator or armature 18 is released from the end position and the time to at which the coil was clamped is determined. This gives the time period t k that actually occurred during the operation of the actuator. From this measured value for the time period t k , the value for the time period t k previously calculated in the method according to FIG. 5 is now subtracted in step S34. This difference can be positive or negative, depending on whether the calculated value for the period t k was larger or smaller than the measured value. The difference is then added to the value for the mechanical adhesive time t m , which was assumed in step S31. This value is then used for the next execution of the method according to FIG. 6 the next time step S31 is carried out, so that the mechanical adhesive time t m is continuously adapted.
  • a modified version of the method according to FIG. 6 can be used to reduce the computing effort when carrying out the method:
  • the mechanical adhesive time t m is not adapted here, but the entire time period t k .
  • step S31 an initial value for the time period t k for the first activation of the actuator is thus taken.
  • This value is then adapted by measuring the actually occurring time period t k in steps S32 and S33 and S34, so that the last measured value for the time period t k is always used for each actuation of the actuator.

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Abstract

Um einen Stellantrieb, der ein Stellglied zum Ansteuern beispielsweise eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mittels einer Spule in einer Endstellung hält, rechtzeitig in die andere Endstellung umschalten zu können, wird die Bestromung der Spule eine gewisse Zeitspanne tk vor dem Zeitpunkt abgeschaltet, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll. Dabei wird die Zeitspanne tk abhängig von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und/oder des Spulenstroms während des Haltens in der Endstellung gewählt. Auch ist eine Adaption der Zeitspanne tk möglich.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes.
Brennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile nockenwellenu- nabhängig betätigt werden, sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Gaswechselventilen werden diese Gaswech- selventile zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert; eine feste mechanische Kopplung mit der Kurbelwelle liegt nicht vor. Beispiele für elektromechanische Stellantriebe für Gaswechselventile sind aus DE 297 12 502 Ul oder EP 0 724 067 AI bekannt. Sie weisen eine zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung liegende Ruhestellung auf, aus der sie mittels Elektromagneten ausgelenkt werden können.
Um ein Gaswechselventil zu öffnen oder zu schließen, wird die Spule des jeweiligen Elektromagneten bestromt, wobei der erforderliche Strom in einer Fangphase größer ist als in einer Haltephase, in der das Gaswechselventil in einer Endstellung gehalten wird.
Während bei herkömmlichem, nockenwellenbetätigtem Ventiltrieb eine Vorgabe der Steuerzeiten im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine nicht anfällt, müssen bei elektromecha- nisch betätigten Gaswechselventilen entsprechende Steuerzeiten berechnet und vorgegeben werden.
Dabei muß berücksichtigt werden, daß das Gaswechselventil zusammen mit dem Stellantrieb und dessen Federn einen Feder- Masse-Schwinger darstellt. Dessen Eigen- oder Resonanzfrequenz bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Ventil zwischen den Endstellungen bewegt werden kann. Durch die physikalischen Gegebenheiten ist eine minimale Stellzeit von einer zur anderen Endstellung vorgegeben. Es ist bekannt, diese minimale Stellzeit bei der Berechnung der Steuerzeiten zu berücksichtigen.
Aus der im Oberbegriff berücksichtigten DE 195 26 681 AI ist es bekannt, die Bestromung der das Stellglied in der Endstellung haltenden Spule eine gewisse Zeitspanne vor dem Zeitpunkt abzuschaffen, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll, da durch mechanische und magnetische Effekte im Stellantrieb ein sogenanntes Kleben des Stellglieds in einer Endstellung auftritt. Dies ist auch in der DE 195 31 437 AI, der DE 196 23 698 AI und der DE 195 18 056 AI erwähnt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes zu schaffen, bei dem die Auswirkungen des Klebens minimiert sind.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 definierte Erfindung gelöst.
Eine genaue Untersuchung ergab, daß das Kleben vom Abbau des Stromes in der Spule und dieser wiederum von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und des Spulenstrompegels während des Haltens in der Endstellung abhängt. Deshalb wird in einer Variante der Erfindung mindestens eine dieser Größen erfaßt und die Zeitspanne t abhängig davon gewählt.
In einer zweiten Variante wird die Zeitspanne t bei einer Ansteuerung des Stellantriebes gemessen und der Meßwert bei der nächsten Ansteuerung berücksichtigt.
Weiter zeigte sich, daß das durch Adhäsionseffekte im Stellantrieb bedingte mechanische Kleben weitgehend betriebspara- meterunabhängig und über die Lebensdauer des Stellantriebes nur gering veränderlich ist. Das durch den Abbau des Stromes in der Spule bedingte magnetische Kleben hängt dagegen von erfaßbaren Betriebsparametern des Stellantriebes ab. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden deshalb diese Betriebsparameter erfaßt und zur Bestimmung einer Teilzeit der Zeitspanne tk verwendet, die betriebsparameterabhängig ist. Als weitere Teilzeit, die zusammen mit obiger erster Teilzeit die Zeitspanne ergibt, wird eine konstante, d.h. fest abgespeicherte Größe verwendet. Sie kann aber auch durch Messung der Gesamtzeitspanne tk in einem gewissen Zeitraster adaptiert werden.
Mit diesen Verfahren sind unerwünschte Steuerzeitschwankungen bei der Ansteuerung des Stellantriebes vermieden. Solche Steuerzeitschwankungen wirken sich bei einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen gerade beim Schließen der Einlaßventile stark negativ auf Abgasemissionen und Laufruhe aus.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2a, 2b und 2c den Stromverlauf in einer Treiberschaltung einer Spule des Stellantriebes,
Fig. 3 die Treiberschaltung,
Fig. 4 den Zeitverlauf des Spulenstroms in einer Spule und das Hubsignal der Bewegung des Stellglieds,
Fig. 5 ein erstes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des elektromechanischen Stellantriebs und
Fig. 6 ein zweites Ablaufdiagramm des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Stellantrieb 1 für ein als Tellerventil ausgebildetes Gaswechselventil, das aus einem Ventilteiler 2 mit Ventilsitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der m einer gehauseseitigen Fuhrung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit einem Kegelstuck 6 versehen ist. Der Ventilteller wird vom Stellantrieb 1 zwischen zwei Endstel- lungen bewegt: In einer oberen Endstellung ist das Gaswechselventil geschlossen und m einer unteren Endstellung geöffnet. Eine zwischen der gehauseseitigen F hrung 5 und dem Kegelstuck 6 angeordnete Ventilfeder 8 beaufschlagt den Ventilteller in die Schließstellung.
Der Stellantrieb 1 besteht weiter aus einem oberen ferromag- netischen Spulenkorper 10 und einem unteren ferromagnetischen Spulenkorper 12, die jeweils eine Spule 14 und 16 tragen.
Innerhalb des oberen Spulenkorpers 10 ist verschiebbar ein Ankerschaft 17 gelagert, der einen plattenformigen Anker 18 aufweist, der zwischen den beiden Spulen 14, 16 liegt. Die dem Anker 18 zugekehrten Stirnseiten 19 und 20 der beiden Spulenkorper 10 und 12 bilden Anschlage für den Anker 18 und definieren damit die obere und untere Endstellung des Gas- wechselventils, in der es geöffnet bzw. geschlossen st. Eine Aktuatorfeder 22 ist zwischen dem Ankerschaft 17 und einem gehauseseitigen Anschlag 24 eingespannt und beaufschlagt den Anker 18 in Richtung Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Der Anker 18 liegt auf dem Ventilschaft 4 auf. Solange die Spulen 14 und 16 stromlos sind, wird der Anker 18 von der Ventilfeder 8 und der Aktuatorfeder 22 in der Mittelstellung zwischen den beiden Stirnseiten 19 und 20 gehalten, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.
Die beiden Spulen 14 und 16 werden jeweils von einer Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschaltung 28 angesteuert werden.
Zur Messung des Hubes des Ankertellers 2 ist weiter ein Pie- zoelement 30' an der Aktuatorfederabstützung vorgesehen. Ein weiteres Piezoelement 32' ist an der gehauseseitigen Führung 5 vorgesehen. Die Ausgangssignale der beiden Piezoelemente 30', 32' werden der Regelschaltung 28 zugeführt, die sie dazu verwendet, die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 18 auf den Spulenkörpern 10 bzw. 12 an den Stirnseiten 19 bzw. 20 so zu regeln, daß das Ventil ohne Prallen, geräuscharm, rasch und zum gewünschten Zeitpunkt in die jeweilige Endstellung überführt werden kann.
Die Treiberschaltung ist zusammen mit einer genaueren Darstellung der Regelschaltung 28 in Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Die Fig. 3 zeigt die Treiberschaltung 26 für die Spule 14. Die Treiberschaltung 27 ist analog ausgebildet.
Die Spule 14 wird, wie in Fig. 3 zu sehen ist, durch eine a- symmetrische Halbbrücke angesteuert. Dabei ist die Spule 14 zwischen einen Highside-FET Th, der andererseits an die Versorgungsspannung Vcc angeschlossen ist, und einen Lowside-FET Tl geschaltet, der wiederum andererseits über einen Widerstand R an das Bezugspotential angeschlossen ist. Zwischen das Bezugspotential und den Verbindungsknoten der Spule 14 mit dem Highside-FET Th ist in Durchlaßrichtung eine Diode D2 geschaltet. Zwischen den Verbindungsknoten der Spule 14 mit dem Lowside-FET Tl und der Versorgungsspannung Vcc ist m Durchlaßrichtung eine Diode Dl geschaltet. Schließlich ist die Versorgungsspannung Vcc mit dem Bezugspotential über einen Kondensator C verbunden. Zwischen Lowside-FET Tl und dem Bezugspotential liegt ein Widerstand R.
Durch Ein- und Ausschalten des Highside- und/oder Lowside-FET Th, Tl wird ein Sollstrom m der Spule 14 eingeregelt. Dabei wird der Iststrom über den Spannungsabfall am Widerstand R im Lowsidezweig gemessen. Der Spannungsabfall wird von einem Differenzverstarker 30 abgegriffen, dessen Ausgangswert über einen Addierknoten 31, dem noch eine Konstantspannungsquelle 32 zugeführt wird, einem Filter 33 und weiter einem Ana- log/Digital-Wandler 34 und einem Microcontroller 35 zugeführt wird.
Die Figuren 2a mit 2c zeigen nun den Stromfluß m der Schal- tung 26 m verschiedenen Betπebszustanden des Stellantriebes. Dabei sind die der Fig. 3 entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 2a zeigt die Bestromung der Spule 14 wahrend des Haltens des Stellantriebes m der Endstellung, m der das Gaswechselventil geschlossen ist. Dabei fließt der Strom in Richtung des mit 40 bezeichneten Pfeiles von der Versorgungsspannung Vcc über den leitenden Highside-FET Th, durch die Spule 14 und den ebenfalls leitenden Lowside-FT Tl und durch den Wi- derstand R zum Bezugspotential. In Fig. 2b ist das Ausschalten der Spule zu sehen. Dazu wird der Highside-FET Th geöffnet. Dann baut sich die in der Spule 14 gespeicherte Energie durch den Stromfluß m Richtung des Pfeiles 40 über den Lowside-FET Tl und die Diode D2 ab. Um die Bestromung der Spule noch schneller zu beenden, kann die Treiberschaltung 26 m der m Fig. 2c bezeichneten Weise geschaltet werden. Dazu wird der Lowside-FET Tl ebenfalls geöffnet. Dieser als „Klem- men" bezeichnete Zustand entlädt die Spule 14 durch einen Stromfluß in Richtung des Pfeiles 40 über die Dioden D2 und Dl sowie den entsprechend vorgespannten Kondensator C. Durch Klemmen der Spule kann der Spulenstrom sehr viel schneller abgeschaltet werden, als durch bloßes Ausschalten, wie es in Fig. 2b dargestellt ist.
Der Strom in der Spule 14 fällt beim Klemmen mit einer Exponentialfunktion ab. Dieser Abfall ist in der Zeitreihe der Fig. 4 in der oberen Kurve dargestellt. Die Zeitkonstante des exponentialen Abfalls wird durch die Höhe der Versorgungsspannung bestimmt. Je höher die Versorgungsspannung ist, desto schneller findet der Stromabbau in der Spule 14 statt. Die Anfangsstromhöhe, d.h. der Strom, mit dem die Spule 14 in der Schaltung der Fig. 2a bestromt wird, beeinflußt die Zeitkonstante des exponentiellen Abfalles nicht, sehr wohl aber die Zeitdauer, bis der Strom ausreichend abgeklungen ist, d.h. bis das Stellglied aus der Endstellung freigegeben wird.
In Fig. 4 ist die Wirkung des „Klebens" in zwei Zeitreihen dargestellt. Die oberen Zeitreihe zeigt den Verlauf der Bestromung einer Spule beim Halten des Stellgliedes, beispielsweise die Bestromung der Spule 14, um den Anker 18 in der Endstellung zu halten, in der das Gaswechselventil ge- schlössen ist. Auf der X-Achse ist die Zeit t, auf der Y-
Achse der Strom I aufgetragen. In der darunterliegenden Kurve ist das zugehörige Hubsignal H über der Zeit t aufgetragen, das aus den Ausgangssignalen der beiden Piezoelemente 30' , 32' in der Regelschaltung 28 generiert wurde.
Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird die Spule 14 bis zur Zeit t0 mit einem Haltestrom Im bestromt. Dabei wird von der Regelschaltung 28 der Strom zwischen den Werten Imin und Imax geregelt. Zum Zeitpunkt t0 wird die Spule 14 geklemmt. Der Strom I fällt dadurch zwischen der Zeit t0 und ti auf 0 ab. Dieser Strompegel ist in Fig. 4 mit I0 bezeichnet. Ab dem Zeitpunkt ti ist die Spule 14 somit nicht mehr bestromt. Das zugehörige Hubsignal H zeigt, daß der Anker 18 sich erst zu einem spateren Zeitpunkt t2 aus der Endstellung Hz lost. Der Anker 18 verlaßt somit die Stirnseite 19, der das Hubsig- nal Hz zugeordnet ist, erst eine Zeitspanne tk nach dem Zeitpunkt t0, zu dem begonnen wurde, die Spule 14 zu klemmen. Wahrend der Zeitspanne te, m der sich der Strom in der Spule 18 abbaut, verbleibt der Anker 18 an der Stirnseite 19; das Hubsignal ist konstant auf dem Wert Hz. Dies ist durch das magnetische „Kleben" verursacht, das m der für den Spulen- stromabbau erforderlichen Zeit begründet ist. Daß das Hubsignal darüber hinaus noch über die Zeitspanne tm den Wert Hz beibehalt, d.h. daß der Anker 18 noch langer an der Stirnseite 19 verbleibt, hat seine Ursache im mechanischen „Kleben", das durch zusatzliche Adhasionseffekte im Stellantrieb, z.B. durch einen Ölfilm oder durch Fuhrungsreibung verursacht ist.
Verlaßt der Anker die Stirnseite 19, wird er unter Wirkung der Federn 22,8 zur anderen Endstellung bewegt und dort mit- tels eines von der Spule 16 erzeugten magnetischen Feldes gefangen. Die Zeit für diese als „Freiflug" bezeichnete Bewegung ergibt sich aus der Wurzel des Quotienten von bewegter Masse und Federkonstante, multipliziert mit einem Faktor von 2π.
Diese Effekte des „Klebens" betreffen natürlich gleichermaßen beide Endstellungen.
Um nun sicherzustellen, daß der Anker 18 bzw. das vom Stell- glied angetriebenen Gaswechselventil zu einem vorbestimmten
Zeitpunkt aus der Endstellung freigegeben wird und den „Freiflug" beginnt, wird ein Verfahren durchgeführt, dessen Schrittfolge schematisch in Fig. 5 dargestellt ist.
Im Schritt Sl werden die Versorgungsspannung Vcc sowie der aktuelle Spulenstrom I (to) gemessen. Aus diesen Parameterwerten wird die elektrische Klebzeit te ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels eines Kennfeldes erfolgen, in dem zu den Parametern die entsprechende Klebzeit abgelegt wurde. Alternativ kann dies auch über folgende Gleichung erfolgen:
7(t) = /(t0) .(l - exp[-t / π]) .
Dabei bezeichnet Tl die Zeitkonstante des exponentialen Stromabklingens, die abhängig von der Höhe der Versorgungsspannung Vcc ermittelt wird, beispielsweise einer zuvor experimentell bestimmten Tabelle entnommen werden kann. Aus obiger Gleichung kann man durch einfaches Auflösen nach t die Zeitdauer bestimmen, bei der der Strom auf einen bestimmten Strom If abgefallen ist, bei dem die durch diesen Strom bewirkte magnetische Kraft kleiner wird, als die resultierende Kraft der Federn 22 und 8, die den Anker in die Mittellage beaufschlagt. Dieser Strom If ist für einen gegebenen Stellantrieb bekannt bzw. einfach experimentell zu ermittelt, in- dem der Strom Im langsam solange abgesenkt wird, bis der Anker 18 sich aus der Endstellung löst.
Parallel zu den Schritten Sl und S2 wird in Schritt S3 die mechanische Klebzeit tm bestimmt, beispielsweise einem Kenn- feld entnommen. Eine alternative Bestimmung der mechanischen Klebzeit tm wird später anhand von Fig. 6 noch erläutert werden.
In Schritt S4 werden die Klebzeiten te und tm zur Zeitspanne tk addiert. In Schritt S5 wird auf bekannte Weise die Schaltzeitvorgabe tfV bestimmt, zu der das Gaswechselventil die Endstellung verlassen soll.
In Schritt S6 wird nun der Zeitpunkt, zu dem die Spulen- bestromung abzuschalten, d.h. die Spule zu klemmen ist, ermittelt, indem von der Schaltzeitvorgabe tsv die Klebzeit tk abgezogen wird, so daß der Schaltzeitpunkt ts erhalten wird. Klemmt man nun die Spule zu diesen Schaltzeitpunkt ts, so ist sichergestellt, daß sich der Anker 18 des Stellantriebes bzw. das Gaswechselventil zur gewünschten Schaltzeitvorgabe tsv aus der Endstellung lost und den „Freiflug" beginnt.
Alternativ zur Entnahme der mechanischen Klebzeit tm aus einem Kennfeld m Schritt S3, was j a einen fixen Wert für die mechanische Klebzeit tm bedeutet, können die in Fig. 6 darge- stellten Verfahrensschritte durchlaufen werden: Zuerst wird in Schritt S31 ein Startwert der mechanischen Klebzeit für ein dann folgendes Adaptionsverfahren aus einem Speicher entnommen. Dabei kann es sich um einen einmal eingespeicherten Wert oder um den beim letzten Betriebslauf der Regelschaltung 28 ermittelten Wert für die mechanische Klebzeit tm handeln. Dann wird in Schritt S32 mit diesem Startwert die Zeitspanne tk entsprechend den Schritten der Fig. 5 erstmalig bestimmt und zum Ansteuern des Stellantriebes verwendet. In Schritt S33 wird dabei gleichzeitig das Hubsignal H überwacht und die Zeitdifferenz zwischen der Zeit t2, zu der sich das Stellglied bzw. der Anker 18 aus der Endstellung lost, und die Zeit to ermittelt, zu der die Spule geklemmt wurde. Man erhalt somit die Zeitspanne tk, die sich tatsachlich beim Betrieb des Stellantriebes eingestellt hat. Von diesem Meßwert für die Zeitspanne tk wird nun m Schritt S34 der zuvor im Verfahren nach Fig. 5 errechnete Wert für die Zeitspanne tk abgezogen. Diese Differenz kann positiv oder negativ sein, j e nachdem, ob der errechnete Wert für die Zeitspanne tk großer oder kleiner als der gemessene Wert war. Die Differenz wird dann zum Wert für die mechanische Klebzeit tm addiert, von dem in Schritt S31 ausgegangen wurde. Dieser Wert wird dann für die nächste Durchf hrung des Verfahrens nach Fig. 6 beim nächsten Durchlauf des Schrittes S31 verwendet, so daß die mechanische Klebzeit tm standig adaptiert wird.
Mit dieser Adaption st es dann möglich, die Differenz zwischen dem Ausgangswert für die mechanische Klebzeit tm und dem als letzten adaptierten Wert zu bestimmen. Überschreitet die Differenz einen gewissen Schwellwert, kann man auf einen Fehler im mechanischen System schließen und diesen geeignet zur Anzeige bringen oder speichern.
Möchte man den Rechenaufwand bei der Durchführung des Verfahrens verringern, kann eine abgewandelte Version des Verfahrens nach Fig. 6 zum Einsatz kommen: Dabei wird nicht die mechanische Klebzeit tm adaptiert, sondern die gesamte Zeit- spanne tk. Im Schritt S31 wird somit zuerst ein Ausgangswert für die Zeitspanne tk zur erstmaligen Ansteuerung des Stellantriebes entnommen. Dieser Wert wird dann durch Messung der sich tatsächlich einstellenden Zeitspanne tk in den Schritten S32 und S33 sowie S34 adaptiert, so daß für jede Ansteuerung des Stellantriebes immer der zuletzt gemessene Wert für die Zeitspanne tk verwendet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes, der ein Stellglied antreibt und der mindestens eine einer Endstellung des Stellgliedes zugeordnete Spule zum Halten des Stellgliedes in dieser Endstellung aufweist, bei welchem Verfahren die Bestromung der Spule eine gewisse Zeitspanne tk vor dem Zeitpunkt, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll, abgeschaltet wird, da- durch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne tk abhängig von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und/oder des Spulenstromes während des Haltens des Stellgliedes in der Endstellung gewählt wird.
2. Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes, der ein Stellglied antreibt und der mindestens eine einer Endstellung des Stellgliedes zugeordnete Spule zum Halten des Stellgliedes in dieser Endstellung aufweist, bei welchem Verfahren die Bestromung der Spule eine gewisse Zeit- spanne tk vor dem Zeitpunkt, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll, abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit zwischen dem Abschalten des Spulenstroms und der Freigabe des Stellgliedes gemessen und daraus die Zeitspanne tk bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Zeit ein Hubsignal des Stellantriebes ausgewertet wird, das die Stellung des Stellgliedes anzeigt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehler diagnostiziert wird, wenn die Zeitspanne tk einen Schwellwert überschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne tk aus zwei Teilzeiten zusammengesetzt wird, wobei nur die erste Teilzeit abhängig vom Spulenstrom und/oder der Versorgungsspannung gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilzeit konstant gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilzeit mittels der Bestimmung der Zeitspanne tk nach
Anspruch 2 adaptiert wird.
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