WO2010097330A1 - Verfahren und anordnung zur optimierung der bestimmung und/oder anpassung von modellparametern beim betrieb von mittels piezoaktoren gesteuerten ventilen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur optimierung der bestimmung und/oder anpassung von modellparametern beim betrieb von mittels piezoaktoren gesteuerten ventilen Download PDF

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WO2010097330A1 PCT/EP2010/052066 EP2010052066W WO2010097330A1 WO 2010097330 A1 WO2010097330 A1 WO 2010097330A1 EP 2010052066 W EP2010052066 W EP 2010052066W WO 2010097330 A1 WO2010097330 A1 WO 2010097330A1
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coupling
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Georg Bachmaier
Dominik Bergmann
Matthias Gerlich
Christian Tump
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1402—Adaptive control

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining unmeasurable system variables or for determining the parameters of models used. An adaptation of these parameters for existing disturbance variables or changed boundary conditions is usually necessary.
  • German patent application DE 10 2008 014 748 as well as DE 10 2008 014 749 disclose model-based methods for determining non-measurable system variables as well as methods for determining parameters of the models used.
  • model-based operation of certain systems such as a piezo common rail control valve
  • the accurate determination or adaptation of the model parameters is regularly necessary. This minimizes a deviation between the actual system behavior and simulated system behavior. Such deviations occur when the physical boundary conditions of the system change, Such disturbances or disturbances negatively influence the system.
  • the main gate size can be in piezoelectric actuators for the common rail Bet ⁇ eb of control valves, in particular the temperature, the change of Pola ⁇ sationsShes a piezoelectric actuator due to changing mechanical and electrical operating points and the deviation of the parameters due to specimen scattering.
  • a conventional modeling can be represented by the equivalent circuit diagram corresponding to FIG.
  • the serial electrical resistance Ro and the capacitance Co are present on the pump side of the electromechanical converter.
  • the electromechanical coupling takes place via the fac- Tor Nu from the voltage dropping across the capacitance Uc to the force Fu.
  • the force Fu affects the mechanical ⁇ compo nents on the secondary side, for example on the spring element with the stiffness k and damping element with which the Dampfungswert b.
  • the parameters Co and Nu are to be adapted when changing the system.
  • a change in the system may be, for example, a temperature change.
  • the parameters such as serial, electrical resistance Ro marseite on Pn and the mechanical Dampfungskonstante b are adjusted on the Se ⁇ kundarseite to adapt the simulated behavior of the real performance.
  • the invention has for its object to provide a method for reducing the parameters to be determined or adjusted, which are to be considered in model-based control of a piezoelectric actuator driven control valve.
  • the solution of this task is done in each case by the feature combination of the skin claims.
  • the invention is based on the fact that, starting from a previous general model for the determination of parameters, adjustments and optimizations by changing the model structure leads to a substantial simplification or minimization of the number of parameters to be adapted. This happens in the form that a special model structure arises through adaptation, with
  • a mechanical energy store in the form of a spring element of rigidity (ks) on the secondary side, a mechanical / electrical converter (2) with the coupling factor (Nu) and the resistance (Rb),
  • the actuator voltage and the actuator stroke can advantageously be evaluated.
  • the simulation error in the actuator voltage and in the actuator stroke is advantageously considered.
  • Changes in the polarization of the piezoelectric actuator also con- NEN advantageous over actuator voltage and actuator stroke to be evaluated, wherein the Realisie ⁇ tion of a so-called five-fold pulse is performed with constant electric actuation for each pulse depending on the operating point.
  • FIG. 1 shows the reduced modeling of a piezoactuator unit.
  • FIG. 2 shows an optimized piezoelectric model according to the invention
  • Figures 3 and 4 show the actuator voltage and with the actuator stroke of the actuator Empound temperature at a temperature compensation, wherein no optimum At ⁇ adjustment is present,
  • FIGS. 5 and 6 show, based on the simulation error of the actuator voltage and the actuator stroke, the emf of the actuator temperature during the temperature compensation, wherein only the coupling factor Nu is adjusted,
  • FIGS. 7 and 8 show deviations for 10 window units with regard to specimen scattering.
  • Figures 9 and 10 show the case of uniform parameters in the evaluation using the simulation lations Cons the actuator voltage and the actuator stroke when Betrach ⁇ tung the manufacturing tolerance
  • Figures 11 and 12 show the evaluation of actuator voltage and actuator stroke to ANPAS ⁇ adaptation when changing the Pola ⁇ sa- tion state of the piezoelectric actuator
  • FIGS. 13 and 14 each show a control profile for the actuator unit at a distance of 1.8 ms for a respective activity of 1 ms
  • FIG. 15 shows an evaluation of a pulse sequence , whereby a new initial value is started at each subsequent pulse.
  • the form of a model for a piezoelectric actuator shown in FIG. 1 corresponds to the modeling customary hitherto.
  • the electrical capacitance Co is on the P ⁇ marseite of the model, the electromechanical coupling via the factor Nu from the voltage dropping across the capacitance Uc to the force Fu, which acts on the mechanical components on the secondary side such as the spring element with the stiffness k and the damping element with the damping value b.
  • the parameters Co and Nu must be adapted to a change in the system, for example caused by temperature changes, polarization changes or specimen scattering. Further adjustments have to be made with regard to parameters such as serial resistance Ro on the primary side and mechanical damping constant b on the secondary side. This results in a total of three values that are to be processed when optimizing the known model.
  • FIG. 2 shows an adaptation-optimized piezoelectric model.
  • the electrical potential energy storage Co on the P ⁇ marseite replaced by a mechanical potential energy storage in the form of the spring element with the stiffness ks on the secondary side.
  • Electromechanical coupling is effected by the input variable charge current Ia through the coupling factor for Nu Ge ⁇ speed v at the mechanical point mass m.
  • the mechanical damping b is implemented by a representation coupled from the factor Nu and the resistance Rb.
  • FIG. 3 shows the influence of the actuator temperature on the system-sized actuator voltage and deflection / actuator stroke with constant electrical activation. It is a bandwidth of the temperature between 0 ° and 80 0 C set at a constant voltage signal of 25 volts. For the deflection according to FIG. 4, a bandwidth of up to 2 ⁇ m results. This means that for non-adapted models corresponding deviations between simulation and real distance have been found in this order of magnitude.
  • FIGS. 5 and 6 represent the respective simulation error for the actuator voltage or the actuator stroke, wherein an adapted model is used, so that only the Kop ⁇ pelcrest Nu is to be adjusted and all remaining parameters are considered to be constant.
  • the adaptation criterion for this is the deviation in the voltage with respect to the charging edge, in a range of 0 to 160 ⁇ s.
  • FIGS. 5 and 6 show that a uniform, very small error in the system-wide voltage and deflection / stroke can be achieved by adaptation over the entire temperature range.
  • the value for the coupling factor Nu is between 15.9 at 0 0 C and 19.1 at 80 0 C.
  • FIGS. 7 and 8 show the results and the bandwidth for the actuator voltage and for the actuator stroke, respectively, without any adaptation of the model according to the invention.
  • FIGS. 9 and 10 show that the bandwidths of the respective error can be greatly reduced if, according to the invention, the coupling factor Nu is adapted for the individual data sets. This compensates for the interference quantity of specimen scattering.
  • the Pola ⁇ sations In the treatment of the disturbance variable polarization state of the piezoelectric actuator, which affects the accuracy of the reconstruction of the internal state variables of piezoelectric actuators, the Pola ⁇ sationsSh the piezoelectric ceramic is considered. This changes as a function of a large number of internal and external boundary conditions such as temperature, electrical and mechanical operating point as well as the ratio between active and passive phases at the corresponding operating points.
  • Figures 11 and 12 show the execution of a so-called five-fold pulse with constant electrical control of the individual pulses.
  • the actuator unit is actively operated at a distance of 1.8 ms for 1 ms each. This sequence in turn is repeated cyclically with a period of 100 ms.
  • FIG. 15 again shows the relationships in the adaptation of the coupling factor Nu for the individual pulses.
  • the result shows that Nu is significantly higher for the first pulse than for the subsequent pulses.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Optimierung der Bestimmung oder Anpassung von Modellparametern beim Betrieb von Piezoaktor gesteuerten Ventilen, wobei in eine Modellstruktur derart angepasst wird, dass ein elektrischer Energiespeicher (Co) auf der Primärseite durch einen mechanischen Energiespeicher in Form eines Federelementes mit der Federsteifigkeit (ks) auf der Sekundärseite ersetzt wird, eine mechanische Dämpfung (b) durch einen mechanisch/elektrischen Wandler (2) mit dem Kopplungsfaktor (Nu) und dem Widerstand (Rb) dargestellt wird, eine Kopplung von Primär- und Sekundärseite von einem Eingangsstrom (Ia) über den Kopplungsfaktor (Nu) auf eine Geschwindigkeit (v) an einem mechanischen Massepunkt (3) dargestellt wird, und durch die Anpassung des Kopplungsfaktors (Nu) die Störgrößen - Temperatur, Exemplarstreuung, Polarisationszustand -kompensiert werden können. Weiterhin wird eine Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens beschrieben.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Optimierung der Bestimmung und/oder Anpassung von Modellparametern beim Betrieb von mit- tels Piezoaktoren gesteuerten Ventilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von nicht messbaren Systemgroßen bzw. zur Bestimmung der Parameter von verwendeten Modellen. Eine Anpassung dieser Parameter bei vorhandenen Störgrößen bzw. veränderten Randbedingungen ist in der Regel notwendig.
Um die Anforderungen, beispielsweise bei piezoelektrisch angesteuerten Einspritzventilen, hinsichtlich Geräuschs, Schad- Stoffbelastung oder auch hinsichtlich der Bauteilkosten zu optimieren, werden mathematische oder physikalische Modelle oder eine Kombination daraus angewandt. Dies ermöglicht es, sämtliche Parameter eines realen Systems, beispielsweise in einem Motor, optimal anzusteuern, wobei allgemeine Abweichun- gen zwischen einem Modell und einem zugehörigen realen System aufgrund von Störgrößen bzw. aufgrund von Veränderungen in den Randbedingungen eines Systems neu bestimmt bzw. angepasst werden können.
Sowohl in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen An- meldekennzeichen DE 10 2008 014 748 als auch in der DE 10 2008 014 749 werden modellbasierte Methoden zur Bestimmung von nicht messbaren Systemgroßen sowie Verfahren zur Bestimmung von Parametern der verwendeten Modelle vorgestellt.
Beim modellbasierten Betrieb bestimmter Systeme, wie beispielsweise eines Piezo-Common-Rail-Steuerventils, ist die genaue Bestimmung oder die Anpassung der Modellparameter regelmäßig notwendig. Dadurch wird eine Abweichung zwischen re- alem Systemverhalten und simuliertem Systemverhalten minimiert. Derartige Abweichungen treten dann auf, wenn sich die physikalischen Randbedingungen des Systems verandern, wobei derartige Störungen bzw. Störgrößen das System negativ beeinflussen .
Als Hauptstorgroßen können bei Piezoaktoren für den Common- Rail-Betπeb von Steuerventilen, insbesondere die Temperatur, die Änderung des Polaπsationszustandes eines Piezoaktors aufgrund wechselnder mechanischer und elektrischer Arbeitspunkte sowie die Abweichung der Parameter aufgrund von Exemplarstreuung sein.
Bisher müssen bei bekannten Modellen zur Kompensation derartiger Störgrößen insgesamt fünf Parameter mit Hilfe von im Stand der Technik vorgestellten Minimierungsverfahren bestimmt werden. Eine Minimierung im fünfdimensionalen Parame- terraum stellt dabei jedoch hohe Anforderungen an die benotigte Rechnerleistung . Eine Integration in standardisierte Steuergerate ist damit nicht realisierbar. Zusätzlich besteht die Gefahr der Detektion von Nebenminima, die eine ungewollte Abweichung zwischen simuliertem und realem System einbringen.
Zur Reduzierung der Anzahl der zu bestimmenden Großen werden häufig funktionale Zusammenhange zwischen den Parametern aufgestellt. Die Parametπsierung dieser Funktionalitäten muss dabei im Voraus in definierten Kalibrierlaufen erfolgen. Um für samtliche Parameter einen geschlossenen Ansatz zu finden, ist jedoch ein sehr hoher Aufwand notig, da sich die Abhängigkeiten nur durch Polynome hoher Ordnung beschreiben lassen. Eine Reduzierung der Anzahl der anzupassenden Parameter beim Piezo-Common-Rail-Steuerventil zur Kompensierung des Einflusses von Temperatur, Exemplarstreuung und/oder Polaπ- sationszustand auf beispielsweise weniger als vier Parameter ist bisher nicht bekannt.
Eine herkömmliche Modellierung kann durch das Ersatzschalt- bild entsprechend Figur 1 dargestellt werden. In Figur 1 sind auf der Pπmarseite des elektromechanischen Wandlers der serielle, elektrische Widerstand Ro und die Kapazität Co vorhanden. Die elektromechanische Kopplung erfolgt über den Fak- tor Nu von der an der Kapazität abfallenden Spannung Uc zu der Kraft Fu. Die Kraft Fu wirkt auf die mechanischen Kompo¬ nenten auf der Sekundarseite, beispielsweise auf das Federelement mit der Steifigkeit k und das Dampfungselement mit dem Dampfungswert b. Bei dieser Art der Modellierung sind die Parameter Co und Nu bei einer Veränderung des Systems zu adaptieren. Eine Veränderung des Systems kann beispielsweise eine Temperaturveranderung sein. Zusätzlich müssen die Parameter wie serieller, elektrischer Widerstand Ro auf der Pn- marseite und die mechanische Dampfungskonstante b auf der Se¬ kundarseite angepasst werden, um das simulierte Verhalten dem realen Betriebsverhalten anzupassen.
Untersuchungen des in Figur 1 dargestellten Systems ergaben, dass der Parameter k für die Piezosteifigkeit k auf der Sekundarseite gegenüber den Störgrößen wie Exemplarstreuung, Temperatur- und Polarisationszustand insensitiv ist und somit als konstant angenommen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung der zu bestimmenden oder anzupassenden Parameter anzugeben, die bei modellbasierter Steuerung eines Piezoaktor angetriebenen Steuerventils zu betrachten sind. Die Losung dieser Aufgabe geschieht jeweils durch die Merkmalskombmati- on der Hautanspruche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteranspruchen zu entnehmen .
Die Erfindung baut darauf auf, dass, ausgehend von einem bisherigen allgemeinen Modell zur Ermittlung von Parametern, Anpassungen und Optimierungen durch Veränderung der Modellstruktur zu einer wesentlichen Vereinfachung bzw. Minimierung der Anzahl der Parameter fuhrt, welche anzupassen sind. Dies geschieht in der Form, dass eine spezielle Modellstruktur durch Anpassung entsteht, mit
- pπmarseitig einem elektrischen Widerstand (Ro) und einem Eingangsstrom (Ia), - sekundarseitig einer mechanischen Steifigkeit (k) , eine me¬ chanischen Dampfung (b) und eine mechanischen Masse (m) ,
- einem mechanischen Energiespeicher in Form eines Federelementes der Steifigkeit (ks) auf der Sekundarseite, - einem mechanisch/elektrischen Wandler (2) mit dem Kopplungsfaktor (Nu) und dem Widerstand (Rb) ,
- Kopplung von Primär- und Sekundarseite von einem Eingangsstrom (Ia) über den Kopplungsfaktor (Nu) auf eine Geschwindigkeit (v) an einem mechanischen Massepunkt (3) .
Bei dieser Art der Modellierung ist es möglich, die Parameter wie Federsteifigkeit eines potentiellen, mechanischen Energiespeichers ks, die Piezosteifigkeit k sowie den Widerstand Rb vorteilhaft als konstante Werte anzusetzen. Dadurch können die beschriebenen Störgrößen durch eine alleinige Adaption des Koppelfaktors Nu kompensiert werden. Bisher war dazu die Bearbeitung der Parameter Koppelfaktor Nu, Kapazität Co und der mechanischen Dampfungskonstanten b notwendig.
Es zeigt sich in vorteilhafter Weise, dass der serielle Widerstand Ro als Funktion des Koppelfaktors Nu beschrieben werden kann.
Für die Kompensation von Temperatureinflüssen lassen sich vorteilhaft die Aktorspannung und der Aktorhub auswerten.
Für die Kompensation von Parametern hinsichtlich einer Streuung unter verschiedenen Piezoexemplaren wird vorteilhaft der Simulationsfehler bei der Aktorspannung und beim Aktorhub betrachtet. Veränderungen der Polarisation des Piezoaktors kon- nen ebenfalls vorteilhaft über Aktorspannung und Aktorhub ausgewertet werden, wobei je nach Arbeitspunkt die Realisie¬ rung eines so genannten Fünffachpulses mit konstanter elektrischer Ansteuerung für jeden Puls vorgenommen wird.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen Figuren Ausfuhrungsbeispiele beschrieben. Figur 1 zeigt die reduzierte Modellierung einer Piezoaktor-Emheit,
Figur 2 zeigt ein optimiertes Piezomodell entsprechend der Erfindung,
Figuren 3 und 4 zeigen Aktorspannung und Aktorhub mit dem Emfluss der Aktor- Temperatur bei einer Temperaturkompensation, wobei keine optimale An¬ passung vorliegt,
Figuren 5 und 6 zeigen anhand des Simulationsfeh- lers der Aktorspannung und des Aktorhubes den Emfluss der Aktor- Temperatur bei der Temperaturkompensation, wobei lediglich der Koppelfaktor Nu angepasst wird,
Figuren 7 und zeigen Abweichungen für 10 Seπen- Aktoremheiten hinsichtlich der Exemplarstreuung,
Figuren 9 und 10 zeigen bei einheitlichen Parametern in der Auswertung anhand des Simu- lationsfehlers der Aktorspannung und des Aktorhubes bei der Betrach¬ tung der Exemplarstreuung,
Figuren 11 und 12 zeigen die Auswertung von Aktorspannung und Aktorhub zur Anpas¬ sung bei Veränderung des Polaπsa- tionszustandes des Piezoaktors,
Figuren 13 und 14 zeigen jeweils ein Ansteuerungspro- fil für die Aktoreinheit im Abstand von 1,8 ms bei jeweiliger Aktivität von 1 ms, Figur 15 zeigt eine Auswertung einer Puls¬ folge, wobei bei jedem folgenden Puls von einem neuen Anfangswert gestartet wird.
Die in Figur 1 dargestellte Form eines Modells für einen Pie- zoaktor entspricht der bisher üblichen Modellierung. Bei dieser Variante befindet sich die elektrische Kapazität Co auf der Pπmarseite des Modells, die elektromechanische Kopplung erfolgt über den Faktor Nu von der an der Kapazität abfallenden Spannung Uc zu der Kraft Fu, welche auf die mechanischen Komponenten auf der Sekundarseite wirkt wie beispielsweise das Federelement mit der Steifigkeit k und das Dampfungsele- ment mit dem Dampfungswert b. Bei dieser Art der Modellierung sind die Parameter Co und Nu bei einer Veränderung des Systems, beispielsweise hervorgerufen durch Temperaturanderungen, Polaπsationsanderungen oder Exemplarstreuung, anzupassen. Weitere Anpassungen müssen hinsichtlich der Parameter wie serieller Widerstand Ro auf der Pπmarseite und mechanischer Dampfungskonstante b auf der Sekundarseite angepasst werden. Dies ergibt insgesamt drei Werte, die bei einer Optimierung des bekannten Modells zu bearbeiten sind.
In Figur 2 ist ein adaptionsoptimiertes Piezomodell dargestellt. Bei diesem ist, im Gegensatz zu Figur 1, der elektrische potentielle Energiespeicher Co auf der Pπmarseite durch einen mechanischen potentiellen Energiespeicher in Form des Federelementes mit der Steifigkeit ks auf der Sekundarseite ersetzt. Elektromechanische Kopplung erfolgt von der Eingangsgroße Ladestroms Ia über den Kopplungsfaktor Nu zur Ge¬ schwindigkeit v am mechanischen Massepunkt m. Zusatzlich ist bei diesem Modell die mechanische Dampfung b durch eine aus dem Faktor Nu und dem Widerstand Rb gekoppelten Darstellung umgesetzt.
Bei der Modellierung entsprechend Figur 2 ist es möglich, die Parameter ks, k und Rb als konstante Werte anzunehmen und die beschriebenen Störgrößen durch eine alleinige Adaption des Koppelfaktors Nu zu kompensieren. Untersuchungen haben ge¬ zeigt, dass sich der serielle Widerstand Ro als Funktion des Koppelfaktors Nu beschreiben lasst.
In den Figuren 3 bis 6 sind Auswertungen hinsichtlich der An¬ passung von Modellparametern zur Eliminierung von Storfakto- ren dargestellt. In diesem Fall wird die Temperaturkompensation betrachtet.
Die Figur 3 zeigt den Emfluss der Aktor-Temperatur auf die Systemgroßen Aktorspannung und Auslenkung/Aktorhub bei konstanter elektrischer Ansteuerung. Es ist eine Bandbreite der Temperatur zwischen 0° und 800C bei einem konstanten Span- nungssignal von 25 Volt angesetzt. Für die Auslenkung entsprechend Figur 4 ergibt sich eine Bandbreite von bis zu 2μm. Dies bedeutet, dass sich bei nicht adaptierten Modellen entsprechende Abweichungen zwischen Simulation und realer Strecke in dieser Größenordnung ergeben wurden.
Die Figuren 5 und 6 geben den jeweiligen Simulationsfehler für die Aktorspannung oder den Aktorhub wieder, wobei ein an- gepasstes Modell eingesetzt wird, so dass lediglich der Kop¬ pelfaktor Nu anzupassen ist und samtliche restlichen Parame- ter als konstant betrachtet werden. Das Adaptionskriterium ist hierfür die Abweichung in der Spannung bezogen auf die Ladeflanke, in einem Bereich von 0 bis 160 μs .
Den Figuren 5 und 6 ist zu entnehmen, dass sich durch Adapti- on über den gesamten Temperaturbereich ein einheitlicher, sehr geringer Fehler in den Systemgroßen Spannung und Auslenkung/Hub erzielen lasst. Der Wert für den Koppelfaktor Nu liegt dabei zwischen 15,9 bei 00C und 19,1 bei 800C.
Zur Kompensation der Exemplarstreuung geben die Figuren 7 und 8 sowie die Figuren 9 und 10 entsprechend Auskunft. Als Modellparameter wurden für samtliche Modellrechnungen einheitliche Parameter verwendet. Die Abweichungen ergeben sich aus dem Einsatz von 10 unterschiedlichen Seπen-Aktor- emheiten. Wird dabei eine Adaption des Koppelfaktors Nu für die einzelnen Datensatze für jede der 10 Serien-Aktoreinheiten vorgenommen, so ergeben sich die Figuren 9 und 10.
Die Figuren 7 und 8 zeigen die Ergebnisse bzw. die Bandbreite für die Aktorspannung bzw. für den Aktorhub, ohne dass eine Anpassung des Modells entsprechend der Erfindung vorgenommen worden ist.
Die Figuren 9 und 10 zeigen, dass die Bandbreiten des jeweiligen Fehlers stark herabgesetzt werden können, wenn entspre- chend der Erfindung der Koppelfaktor Nu für die einzelnen Datensatze angepasst wird. Damit wird die Störgröße Exemplarstreuung kompensiert.
Bei der Behandlung der Störgröße Polarisationszustand des Piezoaktors, welche die Genauigkeit der Rekonstruktion der inneren Zustandsgroßen von Piezoaktoren beeinflusst, ist der Polaπsationszustand der piezoelektrischen Keramik zu betrachten. Diese ändert sich in Abhängigkeit von einer Viel¬ zahl innerer und äußerer Randbedingungen wie etwa Temperatur, elektrischer und mechanischer Arbeitspunkt sowie dem Verhältnis zwischen aktiven und passiven Phasen bei den entsprechenden Arbeitspunkten.
Die Figuren 11 und 12 zeigen die Ausfuhrung eines so genann- ten Fünffachpulses mit konstanter elektrischer Ansteuerung der Einzelpulse. Bei dem gewählten Ansteuerungsprofil wird die Aktoreinheit im Abstand von 1,8 ms für jeweils 1 ms aktiv betrieben. Diese Sequenz wiederum wird mit einer Periodendauer von 100 ms zyklisch wiederholt.
Wie den Figuren 13 und 14 zu entnehmen ist, bei welchen die Einzelpulse zeitlich übereinander dargestellt sind, verhalt sich die Aktoreinheit beim ersten Ansteuerpuls anders als bei den weiteren vier folgenden Pulsen.
Die Spannung fallt für den ersten Puls niedriger aus als für den Folgepuls. Ebenso erreicht die Auslenkung/Hub zwischen der ersten und zweiten aktiven Phase nicht wieder den anfäng¬ lichen Nullpunkt, sonder startet für die Folgepulse von einem neuen Anfangswert, welcher für ca. 1 μm hoher liegt als der des ersten Pulses. Die Absolut-Auslenkungen, ausgehend von diesen Nulllagen, sind für alle Pulse identisch. Die beschriebenen Effekte sind dabei auf die Änderungen des Polaπ- sationszustandes zurückzuführen, welcher sich nach dem ersten aktiven Puls eingestellt hat. Die Zeitspanne von 100 ms zwischen den Fünffach-Zyklen reicht dabei wiederum aus, den ur- sprunglichen Zustand wiederherzustellen, so dass die Ausgangslage zu Beginn einer jeden Fünffach-Sequenz identisch ist.
Figur 15 zeigt wiederum die Verhaltnisse bei der Adaption des Koppelfaktors Nu für die einzelnen Pulse. Das Ergebnis zeigt, dass Nu für den ersten Puls deutlich hoher ausfallt als für die Folgepulse. Die Fehler bei einem adaptierten Modell zwischen Simulation und realem Verhalten, beispielsweise bei den Großen Spannung und Auslenkung/Hub fallen dabei in der glei- chen Größenordnung aus wie in den vorangegangen Beispielen. Es zeigt, dass es möglich ist, durch die alleinige Anpassung des Koppelfaktors Nu die Änderung des Polaπsationszustandes eines Piezoaktors zu kompensieren.
Durch die Reduzierung der Anzahl der anzupassenden Parameter ergibt sich direkt eine Reduzierung des Rechenaufwandes bei modellbasierten Verfahren. Insgesamt werden entsprechende Rechenverfahren robuster, da beispielsweise die Beseitigung von Nebenminima im Parameterfeld entfallt. Zur Parametπsierung des Verfahrens bzw. zur Darstellung des funktionellen Zusammenhangs zwischen Kopplungsfaktor Nu und seriellem Widerstand Ro ist lediglich ein geringer Aufwand notwendig.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Optimierung der Bestimmung oder Anpassung von Modellparametern beim Betrieb von mittels Piezoaktor ge- steuerten Ventilen, wobei m einer allgemeinen Modellstruktur
- auf der Pπmarseite ein elektrischer Widerstand (Ro) und ein elektrischer Energiespeicher (Co) vorhanden sind,
- auf der Sekundarseite eine mechanische Steifigkeit (k) , eine mechanische Dampfung (b) und eine Masse (m) vorhanden sind,
- die Kopplung von Primär- und Sekundarseite von der elektrischen Spannung auf eine mechanische Kraft (Fu) , vermittelt über den Kopplungsfaktor (Nu) , durchfuhrt wird,
- wobei zur Anpassung an eine reale Strecke die Parameter - elektrischer Energiespeicher (Co) , elektrischer Widerstand
(Ro) , Kopplungsfaktor (Nu) , mechanische Dampfung (b) - des Modells angepasst werden müssen, gekennzeichnet durch
- Ersetzen des elektrischen Energiespeichers (Co) auf der Pπmarseite durch einen mechanischen Energiespeicher in
Form eines Federelementes mit der Federsteifigkeit (ks) auf der Sekundarseite,
- Ersetzen der mechanischen Dampfung (b) durch einen mecha¬ nisch/elektrischen Wandler (2) mit dem Kopplungsfaktor (Nu) und dem Widerstand (Rb) ,
- Kopplung von Primär- und Sekundarseite von einem Eingangsstrom (Ia) über den Kopplungsfaktor (Nu) auf eine Geschwindigkeit (v) an einem mechanischen Massepunkt (3),
- Anpassung des Kopplungsfaktors (Nu) zur Kompensation von Störgrößen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Federsteifigkeit (ks) und Widerstand (Rb) als konstant angenommen werden und lediglich (Nu) anzupassen ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der serielle Widerstand (Ro) eine Funk¬ tion des Kopplungsfaktors (Nu) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Anpassung des Kopplungs¬ faktors (Nu) die Störgrößen - Temperatur, Exemplarstreuung, Polaπsationszustand - kompensiert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation von Störgrößen anhand der Spannung wahrend einer Ladeflanke ausgewertet wird.
6. Anordnung zur Durchfuhrung eines Verfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 - 5 bestehend aus: einer speziellen Modellstruktur mit
- pπmarseitig einem elektrischen Widerstand (Ro) und einem Eingangsstrom (Ia), wobei ein Energiespeicher als mechanischer Energiespeicher in Form eines Federelementes mit der Federsteifigkeit (ks) auf der Sekundarseite vorhanden ist,
- sekundarseitig einer mechanischen Steifigkeit (k) , eine mechanischen Dampfung (b) und eine Masse (m) ,
- einem mechanisch/elektrischen Wandler (2) mit dem Kopp¬ lungsfaktor (Nu) und dem Widerstand (Rb) zur Darstellung der mechanischen Dampfung (b) ,
- Kopplung von Pπmar- und Sekundarseite von einem Eingangsstrom (Ia) über den Kopplungsfaktor (Nu) auf eine Geschwindigkeit (v) an einem mechanischen Massepunkt (3) .
- Anpassung des Kopplungsfaktors (Nu) um die Störgrößen - Temperatur, Exemplarstreuung, Polaπsationszustand - zu kompensieren .
PCT/EP2010/052066 2009-02-26 2010-02-18 Verfahren und anordnung zur optimierung der bestimmung und/oder anpassung von modellparametern beim betrieb von mittels piezoaktoren gesteuerten ventilen WO2010097330A1 (de)

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DE102009010634.0 2009-02-26

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