WO2019081600A1 - Model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless electromagnetic actuator - Google Patents

Model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless electromagnetic actuator

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WO2019081600A1
WO2019081600A1 PCT/EP2018/079204 EP2018079204W WO2019081600A1 WO 2019081600 A1 WO2019081600 A1 WO 2019081600A1 EP 2018079204 W EP2018079204 W EP 2018079204W WO 2019081600 A1 WO2019081600 A1 WO 2019081600A1
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model
electromagnetic actuator
characteristic
reference characteristic
current
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PCT/EP2018/079204
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Rolf Hermann
Nail Sabitov
Vladimir Kireev
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Ilmenauer Mechatronik GmbH
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    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1855Monitoring or fail-safe circuits using a stored table to deduce one variable from another

Definitions

  • the invention relates to a method for model-based Be ⁇ humor and evaluation of functional states of a sensorlo ⁇ sen electromagnetic actuator, in particular a complex, electromagnetic actuator, and a device for operating at least of such a sensor-less electromagnetic
  • Electromagnetic actuators are known from the prior art in different embodiments. Often, electromagnetic actuators are equipped with sensors that are used for functional testing. Such a
  • Electromagnetic actuator is previously known for example from DE 10 2009 042 777 AI, which has a current measuring device and a magnetic field sensor. During operation of the electromagnetic actuator, the measured data are compared with stored values of a characteristic to determine an anchor position.
  • DE 10 2011 075 935 B4 discloses a method and an on ⁇ direction for the determination of functional states of an electro ⁇ magnetic actuator, through the test sensorlessnosersüber- of the electromagnetic actuator is realized which, upon detection and analysis of measurement data for Feldgrö ⁇ SEN , such as a magnetic flux density or a magnetic field strength, verz waives.
  • the chain- linked magnetic flux is detected by means of the current and voltage measurement in the excitation circuit of the magnetic field, and functional states are determined on the basis of a comparison between a magnetic reference characteristic curve and an actual characteristic curve.
  • a method and apparatus for operating a elekt ⁇ romagnetica are known from DE 10 2008 054 877 AI before ⁇ known, comprising a mathematical model which with ⁇ means of the measured in the exciter circuit current and voltage values information about a motion and / or expansion
  • a disadvantage of this prior art is that electromagnetic actuators have te sensorbasier ⁇ a great need for installation space and additional connection lines for the sensor or sensors are required. Sensors are sensitive to environmental and operating conditions and are therefore error-prone.
  • Sensorless electromagnetic actuators allow a reduction in the required installation space, but such systems are often sensitive to environmental and environmental factors
  • the aim of the present invention is to provide a method for the model-based determination and evaluation of
  • Actuator in particular a complex, electromagnetic actuator, and a device for operating at least one such sensorless electromagnetic actuator
  • Measured quantities current and voltage can be determined with a stored in a control and evaluation unit model of the electromagnetic actuator without the use of a sensor.
  • the inventive method for model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless elekt ⁇ romagnetica actuator, in particular a complex, electro ⁇ magnetic actuator with the features of claim 1, has compared to the prior art has the advantage that a Po ⁇ sitionerkennung and control, force control, speed measurement and control, Hysteresekompensati ⁇ on, ZuStandsüberwachung, noise reduction and wear control can be realized. This will
  • sensorless electromagnetic actuator having at least one movable armature providing at least one
  • a reference characteristic is provided.
  • the reference characteristic describes the chained one electromagnetic flux as a function of the current in the excitation circuit and the position of the armature.
  • the reference characteristic is stored as a tabular function in the model. This results in the advantage that in the normal operating state of the electromagnetic actuator no additional adjustment must be performed. According to a further advantageous embodiment of the
  • the temperature has one
  • the model a spring ⁇ modeling and / or a Reibmodell ist and / or a zmodell In ⁇ pulseradossat and / or comprises a hydrodynamic model, whereby the behavior of the electromagnetic actuator is modeled.
  • the complete simulation of the electromagnetic actuator in the model allows, for example, a position detection and control, as well as a force control, a speed measurement and control, through which the armature can be operated particularly low wear, and the generation of noise, for example, the sudden
  • Closing or opening a valve can be reduced.
  • the hysteresis model allows the connection with physical parameters of the magnetic material of the electromagnetic actuator and allows calculation of hysteresis loops for
  • Excitation current and from the anchor position is pre ⁇ see that the model for a Nullreteversat into account at least one characteristic.
  • the constricting vorlie ⁇ certain functional states comprise a position and / or force of the armature, and / or a speed of the armature and / or detection of
  • the functional states stands with the aid of the model during operation of the electromagnetic actuator, ⁇ rule at the same time or are calculated at different times.
  • ⁇ rule at the same time or are calculated at different times.
  • Characteristics of the electromagnetic actuator in particular a material or processing quality, is fair. At a certain level of dispersion is an individual
  • the present invention relates to a device for operating at least one such sensorless
  • electromagnetic actuator with an armature comprising at least one control and evaluation unit which is connected by means of an exciter circuit with the electromagnetic actuator, wherein in the control and evaluation unit a model is deposited, wherein the control and evaluation unit a current I and a voltage U of the exciter circuit of the
  • the functional states are based on a
  • Temperature sensor is provided, and that by the Temperature sensor is the temperature of the electromagnetic actuator detected, reducing the influence of temperature on the
  • the actuator temperature can be compensated.
  • the actuator temperature can be compensated.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the invention
  • Figure 2 is a simplified block diagram of a first
  • Figure 3 is a simplified block diagram of a second
  • Embodiment of Figure 1 with an additional temperature sensor and Figure 4 is a simplified representation of a reference characteristic of the concatenated magnetic flux as a function of a measured current in the excitation circuit and the position of the armature of the electromagnetic actuator, and a modeled by a mathematical model modeled characteristic.
  • Preferred embodiment of the invention
  • the device 1 comprises a control and evaluation unit 5, an electromagnetic actuator 3 and an electrical excitation circuit 8, through which the electromagnetic actuator 3 is electrically connected to the control and evaluation unit 5.
  • the electromagnetic actuator 3 has at least one coil L for generating a magnetic field.
  • the electromagnetic actuator 3 also has a movable armature 4, whose one position ⁇ is variable depending on the generated magnetic field.
  • control and evaluation unit 5 and the electromagnetic ⁇ cal actuator 3 are spaced - so spatially separated
  • the excitation circuit 8 is formed from at least one electrical line 7, which transmits the electrical AnSteuer ashamedn and through which the armature 4 in a movement or. Extension to a position ⁇
  • Evaluation unit 5 the current i (t) and the voltage u (t) time resolved, wherein the temporal resolution is chosen sufficiently high to the adjustment of the armature 4 of the
  • u (t) i (t) x R + - the concatenated magnetic flux ⁇ (i, ⁇ ) determines which of the current I and the position ⁇ of the armature 4 is dependent.
  • the acquired measurement data or measurement series u (t) and i (t) are then integrated according to the above-mentioned equation by means of a suitable numerical method in order to calculate the concatenated magnetic flux ⁇ .
  • a reference characteristic Kl is in one
  • Calibration determines which the chained magnetic flux ⁇ in a known or. standardized environment as a function of the current I in the excitation circuit and the position of the armature 4 describes.
  • Such a reference characteristic Kl can be seen in FIG.
  • Actuators 3 selected and measured to a batch and / or genus typical magnetic reference characteristic Kl zu
  • Modellpa ⁇ parameters such as eddy currents, heat, friction and reaction forces for a mathematical model 11 are determined during calibration.
  • the mathematical model 11 is created with a simulation system such as MATLAB-Simulink and stored in the control and evaluation unit 5 of the respective device 1.
  • the reference characteristic Kl is stored as a tabular function on a storage medium 10 in the control and evaluation unit 5 and serves in addition to the measured current i (t) and the voltage u (t) as input to the mathematical model 11, based on which the modeled characteristics
  • the mathematical model 11 comprises at least one hysteresis ⁇ modeling Ml. Furthermore, the mathematical model 11 may include an eddy current modeling M2, a Reibmodellierung M3, a spring model M4, a pulse conservation model M5 and / or a hydrodynamic model M6 to play recreate the best possible way the electromagnetic actuator 3 of a Magnetven ⁇ TILs in ⁇ . Modular-the mathematical ⁇ specific model 11 can be adapted to the area of application of the electromagnetic actuator 3, so that the mathematical model 11 different modules and expansion stages depending on the type of desired and regulated size and the functional state to be detected possesses. A network with its own constant and changeable
  • Modeling M to map the behavior of the operation of the electromagnetic actuator 3 realistic and to capture the operating size on the basis of the modeled characteristic Kl ⁇ .
  • the modeled characteristics Kl ⁇ corresponds to an approximation of the reference characteristic curve Kl obtained during the calibration to the real ambient conditions.
  • the functional states in the control and evaluation unit 5 are calculated at the same time.
  • the functional states comprise ⁇ the position, speed and acceleration of the armature 4.
  • the control TM and Auswer ⁇ processing unit 5 thus an "observer”.
  • Can In addition to the functional states fault conditions by comparing the measured quantities can be detected with the predetermined variables specified by the modeled characteristic curve K 1
  • Calculation of the functional states allows a position, force and speed control of the armature 4 and thus the determination of the dynamic characteristics of the armature 4 at each time of movement.
  • Such a controlled and CONTROL ⁇ profiled armature 4 can be braked, for example, prior to reaching an end position, in order to reduce an abrupt deceleration in case of impact with a stop. Due to the active control of the armature 4 collision noise and the
  • the device 1 according to figure 3 further comprises a temperature ⁇ turfühler 9 by which the temperature is detected T of the electromagnetic actuator.
  • a temperature ⁇ turfühler 9 by which the temperature is detected T of the electromagnetic actuator. 3 Due to the temperature sensor 9 and the continuous detection of the temperature i9 (t), the temperature influence in the mathematical model 11 can be taken into account.
  • the viscosity of the medium surrounding the armature 4 is highly temperature-dependent.
  • the temperature does not necessarily have to be detected directly at the electromagnetic actuator 3.
  • the size of the electromagnetic actuator 3 is thus kept small.
  • the current i (t), the voltage u (t), the temperature $ (t) and the reference characteristic Kl are provided according to this exemplary embodiment.
  • the figure 4 is shown in a simplified reference characteristic curve Kl, as well as the calculated by means of the mathematical model 11 first modeled characteristic Kl ⁇ .
  • the batches TM and or gattungsspez ifische reference magnetic characteristic Kl of the concatenated magnetic flux ⁇ in dependence on the current I and the position ⁇ of the actuator 4 is shown in Figure 4 as a solid line, during which the calculated by means of the mathematical model 11 modeled characteristic Kl ⁇ dashed is shown and the mathematical model 11 takes into account a Nullversversat z of the first characteristic.
  • the course of the magnetic reference characteristic Kl and the modeled characteristic curve Kl ⁇ corresponds to the course of the electromagnetic actuator, wherein the armature 4 of a first
  • Position 51 is moved to a second position 52.
  • the reference characteristic Kl resp. the modeled characteristic Kl ⁇ of the concatenated magnetic flux can be divided into four From ⁇ sections AI, A2, A3 and A4, one wherein the first portion Al of the first anchor position 51 corresponds to, the Ab ⁇ section A2 a tightening operation of the armature 4 between the first Position 51 and the second position 52, the third portion of the second position 52 and the fourth portion A4 a Ab ⁇ falling operation of the armature 4, in which the armature 4 changes back from the second position 52 to the first position 51.
  • the second section A2 and the fourth section A4 represent, for example, in a solenoid valve operated with an electromagnetic actuator 3, the opening and closing of the valve.
  • section AI the valve is closed, and in the
  • Section A3 opened the waste process is typically caused by a return spring.
  • Modeled characteristic curve Kl ⁇ on the one hand the position of the armature 4 can be uniquely determined, on the other hand, for example, error conditions can be determined uniquely.
  • a method for model-based determination and evaluation of function can according to the invention states of a sensor ⁇ loose electromagnetic actuator 3 and an apparatus 1 with such a sensor-less electromagnetic actuator are provided 3 which is a position detection and control, a force control of the armature, a VELOCITY capability measurement and control of the armature 4, as well as egg ⁇ ne hysteresis compensation, a condition monitoring, a

Abstract

The invention relates to a method for model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless electromagnetic actuator (3) with at least one movable armature (4), the method comprising the following steps: - providing a reference characteristic curve (K1), - detecting a current i(t) and a voltage u(t) of an exciter circuit (8) of the electromagnetic actuator (3), - calculating at least one modelled characteristic curve (K1') by means of a model (11) and the at least one reference characteristic curve (K1), wherein the model (11) forms the at least one modelled characteristic curve (K1') by an adaptation with at least one hysteresis modelling (M1) depending on the measured current i(t) and the measured voltage u(t) of the reference characteristic curve (K1), and - evaluating and determining the functional states by comparing the measurement signals (i(t), u(t)) with the at least one modelled characteristic curve (K1').

Description

Modellbasierte Bestimmung und Auswertung von Funktions zustän¬ den eines sensorlosen elektromagnetischen Aktors Model-based identification and evaluation of functional competent ¬ a sensorless electromagnetic actuator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Be¬ stimmung und Auswertung von Funktions zuständen eines sensorlo¬ sen elektromagnetischen Aktors , insbesondere eines komplexen, elektromagnetischen Aktors , sowie eine Vorrichtung zum Betrieb wenigstens eines solchen sensorlosen elektromagnetischen The invention relates to a method for model-based Be ¬ humor and evaluation of functional states of a sensorlo ¬ sen electromagnetic actuator, in particular a complex, electromagnetic actuator, and a device for operating at least of such a sensor-less electromagnetic
Aktors . Actor.
Elektromagnetische Aktoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt . Oftmals sind elektromagnetische Aktoren mit Sensoren ausgestattet , welche zur Funktionsüberprüfung verwendet werden . Ein solcher Electromagnetic actuators are known from the prior art in different embodiments. Often, electromagnetic actuators are equipped with sensors that are used for functional testing. Such a
elektromagnetischer Aktor ist beispielsweise aus der DE 10 2009 042 777 AI vorbekannt , welcher eine StrommessVorrichtung und einen Magnetfeldsensor aufweist . Während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors werden die gemessenen Daten mit abgespeicherten Werten einer Kennlinie verglichen, um eine Ankerposition zu ermitteln . Electromagnetic actuator is previously known for example from DE 10 2009 042 777 AI, which has a current measuring device and a magnetic field sensor. During operation of the electromagnetic actuator, the measured data are compared with stored values of a characteristic to determine an anchor position.
DE 10 2011 075 935 B4 offenbart ein Verfahren und eine Vor¬ richtung zur Ermittlung von Funktions zuständen eines elektro¬ magnetischen Aktors , durch das eine sensorlose Funktionsüber- prüfung des elektromagnetischen Aktors realisiert ist , welche auf eine Erfassung und Auswertung von Messdaten für Feldgrö¬ ßen, wie beispielsweise einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Feldstärke , verz ichtet . Hierzu ist der ver¬ kettete magnetische Fluss mittels der Strom- und Spannungsmes- sung im Erregerkreis des Magnetfelds erfasst und anhand eines Vergleiches zwischen einer magnetischen Referenzkennlinie und einer Ist-Kennlinie werden Funktionszustände ermittelt . Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elekt¬ romagnetischen Aktors sind aus der DE 10 2008 054 877 AI vor¬ bekannt, das ein mathematisches Modell umfasst , welches mit¬ tels der im Erregerkreis gemessenen Strom- und Spannungswerte Informationen über eine Bewegung und/oder Ausdehnung DE 10 2011 075 935 B4 discloses a method and an on ¬ direction for the determination of functional states of an electro ¬ magnetic actuator, through the test sensorless Funktionsüber- of the electromagnetic actuator is realized which, upon detection and analysis of measurement data for Feldgrö ¬ SEN , such as a magnetic flux density or a magnetic field strength, verz waives. For this purpose, the chain- linked magnetic flux is detected by means of the current and voltage measurement in the excitation circuit of the magnetic field, and functional states are determined on the basis of a comparison between a magnetic reference characteristic curve and an actual characteristic curve. A method and apparatus for operating a elekt ¬ romagnetischen actuator are known from DE 10 2008 054 877 AI before ¬ known, comprising a mathematical model which with ¬ means of the measured in the exciter circuit current and voltage values information about a motion and / or expansion
ermittelt . determined.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist , dass sensorbasier¬ te elektromagnetische Aktoren einen großen Bedarf an Bauraum haben und zusätzliche Anschlussleitungen für den oder die Sensoren benötigt werden . Sensoren sind empfindlich gegenüber Umwelt- und Einsat zbedingungen und somit fehleranfällig . A disadvantage of this prior art is that electromagnetic actuators have te sensorbasier ¬ a great need for installation space and additional connection lines for the sensor or sensors are required. Sensors are sensitive to environmental and operating conditions and are therefore error-prone.
Sensorlose elektromagnetische Aktoren ermöglichen dagegen eine Reduzierung des benötigten Bauraums , jedoch sind derartige Systeme oft empfindlich gegenüber Umwelt- und Sensorless electromagnetic actuators, on the other hand, allow a reduction in the required installation space, but such systems are often sensitive to environmental and environmental factors
Einsatzbedingungen des elektromagnetischen Aktors und sind fehleranfällig insbesondere im Hinblick auf Verschleiß . Operating conditions of the electromagnetic actuator and are susceptible to errors, especially with regard to wear.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel , ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung und Auswertung von The aim of the present invention is to provide a method for the model-based determination and evaluation of
Funktions zuständen eines sensorlosen elektromagnetischen Functional states of a sensorless electromagnetic
Aktors, insbesondere eines komplexen, elektromagnetischen Aktors , sowie eine Vorrichtung zum Betrieb wenigstens eines solchen sensorlosen elektromagnetischen Aktors Actuator, in particular a complex, electromagnetic actuator, and a device for operating at least one such sensorless electromagnetic actuator
bereitzustellen, bei dem relevante Betriebsgrößen des to provide the relevant operating sizes of the
elektromagnetischen Aktors durch einen Vergleich der electromagnetic actuator by comparing the
Messgrößen Strom und Spannung mit einem in einer Steuer- und Auswertungseinheit hinterlegten Modell des elektromagnetischen Aktors ohne Einsatz eines Sensors ermittelt werden können . Measured quantities current and voltage can be determined with a stored in a control and evaluation unit model of the electromagnetic actuator without the use of a sensor.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur modellbasierten Bestimmung und Auswertung von Funktionszuständen eines sensorlosen elekt¬ romagnetischen Aktors, insbesondere eines komplexen, elektro¬ magnetischen Aktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass eine Po¬ sitionserkennung und -regelung, eine Kraftregelung, eine Ge- schwindigkeitsmessung und -regelung, eine Hysteresekompensati¬ on, eine ZuStandsüberwachung, eine Geräuschreduzierung und eine Verschleißkontrolle realisierbar sind . Dies wird The inventive method for model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless elekt ¬ romagnetischen actuator, in particular a complex, electro ¬ magnetic actuator with the features of claim 1, has compared to the prior art has the advantage that a Po ¬ sitionerkennung and control, force control, speed measurement and control, Hysteresekompensati ¬ on, ZuStandsüberwachung, noise reduction and wear control can be realized. this will
erfindungsgemäß dadurch erreicht , dass das Verfahren zum According to the invention achieved in that the method for
Bestimmen und Auswerten von Funktions zuständen eines Determining and evaluating functional states of a
sensorlosen elektromagnetischen Aktors mit mindestens einem bewegbaren Anker das Bereitstellen von mindestens einer sensorless electromagnetic actuator having at least one movable armature providing at least one
Referenzkennlinie, das Erfassen eines Stroms und einer Reference characteristic, the detection of a current and a
Spannung in einem Erregerkreis des elektromagnetischen Aktors , die Berechnung von mindestens einer modellierten Kennlinie mittels eines Modells, wobei das Modell die mindestens eine modellierte Kennlinie durch eine Anpassung mit mindestens einer Hysteresemodellierung in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung und der Referenzkennlinie bildet, und das Auswerten und Bestimmen der Funktions zustände durch einen Vergleich der Messsignale mit der mindestens einen auf dem Modell basierenden Kennlinie umfasst . Hierdurch ist ein gegenüber Umwelt- und Einsat zbedingungen unempfindliches Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Funktions zustände eines elektromagnetischen Aktors bereitgestellt , das zuver- lässig eine permanente Zustands- und Verschleißüberwachung ermöglicht , eine Miniaturisierung des elektromagnetischen Aktors ermöglicht und aufgrund einer Kraftregelung und/oder Geschwindigkeitsmessung und -regelung eine verschleißarme Anwendung des elektromagnetischen Aktors ermöglicht . Voltage in an exciter circuit of the electromagnetic actuator, the calculation of at least one modeled characteristic curve by means of a model, wherein the model forms the at least one modeled characteristic curve by an adaptation with at least one hysteresis modeling function of the measured current and the measured voltage and the reference characteristic, and the evaluation and determining the functional states by comparing the measured signals with the at least one model based on the characteristic curve comprises. This provides a process which is insensitive to environmental and operational conditions for the model-based determination of the functional states of an electromagnetic actuator which reliably permits permanent status and wear monitoring, permits miniaturization of the electromagnetic actuator and, due to force regulation and / or speed measurement and regulation allows a low-wear application of the electromagnetic actuator.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der The dependent claims show preferred developments of
Erfindung . Invention.
Vorzugsweise ist eine Referenzkennlinie bereitgestellt . Die Referenzkennlinie beschreibt den verketteten elektromagnetischen Fluss in Abhängigkeit von dem Strom im Erregerkreis und der Position des Ankers . Preferably, a reference characteristic is provided. The reference characteristic describes the chained one electromagnetic flux as a function of the current in the excitation circuit and the position of the armature.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Referenzkennlinie als tabellarische Funktion in dem Modell hinterlegt ist . Daraus ergibt sich der Vorteil , dass im normalen Betriebs zustand des elektromagnetischen Aktors kein zusätzlicher Abgleich durchgeführt werden muss . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der In one embodiment of the invention, it is provided that the reference characteristic is stored as a tabular function in the model. This results in the advantage that in the normal operating state of the electromagnetic actuator no additional adjustment must be performed. According to a further advantageous embodiment of the
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die modellierten Kennlinien mittels des Modells in Abhängigkeit von den im Erregerkreis gemessenen Strom und Spannung und einer The present invention provides that the modeled characteristic curves by means of the model as a function of the current and voltage measured in the excitation circuit and a
Temperatur berechnet werden . Die Temperatur hat einen Temperature to be calculated. The temperature has one
wesentlichen Einfluss auf das Betriebsverhalten des significant influence on the operating behavior of the
elektromagnetischen Aktors , da vor allem der Wicklungs¬ widerstand und ggf . die auf den Anker wirkenden Reib und Gegenkräfte stark von dieser abhängig sind . Darüber hinaus ist es vorteilhaft , wenn das Modell eine Feder¬ modellierung und/oder eine Reibmodellierung und/oder ein Im¬ pulserhaltungssat zmodell und/oder ein hydrodynamisches Modell umfasst , wodurch das Verhalten des elektromagnetischen Aktors nachgebildet ist . Die vollständige Nachbildung des elektromag- netischen Aktors in dem Modell ermöglicht beispielsweise eine Positionserkennung und -regelung, sowie eine Kraftregelung, eine Geschwindigkeitsmessung und -regelung, durch die der Anker besonders verschleißarm betrieben werden kann, und die Geräuschentstehung, beispielsweise beim schlagartigen electromagnetic actuator, since especially the winding ¬ resistance and possibly. the friction acting on the anchor and counterforce are strongly dependent on it. Moreover, it is advantageous if the model a spring ¬ modeling and / or a Reibmodellierung and / or a zmodell In ¬ pulserhaltungssat and / or comprises a hydrodynamic model, whereby the behavior of the electromagnetic actuator is modeled. The complete simulation of the electromagnetic actuator in the model allows, for example, a position detection and control, as well as a force control, a speed measurement and control, through which the armature can be operated particularly low wear, and the generation of noise, for example, the sudden
Schließen oder Öffnen eines Ventils , reduziert werden kann . Closing or opening a valve can be reduced.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass eine Hysteresemodellierung implementiert ist . Das Hysteresemodell ermöglicht die Verbindung mit physikalischen Parametern des magnetischen Materials des elektromagnetischen Aktors und ermöglicht eine Berechnung der Hystereseschleifen für Furthermore, it has proven to be advantageous that a hysteresis modeling is implemented. The hysteresis model allows the connection with physical parameters of the magnetic material of the electromagnetic actuator and allows calculation of hysteresis loops for
Magnetfluss- und Kraftverläufe in Abhängigkeit vom Magnetic flux and force courses as a function of
Erregerstrom und von der Ankerposition . In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorge¬ sehen, dass das Modell einen Nullpunktversat z mindestens einer Kennlinie berücksichtigt . Der Nullpunktversat z der Re- ferenzkennlinie bzw. der modellierten Kennlinie des Excitation current and from the anchor position. In a particular embodiment of the invention is pre ¬ see that the model for a Nullpunktversat into account at least one characteristic. The zero offset z of the reference characteristic or the modeled characteristic of the
verketteten magnetischen Flusses in Abhängigkeit von dem Strom und der Position soll die Vormagnetisierung und die Restmag¬ netkraft durch Remanenz Br des Magnetmaterials berücksich¬ tigen . Sie hängen nur von der VorbeStrömung ab und bleiben ab dem zweiten Schalt- bzw . Bestromungszyklus nahezu konstant . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorlie¬ genden Erfindung umfassen die bestimmten Funktions zustände eine Position, und/oder eine Kraft des Ankers , und/oder eine Geschwindigkeit des Ankers und/oder eine Erfassung von interlinked magnetic flux in response to the current and the position is to the bias and the Restmag ¬ netkraft by remanence Br of the magnetic material into account ¬ term. They depend only on the VorbeStrömung and remain from the second switching or. Bestrungszyklus almost constant. According to a further advantageous embodiment of the invention, the constricting vorlie ¬ certain functional states comprise a position and / or force of the armature, and / or a speed of the armature and / or detection of
Fehlerzuständen und/oder eine Verschleißkontrolle . Error conditions and / or a wear control.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft , wenn die Funktionszu- stände mit Hilfe des Modells beim Betrieb des elektromagneti¬ schen Aktors zeitgleich oder zeitversetzt berechnet sind . Bei einer zeitgleichen Bestimmung und Auswertung der Funktionszu- stände sind nach Art eines regelungstechnisehen Beobachters auch Funktions zustände verifizierbar, die im normalen Betrieb des elektromagnetischen Aktors nicht gemessen werden können . Somit ist eine Erfassung der Funktions zustände bei Aktoren, deren Anker aufgrund der Einsatz- und/oder Umgebungsbedin- gungen nicht unmittelbar zugänglich ist , allein durch den regelungstechnisehen Beobachter möglich . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Referenzkennlinie Furthermore, it is particularly advantageous when the functional states stands with the aid of the model during operation of the electromagnetic actuator, ¬ rule at the same time or are calculated at different times. In the case of a simultaneous determination and evaluation of the functional states, it is also possible, in the manner of a control-related observer, to verify functional states which can not be measured during normal operation of the electromagnetic actuator. Thus, a detection of the functional states in actuators whose anchor is not directly accessible due to the operational and / or environmental conditions, only by the control-technical observer possible. According to a further advantageous embodiment of the present invention, the reference characteristic
gattungsspezifisch (gemittelt für alle Aktoren gleichen Typs ) und/oder chargenspezifisch (gemittelt über eine genus specific (averaged for all actuators of the same type) and / or lot specific (averaged over a
FertigungsCharge) erfasst . Diese gattungsspezifischen oder chargenspezifischen Referenzkennlinie ermöglicht eine Production charge). This generic or batch specific reference characteristic allows one
Anpassung an die spezifischen und individuellen Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Aktors , wodurch das Modell den individuellen elektromagnetischen oder mechanischen Adaptation to the specific and individual characteristics of the electromagnetic actuator used, which makes the model the individual electromagnetic or mechanical
Eigenschaften des elektromagnetischen Aktors , wie insbesondere einer Material- oder Verarbeitungsqualität , gerecht wird . Ab einem gewissen Streuungsniveau ist eine individuelle Characteristics of the electromagnetic actuator, in particular a material or processing quality, is fair. At a certain level of dispersion is an individual
Referenzkennlinie für jeden einzelnen Aktor unter definierten Bedingungen (Temperatur, Einbaulage, Gegenkraft ) zu erfassen . Reference characteristic curve for each individual actuator under defined conditions (temperature, mounting position, counterforce).
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Betrieb wenigstens eines solchen sensorlosen Furthermore, the present invention relates to a device for operating at least one such sensorless
elektromagnetischen Aktors mit einem Anker, die wenigstens eine Steuer- und Auswertungseinheit umfasst , die mittels eines Erregerkreises mit dem elektromagnetischen Aktor verbunden ist , wobei in der Steuer- und Auswertungseinheit ein Modell hinterlegt ist , wobei die Steuer und Auswertungseinheit einen Strom I und eine Spannung U des Erregerkreises des electromagnetic actuator with an armature comprising at least one control and evaluation unit which is connected by means of an exciter circuit with the electromagnetic actuator, wherein in the control and evaluation unit a model is deposited, wherein the control and evaluation unit a current I and a voltage U of the exciter circuit of the
elektromagnetischen Aktors erfasst , wobei dem Modell detected electromagnetic actuator, the model
mindestens eine Referenzkennlinie bereitgestellt ist und wobei die Steuer- und Auswertungseinheit mittels des Modells eine modellierte Kennlinie beim Betrieb des elektromagnetischen Aktors zur Bestimmung des oder der Funktions zustände at least one reference characteristic is provided and wherein the control and evaluation unit by means of the model a modeled characteristic during operation of the electromagnetic actuator for determining the or the functional states
berechnet . Die Funktions zustände werden anhand eines calculated. The functional states are based on a
Vergleichs zwischen der wenigstens einen modellierten und einer messtechnisch ermittelten Kennlinie bestimmt . Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Comparison determined between the at least one modeled and a metrologically determined characteristic. In addition, it is particularly advantageous when a
Temperaturfühler vorgesehen ist , und dass durch den Temperaturfühler die Temperatur des elektromagnetischen Aktors erfasst ist , wodurch der Einfluss der Temperatur auf das Temperature sensor is provided, and that by the Temperature sensor is the temperature of the electromagnetic actuator detected, reducing the influence of temperature on the
Betriebsverhalten des elektromagnetischen Aktors kompensiert werden kann . Im Betrieb kann die Aktortemperatur durch Operating behavior of the electromagnetic actuator can be compensated. In operation, the actuator temperature can
Widerstandsmessung der Erregerwicklung anhand der Strom und Spannungswerte periodisch mit erfasst werden (Reu = U/ I , dabei müssen Spannung und Strom während der Widerstandsmessung vorzugsweise konstant bleiben) . Da der Wicklungswiderstand fertigungsbedingt höheren Schwankungen unterliegen kann, ist ein Abgleich der Starttemperatur des Aktors mit der Fühlertem¬ peratur im thermisch eingeschwungenen Zustand notwendig . Are resistance measurement of the excitation winding based on the current and voltage values detected periodically (Reu = U / I, this case voltage and current during the resistance measurement must preferably remain constant). Since the winding resistance due to production greater fluctuations can be subject to an adjustment of the starting temperature of the actuator with the Fühlertem ¬ temperature in the thermally stable state is necessary.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Hereinafter, a preferred embodiment of
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung Invention with reference to the accompanying drawings
Detail beschrieben . In der Zeichnung ist : Detail described. In the drawing is:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Figure 1 is a schematic representation of the invention
Vorrichtung mit einer Steuer und Auswerteeinheit, die durch einen Erregerkreis mit einem Device with a Steuer and evaluation unit, by an excitation circuit with a
elektromagnetischen Aktor verbunden ist ,  electromagnetic actuator is connected,
Figur 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines ersten Figure 2 is a simplified block diagram of a first
Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ,  Embodiment according to FIG. 1,
Figur 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines zweiten Figure 3 is a simplified block diagram of a second
Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 mit einem zusätzlichen Temperaturfühler, und Figur 4 eine vereinfachte Darstellung einer Referenzkennlinie des verketteten magnetischen Flusses in Abhängigkeit von einem im Erregerkreis gemessenen Strom und der Position des Ankers des elektromagnetischen Aktors , sowie einer mittels eines mathematischen Modells berechneten modellierten Kennlinie . Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Embodiment of Figure 1 with an additional temperature sensor, and Figure 4 is a simplified representation of a reference characteristic of the concatenated magnetic flux as a function of a measured current in the excitation circuit and the position of the armature of the electromagnetic actuator, and a modeled by a mathematical model modeled characteristic. Preferred embodiment of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 eine Vorrichtung 1 gemäß zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung im Detail beschrieben. Hereinafter, a device 1 according to two preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to Figures 1 to 3.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuer- und Auswertungseinheit 5 , einen elektromagnetischen Aktor 3 sowie einen elektrischen Erregerkreis 8 , durch den der elektromagnetische Aktor 3 mit der Steuer- und Auswertungseinheit 5 elektrisch verbunden ist . Der elektromagnetische Aktor 3 weist zumindest eine Spule L zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf . Gemäß dem spezifischen Ausführungsbeispiel weist der elektromagnetische Aktor 3 zudem einen beweglichen Anker 4 auf, dessen eine Position δ abhängig von dem erzeugten Magnetfeld veränderbar ist . Der elektromag¬ netische Aktor 3 ist beispielsweise in einem Magnetventil zur Betätigung des Ventilelementes zur Regulierung einer Gas- oder Flüssigkeits zufuhr oder dergleichen, eingesetzt . The device 1 comprises a control and evaluation unit 5, an electromagnetic actuator 3 and an electrical excitation circuit 8, through which the electromagnetic actuator 3 is electrically connected to the control and evaluation unit 5. The electromagnetic actuator 3 has at least one coil L for generating a magnetic field. According to the specific embodiment, the electromagnetic actuator 3 also has a movable armature 4, whose one position δ is variable depending on the generated magnetic field. The electromag ¬ netic actuator 3, for example, in a solenoid valve for actuating the valve element for regulating a gas or liquid supply or the like, is used.
Die Steuer- und Auswertungseinheit 5 und der elektromagneti¬ sche Aktor 3 sind beabstandet - also räumlich getrennt The control and evaluation unit 5 and the electromagnetic ¬ cal actuator 3 are spaced - so spatially separated
zueinander angeordnet, wobei durch die Steuer- und arranged to each other, whereby by the control and
Auswertungseinheit 5 der elektromagnetische Aktor 3 mittels elektrischer AnSteuergrößen, nämlich eines Stroms I und einer Spannung U, angesteuert ist . Der Erregerkreis 8 wird aus mindestens einer elektrischen Leitung 7 gebildet , die die elektrischen AnSteuergrößen überträgt und durch die der Anker 4 in eine Bewegung bzw . Ausdehnung zu einer Position δ  Evaluation unit 5 of the electromagnetic actuator 3 by means of electrical AnSteuergrößen, namely a current I and a voltage U, is driven. The excitation circuit 8 is formed from at least one electrical line 7, which transmits the electrical AnSteuergrößen and through which the armature 4 in a movement or. Extension to a position δ
überführt ist . Eine entsprechende Bewegung oder Ausdehnung ist mit dem Pfeil symbolisiert . is transferred. A corresponding movement or extension is symbolized by the arrow.
Wie in Figur 2 dargestellt ist , erfasst die Steuer- und As shown in Figure 2, detects the control and
Auswertungseinheit 5 den Strom i (t) und die Spannung u (t ) zeitaufgelöst, wobei die zeitliche Auflösung ausreichend hoch gewählt ist , um das Verstellen des Ankers 4 des Evaluation unit 5 the current i (t) and the voltage u (t) time resolved, wherein the temporal resolution is chosen sufficiently high to the adjustment of the armature 4 of the
elektromagnetischen Aktors 3 hinreichend aufzulösen . sufficiently dissolve electromagnetic actuator 3.
Zur modellbasierten Bestimmung und Auswertung der For model - based determination and evaluation of
Funktions zustände des elektromagnetischen Aktors 3 werden im Erregerkreis 8 des Magnetfelds eine Stromstärke i (t ) und eine Spannung u (t ) in Abhängigkeit von der Zeit t gemessen . Bei einem bekannten elektrischen Widerstand R wird aus den Function states of the electromagnetic actuator 3, a current i (t) and a voltage u (t) in the excitation circuit 8 of the magnetic field as a function of time t measured. In a known electrical resistance R is from the
gemessenen Größen für die Stromstärke i (t ) und der Spannung u (t ) mittels der Gleichung measured quantities for the current i (t) and the voltage u (t) by means of the equation
άΨ  άΨ
u(t) = i(t) x R +— der verkettete magnetische Fluss Ψ (i, δ) ermittelt , welcher von der Stromstärke I und der Position δ des Ankers 4 abhängig ist .  u (t) = i (t) x R + - the concatenated magnetic flux Ψ (i, δ) determines which of the current I and the position δ of the armature 4 is dependent.
Zur Bestimmung des verketteten magnetischen Flusses Ψ in To determine the concatenated magnetic flux Ψ in
Abhängigkeit von der Stromstärke I und der Position δ ist die Spannung u(t) und der Strom i (t) im Erregerkreis 8 des Dependence on the current I and the position δ is the voltage u (t) and the current i (t) in the excitation circuit 8 of
Magnetfelds mittels einer geeigneten MessVorrichtung in der Steuer- und Auswertungseinheit 5 erfasst . Magnetic field detected by a suitable measuring device in the control and evaluation unit 5.
Die erfassten Messdaten oder Messreihen u (t ) und i (t) werden anschließend nach der oben genannten Gleichung mittels einer geeigneten numerischen Methode integriert , um den verketteten magnetischen Fluss Ψ zu berechnen . The acquired measurement data or measurement series u (t) and i (t) are then integrated according to the above-mentioned equation by means of a suitable numerical method in order to calculate the concatenated magnetic flux Ψ.
Analog zu der Erfassung und Berechnung des verketteten magne¬ tischen Flusses Ψ des elektromagnetischen Aktors 3 im fortlau- fenden Betrieb ist eine Referenzkennlinie Kl in einer Analogous to the detection and calculation of the chained magnetic ¬ flow of the electromagnetic actuator 3 of the continuous operation, a reference characteristic Kl is in one
Kalibration bestimmt , welche den verketteten magnetischen Fluss Ψ in einer bekannten, bzw . standardisierten Umgebung in Abhängigkeit von dem Strom I im Erregerkreis und der Position des Ankers 4 beschreibt. Eine solche Referenzkennlinie Kl ist Figur 4 zu entnehmen . Calibration determines which the chained magnetic flux Ψ in a known or. standardized environment as a function of the current I in the excitation circuit and the position of the armature 4 describes. Such a reference characteristic Kl can be seen in FIG.
Bei der Kalibration werden ein oder mehrere funktionsfähige gattungs- und/oder chargenspezifische elektromagnetische During calibration, one or more functional generic and / or batch-specific electromagnetic
Aktoren 3 ausgewählt und vermessen, um eine Chargen- und/oder gattungstypische magnetische Referenzkennlinie Kl zu Actuators 3 selected and measured to a batch and / or genus typical magnetic reference characteristic Kl zu
ermitteln . determine .
Darüber hinaus sind während der Kalibration weitere Modellpa¬ rameter wie beispielsweise Wirbelströme, Erwärmung, Reibung und Gegenkräfte für ein mathematisches Modell 11 bestimmt . Das mathematische Modell 11 wird mit einem SimulationsSystem wie beispielsweise MATLAB-Simulink erstellt und in der Steuer- und Auswertungseinheit 5 der jeweiligen Vorrichtung 1 hinterlegt . Die Referenzkennlinie Kl wird als tabellarische Funktioneft auf einem Speichermedium 10 in der Steuer- und Auswertungseinheit 5 gespeichert und dient neben der gemessenen Stromstärke i (t ) und der Spannung u(t) als Eingangsgrößen für das mathematische Modell 11 , anhand welchem die modellierte Kennlinien In addition, other Modellpa ¬ parameters such as eddy currents, heat, friction and reaction forces for a mathematical model 11 are determined during calibration. The mathematical model 11 is created with a simulation system such as MATLAB-Simulink and stored in the control and evaluation unit 5 of the respective device 1. The reference characteristic Kl is stored as a tabular function on a storage medium 10 in the control and evaluation unit 5 and serves in addition to the measured current i (t) and the voltage u (t) as input to the mathematical model 11, based on which the modeled characteristics
Kl 'berechnet wird . Kl 'is calculated.
Das mathematische Modell 11 umfasst mindestens eine Hysterese¬ modellierung Ml . Weiterhin kann das mathematische Modell 11 eine WirbelStrommodellierung M2 , eine Reibmodellierung M3 , eine Federmodellierung M4 , ein Impulserhaltungsmodell M5 und/oder ein hydrodynamisches Modell M6 beinhalten, um bei¬ spielsweise den elektromagnetischen Aktor 3 eines Magnetven¬ tils bestmöglich nachzubilden . Modulartig kann das mathemati¬ sche Modell 11 an das Einsatzgebiet des elektromagnetischen Aktors 3 angepasst werden, so dass das mathematische Modell 11 unterschiedliche Module und Ausbaustufen je nach Art der gewünschten und zu regelnden Größe und des zu erfassenden Funktions zustandes besitzt . Ein Netzwerk mit eigenen konstanten und veränderlichen The mathematical model 11 comprises at least one hysteresis ¬ modeling Ml. Furthermore, the mathematical model 11 may include an eddy current modeling M2, a Reibmodellierung M3, a spring model M4, a pulse conservation model M5 and / or a hydrodynamic model M6 to play recreate the best possible way the electromagnetic actuator 3 of a Magnetven ¬ TILs in ¬. Modular-the mathematical ¬ specific model 11 can be adapted to the area of application of the electromagnetic actuator 3, so that the mathematical model 11 different modules and expansion stages depending on the type of desired and regulated size and the functional state to be detected possesses. A network with its own constant and changeable
Parametern beschreibt in dem Modell 11 die einzelnen Parameter describes in model 11 the individual
Modellierungen M, um beim Betrieb des elektromagnetischen Aktors 3 dessen Verhalten realitätsnah abzubilden und anhand der modellierten Kennlinie Kl Λ die Betriebsgröße zu erfassen . Die modellierte Kennlinien Kl λ entspricht einer Angleichung der bei der Kalibration gewonnen Referenzkennlinie Kl an die realen Umgebungsbedingungen . Modeling M, to map the behavior of the operation of the electromagnetic actuator 3 realistic and to capture the operating size on the basis of the modeled characteristic Kl Λ . The modeled characteristics Kl λ corresponds to an approximation of the reference characteristic curve Kl obtained during the calibration to the real ambient conditions.
Beim Betrieb des elektromagnetischen Aktors 3 sind die Funkti- onszustände in der Steuer- und Auswertungseinheit 5 zeitgleich berechnet . Die Funktions zustände umfassen die Position δ, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Ankers 4. In der Terminologie der Regelungstechnik ist die Steuer und Auswer¬ tungseinheit 5 somit ein „Beobachter" . Neben den Funktions- zuständen können Fehlerzustände durch einen Vergleich der gemessenen Größen mit den durch die modellierte Kennlinie Kl λ , vorgegebene« Soll-Größen erfasst werden . Fehlerzustände können beispielsweise ein nicht ordnungsgemäßes Erreichen der During operation of the electromagnetic actuator 3, the functional states in the control and evaluation unit 5 are calculated at the same time. The functional states comprise δ the position, speed and acceleration of the armature 4. In the terminology of control technology is the control and Auswer ¬ processing unit 5 thus an "observer". Can In addition to the functional states fault conditions by comparing the measured quantities can be detected with the predetermined variables specified by the modeled characteristic curve K 1
Position, sowie das Verklemmen in einer Position sein . Position as well as jamming in one position.
Insbesondere die zeitgleiche bzw . in Echt zeit erfolgende In particular, the simultaneous or. in real time
Berechnung der Funktions zustände ermöglicht eine Positions-, Kraft- und Geschwindigkeitsregelung des Ankers 4 und somit die Ermittlung der dynamischen Kennwerte des Ankers 4 zu jedem Zeitpunkt der Bewegung . Ein derart geregelter und kontrol¬ lierter Anker 4 kann beispielsweise vor dem Erreichen einer Endposition abgebremst werden, um ein schlagartiges Abbremsen bei Auftreffen auf einen Anschlag zu mindern . Durch die aktive Regelung des Ankers 4 können Kollisionsgeräusche und der Calculation of the functional states allows a position, force and speed control of the armature 4 and thus the determination of the dynamic characteristics of the armature 4 at each time of movement. Such a controlled and CONTROL ¬ profiled armature 4 can be braked, for example, prior to reaching an end position, in order to reduce an abrupt deceleration in case of impact with a stop. Due to the active control of the armature 4 collision noise and the
Verschleiß der betroffenen Bauteile reduziert werden . Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist Figur 3 zu entnehmen, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugs zeichen wie im ersten Wear of the affected components can be reduced. A development of the device 1 according to the invention is shown in Figure 3, wherein the same or functionally identical parts with the same reference characters as in the first
Aus führungsbei spiel bezeichnet sind . From management game are designated.
Die Vorrichtung 1 gemäß Figur 3 umfasst ferner einen Tempera¬ turfühler 9 durch den die Temperatur T des elektromagnetischen Aktors 3 erfasst ist . Durch den Temperaturfühler 9 und die kontinuierliche Erfassung der Temperatur i9(t) , kann der Tempera- tureinfluss in dem mathematischen Modell 11 berücksichtigt werden . So ist beispielsweise die Viskosität des den Anker 4 umgebenden Mediums stark temperaturabhängig . Die Temperatur muss hierzu nicht zwingend direkt an dem elektromagnetischen Aktor 3 erfasst werden . Die Baugröße des elektromagnetischen Aktors 3 ist somit klein gehalten . The device 1 according to figure 3 further comprises a temperature ¬ turfühler 9 by which the temperature is detected T of the electromagnetic actuator. 3 Due to the temperature sensor 9 and the continuous detection of the temperature i9 (t), the temperature influence in the mathematical model 11 can be taken into account. For example, the viscosity of the medium surrounding the armature 4 is highly temperature-dependent. For this purpose, the temperature does not necessarily have to be detected directly at the electromagnetic actuator 3. The size of the electromagnetic actuator 3 is thus kept small.
Als Eingangsgrößen des mathematischen Modells 11 sind gemäß dieses Aus führungsbeispiel s der Strom i (t) , die Spannung u (t ) , die Temperatur $(t) und die Referenzkennlinie Kl vorgesehen . As inputs of the mathematical model 11, the current i (t), the voltage u (t), the temperature $ (t) and the reference characteristic Kl are provided according to this exemplary embodiment.
Der Figur 4 ist eine vereinfachte Referenzkennlinie Kl zu entnehmen, sowie die mittels des mathematischen Modells 11 berechnete erste modellierte Kennlinie Kl Λ . Die Chargen und oder gattungsspez ifische magnetische Referenzkennlinie Kl des verketteten magnetischen Flusses Ψ in Abhängigkeit von dem Strom I und der Position δ des Aktors 4 ist in Figur 4 als durchgehende Linie dargestellt , währenddessen die mittels des mathematischen Modells 11 berechnete modellierte Kennlinie Kl Λ gestrichelt dargestellt ist und das mathematische Modell 11 einen Nullpunktversat z der ersten Kennlinie berücksichtigt . Der Verlauf der magnetischen Referenzkennlinie Kl und der modellierten Kennlinie Kl Λ entspricht dabei dem Verlauf des elektromagnetischen Aktors, wobei der Anker 4 von einer erstenThe figure 4 is shown in a simplified reference characteristic curve Kl, as well as the calculated by means of the mathematical model 11 first modeled characteristic Kl Λ. The batches and or gattungsspez ifische reference magnetic characteristic Kl of the concatenated magnetic flux Ψ in dependence on the current I and the position δ of the actuator 4 is shown in Figure 4 as a solid line, during which the calculated by means of the mathematical model 11 modeled characteristic Kl Λ dashed is shown and the mathematical model 11 takes into account a Nullversversat z of the first characteristic. The course of the magnetic reference characteristic Kl and the modeled characteristic curve Kl Λ corresponds to the course of the electromagnetic actuator, wherein the armature 4 of a first
Position 51 zu einer zweiten Position 52 bewegt ist . Position 51 is moved to a second position 52.
Die Referenzkennlinie Kl bzw . die modellierte Kennlinie Kl λ des verketteten magnetischen Flusses kann dabei in vier Ab¬ schnitte AI , A2, A3 und A4 unterteilt werden, wobei der erste Abschnitt AI der ersten Ankerposition 51 entspricht, der Ab¬ schnitt A2 einem Anzugvorgang des Ankers 4 zwischen der ersten Position 51 und der zweiten Position 52 , der dritte Abschnitt der zweiten Position 52 und der vierte Abschnitt A4 einem Ab¬ fallvorgang des Ankers 4 , bei dem der Anker 4 zurück von der zweiten Position 52 zu der ersten Position 51 wechselt . The reference characteristic Kl resp. the modeled characteristic Kl λ of the concatenated magnetic flux can be divided into four From ¬ sections AI, A2, A3 and A4, one wherein the first portion Al of the first anchor position 51 corresponds to, the Ab ¬ section A2 a tightening operation of the armature 4 between the first Position 51 and the second position 52, the third portion of the second position 52 and the fourth portion A4 a Ab ¬ falling operation of the armature 4, in which the armature 4 changes back from the second position 52 to the first position 51.
Der zweite Abschnitt A2 und der vierte Abschnitt A4 stellen beispielsweise bei einem mit einem elektromagnetischen Aktor 3 betriebenen Magnetventil das Öffnen und Schließen des Ventils dar . Im Abschnitt AI ist das Ventil verschlossen, und im The second section A2 and the fourth section A4 represent, for example, in a solenoid valve operated with an electromagnetic actuator 3, the opening and closing of the valve. In section AI, the valve is closed, and in the
Abschnitt A3 geöffnet, wobei der AbfallVorgang typischerweise durch eine Rückstellfeder bewirkt ist .  Section A3 opened, the waste process is typically caused by a return spring.
Durch einen Vergleich der gemessenen Größen mit der By comparing the measured quantities with the
modellierten Kennlinie Kl Λ kann einerseits die Position des Ankers 4 eindeutig bestimmt werden, andererseits können beispielsweise Fehlerzustände eindeutig bestimmt werden . Modeled characteristic curve Kl Λ on the one hand, the position of the armature 4 can be uniquely determined, on the other hand, for example, error conditions can be determined uniquely.
Somit kann erfindungsgemäß ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung und Auswertung von Funktions zuständen eines sensor¬ losen elektromagnetischen Aktors 3 sowie eine Vorrichtung 1 mit einem solchen sensorlosen elektromagnetischen Aktor 3 zur Verfügung gestellt werden, welche eine Positionserkennung und -regelung, eine Kraftregelung des Ankers , eine Geschwindig- keitsmessung und -regelung des Ankers 4 ermöglichen, sowie ei¬ ne Hysteresekompensation, ein Condition Monitoring, eine Thus, a method for model-based determination and evaluation of function can according to the invention states of a sensor ¬ loose electromagnetic actuator 3 and an apparatus 1 with such a sensor-less electromagnetic actuator are provided 3 which is a position detection and control, a force control of the armature, a VELOCITY capability measurement and control of the armature 4, as well as egg ¬ ne hysteresis compensation, a condition monitoring, a
Geräuschreduzierung und eine Verschleißkontrolle . Bezugszeichenliste 1 Vorrichtung Noise reduction and wear control. List of Reference Numerals 1 Device
3 elektromagnetischer Aktor  3 electromagnetic actuator
4 Anker  4 anchors
5 Steuer- und Auswertungseinheit  5 control and evaluation unit
7 Leitung 7 line
8 Erregerkreis 8 exciter circuit
9 Temperaturfühler  9 temperature sensors
10 Speicher  10 memory
11 mathematisches Modell Ψ verketteter magnetischer Fluss  11 mathematical model Ψ chained magnetic flux
I Strom  I electricity
U Spannung  U voltage
T Temperatur  T temperature
i (t ) Strom (in Abhängigkeit von der Zeit) u (t ) Spannung (in Abhängigkeit von der Zeit ) d(t) Temperatur (in Abhängigkeit von der Zeit ] δ Position i (t) current (as a function of time) u (t) voltage (as a function of time) d (t) temperature (as a function of time] δ position

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zur modellbasierten Bestimmung und Auswertung von Funktions zuständen eines sensorlosen Method for the model-based determination and evaluation of functional states of a sensorless
elektromagnetischen Aktors (3) mit mindestens einem bewegbaren Anker (4) umfassend :  electromagnetic actuator (3) with at least one movable armature (4) comprising:
- Bereitstellen von mindestens einer Referenzkennlinie (Kl) ,  Providing at least one reference characteristic (Kl),
Erfassen eines Stroms i (t) und einer Spannung u(t) eines Erregerkreises (8) des elektromagnetischen Aktors (3) ,  Detecting a current i (t) and a voltage u (t) of an exciter circuit (8) of the electromagnetic actuator (3),
-- Berechnung von mindestens einer modellierten  - Calculation of at least one modeled
Kennlinie (Kl Λ ) mittels eines Modells (11) und der mindestens einen Referenzkennlinie (Kl), wobei das Modell (11) die mindestens eine modellierte Kennlinie (KP) durch eine Anpassung mit mindestens einer Characteristic (Kl Λ ) by means of a model (11) and the at least one reference characteristic (Kl), wherein the model (11) the at least one modeled characteristic (KP) by an adjustment with at least one
Hysteresemodellierung (Ml ) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom i (t ) und der gemessenen Spannung u(t) und der mindestens einen Referenzkennlinie (Kl ) bildet , und  Hysteresis modeling (Ml) as a function of the measured current i (t) and the measured voltage u (t) and the at least one reference characteristic (Kl) forms, and
Auswerten und Bestimmen der Funktions zustände durch einen Vergleich der aus den Messsignalen (i (t) , u (t ) ) ermittelten Kennlinie mit mindestens einer modellierten Kennlinie (Kl Λ ) . Evaluation and determination of the functional states by comparing the characteristic curve determined from the measurement signals (i (t), u (t)) with at least one modeled characteristic curve (Kl Λ ).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass eine Referenzkennlinie (Kl ) bereitgestellt ist, und dass die Referenzkennlinie (Kl ) den verketteten magnetischen Fluss (Ψ) in Abhängigkeit vom Strom (I) und der Position (δ) des Ankers (4 ) beschreibt . 3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Referenzkennlinie (Kl ) als tabellarische / A method according to claim 1, characterized in that a reference characteristic (Kl) is provided, and that the reference characteristic (Kl) describes the interlinked magnetic flux (Ψ) in dependence on the current (I) and the position (δ) of the armature (4) , 3. The method according to claim 2, characterized in that the reference characteristic (Kl) as tabular /
analytische Funktion in dem Modell (11) beschrieben ist . Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Modell (11) durch Messung von Strom i (t) , Spannung u (t ) und/oder einer Temperatur θ (t ) angepasst ist . analytical function is described in the model (11). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model (11) by measuring current i (t), voltage u (t) and / or a temperature θ (t) is adjusted.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass das Modell (11) unter Einbeziehung einer WirbelStrommodellierung (M2 ) und/oder Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model (11) incorporating a vortex flow modeling (M2) and / or
Reibmodellierung (M3 ) und/oder einer Federmodellierung (M4 ) und/oder eines Impulserhaltungssatzmodells (M5 ) und/oder eines hydrodynamischen Modells (M6 ) gebildet ist . Friction modeling (M3) and / or a spring modeling (M4) and / or a momentum conservation model (M5) and / or a hydrodynamic model (M6) is formed.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Modell (11) einen Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model (11) has a
Nullpunktversatz der mindestens einen modellierten Zero point offset of the at least one modeled
Kennlinie (Kl Λ , ) beinhaltet . Characteristic (Kl Λ ,) includes.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Funktions zustände eine Position (δ) , und/oder eine Kraft , und/oder eine Geschwindigkeit und/oder einen Fehlerzustand des Ankers (4) umfasst b z w . umfassen . Method according to one of the preceding claims, characterized in that the functional states include a position (δ), and / or a force, and / or a speed and / or a fault condition of the armature (4) b z w. include.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Funktions zustände beim Betrieb des Aktors (4) zeitgleich oder zeitlich versetzt Method according to one of the preceding claims, characterized in that the functional states during operation of the actuator (4) offset at the same time or in time
berechnet sind . are calculated.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die mindestens eine Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one
Referenzkennlinie (Kl ) gattungsspezifisch und/oder chargenspezifisch und/oder exemplarspezifisch ist . Vorrichtung (1) zum Betrieb wenigstens eines sensorlosen elektromagnetischen Aktors (3) mit einem Anker (4) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 Reference characteristic (Kl) is genre-specific and / or batch-specific and / or copy-specific. Device (1) for operating at least one sensorless electromagnetic actuator (3) with an armature (4) according to a method according to one of claims 1 to 9
umfassend :  full :
- wenigstens eine Steuer und Auswertungseinheit (5) , die mittels eines Erregerkreises (8) mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Aktor (3) verbunden ist , wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (5) einen- At least one Steuer and evaluation unit (5), which is connected by means of an exciter circuit (8) with the at least one electromagnetic actuator (3), wherein the control and evaluation unit (5) has a
Strom i (t) und eine Spannung u (t ) eines Erregerkreis (8) des elektromagnetischen Aktors (3) erfasst ,Current i (t) and a voltage u (t) of an exciter circuit (8) of the electromagnetic actuator (3) detected,
- wobei eine Referenzkennlinie (Kl ) auf einem - Wherein a reference characteristic (Kl) on a
Speichermedium (10) für die Steuer- und  Storage medium (10) for the control and
Auswertungseinheit (5) bereitgestellt ist .  Evaluation unit (5) is provided.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , 11. The device according to claim 10, characterized
dass ein Temperaturfühler (9) vorgesehen ist , und dass durch den Temperaturfühler (9) die Temperatur (&) des elektromagnetischen Aktors (3) erfasst ist . a temperature sensor (9) is provided, and that the temperature ( &) of the electromagnetic actuator (3) is detected by the temperature sensor (9).
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