DE10010756A1 - Verfahren zur Regelung des Bewegungsverlaufs eines Ankers - Google Patents

Abstract

Der Bewegungsverlauf eines Ankers, der sich in einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn von einem loslassenden Elektromagneten zu einem diesem gegenüberliegenden fangenden Elektromagneten bewegt, wird zur Gewährleistung eines sanften Auftreffend des Ankers auf den fangenden Elektromagneten geregelt. Die Regelung erfolgt üblicherweise mit einem Regelkreis, in den eine vom Bewegungsverlauf abhängige Detektorgröße erfaßt wird, daraus eine von der Ankerposition oder Zeit abhängige Regelgröße gebildet und die Regelgröße einer Führungsgröße durch Steuerung eines durch den fangenden Elektromagneten fließenden Fangstroms nachgeregelt wird. Das neue Verfahren soll eine geringe Störempfindlichkeit aufweisen. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird die Führungsgröße adaptiv an die aktuellen Betriebsbedingungen angepaßt, indem ihr Verlauf in Abhängigkeit der Detektorgröße vorgegeben wird. DOLLAR A Stuerung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Bewegungsverlaufs eines An­ kers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine weist üblicherweise zwei einander gegenüberliegende Elektro­ magnete und einen auf das Gaswechselventil wirkenden Anker auf, der durch Ma­ gnetkraft zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft zweier gegensinnig wir­ kender Federn hin- und herbewegbar ist und bei nicht bestromten Elektromagneten durch die Federn in einer etwa in der Mitte zwischen den Elektromagneten liegen­ den Ruhelage festgehalten wird und der von jedem Elektromagneten durch Magnet­ kraft in einer am jeweiligen Elektromagneten anliegenden Schaltposition festhaltbar ist. Während des Betriebs wird der Anker durch entsprechende Bestromung der Elektromagnete aus der einen Schaltposition in die andere Schaltposition bewegt, d. h. vom einen Elektromagneten - dem loslassenden Elektromagneten - zum ande­ ren Elektromagneten - dem fangenden Elektromagneten - bewegt. Es ist wün­ schenswert, daß der Anker dabei mit einer geringen Geschwindigkeit - im folgenden Ankerauftreffgeschwindigkeit genannt - auf den fangenden Elektromagneten auf­ trifft, um einerseits zu gewährleisten, daß der Anker den fangenden Elektromagne­ ten erreicht und um andererseits unerwünschte Geräuschentwicklung und Prellvor­ gänge zu vermeiden.

Aus der EP 0 959 479 A2 ist bekannt, daß die Ankerauftreffgeschwindigkeit bei ei­ nem elektromagnetischen Aktuator der vorstehend bezeichneten Art geregelt wird, indem eine bestimmte Spannung ermittelt wird, die der Spannung an den Klemmen des fangenden Elektromagneten oder der Änderung des magnetischen Flusses in dem den Anker und den fangenden Elektromagneten enthaltenden Magnetkreis entspricht, und indem die bestimmte Spannung als Rückkopplungsvariable zur Steuerung der Energiezufuhr zum fangenden Elektromagneten verwendet wird. Der magnetische Fluß wird dabei mit einem Hallsensor gemessen.

Aus der DE 198 07 875 A1 ist ferner ein Verfahren zur Regelung der Ankerge­ schwindigkeit bekannt, bei dem aus der momentanen Ankerposition und/oder An­ kergeschwindigkeit der Bedarf an Energie ermittelt wird, die dem Aktuator zuzufüh­ ren ist, um den dem Anker bis zum fangenden Elektromagneten zu bewegen. Außer­ dem wird extrapolierend abgeschätzt, wieviel magnetische Energie voraussichtlich zum Aktuator eingekoppelt wird, wenn der Anker von der momentanen Position bis zum fangenden Elektromagneten bewegt wird. Diese Abschätzung ist aufgrund der Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der Magnetkraft des fangenden Elektroma­ gneten und der Ankerposition möglich. Der Energiebedarf und die abgeschätzte magnetische Energie werden miteinander verglichen und der fangende Elektroma­ gnet wird in Abhängigkeit des Vergleichergebnisses derart bestromt, daß der Anker mit niedriger Geschwindigkeit auf den Elektromagneten auftrifft.

Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren, liegt darin, daß sie nicht in der Lage sind, Störgrößen, die die Ankerbewegung beeinflussen, d. h. Änderungen von Betriebspa­ rametern eines Systems, in dem der Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselven­ tils eingesetzt wird, ausreichend zu kompensieren. Derartige Störgrößen sind bei­ spielsweise Änderungen der Ruhelage des Ankers, eines ggf. vorhandenen Ventil­ spiels, eines Brennraumgegendrucks, gegen den das Gaswechselventil geöffnet werden soll, der Reibung und der Temperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art ein Verfahren zur Regelung des Bewegungsverlaufs des Ankers anzugeben, das eine geringe Störempfindlichkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Erfindungsgemäß wird in einem Regelkreis der Bewegungsverlauf des Ankers, der sich in einem elektromagnetischen Aktuator gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn von einem loslassenden Elektromagneten zu einem fangenden Elektromagneten bewegt, geregelt, indem eine vom Bewegungsverlauf des Ankers abhängige Detektorgröße erfaßt wird, aus der Detektorgröße eine von der Ankerpo­ sition oder Zeit abhängige Größe als Regelgröße gebildet wird, die Regelgröße auf eine Führungsgröße geregelt wird durch Steuerung des Sollwerts eines durch den fangenden Elektromagneten fließenden Fangstroms in Abhängigkeit der Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße und indem die Führungsgröße in Abhängig­ keit der Detektorgröße variiert wird. Der Verlauf der Führungsgröße wird dabei der­ art vorgegeben, daß der Anker mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit auf den fan­ genden Elektromagneten auftrifft.

Die Zusammenhänge zwischen der Ankerposition und dem Sollwert des Fangstroms und zwischen der Ankerposition und der Detektorgröße sind für verschiedene Be­ triebsparameter, beispielsweise für verschiedene Werte der Ruhelage des Ankers, eines ggf. vorhandenen Ventilspiels, eines Brennraumgegendrucks, gegen den das Gaswechselventil geöffnet werden soll, der Reibung, der Temperatur, der Federkon­ stanten der Federn und der Bauteiletoleranzen bekannt. Diese Zusammenhänge lassen sich beispielsweise durch Simulation oder Messungen an einem Referenzak­ tuator ermitteln. Aus dem Verlauf der Detektorgröße ist es daher möglich, Rück­ schlüsse auf die momentanen Betriebsparameter zu ziehen und den Verlauf der Füh­ rungsgröße derart vorzugeben, daß der Anker bei den aktuellen Betriebsbedingun­ gen mit der gewünschten Geschwindigkeit auf den fangenden Elektromagneten auf­ trifft. Somit wird die Führungsgröße adaptiv an die aktuellen Betriebsbedingungen angepaßt, d. h. man erhält eine adaptive Regelung.

Als Detektorgröße kann beispielsweise eines der folgenden Signale detektiert wer­ den: ein der Ankerposition entsprechendes Positionssignal, ein dem Fangstrom ent­ sprechendes Stromsignal, ein der Spannung an den Klemmen des fangenden Elek­ tromagneten entsprechendes Spannungssignal oder ein Flußänderungssignal, das der Änderung des magnetischen Flusses in dem den Anker und fangenden Elektro­ magneten enthaltenden aktiven Magnetkreis entspricht. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Detektorgröße mit einer im Magnetkreis vorgesehenen Meß­ spule zu erfassen, die derart angeordnet ist, daß sie vom magnetischen Fluß des fangenden Elektromagneten durchflutet wird. In diesem Fall wird die in der Meß­ spule induzierte Spannung oder der aus dieser Spannung ermittelte magnetische Fluß als Detektorgröße erfaßt. Die Detektorgröße kann aber auch eine vektorielle Größe sein, die mehrere der vorstehend genannten Signale als Komponenten ent­ hält.

Die Regelgröße ist beispielsweise eine der folgenden Größen: die auf den Anker wirkende Magnetkraft des fangenden Elektromagneten, die im Aktuator gespeicher­ te Energie, die Ankergeschwindigkeit, der Fangsstrom, der magnetische Fluß im aktiven Magnetkreis, die Spannung an den Klemmen des fangenden Elektromagne­ ten, die Ankerposition, die zeitliche Änderung des Fangstroms, die zeitliche Ände­ rung des magnetischen Flusses im aktiven Magnetkreis und das Integral der Span­ nung an den Klemmen des fangenden Elektromagneten. Sie kann aber auch eine vektorielle Größe sein, die mehrere der vorstehend genannten Größen als Kompo­ nenten enthält.

Vorzugsweise werden aus dem Verlauf der Detektorgröße Störgrößen ermittelt, die den Bewegungsverlauf des Aktuators störend beeinflussen. Die Störgrößen werden bei der Vorgabe des Verlaufs der Führungsgröße berücksichtigt, so daß der Einfluß der Störgrößen auf die Ankerauftreffgeschwindigkeit kompensiert wird.

Die Regelung verläuft vorzugsweise in mehreren Phasen, wobei in einer Ablösepha­ se, die unmittelbar nach dem Ablösen des Ankers vom loslassenden Elektromagne­ ten beginnt, der Verlauf des Sollwertes des Fangstroms in Abhängigkeit der Stör­ größen vorgesteuert wird und/oder der Verlauf eines durch den loslassenden Elek­ tromagneten fließenden Stroms in Abhängigkeit der Störgrößen gesteuert wird und somit als Bremsstrom dämpfend auf die Bewegung des Ankers wirkt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Detektorgröße in mehre­ ren Bewegungszyklen des Ankers erfaßt. Unter Bewegungszyklus ist dabei ein Zeitin­ tervall zu verstehen, in dem der Anker sich von dem einem Elektromagneten zum anderen bewegt. Aus den sich über mehrere Bewegungszyklen ergebenden Ände­ rungen der Detektorgröße werden langsame Schwankungen der Betriebsparameter ermittelt, insbesondere Temperaturänderungen und durch die Temperaturänderung bedingte Änderungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Aktua­ tors, und bei der Bestromung des fangenden Elektromagneten berücksichtigt. Das heißt, der fangende Elektromagnet wird derart bestromt, daß der Einfluß der lang­ samen Schwankungen der Betriebsparameter auf den Bewegungsverlauf des Ankers kompensiert wird.

Vorzugsweise wird hierzu die Führungsgröße in Abhängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorgegeben und/oder der Fangstrom in Ab­ hängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorgesteuert. Zu­ sätzlich oder alternativ dazu kann auch die Übertragungsfunktion des Regelkreises in Abhängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorgegeben werden, d. h. die Regelparameter einer im Regelkreis enthaltenen Regleranordnung, beispielsweise der P-, I- und D-Anteil eines PID-Reglers, werden in Abhängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorgegeben.

Vorzugsweise wird die Übertragungsfunktion des Regelkreises auch in Abhängigkeit der Detektorgröße vorgegeben, so daß das Regelverhalten der Regelkreises von der Ankerposition abhängig ist. Somit ist es möglich trotz des nichtlinearen Zusammen­ hangs zwischen der Ankerposition und dem Fangstrom oder der aufgrund des Fang­ stroms auf den Anker wirkenden Magnetkraft des fangenden Elektromagneten si­ cherzustellen, daß die Regelung sowohl für große als auch für geringe Abstände des Ankers vom fangenden Elektromagneten erfolgreich durchgeführt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wir der Fangstrom in einer Hal­ tephase, die nach dem Auftreffen des Ankers auf den fangenden Elektromagneten beginnt, auf einen Haltewert geregelt. Hierzu werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: der Fangstrom wird schrittweise um einen vorgegeben Betrag redu­ ziert, bis der Anker sich vom fangenden Elektromagneten löst. Das Loslösen des Ankers wird dabei anhand der Detektorgröße detektiert. Daraufhin wird der Fang­ strom derart erhöht, daß der Anker entsprechend einem gewünschten Bewegungs­ verlauf zum fangenden Elektromagneten geregelt zurückbewegt wird. Diese Verfah­ rensschritte werden solange wiederholt, solange der Anker in seiner aktuellen Schaltposition festgehalten werden soll.

Vorzugsweise wird die Führungsgröße und/oder der Fangstrom in Abhängigkeit von Motorsteuerdaten vorgegeben bzw. gesteuert, wobei mit den Motorsteuerdaten eine Brennkraftmaschine gesteuert wird und der Anker auf ein Gaswechselventil der Brennkraftmaschine wirkt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Übertragungs­ funktion des Regelkreises in Abhängigkeit der Motorsteuerdaten vorgegeben wer­ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:

• - durch die Vorsteuerung des Sollwertes des Fangstroms werden optimale Start­ werte für die Regelung erzeugt und gewährleistet, daß die erforderliche magne­ tischen Energie selbst für extreme Betriebszustände (hohe Gasgegendrücke, tiefe Temperaturen) aufgebaut wird,
• - die Ankerauftreffgeschwindigkeit läßt sich zur Vermeidung von Ankerprellen auf niedrige Werte, beispielsweise auf Werte zwischen 0,05 und 0,5 m/s, regeln,
• - es wird gewährleistet, daß die auf den Anker wirkende Magnetkraft beim Auf­ treffen des Ankers auf den fangenden Elektromagneten ausreicht, um den An­ ker am fangenden Elektromagneten festzuhalten,
• - der Energiebedarf zum Betreiben des Aktuators ist gering,
• - der Anker ist innerhalb einer vorgegebenen Zeit zwischen seinen an den Elek­ tromagneten anliegenden Positionen hin- und herbewegbar,
• - das Verfahren weist eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Variationen von Betriebsparametern und gegenüber von außen einwirkenden Störgrößen auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Regelkreis,

Fig. 2 ein Beispiel des zeitlichen Verlauf der Ankerposition und der Anker­ geschwindigkeit während der Bewegung des Ankers vom loslassen­ den Elektromagneten zum fangenden Elektromagneten,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Teils des Regelkreises aus Fig. 1, der zur Regelung des Stroms durch den loslassenden Elektromagneten vor­ gesehen ist,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Teils des Regelkreises aus Fig. 1, der zur Regelung des Stroms durch den fangenden Elektromagneten vorge­ sehen ist,

Fig. 5 ein weiteres Prinzipschaltbild des Teils des Regelkreises aus Fig. 1, der zur Regelung des Stroms durch den fangenden Elektromagneten vorgesehen ist.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der elektromagnetische Aktuator 1 einen Anker 10, einen ersten Elektromagneten 11, einen zweiten Elektromagneten 12, eine erste Feder 13 und eine zweite Feder 14. Die Elektromagnete 11, 12 bestehen jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster vorgesehenen Erreger­ spule. Der Anker 10 wird durch die gegeneinander wirkenden Federn 13, 14 bei stromlosen Elektromagneten 11, 12, d. h. bei unbestromten Erregerspulen, in einer Ruhelage etwa in der Mitte zwischen den Elektromagneten 11, 12 festgehalten und durch abwechselnde Bestromung der Elektromagnete 11, 12 zwischen diesen hin- und herbewegt. Der Anker 10 wirkt auf das Gaswechselventil 15 einer Brennkraft­ maschine, welches somit durch die Bewegung des Ankers 10 betätigt wird. Die Elek­ tromagnete 11, 12 werden über Steuerschaltungen 20, 21 angesteuert, denen Mo­ torsteuerdaten 20 von einem Motorsteuergerät 3 zugeführt werden. Die Motorsteu­ erdaten 20 enthalten dabei Informationen über den mittleren Druck in den Brenn­ kammern der Brennkraftmaschine, sowie über die Temperatur und die Drehzahl der Brennkraftmaschine. Eine Detektoranordnung 16 erzeugt eine Detektorgröße d, die eine Funktion der Zeit t oder der Ankerposition s und somit ein Maß der Ankerposi­ tion s ist. Die Detektorgröße d wird zu den Steuerschaltungen 20, 21 rückgekoppelt, von denen jede eine Regleranordnung enthält, die den Verlauf des Sollwertes eines durch den fangenden Elektromagneten fließenden Stromes, im folgenden Fangstrom genannt, in Abhängigkeit der Detektorgröße d und einer von der Detektorgröße d abhängigen Führungsgröße steuert. Die Steuerschaltungen bilden somit zusammen mit der Detektoranordnung 16 und den Elektromagneten 11, 12 einen Regelkreis zur Regelung des Bewegungsverlaufs des Ankers 10, insbesondere zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit beim Auftreffen des Ankers 10 auf den ersten oder zweiten Elektromagneten 11, 12.

Während des Betriebs wird der Anker 10 nach dem Prinzip des Feder-Masse- Schwingers zwischen den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt und an die­ sen jeweils für eine durch die Motorsteuerdaten 20 vorgegebene Zeit festgehalten. Wenn der Anker 10 aus einer seiner am ersten oder zweiten Elektromagneten 11, 12 anliegenden Schaltpositionen durch Abschaltung des jeweiligen Elektromagneten 11 bzw. 12 losgelassen wird, wird er durch die Federn 13, 14 über seine Ruhelage hinaus zu dem gegenüberliegenden Elektromagneten 12 bzw. 11 beschleunigt, der nunmehr bestromt wird und somit den Anker 10 anzieht und in seiner neuen Schalt­ position festhält.

Während des Betriebs wirken auf den Anker 10 verschiedene Störgrößen. Darunter versteht man Änderungen von Betriebsparametern beispielsweise der Ruhelage des Ankers, eines ggf. vorhandenen Ventilspiels, des Brennraumgegendrucks, gegen den das Gaswechselventil 15 geöffnet werden soll, falls es als Auslaßventil betrieben wird, der Restgasverwirbelungen beim Öffnen des Gaswechselventils 15, falls es als Einlaßventil betrieben wird, der Reibung, der Temperatur, der Federkonstanten der Federn 13, 14, der Eigenschaften eines ggf. vorhandenen hydraulischen Ventil­ spielausgleichselements, der einen Klebeeffekt bewirkenden Remanenzinduktion des loslassenden Elektromagneten, der Bauteiletoleranzen und der den Schaltungs­ teilen zugeführten Versorgungsspannung.

Um den Einfluß der Störgrößen auf die Dynamik des Ankers 10 zu kompensieren wird dessen Bewegungsverlauf geregelt. Das Regelverfahren wird im folgenden nur für den Betriebsfall beschrieben, bei dem das Gaswechselventil 15 geöffnet wird. Die Elektromagneten 11, 12 werden dabei entsprechend ihrer Wirkung als loslas­ sender Elektromagnet 101 bzw. fangender Elektromagnet 102 bezeichnet. Beim Schließen des Gaswechselventils 15 erfolgt die Regelung in analoger Weise mit glei­ chen Schaltungsmitteln.

Die Regelung erfolgt in mehreren von der Ankerposition abhängigen Phasen. Fig. 2 zeigt den Bewegungsverlauf s(t) und die Geschwindigkeit v(t) des Ankers 10 sowie die verschiedenen Phasen A, B, C, D und E. Zum Zeitpunkt t0 wird der Anker 10 aus seiner am loslassenden Elektromagneten 101 anliegenden Schaltposition s1 losge­ lassen und bewegt sich zu seiner am fangenden Elektromagneten 102 anliegenden Schaltposition s2, die er zum Zeitpunkt t4 - dem Auftreffzeitpunkt - erreicht. Der Weg zwischen den beiden Schaltpositionen s1, s2 wird im folgenden als Hubweg bezeichnet. Die Phase A - im folgenden als Ablösephase bezeichnet - beginnt zum Zeitpunkt t0 und endet zum Zeitpunkt t1, die Phase B - im folgenden als Vorberei­ tungs-/Vorsteuerungsphase bezeichnet - beginnt zum Zeitpunkt t1 und endet zum Zeitpunkt t2, die Phase C - im folgenden als Vorregelungsphase bezeichnet - be­ ginnt zum Zeitpunkt t2 und endet zum Zeitpunkt t3, die Phase D - im folgenden als Endregelungsphase bezeichnet - beginnt zum Zeitpunkt t3 und endet zum Auftreff­ zeitpunkt t4 und die Phase E - im folgenden als Haltephase bezeichnet - beginnt zum Auftreffzeitpunkt t4 und dauert bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Anker 10 los­ gelassen werden soll. Die Zeitpunkte t1, t2, t3 werden wie folgt gewählt: zum Zeit­ punkt t1 beträgt der Abstand des Ankers zum loslassenden Elektromagneten 101 ca. 10% des Hubwegs, zum Zeitpunkt t2 ca. 50% des Hubwegs und zum Zeitpunkt t3 ca. 80% des Hubwegs.

Die Ablösephase A dient der Beobachtung des Ablöseverhaltens des Ankers 10 vom loslassenden Elektromagneten 101 mit dem Ziel, die Störgrößen zu ermitteln, den zeitlichen Verlauf eines durch den loslassenden Elektromagneten 101 fließenden Bremsstroms in Abhängigkeit der Störgrößen und Motorsteuerdaten 20 zu steuern, den durch den fangenden Elektromagneten 102 fließenden Fangstrom in Abhängig­ keit der Störgrößen und Motorsteuerdaten 20 vorzusteuern und eine am loslassen­ den Elektromagneten 101 anliegende Spannung gezielt umzupolen, um ein schnel­ les Loslösen des Ankers 10 zu gewährleisten.

Die Vorbereitungs-/Vorsteuerungsphase B dient der genaueren Abschätzung der Störgrößen und der störgrößenabhängigen Vorsteuerung des Fangstroms mit dem Ziel, die für die anschließende Vorregelungsphase C erforderliche magnetische Energie rechtzeitig aufzubauen. Weiterhin werden Regelparameter der in der jeweili­ gen Steuerschaltung 20 bzw. 21 enthaltenen Regleranordnung für die Vorrege­ lungsphase C und die Endregelungsphase D ermittelt. Die für diese Phasen C und D geltenden Regelparameter unterscheiden sich voneinander, da der Zusammenhang zwischen der Ankerposition s(t) und dem Sollwert des Fangstroms nichtlinear ist und die Regleranordnung daher in diesen Phasen unterschiedliche Übertragungs­ funktionen (Regelstrukturen) aufweisen muß, um zu gewährleisten, daß der Anker 10 entsprechend dem gewünschten Bewegungsverlauf bewegt wird.

In der Vorregelungsphase C und Endregelungsphase D wird der Bewegungsverlauf des Ankers 10 durch Variation des Sollwerts des Fangstrom geregelt. Die Regelpa­ rameter der den Sollwert erzeugenden Regleranordnung werden dabei auf die in der Phase B für die Vorregelungsphase C und für die Endregelungsphase D ermittelten Werte eingestellt.

In der Haltephase E wird der Fangstrom auf einen zum Festhalten des Ankers 10 erforderlichen Haltewert reduziert mit dem Ziel, den Energiebedarf des Aktuators zu reduzieren. Hierzu wird der Fangstrom um einen vorgegebenen Wert reduziert und anhand der Detektorgröße d geprüft, ob der Anker 10 anschließend weiterhin am fangenden Elektromagneten 102 anliegt. Trifft dies zu, werden diese Schritte noch­ mals wiederholt, ansonsten wird der Fangstrom um einen Betrag erhöht, der ausrei­ chend groß gewählt ist, um den Anker 10 zurück zum fangenden Elektromagneten 102 zu bewegen. Zudem wird der Fangstrom entsprechend der Endregelungsphase D geregelt, um ein sanftes Wiederaufsetzen des Ankers 10 auf den fangenden Elek­ tromagneten 102 zu gewährleisten.

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Teils des Regelkreises aus Fig. 1, mit dem in der Ablösephase A der durch den loslassenden Elektromagneten 101 des Aktuators 1 fließende Bremsstrom gesteuert wird. Gemäß diesem Prinzipschaltbild enthält die Steuerschaltung 20 eine Sollwertvorgabeeinrichtung 200, eine Meßwert­ auswerteeinrichtung 202 und eine Endstufe 201 mit einem Stromregler zur An­ steuerung des loslassenden Elektromagneten 101. Mit der Detektoranordnung 16, die beispielsweise einen Hallsensor als Positionssensor aufweist, wird der Verlauf der Ankerposition s(t) als Detektorgröße d detektiert. Die Detektorgröße d wird der Meßwertauswerteeinrichtung 202 zugeführt, die aus dem Verlauf der Ankerposition s(t) die Ankergeschwindigkeit v(t) ermittelt und die aus dem Verlauf der Ankerpositi­ on s(t) und der Ankergeschwindigkeit v(t) eine Abschätzung der auf den Bewegungs­ verlauf des Ankers 10 wirkenden Störgrößen vornimmt. Die Störgrößen lassen sich ermitteln, da ihr Einfluß auf die Ankerposition s(t) und die Ankergeschwindigkeit v(t) bekannt ist und aus dem anfänglichen Verlauf der Ankerposition s(t) und Ankerge­ schwindigkeit v(t) der weitere Verlauf der Ankerposition s(t) und Ankergeschwindig­ keit v(t) abgeschätzt werden kann. Die ermittelten Störgrößen werden als Meßgröße 210 der Sollwertvorgabeeinrichtung 200 zugeführt, die aus den Motorsteuerdaten 20 des Motorsteuergeräts 3 und der Meßgröße z10 den Sollwert i10 für den zeitlichen Verlauf des durch den loslassenden Elektromagneten 101 fließenden Bremsstroms erzeugt. Dieser Sollwert i10 wird der Endstufe 201 zugeführt, die dem loslassenden Elektromagneten 101 eine dem Sollwert i10 entsprechende Spannung u101 zuführt, welche bewirkt, daß der loslassende Elektromagnet 101 mit dem durch den Sollwert i10 vorgegebenen Bremsstrom bestromt wird. Durch den Bremsstrom wird der An­ ker 10 während seines Flugs zum fangenden Elektromagneten 102 abgebremst. Die Bremswirkung wird durch den Sollwert i10 derart eingestellt, daß der Anker 10, auch dann, wenn der fangende Elektromagnet 102 zum Auftreffzeitpunkt t4 mit ei­ ner Mindestkraft auf den Anker 10 wirkt, nicht mit einer zu hohen Geschwindigkeit auf den fangenden Elektromagneten 102 auftrifft. Die Mindestkraft ist dabei diejeni­ ge Magnetkraft des fangenden Elektromagneten 102, die erforderlich ist, um den Anker 10 in seiner am fangenden Elektromagneten 102 anliegenden Schaltposition s2 sicher festzuhalten. Als vorteilhaft erweist es sich, auch den Fangstrom als zu­ sätzliche Komponente der Detektorgröße zu erfassen und zu prüfen, inwieweit sich der Fangstrom über mehrere Bewegungszyklen des Ankers ändert. Aus diesen Än­ derungen lassen sich langsame Änderungen von Betriebsparametern als Störgrößen ermitteln und bei der Erzeugung des Sollwerts i10 für den Bremsstrom berücksichti­ gen.

Fig. 4 zeigt ein erstes Prinzipschaltbild eines Teils des Regelkreises aus Fig. 1, mit dem der Bewegungsverlauf des Ankers 10 in den Phasen A bis E der durch Steue­ rung des durch den fangenden Elektromagneten 102 des Aktuators 1 fließenden Fangstroms geregelt wird. Gemäß Fig. 4 umfaßt die Steuerschaltung 21 aus Fig. 1 eine Meßwertauswerteeinrichtung 212, eine Meßeinrichtung 213 zur Ermittlung von langsamen Schwankungen der Betriebsparameter, eine Vorsteuereinrichtung 214, eine Regleranordnung 216, eine Reglersteuereinrichtung 215, eine Endstufe 211 mit einem Stromregler, eine Istwertermittlungseinrichtung 217, eine Sollwertvorgabeein­ richtung 210, eine Vergleichseinrichtung 218 und eine Summationseinrichtung 219.

Mit der Detektoranordnung 16 wird die momentane Ankerposition s(t) als Detektor­ größe d erfaßt. Die Detektorgröße d wird dann der Meßwertauswerteeinrichtung 212 zugeführt, die durch Auswertung des Verlaufs der Detektorgröße d die momen­ tane Ankergeschwindigkeit v(t) ermittelt oder vorausschauend eine Abschätzung des weiteren Verlaufs der Ankergeschwindigkeit v(t) vornimmt. Das Ergebnis der Aus­ wertung wird als Meßgröße z11, die die Ankergeschwindigkeit v(t) und Ankerposition s(t) als Komponenten enthält, am Ausgang der Meßwertauswerteeinrichtung 212 abgegeben. Die Meßgröße z11 enthält als zusätzliche Komponente auch den Fang­ strom i(t), der ebenfalls mit der Detektoranordnung 16 erfaßt wird.

Die Meßgröße z11 wird der Meßeinrichtung 213 zugeführt, welche die sich über mehrere Bewegungszyklen des Ankers 10 ergebenden Änderungen der Meßgröße z11 erfaßt und daraus eine Zustandsgröße z12 als Maß von langsamen Schwankun­ gen der Betriebsparameter - insbesondere der Temperatur und der durch die Tem­ peraturänderung bewirkten Änderungen der elektrischen und mechanischen Eigen­ schaften des Aktuators 1 - erzeugt.

Die Meßgröße z11, die Zustandsgröße z12 und die vom Motorsteuergerät 3 geliefer­ ten Motorsteuerdaten z0 werden der Vorsteuerungseinrichtung 214, der Reglerein­ richtung 215 und der Sollwertvorgabeeinrichtung 210 als Eingangssignale zugeführt.

Die Meßgröße z11 wird ferner der Istwertermittlungseinrichtung 217 zugeführt, die daraus anhand eines Kennfelds eine Regelgröße x bildet, die in einer ersten Ausge­ staltung der Erfindung der Istwert der auf den Anker 10 wirkenden Magnetkraft des fangenden Elektromagneten 102 ist, in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung der Istwert der im Aktuator 1 gespeicherten Energie ist und in einer dritten Ausge­ staltung der Erfindung eine vektorielle Größe ist, die neben dem Istwert der im Ak­ tuator 1 gespeicherten Energie zusätzlich noch den Istwert des Fangstroms als Komponente enthält. Das zur Ermittlung der Regelgröße erforderliche Kennfeld läßt sich durch Simulation oder durch eine Meßreihe ermitteln.

Der Bewegungsverlauf des Ankers 10 wird durch Steuerung des durch den fangen­ den Elektromagneten 102 fließenden Fangstroms geregelt, wobei der Fangstrom derart variiert wird, daß die Regelgröße x einen bestimmten zeitlichen oder positi­ onsabhängigen Verlauf aufweist. Dieser bestimmte Verlauf wird durch eine Füh­ rungsgröße x0 vorgegeben. Die Führungsgröße x0 wird dabei derart vorgegeben, daß der Anker 10 entsprechend dem gewünschten Bewegungsverlauf bewegt wird. Sie wird von der Sollwertvorgabeeinrichtung 210 aus den Motorsteuerdaten 20, der Meßgröße z11 und der Zustandsgröße z12 generiert. Durch die Berücksichtigung der Meßgröße z11 und der Zustandsgröße z12 bei der Generierung der Führungs­ größe x0 wird der Einfluß von Störgrößen oder Änderungen der Betriebsparameter auf den Bewegungsverlauf des Ankers 10 kompensiert. Die Führungsgröße x0 wird somit adaptiv an die momentanen Betriebsparameter angepaßt.

Die Regelgröße x wird in der Vergleichseinrichtung 218 mit der Führungsgröße x0 verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs - die Regelabweichung Δx - wird der Reg­ leranordnung 216 zugeführt, die daraus einen Reglersollwert 10 für den Fangstrom erzeugt.

Die Regleranordnung 216 weist in der Vorregelungsphase C und Endregelungsphase D unterschiedliche, von mehreren Regelparametern abhängige Übertragungsfunk­ tionen auf, die das Regelverhalten, d. h. die Übertragungsfunktion des Regelkreises, bestimmen. Für die Vorregelungsphase C wird dabei eine Übertragungsfunktion ge­ fordert, die trotz der geringen Fernwirkung des fangenden Elektromagneten 102 eine Beeinflussung der Ankerposition s durch den Regelkreis ermöglicht und für die Endregelungsphase D wird eine Übertragungsfunktion gefordert, die eine Feinrege­ lung des Bewegungsverlaufs des Ankers 10 ermöglicht.

Die Einstellung der für die Phase C bzw. D erforderlichen Übertragungsfunktion er­ folgt dabei mittels der Reglersteuereinrichtung 215 durch Variation der Regelpara­ meter. Die Regelparameter werden von der Reglersteuereinrichtung 215 in Abhän­ gigkeit der Meßgröße z11, der Zustandsgröße z12 und der Motorsteuerdaten 20 derart vorgegeben, daß der störende Einfluß der Störgrößen und der langsamen Betriebsparameterschwankungen auf das Regelverhalten des Regelkreises kompen­ siert wird.

Die Vorsteuerungseinrichtung 214 ermittelt in der Ablösephase A und der Vorberei­ tungs-/Vorsteuerungsphase B aus der Meßgröße z11 die auf den Regelkreis wir­ kenden Störgrößen und generiert aus den Werten dieser Störgrößen, aus den Ma­ torsteuerdaten z0 und der Zustandsgröße z12 einen Vorsteuerungssollwert i1, der in der Summationseinrichtung 219 mit dem Reglersollwert i0 zum Sollwert i11 des Fangstroms summiert wird. Der Sollwert i11 wird der Endstufe 211 zugeführt, die dem fangenden Elektromagneten 102 eine dem Sollwert i11 entsprechende Span­ nung u102 zuführt. Aufgrund dieser Spannung u102 fließt dann der Fangstrom durch den fangenden Elektromagneten 102. Ziel der durch die Summation des Reglersollwerts i0 und des Vorsteuerungssollwerts i1 realisierten Vorsteuerung ist es, dem Aktuator 1 rechtzeitig die für die Regelung erforderliche Energie zuzuführen, da ihm während der Vorregelungsphase C und Endregelungsphase D aufgrund der durch die Induktivität des fangenden Elektromagneten 102 begrenzten Anstiegsge­ schwindigkeit des Fangstroms nur eine begrenzte Menge an Energie zugeführt wer­ den kann.

Das weitere Prinzipschaltbild gemäß Fig. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ebenfalls denjenigen Teil des Regelkreises aus Fig. 1, mit dem der Bewegungsver­ lauf des Ankers 10 in den Phasen A bis E der durch Steuerung des durch den fan­ genden Elektromagneten 102 fließenden Fangstroms geregelt wird. Dieser Teil un­ terscheidet sich vom entsprechenden Teil aus Fig. 4 dadurch, daß die lstwerter­ mittlung der Regelgröße x in der Meßwertauswerteeinrichtung 212 vorgenommen wird, d. h. die Regelgröße x ist gleichzeitig auch die Meßgröße z11.

In einer ersten Ausgestaltung der Schaltungsanordnung aus Fig. 5 wird der Fang­ strom und die Ankerposition s(t) mit der Detektoranordnung 16 erfaßt. Hieraus er­ zeugt die Meßwertauswerteeinrichtung 212 eine den Istwert der Ankergeschwindig­ keit v(t) und des Fangstroms enthaltende Größe als Regelgröße x. In einer zweiten Ausgestaltung dieser Schaltungsanordnung wird mit der Detektoranordnung 16 der Fangstrom und als weitere Komponente die Änderung des magnetischen Flusses im aktiven Magnetkreis als Detektorgröße d erfaßt. Die Änderung des magnetischen Flusses wird dabei mittels einer im aktiven Magnetkreis vorgesehenen, vorteilhaf­ terweise im Spulenfenster des fangenden Elektromagneten angeordneten, Meßspule erfaßt. Mit einer derartigen Meßspule läßt sich auch eine Spannung, die durch die Änderung des magnetischen Flusses in der Meßspule induziert wird, als Detektor­ größe d erfassen. Aus der Detektorgröße d bildet die Meßwertauswerteeinrichtung 212 dann die Regelgröße x, die den Istwert des magnetischen Flusses oder der in der Meßspule induzierten Spannung und den Istwert des Fangstroms als Komponen­ ten enthält.

Claims (15)

1. Verfahren zur Regelung des Bewegungsverlaufs eines Ankers (10), der sich in einem elektromagnetischen Aktuator (1) gegen die Kraft zweier gegensinnig wirken­ der Federn (13, 14) von einem loslassenden Elektromagneten (101) zu einem die­ sem gegenüberliegenden fangenden Elektromagneten (102) bewegt, bei dem in einem Regelkreis (16, 20, 21, 101, 102) eine vom Bewegungsverlauf des Ankers (10) abhängige Detektorgröße (d) erfaßt wird, aus der eine von der Ankerposition (s) oder Zeit (t) abhängige Größe als Regelgröße (x) gebildet wird, die auf eine Füh­ rungsgröße (x0) geregelt wird durch Steuerung des Sollwertes (i11) eines durch den fangenden Elektromagneten (102) fließenden Fangstroms, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Führungsgröße (x0) in Abhängigkeit der Detektorgröße (d) derart vorgegeben wird, daß der Anker (10) mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit auf den fangenden Elektromagneten (102) auftrifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verlauf der Detektorgröße (d) auf den Regelkreis (16, 20, 21, 101, 102) wirkende Störgrößen ermittelt werden und daß der Verlauf der Führungsgröße (x0) derart vorgegeben wird, daß der Einfluß der Störgrößen auf die Geschwindigkeit des Ankers (10) beim Auftreffen des Ankers (10) auf den fangende Elektromagneten (102) kompensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung in mehre­ ren Phasen verläuft, wobei eine unmittelbar nach dem Ablösen des Ankers (10) vom loslassenden Elektromagneten (101) beginnende Phase als Ablösephase (A) defi­ niert wird, in der der Verlauf des Sollwertes (i11) des Fangstroms in Abhängigkeit der Störgrößen vorgesteuert wird und/oder der Verlauf eines durch den loslassen­ den Elektromagneten (101) fließenden Stromes als Bremsstroms in Abhängigkeit der Störgrößen gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorgröße (d) in mehreren Bewegungszyklen des Ankers (10) erfaßt wird, daß aus der sich über mehrere Bewegungszyklen ergebenden Änderung der Detek­ torgröße (d) langsame Schwankungen von Betriebsparametern ermittelt werden und daß der fangende Elektromagnet (102) in Abhängigkeit der langsamen Schwankun­ gen der Betriebsparameter bestromt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße (x0) in Abhängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangstrom (i(t)) in Abhängigkeit der langsamen Schwankungen der Betriebsparameter vorge­ steuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Regelkreises in Abhängigkeit der langsamen Schwankun­ gen der Betriebsparameter vorgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Regelkreises in Abhängigkeit der Detektorgröße (d) vorgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangstrom (i(t)) in einer nach dem Auftreffen des Ankers (10) auf den fangenden Elektromagneten (102) beginnenden Haltephase (E) geregelt wird, indem folgende Verfahrensschritte zyklisch wiederholt werden:

• - der Fangstrom wird um einen vorgegebenen Betrag reduziert,
• - anhand der Detektorgröße (d) wird geprüft, ob der Anker (10) weiterhin am fan­ genden Elektromagneten (102) anliegt,
• - der Fangstrom (i(t)) wird, falls der Anker (10) nicht mehr am fangenden Elektroma­ gneten (102) anliegt, erhöht, um den Anker (10) geregelt zurück zum fangenden Elektromagneten (102) zu bewegen.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (10) auf ein Gaswechselventil (15) einer Brennkraftmaschine wirkt, die durch Motorsteuerdaten (z0) gesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße (x0) in Abhängigkeit der Motorsteuerdaten (z0) vorgegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fang­ strom in Abhängigkeit der Motorsteuerdaten (z0) gesteuert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Regelkreises in Abhängigkeit der Motorsteuerdaten (z0) vorgegeben wird.

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorgröße (d) mit einer Meßspule erfaßt wird, die im Aktuator (1) derart an­ geordnet ist, daß sie vom magnetischen Fluß des fangenden Elektromagneten (102) durchflutet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Meß­ spule induzierte Spannung oder der aus dieser Spannung ermittelte magnetische Fluß als Detektorgröße (d) erfaßt wird.