DE10012047A1

DE10012047A1 - Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE10012047A1
Application number: DE10012047A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Die Wicklung des Elektromagneten, auf den sich nach Freigabe des Ankers durch den anderen Elektromagneten zu bewegt (Fangmagnet), wird zunächst mit einem gegenüber dem Haltestrom geringen getakteten Strom beaufschlagt. Das zeitliche Verhalten des Stroms im Fangmagneten wird über die gesamte Hubphase im Anstieg und Abfall ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetischen Stel leinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 198 34 213 A1 und aus der WO 99/34378 be kannt. Zur Beeinflussung der Regelgröße wird nicht die Position oder die Geschwin digkeit des Ankers mittels eines Sensors gemessen, sondern es wird in sogenannten Freilaufphasen, in denen der, der Wicklung der Elektromagnete zugeführte Strom von außen unbeeinflußt ist und abfällt, das zeitliche Verhalten dieses Stroms ausge wertet, daraus die Ankergeschwindigkeit abgeleitet und zur Regelung ausgenutzt. Hier ist eine Auswertung des zeitlichen Verhaltens des Stroms nur während der Pha se des Freilaufes ohne Ansteuerung der Wicklung vorgesehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Phase, in der eine Auswertung durch führbar ist, zu verlängern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei muß bei der Auswertung darauf geachtet werden, daß für die Messung nicht zuviel elektrische Energie verbraucht wird. Daher wird in der Phase bis der Haupt strom für die Hubarbeit des Magneten wirksam gemacht wird nur mit einem kleinen Meßstrom gearbeitet, der getaktet ist. Hier kann der zeitliche Stromanstieg und Abfall ausgewertet werden. Dabei muß unterschieden werden zwischen dem Magneten, welcher über einen Haltestrom den Anker, bzw. das Ventil festhält und durch Ab schaltung freigibt und dem Magneten, der in der Hubphase die elektrische Energie zur Überwindung der mechanischen Verluste aufbringt, also den Anker fängt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch die Wicklung des Magneten, der den Anker gerade freigibt, mit einem getakteten Meßstrom beaufschlagt und auch dieser Meßstrom wird zusätzlich neben dem sogenannten fangenden Magneten zur Auswertung herangezogen.

Man kann bei dem getakteten Strom die durch die Ankerbewegung bewirkte zeitliche Änderung des mittleren Stromwerts bei einer festen Taktfrequenz auswerten. Alter nativ kann aber auch die zeitliche Änderung der Taktfrequenz bei festen Ein- und Abschaltwerten des getakteten Stroms ausgewertet werden. Auch ist es möglich, die in den Wicklungen durch die Ankerbewegung induzierte Spannung auszuwerten.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine elektromagnetische Stelleinrichtung in Prinzip darstellung

Fig. 2a und 2b Diagramme zur Erläuterung

Fig. 3 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung eines Test zyklus

In Fig. 1 ist ein Hebel 1 bei 2 schwenkbar gelagert. Der Hebel beinhaltet den Anker 3 des Aktuators. Dem Anker 3 stehen zwei Elektromagnete 4 und 5 gegenüber. Die Bewegung des Hebels 1 wird über ein Übertragungsglied 6 auf den Schaft 7 eines Ventils eines Verbrennungsmotors übertragen. Eine sogenannte Ventilfeder 8 wirkt auf einen mit dem Ventilschaft 7 verbundenen Ventilteller 9. Diese Federkraft bildet zusammen mit der Federkraft eines im Schwenklager angeordneten und mit dem Hebel 1 verbundenen Drehrohrs 10 das auf den Hebel 1 wirkende Federkräftepaar mit entgegengesetzter Kraftrichtung der beiden Federkräfte. Bei einer Verstellung des Ankers 3 von der einen Endstellung zu der anderen Endstellung wird zuerst der gerade beaufschlagte Haltemagnet, z. B. 5 abgeschaltet, wodurch der Anker 3 durch die Federkraft beschleunigt und in Richtung der anderen Endstellung bewegt wird. Wegen der Verluste würde er jedoch nicht in die andere Endstellung gelangen. Des halb muß der andere Magnet, der Fangmagnet 4 zu geschaltet werden. Dies sollte jedoch wegen des besseren Wirkungsgrades möglichst nahe der anderen Endstellung und damit bei möglichst kleinem Luftspalt erfolgen. Der Fangmagnet 4 über nimmt später auch das Halten des Ankers 3 in der Endstellung bei vermindertem Strom. In der erreichten Stellung ist nun das Ventil geschlossen. Beim Öffnen spielt sich die Magnetfunktion in umgekehrter Reihenfolge ab, das heißt der Magnet 5 wird dann Fangmagnet. Im Anspruch 1 und in Fig. 1 wird von zwei Elektromagneten ge sprochen. Hierunter soll auch eine Anordnung fallen, bei der durch besondere Jochausbildung auch mit nur einer Wicklung die entgegengesetzt gerichteten Mag netkräfte erzeugt werden können. Der beschriebene Aufbau enthält hier keinen Sen sor. Die Meßgrößen Geschwindigkeit und Hub können z. B. aus dem Zeitverhalten des Stroms gewonnen werden (z. B. entsprechend DE 198 34 213 A1 oder WO 9934378). Gegebenenfalls kann der Hub auch aus der Integration der Ge schwindigkeit gewonnen werden.

In Fig. 2a ist oben der Stromverlauf i₄ im Fangmagneten 4 aufgetragen, darunter der Spannungsverlauf U₄ jeweils über der Zeit t. Im Zeitpunkt t₀ wird der Haltestrom i₅ des anderen Magneten 5 abgeschaltet (sh. Fig. 2b). Durch die Federkräfte wird nun der Anker 3 beschleunigt. Im Zeitraum t₀ bis t₁ wird in die Wicklung des Fangma gneten 4 ein kleiner getakteter Meßstrom i_m4 eingespeist. Aus der Änderung des Zeitverhaltens dieses Stroms bedingt durch die Bewegung des Ankers 3 kann auf die Verluste des Systems geschlossen werden und ein Stromimpuls ermittelt werden, dessen Beginn und dessen Größe dazu geeignet ist, die Verluste zu kompensieren. Dieser Impuls wirkt ab t₁, geht ab t₂ bis t₃ durch Takten in eine Konstanthaltephase über und wird bei t₃ abgeschaltet. Bei t₄ wird festgestellt, z. B. durch Auswerten des Zeitverhaltens des Stromabfalls zwischen t₃ und t₄ im Regler, daß bei t₄ noch ein zu sätzlicher kleiner Stromimpuls notwendig ist, um zusätzlich Energie einzuspeisen. Nach einem weiteren Stromabfall geht der Strom i₄ ab t₅ in den getakteten Hal testrom i_h4 über. Hier kann während der gesamten Hubphase der zeitliche Stromver lauf ausgewertet werden. Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik hat dieses Verfahren den Vorteil, daß in der Hubanfangsphase bereits aus gewertet werden kann, ohne daß viel Energie verbraucht wird. Dies ist insbesondere interessant für Systeme mit Drehanker bei denen infolge der kleineren Luftspalte re lativ spät in der Hubbewegung erst der Fangstrom eingeschaltet wird. Der getaktete Strom kann in der Größenordnung des Haltestroms liegen, aber auch kleiner sein.

In Fig. 2b ist der Stromverlauf i₅ und darunter die zugehörige Spannung U₅ des Elek tromagneten 5 aufgezeichnet. Nach dem Abschalten des getakteten Haltestroms i_h5 bei t₀ wird hier zusätzlich in der Wicklung des Elektromagneten 5 ein kleiner getak teter Meßstrom i_m5 eingekoppelt. Aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes des freige benden Magneten wird die Geschwindigkeit und der Weg des Ankers bestimmt. Da durch, daß sich der Anker von kleinen zu größeren Luftspalten bewegt, ist hier die Auswertung der Induktivität über die zeitliche Stromänderung besonders günstig. Darüber hinaus kann auch aus dem zeitlichem Verhalten des Meßstroms Rückschluß auf die augenblicklichen Verluste des Systems gewonnen werden und zusätzlich auf die notwendige Strombemessung im Fangmagneten geschlossen werden. Die Aus wertung des Zeitverhaltens des Stroms i₅ des fangenden Magneten geschieht über lappend mit der Auswertung des Stroms i₄ des freigebenden Magneten. Die Beendi gung der Einspeisung und Auswertung des Stroms i₅ wird man etwa bei halbem Hub beenden. Man kann auch eine alternierende Auswertung beider Magnetspulen vor nehmen. Bei diesem Verfahren kann das Takten des fangenden Magneten mit klei nem Strom entfallen. Hierbei können sich die auszuwertenden Ströme auch überlap pen.

Man kann dann, wenn der Anker 3 in einer Endstellung durch den Haltestrom i_H ge halten wird, einen oder mehrere Testimpulse auf die Wicklung des andern Elektro magneten geben und das Zeitverhalten des Stromverlaufs im Auf- und/oder Abbau auswerten.

In Fig. 3 ist oben der getaktete Haltestrom i₄ = i_H, z. B. im Elektromagneten 4 aufge zeichnet, darunter zwei Testimpulse i₅ der Breite T_T und die zugehörige Spannung U₅. Durch dieses Testverfahren kann man die verschiedenen Toleranzen des Sy stems feststellen und diese anschließend berücksichtigen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung, bei der ein verschiebbar gelagerter Anker (3) zwischen den Polen zweier Elektromagnete (4, 5) hin und her bewegt wird, wobei auf den Anker (3) zwei entgegen gesetzt gerichtete Federkräfte (8, 10) einwirken, die ohne Erregung eines Elektroma gneten (4, 5) den Anker (3) in eine Zwischenstellung stellen, wobei der Anker (3) unter Einwirkung von Magnetkraft in seine Endstellungen wenigstens in Pol nähe gebracht und dort festgehalten wird, wobei weiterhin mittels einer den Elektromagneten (4, 5) zugeordneten Wicklung (4a, 5a) Beeinflussungswerte für die Regelung des Bewegungsablaufs des Ankers (3) gewonnen werden, da durch gekennzeichnet, daß die Wicklung (4a oder 5a) des Elektromagneten (4 oder 5) auf den sich der Anker (3) nach Freigabe durch den andern Magneten (5 oder 4) zu bewegt (Fangmagnet) mit einem zunächst geringen getakteten Strom i_m1 bis zur Einschaltung des Fangstromes beaufschlagt wird und daß das zeitliche Verhalten dieses getakteten Stroms i_m1 ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Wick lung (4a oder 5a) des Elektromagneten (4 oder 5), der den Anker (3) in der ei nen Endstellung gerade festgehalten hat (Haltestrom i_H) nach Freigabe des An kers (3) mit einem geringen getakteten Strom beaufschlagt wird und daß auch das zeitliche Verhalten dieses getakteten Stromes ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei getakte tem Strom die zeitliche Änderung des Stromwerts des getakteten Stroms bei fester Taktfrequenz ausgewertet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei getaktetem Strom und bei vorgegebenen festen Werten des getakteten Stroms, bei denen der Strom ein- und ausgeschaltet, die zeitliche Änderung der Takt frequenz ausgewertet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der durch die Annäherung des Ankers (3) in einer den Fangmagneten (5 oder 4) zugeordneten Wicklung(4a, 5a) induzierten Span nung ausgewertet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Haltephase des Ankers (3) durch den einen Elektromagneten (4, 5) in die Wicklung des andern Elektromagneten wenigstens ein Testimpuls eingekoppelt wird, und daß aus dem zeitlichen Verhalten des Auf- und/oder Abbaus des Te stimpulses auf Systemtoleranzen geschlossen wird, und daß die bei der Rege lung berücksichtigt werden.

7. Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung, bei der ein verschiebbar gelagerter Anker (3) zwischen den Polen zweier Elektromagnete (4, 5) hin und her bewegt wird, wobei auf den Anker (3) zwei entgegen gesetzt gerichtete Federkräfte (8, 10) einwirken, die ohne Erregung eines Elektroma gneten (4, 5) den Anker (3) in eine Zwischenstellung stellen, wobei der Anker (3) unter Einwirkung von Magnetkraft in seine Endstellungen wenigstens in Pol nähe gebracht und dort festgehalten wird, wobei weiterhin mittels einer den Elektromagneten (4, 5) zugeordneten Wicklung (4a, 5a) Beeinflussungswerte für die Regelung des Bewegungsablaufs des Ankers (3) gewonnen werden, da durch gekennzeichnet, daß die Wicklung (4a oder 5a) des Elektromagneten (4 oder 5), der den Anker (3) in der einen Endstellung gerade festgehalten hat (Haltestrom i_H) nach Freigabe des Ankers (3) mit einem geringen getakteten Strom beaufschlagt wird und daß auch das zeitliche Verhalten dieses getakte ten Stromes ausgewertet wird.