DE102014223066A1

DE102014223066A1 - Verfahren und Steuereinheit zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators

Info

Publication number: DE102014223066A1
Application number: DE102014223066.7A
Authority: DE
Inventors: Jiahang Jin; Jens Reinhold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator antreibenden Magnetspule, wobei der Ankeranschlag des Aktuators mittels Auswertung einer zeitlichen Ableitung des Stromverlaufs i_pmp durch die Magnetspule bestimmt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Minimum der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp bestimmt wird und dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn das Minimum größer oder gleich Null ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens.
Das Verfahren ermöglicht die Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromagnetischen Aktuators auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator antreibenden Magnetspule, wobei der Ankeranschlag des Aktuators mittels Auswertung einer zeitlichen Ableitung des Stromverlaufs durch die Magnetspule bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Schrift DE 10 2013 200 540 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung eines Bewegungsbeginns eines elektromechanischen Aktuators, welcher mittels mindestens einer Magnetspule angetrieben wird. Dabei wird ein Loslaufzeitpunkt des Aktuators durch Auswertung eines Stroms, welcher durch die Magnetspule fließt, und seiner zeitliche Ableitungen ermittelt. Es ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Loslaufzeitpunktes eine relative Induktivität aus einem zeitlichen Induktivitätsverlauf bestimmt und ein zeitlicher Verlauf der relativen Induktivität ausgewertet wird.
Entsprechend ist es bekannt, einen Anschlag des Aktuators (Magnet Stop Point MSP) an Hand des Induktivitätsverlaufs zu bestimmen. Nachteilig hierbei ist der erforderliche hohe Rechenaufwand zur Bestimmung der Induktivität, da die Induktivität für jeden Aktuator unterschiedlich sein kann. Zur Auswertung muss die Induktivität normiert werden. Der hohe Rechenaufwand führt zu hohen erforderlichen Ressourcen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen des Aktuators, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen und dadurch bedingten geringen Ge- schwindigkeiten des Aktuators, der Ankeranschlag an Hand des Induktivitätsverlaufs nicht eindeutig nachgewiesen werden kann.
Die DE 10 2011 088 701 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Ankerbewegung einer Hubkolbenmagnetpumpe, insbesondere im Fördermodul eines SCR- Katalysatorsystems. Dazu wird ein lokales Minimum im Stromverlauf durch die Magnetspule der Hubkolbenmagnetpumpe gesucht und als MSP erkannt. Zur Bestimmung des lokalen Minimums kann ein Nulldurchgang der ersten zeitlichen Ableitung des Stromverlaufs verwendet werden.
Nachteilig hierbei ist, dass sich unter ungünstigen Betriebsbedingungen des Aktuators bei geringen Geschwindigkeiten der Ankerbewegung kein Minimum im Stromverlauf ausbildet. Solche ungünstigen Betriebsbedingungen können beispielsweise bei niedrigen Temperaturen und entsprechen hoher Reibung vorliegen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Erkennung des Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators ermöglicht werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Minimum der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp bestimmt wird und dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn das Minimum größer oder gleich Null ist. Liegt, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen, eine verlangsamte Bewegung des Ankers vor, bildet sich am Ankeranschlag kein Minimum in dem Stromverlauf i_pmp und somit kein Nulldurchgang der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp aus. Zum Zeitpunkt des Ankeranschlags ergibt sich jedoch eine plötzliche Änderung der Ankerbewegung und damit des monoton steigenden Verlaufs des durch die Magnetspule fließenden Stroms i_pmp. Vor dem Ankeranschlag reduziert sich die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms i_pmp, während sie nach dem Ankeranschlag wieder ansteigt. Die erste zeitliche Ableitung i_grad bildet daher am Ankeranschlag ein Minimum aus, welches erfindungsgemäß nachgewiesen wird. Der Ankeranschlag kann somit auch unter Betriebsbedingungen, welche zu einer verlangsamten Bewegung des Ankers führen, sicher nachgewiesen werden.
Liegt eine ausreichend schnelle Ankerbewegung vor, steigt der Strom i_pmp durch die Magnetspule zunächst an, fällt dann aber wieder ab und bildet ein Minimum aus, bevor er wieder ansteigt. Die erste zeitliche Ableitung i_grad eines solchen Stromverlauf i_pmp bildet somit ein Minimum kleiner Null und zwei Nulldurchgänge aus. Um auch unter Betriebsbedingungen, welche zu einer schnellen Ankerbewegung führen, eine sichere Erkennung des Ankeranschlags zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass der Ankeranschlag dem Zeitpunkt eines zweiten Nulldurchgangs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad Nulldurchgänge aufweist. Durch die Bestimmung des Minimums oder, falls vorhanden, des zweiten Nulldurchgangs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad kann der Ankeranschlag sowohl bei langsamen wie bei schnellen Ankerbewegungen sicher erkannt werden.
Zur Bestimmung des Minimums der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp durch die Magnetspule kann es vorgesehen sein, dass für die Suche des Minimums der Wert einer ersten Schwelle für die erste zeitliche Ableitung i_grad des Stromverlaufs, ausgehend von einem Wert null, um einen vorgegebenen Wert ∆X schrittweise erhöht wird, dass vor einer Erhöhung der ersten Schwelle überprüft wird, ob die erste zeitliche Ableitung i_grad in ihrem Verlauf kleiner oder gleich der ersten Schwelle ist und dass das Minimum in dem Abschnitt des Stromverlaufs, der kleiner oder gleich der ersten Schwelle ist, gesucht wird. Dazu wird vorteilhaft der Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad gespeichert und mit der ersten Schwelle verglichen. Wurde die erste Schwelle so weit angehoben, dass Werte der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp unter der ersten Schwelle liegen, so liegt auch das gesuchte Minimum unter dieser ersten Schwelle und kann entsprechend schnell gefunden werden.
Um zu vermeiden, dass Störungen, beispielsweise Schwankungen, in dem ermittelten Verlauf der ersten Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp, fehlerhaft als Minimum und damit als Ankeranschlag gewertet werden kann es vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die zeitliche Ableitung i_grad nach dem Minimum eine zweite Schwelle I_grad,max überschreitet. Ist dies nicht der Fall, wird die Suche nach dem Minimum fortgesetzt.
Entsprechend kann es vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp nach dem Minimum innerhalb einer vorgegebenen Zeit K_abs einen Wert erreicht, der um eine vorgegebene dritte Schwelle L über dem Minimum liegt. Es wird also überprüft, ob sich die erste zeitliche Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp nach dem Minimum stark ändert, ob also die zweite zeitliche Ableitung i_grad einen Wert größer als ein Vorgabewert erreicht. Ist dies der Fall, gilt der ermittelte Zeitpunkt des Minimums als Ankeranschlag. Fällt der Anstieg des Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp geringer aus, wird die Suche nach dem Minimum fortgesetzt.
Eine eindeutige und fehlerfreie Bestimmung des Ankeranschlags auch bei langsam bewegtem Aktuator kann dadurch erreicht werden, dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die zeitliche Ableitung i_grad nach dem Minimum die zweite Schwelle I_grad,max überschreitet und das Minimum zwischen Null und einer vierten Schwelle X_thres liegt und/oder dass der Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp nach dem Minimum innerhalb einer vorgegebenen Zeit K_abs einen Wert erreicht, der um eine vorgegebene dritte Schwelle L über dem Minimum liegt und das Minimum zwischen der vierten Schwelle X_thres und einer fünften Schwelle X_max liegt und/oder dass kein Ankeranschlag erkannt wird, wenn das Minimum über der fünften Schwelle X_max liegt.
Der Ankeranschlag sowohl schnell wie auch langsam bewegter Aktuatoren kann dadurch schnell und mit geringem Ressourcenaufwand gefunden werden, dass zur Erkennung des Ankeranschlags der zeitliche Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp gespeichert wird, dass, ausgehend von einem letzten Speicherwert, in einer Rückwärtssuche der zweite Nulldurchgang ermittelt wird oder dass, wenn kein Nulldurchgang ermittelt wurde, das Erreichen der ersten Schwelle ermittelt wird und dass, ausgehend von dem Zeitpunkt des Erreichens der ersten Schwelle, in einer weiteren Rückwärtssuche das Minimum ermittelt wird. Für schnell bewegte Anker bilden sich die Nulldurchgänge in der ersten zeitlichen Ableitung i_grad aus. Dabei entspricht der zweite Nulldurchgang dem Ankeranschlag. Bei vergleichsweise langsam bewegten Ankern bilden sich keine Nulldurchgänge, aber das Minimum größer Null aus, welches dem Ankeranschlag zugeordnet werden kann. Somit kann mit einer Prüfroutine der Ankeranschlag sowohl für schnell bewegte Anker wie auch für vergleichs- weise langsam bewegte Anker bestimmt werden. Das Verfahren lässt sich so für unter verschiedenen Betriebsbedingungen betriebene Aktuatoren verwenden.
Der Stromverlauf i_pmp wird vorzugsweise durch eine Spannungsmessung über einen Shunt-Widerstand bestimmt. Die Messung erfolgt dabei vorteilhaft über einen Analog- Digital-Wandler (ADC). Um ein Rauschen bei der Berechnung des Stromverlaufs i_pmp aus den Spannungswerten sowie der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp zu unterdrücken kann es vorgesehen sein, dass der Stromverlauf i_pmp an diskreten Zeitpunkten bestimmt und über einen Tiefpassfilter gefiltert wird und dass die erste zeitliche Ableitung i_grad aus den gefilterten Werten des Stromverlaufs i_pmp bestimmt wird und/oder dass der ermittelte Ankeranschlag um einen durch den Tiefpassfilter verursachten zeitlichen Versatz korrigiert wird. Der Tiefpassfilter bewirkt einen zeitlichen Versatz des ermittelten Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad. Dieser zeitliche Versatz ist bekannt und kann entsprechend bei der Bestimmung des Ankeranschlags berücksichtigt werden.
Die die Steuereinheit betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Minimum der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp zu bestimmen und den Zeitpunkt des Minimums dem Ankeranschlag zuzuordnen, wenn das Minimum größer Null ist, und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, einen zweiten Nulldurchgang der ersten zeitlichen Ableitung i_grad des Stromverlaufs i_pmp zu bestimmen und den Zeitpunkt des zweiten Nulldurchgangs dem Ankeranschlag zuzuordnen. Mit Hilfe der Steuereinheit kann somit ein Ankeranschlag sowohl bei einem schnell bewegten Anker, welcher ein Minimum in dem ermittelten Stromverlauf i_pmp durch die Magnetspule ausbildet, als auch bei einem vergleichsweise langsam bewegten Anker, welcher kein Minimum in dem ermittelten Stromverlauf i_pmp ausbildet, sicher erkannt werden. Damit kann die Steuereinheit den Ankeranschlag bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei hohen und niedrigen Temperaturen, erkennen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Diagramm zu einem Stromverlauf i_pmp in einer Magnetspule eines elektromagnetischen Aktuators bei einem schnell bewegten Anker,
2 ein zweites Diagramm zum Stromverlauf i_pmp in einer Magnetspule bei einem gegenüber dem ersten Diagramm verlangsamt bewegten Anker,
3 ein drittes Diagramm zum Stromverlauf i_pmp in einer Magnetspule bei einem gegenüber dem zweiten Diagramm verlangsamt bewegten Anker und
4 ein Ablaufdiagramm zur Erkennung eines Ankeranschlags.
1 zeigt ein erstes Diagramm zu einem Stromverlauf i_pmp 20 in einer Magnetspule eines elektromagnetischen Aktuators bei einem schnell bewegten Anker. Im konkreten, auch in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um den Anker einer Hubmagnetpumpe in einem Förder- und Dosiersystem zur Zuführung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine.
Der Stromverlauf i_pmp 20 ist gegenüber einer Stromachse i_pmp 11 und einer Zeitachse 13 aufgetragen. Eine aus dem Stromverlauf i_pmp 20 gebildete erste zeitliche Ableitung i_grad 30 ist gegenüber einer Gradientenachse i_grad 10 und einer Nulllinie 12, welche die gleiche zeitliche Aufteilung wie die Zeitachse 13 aufweist, aufgetragen.
Entlang des Stromverlaufs i_pmp 20 sind ein Loslaufzeitpunkt 21 (BMP: Begin Motion Point) des Ankers, ein erster Anschlag-Zeitpunkt 22.1 (MSP: Magnet Stop Point) des Ankers sowie ein Ende 14 einer Datenerfassung markiert.
Entlang des Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 ist ein erster Nulldurchgang 31, ein erstes Minimum 32.1 und ein zweiter Nulldurchgang 33 gekennzeichnet. Messpunkte 15 einer digitalen Messdatenerfassung sind schematisch und stellvertretend für den gesamten Stromverlauf i_pmp 20 und den gesamten Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 durch Punkte dargestellt.
Ein zeitlicher Versatz 16 zwischen dem Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 und dem Stromverlauf i_pmp 20 ist durch einen Doppelpfeil angezeigt.
Zu einem Ansteuerbeginn wird die Hubmagnetpumpe mit Betriebsspannung beaufschlagt, so dass der Stromverlauf i_pmp 20 zu steigen beginnt. Zu dem Loslaufzeitpunkt 21 beginnt der Anker der Hubmagnetpumpe mit seiner Bewegung, wodurch sich wegen der hierbei auftretenden Gegeninduktion der Anstieg des Stromverlaufs i_pmp 20 abflacht. Zu dem ersten Anschlag-Zeitpunkt 22.1 schlägt der Anker der Hubmagnetpumpe an seiner Endstellung an. Hier zeigt der Stromverlauf i_pmp 20 ein für den Ankeran- schlag charakteristisches Minimum, nach dem er bis zu einem Abschalt-Zeitpunkt weiter ansteigt. Das Minimum im Stromverlauf i_pmp 20 und somit im zweiten Nulldurchgang der ersten zeitlichen Ableitung igrad 30 wird zur Erkennung des Zeitpunktes des Ankeranschlages ausgewertet.
Elektrisch kann der elektromechanische Aktuator durch ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einer Reihenschaltung einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R des Stromkreises, dargestellt werden. Bei einer Ansteuerspannung U_batt ergibt sich der Zusammenhang
Nach dem Einschalten nimmt der Strom gemäß
zu, wobei τ = L/R die Zeitkonstante des Stromkreises ist.
Der Strom i_pmp 20 erzeugt in der Magnetspule ein Magnetfeld. Ist die dadurch bedingte, auf den Anker einwirkende Magnetkraft größer als die Summe der Reibung und der auf die Anker einwirkende Federkraft einer Rückstellfeder, wird der Anker in Bewegung gesetzt. Die Induktivität der Magnetspule wird insbesondere durch die Wicklung, den Eisenkern, den geometrischen Aufbau und den sich durch die Bewegung des Ankers ändernden Luftspalt festgelegt. Für den Stromkreis ergibt sich damit
mit der Annahme, dass der Strom i_pmp zum betrachteten Zeitpunkt konstant bleibt. L_d ist die differenzielle Induktivität im Arbeitspunkt. Wie Gleichung (3) zeigt, verursacht die sich schnell verändernde Induktivität eine Reduzierung in dem Stromverlauf i_pmp 20. Diese Reduzierung endet zu dem Zeitpunkt, ab dem sich die Induktivität L nicht mehr verändert, so dass der Strom ab diesem Zeitpunkt wieder ansteigt. Das so gebildete Minimum in dem Stromverlauf i_pmp 20 entspricht somit dem ersten Ankeranschlag- Zeitpunkt 22.1. Die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 weist an diesem Punkt den einfach nachzuweisenden zweiten Nulldurchgang 33 auf.
Wie Gleichung (3) weiterhin zeigt, hängt die Änderung des Stroms i_pmp stark von der Geschwindigkeit der Induktivitätsänderung und damit von der Geschwindigkeit der Bewegung des Ankers ab. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen, kann die auf den Anker einwirkende Reibung so groß sein, dass sie die Bewegung des Ankers merklich verlangsamt. Dies kann zu einem monoton steigenden Stromverlauf i_pmp 20 führen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist.
Zur Bestimmung des Stromverlaufs i_pmp 20 wird eine Spannung, welche über einem in Reihe mit der Magnetspule angeordneten Shunt-Widerstand abfällt, mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers zu den Messpunkten 15 bestimmt. Die Messung kann sich dabei auf einen Teilbereich der Stromkurve im Bereich des Ankeranschlags beschränken. Die diskreten Spannungswerte werden in Stromwerte zurückgerechnet und anschließend weiter verarbeitet.
Für den in 1 gezeigten Fall einer schnellen Ankerbewegung erfolgt die Erkennung des ersten Anschlag-Zeitpunktes 22.1 durch folgende Schritte:

1. Zunächst wird der Stromverlauf i_pmp 20 durch einen Tiefpass gefiltert, um Störungen durch Rauschen zu unterdrücken. Vorteilhaft wird hierzu ein FIR-Filter verwendet, der einen linearen Phasenverlauf aufweist.
2. Anschließend erfolgt die Bestimmung der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 aus dem Stromverlauf i_pmp 20.
3. Ausgehend von dem letzten Wert der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 wird der Nulldurchgang zurückgesucht. Die Rückwärtssuche erfordert lediglich einen vergleichsweise geringen Ressourcen-, Berechnungs- und Zeitaufwand.
4. Um sicherzustellen, dass der so ermittelte erste Anschlag-Zeitpunkt 22.1 dem tatsächlichen ersten Anschlag-Zeitpunkt 22.1 entspricht, wird ein maximaler Wert i_grad,max der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 bestimmt.
5. Dieser maximale Wert i_grad,max wird mit einer in 2 gezeigten zweiten Schwelle I_grad,max 41 verglichen. Überschreitet der maximale Wert i_grad,max der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 die zweite Schwelle I_grad,max 41, wird der ermittelte erste Anschlag- Zeitpunkt 22.1 als tatsächlicher erster Anschlag-Zeitpunkt 22.1 bestätigt. Andernfalls wird der ermittelte erste Anschlag-Zeitpunkt 22.1 als Störung verworfen.
6. Der an Stelle des zweiten Nulldurchgangs 33 bestimmte erste Anschlag-Zeitpunkt 22.1 wird unter Berücksichtigung der Verzögerung durch den Tiefpassfilter nach vorne verschoben.

Vorzugsweise ist für die Tiefpassfilterung ein m-Ordnung FIR-Filter eingesetzt. Dieser ermöglicht eine einfache Berechnung und einen linearen Phasenverlauf.
2 zeigt ein zweites Diagramm zum Stromverlauf i_pmp 20 in einer Magnetspule bei einem gegenüber dem ersten Diagramm verlangsamt bewegten Anker. Gleiche Diagrammteile sind dabei entsprechend 1 bezeichnet.
Die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 bildet ein zweites Minimum 32.2 aus, welches größer als Null ist. Das zweite Minimum 32.2 liegt auf einer ersten Schwelle 40. Ein zweiter Anschlag-Zeitpunkt 22.2 des Ankers ist durch den zeitlichen Versatz 16 vor das zweite Minimum 32.2 gelegt.
Entlang der Gradientenachse i_grad sind eine vierte Schwelle X_thres 44 und eine fünfte Schwelle X_max 45 markiert. Das zweite Minimum 32.2 liegt unter der vierten Schwelle X_thres 44.
Durch die vergleichsweise langsame Ankerbewegung weist der Stromverlauf i_pmp 20 kein Minimum und demnach die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 keinen Nulldurchgang auf. Der Strom steigt monoton bis zu einem Sättigungsbereich an. Um dennoch den Ankeranschlag zu erkennen wird die Stelle gesucht, an der eine plötzliche Änderung des Stroms stattfindet. Der Algorithmus für die Suche nach dem Ankeranschlag wird für solche Fälle erfindungsgemäß angepasst. Falls kein Nulldurchgang im Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 gefunden wird, wird dazu nach einem Durchgang der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 durch die erste Schwelle 40 gesucht und dieser der Ankeranschlag zugeordnet. Anschließend wird überprüft, ob es sich bei den Durchgang um den Ankeranschlag oder um eine Störung handelt. Handelt es sich um eine Störung, wird die erste Schwelle 40 um einen vorgegebenen Wert ∆X erhöht und erneut auf einen Durchgang des Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 durch die jetzt angehobene erste Schwelle 40 gesucht. Ansonsten wird der zweite Ankeran- schlag-Zeitpunkt 22.2 unter Berücksichtigung des durch den Tiefpassfilter bewirkten zeitlichen Versatzes 16 ermittelt.
3 zeigt ein drittes Diagramm zum Stromverlauf i_pmp 20 in einer Magnetspule bei einem gegenüber dem in 2 gezeigten zweiten Diagramm verlangsamt bewegten Anker.
Zusätzlich zu den in dem ersten und dem zweiten Diagramm gezeigten Diagrammteilen zeigt das dritte Diagramm ein drittes Minimum 32.3 größer Null im Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30. Das dritte Minimum 32.3 liegt auf der Höhe der ersten Schwelle 40, wobei diese gegenüber der Darstellung in 2 angehoben ist. Das dritte Minimum 32.3 liegt somit zwischen der vierten Schwelle X_thres 44 und der fünften Schwelle X_max 45. Ein dritter Anschlags-Zeitpunkt 22.3 des Ankers ist durch den zeitlichen Versatz 16 gegenüber dem dritten Minimum 32.3 zeitlich nach vorne versetzt angezeigt. Eine benötigte Zeit 43, bis die erste zeitliche Ableitung i_grad 30, ausgehend von dem dritten Minimum 32.3, um eine dritte Schwelle L 42 angestiegen ist, ist durch einen Doppelpfeil markiert.
Die Suche nach dem dritten Anschlag-Zeitpunkt 22.3 erfolgt entsprechend der zu 2 beschriebenen Suche nach dem zweiten Anschlag-Zeitpunkt 22.2.
Nachfolgend ist die Suche nach dem Ankeranschlag für langsam bewegte Anker, wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist, entsprechend einer möglichen Ausführungsform beschrieben.

1. Zunächst erfolgt eine Tiefpassfilterung wie zu 1 beschrieben.
2. Ermittlung der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 wie zu 1 beschrieben.
3. Rückwärtssuche nach einem Durchgang x der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 durch die erste Schwelle 40. a. Wird ein Durchgang x erkannt, wird der Messpunkt k_x gespeichert. b. Wird kein Durchgang x erkannt, wird die erste Schwelle 40 um den vorgegebenen Wert ∆X erhöht und die Rückwärtssuche erneut durchgeführt.
4. Rückwärtssuche von dem Messpunkt kx nach dem lokalen Minimum 32.2, 32.3, das größer oder gleich Null ist. Dieses Minimum 32.2, 32.3 wird vorläufig als Anschlag-Zeitpunkt 22.2, 22.3 festgehalten.
5. Überprüfung, ob der vorläufige Anschlag-Zeitpunkt 22.2, 22.3 dem tatsächlichen Ankeranschlag entspricht. Die Überprüfung erfolgt an Hand des nachfolgenden Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 wie folgt: a. Liegt der Durchgang x unterhalb der vierten Schwelle X_thres 44 wird der Durchgang x näherungsweise als Nulldurchgang betrachtet, wie dies in 2 dargestellt ist. i. Daraufhin wird überprüft, ob die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 in ihrem dem zweiten Minimum 32.2 nachfolgenden Verlauf die zweite Schwelle I_grad,max 41 überschreitet. Ist dies der Fall, wird der vorläufige zweite Anschlag-Zeitpunkt 22.2 als tatsächlicher zweiter Anschlag-Zeitpunkt 22.2 erkannt. Andernfalls wird die Durchgangssuche mit einer erneut um den vorgegebenen Wert ∆X erhöhten ersten Schwelle 40 fortgesetzt. b. Liegt der Durchgang x oberhalb der vierten Schwelle X_thres 44, bedeutet dies, dass der Stromverlauf i_pmp 20 monoton steigend ist und die Steigung relativ groß ist. In diesem Fall wird der Ankeranschlag erkannt, wenn nach dem dritten Minimum 32.3 eine große Steigung der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 vorliegt, wie dies zu 3 gezeigt ist. i. Es wird überprüft, ob und wann die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 einen Wert W erreicht, der um die dritte Schwelle L 42 über dem Durchgang x liegt. Erreicht die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 einen Wert W nicht, wird die Durchgangssuche mit einer erhöhten ersten Schwelle 40 fortgesetzt. Ist der zeitliche Abstand zwischen dem dritten Minimum 32.3 bzw. dem Durchgang x und dem Erreichen des Wertes W kleiner als eine vorgegebene Zeit K_abs, liegt ein starker Anstieg der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 nach dem vorläufigen dritten Anschlag-Zeitpunkt 22.3 vor. In diesem Fall wird der vorläufige dritte Anschlag-Zeitpunkt 22.3 als tatsächlicher dritter Anschlag- Zeitpunkt 22.3 erkannt. Ist der zeitliche Abstand zwischen dem dritten Minimum 32.3 bzw. dem Durchgang x und dem Erreichen des Wertes W größer als die vorgegebene Zeit K_abs, liegt ein vergleichsweise flacher Anstieg der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 nach dem vorläufigen dritten Anschlag-Zeitpunkt 22.3 vor und die Durchgangssuche wird mit einer erhöhten ersten Schwelle 40 fortgesetzt
6. Steigt die erste Schwelle 40 nach wiederholtem Erhöhen um den vorgegebenen Wert ∆X über die fünfte Schwelle X_max 45, wird der Algorithmus gestoppt. In diesem Fall kann kein Ankeranschlag nachgewiesen werden.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erkennung eines Ankeranschlags.
In einem ersten Block 50 erfolgt der Start des Ablaufs. Zu diesem Zeitpunkt sind der Stromverlauf i_pmp 20 sowie die erste zeitliche Ableitung i_grad 30 bereits, wie zuvor beschrieben, bestimmt. In einem zweiten Block 51 erfolgt die Rückwärtssuche nach dem Durchgang x der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30 durch die erste Schwelle 40. Die Rückwärtssuche beginnt dabei bei einem letzten erfassten Wert des Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 30. In einer nachfolgenden ersten Verzweigung 60 wird überprüft, ob der Durchgang x erfolgt ist. Ist dies nicht der Fall, folgt der Ablauf zu einem neunten Block 58, in dem die erste Schwelle 40 um einen vorgegebenen Wert ∆X erhöht wird. In einer vierten Verzweigung 63 wird anschließend geprüft, ob die so erhaltene erste Schwelle 40 größer als die fünfte Schwelle X_max 45 ist. Ist dies der Fall, wird der Ablauf in einem zehnten Block 59 beendet, ohne dass ein Ankeranschlag erkannt wurde. Ist die Schwelle 40 kleiner als die fünfte Schwelle X_max 45, verzweigt der Ablauf zurück zum zweiten Block 51 und es erfolgt eine erneute Rückwärtssuche nach einem Durchgang x mit der jetzt um den vorgegebenen Wert ∆X erhöhten ersten Schwelle 40. Wird in der ersten Verzweigung 60 ein solcher Durchgang x erkannt, erfolgt in einem dritten Block 52 eine Rückwärtssuche nach einem lokalen Minimum 32.2, 32.3 der ersten zeitlichen Ableitung i_grad 40, welches größer oder gleich null ist. Dieses Minimum 32.2, 32.3 wird in einem vierten Block 53 als vorläufiger Anschlag-Zeitpunkt 22.2, 22.3 des Ankers angenommen. In einem fünften Block 54 erfolgt, ausgehend von dem Minimum 32.2, 32.3, eine Vorwärtssuche. In der nachfolgenden zweiten Verzweigung 61 wird überprüft, ob der Durchgang x kleiner als die vierte Schwelle X_thres 44 ist. Ist dies der Fall, wird in einem sechsten Block 55 überprüft, ob der maximale Wert der ersten zeitlichen Ableitung i_grad zwischen dem Minimum 32.2, 32.3 und der Sättigung die zweite Schwelle I_grad,max überschreitet. Ist der Durchgang x größer als die vierte Schwelle X_thres 44, wird in einem siebten Block 56 überprüft, ob die erste zeitliche Ableitung i_grad 30, ausgehend von dem Minimum 32.2, 32.3, innerhalb einer vorgegebenen Zeit K_abs um mehr als um eine dritte Schwelle L 42 ansteigt. Ist die Bedingung in dem sechsten Block 55 oder dem siebten Block 56 erfüllt, wird von der den beiden Blöcken 55, 56 nachfolgenden dritten Verzweigung 62 zu einem abschließenden achten Block 57 weitergeleitet. In dem achten Block 57 wird dann auf einen erkannten Ankeran- schlag zu dem bestimmten Anschlag-Zeitpunkt 22.2, 22.3 geschlossen. Ist hingegen keine der in dem sechsten Block 55 und dem siebten Block 56 überprüften Bedingungen erfüllt, verzweigt die dritte Verzweigung 62 zurück zum neunten Block 58 mit dem bereits beschriebenen weiteren Ablauf.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, sowohl bei schnell wie auch bei langsam bewegten Ankern von elektromagnetischen Aktuatoren einen Anschlag-Zeitpunkt 22.1, 22.2, 22.3 des Ankers sicher zu erkenne. Dazu kann ein gemeinsamer Algorithmus verwendet werden, wodurch sich eine einfache und kostengünstige Umsetzbarkeit des Verfahrens in einer entsprechenden Steuereinheit ergibt.
Die Abtastung der Stromwerte durch einen Analog-Digital-Wandler ist so fein zu wählen, dass das Merkmal zur Erkennung des Ankeranschlags nicht verloren geht. Die Anzahl der in einem Speicher hinterlegten ADC-Werte muss entsprechend ausreichend gewählt sein.
Die Tiefpassfilterung ist an die Hardwareeigenschaften und die Abtastfrequenz anzupassen, um Rauschen bzw. Störungen zu unterdrücken, ohne das Merkmal zur Erkennung des Ankeranschlags zu verletzten. Die Filterung kann als Software in dem Algorithmus integriert werden oder sie kann durch die Hardware bzw. Einstellungen in einem entsprechenden Mikrocontroller oder ADC realisiert sein. Das Verfahren kann beispielsweise bei einer Hubmagnetpumpe oder bei einem Hubmagnetventil eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013200540 A1 [0003]
DE 102011088701 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator antreibenden Magnetspule, wobei der Ankeranschlag des Aktuators mittels Auswertung einer ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) durch die Magnetspule bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minimum (32.2, 32.3) der ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) bestimmt wird und dass der Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn das Minimum (32.2, 32.3) größer oder gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankeranschlag dem Zeitpunkt eines zweiten Nulldurchgangs (33) der ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs ipmp (20) zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) Nulldurchgänge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Suche des Minimums (32.2, 32.3) der Wert einer ersten Schwelle (40) für die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20), ausgehend von einem Wert null, um einen vorgegebenen Wert ∆X schrittweise erhöht wird, dass vor einer Erhöhung der ersten Schwelle (40) überprüft wird, ob die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) in ihrem Verlauf kleiner oder gleich der ersten Schwelle (40) ist und dass das Minimum (32.2, 32.3) in dem Abschnitt des Stromverlaufs i_pmp (20), der kleiner oder gleich der ersten Schwelle (40) ist, gesucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) nach dem Minimum (32.2, 32.3) eine zweite Schwelle I_grad,max (41) überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) nach dem Minimum (32.2, 32.3) innerhalb einer vorgegebenen Zeit K_abs einen Wert erreicht, der um eine vorgegebene dritte Schwelle L (42) über dem Minimum (32.2, 32.3) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) nach dem Minimum (32.2, 32.3) die zweite Schwelle I_grad,max (42) überschreitet und das Minimum (32.2, 32.3) zwischen Null und einer vierten Schwelle X_thres (44) liegt und/oder dass der Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zugeordnet wird, wenn die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) nach dem Minimum (32.2, 32.3) innerhalb einer vorgegebenen Zeit K_abs einen Wert erreicht, der um eine vorgegebene dritte Schwelle L (42) über dem Minimum (32.2, 32.3) liegt und das Minimum (32.2, 32.3) zwischen der vierten Schwelle X_thres (44) und einer fünften Schwelle X_max (45) liegt und/oder dass kein Ankeranschlag erkannt wird, wenn das Minimum (32.2, 32.3) über der fünften Schwelle X_max (45) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Ankeranschlags der zeitliche Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) gespeichert wird, dass, ausgehend von einem letzten Speicherwert, in einer Rückwärtssuche der zweite Nulldurchgang (33) ermittelt wird oder dass, wenn kein Nulldurchgang (31, 33) ermittelt wurde, das Erreichen der ersten Schwelle (40) ermittelt wird und dass, ausgehend von dem Zeitpunkt des Erreichens der ersten Schwelle (40), in einer weiteren Rückwärtssuche das Minimum (32.2, 32.3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverlauf i_pmp (20) an diskreten Zeitpunkten bestimmt und über einen Tiefpassfilter gefiltert wird und dass die erste zeitliche Ableitung i_grad (30) aus den gefilterten Werten des Stromverlaufs i_pmp (20) bestimmt wird und/oder dass der ermittelte Ankeranschlag um einen durch den Tiefpassfilter verursachten zeitlichen Versatz (16) korrigiert wird.
Steuereinheit zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators, wobei einer Verarbeitungseinrichtung der Steuereinheit ein durch eine Magnetspule des elekt- romagnetischen Aktuators fließender Strom zugeführt ist und wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, aus dem Stromverlauf i_pmp (20) durch die Magnetspule einen Ankeranschlag des elektromechanischen Aktuators zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Minimum (32.2, 32.3) der ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) zu bestimmen und den Zeitpunkt des Minimums (32.2, 32.3) dem Ankeranschlag zuzuordnen, wenn das Minimum (32.2, 32.3) größer Null ist, und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, einen zweiten Nulldurchgang (33) der ersten zeitlichen Ableitung i_grad (30) des Stromverlaufs i_pmp (20) zu bestimmen und den Zeitpunkt des zweiten Nulldurchgangs (33) dem Ankeranschlag zuzuordnen.