DE102016217985A1

DE102016217985A1 - Steuerungseinheit und Verfahren zum Überwachen der Funktion eines elektromagnetischen Aktuators

Info

Publication number: DE102016217985A1
Application number: DE102016217985.3A
Authority: DE
Inventors: WeiGang Wang; Piergiacomo Traversa; Michael Elicker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2017-03-23
Also published as: WO2017050332A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinheit zum Überwachen der Funktion eines elektromagnetischen Aktuators, z. B. eines Schaltventiles, welches blockiert sein kann. In dem elektromagnetischen Aktuator ist ein Magnetkern durch Bestromung einer elektrischen Spule verschiebbar. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Messen eines sich zeitlich verändernden, durch die Spule fließenden Stromes, wobei der gemessene Strom während einer Stromanstiegsphase (21) steigt, in deren Verlauf sich der Magnetkern zunächst im Leerlauf befindet. In einem weiteren Schritt wird eine Logarithmusfunktion des in der Stromanstiegsphase (21) gemessenen Stromes gebildet. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Approximieren der einen frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes repräsentierenden Logarithmusfunktion durch eine Linearfunktion. Es erfolgt ein laufendes Bestimmen einer Differenz zwischen der Logarithmusfunktion und der Linearfunktion über den frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes hinweg. In einem weiteren Schritt wird ein Abweichungszeitpunkt (46) ausgehend davon ermittelt, wann die Differenz ein vorab definiertes Differenzmaß erreicht. Erfindungsgemäß wird eine Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators erkannt, wenn der ermittelte Abweichungszeitpunkt (46) früher als ein vorab definierter Normabweichungszeitpunkt liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Überwachen der Funktion eines elektromagnetischen Aktuators. Bei dem elektromagnetischen Aktuator kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Die Funktion des elektromagnetischen Aktuators kann insbesondere dadurch gestört sein, dass der elektromagnetische Aktuator blockiert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinheit zur Steuerung und Überwachung eines elektromagnetischen Aktuators.
Die US 2011/0163769 A1 zeigt ein Verfahren zum Erkennen mindestens einer mittleren Hubposition einer durch ein aktives Materialelement angetriebenen Last. In dieser mittleren Hubposition erfährt das Materialelement eine Belastungsänderung.
Aus der US 2005/0146408 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen des Erreichens einer Verschlussposition eines elektromagnetischen Schaltventiles bekannt, bei welchem der nach einer Deaktivierung des Schaltventiles fließende Strom ausgewertet wird.
Die DE 10 2013 213 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen der Funktionsweise eines Schaltventiles, welches einen in einer Spule verlaufenden Magnetkern und einen Ventilkörper umfasst, der mithilfe des Magnetkernes und der bestromten Spule in axialer Richtung bewegt wird. Bei diesem Verfahren wird ein in der nicht bestromten Spule durch den Magnetkern induzierter Stromverlauf erfasst. Der induzierte Stromverlauf wird hinsichtlich Schwingungsform oder Höhe des induzierten Stromes ausgewertet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Funktion eines elektromagnetischen Aktuators genauer überwachen zu können, um insbesondere Blockaden des elektromagnetischen Aktuators sicherer erkennen zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Steuerungseinheit gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Überwachen der Funktion eines elektromagnetischen Aktuators. Bei dem elektromagnetischen Aktuator handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil, welches beispielsweise in einem Automobil, in einer chemischen Anlage, in einer energietechnischen Anlage, in einer Maschine oder in einer medizintechnischen Anlage Verwendung findet. Das Schaltventil kann insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Bei dem elektromagnetischen Aktuator kann es sich aber auch beispielsweise um einen Hubmagneten handeln. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die korrekte Funktion des elektromagnetischen Aktuators überwacht, sodass mögliche Fehler und/oder Defekte des Aktuators und mögliche Fehler und/oder Defekte eines durch den Aktuator angetriebenen Elementes erkannt werden können. Insbesondere sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mechanische Blockaden des Aktuators erkennbar.
Der elektromagnetische Aktuator umfasst einen Magnetkern und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Magnetkern angeordnet ist. Der Magnetkern ist durch Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar, sodass elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der elektromagnetische Aktuator das von ihm zu bewegende Element antreibt. Der Magnetkern ist in der elektrischen Spule bevorzugt in axialer Richtung der elektrischen Spule verschiebbar. Am Magnetkern ist ein Aktuatorelement angebracht, welches durch den Magnetkern verschoben wird. Bei dem Aktuatorelement handelt es sich bevorzugt um einen Ventilkörper, wenn der Aktuator durch ein Schaltventil gebildet ist.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Messen eines sich zeitlich verändernden, durch die elektrische Spule fließenden Stromes. Dieses Messen erfolgt insbesondere während der Bestromung der elektrischen Spule. Der gemessene Strom steigt während einer Stromanstiegsphase an. Die Stromanstiegsphase liegt in einer frühen zeitlichen Phase der Bestromung. Im Verlauf der Stromanstiegsphase befindet sich der Magnetkern zunächst im Leerlauf. An den zeitlichen Abschnitt des Leerlaufes schließt sich ein zeitlicher Abschnitt der magnetischen Sättigung an, welcher ebenfalls in der Stromanstiegsphase liegt. Die Stromanstiegsphase dauert bevorzugt zwischen 0,1 ms und 10 ms; besonders bevorzugt zwischen 1 ms und 3 ms.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Logarithmusfunktion des in der Stromanstiegsphase gemessenen Stromes gebildet. Somit umfasst das Argument der Logarithmusfunktion den zeitlich veränderlichen Strom. Entsprechend ist die Logarithmusfunktion von der Zeit abhängig.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Approximieren der einen frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes repräsentierenden Logarithmusfunktion durch eine Linearfunktion. Diese Approximation ist möglich, da der Strom in der Stromanstiegsphase nahezu logarithmisch steigt, solang sich der Magnetkern im Leerlauf befindet. Im Ergebnis dieses Schrittes liegt die Linearfunktion vor, welche den zeitlichen Verlauf der Logarithmusfunktion des gemessenen Stromes während des frühen zeitlichen Teilabschnittes des Leerlaufes mit großer Genauigkeit wiedergibt.
Es erfolgt zudem ein laufendes Bestimmen einer Differenz zwischen der Logarithmusfunktion und der Linearfunktion über den frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes hinaus und ggf. bis zum Ende der Stromanstiegsphase. Die Differenz wird ggf. bereits während des frühen zeitlichen Teilabschnittes des Leerlaufes bestimmt. Die Differenz ist während des frühen zeitlichen Teilabschnittes des Leerlaufes sehr klein, da die Logarithmusfunktion in diesem Teilabschnitt nahezu linear verläuft.
Nach dem frühen zeitlichen Teilabschnittes des Leerlaufes wird die Differenz zunehmend größer und steigt insbesondere zum Ende des zeitlichen Abschnittes des Leerlaufes signifikant an. Daher erfolgt in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ermitteln eines Abweichungszeitpunktes ausgehend davon, wann die Differenz ein vorab definiertes Differenzmaß erreicht bzw. übersteigt. Der Abweichungszeitpunkt beschreibt den Zeitpunkt, ab wann der zeitliche Verlauf des gemessenen Stromes nicht mehr logarithmisch ist, was durch eine einsetzende magnetische Sättigung bedingt ist.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Erkennen einer Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators, wenn der ermittelte Abweichungszeitpunkt früher als ein vorab definierter Normabweichungszeitpunkt liegt. Die Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators ist insbesondere durch eine Blockierung des elektromagnetischen Aktuators gegeben, bei welcher der Magnetkern daran gehindert ist, verschoben zu werden. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass der zeitliche Verlauf des gemessenen Stromes zu einem früheren Zeitpunkt seinen logarithmischen Verlauf verlässt, wenn der Aktuator blockiert ist.
Die erkannte Fehlfunktion wird bevorzugt ausgegeben, beispielsweise durch eine Steuerungseinheit zum Steuern und Überwachen des Aktuators in Form eines Schaltventiles, welche die Fehlfunktion an ein übergeordnetes System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors meldet.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es eine sichere Überwachung von elektromagnetischen Aktuatoren während ihres Betriebes ermöglicht und dadurch Schäden infolge eines blockierten Aktuators vermieden werden können. Beispielsweise können durch elektromagnetische Aktuatoren in Form von Schaltventilen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges erhebliche Schäden verursacht werden, wenn eines der Schaltventile wegen eines Defektes blockiert ist. Es kann insbesondere zu einer unbeabsichtigten Verlangsamung des Kraftfahrzeuges, zu einem suboptimalen Treibstoff-Luft-Verhältnis, zu Schädigungen durch im Verbrennungsmotor unverbrannten Treibstoff oder zu Totalschäden des Verbrennungsmotors infolge von nicht geschlossenen Ventilen im Verbrennungsraum kommen. Derartige Schäden können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verhindert werden.
Die Blockierung eines Schaltventiles stellt einen typischen Fehler dar. Eine solche Blockierung kann auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sein; beispielsweise auf einen Produktionsfehler, auf eine geringe Verarbeitungsqualität, auf eine unzureichende Schmierung während des Betriebes, auf extreme Temperaturbedingungen, auf eine fehlerhafte Bestromung oder auf Abnutzungserscheinungen.
Im elektromagnetischen Aktuator wird elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt. Der durch die elektrische Spule fließende Strom ergibt sich aus einem Ausgleich verschiedener Energien, nämlich einer elektrischen Energie, einer magnetischen Energie, einer kinetischen Energie, einer Arbeit gegen eine im Aktuator wirkende Feder und thermischen Verlusten. Die vorliegende Erfindung nutzt den Ausgleich zwischen der elektrischen Energie und der magnetischen Energie, um eine Blockierung des Aktuators erkennen zu können.
Die oben beschriebene Stromanstiegsphase beginnt bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, nachdem eine Betriebsspannung an die elektrische Spule angelegt wurde, um die elektrische Spule zu bestromen. Nachdem die Betriebsspannung an die elektrische Spule angelegt wurde, beginnt die Stromanstiegsphase mit oder ohne eine kurze zeitliche Verzögerung.
Der durch die elektrische Spule fließende Strom steigt während der Stromanstiegsphase bevorzugt von einem Minimalstromwert bis zu einem Maximalstromwert an. Diesem Steigen des Stromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. Beim Erreichen des Maximalstromwertes ist eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktuators erfolgt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich an die Stromanstiegsphase eine Spitzenstromphase an, in welcher der Strom von einem Spitzenstromphasenanfangswert auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert auf einen Spitzenstromphasenendwert steigt. Diesem Sinken und Steigen des Stromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich an die Spitzenstromphase eine Haltestromhase an, in welcher der gemessene Strom bis in einen Haltstromwertbereich sinkt und dort verbleibt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zeitlich nach der Spitzenstromphase eine Auslaufphase, welche sich insbesondere an die Haltestromhase anschließt. Der zeitliche Beginn der Auslaufphase ist dadurch gegeben, dass die Betriebsspannung wieder von der elektrischen Spule genommen wurde; d. h. dass der elektromagnetische Aktuator abgeschaltet wurde. Während der Auslaufphase steigt der gemessene Strom von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf einen Auslaufphasenzwischenstromwert, woraufhin er vom Auslaufphasenzwischenstromwert auf einen Auslaufphasenendstromwert sinkt. Der Auslaufphasenendstromwert ist bevorzugt Null.
Der Magnetkern befindet sich während der Stromanstiegsphase bevorzugt einen überwiegenden Teil der Stromanstiegsphase im Leerlauf; zumindest wenn der elektromagnetische Aktuator fehlerfrei funktioniert.
Der frühe zeitliche Abschnitt des Leerlaufes beträgt bevorzugt mindestens die Hälfte der Dauer des Leerlaufes; zumindest wenn der elektromagnetische Aktuator fehlerfrei funktioniert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der gemessene Strom im Argument der Logarithmusfunktion ein negatives Vorzeichen auf. Folglich sinkt die Logarithmusfunktion mit der Zeit.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gemessene Strom im Argument der Logarithmusfunktion von dem Maximalstromwert subtrahiert. Dabei umfasst das Argument der Logarithmusfunktion bevorzugt eine positive Konstante als Summand, um zu garantieren, dass das Argument größer als Null ist.
Bei der Logarithmusfunktion handelt es sich bevorzugt um einen dekadischen Logarithmus, wobei die Logarithmusfunktion auch eine andere Basis besitzen kann.
Die Logarithmusfunktion, die nachfolgend mit dem Formelzeichen f_{i_log}(t) bezeichnet wird, ist bevorzugt durch die folgende Formel definiert: f_{i_log}(t) = log[I_max – i(t) + c] In dieser Formel steht i(t) für den gemessenen Strom in der Stromanstiegsphase. I_max steht für den Maximalstromwert. Das Formelzeichen c steht für die positive Konstante.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Approximieren durch eine lineare Approximation der den frühen zeitlichen Abschnitt des Leerlaufes repräsentierenden Logarithmusfunktion. Es sind verschiedene Methoden zur linearen Approximation bekannt und etabliert.
Das Ende des frühen zeitlichen Abschnittes des Leerlaufes kann durch Messungen vorab definiert werden. Bevorzugt wird das Ende des frühen zeitlichen Abschnittes des Leerlaufes aber dann definiert, wenn ein Approximationsfehler der linearen Approximation ein vorab festgelegtes maximales Approximationsfehlermaß übersteigt.
Bei einfachen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln des Abweichungszeitpunktes dadurch, dass der Zeitpunkt, in welchem die Differenz das vorab definierte Differenzmaß erreicht, als Abweichungszeitpunkt verwendet wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln des Abweichungszeitpunktes dadurch, dass der Zeitpunkt, in welchem die Differenz das vorab definierte Differenzmaß erreicht, um eine Kalibrierungszeitdauer verringert wird und als Abweichungszeitpunkt verwendet wird. Die Kalibrierungszeitdauer wird bevorzugt vorab durch Messungen am elektromagnetischen Aktuator bestimmt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Definieren des Normabweichungszeitpunktes dadurch, dass der Abweichungszeitpunkt für mehrere korrekt funktionierende elektromagnetische Aktuatoren gleicher Bauart wie der zu überwachende elektromagnetische Aktuator ermittelt wird. Bevorzugt wird der früheste der ermittelten Abweichungszeitpunkte um ein Toleranzmaß verringert und als der Normabweichungszeitpunkt verwendet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ergänzend ein weiteres Kriterium verwendet, um eine Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators zu erkennen. Bei diesen Ausführungsformen wird der sich zeitlich verändernde, durch die Spule fließende Strom während der Bestromung und ggf. auch nach der Bestromung der elektrischen Spule gemessen.
Bei einer besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen wird ein Bewertungsprodukt ergänzend als ein weiteres Kriterium verwendet, um eine Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators zu erkennen. Bei dieser Klasse bevorzugter Ausführungsformen erfolgt das Messen des sich zeitlich verändernden, durch die elektrische Spule fließenden Stromes insbesondere während der Bestromung der elektrischen Spule und/oder nach der Bestromung der elektrischen Spule. Es erfolgt ein Auswählen eines zeitlichen Bewertungsabschnittes des Verlaufes des gemessenen Stromes. In diesem Bewertungsabschnittes ändert sich der Strom von einem Abschnittsanfangsstromwert I_a auf einen Abschnittsendstromwert I_b, wobei diese Änderung monoton erfolgt. Die monotone Änderung kann durch eine monotone Steigung oder durch einen monotonen Abfall gebildet sein. Die monotone Änderung kann durch vernachlässigbare Schwankungen des Stromes unterbrochen sein. Der zeitliche Bewertungsabschnitt dauert eine Abschnittszeitdauer t_ab. Bevorzugt ändert sich der Strom im Bewertungsabschnitt monoton vom Abschnittsanfangsstromwert I_a über einen Abschnittszwischenstromwert I_d auf den Abschnittsendstromwert I_b. Bis zum Auftreten des Abschnittszwischenstromwertes I_d vergeht eine Zwischenabschnittszeitdauer t_ad. Das Bewertungsprodukt wird aus Faktoren gebildet, welche zumindest einerseits den Abschnittsanfangsstromwert I_a und den Abschnittsendstromwert I_b sowie andererseits die Abschnittszeitdauer t_ab umfassen. Folglich umfasst mindestens einer der Faktoren den Abschnittsanfangsstromwert I_a und/oder den Abschnittsendstromwert I_b und mindestens ein anderer der Faktoren die Abschnittszeitdauer t_ab. Sowohl der Abschnittsanfangsstromwert I_a, als auch der Abschnittsendstromwert I_b gehen in das Produkt ein. Das Produkt kann Teilprodukte als Summanden umfassen. Jedenfalls weist das Bewertungsprodukt Strom als eine erste Dimension und Zeit als eine zweite Dimension auf. Bevorzugt wird das Bewertungsprodukt aus Faktoren gebildet, welche zumindest einerseits den Abschnittsanfangsstromwert I_a, den Abschnittszwischenstromwert I_d und den Abschnittsendstromwert I_b sowie andererseits die Abschnittszeitdauer t_ab und die Zwischenabschnittszeitdauer t_ad umfassen. Es wird ergänzend eine Fehlfunktion des Aktuators durch Vergleichen des Bewertungsproduktes mit einer Bewertungsproduktgrenze erkannt. Die Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators ist insbesondere durch eine Blockierung des elektromagnetischen Aktuators gegeben, bei welcher der Magnetkern daran gehindert ist, verschoben zu werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen repräsentiert das Bewertungsprodukt einen Flächeninhalt einer Fläche an einem Funktionsgraphen des zeitlich veränderlichen Stromes. Der Funktionsgraph ist in einem kartesischen Koordinatensystem angeordnet. Die Fläche wird zumindest in zwei Punkten durch den Funktionsgraphen begrenzt. Die Fläche wird zumindest durch einen dem Abschnittsanfangsstromwert zugeordneten Punkt des Funktionsgraphen und durch einen dem Abschnittsendstromwert zugeordneten Punkt des Funktionsgraphen begrenzt.
Die beschriebene Fläche wird bevorzugt durch eine durch den dem Abschnittsanfangsstromwert zugeordneten Punkt des Funktionsgraphen laufende erste Gerade begrenzt. Die erste Gerade verläuft parallel zu einer der Zeit zugeordneten Achse des Koordinatensystems oder zu einer dem Strom zugeordneten Achse des Koordinatensystems.
Die beschriebene Fläche wird bevorzugt durch eine durch den dem Abschnittsendstromwert zugeordneten Punkt des Funktionsgraphen laufende zweite Gerade begrenzt. Die zweite Gerade verläuft parallel zu der der Zeit zugeordneten Achse des Koordinatensystems oder zu der dem Strom zugeordneten Achse des Koordinatensystems.
Die erste Gerade und die zweite Gerade sind bevorzugt senkrecht zueinander ausgerichtet. Bevorzugt ist eine der beiden Geraden parallel zu der der Zeit zugeordneten Achse des Koordinatensystems ausgerichtet, während die andere der beiden Geraden zu der dem Strom zugeordneten Achse des Koordinatensystems ausgerichtet ist. Je nachdem, welche der beiden Geraden parallel zu der der Zeit zugeordneten Achse des Koordinatensystems ausgerichtet ist, befindet sich die Fläche oberhalb oder unterhalb des im Koordinatensystem dargestellten Funktionsgraphen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen wird ein dem Bewertungsabschnitt zugeordneter Teil des Funktionsgraphen in einem ersten Bewertungsteilabschnitt durch eine dritte Gerade approximiert, während er in einem zweiten Bewertungsteilabschnitt durch eine vierte Gerade approximiert wird. Der ersten Bewertungsteilabschnitt und der zweite Bewertungsteilabschnitt folgen unmittelbar aufeinander. Der erste Bewertungsteilabschnitt beginnt gleichzeitig mit dem Bewertungsabschnitt, während der zweite Bewertungsteilabschnitt gleichzeitig mit dem Bewertungsabschnitt endet. Die Approximation des dem Bewertungsabschnitt zugeordneten Teiles des Funktionsgraphen durch zwei Geraden senkt den Rechenaufwand zur Bestimmung des Bewertungsproduktes. Die zwei Geraden stellen eine gute Näherung für typische Bewertungsabschnitte des Verlaufes des durch die Spule des Aktuators fließenden Stromes dar.
Die oben beschriebene Fläche ist bevorzugt durch ein Viereck gebildet, dessen vier Seiten durch die erste Gerade, durch die zweite Gerade, durch die dritte Gerade und durch die vierte Gerade gebildet sind. Das Viereck weist bevorzugt einen rechten Winkel auf, der von der ersten Gerade und der zweiten Gerade aufgespannt wird. Der Flächeninhalt dieses Viereckes ist aufwandsarm bestimmbar.
Die oben beschriebene Fläche ist bevorzugt durch ein rechtwinkliges Dreieck mit einer nicht geraden Hypotenuse gebildet. Das Dreieck ist bevorzugt durch seine Hypotenuse konkav ausgebildet. Die Katheten des Dreiecks sind durch die erste Gerade und durch die zweite Gerade gebildet. Die Hypotenuse ist bevorzugt durch den dem Bewertungsabschnitt zugeordneten Teil des Funktionsgraphen gebildet. Die Hypotenuse ist alternativ bevorzugt gemeinsam durch die dritte und vierte Gerade gebildet. Entsprechend ist das Bewertungsprodukt als ein Dreiecksoperator Δ auffassbar. Der Dreiecksoperator Δ ist ein an dem durch die elektrische Spule fließenden Strom erkennbarer Indikator für einen energetischen Ausgleich zwischen elektrischer Energie, magnetischer Energie und kinetischer Energie im Bewertungsabschnitt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen wird durch den auf dem Funktionsgraphen liegenden Schnittpunkt zwischen der dritten Gerade und der vierten Gerade der Abschnittszwischenstromwert I_d repräsentiert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen umfasst das Bewertungsprodukt als einen weiteren Faktor einen Spannungswert einer zum Bestromen der elektrischen Spule an die elektrische Spule angelegten Betriebsspannung V. Auf diesen Faktor kann insbesondere verzichtet werden, wenn die Spannung V konstant ist.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen liegt der Bewertungsabschnitt innerhalb der Stromanstiegsphase.
Bei dieser ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Abschnittsanfangsstromwert bevorzugt zum Abweichungszeitpunkt gegeben. Bei dieser ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Abschnittsendstromwert I_b kleiner als der Maximalstromwert und liegt somit zeitlich vor dem Ende der Stromanstiegsphase.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist das Bewertungsprodukt bevorzugt durch den folgenden Dreiecksoperator Δ_{Anstiegsphase} gebildet: Δ_{Anstiegsphase} = 0,5V·((I_ab + I_ad)·t_ab – I_ab·t_ad)
Dabei sind I_ab = I_b – I_a und I_ad = I_d – I_a.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird die Fehlfunktion des Aktuators bevorzugt dann ergänzend erkannt, wenn der Dreiecksoperator Δ_{Anstiegsphase} mindestens so groß wie die für den Dreiecksoperator Δ_{Anstiegsphase} vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
Wenn der Dreiecksoperator Δ_{Anstiegsphase} groß ist, deutet dies darauf hin, dass der Strom i(t) sehr schnell steigt, sodass weniger elektrische Energie in andere Energieformen gewandelt wird. Wenn der Dreiecksoperator Δ_{Anstiegsphase} kleiner ist, deutet dies darauf hin, dass für die Bewegung des Magnetkernes mehr elektrische Energie in kinetische Energie gewandelt wird. Eine Verkleinerung des Dreiecksoperators Δ_{Anstiegsphase} deutet auch auf sich verändernde magnetische Eigenschaften hin, wie beispielsweise eine Verkleinerung eines Luftspaltes, wodurch mehr elektrische Energie gewandelt wird.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt der Stromdifferenzwert I_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Maß der Steigung des Stromes i(t) nach dem Erreichen von I_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt eine Dauer vom Erreichen des Stromanstiegsphasenanfangswertes bis zum Erreichen des Stromanstiegsphasenendwertes als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Schwerpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Mittelpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen liegt der Bewertungsabschnitt innerhalb der Spitzenstromphase.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Abschnittsanfangsstromwert bevorzugt durch den Maximalstromwert gebildet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Abschnittsendstromwert bevorzugt größer als der Spitzenstromphasenzwischenwert und wird zeitlich vor dem Spitzenstromphasenzwischenwert erreicht.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist das Bewertungsprodukt bevorzugt durch den folgenden Dreiecksoperator Δ_{Spitzenstromphase} gebildet: Δ_{Spitzenstromphase} = 0,5V·(I_ab·t_ad + I_bd·t_ab)
Dabei sind I_ab = I_a – I_b und I_bd = I_d – I_b.
Die Fehlfunktion des Aktuators wird bevorzugt dann erkannt, wenn der Dreiecksoperator Δ_{Spitzenstromphase} höchstens so groß wie die für den Dreiecksoperator Δ_{Spitzenstromphase} vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
Wenn der Dreiecksoperator Δ_{Spitzenstromphase} klein ist, deutet dies auf ein rasches Entladen durch den Strom i(t) und auf eine geringe Energiewandlung zwischen kinetischer Energie und magnetischer Energie hin. Wenn der Dreiecksoperator Δ_{Spitzenstromphase} größer ist, deutet dies auf eine langsame Bewegung des Magnetkernes und auf eine geringe kinetische Energie hin. Eine Vergrößerung des Dreiecksoperators Δ_{Spitzenstromphase} deutet auch auf sich verändernde magnetische Eigenschaften hin, wie beispielsweise eine Verkleinerung eines Luftspaltes, wodurch weniger magnetische Energie vorhanden ist.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt der Stromdifferenzwert I_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Stromdifferenzwert I_min, welcher durch die Differenz zwischen dem Spitzenstromphasenanfangswert und dem Spitzenstromphasenzwischenwert gebildet ist, als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt eine Dauer t_min vom Erreichen der Spitzenstromphasenanfangswertes bis zum Erreichen des Spitzenstromphasenzwischenwertes als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Operator A_{Spitzenstromphase} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Der Operator A_{Spitzenstromphase} ist wie folgt definiert: A_{Spitzenstromphase} = 0,5V·[I_ab·t_ab – (I_ab·t_ad + I_bd·t_ab)]
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Verhältnis des Dreieckoperators Δ_{Spitzenstromphase} zum Operator A_{Spitzenstromphase} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Schwerpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Mittelpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Verhältnis des Stromdifferenzwertes I_ab zur Dauer t_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt eine Länge des Funktionsgraphen vom Spitzenstromphasenzwischenwert bis zum Spitzenstromphasenendwert als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei einer dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der besonderen Klasse bevorzugter Ausführungsformen liegt der Bewertungsabschnitt innerhalb der Auslaufphase.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Auslaufphasenanfangswert als der Abschnittsanfangsstromwert verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Abschnittsendstromwert kleiner als der Auslaufphasenzwischenwert und wird zeitlich vor dem Auslaufphasenzwischenwert erreicht.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist das Bewertungsprodukt bevorzugt durch den folgenden Dreiecksoperator Δ_Auslaufphase gebildet: Δ_Auslaufphase = 0,5V·((I_ab – I_ad)·t_ab + I_ab·t_ad)
Dabei sind I_ab = I_b – I_a und I_ad = I_d – I_a.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird die Fehlfunktion des Aktuators bevorzugt dann erkannt, wenn der Dreiecksoperator Δ_Auslaufphase höchstens so groß wie die für den Dreiecksoperator Δ_Auslaufphase vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
Wenn der Dreiecksoperator Δ_Auslaufphase klein ist, deutet dies auf kleine Stromwerte hin. Auch deutet dies auf einen schnellen Anstieg des Stromes i(t) hin und dass weniger elektrische Energie in andere Energieformen gewandelt wird. Auch deutet dies auf eine geringe Bewegung des Magnetkernes und auf wenig vorhandene kinetische Energie hin. Eine Vergrößerung des Dreiecksoperators Δ_Auslaufphase deutet auf eine vermehrte Wandlung elektrischer Energie in magnetische Energie hin, was beispielsweise durch eine Vergrößerung eines Luftspaltes bedingt ist.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt der Stromdifferenzwert I_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Verhältnis des Stromdifferenzwertes I_ab zur Dauer t_ab als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt eine Länge des Funktionsgraphen vom Auslaufphasenanfangswert bis zum Auslaufphasenzwischenwert als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt ein Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseA} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Der Operator Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseA} ist wie folgt definiert: Δ_{AuslaufphaseA} = 0,5V·((I_ab + I_ad)·t_ab – I_ab·t_ad)
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen werden bevorzugt der Auslaufphasenzwischenwert und die Zeitdauer bis zu seinem Erreichen als weitere Kriterien zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein weiterer der Bewertungsabschnitte verwendet, der im späteren Teil der Auslaufphase liegt, d. h. nach dem Erreichen des Auslaufphasenzwischenwertes Der Auslaufphasenzwischenwert wird bevorzugt als der Abschnittsanfangsstromwert I_a verwendet. Der Abschnittsendstromwert I_b ist bevorzugt kleiner als der Auslaufphasenzwischenwert ist und wird zeitlich vor dem Auslaufphasenendwert erreicht.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt für den späteren Teil der Auslaufphase ein Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseB} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Der Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseB} ist wie folgt definiert: Δ_{AuslaufphaseB} = 0,5V·((I_ab + I_ad)·t_ab – I_ab·t_ad)
Dabei sind I_ab = I_a – I_b und I_ad = I_a – I_d.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt für den späteren Teil der Auslaufphase ein Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseC} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Der Dreiecksoperator Δ_{AuslaufphaseC} ist wie folgt definiert: Δ_{AuslaufphaseC} = 0,5V·((I_ab – I_ad)·t_ab + I_ab·t_ad)
Dabei sind I_ab = I_a – I_b und I_ad = I_a – I_d.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt eine Summe der Dreiecksoperatoren Δ_Auslaufphase, Δ_{AuslaufphaseA}, Δ_{AuslaufphaseB} und Δ_{AuslaufphaseC} als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Schwerpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt ein Mittelpunkt der das Bewertungsprodukt darstellenden Fläche als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Bei dem Mittelpunkt handelt es sich um einen zeitlichen Mittelpunkt und ggf. um einen mittleren Wert des gemessenen Stromes im Bewertungsabschnitt.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt die Zwischenabschnittszeitdauer als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen wird bevorzugt mindestens ein Verhältnis zwischen den Dreiecksoperatoren als ein weiteres Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators verwendet. Es wird bevorzugt mindestens eines der folgende Verhältnisse gebildet: Δ_Auslaufphase/Δ_{AuslaufphaseA}, Δ_Auslaufphase/Δ_{AuslaufphaseB}, Δ_Auslaufphase/Δ_{AuslaufphaseC}, Δ_{AuslaufphaseA}/Δ_{AuslaufphaseB} und Δ_{AuslaufphaseC}/Δ_{AuslaufphaseB}.
Die für die drei Gruppen bevorzugter Ausführungsformen genannten bevorzugt anzuwendenden Kriterien zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators werden bevorzugt jeweils auch in Kombination angewendet. Bevorzugt werden die für die drei Gruppen bevorzugter Ausführungsformen genannten Kriterien zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators auch gruppenübergreifend in Kombination angewendet, d. h., dass mehrere der für die drei Gruppen bevorzugter Ausführungsformen genannten Kriterien zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators in Kombination gemeinsam angewendet werden.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinheit dient zur Steuerung und Überwachung eines elektromagnetischen Aktuators und ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Die erfindungsgemäße Steuerungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 ein gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu überwachendes Schaltventil in einer Prinzipdarstellung;
2 einen zeitlichen Verlauf eines Stromes zur Bestromung des in 1 gezeigten Schaltventiles;
3 einen zeitlichen Verlauf einer Bewegung eines in 1 gezeigten Magnetkernes und eines in 1 gezeigten Ventilkörpers bei einer Bestromung des Schaltventiles;
4 einen Ausschnitt des in 2 gezeigten Verlaufes des Stromes im Detail mit einem erfindungsgemäß zu bestimmenden Abweichungszeitpunkt;
5 eine Stromanstiegsphase des in 4 gezeigten Verlaufes des Stromes mit einem nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt;
6 eine Spitzenstromphase des in 2 gezeigten Verlaufes des Stromes mit einem nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt;
7 die in 6 gezeigte Spitzenstromphase mit einem nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt;
8 eine Auslaufphase des in 2 gezeigten Verlaufes des Stromes mit einem nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt; und
9 die in 8 gezeigte Auslaufphase mit weiteren nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalten.
1 zeigt ein gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu überwachendes Schaltventil in einer Prinzipdarstellung. Es stellt einen elektromagnetischen Aktuator dar und umfasst einen beweglichen Magnetkern 01, der in einer elektrischen Spule 02 verschiebbar ist. Die Spule 02 sitzt auf einem festen Magnetkern 03, in welchem der beweglichen Magnetkern 01 verschiebbar ist. Zwischen dem beweglichen Magnetkern 01 und dem festen Magnetkern 03 ist ein Luftspalt 04 ausgebildet.
Am beweglichen Magnetkern 01 ist ein Ventilkörper 06 befestigt, welcher einen Teil eines nicht näher dargestellten Ventiles bildet. Die Verschiebebewegung des beweglichen Magnetkernes 01 mit dem Ventilkörper 06 wird durch einen ersten Anschlag 07 und durch einen zweiten Anschlag 08 begrenzt. Die Verschiebebewegung des beweglichen Magnetkernes 01 mit dem Ventilkörper 06 wird durch eine erste Feder 09 und durch eine zweite Feder 11 gefedert.
An die elektrische Spule 02 ist eine Steuereinheit 12 elektrisch angeschlossen, mit welcher die Spule 02 des Schaltventiles bestrombar ist. Hierfür wird die Spule 02 durch die Steuereinheit 12 mit einer Betriebsspannung V beaufschlagt, woraufhin ein von der Zeit abhängiger Strom i(t) durch die Spule 02 fließt. Die Steuereinheit 12 ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert, welches nachfolgend erläutert wird.
2 zeigt einen zeitlichen Verlauf des mit Bezug auf die 1 beschriebenen Stromes i(t). Der Strom i(t) steigt nach der Beaufschlagung durch die Betriebsspannung V während einer Stromanstiegsphase 21 an und durchläuft eine Spitzenstromphase 22, woraufhin er bis zum Ende der Beaufschlagung durch die Betriebsspannung V in einer Haltestromphase 23 verbleibt. Nach der Beaufschlagung durch die Betriebsspannung V schließt sich eine Auslaufphase 24 an.
3 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Bewegung des in 1 gezeigten Magnetkernes 01 und des in 1 gezeigten Ventilkörpers 06 bei einer Bestromung des Schaltventiles. Der zeitliche Verlauf der Bewegung des in 1 gezeigten Magnetkernes 01 ist durch eine durchgezogene Linie 31 im Diagramm dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Bewegung des in 1 gezeigten Ventilkörpers 06 ist durch eine gestrichelte Linie 32 im Diagramm dargestellt.
4 zeigt einen Ausschnitt des in 2 gezeigten Verlaufes des Stromes i(t) im Detail. Dieser Verlauf ist mit einer durchgezogenen Linie 41 für den Fall dargestellt, dass das Schaltventil fehlerfrei funktioniert. Dieser Verlauf ist mit einer gestrichelten Linie 42 für den Fall dargestellt, dass das Schaltventil blockiert ist. Eine gepunktete Linie 43 veranschaulicht den Fall, wenn das Schaltventil und dessen Bestromung so dimensioniert wären, dass es nicht zur magnetischen Sättigung im Schaltventil kommt, und zudem das Schaltventil blockiert ist. Allerdings sind Schaltventile üblicherweise so dimensioniert, dass sie nahe oder in der elektromagnetischen Sättigung arbeiten. Der Strom i(t) steigt zunächst exponentiell, jedoch kommt es wegen der elektromagnetische Sättigung zu einem steileren Anstieg. Bei einem fehlerfrei funktionierenden Schaltventil wird ein Teil der elektrischen Energie in kinetische Energie gewandelt. Bei einem blockierten Schaltventil führt die elektrische Energie in einem höheren Maße zur elektromagnetischen Sättigung, sodass der exponentielle Verlauf des Stromes i(t) früher verlassen wird.
Während einer Leerlaufphase 44 befindet sich der bewegliche Magnetkern 01 (gezeigt in 1) noch im Leerlauf. In der Leerlaufphase 44 verläuft der Strom i(t) logarithmisch. Nach der Leerlaufphase 44 kommt es zur magnetischen Sättigung des Schaltventiles, sodass der Strom i(t) stärker als gemäß dem logarithmischen Verlauf steigt. Das Einsetzen dieser stärkeren Steigung des Stromes i(t) setzt an einem Abweichungspunkt 46 ein. Ist das Schaltventil blockiert, so kommt es wie oben beschrieben früher zur magnetischen Sättigung des Schaltventiles, sodass der Abweichungspunkt 46 zeitlich früher liegt. Erfindungsgemäß wird der Abweichungszeitpunkt 46 während der Bestromung des Schaltventiles ermittelt. Liegt er zeitlich vor einem vorab definierten Normabweichungszeitpunkt, so wird erfindungsgemäß eine Blockierung des Schaltventiles erkannt und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
5 zeigt insbesondere die Stromanstiegsphase 21 des in 4 gezeigten Verlaufes des Stromes i(t), wobei die Ermittlung des Abweichungszeitpunktes 46 veranschaulicht ist. Zunächst wird eine Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) des zeitlichen Verlaufes des gemessenen Stromes i(t) ermittelt, die durch eine gestrichelte Linie 51 dargestellt ist. Für die Bildung der Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) wird neben dem Strom i(t) auch ein Maximalstromwert I_max berücksichtigt. Eine positive Konstante c als Summand im Argument der Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) garantiert, dass das Argument immer positiv ist. Die Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) wird wie folgt bestimmt: f_{i_log}(t) = log[i(t) – I_max + c ]
Die Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) verläuft zunächst linear. In einem frühen zeitlichen Teilabschnitt 52 der Leerlaufphase erfolgt eine lineare Approximation der Logarithmusfunktion f_{i_log}(t), in deren Ergebnis eine lineare Funktion f_lin(t) erhalten wird, die durch eine dünne durchgezogene Linie 53 dargestellt ist. Zu einem Differenzmaßzeitpunkt 54 weichen die Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) und die lineare Funktion f_lin(t) um ein vorbestimmtes Differenzmaß voneinander ab. Von diesem Differenzmaßzeitpunkt 54 wird eine Kalibrierungszeitdauer abgezogen, wodurch der Abweichungszeitpunkt 46 erhalten wird.
Während der Stromanstiegsphase 21 des Verlaufes des Stromes i(t) wird nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin ein Flächeninhalt bestimmt, der einen Dreiecksoperator Δ repräsentiert. Der Dreiecksoperator Δ wird in einem Bewertungsabschnitt bestimmt, welcher in einem mit dem Abweichungspunkt 46 zusammenfallenden Punkt a beginnt und bis in einem Punkt b nahezu auf den Spitzenstrom I_max steigt. Der Bewertungsabschnitt dauert eine Zeitdauer t_ab. Der Strom i(t) steigt während des Bewertungsabschnittes um einen Stromdifferenzwert I_ab. Zwischen dem Punkt a und dem Punkt b wird ein Punkt d auf dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) ausgewählt. Der zeitliche Abschnitt vom Punkt a bis zum Punkt d stellt einen Bewertungsteilabschnitt dar, welcher eine Zeitdauer t_ad dauert. Im Punkt d ist der Strom i(t) um einen Stromdifferenzwert I_ad größer als im Punkt a. Durch den Punkt a verläuft eine erste Gerade 61, die parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Durch den Punkt b verläuft eine zweite Gerade 62, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Die erste Gerade 61 und die zweite Gerade 62 schneiden sich in einem Punkt c. Eine dritte Gerade 63 verläuft durch die Punkte a und d. Eine vierte Gerade 64 verläuft durch die Punkte d und b. Die erste Gerade 61, die zweite Gerade 62, die dritte Gerade 63 und die vierte Gerade 64 spannen ein Viereck auf, welches auch als ein rechtwinkliges Dreieck mit einer ungeraden Hypotenuse aufgefasst werden kann, die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildet ist. Die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildete Hypotenuse stellt eine Annäherung an den Funktionsverlauf des Stromes i(t) im Bewertungsabschnitt dar. Der Flächeninhalt des rechtwinkligen Dreieckes mit der ungeraden Hypotenuse bildet den Dreiecksoperator Δ. Erfindungsgemäß wird eine Blockierung des Schaltventiles erkannt, wenn der für die Stromanstiegsphase gebildete Dreiecksoperator Δ mindestens so groß wie eine vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
6 zeigt die in 2 gezeigte Spitzenstromphase 22 des Verlaufes des Stromes i(t) mit einem nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt, der einen weiteren Dreiecksoperator Δ repräsentiert. Der Dreiecksoperator Δ wird in einem weiteren Bewertungsabschnitt bestimmt, in welchem der Strom i(t) in einem Punkt a von einem Spitzenstromphasenanfangswert bis in einem Punkt b nahezu auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt. Bei dem Spitzenstromphasenanfangswert handelt es sich um den Spitzenstrom I_max. Der Bewertungsabschnitt dauert wiederum eine Zeitdauer t_ab. Der Strom i(t) sinkt während des Bewertungsabschnittes um einen Stromdifferenzwert I_ab. Zwischen dem Punkt a und dem Punkt b wird wiederum ein Punkt d auf dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) ausgewählt. Der zeitliche Abschnitt vom Punkt a zum Punkt d stellt einen Bewertungsteilabschnitt dar, welcher eine Zeitdauer t_ad dauert. Im Punkt d ist der Strom i(t) um einen Stromdifferenzwert I_bd größer als im Punkt b. Durch den Punkt a verläuft wiederum eine erste Gerade 61, die jedoch parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Durch den Punkt b verläuft wiederum eine zweite Gerade 62, die jedoch parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Die erste Gerade 61 und die zweite Gerade 62 schneiden sich wiederum in einem Punkt c. Eine dritte Gerade 63 verläuft wiederum durch die Punkte a und d. Eine vierte Gerade 64 verläuft wiederum durch die Punkte d und b. Die erste Gerade 61, die zweite Gerade 62, die dritte Gerade 63 und die vierte Gerade 64 spannen ein Viereck auf, welches auch als ein rechtwinkliges Dreieck mit einer ungeraden Hypotenuse aufgefasst werden kann, die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildet ist. Die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildete Hypotenuse stellt eine Annäherung an den Funktionsverlauf des Stromes i(t) im Bewertungsabschnitt dar. Der Flächeninhalt des rechtwinkligen Dreieckes mit der ungeraden Hypotenuse bildet wiederum den Dreiecksoperator Δ. Erfindungsgemäß wird eine Blockierung des Schaltventiles erkannt, wenn der für die Spitzenstromphase gebildete Dreiecksoperator Δ höchstens so groß wie eine vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
7 zeigt die in 6 gezeigte Spitzenstromphase 22 mit einem nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt. Es wird ein abweichender Bewertungsabschnitt bestimmt, in welchem der Strom i(t) vom Spitzenstromphasenanfangswert bis vollständig auf den Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt. Dieser Bewertungsabschnitt dauert eine Zeitdauer t_min. Während dieses Bewertungsabschnittes sinkt der Strom i(t) um einen Stromdifferenzwert I_min. Durch den Zeitpunkt des Spitzenstromphasenanfangswertes verläuft wiederum eine erste Gerade 61, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Durch den Spitzenstromphasenzwischenwert verläuft wiederum eine zweite Gerade 62, die parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird der Flächeninhalt einer Fläche bestimmt, welche von der ersten Gerade 61, der zweiten Gerade 62 und dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) begrenzt wird. Dieser Flächeninhalt stellt einen alternativ bevorzugten Dreiecksoperator Δ dar. Durch den Spitzenstromphasenanfangswert verläuft eine fünfte Gerade 65, die parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Durch den Zeitpunkt des Spitzenstromphasenzwischenwertes verläuft eine sechste Gerade 66, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird der Flächeninhalt einer Fläche bestimmt, welche von der fünften Gerade 65, der sechsten Gerade 66 und dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) begrenzt wird. Dieser Flächeninhalt stellt einen Operator A dar, der gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform als ein Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators genutzt wird.
8 zeigt die in 2 gezeigte Auslaufphase 24 des Verlaufes des Stromes i(t) mit einem nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalt, der einen weiteren Dreiecksoperator Δ repräsentiert. Der Dreiecksoperator Δ wird in einem weiteren Bewertungsabschnitt bestimmt, in welchem der Strom i(t) in einem Punkt a von einem Auslaufhasenanfangsstromwert bis in einem Punkt b nahezu auf einen maximalen Auslaufhasenzwischenstromwert steigt. Der Bewertungsabschnitt dauert wiederum eine Zeitdauer t_ab. Der Strom i(t) steigt während des Bewertungsabschnittes um einen Stromdifferenzwert I_ab. Zwischen dem Punkt a und dem Punkt b wird wiederum ein Punkt d auf dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) ausgewählt. Der zeitliche Abschnitt vom Punkt a bis zum Punkt d stellt einen Bewertungsteilabschnitt dar, welcher eine Zeitdauer t_ad dauert. Im Punkt d ist der Strom i(t) um einen Stromdifferenzwert I_ad größer als im Punkt a. Durch den Punkt a verläuft wiederum eine erste Gerade 61, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Durch den Punkt b verläuft wiederum eine zweite Gerade 62, die parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Die erste Gerade 61 und die zweite Gerade 62 schneiden sich wiederum in einem Punkt c. Eine dritte Gerade 63 verläuft wiederum durch die Punkte a und d. Eine vierte Gerade 64 verläuft wiederum durch die Punkte d und b. Die erste Gerade 61, die zweite Gerade 62, die dritte Gerade 63 und die vierte Gerade 64 spannen ein Viereck auf, welches auch als ein rechtwinkliges Dreieck mit einer ungeraden Hypotenuse aufgefasst werden kann, die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildet ist. Die aus der dritten Gerade 63 und der vierten Gerade 64 gebildete Hypotenuse stellt eine Annäherung an den Funktionsverlauf des Stromes i(t) im Bewertungsabschnitt dar. Der Flächeninhalt des rechtwinkligen Dreieckes mit der ungeraden Hypotenuse bildet wiederum den Dreiecksoperator Δ. Erfindungsgemäß wird eine Blockierung des Schaltventiles erkannt, wenn der für die Spitzenstromphase gebildete Dreiecksoperator Δ höchstens so groß wie eine vorab definierte Bewertungsproduktgrenze ist.
9 zeigt die in 8 gezeigte Spitzenstromphase 24 mit weiteren nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Flächeninhalten. Es wird ein abweichender Bewertungsabschnitt bestimmt, in welchem der Strom i(t) vom Auslaufphasenanfangsstromwert bis vollständig auf den maximalen Auslaufphasenzwischenstromwert steigt. Dieser Bewertungsabschnitt dauert eine Zeitdauer t_max. Während dieses Bewertungsabschnittes steigt der Strom i(t) um einen Stromdifferenzwert I_max. Durch den Auslaufphasenanfangsstromwert verläuft eine fünfte Gerade 65, die parallel zur Achse der Zeit t ausgerichtet ist. Durch den Zeitpunkt des maximalen Auslaufphasenzwischenstromwertes verläuft eine sechste Gerade 66, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird der Flächeninhalt einer Fläche A bestimmt, welche von der fünften Gerade 65, der sechsten Gerade 66 und dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) begrenzt wird. Dieser Flächeninhalt stellt einen Dreiecksoperator Δ_A dar, der gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform als ein Kriterium zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators genutzt wird.
Alternativ oder ergänzend bevorzugt wird ein abweichender Bewertungsabschnitt bestimmt, in welchem der Strom i(t) vom maximalen Auslaufphasenzwischenstromwert bis auf einen Auslaufphasenendstromwert sinkt. Durch den Auslaufphasenendstromwert verläuft eine siebente Gerade 67, die parallel zur Achse des Stromes i(t) ausgerichtet ist. Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird der Flächeninhalt einer Fläche B bestimmt, welche von der fünften Gerade 65, der sechsten Gerade 66, der siebenten Gerade 67 und dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) begrenzt wird. Dieser Flächeninhalt stellt einen alternativ bevorzugten Dreiecksoperator Δ_B dar. Gemäß einer weiteren alternativ bevorzugten Ausführungsform wird der Flächeninhalt einer Fläche C bestimmt, welche von der zweiten Gerade 62, der siebenten Gerade 67 und dem Funktionsgraphen des Stromes i(t) begrenzt wird. Dieser Flächeninhalt stellt einen alternativ bevorzugten Dreiecksoperator Δ_C dar. Die verschiedenen Dreiecksoperatoren und weiteren Operatoren können erfindungsgemäß einzeln oder in Kombination als Kriterien zum Erkennen einer Fehlfunktion des Aktuators genutzt werden.
Bezugszeichenliste

01: beweglicher Magnetkern
02: elektrische Spule
03: fester Magnetkern
04: Luftspalt
05
06: Ventilkörper
07: erster Anschlag
08: zweiter Anschlag
09: erste Feder
10
11: zweite Feder
12: Steuereinheit
20
21: Stromanstiegsphase
22: Spitzenstromphase
23: Haltestromphase
24: Auslaufphase
30
31: Bewegung des Magnetkernes (durchgezogene Linie)
32: Bewegung des Ventilkörpers (gestrichelte Linie)
40
41: Verlauf des Stromes i(t) (durchgezogene Linie)
42: Verlauf des Stromes i(t) bei blockiertem Schaltventil (gestrichelte Linie)
43: Verlauf des Stromes i(t) ohne magnetische Sättigung (gepunktete Linie)
44: Leerlaufphase
45
46: Abweichungszeitpunkt
50
51: Logarithmusfunktion f_{i_log}(t) (gestrichelte Linie)
52: früher zeitlicher Teilabschnitt der Leerlaufphase
53: lineare Funktion f_lin(t) (dünne durchgezogene Linie)
54: Differenzmaßzeitpunkt
60
61: erste Gerade
62: zweite Gerade
63: dritte Gerade
64: vierte Gerade
65: fünfte Gerade
66: sechste Gerade
67: siebente Gerade

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0163769 A1 [0002]
US 2005/0146408 A1 [0003]
DE 102013213329 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Überwachen der Funktion eines elektromagnetischen Aktuators, wobei in dem elektromagnetischen Aktuator ein Magnetkern (01) durch Bestromung einer elektrischen Spule (02) verschiebbar ist; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Messen eines sich zeitlich verändernden, durch die elektrische Spule (02) fließenden Stromes, wobei der gemessene Strom während einer Stromanstiegsphase (21) steigt, in deren Verlauf sich der Magnetkern (01) zunächst im Leerlauf befindet; – Bilden einer Logarithmusfunktion des in der Stromanstiegsphase (21) gemessenen Stromes; – Approximieren der einen frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes repräsentierenden Logarithmusfunktion durch eine Linearfunktion; – laufendes Bestimmen einer Differenz zwischen der Logarithmusfunktion und der Linearfunktion über den frühen zeitlichen Teilabschnitt des Leerlaufes hinweg; – Ermitteln eines Abweichungszeitpunktes (46) ausgehend davon, wann die Differenz ein vorab definiertes Differenzmaß erreicht; und – Erkennen einer Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators, wenn der ermittelte Abweichungszeitpunkt (46) früher als ein vorab definierter Normabweichungszeitpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromanstiegsphase (21) beginnt, nachdem eine Betriebsspannung an die elektrische Spule (02) angelegt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die elektrische Spule (02) fließende Strom während der Stromanstiegsphase (21) von einem Minimalstromwert bis auf einen Maximalstromwert steigt, wobei beim Erreichen des Maximalstromwertes eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktuators erfolgt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Magnetkern (01) bei einer korrekten Funktion des elektromagnetischen Aktuators während der Stromanstiegsphase (21) in einem überwiegenden Teil der Stromanstiegsphase (21) im Leerlauf befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Strom im Argument der Logarithmusfunktion ein negatives Vorzeichen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Strom im Argument der Logarithmusfunktion von dem Maximalstromwert subtrahiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Abweichungszeitpunktes (46) dadurch erfolgt, dass der Zeitpunkt, in welchem die Differenz das vorab definierte Differenzmaß erreicht, um eine Kalibrierungszeitdauer verringert wird und als Abweichungszeitpunkt (46) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Definieren des Normabweichungszeitpunktes dadurch erfolgt, dass der Abweichungszeitpunkt (46) für mehrere korrekt funktionierende elektromagnetische Aktuatoren gleicher Bauart wie der zu überwachende elektromagnetische Aktuator ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende weitere Schritte umfasst: – Auswählen eines zeitlichen Bewertungsabschnittes des Verlaufes des gemessenen Stromes, in welchem sich der Strom von einem Abschnittsanfangsstromwert auf einen Abschnittsendstromwert ändert, wobei der zeitliche Bewertungsabschnitt eine Abschnittszeitdauer dauert; – Bilden eines Bewertungsproduktes aus Faktoren, welche zumindest einerseits den Abschnittsanfangsstromwert und den Abschnittsendstromwert sowie andererseits die Abschnittszeitdauer umfassen; und – Erkennen einer Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktuators durch Vergleichen des Bewertungsproduktes mit einer Bewertungsproduktgrenze.
Steuerungseinheit (12) zur Steuerung und Überwachung eines elektromagnetischen Aktuators, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 konfiguriert ist.