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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen
Stellantriebs, insbesondere für
ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.
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Aus
DE 195 26 683 A1 ist
ein Stellantrieb bekannt, dem als Stellglied ein Gaswechselventil
zugeordnet ist. Der Stellantrieb besitzt zwei Elektromagnete, zwischen
denen jeweils gegen die Kraft einer Feder eine Ankerplatte durch
Abschalten des Spulenstroms am haltenden Elektromagneten und Einschalten
des Spulenstroms am fangenden Elektromagneten bewegt werden kann.
Der Spulenstrom des jeweils fangenden Elektromagneten wird auf einen
vorgegebenen Fangwert geregelt und zwar während einer vorgegebenen Zeitdauer,
die so bemessen ist, dass die Ankerplatte innerhalb der Zeitdauer auf
eine Anlagefläche
am fangenden Elektromagneten trifft. Anschließend wird der Spulenstrom des
fangenden Elektromagneten auf einen Haltewert geregelt.
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Aus
WO 00/79548 A2 ist bekannt, dem elektromechanischen Stellantrieb
zur Steuerung der Ankerplatte an seinen Elektromagneten eine vorbestimmte
Menge an elektrischer Energie zuzuführen. Um die Auftreffgeschwindigkeit
der Ankerplatte auf die zweite Anlagefläche möglichst nahe bei Null zu halten,
ist die den fangenden Elektromagneten zugeführte elektrische Energie genau
die Energiemenge, die durch elektrische und mechanische Verluste
dem Feder-Masseschwinger entzogen wird.
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Aus
WO 00/09867 A1 ist ein Stellgerät
für ein Gaswechselventil
bekannt. Das Stellgerät
besitzt eine Leistungsendstufe, die unterschiedliche Betriebszustände zur
Bestromung der Elektromagneten besitzt.
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Aus
DE 695 25 179 T2 ist
ein Einspritz-Magnetventil mit zwei Spulen bekannt, bei dem der
Betätigungsstrom
zu einer der Spulen unterbrochen wird, wenn eine an die andere Spule
angeschlossene Sensorschaltung ein durch die Ankerbewegung bewirktes
Signal erfaßt.
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Aus
DE 198 07 875 A1 ist
ein Verfahren zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen
Aktuator bekannt, bei dem durch eine extrapolierende Abschätzung der
Energieeinspeisung ein fangender Elektromagnet angesteuert wird,
um einen vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf zu erzielen. Die Bewegungsdaten
werden aus dem erfaßten
Strom- bzw. Spannungsverlauf
der aktiven Magnetspule berechnet.
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Aus
DE 197 23 563 A1 ist
ein Verfahren zur Funktionsüberwachung
eines elektromagnetischen Aktuators bekannt, bei dem die elektrische
Leistung eines Elektromagneten über
eine elektrische Steuerung gesteuert wird, wobei die Steuerung abhängig von
elektrischen Leistungsparametern erfolgt, um einen vorgegebenen
zeitlichen Verlauf der aufgenommenen elektrischen Leistung zu erzielen,
der abhängig
von dem zeitlichen Verlauf des Überwachungsparameters
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sensorloses
Verfahren zur Kompensation von Störgrößen für einen elektromechanischen Stellantrieb
bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erfolgt bei einem Stellantrieb mit mindestens zwei Elektromagneten,
die einander gegenüberliegend
angeordnet sind und jeweils eine Anlagefläche besitzen. Die Anlagefläche können planparallel
oder geneigt zueinander verlaufen. Zwischen den Elektromagneten
beweglich gelagert ist ein Anker, der sich zur Betätigung eines
Stellglieds mit einer Ankerplatte zwischen den beiden Anlagenfläche bewegt,
indem die Elektromagnete wechselweise bestromt werden. Bevorzugt werden
solche Stellantriebe für
Gaswechselventile bei Brennkraftmaschinen eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden nach Abschalten der Bestromung durch einen ersten Elektromagneten die
auftretenden elektrischen Signale gemessen. Die Änderung des Magnetfelds an
dem ersten Elektromagneten führt
zu einer zeitlichen Änderung
im magnetischen Fluss, was wiederum zur Induktion führt. Bei
dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren
wird der zweite Elektromagnet abhängig vom zeitlichen Verlauf
der gemessenen elektrischen Signale an dem ersten Elektromagneten
bestromt. Ziel der Ansteuerung ist hierbei, die richtige Fangenergie
für eine
niedrige Anker-Aufsetzgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Fangenergie bereits für
den aktuellen Umschwingvorgang an eine Gegendruckänderung angepasst.
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Bevorzugt
wird als elektrisches Signal die induzierte Spannung gemessen. In
einem zusätzlichen Verfahrensschritt
wird der Wert der induzierten Spannung für ein lokales Minimum und/oder
einen Wendepunkt im Spannungsverlauf nach dem Abschalten bestimmt.
Es sind aber auch weitere charakterische Punkte oder Bereiche des
Spannungsverlaufs denkbar, die als Maß für den Gegendruck dienen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird über eine Kennlinie aus den
gemessenen elektrischen Signalen ein Wert bestimmt, der ein Maß für den Gegendruck
ist und an der Steuerung des zweiten Elektromagneten anliegt.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls durch einen
Stellantrieb gelöst,
der eine Messeinrichtung aufweist, die nach einem Abschalten der
Bestromung von einem ersten Elektromagneten dessen elektrischen
Signale misst. Ferner ist der Stellantrieb mit einer Steuerung versehen,
die abhängig
von den gemessenen elektrischen Signalen den zweiten Elektromagneten
ansteuert. Bevorzugt besitzt die Messeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler,
der einen an dem Elektromagneten anliegenden Spannungswert digitalisiert
und an einen Mikroprozessor weiterleitet.
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Die
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird anhand des
nachfolgenden Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Gaswechselventil mit einem Stellantrieb an einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
schematische Ansicht des Stellantriebs aus 1 mit Regelung
des Fangstroms,
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3 eine
Schaltungsanordnung für
eine obere und untere Spule,
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4 Kurvenscharen
zum magnetischen Fluss abhängig
vom Gegendruck,
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5 Kurvenscharen
zur induzierten Spannung abhängig
vom Gegendruck,
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6 zeitlicher
Verlauf der induzierten Spannung und
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7 Adaption
des Fangstroms.
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1 zeigt
in einer schematischen Ansicht ein Stellgerät 10 mit einem Stellantrieb 12 und
einem Stellglied 14, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als Gaswechselventil mit einem Schaft 16 und einem Teller 18 ausgebildet
ist. Der Stellantrieb 12 besitzt ein Gehäuse 20 mit
einer ersten Spule 22 und einer zweiten Spule 24.
Die Spulen 22 und 24 sind jeweils in eine ringförmige Nut
in einem Kern 26 bzw. 28 angeordnet. Der Anker 16 besitzt
auf beiden Seiten der Ankerplatte 18 jeweils einen Ankerschaft 30,
der durch Ausnehmung in dem ersten und zweiten Kern 28, 26 geführt ist
und der mit dem Schaft 32 des Stellgliedes 12 in
Kontakt steht. Alternativ zu dem dargestellten Anker kann auch ein
Anker vorgesehen sein, der mit einem Ende fest angelenkt ist. Auf
jeder Seite der Ankerplatte 18 ist an dem Ankerschaft eine
Feder 34 und 36 vorgesehen, die die Ankerplatte 18 von
dem jeweiligen Kern 28 bzw. 26 fort drückt.
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Das
Stellgerät 12 ist
starr mit einem Ansaugkanal 38 verbunden, der über einen
Zylinderkopf 40 in den Zylinder 42 mit einem Kolben 44 mündet. Der Zylinder 42 besitzt
einen Kolben 44, der über
eine Pleuelstange 46 mit einer Kurbelwelle 48 verbunden ist.
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Im
Betrieb werden die Elektromagneten 22 und 24 abwechselnd
bestromt, um die Ankerplatte 18 in die mit S und O gekennzeichneten
Position auszulenken. In den Positionen S und O liegt die Ankerplatte 18 an
den Anlagefläche 50 und 52 an,
die an dem ersten und zweiten Kern gebildet sind.
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Der
Ventilteller 50 und 42 gelangt in den Stellungen
S und O in die jeweils gestrichelt dargestellten Positionen, in
denen der Zylinder verschlossen oder geöffnet ist.
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Eine
präzise
Bestromung der Elektromagnete 22 und 24 ist für das Ansteuern
des Stellglieds 14 wichtig, insbesondere zur Geräuschvermeidung
wird mit der Bestromung angestrebt, den Ventilteller 54 beinahe
ohne Geschwindigkeit aufzusetzen.
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Durch
die sensorlose Regelung, beispielsweise aus WO 00/79548 A2 bekannt,
werden niedrige Anker-Aufsetzgeschwindigkeiten erreicht, indem die
Information über
den Ankerflug aus dem Spulenstrom und der Stromänderung abgeleitet wird.
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Die
Druckschwankungen des Zylinderdrucks beim Öffnen des Auslassventils können Werte
von über
2 bar erreichen. Mit der genannten sensorlosen Regelung geschieht
der Regeleingriff gegen Ende der Ankerbewegung. Aus diesem Grund
kann auf eine Änderung
des Gegendrucks im wesentlichen erst im folgenden Öffnungsvorgang
mit der damit verbundenen nötigen Änderung
der Fangenergie auf eine niedrigere Anker-Aufsetzgeschwindigkeit reagiert werden.
Bei starken Gegendruckschwankungen kommt es zu erhöhten Aufsetzgeschwindigkeiten oder
zu einem nicht fangen des Ankers.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau des Stellelements. Gleiche Teile sind – trotz
der voneinander abweichenden Darstellung mit gleichen Bezugszeichens
versehen. 2 zeigt das an der oberen Spule
die Spannung US an der Spule abgegriffen wird
und an einer Verarbeitungseinheit 54 anliegt. Noch während der
Flugbewegung berechnet die Verarbeitungseinheit 54 eine
Korrekturgröße 56 für die sensorlose
Regelung 58. Die sensorlose Regelung 58 gibt die
entsprechenden Steuersignale an eine Endstufe 60 weiter,
die die Spule 24 entsprechend bestromt. Strom und Stromänderung
werden über
einen Verstärker 62 an
die Regelung 58 zurückgeleitet. Die
Korrektur 56 ist bevorzugt die Änderung des Fangstromes ΔI und wird
zu dem von der Regelung bestimmten Sollwert für den Fangstrom addiert.
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3 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan für
den Endverstärker 60 sowie
die nachfolgende Messeinrichtung 62. Der dargestellte Endverstärker entspricht
dem aus WO 00/09867 A1. Die Leistungsendstufe 60 besitzt
drei Transistoren T1, T2 und
T3, deren Gateanschlüsse jeweils mit einer Steuerleitung e lektrisch
leitend verbunden sind. Die Endstufe kann in fünf verschiedene Betriebszustände gesteuert werden,
die jeweils durch den Schaltzustand der Transistoren T1,
T2 und T3 charakterisiert
sind. Liegt an den Gateanschlüssen,
der vorzugsweise als MOS-Transistoren ausgebildeten Transistoren,
ein hohes Standardtpotential an, ist der Transistor von seinem Drain-Anschluss hin zum
Source-Anschluss leitend (on). Liegt hingegen an dem GateAnschluss ein
niedriges Spannungspotential an, so sperrt der Transistor von seinem
Drain-Anschluss zu seinem Source-Anschluss. Die fünf Betriebszustände sind: Ruhezustand,
Normal-Bestromung, Freilauf, schnelle Stromrücknahme und Schnellbestromen.
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In
dem Ruhezustand sind die Transistoren nichtleitend. Im eingeschwungenen
Zustand fließt kein
Strom durch die Spule 22 und auch der Spannungabfall der
Spule ist Null.
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Im
Betriebszustand des Normal-Bestromens werden die Transistoren T1 und T2 leitend
und der Transistor T3 sperrt. Strom fließt von einer
Spannungsquelle mit dem Potential der Versorgungsspannung UB durch die Diode D1 und den Transistor T1 zur Spule 22. Von der Spule fließt der Strom über den Transistor
T2 und den Widerstand RS ab.
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Im
Betriebszustand der schnellen Stromrücknahme werden die Transistoren
T1, T2 und T3 nichtleitend betrieben. Bei dem Übergang
in den Betriebszustand der schnellen Stromrücknahme fließt ein Strom
durch die Spule 22 und die Dioden D2 und D3 werden leitend.
Der Strom fließt
dann über
die Diode D2 und die Spule zur Diode D3, hin zum Kondensator C und
lädt diesen
auf.
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Die
an der Spule 22 anliegende Spannung wird an die Spannungserfassung 64 weitergeleitet. Zwei
Widerstände 66 und 68 bilden
einen Spannungsteiler. Der Kondensator 69 bildet mit den
Widerständen 66 und 68 einen
Tiefpass zur Unterdrückung
von Störungen.
Verstärker 70 dient
zur niederohmigen Ansteue rung des Analog-Digital-Umsetzers 72.
Von dort aus wird der digitalisierte Wert über den Anschluss 74 an
einen Mikroprozessor weitergeleitet.
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Für die sensorlose
Regelung werden die Werte für
Strom 76 und zeitliche Stromableitung 78 in der
Endstufe abgegriffen. Ebenfalls in 3 dargestellt
ist die Endstufe 80 für
die untere Spule 24, aus der ebenfalls die Werte für Strom
und Stromänderung 82 bzw. 86 abgeleitet
werden.
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Bei
einem Stellvorgang befindet sich der Anker zu Beginn seiner Bewegung
in der Nähe
einer Spule und entfernt sich von dieser. Sind die Spulen hochohmig
abgeschlossen, so wird beim Loslösen des
Ankers vom Spulenkern eine Spannung in der Spule induziert, die
an den Klemmen gemessen werden kann. Ursache für die induzierte Spannung ist das
schnelle Verschinden des Restfluss durch die Spule. Die in 4 und 5 dargestellten
Kurvenscharen zeigen, dass sowohl der magnetische Fluss in 4 als
auch die induzierte Spannung US in 5 stark
vom Wert des Gegendrucks in dem Zylinder abhängen.
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6 zeigt
für einen
Wert des Gegendrucks beispielhaft den Verlauf der induzierten Spannung. Es
hat sich herausgestellt, dass der Spannungsverlauf selbst wenn die
Werte abhängig
von dem Druck variieren, der qualitative Verlauf stets gleich bleibt. Von
den charakteristischen Größen des
Verlaufs hat sich das Minimum Umin als besonders
vorteilhaft herausgestellt. Es können
aber auch andere Größen, wie
beispielsweise der Wendepunkt oder sonstige charakteristische Punkte
oder Abschnitte des Spannungsverlaufs ausgewertet werden, um den
Fangstrom entsprechend seinem Gegendruck zu korrigieren.
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7 zeigt
die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
als Flussdiagramm. Das Verfahren beginnt mit Schritt 86 zum
Zeitpunkt T0. In Schritt 88 wird
der Minimumwert Umin des letzten Umschwingvorgangs
aus einem Speicher eingelesen. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 90 wird
der aktuelle Spannungswerte US als Maximalwert
Umax gespeichert. Bei einem aktuellen Spannungswert
handelt es sich um den Ausgangswert des Analog-Digitalwandlers 72,
der an Kontakt 74 anliegt. Im nachfolgenden Schritt 92 wird
der nächste
aktuelle Spannungswert mit dem bisherigen Maximalwert Umax verglichen. Steigt
die induzierte Spannung weiter an, so kehrt das Verfahren zu Schritt 90 zurück. Ist
der Maximalpunkt der induzierten Spannung erreicht, so wird mit den
nachfolgenden Schritten der Minimalwert gesucht. Hierzu wird in
Schritt 94 die Größe Umin1 auf den Wert Umax gesetzt
und bei einem nachfolgenden Vergleich überprüft, ob der aktuelle Spannungswert größer als
der bisherige Minimalwert Umin1 ist. Sinkt die
reduzierte Spannung weiter ab, so folgt Schritt 98, in
dem Umin auf den aktuellen Spannungswert
US gesetzt wird. Ist das Minimum der induzierten
Spannung gefunden, so wir im nachfolgenden Verfahrensschritt 100 die
Veränderung
der Minimalwerte gegenüber
dem letzten Umschwingvorgang ermittelt. Über eine Kennlinie wird entsprechend
zu der Veränderung
der Minimalwerte ein Änderungswert
für den Fangstrom
ermittelt. Der Änderungswert ΔI für den Fangstrom
I wird an die sensorlose Regelung für den Fangstrom weitergeleitet
und führt
in Verfahrensschritt 104 durch Addition zu einer Adaption
des Fangstroms. Verfahrensschritt 106 kennzeichnet das Ende
der Gegenkraftregelung.
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In
Schritt 100 wird der Minimalwert mit dem des vorherigen
Umschwingvorgang verglichen. Anschließend erfolgt die Adaption des
Fangstroms in Schritt 104, um den aktuellen Gegendruck
zu berücksichtigen.
Es wird also zu Beginn der Bewegung erkannt, welcher Zylinderdruck
vorliegt und daraus der notwendige Adaptionswert für den Fangstrom
bestimmt. Bezogen auf den vorherigen Umschwingvorgang wird der Wert
des Fangstroms entsprechend dem Adaptionswert geändert.