Ein
bevorzugter Anwendungsfall für
einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen,
d.h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben- Brennkraftmaschine
werden von derartigen Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d.h.
oszillierend geöffnet
und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb
werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische
Stellglieder, die sog: Aktuatoren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und
das Schließen jedes
Hubventil es im wesentlichen frei gewählt werden kann. Hierdurch
können
die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweils durch
Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand sowie an
die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment,
Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine
angetriebenen Fahrzeuges angepasst werden.
Die
wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der
Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete
für das
Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektromagnet-Spulen,
und ferner Rückstellfedern
für die
Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". In Bezug auf einen
prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators wird auch auf
die Abbildung von 1 der
beigefügten
Zeichnung verwie sen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem
Hubventil in einer der beiden möglichen Endlagen
des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt.
Ein
elektromagnetischer Aktuator kann zur Einstellung einer vorgegebenen
Schaltzeit, während der
das Hubventil geöffnet
ist, in bekannter Weise in zwei Modi betrieben werden, dem s.g. "Vollhub" und dem s.g. "Freiflug". In dem Betriebsmodus "Vollhub" wird der Anker in
beiden Totpunkt- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen der
jeweilig zugehörigen Elektromagnet-Spule
gebracht. Dieser Bewegungsablauf zwischen den beiden Endlagenpositionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" wird nach dem Stand
der Technik zeitlich in die kontinuierlich aufeinander folgenden
Phasen Fangvorgang, Verweilphase mit einer zusätzlichen Klebzeit und Ablösen bzw.
Ablösephase
unterteilt. Dabei nähert
sich der Anker beim Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten.
Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt,
dass der Anker das Joch erreicht, aufsetzt und dort verweilt. Der
Verweilvorgang dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch durch
ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule eingeleitet wird,
beispielsweise durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr.
Das Ablösen
des Ankers geschieht in der Regel zeitlich verzögert zur veränderten
Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt.
Nach
dem Stand der Technik werden Regelverfahren für elektromagnetische Aktuatoren
den Betrieb im Vollhub beispielsweise in der
DE 195 30 121 A1 offenbart,
die jedoch nur zu einer Verbesserungen insbesondere im Hinblick
auf die Geräuscheniwicklung
sowie den Aktuatorverschleiß Verfahren
zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem
elektromagnetischen Aktuator vorschlägt. Dabei wird mit einer Annäherung des
Ankers an die Polfläche
der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung
auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt und im wesentlichen reduziert, so
dass der durch die Spule fließende
Strom während
eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. Auch werden konstruktive
Maßnahmen
zur Reduzierung der Klebzeit vorgeschlagen, wobei die Klebzeit als
Größe jedoch
stets vorhanden bleibt.
Eine
Verbesserung der Steuerung der sogenannten Endphasenbewegung kurz
vor dem Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden
Spule durch zwischenzeitliches Abschalten der Magnetspulen und nachfolgendes
geregeltes Einschalten bis zum Aufsetzen des Ankers auf dem Pol
ist in der
EP 0 973
177 A2 offenbart. Alternativ zu dieser letztgenannten Lösung schlägt die
EP 0 973 178 A2 das
Anlegen einer getakteten Spulenspannung mit Regelung vor. Alle die
vorstehend genannten Regelungsmaßnahmen beziehen sich jedoch
nur auf die Endphasenbewegung in dem Betriebsmodus "Vollhub" und basieren auf
einer möglichst
genauen Bestimmung der Position des Ankers bei seiner Annäherung an
die Polfläche.
Hierzu ist in dem Aktuator ein Hubsensor vorgesehen.
Von
dem Betriebsmodus "Vollhub" ist ein Betrieb
des elektromagnetischen Aktuators im s.g. "Freiflug" zu unterscheiden. Beim "Freiflug" wird beispielsweise
auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule verzichtet,
wenn sich der Anker dem Joch nähert.
Der Anker setzt daher im Gegensatz zum "Vollhub" im "Freiflug"-Betrieb nicht auf, sondern er ändert seine
Richtung und fliegt zurück noch
bevor er das Joch erreicht. Mit dem "Freiflug" lässt
sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers erzielen;
da keine Klebzeit auftritt. Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und
Rückflug
des Ankers besteht beim "Freiflug" lediglich aus der
Zeit, die der Anker benötigt,
die Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden und wieder zurück zu durchfliegen.
Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen kommt jedoch mindestens
noch die Klebzeit hinzu.
Beiden
Betriebsmodi, also "Vollhub" und "Freiflug", ist gemeinsam,
dass die Bewegung des Ankers mindestens in der Bremsphase vor dem
Auftreffen des Ankers auf eine Polfläche durch eine Regelung beeinflusst
wird. Dies erfolgt beispielsweise nach der Lehre der
EP 0 973 178 A2 durch Ab-
und Zuschalten der elektrischen Spannung. Nach dem Stand der Technik
hat es sich insgesamt auch bewährt,
eine Ist-Bewegung des Ankers mit einer Soll-Bewegung durch Anlegen
einer geregelten Spannung in Übereinstimmung
zu bringen. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung
sind eine vorgegebene Solltrajektorie, geeignete Mittel zur Erfassung
eines aktuellen Wertes bzw. Ist-Wertes und ein Regler. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann
aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines
mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem
Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve
des Ankers zwischen den Polflächen
der beiden Elektromagnetspulen.
Der
Nachteil des zitierten Standes der Technik besteht darin, dass ein
Hub-Sensor im Aktuator vor dem ersten Erreichen der Endlage nicht
kalibriert ist. Der zu Beginn unbestromte Aktuator befindet sich beim
Einschalten in einer neutralen Ruheposition, in welcher der Anker
durch zwei Rückstellfedern
ungefähr
in der Mitte zwischen zwei Elektromagnet-Polflächen gehalten ist. Materialabweichungen,
unterschiedliche Federkonstanten, Verschmutzungen und/oder Verschleiß bewirken
jedoch, dass sich diese Neutrallage des Ankers nicht direkt in der
Position des halben Vollhubes zwischen den Elektromagnet-Polflächen befindet.
Damit ist die Position des Ankers und mithin auch ein aktueller
Hubwert nur in grober Näherung
bekannt. Die Regelung nach der Lehre der EP 0 973 178 A2 u.a. setzt
jedoch ein genaues Hubsignal voraus. Daher sind diese Lehren direkt
beim Start des Motors nicht einsetzbar. Es ergeben sich durch die
fehlende Kalibrierung hohe Abweichungen des gemessenen Hubsignals
des Ankers von einer tatsächlichen
Ankerposition. Durch diese Ungenauigkeit wird mindestens bei Ansteuerung
im Vollhub-Modus im Umkehrbereich ein hartes Aufsetzen oder Anschlagen
des Ankers hervorgerufen, das u.a. ein als störend empfundenes Klack-Geräusch beim
Starten des Motors erzeugt. Ferner erhöht dieses Verhalten den Verschleiß im Aktuator.
Unabhängig von
einem beim Motorstart jeweils vorliegenden Betriebsfall erreicht
der Anker eine Polfläche
eines Elektromagneten im unkalibrierten Zustand des Hubsensors nicht
zu einer vorgesehenen Zeit und/oder nicht mit den erwünschten
Bewegungsparametern. Eine zu hohe Endgeschwindigkeit und/oder eine
hohe negative Beschleunigung beim Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche können zu
einem Prellen führen.
Dadurch kann das Hubventil selber ebenfalls eine Pendelbewegung
um eine erwünschte
End- bzw. Öffnungsstellung
herum ausführen,
so dass über
eine Öffnungszeit
gesehen auch eine vorgeschriebene Öffnungsweite des Ventils nicht
erreicht wird. Bei erhöhten
elektrischen Verlusten und einer gegenüber einem Sollzustand erhöhten elektrischen
Leistungsaufnahme des Aktuators macht sich auch eine Ungenauigkeit
bei der Einstellung einer Schaltzeit und einer effektiven Öffnungsweite
des Hubventils sehr nachteilig bemerkbar. Mit der möglichst
genauen Einstellung einer jeweiligen Schaltzeit und Öffnungsweite
werden somit wesentliche Aufgabe bei der Steuerung der Bewegung
eines Ankers in einem s.g. elektromagnetischen Ventiltrieb EVT nicht
zufriedenstellend erfüllt.
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur energiesparenderen und verbesserten Bewegungssteuerung und eine dementsprechende
Vorrichtung zu schaffen.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche
1 und 7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer dementsprechenden
Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich demnach dadurch aus, dass vor dem ersten Erreichen
der Endlage eine Regelung verwendet wird, die der Situation eines
nicht kalibrierten Hubsensors in besonderer Weise angepaßt ist.
In
einer ersten Ausführungsform
findet eine Regelung Einsatz, die nur die Geschwindigkeit v entlang
einer Sollkurve nachführt,
jedoch nicht den Hub z. Diese Regelung bewirkt, dass die Größe des Hubes
in der Regelung intern im Wesentlichen gehalten wird und insbesondere
nicht wegläuft.
Ferner
kann eine Abweichung der Geschwindigkeit v vom Sollwert vsoll nach der Vorschrift ẏ = ν – νsoll aufintegriert
werden und eine Regelung auf der Basis einer neuen Regelgröße y durchgeführt werden.
Sehr
vorteilhaft kann auch eine optimale Regelung bei quadratischem Gütekriterium
als spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik eingesetzt werden.
Speziell kann eine lineare Regelung mit quadratischem Güteindex
eingesetzt werden, auch als LQ-optimalen Regelung bezeichnet, siehe
E. Sontag, Mathematical Control Theory, Springer Verlag, New York,
1998.
Weiter
kann auch ein H2-Regler Verwendung finden,
zur Referenz siehe z.B. Chiang, Safonov, Robust Control Toolbox
User's Guide, The
Mathworks, Natick, 1992.
Die
vorstehenden Lösungen
bewirken jede für
sich ein im Vergleich zum Stand der Technik leises Aufsetzen des
Ankers und des Ventiles auch ohne Sensorkalibrie rung, weil die Geschwindigkeit
im Umkehrbereich, d.h. im Bereich des Todpunktes, geregelt wird.
Vorteilhafterweise sind diese Lösungen
zur Regelung einer ersten Endlage auch in Kombination miteinander
einsetzbar.
Damit
ergibt sich aus einem erfindungsgemäßen Ansatz als ein unmittelbarer
Vorteil also, dass ein Energieaufwand im Vergleich zum Stand der Technik
geringer ist, da die Regelung über
eine angepasste Geschwindigkeit auch geringere Stromflüsse durch
die Spulen der Elektromagneten erfordert. Ferner sind auch zeitlich
nachfolgende Regelvorgänge geringer,
da ein Prellen und/oder Überschwingen
des Ankers oder des Ventils im Wesentlichen nicht mehr auftreten.
Schließlich erfolgt
in der ersten Endlage eine Kalibrierung des Hubsensors und ein stufenloser Übergang
zu einem anderen Regelungsverfahren. So werden die Sollbahnen der
Regelungsgrößen um die
erste Endlage herum wesentlich besser eingehalten, als dies nach
dem Stand der Technik möglich war.
Dadurch vermindern sich die Reglereingriffe in Anzahl, Dauer und/oder
Stärke,
so dass bei Energieeinsparung u.a. auch ein Schwingen des Ankers
oder Ventils um die Bahn der Soll-Trajektorie herum weitgehend ausgeschlossen
werden kann.
Um
die Vorrichtung im Weiteren zu regeln, können durch den Fachmann in
geeigneter Weise angepasste Regelungen beispielsweise basierend auf
den Offenbarungen der Druckschriften
EP 0 973 178 A2 ,
DE 198 34 548 A1 und
DE 100 12 988 A1 vorgestellten
Methoden und Regelungsverfahren eingesetzt werden. Bevorzugt enthält dabei
die Soll-Trajektorie über
bzw. in Abhängigkeit
von der Zeit Werte für
die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet
werden, sowie für
die Geschwindigkeit des Ankers und für dessen Beschleunigung oder
für den
Strom einer jeweils fangenden Spule. Es handelt sich in einem Fall
also quasi um eine einfache Wertetabelle, die in einer Ausführungsform
der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt
ist. Eine rechnerische Anpassung an einen individuellen Fall ist
in einer Weiterbildung vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Soll-Trajektorie in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen
jeweils individuell berechnet.
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen der
Zeichnung näher
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: einen bekannten elektromagnetischen
Aktuator mit Hubventil in einer geöffneten Endlage;
2: die Anordnung von 1 in einer geschlossenen
Endlage;
3: die Anordnung der 1 und 2 in einem Ausgangszustand beim Motorstart
und
4: beispielhafte Hubverläufe beim
Start aus dem Bereich einer unkalibrierten Mittellage heraus.
In
der Abbildung von 1 ist
ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen
Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt mit der geöffneten
Endlage eine der beiden möglichen
Endlagen des Hubventiles 3 und des Aktuators 1.
In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben,
das Hubventil 3 ist hier maximal geöffnet worden. Zum Überführen des
Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in
Richtung auf einen Ventilsitz 6 bewegt, wie durch den Pfeil
P angedeutet ist.
Wie üblich greift
an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch
nur so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit
ihm auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen
kann. Für
die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu
wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der
Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen
auf den Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 einwirkenden
Stößel 10,
der den Anker 4 trägt
und über
den der Anker 4 zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend
längsverschiebbar
geführt
ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den
Ventilschaft 2 auf den Ventilteller 5 des Hubventils 3.
An dem Ende des Stößels 10,
das dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 abgewandt
ist, greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an,
die in der dargestellten geöffneten
Endstellung entspannt ist.
Bei
der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System,
für welches
die Ventilschließfeder 7 und
die Ventilöffnungsfeder 11 eine
erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine
Länge Δl im Bereich
der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen
werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems
ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet. Der Anker 4 liegt
an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im folgenden
auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet
wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in
seiner geöffneten
Position hält.
Der Pfeil P deutet eine nun anschließende Schließbewegung
an. Dazu wird der Stößel 10 durch
den starr angebundenen Anker 4 von der Endlage ze hin zu der zweiten Endlage zo bewegt.
In
der in 2 dargestellten
zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geschlossen,
und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einer
Polfläche 13 der
oberen Elektromagnet-Spule 9 an. Sie wird im folgenden auch
als Schließer-Spule 9 bezeichnet,
nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner
geschlossenen Position hält.
Durch einen geteilten Aufbau mit einer Trennung zwischen dem eigentlichen
Aktuator 1 mit dem Stößel 10 und
dem Hubventil 3 mit dem Schaft 2 ist ein Abstand
L zwischen dem Ventilteller 5 und dem Anker 4 gegenüber der
geschlossenen Endlage um ein Maß vs
vergrößert worden,
das Ventilspiel genannt wird. Aufgabe des Ventilspiels vs ist es,
die aufgrund von thermischen Effekten, Verschmutzung oder Verschleiß auftretenden
Längenänderungen
in der Anordnung aus Aktuator 1 und Hubventil 3 und
die innerhalb einer Baureihe auftretenden Bauteiltoleranzen gleichermaßen auszugleichen.
Durch das Ventilspiel vs soll sichergestellt werden, dass in dem
Fall eines an dem Joch 13 des Elektromagneten 9 anliegenden
Ankers 4 das Ventil 3 in jedem Fall sicher geschlossen
ist.
Bei
dieser Bauart läuft
dann auch das Öffnen und
Schließen
des Ventils 3 und die Bewegung des Aktuators 1 phasenweise
getrennt voneinander ab: Beim Öffnungsvorgang
löst sich
der Anker 4 des Aktuators 1 in einem ersten Bewegungsabschnitt
P, von dem Joch 13 des Spule 9 und trifft erst
nach Überwindung
des Ventilspiels vs über
den Stößel 10 auf
den Ventilschaft 2. Ab diesem Moment beginnt erst die Öffnungsbewegung
des Ventils 3, Pfeil P2. In parallelen
Anmeldungen wurden die Probleme einer genauen Einstellung und Regelung
einer Schaltzeit des Ventils 3 eingehend behandelt, auch
unter Berücksichtigung
der sehr variablen Größe des Ventilspiels vs.
Daher wird an dieser Stelle nicht weiter auf diese Thematik eingegangen.
Festzustellen bleibt jedoch, dass eine ausreichend genaue Kenntnis
aller Abmessungen innerhalb des Aktuators 1 und des Hubventils 3 eine
Grundvoraussetzung für
eine zuverlässige
Regelung darstellen.
Die
vorstehende Beschreibung eines Bewegungsablaufes bezieht sich auf
den Betriebszustand "Vollhub", in dem der Anker 4 des
Aktuators 1 in jeder der Endlagen an den Polflächen 12, 13 der
Elektromagnet-Spulen 8, 9 anliegt. Beim Durchlaufen
einer halben Periode einer Oszillationsbewegung des Ankers 4 im
Betriebsmodus "Vollhub" nähert sich
der Anker 4 im s.g. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf
einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und
Abbremsung ungefähr
S-förmig
ist, wie in der Abbildung von 4 mit
einer Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Ankerhubs für den Fall
eines Vollhubs als Kurve V skizziert. Die zu diesem Elektromagneten
gehörende Spule
wird derart bestromt, dass der Anker 4 das Joch erreicht,
aufsetzt und dort verweilt. Die Verweilphase dauert so lange, bis
ein Ablösen
des Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden
Spule z.B. durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr eingeleitet
wird. Das Ablösen
des Ankers geschieht in der Regel zu erst zeitlich um eine sog.
Klebzeit verzögert
zu einem Einleitungszeitpunkt mit dem Beginn einer veränderten
Bestromung der Spule, was hier nicht dargestellt ist.
Beim
Betriebsmodus "Freiflug" wird auf eine Bestromung
der jeweils fangenden Elektromagnet-Spule 8, 9 verzichtet,
wenn sich der Anker 4 dem Joch nähert. Der Anker 4 setzt
daher nicht auf, sondern er ändert
seine Richtung in einem Abstand Δz von
einer Endlage ze entfernt und fliegt zurück noch bevor
er das Joch erreicht, siehe Kurve F nach 4. Mit dem "Freiflug" lässt
sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 erzielen, da
keine Klebzeit auftritt. Die kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des
Ankers 4 wird jedoch damit erkauft, dass das Hubventil 3 um
ein Maß Δz vermindert
geöffnet
wird. Es ist damit aus strömungstechnischen Gründen mit
einer beeinträchtigten
Ventilfunktion mindestens in dem Fall zu rechnen, dass Zykluszeiten
realisiert werden sollen, die klein gegenüber einer für eine volle Öffnung des
Hubventils 3 notwendigen Zeit sind.
Die
Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4,
also eine Schaltzeitspanne Δt,
besteht also beim "Freiflug" lediglich aus der
Zeit, die der Anker 4 benötigt, eine um Δz verminderte
Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden
und wieder zurück
zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen im "Vollhub"-Modus kommt dagegen
mindestens noch die Klebzeit hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder
auf der Polfläche
aufsetzt.
Ein
großer
Nachteil des bisherigen Standes der Technik besteht jedoch darin,
dass die Regelungsgenauigkeit in jedem Betriebsfall auf der möglichst
genauen Kenntnis u.a. auch der aktuellen Hubposition des Ankers 4 aufbaut,
wie bereits vorstehend erwähnt.
Beim Einschalten einer Aktuator-Ventil-Einheit z.B. beim Motorstart
befindet sich der Hubsensor vor dem ersten Erreichen der Endlage
in einem unkalibrierten Zustand. Der Anker 4 des zu Beginn
unbestromten Aktuators 1 befindet sich beim Einschalten in
einer neutralen Ruheposition. Hier ist der Anker 4 durch
die zwei Rückstellfedern 7, 11 nur
sehr ungefähr
in der Mitte zwischen zwei Elektromagnet-Polflächen gehalten. Materialabweichungen,
leicht unterschiedliche Federkonstanten der Rückstellfedern 7, 11,
Verschmutzungen und/oder Verschleiß im Aktuator 1 und/oder
dem Ventil 3 bewirken jedoch, dass sich diese Neutrallage
des Ankers 4 nicht direkt in der Position des halben Vollhubes
ze/2 zwischen den Elektromagnet-Polflächen 12, 13 befindet.
Damit ist die Position des Ankers 4 und mithin auch ein
aktueller Hubwert z nur in grober Näherung bekannt und ist daher
in 4 als schraffierter
Bereich dargestellt, in dem ein Startpunkt des ersten Bewegungszyklus auch
im Vollhub nach Kurve V liegt. Die Lage des Ankers 4 in
der Startsituation ist in 3 dargestellt.
In diesem relativ undefinierten oder nur unklar erkennbaren Zustand
ist auch das Hubventil 3 teilweise geöffnet.
Die
Regelung nach der Lehre der
EP
0 973 178 A2 u.a. setzt ein genaues Hubsignal voraus. Daher
sind diese Lehren direkt beim Start des Motors nicht einsetzbar.
Es ergeben sich durch die fehlende Kalibrierung hohe Abweichungen
des gemessenen Hubsignals z des Ankers
4 von einer tatsächlichen Ankerposition
z(t). Durch diese Ungenauigkeit wird mindestens bei Ansteuerung
des Aktuators
1 im Vollhub- Modus im Umkehrbereich ein hartes Aufsetzen oder
Anschlagen des Ankers hervorgerufen, siehe in
4 Kurve h im Vergleich zu einem erwünschten Verlauf
w mit wesentlich weicherem Aufsetzen, d.h. Geschwindigkeit v ≈ 0. In der
Hubposition z = z
e weist die Kurve h noch
eine sehr große
negative Steigung auf, d.h. die Geschwindigkeit im Zeitpunkt des
Aufsetzens auf der Polfläche
ist sehr hoch. Es ist vielmehr von einem Aufschlagen zu sprechen,
das u.a. ein als störend
empfundenes Klack-Geräusch
beim Starten des Motors erzeugt. Ferner erhöht dieses Verhalten den Verschleiß im Aktuator.
Unabhängig von
einem beim Motorstart jeweils vorliegenden Betriebsfall erreicht
der Anker 4 eine Polfläche 12, 13 eines
Elektromagneten 8, 9 im unkalibrierten Zustand
des Hubsensors nicht zu einer vorgesehenen Zeit und/oder nicht mit
den erwünschten
Bewegungsparametern. Eine zu hohe Endgeschwindigkeit v und/oder
eine hohe negative Beschleunigung beim Aufsetzen des Ankers 4 auf
der Polfläche 12, 13 können zu
einem Prellen führen.
Dadurch kann das Hubventil 3 selber ebenfalls eine Pendelbewegung
um eine erwünschte
End- bzw. Öffnungsstellung
herum ausführen,
so dass über
eine Öffnungszeit
gesehen auch eine vorgeschriebene Öffnungsweite des Ventils 3 nicht
erreicht wird. Bei erhöhten
elektrischen Verlusten und einer gegenüber einem Sollzustand erhöhten elektrischen
Leistungsaufnahme des Aktuators 1 macht sich auch eine
Ungenauigkeit bei der Einstellung einer Schaltzeit und einer effektiven Öffnungsweite
des Hubventils 3 sehr nachteilig bemerkbar. Mit der möglichst
genauen Einstellung einer jeweiligen Schaltzeit und Öffnungsweite
werden somit wesentliche Aufgaben bei der Steuerung der Bewegung
eines Ankers 1 in einem sog. elektromagnetischen Ventiltrieb
EVT nicht zufriedenstellend erfüllt,
wie anhand der Zeitpunkte tA gegenüber tA1 und tA2 in 4 angedeutet ist.
Für den Betriebsmodus „Freiflug" bedeutet die fehlende
Kalibrierung des Hubsensors, dass im Bereich der Endphase des ersten
Bewegungszyklus, also kurz vor dem Erreichen eines Totpunktes ohne Anschlagen
des Ankers 4 an der Polfläche 12 des Elektromagneten 8,
ein maximal erreichter Hub z(t) = z1 zu
gering ist, um eine zuverlässige
Kalibrierung zu ermöglichen.
Damit würde
dann eine verbesserte Regelung zur genaueren Einstellung der Bewegungsparameter
Hub, Geschwindig keit und Beschleunigung in diesem Betriebsfall erst
noch weiter zeitlich versetzt eingreifen.
Zur
Verbesserung der vorstehend beschriebenen Situation wird ein Verfahren
und eine dementsprechende Vorrichtung vorgeschlagen, in der ein der
Situation eines nicht kalibrierten Hubsensors in besonderer Weise
angepasster Regler verwendet wird. Anstatt mit einem zu ungenauen
Schätzwert
für den
Hub in der Mittellage auszugehen wird nunmehr die Ungenauigkeit
dieses Startwertes berücksichtigt.
In
einem ersten Ausführungsbeispiel
findet dementsprechend eine Regelung Einsatz, die nur die Geschwindigkeit
entlang einer Sollkurve nachführt, jedoch
nicht den Hub z. Diese Regelung bewirkt, dass die Größe des Hubes
in der Regelung intern im Wesentlichen gehalten wird und insbesondere
nicht wegläuft.
Auf
diesem Ansatz aufbauend wird ferner eine Abweichung der Geschwindigkeit
vom Sollwert vsoll nach der Vorschrift ẏ = ν – νsoll festgestellt
und aufintegriert. Es wird dann eine Regelung auf der Basis der
neuen Regelgröße y durchgeführt.
Als
spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik wird in einem weiteren
Ausführungsbeispiel eine
optimale Regelung bei quadratischem Gütekriterium eingesetzt. Speziell
wird eine lineare Regelung mit quadratischem Güteindex eingesetzt, auch als
LQ-optimalen Regelung bezeichnet.
In
einer weiteren Ausführungsform
findet ein H2-Regler ebenfalls als spezieller
Ansatz aus der Regelungstechnik zur Regelung in der Startsituation
einer Aktuator-Ventil-Einheit
Verwendung.
Die
vorstehenden Lösungen
bewirken jede für
sich ein im Vergleich zum Stand der Technik leises Aufsetzen des
Ankers und des Ventiles auch ohne eine vorangehende Sensorkalibrierung,
weil die Geschwindigkeit im Umkehrbereich, d.h. im Bereich des Todpunktes,
geregelt ist. Diese Lösungen
zur Regelung einer ersten Endlage sind auch in Kombination miteinander
einsetzbar. Nach diesem Start-Zyklus sind alle vorstehend beschriebenen
Regelungsansätze
stetig in ein bekannte Regelung überführbar.