DE19723931A1 - Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts gemäß dem Oberbegriff des un­ abhängigen Patentanspruchs. Sie betrifft insbesondere ein Stellgerät zum Steuern einer Brennkraftmaschine.

Ein bekanntes Stellgerät (EP 0 400 389 A2) hat ein Stellglied und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb umfaßt einen Elek­ tromagneten mit einem Kern und einer Spule. Der Elektromagnet ist in einem Gehäuse angeordnet. Einen Ankerplatte ist beweg­ lich zu dem ersten Elektromagneten angeordnet und ist durch eine Feder in eine vorgegebene Ruheposition vorgespannt. Um die Ankerplatte aus ihrer Ruheposition in Anlage mit dem er­ sten Elektromagneten zu bringen, wird die Spule mit einem An­ zugsstrom erregt. Der Anzugsstrom bewirkt eine elektromagne­ tische Kraft; die die Ankerplatte gegen eine durch die Feder bewirkte Kraft an den Elektromagneten zieht. Dem Stellgerät ist ein Zweipunkteregler mit Hysterese zugeordnet, dessen Re­ gelgröße der Strom durch die Spule ist und dessen Stellgröße ein pulsförmiges Spannungssignal ist, das an der Spule ange­ legt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steu­ ern eines elektromechanischen Stellgeräts zu schaffen, die einfach ist und ein genaues, insbesondere zeitgenaues, steu­ ern des Stellgeräts gewährleistet.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Pa­ tentanspruchs gelöst. Die Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Pulsbreitenmodulator vorgesehen ist, der die Stell­ größe abhängig von der Versorgungsspannung moduliert. So ist eine konstante Schaltdauer unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung gewährleistet. Die Schaltdauer ist defi­ niert als die Zeitdauer, die benötigt wird um die Ankerplatte von einer vorgegebenen Ruheposition entgegen einer durch die Feder bewirkte Federkraft zur Anlage mit dem Elektromagneten zu bringen. Die konstante Schaltdauer ist ein gewichtiger Vorteil, da die Versorgungsspannung, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, größeren Schwankungen unterliegt. Ein weiterer Vorteil ist, daß auf einen teueren und aufwendigen Spannungs­ regler verzichtet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellglied als Gaswechselventil ausgebildet und das Stellge­ rät in einer Brennkraftmaschine angeordnet. So sind kontante Schaltdauern des Gaswechselventils unabhängig von der Versor­ gungsspannung und damit ein verbrauchsarmer und emissionsar­ mer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung eines Stellgeräts mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Steuern des Stellgeräts in einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 Signalverläufe, aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 3 eine weitere Anordnung einer bevorzugten Ausführungs­ form des Stellgeräts mit einer weiteren Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Steuern des Stellgeräts.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenüber­ greifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Stellgerät 1 (Fig. 1) umfaßt einen Stellantrieb 11 und ein Stellglied, das beispielsweise als ein Gaswechselventil ausgebildet ist und einen Schaft 121 und einen Teller 122 hat. Der Stellantrieb 11 hat ein Gehäuse 111, in dem ein er­ ste Elektromagnet angeordnet ist. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 112. In einer ringförmigen Nut des ersten Kerns 112 ist eine erste Spule 113 eingebettet. Der erste Kern 112 hat eine Ausnehmung 114a, die als Führung des Schafts 121 dient. Eine Ankerplatte 115 ist in dem Gehäuse 111 beweglich zu dem ersten Kern 112 angeordnet. Eine erste Feder 116a spannt die Ankerplatte in eine vorgegebene Ruhepo­ sition R vor.

Das Stellgerät 1 ist mit einem Zylinderkopf 21 starr verbun­ den. Dem Zylinderkopf 21 ist ein Ansaugkanal 22 und ein Zy­ linder 23 mit einem Kolben 24 zugeordnet. Der Kolben 24 ist über eine Pleuelstange 25 mit einer Kurbelwelle 26 gekoppelt.

Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die Signale von Sen­ soren erfaßt und Stellsignale für den Stellantrieb 11 er­ zeugt. Die Sensoren sind vorzugsweise als ein Positionsgeber 5, der eine Position X der Ankerplatte 115 erfaßt, als ein erster Strommesser 7a, der den Istwert I_AV1 des Stroms durch die erste Spule 113 erfaßt, als ein Drehzahlgeber 27, der die Drehzahl N der Kurbelwelle 26 erfaßt, oder als ein Lasterfas­ sungssensor 28, der vorzugsweise ein Luftmassenmesser oder ein Drucksensor ist, ausgebildet. Neben den erwähnten Senso­ ren können auch weitere Sensoren vorhanden sein.

Eine Spannungsquelle 8 ist vorgesehen, die vorzugsweise als Generator, als Batterie oder als eine Parallelschaltung des Generators und der Batterie ausgebildet ist und die eine Ver­ sorgungsspannung erzeugt. Die Steuereinrichtung 4 umfaßt ei­ nen Regler, der vorzugsweise als ein Zweipunktregler 41 mit Hysterese ausgebildet ist, dessen Regelgröße der Strom durch die Spule 113 ist und dessen Stellgröße eine Spannung ist, die an der Spule 113 angelegt wird. Die Stellgröße, die im zeitlichen Verlauf ein Spannungssignal ist, wird von einem Pulsbreitenmodulator 42 abhängig von der Versorgungsspannung moduliert. Das modulierte Spannungssignal wird dann einem Treiber 7a zugeführt, der es verstärkt und der ersten Spule 113 zuführt.

In Fig. 2 sind Signalverläufe aufgetragen über die Zeit t. Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Trägersignals S_T des Pulsbreitenmodulators 42. Das Trägersignal S_T ist eine Impulsfolge mit einer Periodendauer T_T und einer Pulsbreite T_P, die abhängt von der Versorgungsspannung. Hat die Versor­ gungsspannung den Maximalwert U_Max, so hat die Pulsbreite T_P einen minimalen Wert (z. B. 0,8.T_T). Hat die Versorgungs­ spannung hingegen den Minimalwert U_Min der Versorgungsspan­ nung, so hat die Pulsbreite T_P einen maximalen Wert (z. B. T_P = T_T). Hat die Versorgungsspannung einen Wert zwischen dem Ma­ ximalwert U_MAX und dem Minimalwert U_MIN, so ist der Wert der Pulsbreite T_P zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert.

Fig. 2b zeigt den zeitlichen Verlauf des modulierten und verstärkten Spannungssignals U1. Fig. 2c zeigt den zugehö­ rigen Verlauf des Istwertes I_AV des Stroms durch die erste Spule 113. Fig. 2d zeigt den zeitlichen Verlauf der Position X der Ankerplatte 115.

Von einem Zeitpunkt t₁ bis t₆ ist der Sollwert des Stroms durch die erste Spule 113 ein vorgegebener Fangstrom I_F. Zum Zeitpunkt t_5a kommt die Ankerplatte 115 zur Anlage mit dem ersten Kern 112. Von dem Zeitpunkt t₆ bis t₇ ist dann der Sollwert des Stroms durch die erste Spule 113 ein vorgegebe­ ner Haltestrom I_H. Der Zweipunktregler 41 mit Hysterese gibt demnach vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₅ als Spannungs­ signal einen Spannungspuls vor, der mit dem Trägersignal S_T moduliert wird und dann von dem Treiber 7a verstärkt wird, so daß sich der in Fig. 2b dargestellte Verlauf vom Zeitpunkt t₁ bis t₅ ergibt. Die Spule 113 wird mit dem verstärkten und modulierten Spannungssignal U1 beaufschlagt. In Fig. 2c ist der daraus resultierende Istwert I_AV des Stroms deutlich er­ kennbar. Der Istwert I_AV des Stroms schwingt von einem Zeit­ punkt t₁ bis zu einem Zeitpunkt t₅ um den zeitlichen Verlauf (gepunktete Kurve), wie er sich ergibt, wenn die Versorgungs­ spannung den Minimalwert U_Min aufweist.

Zum Zeitpunkt t_5a kommt die Ankerplatte 115 zur Anlage mit dem ersten Kern 112. Von dem Zeitpunkt t₆ bis zu dem Zeit­ punkt t₇ ist der Sollwert I_SP1 des Stroms durch die Spule der Haltestrom I_H. Der Zeitpunkt t₆ ist vorzugsweise so ge­ wählt, daß er möglichst nahe bei dem Zeitpunkt t_5a liegt. Das Auftreffen der Ankerplatte 115 wird vorzugsweise durch ein Auswerten der Position X ermittelt. In einer einfachen Aus­ führungsform kann der zeitliche Abstand zwischen den Zeit­ punkten t₁ und t₆ auch ein experimentell bestimmter fest vor­ gegebener Wert sein.

Zu einem Zeitpunkt t₈ wechselt der Sollwert des Stroms durch die erste Spule 113 von null auf den Fangstrom I_F. Von dem Zeitpunkt t₈ bis zu einem Zeitpunkt t₁₂ hat die Versorgungs­ spannung den Minimalwert U_Min. Die Pulsbreite T_P des Träger­ signals S_T ist demnach gleich der Periodendauer T_T. Das Trä­ gersignal S_T hat demnach vom Zeitpunkt t₈ bis zu dem Zeit­ punkt t₁₂ einen konstanten Wert. Der der zeitliche Verlauf des modulierten und verstärkten Spannungssignals U1 ent­ spricht vom Zeitpunkt t₈ bis zum Zeitpunkt t₁₂ bis auf die durch die Verstärkung bewirkte Änderung der Amplitude dem Spannungssignal, also dem zeitlichen Verlauf der Stellgröße des Zweipunktreglers 41. Zu dem Zeitpunkt kommt die Anker­ platte 115 zur Anlage mit dem ersten Kern 112. Von dem Zeit­ punkt t_10a bis zu dem Zeitpunkt t₁₂ ist der Sollwert I_SP1 des Stroms durch die Spule 113 der Haltestrom I_H.

Die Schaltdauer, die durch die Zeitdauer bestimmt ist, die benötigt wird um die Ankerplatte von ihrer Offenposition, die in diesem Ausführungsbeispiel der Ruheposition R entspricht, in ihre Schließposition C, d. h. in Anlage mit dem ersten Elektromagneten, zu bringen, ist demnach unabhängig von dem Wert der Versorgungsspannung und in etwa konstant. So ist der zeitliche Abstand zwischen den Zeitpunkten t₁ und t_5a und zwi­ schen den Zeitpunkten t₈ und t₁₀ in etwa gleich. Dies ist ein gewichtiger Vorteil, da eine präzise Schaltdauer eine Voraus­ setzung für eine genaue Füllungssteuerung für den Zylinder 23 ist.

In Fig. 3 ist eine weitere Anordnung der bevorzugten Ausfüh­ rungsform des Stellgeräts 1 mit einer weiteren Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 4' dargestellt. Der Stellantrieb 11 unterscheidet sich zu dem in Fig. 1 da­ durch, daß er einen zweiten Elektromagneten aufweist mit ei­ nem zweiten Kern 117 und einer zweiten Spule 118. Der zweite Kern 117 hat eine Ausnehmung 114b, die auch als Führung des Schafts 121 dient. Die Ankerplatte 115 ist in dem Gehäuse 111 beweglich zwischen dem ersten Kern 112 und dem zweiten Kern 117 angeordnet. Die erste Feder 116a und die zweite Feder 116b spannen die Ankerplatte in eine vorgegebene Ruheposition R vor.

Die Steuereinrichtung 4' weist im Unterschied der Steuerein­ richtung gemäß Fig. 1 noch zusätzlich einen weiteren Zwei­ punktregler 43 mit Hysterese auf, dessen Regelgröße der Strom durch die zweite Spule 118 ist und dessen Stellgröße eine Spannung ist, mit der die zweite Spule 118 beaufschlagt wird.

Der Zweipunktregler 43 erzeugt ein weiteres Spannungssignal, das einem weiteren Pulsbreitenmodulator 44 als Modulations­ signal zugeführt wird. Das weitere Spannungssignal wird in dem weiteren Pulsbreitenmodulator 44 genauso wie in dem Puls­ breitenmodulator 42 moduliert und dann von dem Treiber 7b verstärkt. Die zweite Spule 118 wird mit dem weiteren modu­ lierten und korrigierten Spannungssignal beaufschlagt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel muß die erste oder zweite Spu­ le jeweils nur mit einem wesentlich geringeren Fangstrom I_F beaufschlagt werden, da das Feder-Masse-System schwingfähig ist und nur die Verluste durch Reibung kompensiert werden müssen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Beispielsweise kann das Stellglied auch als Ein­ spritzventil ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 4, 4' kann als ein Mikrocontroller ausgebildet sein, sie kann aber ebenso eine Logikschaltung oder eine Analogschaltungsanord­ nung umfassen. Der Regler oder der weitere Regler können bei­ spielsweise auch als ein Einpunktregler mit einem Zeitglied oder als ein Pulsweitenmodulations-Regler ausgebildet sein.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellge­ räts, das ein Stellglied und einen Stellantrieb hat mit ei­ ner beweglichen Ankerplatte (117) und mit einem Elektroma­ gneten, der einen Kern (112) und eine Spule (113) hat, wo­ bei ein Regler vorgesehen ist, dessen Regelgröße der Strom durch die Spule (113) ist und dessen Stellgröße eine Span­ nung ist, die an der Spule (113) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Spannungsquelle (8) vorgesehen ist, die eine Ver­ sorgungsspannung erzeugt, und
• - daß ein Pulsbreitenmodulator (42) vorgesehen ist, der die Stellgröße abhängig von der Versorgungsspannung moduliert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied einen weiteren Elektromagneten aufweist, der einen weiteren Kern (117) und eine weitere Spule (118) hat und der in einem vorgegebenen Abstand zu dem Elektromagne­ ten angeordnet ist, daß ein weiterer Regler vorgesehen ist, dessen Regelgröße der Strom durch die weitere Spule (118) ist und dessen Stellgröße eine Spannung ist, die an der weiteren Spule (118) angelegt wird, und

• - daß ein weiterer Pulsbreitenmodulator (44) vorgesehen ist, der die Stellgröße abhängig von der Versorgungsspannung mo­ duliert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stellglied als Gaswechselventil ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Regler als Zweipunktregler (41, 43) mit Hyste­ rese ausgebildet ist.