DE19832196A1

DE19832196A1 - Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE19832196A1
Application number: DE19832196A
Authority: DE
Inventors: Konrad Reif; Ralf Cosfeld
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung reduziert wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß schließt sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase an, in welcher bis zum Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese getaktet elektrische Spannung angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt werden. Bevorzugt wird getaktet entweder ein betragsmäßig konstanter positiver oder negativer Spannungswert oder der Spannungswert "Null" an die den Anker einfangende Spule angelegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwin digkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fang vorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung reduziert wird. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 195 30 121 A1 verwiesen.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventil trieb von Brennkraftmaschinen, d. h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hub kolben-Brennkraftmaschine werden von deratigen Aktuatoren in gewünsch ter 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. Aktua toren bewegt wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch kön nen die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Betriebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angtrie benen Fahrzeuges angepaßt werden.

Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektroma gnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektormagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positio nen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch auf die beigefügte Fig. 1 verwiesen, die einen deratigen Aktuator mit zugeordne tem Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Ak tuator-Ankers zeigt, und wobei zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der Aktuator-Hubventil-Einheit der Verlauf des Ankerhubes z bzw. Ankerweges zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen und ferner der Verlauf des Stromflusses 1 in den beiden Elektromagnet-Spulen jeweils über der Zeit t entsprechend einem (gegenüber der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 einfacheren) bekannten Stand der Technik dargestellt ist.

Wie ersichtlich ist in Fig. 1 der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen- Hubventiles dargestellt, welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Wie üblich greift an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an, ferner wirkt auf den Schaft des Hubventiles 1 - hier unter Zwischenschaltung eines (nicht unbedingt erforderlichen) hydraulischen Ventilspielausgleichselementes 3 - der in seiner Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktuator ein. Dieser besteht ne ben zwei Elektromagnet-Spulen 4a, 4b aus einer auf den Schaft des Hub ventiles 1 einwirkenden Stößelstange 4c, die einen Anker 4d trägt, der zwi schen den Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend längsverschiebbar ge führt ist. Am dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der Stößel stange 4c greift ferner eine Ventilöffnungsfeder 2b an.

Hierbei handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für wel ches die Ventilschließfeder 2a und die Ventilöffnungsfeder 2b eine erste so wie eine zweite Rückstellfeder bilden, für welche folglich im weiteren eben falls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet werden. Linksseitig ist in Fig. 1 die erste Endposition dieses schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in wel cher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist und der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt, die im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4b das Hubventil 1 in seiner geöff neten Position hält. Rechtsseitig ist in Fig. 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 voll ständig geschlossen ist und der Anker 4d an der oberen Elektromagnet- Spule 4a anliegt, die im folgenden auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4a das Hubventil 1 in seiner geschlossenen Po sition hält.

Im folgenden wird nun kurz der Schließvorgang des Hubventils 1 beschrie ben, d. h. in Fig. 1 der Übergang vorn linksseitigen Zustand in den rechts seitig dargestellten Zustand; dazwischen sind die entsprechenden Verläufe der in den Spulen 4a, 4b fließenden elektrischen Ströme 1 sowie der Hub verlauf bzw. die Wegkoordinate z des Ankers 4d jeweils über der Zeit t auf getragen.

Ausgehend von der linksseitigen Position "Hubventil offen" wird zunächst die Öffner-Spule 4b bestromt, um den Anker 4d in dieser Position gegen die ge spannte Ventilschließfeder 2a (= untere erste Rückstellfeder 2a) zu halten, wobei der Strom I in dieser Spule 4b im I-t-Diagramm gestrichelt dargestellt ist. Wird nun der Strom I der Öffner-Spule 4b für einen gewünschten Über gang nach "Hubventil geschlossen" ausgeschaltet, so löst sich der Anker 4d von dieser Spule 4b und das Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventil schließfeder 2a in etwa bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleu nigt, bewegt sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter und spannt dabei die Ventilöffnungsfeder 2b, so daß das Hubventil 1 (und der Anker 4d) dadurch abgebremst werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu ei nem geeigneten Zeitpunkt bestromt (der Strom I für die Spule 4a ist im I-t- Diagramm in durchgezogener Linie dargestellt), wodurch diese Spule 4a den Anker 4d einfängt - hierbei handelt es sich um den sog. Fangvorgang -, und ihn schließlich in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlos sen" hält. Nachdem der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen ist, wird in dieser im übrigen auf ein niedrigeres Haltestrom-Niveau umgeschaltet (vgl. I-t-Diagramm).

Der umgekehrte Übergang von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen" geschieht ausgehend von der in Fig. 1 rechtsseitig dargestellten Position analog durch Ausschalten des Stromes I in der Schließer-Spule 4a und zeit versetztes Einschalten des Stromes für die Öffner-Spule 4b. Generell wird dabei für das Bestromen der Spulen 4a, 4b an diese eine ausreichende elektrische Spannung gelegt, während das Abschalten des elektrischen Stromes I durch eine Herabsetzung der elektrischen Spannung auf den Wert "Null" initiiert wird. Die notwendige elektrische Energie für den Betrieb jedes Aktuators 4 wird dabei entweder dem Bordnetz des von der zugehörigen Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges entnommen oder über eine separate, dem Ventiltrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Energiever sorgung bereitgestellt. Dabei wird die elektrische Spannung durch die Ener gieversorgung konstant gehalten, und der Spulenstrom I der den Brenn kraftmaschinen-Hubventilen 1 zugeordneten Aktuatoren 4 durch ein Steuer gerät derart gesteuert, daß sich die notwendigen Kräfte für das Öffnen, Schließen und Halten des bzw. der Hubventile 1 in der jeweils gewünschter Position ergeben.

Beim soeben erläuterten Stand der Technik wird der Spulenstrom I während des sogenannten Fangvorganges, in welchem eine der beiden Spulen 4a, 4b danach trachtet, den Anker 4d einzufangen, vom genannten Steuergerät bzw. von einer Steuereinheit durch Taktung auf einen konstanten Wert gere gelt, der groß genug ist um den Anker 4d unter allen Bedingungen sicher einzufangen. Nun ist die Kraft der fangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b auf den Anker 4d näherungsweise proportional zum Strom I und umge kehrt proportional zum Abstand zwischen Spule und Anker. Wird nun - wie im bekannten Stand der Technik - ein konstanter Strom I eingestellt, so steigt die auf den Anker 4d einwirkende Magnet-Kraft mit seiner Annäherung an die jeweilige ihn einfangende Spule 4a bzw. 4b umgekehrt proportional zum verbleibenden Spalt, wodurch die Ankerbeschleunigung und Ankerge schwindigkeit ansteigen. Hieraus resultiert eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 4d auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b, was zum einen einen hohen Verschleiß im Aktuator 4, zum anderen aber auch eine hohe Geräuschentwicklung zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil sind die bei der kurz beschriebenen getakteten Stromregelung auftretenden Umschalt verluste der Transistoren, die eine erhöhte Leistungsaufnahme und Tempe raturbelastung des verwendeten Steuergerätes sowie eine erhöhte elektro magnetische Abstrahlung in den Zuleitungen der Aktuatoren zur Folge ha ben.

Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung so wie den Aktuatorverschleiß bringt der aus der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 bekannte Stand der Technik. Hierin ist ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektroma gnetischen Aktuator vorgeschlagen, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt (d. h. im wesentli chen reduziert) wird, so daß der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. In dieser besagten Schrift ist ferner noch davon die Rede, daß das Ausmaß der Spannungsbe grenzung bzw. Spannungsreduzierung in einem Kennfeld festgelegt sein kann, wobei zu vermuten ist, daß die entsprechenden Werte und insbeson dere auch der jeweilige Zeitpunkt, zu welchem diese Spannungsreduzierung einsetzen soll, auf experimentellem Wege bestimmt werden müssen.

Demgegenüber weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vor liegenden Erfindung, d. h. es soll ein einfach praktikables und dabei effizien tes Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers ei nes elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase anschließt, in welcher bis zum Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese eine getaktete elektrische Spannung angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker- Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche, dabei wird in ei ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vom Regler zusätzlich zum Spannungs-Taktverhältnis auch das Vorzeichen des betragsmäßig kon stanten Spannungswertes bestimmt, d. h. es wird getaktet entweder ein posi tiver oder ein negativer Spannungswert oder der Spannungswert "Null" an die den Anker einfangende Spule angelegt.

Allgemein wird nach der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die be kannte Stromregelung oder die ebenfalls bekannte (empirisch festzulegen de) Spannungsreduzierung während des Fangvorganges durch eine Rege lung zu ersetzen, welche während der sog. Bremsphase des Fangvorganges kurz vor einem Auftreffen des Ankers auf der ihn einfangenden Magnetspule an diese Spule geregelt elektrische Spannung anlegt, und zwar getaktet, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der elektrischen Spannung (sowie ggf. zusätzlich deren Vorzeichen) anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt wer den.

Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann für Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu be wegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall also die Bahnkurve des Ankers zwischen den beiden Elektromagnetspulen. Bevor zugt enthält dabei diese Soll-Trajektorie über bzw. in Abhängigkeit von der Zeit (wie üblich mit "t" bezeichnet) Werte für die Position des Ankers (im fol genden auch als "Wegkordinate" bezeichnet), für dessen Geschwindigkeit und für die Beschleunigung des Ankers, d. h. es handelt es sich quasi um eine einfache Wertetabelle, die entweder fix in einem geeigneten Steuerge rät abgelegt sein kann oder in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen auf später noch näher erläuterte Weise jeweils individuell berechnet werden kann. Dabei hat sich sowohl durch Versuche als auch durch Berechnungen gezeigt, daß es ausreicht, eine derartige Soll-Trajektorie für die Regelung nur in der genannten Bremsphase vorzusehen, da sich zum Zeitpunkt der Aktivierung der Regelung der sich noch in der Fangphase bewegende Anker stets in einem derartigen Zustand befindet, in welchem dessen Position (d. h. die Wegkoordinate), dessen Geschwindigkeit sowie die Beschleunigung des Ankers in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis zueinander stehen (zumindest im Rahmen der für den beschriebenen Anwendungsfall gefor derten Bedingungen).

In Fig. 2 ist das entsprechende Regelungskonzept als Blockschaltbild dar gestellt, wobei der Regler die Bezugsziffer 10 trägt, und die Regelung an hand der Signale einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajekt orie 20 erfolgt, und wobei der Regler 10 ferner Signale eines der Solltrajekto rie 20 nebengeordneten Beobachters 11 verarbeitet. Die Ausgangsgröße des Regelungskonzeptes bzw. des Reglers 10 ist die an der jeweils den An ker 4d (vgl. hierzu Fig. 1) einfangenden Spule 4a bzw. 4b angelegte bzw. anliegende elektrische Spannung U. Diese Spannung U hat bevorzugt einen betragsmäßig konstanten Wert und wird vom Regler 10 zeitlich getaktet an die jeweilige Spule 4a bzw. 4b angelegt, wobei der Regler 10 weiterhin das Vorzeichen der elektrischen Spannung bestimmen kann, d. h. es wird getak tet entweder ein positiver oder ein negativer Spannungswert oder der Span nungswert "Null" an die den Anker 4d einfangende Spule 4a oder 4b ange legt.

Dabei ist die dem Hubverlauf des Hubventiles 1 bzw. Ankers 4d entspre chende Position des Ankers 4d zwischen den Spulen 4a, 4b durch die Weg koordinate z - diese wird auf geeignete Weise gemessen - eine Eingangs größe des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, welche vom Beobach ter 11 weiter verarbeitet wird. Der Einfachheit halber wird dabei im folgenden die Position des Ankers direkt mit "z" bezeichnet, ohne den erklärenden Be griff "Wegkoordinate" zu verwenden.

Aus dieser Wegkoordinate bzw. Anker-Position z ist im übrigen durch einma lige bzw. zweimalige Ableitung über der Zeit t die Bewegungsgeschwindig keit des Ankers sowie die Anker-Beschleunigung schätzbar bzw. ermit telbar. Der Wert z sowie die daraus abgeleiteten Größen , werden dabei vom Beobachter 11 ermittelt und als sog. Schätzwerte 21 dem Regler 10 mitgeteilt. Im übrigen ist eine weitere Eingangsgröße des hier beschriebenen Rege lungskonzeptes, die vom Beobachter 11 bei der Ermittlung der Schätzwerte 21 verarbeitet wird, der in den jeweiligen Spulen 4a, 4b (vgl. Fig. 1) ermittelte Stromfluß I (und zwar als Folge der angelegten Spannung U).

Die im folgenden erläuterte Figurenfolge 3a, 3b, 3c, 3d zeigt die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Regelung während der Fangvorganges des Ankers 4d durch eine der beiden Spulen 4a, 4b bei einem System nach Fig. 1:

Jeweils über der Zeit t ist dabei im oberen Diagramm (Fig. 3a) die an die den Anker einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Spannung U aufgetragen, während im zweiten Diagramm (Fig. 3b) die zugehörige Wegko ordinate z des Ankers 4d (d. h. die Ankerposition z, die Werte zwischen z = 0 und z = z_max annimmt) dargestellt ist. In Fig. 3a sind dabei die einzelnen erfin dungsgemäßen Phasen, nämlich die Fangphase FP, die Bremsphase BP und die nach dem Auftreffen des Ankers auf der Spule folgende Haltephase HP gekennzeichnet.

Was nun den Start der Fangphase FP zum Zeitpunkt t₁ betrifft, zu welchem die den Anker einfangende Spule mit elektrischer Spannung U beaufschlagt wird, so kann dieser Einschaltzeitpunkt t₁ grundsätzlich innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden; es muß hierbei lediglich sichergestellt sein, daß der Anker 4d überhaupt noch eingefangen werden kann. Der Einfach heit halber wird hier vorgeschlagen, daß die Spannung U dann eingeschaltet wird, wenn die Ankerposition z einen bestimmten wählbaren Schwellwert überschreitet. Grundsätzlich kann dieser Schwellwert auch variabel sein, wodurch zusätzliche Randbedingungen wie z. B. unterschiedliche auf das zu bewegende Hubventil 1 einwirkende äußere Kräfte (wie insbesondere Gas kräfte) in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine berück sichtigt werden können.

Erfindungsgemäß und wie in Fig. 3a dargestellt unterteilt der Regler 10 den gesamten Fangvorgang des Ankers 4d in zwei Phasen, nämlich:

- erstens eine Fangphase FP, und
- zweitens eine sich daran anschließende Bremsphase BP.

An die letzgenannte schließt sich (nach dem Auftreffen des Ankers 4d auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b) als drittes die übliche Haltephase HP an, in welcher der Anker 4d, nachdem er sicher auf die jeweilige Elektromagnet- Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist, an dieser gehalten wird. Hierzu wird auf Haltestromregelung umgeschaltet, was wie dargestellt durch eine getaktete Beaufschlagung der jeweiligen Spule 4a, 4b mit der (gleichwertigen) elektri schen Spannung U erfolgt.

Zurückkommend zur erfindungswesentlichen Bremsphase BP wird in dieser nach der bekannten Fangphase FP zum Zeitpunkt t₂ zunächst die Span nungsversorgung der jeweiligen, den Anker 4d einfangende Spule 4a bzw. 4b unterbrochen, wodurch diese Bremsphase BP gestartet wird, in welcher dann die betragsmäßig konstante elektrische Spannung U getaktet und be vorzugt vorzeichenvariabel an die betreffende Spule 4a, 4b angelegt (und somit ein Stromfluß I initiiert) wird. Die jeweiligen Zeitpunkte für das Ab schalten und Zuschalten der betragsmäßig konstanten Spannung U (d. h. das sog. Spannungs-Taktverhältnis) sowie hier zusätzlich das Vorzeichen der Spannung U (d. h. die Auswahl zwischen einem negativen oder einem positiven Spannungswert) werden dabei vom Regler 10 bestimmt.

Die Funktion des Reglers 10 läßt sich nun wie folgt beschreiben:
Zur Erzielung einer gewünschten Reduktion seiner Auftreffgeschwindigkeit auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b muß der Anker 4d (vgl. Fig. 1) bereits in seiner Flugphase, d. h. vor dem eigentlichen Auftreffen, geregelt abgebremst werden, und zwar in der sog. Bremsphase BP. Aller dings sollte diese Bremsphase BP die Öffnungs- und Schließzeit des vom Aktuator 4 betätigen Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 nicht mehr als nötig verlängern.

Für den Entwurf eines diesen Anforderungen gerecht werdenden Reglers 10 sind nun geeignete Zustandsgrößen für die Ankerbewegung auszuwählen. Bevorzugt wird hier neben der Ankerposition z und der Anker- Geschwindigkeit , die durch sich grundsätzlich durch zeitliche Differenzie rung der Ankerposition z ermitteln läßt, die Ankerbeschleunigung als dritte Zustandsgröße gewählt, da sie als direkte Ableitung der Ankergeschwindig keit ebenfalls eine leicht interpretierbare Größe darstellt. Prinzipiell kann die Regelung aber auch mit anderen Zustandsgrößen aufgebaut werden.

Während der Bremsphase BP kann nun der Regler 10 zur Ausführung seiner gewünschten Funktion, nämlich den Anker 4d möglichst weich und ruckfrei auf der jeweiligen ihn einfangenden Elektromagnet-Spule 4a, 4b aufsetzen zu lassen, auf eine sogenannte Solltrajektorie 20 zurückgreifen, welche in Ab hängigkeit von der Zeit t miteinander korrelierende Werte für die Position z, die Geschwindigkeit , sowie die Beschleunigung des Ankers 4d enthält. Bei dieser Solltrajektorie 20 handelt es sich somit um nichts anderes als um eine Wertetabelle von Soll-Werten, die in Fig. 2 vereinfacht dargestellt ist.

Falls nun bei Betrieb des elektromagnetischen Aktuators 4 die tatsächlichen Ist-Werte für die Position z, die Geschwindigkeit z, sowie die Beschleuni gung z des Ankers 4d zu stark von den Soll-Werten abweichen, so korrigiert dies der Regler 10 durch geeignetes Zu- oder Abschalten der Spannung U (inklusive einer ggf. erforderlichen Variation von deren Vorzeichen). Die de taillierte Auslegung des Reglers 10 kann dabei durch verschiedene Verfah ren der linearen und nichtlinearen Regelungstheorie erfolgen und soll hier nicht näher behandelt werden.

Was nun die Ermittlung dieser Wertetabelle bzw. der Solltrajektorie 20 be trifft, so wird vorgeschlagen, diese unter anderem aus der Randbedingung, daß die Beschleunigung des Ankers 4d zum Zeitpunkt des Auftreffens auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b den Wert "Null" haben soll, zu berechnen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß der Anker 4d ruckfrei auf die Spule 4a bzw. 4b auftrifft. Weitere Randbedingen sind selbstverständlich die definierte Position des Ankers 4d beim Auftreffen (nämlich z = z_max), sowie der dann geltende Wert der Anker-Geschwindigkeit = 0 (Null).

Für die weiteren Erläuterungen wird nun auf Fig. 3b, 3c, 3d verwiesen. Hier sind abermals über der Zeit t die Position z (Fig. 3b), die (gewünschte) Anker-Geschwindigkeit (Fig. 3c), sowie die (gewünschte) Anker-Beschleu nigung (Fig. 3d) jeweils in der Endphase der Ankerbewegung, d. h. vor dem Auftreffens des Ankers 4d auf der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b auf getragen. Dargestellt ist dabei im wesentlichen der Zeitraum zwischen t₂ (dies ist der Endpunkt der Fangphase FP, zu welchem die Konstant- Spannung abgeschaltet und der eigentliche Regelvorgang gestartet wird) und dem Aufsetzzeitpunkt t₄, d. h. dargestellt ist im wesentlichen die Brems phase BP.

Linksseitig von t₂ liegt somit die Fangphase FP, in welcher sich der Anker 4d auf die ihn einfangende Spule zubewegt, wobei - wie ersichtlich - die Be schleunigung in dieser Fangphase FP nicht nur abnimmt, sondern sogar bereits negative Werte annimmt, da mit dieser Annäherungsbewegung bspw. an die Spule 4a die zugehörige Rückstellfeder 2b (vgl. Fig. 1) gespannt wird, d. h. der Anker 4d wird in seiner Fluggeschwindigkeit z durch diese Rückstellfeder 2b bereits abgebremst.

Zum Zeitpunkt t₂ setzt nun der eigentliche Regelungsvorgang ein, d. h. die Bremsphase BP wird gestartet. Diese Bremsphase BP soll nun durch den Regler 10 in idealer Weise derart gestalten werden, daß ein sanftes Aufset zen des Ankers 4d auf der Spule 4a (bzw. 4b) erfolgt, d. h. im Aufsetzzeit punkt t₄ muß die Beschleunigung z wieder vom Wert ,,Null" sein.

Wie das -t-Diagramm von Fig. 3d zeigt, läßt sich dieser ideale und somit gewünschte Beschleunigungsverlauf zwischen einem Zeitpunkt t₃ (dieser liegt später als t₂) und dem Aufsetzzeitpunkt t₄ sehr gut durch eine Gerade und zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ durch eine Parabel annähern. Für t₃ < t₄ gelten daher die folgenden Zusammenhänge:

(t) = j.(t₄-t)
(t) = j/2.(t₄-t)²
z(t) = j/6.(t₄-t)³+z_e

Die Formeln für (t) und für z(t) ergeben sich dabei aus einer zeitlichen Inte gration der Beschleunigung (t) unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen, wobei "j" eine Konstante ist.

Weiterhin werden für t₂ < t < t₃ die folgenden Zusammenhänge angesetzt:

(t) = α₀ + α₁.t + α₂.t²
(t) = ₀ + α₀.t + α₁/2.t² + α₂/3.t³
z(t) = z₀ + ₀.t + α₀/2.t² + α₁/6.t³ + α₂/12.t⁴

Die Konstanten z₀, ₀, α₀, α₁ und α₂ sind dabei aus den Stetigkeitsbedingun gen für , und z zum Zeitpunkt t₃ zu bestimmen, wobei zwei von diesen Konstanten frei gewählt werden können. Bevorzugt können die Werte für α₀ sowie die Lage des Scheitelpunktes der besagten Parabel (beim Zeitpunkt t_s) innerhalb gewisser Grenzen beliebig gewählt werden.

Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es nicht unbedingt erforder lich ist, die besagte Solltrajektorie so wie hier durch jeweils ein Stück einer Geraden sowie einer Parabel darzustellen. Genausogut können andere ma thematisch-geometrische Funktionen, wie bspw. Polynome, eine Sinusfunk tion oder ähnliches verwendet werden.

Wie sich aus der bisherigen Beschreibung ergibt, benötigt der Regler 10 für die Durchführung seiner Funktion drei Zustandsgrößen und zwar bevorzugt die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleunigung . Grundsätzlich ist es möglich, diese Zustands größen über geeignete Sensoren zu messen. Um jedoch Sensoren einzu sparen oder kostspielige Sensoren durch kostengünstige Sensoren zu erset zen, können zumindest zwei dieser Zustandsgrößen auch durch einen sog. Beobachter 11 rekonstruiert werden, der in Zusammenhang mit Fig. 2 bereits kurz angesprochen wurde.

In diesem Beobachter 11 ist dem Aktuator 4 ein Aktuatormodell parallel ge schaltet, das mit einer für den Aktuator 4 wesentlichen Ist-Größe, nämlich mit der Größe des in der jeweilige Spule 4a, 4b festgestellten Stromflusses I ge speist wird. In diesem Beobachter 11 kann die auf dieser Basis geschätzte Ankerposition mit der tatsächlichen gemessenen und dem Beobachter 11 zusätzlich als Eingangsgröße übermittelten Ankerposition z verglichen wer den, und die Differenz hieraus kann dann über eine Korrekturfunktion auf die Größen bzw. sog. Zustandsgrößen des Aktuatormodells zurückgekoppelt werden. Bei einem Modellfehler oder bei einer fehlerhafter Schätzung der Anfangszustände gleicht der Beobachter 11 aufgrund der darin enthaltenen Korrekturfunktion die geschätzten Werte für (hier) die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleu nigung den tatsächlichen Werten hierfür an. (Dabei sei nochmals darauf hingewiesen, daß abweichend von der vorliegenden Erläuterung alternativ zu den genannten Werten z, , auch andere geeignete Größen bzw. Zu standsgrößen zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes herangezogen werden können.)
Die Auslegung der soeben genannten Korrekturfunktion kann dabei durch verschiedene Verfahren der linearen oder nichtlinearen Regelungstheorie erfolgen und soll hier nicht näher behandelt werden.

Abschließend seien die signifikanten Vorteile des erfindungsgemäßen Ver fahrens, resultierend aus der Verwendung des auf eine Solltrajektorie zu rückgreifenden Reglers 10, zusammengestellt:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht prinzipiell die Darstellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b.

Insbesondere ist es möglich, daß der Anker 4d ruckfrei (d. h. mit einer Be schleunigung z vom Wert "Null" auf die jeweilige Spule auftrifft, so daß die Geräuschbildung durch dieses Auftreffen im Zeitpunkt t₄ minimiert wird. Durch die vorab oder in einer geeigneten Steuerelektronik im Hintergrund berechnete Solltrajektorie wird der Echtzeit-Rechenaufwand während des eigentlichen Regelungsvorganges gering gehalten.

Dabei erlaubt die Berechnung der Solltrajektorie beim genannten bevorzug ten Anwendungsfall eine Adaption während des Betriebs der Brennkraftma schine, und zwar in Abhängigkeit von deren aktuellem Betriebszustand, wie bspw. Drehzahl Lastmoment, Temperatur, Verschleiß und mehr.

Ferner wird das Problem der Messung aller benötigten Größen durch den Einsatz des Beobachters 11 basierend auf den Meßgrößen Ventilhub bzw. Ankerposition z und Spulenstrom I gelöst.

Dabei sei abschließend noch darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel ge staltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Hubventil

2

a Ventilschließfeder = (erste) Rückstellfeder

2

b Ventilöffnungsfeder = (zweite) Rückstellfeder

3

Ventilspielausgleichselement

4

Aktuator

4

a Elektromagnet-Spule = Schließer-Spule

4

b Elektromagnet-Spule = Öffner-Spule

4

c Stößelstange

4

d Anker

10

Regler

11

Beobachter

20

Solltrajektorie

21

Beobachter
BP Bremsphase
FP Fangphase
HP Haltephase
I Stromfluß in

4

a,

4

b
U elektrische Spannung an

4

a,

4

b
t Zeit
t₁

Anfangszeitpunkt der Fangphase FP
t₂

Endzeitpunkt der Fangphase = Anfangszeitpunkt der Bremsphase BP
t₄

Aufsetzzeitpunkt des Ankers auf der Spule
z Position des Ankers

4

d = Wegkoordinate der Anker-Position
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers

4

d
Ankerbeschleunigung

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers (4d) eines elektromagnetischen Aktuators (4), insbesondere zur Betä tigung eines Gaswechsel-Hubventiles (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker (4d) oszillierend zwischen zwei Elektromagnet- Spulen (4a, 4b) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (2a, 2b) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers (4d) an die zunächst bestromte Spule (4a oder 4b) während des so genannten Fangvorganges die an der den Anker (4d) einfangenden Spule (4a, 4b) anliegende elektrische Spannung (U) reduziert wird dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Fangphase (FP) des Fang vorganges eine Bremsphase (BP) anschließt, in welcher bis zum Auf treffen des Ankers (4d) auf die Spule (4a, 4b) an diese getaktet elek trische Spannung (U) angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt- Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler (10) anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie (20) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß getaktet entweder ein betragsmäßig konstanter positiver oder negativer Spannungswert oder der Span nungswert "Null" an die den Anker (4d) einfangende Spule (4a, 4b) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (10) parallel zur Ankerbewe gung ermittelte Schätzwerte (21) für diese mit der Solltrajektorie (20) vergleicht.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltrajektorie (20) über der Zeit Werte für den Hub (z), für die Geschwindigkeit () und für die Be schleunigung () des Ankers (4d) enthält.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltrajektorie (20) unter anderem aus der Randbedingung, daß die Beschleunigung () des Ankers (4d) zum Zeitpunkt des Auftreffens auf der Elektromagnet-Spule (4a, 4b) den Wert "Null" haben soll, berechnet wird.