DE3713562C2 - Verfahren zur Positionsbestimmung von Stellelementen mit induktiven Weggebern - Google Patents

Verfahren zur Positionsbestimmung von Stellelementen mit induktiven Weggebern

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung pneumatisch betätigter Stellelemente, beispielsweise das der DE-A1-31 27 470, mittels eines induktiven Weggebers mit einer Auswertevorrichtung, bei dem
  • a) das Stellelement bei seiner Inbetriebnahme in eine Endposition (h₀) gebracht und der von der Auswertevorrichtung dabei ermittelte elektrische Nullpunkts- Meßwert (U₀) des Weggebers von der Auswertevorrichtung gespeichert wird und
  • b) beim nachfolgenden Betreiben des Stellelementes zur Positionsbestimmung des Weggebers die Differenz zwischen dem elektrischen Ist-Meßwert (UA) und dem elektrischen Nullpunkts-Meßwert (U₀) des Weggebers ermittelt und einer bestimmten Position (h) des Stellelementes zugeordnet wird.
Bei derartigen Verfahren bzw. Stellelement besteht der induktive Weggeber aus einer oder mehreren elektrischen Spulen, in denen ein Anker axial verschiebbar ist und die von einem magnetischen Rückschlußelement umgeben sind. Diese Weggeber dienen der Positionsbestimmung eines Stellgliedes, z. B. eines Unterdruckumsetzers (DE-A1 31 27 470) oder zur Hubmessung an einem pneumatisch betätigten Abgasrückführ­ ventil einer Brennkraftmaschine. Hierzu wird die axiale Öffnungsposition (h) des Ventilkörpers auf elektrischem Wege als analoges Ausgangssignal (UA) am Ausgang einer Auswertevorrichtung bereitgestellt.
Das Verstellen des Ventilkörpers geschieht durch Anlegen eines Differenzdruckes an dem pneumatischen Stellelement. Hierdurch wird eine Membran des Stellelementes gegen eine Federkraft axial verstellt. Die Membrane verstellt dabei den Ventilkörper und verschiebt in ihrer Bewegungsrichtung eine auf den Anker des Weggebers wirkende Schub- und/oder Zugstange.
Durch die axiale Positionsveränderung des Ankers relativ zu der oder den Spulen des Weggebers, ändert sich das Ausgangssignal (UA) der Auswertevorrichtung. Jedem Ausgangssignal ist eine bestimmte Position, insbesondere Öffnungsposition des betätigten Elementes, z. B. des Abgasrückführventiles, zugeordnet.
Durch Bauteiltoleranzen kann es auch in einer Endposition (h₀) der betätigten Vor­ richtung, wie des Abgasrückführventils, vorkommen, daß die Relativpositionen zwischen dem Anker und der oder den Spule/n für jedes Exemplar anders ausfüllt, wodurch sich verschiedene Nullpunkts-Meßwerte (U₀) ergeben. Entsprechend sind die lst-Meßwerte (UA) bei gleicher Öffnungsposition (h) der betätigten Vorrichtung unterschiedlich.
Dieser Mangel wird bei bekannten Weggebern und Stellelementen, beispielsweise bei dem in der DE-C2-29 45 895 beschriebenen Stellungsgeber für hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder dadurch beseitigt, daß bei Inbetriebnahme des Stell­ gliedes dieses zunächst in eine Endposition (h₀) der zu betätigenden Vorrichtung gefahren und der elektrische Nullpunkts-Meßwert (U₀) für das spezielle Exemplar als Anfangswert der Meßkurve ermittelt wird. Dieser Nullpunkts-Meßwert wird von einem Steuergerät der Auswertevorrichtung oder dgl. gespeichert.
Im Betrieb wird der gespeicherte Nullpunkts-Meßwert (U₀) mit dem jeweiligen Ist- Meßwert (UA) verglichen. Die Differenz zwischen beiden ist dann das Maß für die aktuelle Position (h) der betätigten Vorrichtung bzw. der Wegstrecke zwischen der Position (h) und der Endposition (h₀).
Eine exakte Zuordnung zwischen dem Ist-Meßwert (UA) und der Position (h) des Stellelementes bzw. der davon betätigten Vorrichtung erfordert weiterhin, daß die Meßkurven aller Exemplare, also aller Stellelemente, insbesondere aller Weggeber, gleiche Steigungen aufweisen. Zur Lösung dieses Problems war es bisher erforder­ lich, die Weggeber derart präzise zu bauen, daß die Steigungstoleranzen der Meßkur­ ven möglichst eng waren. Dies konnte durch relativ lange Spulen, präzise Abmessun­ gen von Kern und Spule sowie eng spezifizierte magnetische Eigenschaften des Ankermaterials erreicht werden. Entsprechend hoch war der Fertigungsaufwand. Insbesondere ist die Herstellung la­ gengewickelter Spulen mit dünnen Wickeldrähten schwierig.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die Verwendung relativ einfach gebauter Stellelemente und ins­ besondere einfach gebauter Weggeber, welche von Hause aus eine entsprechend große Exemplarstreuung aufweisen, zu ermöglichen; gleichwohl soll die damit erzielte Meßgenauigkeit ähnlich gut wie bei den bekannten aufwendigen Stellelementen und induktiven Weggebern sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
  • c) bei der Inbetriebnahme des Stellelementes zunächst das Stellelement oder der Weggeber oder beide justiert wird/werden, indem
  • c₁) das Stellelement in eine vorbestimmte, von der Endposition (h₀) verschiedene Justierpositionen (HM) gebracht wird und
  • c₂) der Weggeber derart hinsichtlich seines Meßweges justiert wird, daß der dabei erhaltene Justier-Meßwert (UAM) eine vorbestimmte Größe einnimmt und
  • d) beim nachfolgenden Betreiben des Stellelementes die Zuord­ nung des Ist-Meßwertes (UA) zu einer bestimmten Position (h) des Stellelementes dadurch erfolgt daß die Differenz zwischen dem elektrischen Ist-Meßwert (UA) und dem elektrischen Nullpunkts-Meßwert (U₀) dividiert wird durch die Differenz zwischen dem Justier-Meßwert (UAM) und dem Nullpunkts-Meßwert (U₀) . Dabei stellt dieser Quotient ein Maß für die Position (h) des Stellelementes dar; er kann mit einem frei wählbaren Maßstabsfaktor multipliziert werden, bevorzugt mit der Wegdifferenz zwischen der Endpo­ sition (h₀) und der Justierposition (HM) die ggf. noch mit einer Konstanten multipliziert wird.
Durch die Erfindung ist es u. a. möglich, relativ kostengünstige und relativ wenig präzise Bauteile zu verwenden, bei denen ins­ besondere die Steilheit der Meßkurve sich in relativ weiten To­ leranzen bewegen kann.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes, die insbesondere ein einfaches Justieren gewährleisten, sind in weiteren Ansprüchen enthalten.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Abgas­ rückführventiles im Axialschnitt
Fig. 2a ein Spannungs-Weg-Diagramm für verschiedene Exemplare der Vorrichtung gemäß Fig. 1, für verschiedene Null­ punkts-Meßwerte vor dem Justiervorgang;
Fig. 2b ein Spannungs-Weg-Diagramm für verschiedene Exemplare der Vorrichtung gemäß Fig. 1, für verschiedene Meß­ kurvensteilheiten vor dem Justiervorgang;
Fig. 2c ein Spannungs-Weg Diagramm für verschiedene Exemplare der Vorrichtung gemäß Fig. 1, für verschiedene Null­ punkts-Meßwerte und verschiedene Meßkurvensteilheiten nach dem Justiervorgang sowie
Fig. 3 ein Spannungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung einer be­ vorzugten Justiermethode.
In Fig. 1 ist im oberen Drittel ein induktiver Weggeber 20 dar­ gestellt, der aus einem Anker 3, Spulen 2 und 4, einem Rück­ schluß 16, einer Druckfeder 1 sowie aus einer nadelförmigen Schubstange 6 zur Verschiebung des Ankers 3 besteht.
Dieser Weggeber dient zur Wegmessung bzw. Positionsbestimmung eines pneumatisch betätigten Stellelementes 30, mit welchem der Ventilkörper 11 eines Abgasrückführventiles 40 einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraftmaschine verstellt wird.
Die jeweilige axiale Öffnungsposition (Position) h des Ventil­ körpers 11 wird durch den Weggeber 20 erfaßt und als analoges Ausgangssignal UA (Ist-Meßwert) am Ausgang der Auswerteschal­ tung bereitgestellt.
Das Öffnen des Abgasrückführventiles 40 geschieht durch Anlegen eines Unterdruckes an einem Druckstutzen 5 des Stellelementes 30. Der Unterdruck wirkt auf eine Membrane 10 des Stellelemen­ tes 30, welche gegen eine Druckfeder 7 arbeitet und den Ventil­ körper 11 des Abgasrückführventiles 40 (nach oben) in Öffnungs­ richtung bewegt. Zu diesem Zweck ist ein Gehäuse 13 des Stell­ elementes 30 mit dem Gehäuse des Abgasrückführventiles 40 starr verbunden. Ebenso ist eine Schubstange 17 einerseits mit dem Ventilkörper 11 und andererseits mit der Membrane 10 druck- und zugfest verbunden.
Eine nadelförmige Schub- und/oder Zugstange 6 ist axial beweg­ lich zwischen dem Anker 3 des Weggebers 20 und der Membran 10 des Stellelementes 30 derart angeordnet, daß der von der Druck­ feder 1 belastete Anker 3 jeder Positionsverstellung der Mem­ bran 10 des Stellelementes 30 unmittelbar folgt. Die Schub­ und/oder Zugstange 6 liegt unter der Wirkung der Druckfeder 1 permanent an einer Anlagefläche 8 der Membran 10 an. Das Stell­ element 30 und der Weggeber 20 sind ebenfalls starr miteinander verbunden.
Eine axiale Bewegung des Ventilkörpers 11 bewirkt eine relative Bewegung des Ankers 3 zu den feststehenden Spulen 2 und 4. Durch diese Relativverschiebung erhält man am Ausgang einer dem Weggeber 20 nachgeschalteten Auswerteschaltung 14 ein von der Öffnungsposition h des Ventilkörpers 11 abhängiges Signal (Ist-Meßwert) UA.
Typische Meßkurven verschiedener Exemplare des gleichen Vor­ richtungstyps sind in Fig. 2a bis 2c dargestellt. Jede Meßkurve (Kennlinie) gehört zu einem speziellen Exemplar der Vorrich­ tung.
Durch Bauteiltoleranzen kann es bei geschlossenem Abgasrück­ führventil (Hub h = 0 entsprechend h₀) vorkommen, daß die axiale Relativposition zwischen dem Anker 3 und den Spulen 2 und 4 bei verschiedenen Exemplaren unterschiedlich ausfällt. Dies ist in Fig. 2a durch parallel versetzte Kurvenzüge darge­ stellt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß vor Inbe­ triebnahme des Stellelementes 30 der Nullpunkts-Meßwert U₀ je­ des Exemplares der Vorrichtung ermittelt wird. Hierzu wird zu­ nächst das Stellelement 30 über den Druckstutzen 5 aufgrund ei­ nes entsprechenden Befehles eines Steuergerätes 15 (im einzel­ nen nicht dargestellt) beidseitig der Membrane 10 mit Umge­ bungsdruck beaufschlagt. Hierdurch schließt die Druckfeder 7 das Abgasrückführventil 40, indem der Ventilkörper 11 auf sei­ nen Ventilsitz 12 gepreßt wird. Der sich infolgedessen am Aus­ gang der Auswerteschaltung 14 einstellende Nullpunkts-Meßwert U₀ wird im Steuergerät 15 automatisch gespeichert und im nach­ folgenden Betrieb unter Differenzenbildung mit dem jeweiligen Ist-Meßwert UA verglichen. Diese Vorgehensweise ist an sich bekannt.
Fig. 2b zeigt, wie bei drei verschiedenen Exemplaren desselben Vorrichtungstyps Kennlinien verschiedener Steilheit für ein und dieselbe Öffnungsposition h verschiedene Ausgangssignale UA1 bis UA3 liefern und daher unterschiedliche Öffnungspositionen vortäuschen, wenn die Kennliniensteilheit der betreffenden Weg­ geber 20 relativ weite Toleranzen aufweist. Dieses Problem wird durch den nachfolgend beschriebenen Justiervorgang beseitigt:
Bei Inbetriebnahme des Stellelementes 30 wird dieses zunächst starr fixiert, z. B. am Einrollrand 9 für die Membrane 10 befe­ stigt. Nun wird der Ventilkörper 11 in eine definierte Justier­ position HM = definierter Hub, z. B. durch Anheben von unten her, verschoben. Bevorzugt befindet sich die Justierposition HM in der Mitte zwischen der maximalen Öffnungsstellung H max. und der Schließstellung h₀ (Endposition); hierdurch wird die rela­ tiv größte Meßgenauigkeit gewährleistet.
Nachfolgend wird die Relativposition zwischen dem Anker 3 und den Spulen 2 und 4 so justiert, daß ein vorbestimmter Justier-Meßwert UAM am Ausgang des Weggebers 20 erhalten wird. Dieser Justier-Meßwert ist bevorzugt gleich dem elektrischen Mittenwert des Weggebers, der in der Mitte zwischen dem maxima­ len und minimalen Ausgangssignal des Weggebers 20 liegt und sich bevorzugt im Wendepunkt der Kennlinie befindet. Diese Wahl des Justier-Meßwertes wird bei symmetrischem Aufbau des Wegge­ bers 20 bevorzugt; dabei reicht der Anker 3 in beide Spulen 2 und 4 gleichweit hinein.
Besonders einfach ist der Justiervorgang, wenn das Gehäuse 13 des Stellelementes in seinem Deckelbereich E durch Drücken oder Ziehen axial verformt wird, während das Stellelement 30 an sei­ nem Einrollrand 9 festgelegt ist. Auf diese Weise werden die axialen Längentoleranzen der Einzelteile ausgeglichen und der Justier-Meßwert UAM auf die mechanisch definierte Öffnungsposi­ tion h = HM (Justierposition) justiert.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie in vorteilhafter Weise der Jus­ stier-Meßwert UAM als elektrischer Mittelwert des Weggebers für alle Exemplare desselben Vorrichtungstyps für die Justierung be­ stimmt wird. Durch Vertauschen der elektrischen Kontakte des Weggebers, also der Kontakte A und C nimmt die Weggeber-Kennli­ nie einen spiegelbildlichen Verlauf - in Fig. 3 gestrichelt dargestellt und mit UA′ bezeichnet -. Der Schnittpunkt der spiegelbildlichen mit der üblichen Kennlinie liegt in der elek­ trischen Mitte des Weggebers, welche im Falle einer Refe­ renzspannung URef für das Mittensignal (Justier-Meßwert UAM) gleich 0,5 URef ist. Die Justierung, d. h. im Falle der Fig. 1 die dauerhafte Verformung des Gehäuses 13 des Stellelementes 30, wird solange bei konstant geöffnetem Abgasrückführventil 40 (Ventilkörper 11 in der fixierten Position HM) vorgenommen bis sich das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 14 beim Ver­ tauschen der Kontakte A und C nicht mehr ändert; dann ist der Justier-Meßwert UAM erreicht, der für alle Exemplare dieses Vorrichtungstyps identisch ist. Hierzu sind externe bzw. abso­ lut genau anzeigende Spannungsmesser nicht erforderlich. Auf diese Weise schneiden sich die Kennlinien aller Exemplare eines Vorrichtungstyps in demselben Punkt UAM, HM.
Durch die Erfindung wird es also möglich die Erfassung eines einzigen Meßwertes, nämlich des Nullpunkts-Meßwertes U₀, sowohl den Nullpunkt als auch die Steilheit der Kennlinie jedes ein­ zelnen Weggebers zu erfassen. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren wird also kein weiterer Speicherplatz und auch keine weitere absolute Meßwerterfassung bei Inbetriebnahme der Vor­ richtung erforderlich.
In vorteilhafter Weise wird im Steuergerät 15 mit einer Start­ routine der Nullpunkts-Meßwert U₀₁, als Anfangswert des ent­ sprechenden Weggeberexemplares nach dessen erfolgter Justierung ermittelt und gespeichert. Zusätzlich kann die Differenz zwi­ schen dem Justier-Meßwert UAM und dem Nullpunkts-Meßwert U₀₁ als Exemplarkonstante gespeichert werden. Zur Positionsbestim­ mung wird von dem Steuergerät 15 aus den elektrischen Ist-Meß­ werten UA der Hub h wie folgt berechnet:
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise werden mit einfach­ sten Mitteln und Arbeitsmethoden äußerst genaue Meßergebnisse erzielt, obwohl die einzelnen Bauteile eine vergleichsweise große Exemplarstreuung aufweisen.
Anstelle der im Ausführungsbeispiel erläuterten Vorrichtung, bestehend aus einem linearen Weggeber 20, einem pneumatischen Stellelement 30 und Abgasrückführventil 40 können auch andere Weggeber oder Ventile, bzw. statt Ventilen auch andere durch ein Stellelement zu stellende Bauteile in erfindungsgemäßer Weise justiert und betrieben werden; es können auch in anderer Weise als pneumatisch betätigte Stellelemente verwendet werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch die Exemplar­ streuung des Verstärkungsfaktors der Auswerteschaltung mit kom­ pensiert. Im übrigen sind die Auswerteschaltung und der induktive Weggeber einzeln austauschbar, ohne daß durch die Ex­ emplarstreuungen dieser Teile die Genauigkeit des Meßergebnis­ ses leidet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung pneumatisch betätigter Stellelemente mittels eines induktiven Weggebers mit einer Auswertevorrichtung bei dem
  • a) das Stellelement bei seiner Inbetriebnahme in eine End­ position (h₀) gebracht und der von der Auswertevorrich­ tung dabei ermittelte elektrische Nullpunkts-Meßwert (U₀) des Weggebers von der Auswertevorrichtung gespeichert wird und
  • b) beim nachfolgenden Betreiben des Stellelementes zur Posi­ tionsbestimmung des Weggebers die Differenz zwischen dem elektrischen Ist-Meßwert (UA) und dem elektrischen Null­ punkts-Meßwert (U₀) des Weggebers ermittelt und einer be­ stimmten Position (h) des Stellelementes zugeordnet wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • c) bei der Inbetriebnahme des Stellelementes zunächst das Stellelement oder der Weggeber oder beide justiert wird/werden, indem
  • c₁) das Stellelement in eine vorbestimmte, von der Endposi­ tion (h₀) verschiedene Justier-Position (HM) gebracht wird und
  • c₂) der Weggeber derart hinsichtlich seines Meßweges justiert wird, daß der dabei erhaltene Justier-Meßwert (UAM) eine vorbestimmte Größe einnimmt und
  • d) beim nachfolgenden Betreiben des Stellelementes die Zu­ ordnung des Ist-Meßwertes (UA) zu einer bestimmten Position (h) des Stellelementes dadurch erfolgt, daß die Differenz zwischen dem elektrischen Ist-Meßwert (UA) und dem elektrischen Nullpunkts-Meßwert (U₀) dividiert wird durch die Differenz zwischen dem Justier-Meßwert (UAM) und dem Nullpunkts-Meßwert (U₀).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Justier-Meßwert (UAM) gleich dem elektrischen Mitten-Wert des Weggebers ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Mitten-Wert (UAM) durch Vertauschen der elektri­ schen Kontakte des Weggebers ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Justier-Position (HM) in der Mitte zwischen Endpositionen des Stellelementes befindet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Gehäusedeckel des Stellelementes so weit verformt wird, bis der Justier-Meßwert (UAM) erreicht ist.
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