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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von elektromagnetischen
Betätigungseinrichtungen
für die
Betätigung
von Einlass- und
Auslassventilen bei Verbrennungsmotoren.
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Bekanntlich
werden gegenwärtig
Antriebseinheiten getestet, bei denen die Betätigung der Einlass- und Auslassventile
unter Verwendung von Betätigungseinrichtungen
elektromagnetischer Art gehandhabt wird, die rein mechanische Verteilungssysteme
(Nockenwellen) ersetzen. Während
herkömmliche
Verteilungssysteme es notwendig machen, ein Ventilhubprofil zu definieren,
das einen akzeptablen Kompromiss zwischen allen möglichen
Betriebszuständen
des Motors darstellt, macht die Verwendung eines elektromagnetisch
gesteuerten Verteilungssystems es möglich, die Phaseneinstellung
als eine Funktion des Motorpunkts zu verändern, um eine optimale Leistung
in jedem Betriebszustand zu erhalten.
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Die
Erhöhung
des Wirkungsgrades und die tatsächlichen
Einsparungen, die sich aus der Verwendung von Betätigungseinrichtungen
elektromagnetischer Art ergeben, sind eng mit den Systemen und Verfahren verbunden,
die zur Steuerung dieser Betätigungseinrichtungen
verwendet werden.
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Entsprechend
den bekannten Verfahren, die auf beispielsweise Steuersystemen mit
offener Schleife beruhen, werden, wenn jedes Ventil geöffnet oder
geschlossen wird, die entsprechenden Betätigungseinrichtungen mit Strömen und/oder
Spannungen einer solchen Größe versorgt
um sicher zu stellen, dass das Ventil unabhängig von dem diesem entgegen
wirkenden Widerstand die gewünschte
Stellung innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erreicht.
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Diese
Verfahren besitzen einige Nachteile.
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Erstens
sind die Ventile jedes Mal Stößen ausgesetzt,
wenn sie mit feststehenden Elementen in der Stellung der maximalen Öffnung (untere
Berührung)
oder in der Schließstellung
(obere Berührung)
in Berührung
kommen. Dies ist besonders kritisch, da die Ventile einer extrem
großen
Anzahl von Öffnungs-
und Schließzyklen
ausgesetzt sind und daher sehr schnell verschleißen.
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Die
Tatsache, dass die zugeführte
elektrische Energie stets ausreichen muss, den maximalen Widerstand,
auf den das Ventil treffen kann, zu überwinden, sogar obwohl die
Betriebszustände
solche sind, dass der dem Ventil entgegen wirkende tatsächliche
Widerstand geringer ist, ist ebenfalls ein Nachteil. Auf diese Weise
ist der Gesamtwirkungsgrad der Antriebseinheit als Folge der Verschwendung
von elektrischer Energie herabgesetzt.
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Es
ist auch von besonderer Bedeutung, dass eine robuste Steuerung implementiert
ist, um es möglich zu
machen, dass die Einlass- und die Auslassventile entsprechend den
gewünschten
Bewegungs- und Taktungsprofilen betätigt werden, dies unabhängig von
Störungen,
die stattfinden und bewirken, dass die tatsächlichen Betriebszustände von
den nominellen Zuständen
abweichen. Das Auftreten eines großen Bereichs von Phänomenen
kann die tatsächlichen
Betriebszustände
extrem variabel machen.
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Beispielsweise
bewirken Motortemperaturänderungen
Ausdehnungen und Zusammenziehungen von Materialien, als deren Folge
sich die Reibung, auf die die Ventile treffen, ändern kann. Da die Kraft, die
an den ferromagnetischen Elementen zur Einwirkung kommt, an denen
die Elektromagnete wirken, in stark nicht-linearer Weise von dem
Abstand zwischen diesen ferromagnetischen Elementen und den Polköpfen abhängt, ist weiter
ersichtlich, dass die Volumenänderungen,
die durch Wärmegradienten
verursacht werden, eine nachteilige Wirkung auf die Steuerung haben.
Weitere Störungen
sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass
der Widerstand, auf den die Ventile treffen, auch von dem Druck
in der Verbrennungskammer abhängt,
der in Abhängigkeit
beispielsweise von dem Drehmoment und der benötigten Energie des Verbrauchers
und von den implementierten Motorsteuerungsstrategien variiert.
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Die
DE-A-197 39 840 offenbart ein Verfahren zur Steuerung von elektromagnetischen
Betätigungseinrichtungen
für die
Betätigung
von Einlass- und Auslassventilen bei Verbrennungsmotoren wie im
Oberbegriff von Anspruch 1 definiert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Steuerung von elektromagnetischen Betätigungseinrichtungen zur Verfügung zu
stellen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist und
insbesondere eine herabgesetzte Empfindlichkeit gegenüber Störungen aufweist,
was es möglich macht,
den Gesamtwirkungsgrad der Antriebseinheit zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Steuerung
elektromagnetischer Betätigungsvorrichtungen
für die
Betätigung
von Einlass- und Auslassventilen bei Verbrennungsmotoren, bei denen eine
Betätigungseinrichtung,
die mit einer Steuereinheit verbunden ist, mit einem jeweiligen
Ventil gekoppelt ist und ein sich bewegendes Element, das magnetisch
durch eine Nettokraft betätigt
wird, um die Bewegung des Ventils zwischen einer Schließstellung
und einer Stellung maximaler Öffnung
zu steuern, und ein elastisches Element umfasst, das dazu bestimmt
ist, das Ventil in einer Ruhestellung zu halten, wobei das Verfahren die
Schritte umfasst:
Feststellen einer Istposition Z und einer
Istgeschwindigkeit V des Ventils;
Bestimmen einer Referenzpositon
ZR und einer Referenzgeschwindigkeit VR dieses Ventils;
Schätzen von
Störkräften, die
an dem Ventil wirken,
dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte
umfasst:
Bestimmen, durch einen Rückkopplungs-Steuerungsvorgang,
einer objektiven Kraftgröße dieser
Nettokraft, die auf das sich bewegende ferromagnetische Element
auszuüben
ist, als Funktion der Referenzposition ZR, der
Istposition Z, der Referenzgeschwindigkeit VR und
der Istgeschwindigkeit V, um die Unterschiede zwischen der Istposition
Z und der Referenzpositon ZR und zwischen
der Istgeschwindigkeit V und der Referenzgeschwindigkeit VR zu minimieren;
Berechnen einer Istkraft
als Funktion der objektiven Kraftgröße und dieser Störkräfte;
Implementieren
dieser aktuellen Kraftgröße FE.
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Die
Erfindung wird detaillierter nachfolgend unter Bezugnahme auf eine
nicht einschränkend
zu verstehende Ausführungsform
derselben, die ausschließlich
als nicht einschränkend
zu verstehendes Beispiel angegeben ist, und unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
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1 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer ersten Art eines Einlass-
oder Auslassventils und der entsprechenden elektromagnetischen Betätigungseinrichtung;
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2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild für
das Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
detailliertes Blockschaltbild eines Details des Blockschaltbilds
von 2;
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4 ein
erstes Fließdiagramm
des vorliegenden Verfahrens;
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5 ein
vereinfachtes Blockschaltbild eines auf einer Rückkopplung basierenden dynamischen
Systems, bei dem die vorliegende Erfindung implementiert ist;
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6 ein
zweites Fließdiagrammn
des vorliegenden Verfahrens;
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7 ein
Diagramm für
die entsprechend dem vorliegenden Verfahren berechneten Stromgrößen;
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8 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer zweiten Art eines Einlass-
oder Auslassventils und der entsprechenden elektromagnetischen Betätigungseinrichtung.
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In 1 ist
eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 1,
die durch ein Steuersystem der vorliegenden Erfindung gesteuert
ist, mit einem Einlass- oder Auslassventil 2 eines Verbrennungsmotors
gekoppelt und umfasst einen sich hin und her bewegenden Arm 3 aus
ferromagnetischem Material mit einem ersten Ende, das an einer feststehenden
Stütze 4 gelenkig
angebracht ist, um sich um eine horizontale Drehachse A rechtwinklig
zu einer Längsachse
B des Ventils 2 hin und her bewegen zu können, und
mit einem zweiten Ende, das über
ein Gelenk 5 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden
ist, einen Elektromagnet 6a zum Öffnen und einen Elektromagnet 6b zum
Schließen,
die an gegenüberliegenden
Seiten des Körpers
des sich hin und her bewegenden Arms 3 angeordnet sind,
um auf Befehl, gleichzeitig oder alternativ, durch Ausüben einer
Nettokraft F wirken zu können,
indem eine an dem sich hin und her bewegenden Arm 3 ausgeübt wird, um
zu bewirken, dass er sich um die Drehachse A dreht, und ein elastisches
Element 7, das dazu bestimmt ist, den sich hin und her
bewegenden Arm 3 in einer Ruhestellung zu halten, in der
er von den Polköpfen
der Elektromagneten zum Öffnen
und Schließen 6a und 6b gleich
beabstandet ist, um das Ventil 2 in einer Zwischenstellung
zwischen der Schließstellung
(obere Berührung,
ZSUP) und der Stellung maximaler Öffnung (untere
Berührung,
ZINF) zu halten, die das Ventil 2 einnimmt,
wenn der sich hin und her bewegende Arm 3 mit dem Polkopf
des Elektromagneten zum Öffnen 6a bzw.
mit dem Polkopf des Elektromagneten zum Schließen 6b in Berührung angeordnet
ist.
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Der
Einfachheit halber wird in der nachfolgenden Beschreibung Bezug
genommen auf eine einzelne Ventil-Betätigungseinrichtungseinheit,
und werden weiter die Elektromagneten zum Öffnen und Schließen 6a und 6b als
oberer bzw. unterer Elektromagnet bezeichnet. Es ist offensichtlich
ersichtlich, dass das beschriebene Verfahren für die gleichzeitige Steuerung
der Bewegung aller Einlass- und Auslassventile einer Antriebseinheit
verwendet wird.
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Es
wird stets Bezug genommen auf die Stellung des Ventil 2 in
einer Richtung parallel zur Längsachse B
mit Bezug auf die Ruhestellung, die als Ausgangsstellung genommen
wird; der Öffnungshub
ist als eine Bewegung des Ventils 2 aus der Schließstellung
zu der Stellung maximaler Öffnung
zu verstehen, während der Schließhub als
ein vollständiger
Hub in der entgegengesetzten Richtung zu verstehen ist.
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Alle
Kräfte,
die nachstehend erörtert
werden, werden ferner als positiv in Betracht gezogen, wenn sie in
einer solchen Weise wirken, dass sie das Ventil 2 schließen, und
als negativ in Betracht gezogen, wenn sie dazu neigen, es zu öffnen.
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Wie
in 2 dargestellt ist, umfasst eine Steuereinheit 10 einen
Referenzerzeugungsblock 11, einen Kraftsteuerungsblock 12,
einen Umwandlungsblock 13 und einen Schätzungsblock 14 ist
mit einer Führungs- und
Messschaltung 15 verbunden.
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Der
Referenzerzeugungsblock 11 empfängt als Eingang ein objektives
Stellungssignal ZT, das in einer bekannter
Weise durch die Steuereinheit erzeugt wird, und eine Vielzahl von
Parametern, die Motorbetriebszustände (beispielsweise die Last
L und die Drehzahl UpM) angeben.
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Der
Referenzerzeugungsblock 11 liefert auch als Ausgang ein
Referenzpositionsprofil ZR und ein Referenzgeschwindigkeitsprofil
VR und liefert diese als Eingang an den
Kraftsteuerungsblock 12, der auch eine Messung der Istposition
Z empfängt,
die durch die Führungs-
und Messschaltung 15 geliefert wird, und eine Schätzung der
Istgeschwindigkeit V des Ventils 2, die, wie unten im Detail
beschrieben wird, durch den Beobachtungsblock 14 durchgeführt wird.
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Der
Kraftsteuerungsblock 12 berechnet und liefert als Ausgang
eine objektive Kraftgröße Fo, die die Nettokraft F angibt, die auf den
sich hin und her bewegenden Arm 3 durch die Elektromagnete 6a und 6b zur Einwirkung
zu bringen ist, um die Abweichungen der Istposition Z und der Istgeschwindigkeit
V von dem Referenzpositionsprofil ZR bzw.
dem Referenzgeschwindigkeitsprofil VR zu
minimieren.
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Die
objektive Kraftgröße Fo wird als Eingang an den Umwandlungsblock 13 geliefert,
der auch eine obere und eine untere Sollkraftgröße FSUP und
FINF, die auf den sich den hin und her bewegenden
Arm 3 durch den oberen bzw. den unteren Elektromagnet 6a und 6b unter
Sollbedingungen zur Einwirkung zu bringen ist, und eine Schätzung der
Störkräfte ΔF empfängt. Die
Werte der oberen und der unteren Sollkraftgröße FSUP und
FINF und die Schätzung der Störkräfte ΔF werden
durch den Beobachtungsblock 14 geliefert, wie unten im Detail
beschrieben wird.
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Der
Umwandlungsblock 13 liefert als Ausgang ein Paar oberer
und unterer objektiver Stromgrößen IOSUP und IOINF, die
an dem oberen Elektromagnet 6a bzw. dem unteren Elektromagnet 6b zur
Einwirkung gebracht werden müssen,
um die objektive Kraftgröße Fo zu erzeugen.
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Die
Führungs-
und Messschaltung 15 bekannter Art empfängt als Eingang die objektiven
Stromgrößen IOSUP und IOINF und
bewirkt, dass der entsprechende obere Elektromagnet 6a und
der entsprechende untere Elektromagnet 6b mit den zugehörigen Istströmen ISUP und IINF versorgt
werden.
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Sie
ist weiter mit einem Stellungssensor 16 bekannter Art verbunden,
der dazu dient, die Stellung des Ventils 2 oder in äquivalenter
Weise des sich hin und her bewegenden Arms 3 festzustellen.
Der Stellungssensor 16 liefert ein Signal VZ,
das die Istposition Z des Ventils 2 angibt, an die Führungs-
und Messschaltung 15, die ihrerseits die Messung der Istposition
Z und der jeweiligen gemessenen Stromgrößen IMSUP und
IMINF der Istströme ISUP und
IINF an die Steuereinheit 10 und
insbesondere den Beobachtungsblock 14 liefert.
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Der
Schätzungsblock 14 berechnet
und liefert auf der Grundlage der Messungen der Istposition Z und der
gemessenen Stromgrößen IMSUP und IMINF und
entsprechend den unten im Detail beschriebenen Verfahren als Ausgang
eine Schätzung
der Istgeschwindigkeit V, die dem Kraftsteuerungsblock 12 zugeführt wird,
eine Schätzung
der Störkräfte ΔF und die
Größen der
Sollkräfte
FSUP und FINF, die
an dem sich hin und her bewegenden Arm 3 durch den oberen
Elektromagnet 6a bzw. den unteren Elektromagnet 6b ausgeübt werden.
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Weiter
ins Detail gehend umfasst der Schätzungsblock 14, wie
in 3 dargestellt ist, einen Berechnungsblock 20,
der als Eingang die Messungen der Iststellung Z und die gemessenen
Stromgrößen IMSUP und IMINF empfängt und
als Ausgang die Größen der
Sollkräfte
FSUP und FINF liefert,
die Ausgänge
von dem Schätzungsblock 14 darstellen.
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Die
Messung der Istposition Z wird auch als Eingang an einen Initialisierungsblock. 21 geliefert,
die als Ausgang ein Initialisierungssignal RS, des Logiktyps, und
einen Initialisierungsvektor X1 liefert,
dessen Struktur unten erläutert
wird.
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Ein
Beobachtungsblock 22 empfängt als Eingang die Messung
der Istposition Z, die Größen der
Sollkräfte
FSUP und FINF und
den Initialisierungsvektor X1. Eine Schätzung des
Zustandsvektors X'(t),
der einen Ausgang des Beobachtungsblocks 22 darstellt,
wird auf der Grundlage dieser Eingänge berechnet.
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Der
Schätzungsblock 14 umfasst
ferner einen Wählblock 23,
der durch den Initialisierungsblock 21 mittels des Initialisierungssignals
RS gesteuert wird. Insbesondere dient der Wählblock 23 dazu, einen
Eingang eines Extrahierungblocks 24 alternativ mit dessen
Ausgang des Initialisierungblocks 21, wenn das Initialisierungssignal
einen ersten Logikwert ("RICHTIG") annimmt, oder mit
dem Ausgang des Beobachtungsblocks 22, wenn das Initialisierungssignal
RS einen zweiten Logikwert ("FALSCH") annimmt, zu verbinden.
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Der
Extrahierungblock 24 erhält von dem Initialisierungsvektor
X1 oder von der Schätzung des Zustandsvektors X'(t), in Abhängigkeit
von der durch das Initialisierungssignal RS angenommenen Größe, Schätzungen
der Istgeschwindigkeit V und der Störkräfte ΔF und liefert diese als Ausgänge des
Schätzungsblocks 14.
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Während des
Betriebs des Motors bestimmt die Steuereinheit 10 unter
Verwendung bekannter Strategien die Augenblicke des Öffnens und
Schließens
des Ventils 2. Gleichzeitig stellt sie das objektive Stellungssignal
ZT auf einen Wert ein, der für die Stellung,
die das Ventil 2 einnehmen soll, repräsentativ ist. Dem objektive
Stellungssignal ZT wird insbesondere eine
obere Größe ZSUP, die der oberen Berührung entspricht, oder eine
untere Größe ZINF, die der unteren Berührung entspricht, in Abhängigkeit
davon zugewiesen, ob die Steuereinheit 10 einen Befehl
zum Öffnen
oder Schließen
des Ventils 2 geliefert hat.
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Auf
der Grundlage der Größen des
objektiven Stellungssignals ZT, der Last
L und der Drehzahl UpM bestimmt der Referenzerzeugungsblock 11 das
Referenzstellungsprofil ZR und das Geschwindigkeitsreferenzprofil
VR, die die Stellung bzw. die Geschwindigkeit
darstellen, die als eine Funktion der Zeit gewünschtermaßen an dem Ventil 2 während seiner
Verschiebung zwischen der Stellung maximaler Öffnung und der Schließstellung
zur Einwirkung gebracht werden sollen. Diese Profile können beispielsweise
aus dem objektiven Stellungssignal ZT mittels
eines nicht-linearen Filters mit zwei Zuständen berechnet werden, was
in bekannter Weise durch den Referenzerzeugungsblock 11 implementiert
wird, oder aus in der Kalibrierungstufe erstellten Tabellen entnommen
werden.
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Gleichzeitig
liefert der Schätzungsblock 14 die
Größen der
oberen und der unteren Sollkraft FSUP und FINF, der Störkräfte ΔF und der Istgeschwindigkeit
V. Die Störkräfte ΔF stellen
den Unterschied zwischen der objektiven Kraftgröße Fo und
der Nettokraft F dar, die tatsächlich
an dem sich hin und der bewegenden Arm 3 zur Einwirkung
gebracht wird. Dieser Unterschied beruht auf den Veränderungen,
die wie oben erörtert
in Hinblick auf die Sollbetriebsbedingungen stattfinden und einen
Einfluss auf die Bewegung des Ventils 2 haben.
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Im
Einzelnen liefert der Berechnungsblock 20 die Größen der
oberen und der unteren Sollkraft FSUP und
FINF, wie in 3 dargestellt
ist. Unter Bezugnahme der Einfachheit halber ausschließlich auf
den oberen Elektromagnet 6a wird die Größe der oberen Sollkraft FSUP auf der Grundlage der nachfolgend angegebenen Gleichungen
berechnet: FSUP = α(DSUP)ISUP 2 ISUP < ISAT (DSUP) (1) FSUP = α(DSUP)ISAT 2 (DSUP) ISUP ≥ ISAT (DSUP) (2)
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In
den Gleichungen (1) und (2) stellt DSUP den
Abstand zwischen dem Polkopf des oberen Elektromagneten 6a und
dem sich hin und her bewegenden Arm 3 dar, ist α ein Proportionalitätskoeffizient,
und ist ISAT ein Sättigungsstrom. Insbesondere
wenn ein Iststrom ISUP gleich dem Sättigungsstrom
ISAT dem oberen Elektromagnet 6a zugeführt wird,
wird die maximale obere Sollkraft FSUP,
die der obere Elektromagnet 6a an dem sich hin und her
bewegenden Arm 3 ausüben
kann, erreicht. Für
Iststromgrößen ISUP größer als
der Sättigungsstrom
ISAT wird die obere Sollkraft FSUP im
Wesentlichen unverändert
gehalten. Der Proportionalitätskoeffizient α und der
Sättigungsstrom
ISAT hängen
in bekannter Weise von dem Abstand DSUP ab
und können
durch Interpolation aus jeweiligen Tabellen erhalten werden. Die
untere Sollkraft FINF kann in einer vollständig analogen Weise
aus den Gleichungen (1) und (2) erhalten werden, in denen der Iststrom
IINF und ein Abstand DINF zwischen
dem Polkopf des unteren Elektromagneten 6b und dem sich
hin und her bewegenden Arm 3 an Stelle des Iststroms ISUP und des Abstandes DSUP verwendet
werden sollten.
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In
Hinblick auf die Schätzungen
der Istgeschwindigkeit V und der Störkräfte ΔF, die durch den Beobachtungsblock 22 durchgeführt werden,
beruht das Verfahren auf einem zeitdiskreten dynamischen System
S, das durch die nachfolgend angegebenen Matrizengleichungen beschrieben
wird: X(t + 1) =
AX(t) + BU(t) (3) Y(t) = CX(t) (4)in denen
t eine ganze Zahl ist, die einen generischen Stromabtastmoment darstellt,
und t + 1 der unmittelbar darauf folgende Abtastmoment ist.
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Unter
Darstellung der Vektoren X(t + 1) und X(t) und der Matrizen A, B
und C im Detail sind die Gleichungen (3) bzw. (4) äquivalent
zu den Gleichungen:
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Insbesondere
sind in den Gleichungen (3) bis (6) X(t) und X(t + 1) Zustandsvektoren
des dynamischen Systems S in dem Stromabtastmoment t und in dem
nachfolgenden Abtastmoment t + 1; U(t) ist ein Eingang, der für die gesamte
Sollkraft FT repräsentativ ist, die durch die
Summe der oberen und der unteren Sollkraft FSUP und
FINF gegeben ist; Y(t) ist ein Ausgang,
der die Istposition Z darstellt; A ist eine Übergangsmatrix; B ist eine
Eingangsmatrix, und C ist eine Ausgangsmatrix. Weiter sind X1, X2, X3 und
X4 Zustandsvariablen des dynamischen Systems
S, die jeweils der Istposition Z, der Istgeschwindigkeit V, den
Störkräften ΔF und den Änderungen
der Störkräfte ΔF entsprechen,
K ist eine Elastizitätskonstante,
R ist eine Viskositätskonstante,
M ist eine äquivalente
Gesamtmasse, und Δt
ist ein Abtastintervall.
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Wie
durch einen Fachmann erkennbar ist, kann das dynamische System S
als eine Folge der Struktur der Übergangsmatrix
und der Ausgangsmatrix A und C vollständig beobachtet werden, und
ist es daher möglich,
den Zustandsvektor X(t + 1) aus dem Ausgang Y(t) und aus dem Eingang
U(t) mittels eines Beobachters S' zu
schätzen,
wie durch die nachfolgenden Matrizengleichungen beschrieben ist: X'(t + 1) = A'X'(t)
+ B'U'(t) (7) Y'(t) = CX'(t) (8)
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In
den Gleichungen (7) und (8) sind X'(t) und X'(t + 1) Schätzungen der Zustandsvektoren
X(t) in dem Moment t bzw. X(t + 1) in dem nachfolgenden Moment t
+ 1, ist Y'(t) eine
Schätzung
des Ausgangs Y(t), und ist U'(t)
ein Eingangsvektor des Beobachters S'. Insbesondere ist der Eingangsvektor
U'(t) ein Spaltenvektor mit
dem Eingang U(t) als erstem Element und dem Ausgang Y(t) als zweitem
Element. A' ist
des Weiteren eine Übergangsmatrix
des Beobachters S',
die gegeben ist durch die Gleichung: A' =
A + LC (9)in
der L eine Verstärkungsmatrix
(in dem Fall eines Spaltenvektors mit vier Elementen) ist, die durch
gut bekannte Techniken der Polpositionierung erhalten werden kann,
um sicherzustellen, dass der Beobachter S' konvergiert. Die Eingangsmatrix B' des Beobachters
S' besteht aus einem
ersten Block, der durch die Matrix der Eingänge des dynamischen Systems
S gebildet ist, und aus einem zweiten Block, der durch die Verstärkungsmatrix
L gebildet ist, und kann durch die folgende Gleichung dargestellt
werden: B' = [B|L] (10)
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Im
Betrieb fällt
die Schätzung
des Zustandsvektors X'(t),
die durch den Beobachter S' geliefert
wird, mit dem Zustandsvektor X(t), des dynamischen Systems S zusammen,
und stellen folglich die Elemente X'2(t) und X'3(t)
jeweils Schätzungen
der Istgeschwindigkeit V bzw. der Störkräfte ΔF zu der Zeit t dar.
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Des
Weiteren ist, da eine unilaterale Einschränkung eingeführt wird,
wenn sich das Ventil 2 am Ende seines Hubs in der Schließstellung
oder der Position der maximalen Öffnung
befindet, bei diesen Zuständen der
Beobachter S' nicht
in der Lage, korrekte Schätzungen
des Zustandes X(t) des dynamischen Systems S zu liefern. Um die
Kohärenz
des Zustandes X(t) aufrechtzuerhalten und Konvergenzschwankungen
zu vermeiden, die die Wirksamkeit der Steuerung aufs Spiel setzen
würden,
führt der
Initialisierungsblock 21 ein Initialisierungsverfahren
durch, das weiter unten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
wird.
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Im
Einzelnen wird ein Test zur Prüfung,
ob sich das Ventil 2 in einem freien Abschnitt des Hubs
befindet, durchgeführt,
wobei festgestellt wird, ob die Istposition Z strikt zwischen der
oberen Berührung
ZSUP und der unteren Berührung ZINF liegt
(Block 100). Wenn diese Bedingung erfüllt ist (Ausgang JA des Blocks 100), nimmt
das Initialisierungssignal RS den Logikwert FALSCH an (Block 110),
und wird das Verfahren beendet (Block 120). Wenn die Istposition
Z der oberen Berührung
ZSUP oder der unteren Berührung ZINF entspricht (Ausgang NEIN des Blocks 100),
wird das Initialisierungssignal RS auf den Logikwert RICHTIG eingestellt (Block 130),
und wird festgelegt, dass die Schätzung des Zustandsvektors X'(t) des Beobachters
S' gleich einem
Initialisierungsvektor X1 ist (Block 140),
gegeben durch den Ausdruck:
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Das
Verfahren wird dann beendet (Block 120).
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Der
Kraftsteuerungsblock 12 verwendet dann das Referenzpositionsprofil
ZR und das Geschwindigkeitsreferenzprofil
VR zusammen mit der Messung der Istposition
Z und der Istgeschwindigkeit V, um die objektive Kraftgröße Fo der Nettokraft F, die an dem sich hin und
her bewegenden Arm 3 zur Einwirkung gebracht werden muss,
mittels der folgenden Gleichung zu bestimmen: Fo =
(N1ZR + N2VR) – (K1Z + K2V) (12)
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In
(12) sind N1, N2,
K1 und K2 Verstärkungen,
die berechnet werden können,
indem gut bekannte robuste Steuerungstechniken auf ein reduziertes
dynamisches System S'', dargestellt bei 30 in 5,
angewendet werden, das die Bewegung des Ventils 2 darstellt
und durch die Matrizengleichungen beschrieben wird:
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Insbesondere
sind in den Gleichungen (13) und (14) X1'' und X2'' Zustandsvariablen des reduzierten dynamischen
Systems S'' berechnet im Moment
t und im nachfolgenden Moment t + 1 und entsprechend der Istposition
Z bzw. der Istgeschwindigkeit V; U''(t)
ist ein Eingang, der die Nettokraft F darstellt, und Y''(t) ist ein Ausgang des reduzierten
dynamischen Systems S'', dargestellt durch die
Istposition Z.
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Der
Kraftsteuerungsblock 12 führt daher, in Hinblick auf
das reduzierte dynamische System S'',
die Funktion einer Rückkopplungssteuereinrichtung
durch, dargestellt bei 31 in 5, die die
Nettokraft F als Steuerungsvariable verwendet um festzulegen, dass
die gesteuerte Variable, d.h. die Istposition Z, einen Verlauf besitzt,
der so nahe wie möglich
bei einem vorbestimmten Verlauf liegt, der durch das Referenzpositionsprofil
ZR gegeben ist.
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Wie
oben angegeben werden die objektive Kraftgröße Fo,
die durch den Kraftsteuerungsblock 12 berechnet worden
ist, und die Größen der
oberen und unteren Sollkräfte
FSUP und FINF durch
den Umwandlungsblock 13 dazu verwendet, entsprechend einem
als "Schalten" bekanntem Steuerverfahren,
das unten unter Bezugnahme auf 6 erläutert wird,
die objektiven Stromgrößen IOSUP und IOINF der
jeweiligen Ströme
ISUP und IINF zu
bestimmen, die zu dem oberen und dem unteren Elektromagnet 6a und 6b geliefert
werden müssen.
Es ist ersichtlich, dass alle in der Beschreibung angegebenen Kräfte als
positiv betrachtet werden, wenn sie in einer solchen Weise wirken,
dass sie das Ventil 2 schließen, und als negativ betrachtet
werden, wenn sie in einer solchen Weise wirken, dass sie es öffnen. Folglich
ist die obere Sollkraft FSUP stets positiv
(oder möglicherweise
Null), ist die untere Istkraft FINF stets
negativ, und können
die Sollkraft F, die objektive Kraft Fo und die
Störkräfte ΔF entweder
positiv oder negativ sein.
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Im
Detail wird zu Beginn des Verfahrens zur Bestimmung der objektiven
Stromgrößen IOSUP und IOINF eine
Istkraftgröße FE, die zugeführt werden muss, um an dem
sich hin und her bewegenden Arm 3 eine Nettokraft F mit
einer Größe gleich
der objektiven Kraftgröße Fo auszuüben,
berechnet. Zu diesem Zweck müssen auch
die Störkräfte ΔF berücksichtigt
werden, indem diese von der objektiven Kraftgröße Fo subtrahiert
werden (Block 200), Die Implementierung der Istkraft FE wird dann gesteuert. Es wird daher ein
Test durchgeführt,
bei dem die Istkraft FE und die obere Sollkraft
FSUP verglichen werden (Block 210).
Wenn die Istkraft FE größer als die obere Sollkraft
FSUP (Ausgang JA des Blocks 210), wird
eine Betätigungsstromgröße ION berechnet (Block 215), und wird
die obere objektive Stromgröße IOSUP auf diese Betätigungsgröße ION eingestellt
(Block 220). Wenn dies nicht zutrifft (Ausgang NEIN des
Blocks 210), wird eine Ausschlussstromgröße IOFF berechnet (Block 225), und wird
die obere objektive Stromgröße IOSUP auf diese Ausschlussgröße IOFF eingestellt (Block 230). Die
Betätigungsgröße ION und die Ausschlussgröße IOFF werden
als Funktion des Abstandes zwischen den Polköpfen der Elektromagnete 6a und 6b und
dem sich hin und her bewegenden Arm 3 berechnet, wie unten
erläutert
wird.
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Dann
wird ein Test durchgeführt
um zu prüfen,
ob die Istkraft FE geringer als die untere
Sollkraft FINF ist (Block 240).
Wenn dies zutrifft (Ausgang JA des Blocks 240), wird eine
Betätigungsstromgröße ION berechnet (Block 245), und wird
die untere objektive Stromgröße IOINF auf diese Betätigungsgröße ION eingestellt (Block 250).
Ansonsten (Ausgang NEIN des Blocks 240) wird eine Ausschlussstromgröße IOFF berechnet (Block 255), und wird
die untere objektive Stromgröße IOINF auf diese Ausschlussgröße IOFF eingestellt (Block 260).
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Das
Verfahren wird dann beendet (Block 270).
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Die
Abhängigkeit
der Betätigungsstromgröße ION und der Ausschlussstromgröße IOFF von dem Abstand zwischen den Polköpfen der
Elektromagnete 6a und 6b und dem sich hin und
her bewegenden Arm 3 wird jetzt wiederum unter Bezugnahme
ausschließlich
auf den oberen Elektromagnet 6a erörtert, ohne in überflüssiges Detail
einzutreten.
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In
dem Diagramm von 7 ist der Abstand DSUP auf
der Abszisse dargestellt, und ist die Kurve der Betätigungsstromgrößen ION mittels einer durchgehenden Linie dargestellt,
während
die Ausschlussstromgrößen IOFF mittels einer gestrichelten Linie dargestellt
sind. Für
geringe Größen des
Abstandes DSUP liegt der Betätigungsstrom
ION nahe bei dem Sättigungsstrom ISAT;
wenn sich der Abstand DSUP vergrößert, bewegt
sich der Betätigungsstrom
ION zunächst
von dem Sättigungsstrom
ISAT weg, nimmt dann ab, bis er jenseits
des Abstandes DMAX im Wesentlichen Null
wird. Der Ausschlussstrom IOFF ist jedoch
maximal, wenn der Abstand DSUP Null ist,
und nimmt allmählich
ab, bis er ausgeschaltet wird, ohne jemals den Betätigungsstrom
ION zu überschreiten.
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Die
Betätigungs-
und die Ausschlussstromgrößen ION und IOFF können Tabellen
entnommen werden. Insbesondere zum Optimieren dieser Größen ist
es möglich,
separate Tabellen für
jeden der oberen und unteren Elektromagnete 6a und 6b und
weiter für
den Öffnungs-
und den Schließhub
zu verwenden, und zwar in Abhängigkeit
davon, ob die Wirkung dieser Elektromagnete dazu dient, die Bewegung
des Ventils 2 zu begünstigen
oder dieser entgegen zu wirken.
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Es
sollte betont werden, dass sowohl der obere als auch der untere
Elektromagnet 6a und 6b während ein und desselben Schließ- oder Öffnungshubs
des Ventils 2 versorgt werden können, um es möglich zu
machen, dass die Nettokraft F, die an dem sich hin und her bewegenden
Arm 3 ausgeübt
wird, eine Größe besitzt, die
gleich der objektiven Kraftgröße Fo ist. Wenn beispielsweise während eines
Schließhubs,
bei dem sich das Ventil 2 zwischen der Stellung der maximalen Öffnung und
der Schließstellung
bewegt, die Istgeschwindigkeit V des Ventils 2 die Referenzgeschwindigkeit
VR übersteigt,
kann der Kraftsteuerungsblock 12 eine objektive Kraftgröße Fo derart erzeugen, dass eine Bremswirkung
an diesem Ventil 2 ausgeübt wird. Diese Bremswirkung
wird somit durch Deaktivieren des oberen Elektromagneten 6a und
Versorgen des unteren Elektromagneten 6b erhalten, während sich
das Ventil 2 noch in Richtung zu der oberen Berührung ZSUP bewegt. Im Gegensatz hierzu wird während eines Öffnungshubs,
bei dem sich das Ventil 2 zwischen der Schließstellung
und der Stellung der maximalen Öffnung
bewegt, der obere Elektromagnet 6a zum Abbremsen des Ventils 2 verwendet,
während
der untere Elektromagnet 6b es möglich macht, das Ventil 2 zu
beschleunigen.
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Die
Schritte der Versorgung und Deaktivierung der Elektromagneten 6a und
6b zum Beschleunigen oder Abbremsen des Ventils 2 wie oben
beschrieben werden in Folge während
jedes Öffnungs-
und Schließhubs
mehrmals wiederholt, vorzugsweise mit einer Frequenz von zwanzig
kHz, um die Abweichungen der Istposition Z und der Istgeschwindigkeit
V des Ventils 2 von dem Referenz positionsprofil ZR bzw. dem Referenzgeschwindigkeitsprofil
VR zu minimieren.
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Das
oben beschriebene Verfahren besitzt die nachfolgend angegebenen
Vorteile.
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Erstens
macht die Verwendung der Schätzung
der Kraftstörungen ΔF es möglich, eine
robuste Steuerung vorzusehen und ihre Empfindlichkeit gegenüber unvorhersehbaren Änderungen
der Betriebszustände, wie
diejenigen, die bereits beschrieben worden sind und durch Wärmegradienten
hervorgerufen werden, gegenüber
unterschiedlichen Druckzuständen
der Gase innerhalb der Verbrennungskammer oder durch Verschleiß verursacht
herabzusetzen. Insbesondere macht die Schätzgröße der Störkräfte ΔF es möglich, die Gesamtwirkung aller
Störkräfte, die
an dem Ventil 2 wirken, einfach zu berücksichtigen. Folglich ist es
möglich
zu bewirken, dass die Ventile dem gewünschten Verlauf der Stellung
und Geschwindigkeit genau folgen, und die Geschwindigkeit in den
Endabschnitten des Hubs abzuschwächen,
so dass die Berührung
zwischen den Ventilen und den feststehenden Elementen sanft stattfindet.
Dies macht es möglich,
eine so genannte "weiche
Berührung" zu erreichen, die
Stöße vermeidet,
die die Standzeit der Ventile erheblich verkürzen würden und die Verwendung von
elektromagnetischen Betätigungssystemen
für in
Massen produzierte Fahrzeuge problematisch machen würden.
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Des
Weiteren wird die Schätzung
der Istgeschwindigkeit V, die ein Schlüsselparameter für die Wirksamkeit
der Steuerung ist, mittels des Beobachters S' durchgeführt. Auf diese Weise ist die
Schätzung
sehr genau, und ist sie gegenüber
Störungen
sehr wenig empfindlich:
Die Verwendung des Steuerungsverfahrens
des "Schaltens" macht es in vorteilhafter
Weise möglich,
die objektiven Ströme
IOSUP und IOINF mit
geringem rechnerischen Eingang wirksam zu bestimmen.
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Weitere
Vorteile beruhen auf der Berechnung der Betätigungs- und Auschlussstromgrößen ION und IOFF entsprechend
den beschriebenen Kurven: Auf diese Weise empfängt der Elektromagnet, der
betätigt
wird, hohe Stromgrößen, wenn
sich der sich hin und her bewegende Arm 3 nahe bei seinem
Polkopf befindet, und folglich gibt es eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.
Des Weiteren werden unter den obigen Bedingungen Ausschlussstromgrößen IOFF zugeführt,
die nicht Null sind. Dies vermeidet eine anfängliche Absorption infolge parasitärer Ströme, und
die Reaktionszeit ist weiter verbessert. Wenn jedoch der Abstand
zwischen dem Polkopf des Elektromagneten und dem sich hin und her
bewegenden Arm 3 groß ist,
würde es
notwendig sein, extrem hohe Stromgrößen zuzuführen, selbst um Kräfte einer
moderaten Größe, die
mit fast keine Einwirkung hat, auszuüben. Betätigungsstromgrößen ION, die niedrig oder Null sind, werden zugeführt, und
der entsprechende Elektromagnet wird weggelassen, was in vorteilhafter
Weise zu einer erheblichen Einsparung führt.
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Es
ist daher ersichtlich, dass das vorgeschlagene Verfahren es in vorteilhafter
Weise möglich
macht, den Stromverbrauch herabzusetzen und die Gesamtleistung der
Antriebseinheit erheblich zu verbessern. Als Folge der niedrigeren
Stromabsorption besteht des Weiteren eine geringe Gefahr einer Beschädigung der Wicklungen
der Elektromagneten als Folge einer Überhitzung.
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Das
vorgeschlagene Verfahren kann des Weiteren auch für die Steuerung
von anderen Ventilbetätigungseinheiten
als denjenigen verwendet werden, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
sind. Beispielsweise arbeitet, wie in 8 dargestellt
ist, eine Betätigungseinrichtung 45 mit
einem Einlass- oder Auslassventil 46 zusammen und umfasst
einen Anker aus einem ferromagnetischem Material 47, der
starr mit einem Schaft 48 des Ventils 46 verbunden
ist und rechtwinklig zu dessen Längsachse
C angeordnet ist, ein Paar Elektromagnete 49a und 49b,
die mindestens teilweise an den Schaft 48 des Ventils 46 angrenzen
und an einander gegenüber
liegenden Seiten mit Bezug auf den Anker 47 angeordnet
sind, um so auf Befehl, alternativ oder gleichzeitig, durch Ausübung einer
Nettokraft F an dem Anker 47 wirken zu können um
zu bewirken, dass er sich translatorisch parallel zur Längsachse
C bewegt, und ein elastisches Element 50, das dazu dient,
den Anker 47 in einer Ruhestellung zu halten, in der er
von den Polköpfen
der beiden Elektromagnete 49a und 49b gleich weit
beabstandet ist, um das Ventil 46 in einer Zwischenstellung
zwischen der Schließstellung
(obere Berührung)
und der Stellung maximaler Öffnung
(untere Berührung)
zu halten, die das Ventil 46 einnimmt, wenn der Anker 47 in
Berührung
mit dem Polkopf des oberen Elektromagneten 49a bzw. mit
dem Polkopf des unteren Elektromagneten 49b angeordnet
ist.
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Es
ist ersichtlich, dass Modifikationen und Änderungen im Hinblick auf die
obige Beschreibung durchgeführt
werden können,
ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
