EP1042767B1 - Einrichtung zum steuern eines elektromechanischen stellgeräts - Google Patents

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EP1042767B1
EP1042767B1 EP98966803A EP98966803A EP1042767B1 EP 1042767 B1 EP1042767 B1 EP 1042767B1 EP 98966803 A EP98966803 A EP 98966803A EP 98966803 A EP98966803 A EP 98966803A EP 1042767 B1 EP1042767 B1 EP 1042767B1
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EP
European Patent Office
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coil
current
threshold value
energy
quotient
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98966803A
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English (en)
French (fr)
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EP1042767A1 (de
Inventor
Joachim Melbert
Stefan Butzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1042767A1 publication Critical patent/EP1042767A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1042767B1 publication Critical patent/EP1042767B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1811—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current demagnetising upon switching off, removing residual magnetism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2800/00—Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/123—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by ancillary coil

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a electromechanical actuator, in particular for controlling an internal combustion engine is provided.
  • a known actuator (DE 195 26 683 A1) has an actuator, which is designed as a gas exchange valve, and one Actuator.
  • the actuator has two electromagnets, between which each against the force of a restoring means holding an armature plate by switching off the coil current Electromagnets and switching on the coil current at the trap Electromagnet can be moved.
  • the coil current of the respective catching electromagnet is determined by a predetermined one Catch value constant over a specified period of time held and then by a two-point controller with hysteresis regulated to a hold value.
  • the object of the invention is a device for control of an electromechanical actuator that the sound generation when an anchor plate hits one Electromagnets minimized and at the same time a long service life of the actuator.
  • the invention is based on the knowledge that the first summand of the relationship (G1) is negligible compared to the second summand of the equation (G1) if the quotient of the electrical power loss P V, el and the current I is low.
  • the quotient of the electrical power loss P V, el and the current I is almost zero when the coil is operated in the operating state of the freewheel.
  • the control signals of the controller are determined when the coil is in the operating state of the freewheel. In the operating state of the freewheel is the coil via a freewheeling circuit of the power controller shorted. Detection can be done in freewheel mode of the current I through the coil are almost lossless. So has the approximation of the relationship given by the relationship (G2) (G1) high accuracy.
  • time derivative of the current dI / dt and the current I through the coil in freewheeling depends on the sign of the deviation electrical energy supplied to the actuator coil for a limited time or discharged from the actuator coil. For this, the Freewheeling operation canceled and the coil connected to the supply voltage created (energy supply) or the stored energy dissipated to the supply voltage (energy dissipation).
  • An actuator 1 ( Figure 1) comprises an actuator 11 and an actuator 12, for example as a gas exchange valve is formed and has a shaft 121 and a plate.
  • the actuator 11 has a housing 111 in which a first and a second electromagnet are arranged.
  • the first Electromagnet has a first core 112, in which in a annular groove a first coil 113 is embedded.
  • the second electromagnet has a second core 14, in which in a another annular groove, a second coil 115 is embedded is.
  • An anchor is provided, the anchor plate 116 in the housing 111 is movable between the first core 112 and the second core 114 is arranged.
  • the anchor includes the further an anchor shaft 117, which by recesses of the first and second core is guided and the one with the shaft 121 of the valve can be mechanically coupled.
  • Actuator 1 is rigidly connected to a cylinder head 21.
  • the cylinder head 21 is an intake port 22 and a cylinder 23 associated with a piston 24.
  • the piston 24 is coupled to a crankshaft via a connecting rod 25.
  • a control device 3 is provided, the signals from sensors detected and control signals generated, depending on them the first or the second coil 113, 115 of the actuating device 1 can be controlled by a power controller 5a, 5b.
  • the Sensors are designed as a first ammeter 4a, the one Current through the first coil 113 or a current in the Power controller 5a detected, or as a second ammeter 5b, the current through the second coil 115 or in the power controller 5b detected. In addition to the sensors mentioned above there are other sensors.
  • FIG. 2 shows the relevant for understanding the invention Part of the control device 3.
  • a controller 3a is provided which depends on the current I through the coil 113, the is detected by the ammeter 4a, control signals for the Power controller 5a generated.
  • the current I is differentiated in a differentiator 31.
  • a divider 32 becomes the quotient of the time derivative dI / dt of current I and current I determined.
  • a comparator 33 is provided, the input variable of which is a predetermined one first threshold SW1 and the output of the divider 32 are.
  • the output signal KS of the comparator 33 is at a high level H if the predetermined first Threshold value SW1 is smaller than the output size of the divider 32. Otherwise, the output signal from the comparator 33 at a low level.
  • a logic unit 34 is provided, which depends on the Output signal KS of the comparator 33, a clock signal TS one Oscillators 35 and other operating variables, the control signals generated for the power controller 5a.
  • the structure of the logic unit 34 is explained below with reference to FIG. 3.
  • the power controller 5a has a first transistor T1, the Gate connection with an output of the logic unit 34 electrically is conductively connected.
  • the power controller 5a has one second transistor T2, whose gate connection is electrical is conductively connected to the logic unit 34.
  • a first diode D1 and a second diode D2 are provided.
  • a resistor R between the source output of the second Transistor T2 and the reference potential arranged. The resistance R serves as a measuring resistor for the ammeter 4a.
  • the first transistor becomes conductive from the drain to the source. If the high level H is also present at the second transistor T2 at the gate-side connection, the second transistor T2 also becomes conductive.
  • the supply voltage U V then decreases on the second coil, reduced by the voltage drop across the resistor R. The current I through the coil 113 then increases.
  • the power controller 5b is correspondingly analog trained to the power controller 5a.
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a program as it is is processed in the logic unit 34. It is irrelevant whether the program is in the form of hard-wired logic is realized or processed by a micro-controller becomes.
  • the program is started in a step S1.
  • Step S2 is a constant current setting of the current through the coil, i.e. the current is for a given first Period TD1 regulated to a first catch value.
  • a two-point controller with hysteresis is provided.
  • step S4 The first transistor T1 is then switched off and the second transistor T2 is switched on in a step S4, and the coil is thus operated in the operating state of the freewheel.
  • step S5 there is a wait for a predetermined second time period TD2.
  • step S6 it is checked whether the current I through the coil 113 in freewheeling has fallen below a minimum limit current I limit . If this is not the case, it is checked in step S7 whether the control signal KS of the first comparator 33 is at the H level. If this is the case, the armature is too fast and the first and second transistors T1, T2 are switched off in a step S8, ie set to "off" and energy is thus dissipated.
  • step S9 If the condition of step S7 is not met, the armature is too slow and the first and second transistors T1, T2 are switched on in a step S9, ie set to "on" and thus supplied with energy.
  • step S9 there is a wait for a predetermined third time period TD3 and in step S10 for a predetermined fourth time period TD4. While waiting in steps S9 and S10, the activation of the transistors T1, T2 remains unchanged. The program is then continued in step S4.
  • step S6 If the current through the coil is smaller than the minimum limit current I limit in step S6, the current is set to an increased holding current for a predetermined fifth time period TD5 in steps S11 and S12. This ensures that the anchor is caught safely. In a step S13, the current through the coil is then set to a lower holding current.
  • the program is ended in a step S14.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the regulator 3a shown.
  • the output signal depends on one predetermined second threshold value SW2 and the output of divider 32.
  • One associated with this embodiment Embodiment of the logic unit 34 is shown in FIG. 5.
  • AD flip-flop 341 generates depending on the clock signal TS of the oscillator 35 and the output signal of the comparator 33 its output signal at the Q output.
  • Another D flip-flop 342 is provided, its output signal at its Q output depends on the clock signal TS of the oscillator 35 and the output signal of the second comparator 36.
  • the input of a NOT gate 343 is electrically conductive with oscillator 35 connected, the output is electrically conductive with an input an AND gate 344 connected.
  • the second entrance of the AND gate 344 is electrically conductive with the output of the second D flip-flops 342 connected.
  • the output of the first D flip-flop 341 is electrically conductive connected to the input of a second NOT gate 345.
  • the output of the second NOT gate 345 is the same as the oscillator 35 is electrically conductive with an OR gate 346 connected.
  • the outputs of the AND gate 344 and the OR gate 346 are on the gate of the first transistor T1 respectively led second transistor T2. If applicable between the outputs of the AND gate 344 and the OR gate 346 to the gate of the first transistor T1 respectively second transistor T2 each have a driver arranged.
  • the clock signal TS is low Is a three-point control, so either transistor T1 is off and the second transistor T2 is switched on, i.e. Free-running operation or both transistors in pass mode, i.e. Energy supply or both Transistors blocked, i.e. Energy dissipation.
  • first and second threshold values SW1, SW2 instead of the first and second threshold values SW1, SW2 only a threshold value can be specified, and additionally a predetermined value at the respective inputs of the first Comparators 33 and 36 added or subtracted become.
  • FIG. 6a the time profile of the current through the first coil 113 is plotted against the time t.
  • FIG. 6b the position X of the anchor plate 116 is plotted against the time t.
  • Figure 6c the speed v of the anchor plate 116 is plotted against the time t.
  • the armature plate 116 begins to oscillate from its open position O, that is to say its contact with the second electromagnet, to its closed position C, that is to say contact with the first electromagnet.
  • a first catch value I_F1 for the current through the first coil 113 is specified.
  • the current through the first coil 113 is regulated for a predetermined first time period TD1 (for example 2 ms) from the first catch value I_F1. From a point in time t 0 , the current through the first coil 113 is regulated by the regulator 3a.
  • TD1 for example 2 ms
  • the coil 113 is operated in the operating state of the freewheel.
  • the current through the coil 113 is detected and the time derivative of the current is determined.
  • the ratio of the time derivative dI / dt determined in freewheeling and the current I is then greater than the predetermined first threshold value SW1. Accordingly, both the first transistor T1 and the second transistor T2 are switched off and the current drops sharply.
  • the first coil 113 is again operated in the operating state of the freewheel and the current I and its derivative dI / dt are determined.
  • the ratio of the time derivative of the current I and the current determined in freewheeling is less than the predetermined threshold value SW1. Accordingly, both the first transistor and T1 and also the second transistor T2 are turned on and the current through the coil increases until time t 4 .
  • the current I through the coil in freewheeling becomes smaller than a limit value of the current through the coil in freewheeling.
  • the limit value is the value of the current in freewheeling, as determined by tests, at which the armature plate hits the first coil.
  • the limit value can be a predefined value or can be determined from a characteristic map depending on the operating variables.
  • an increased hold value I_H is specified as the setpoint value of the current through the coil and is regulated by the controller, not shown. This ensures that the anchor plate is securely caught and the impact of the anchor plate is dampened.
  • This increased hold value is preferably specified for a predetermined period of time until the current through the coil is then adjusted to the hold value I_H by the controller (not shown) from time t 12 to time t 13 .
  • the actuator can also be used as Injector may be formed. It can also be one separate controller can be provided for each coil. Likewise can energy is supplied to the coil until the current flows through the coil (113) has increased by a predetermined threshold value, if the quotient of the derivative of current I and current I falls below a predetermined threshold, and the coil (113) Energy can be dissipated until the current through the Coil (113) decreases by a predetermined threshold if the quotient has a predetermined threshold exceeds.
  • the supply or discharge of Energy to / from coil 113 by varying the height of the Voltage that drops across the coil 113, or the connection the coil 113 to a predetermined voltage that is not equal the supply voltage.
  • the coil can each a given energy can be supplied or removed. It is advantageous if the energy to be supplied or removed is estimated by an observer. The observer guesses the energy, for example, depends on the deviation of the first or second threshold from the quotient of the derivative of current I and current I.
  • the first and second thresholds at the inputs of the comparators can alternatively also depend of variables such as the pressure in the cylinder 23 or other operating variables the internal combustion engine or the actuator.
  • the derivation of the current I with a Threshold value that depends on the current I and / or others Operating variables can be compared by the comparator.
  • the controller 3a can also be used as a continuous, time-discrete, P, PI, PD, PID or other known controller can be formed.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts, das insbesondere zum Steuern einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Ein bekanntes Stellgerät (DE 195 26 683 A1) hat ein Stellglied, das als Gaswechselventil ausgebildet ist, und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb weist zwei Elektromagnete auf, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels eine Ankerplatte durch Abschalten des Spulenstroms am haltenden Elektromagneten und Einschalten des Spulenstroms am fangenden Elektromagneten bewegt werden kann. Der Spulenstrom des jeweils fangenden Elektromagneten wird durch einen vorgegebenen Fangwert während einer vorgegebenen Zeitdauer konstant gehalten und dann von einem Zweipunktregler mit Hysterese auf einen Haltewert geregelt.
Immer strengere gesetzliche Grenzwerte zur Schallabstrahlung eines Kraftfahrzeugs und Anforderungen nach einer leise laufenden Brennkraftmaschine setzen für eine Serientauglichkeit des Stellgeräts zwingend voraus, daß die Schallerzeugung durch das Stellgerät gering ist. Außerdem ist für eine Serientauglichkeit eine lange Lebensdauer des Stellgeräts zu gewährleisten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts zu schaffen, die die Schallerzeugung beim Auftreffen einer Ankerplatte auf einen Elektromagneten minimiert und gleichzeitig eine lange Lebensdauer des Stellgeräts gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einer stromduchflossenen Spule, der eine sich bewegende Ankerplatte des Ankers zugeordnet ist, besteht bei einem nicht gesättigten Magnetkreis und bei einem vernachlässigbaren Streufluß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einem Strom I durch die Spule, der zeitlichen Ableitung des Stroms dI/dt, der Luftspaltlänge 1 und der Geschwindigkeit v des Ankers. Bei einem dominierenden magnetischen Widerstand des Luftspalts gegenüber dem restlichen Magnetkreis läßt sich folgende Beziehung angeben:
Figure 00020001
wobei
A
die Auflagefläche des Kerns des Elektromagneten ist, an dem die Ankerplatte zur Auflage kommt,
N
die Windungszahl der Spule,
PV,el
die elektrische Verlustleistung und
µ0
die Permeabilität von Luft ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der erste Summand der Beziehung (G1) vernachlässigbar ist gegenüber dem zweiten Summanden der Gleichung (G1), wenn der Quotient der elektrische Verlustleistung PV,el und des Stroms I gering ist. Der Quotient der elektrische Verlustleistung PV,el und des Stroms I ist dann nahezu null, wenn die Spule im Betriebszustand des Freilaufs betrieben wird. So ergibt sich in diesem Fall angenähert aus der Beziehung (G1) die Beziehung I I = - v l
Somit kann abhängig von der zeitlichen Ableitung des Stroms dI/dt und des Stroms I durch die Spule ein sanfter Aufprall mit v annähernd null bei einer Luftspaltlänge 1 von null erreicht werden, ohne daß ein Positionssensor vorgesehen sein muß, der die jeweils aktuelle Position des Ankers erfaßt. Eine lange Lebensdauer ist gewährleistet, da das Stellgerät durch den jeweils sanften Aufprall der Ankerplatte auf den Kern nur wenig mechanisch beansprucht wird.
Die Stellsignale des Reglers werden ermittelt, wenn die Spule im Betriebszustand des Freilaufs ist. In dem Betriebszustand des Freilaufs ist die Spule über einen Freilaufkreis des Leistungsstellers kurzgeschlossen. Im Freilauf kann das Erfassen des Stroms I durch die Spule nahezu verlustfrei erfolgen. So hat die durch die Beziehung (G2) gegebene Näherung der Beziehung (G1) eine hohe Genauigkeit.
Bevorzugt wird bei Abweichung vom gewünschten Verhältnis der zeitlichen Ableitung des Stroms dI/dt und des Stroms I durch die Spule im Freilauf abhängig vom Vorzeichen der Abweichung zeitlich begrenzt elektrische Energie der Aktuatorspule zugeführt oder aus der Aktuatorspule abgeführt. Hierzu wird der Freilaufbetrieb aufgehoben und die Spule an die Versorgungsspannung angelegt (Energiezufuhr) oder die gespeicherte Energie an die Versorgungsspannung abgeführt (Energieabfuhr).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine Anordnung eines Stellgeräts in einer Brennkraftmaschine,
Figur 2
ein Blockschaltbild eines Reglers, der in der Steuereinrichtung angeordnet ist, und ein zugeordnetes Leistungsstellelement,
Figur 3
ein Ablaufdiagramm eines Programms, das durch eine Logikeinheit des Reglers abgearbeitet wird,
Figur 4
eine zweite Ausführungsform des Reglers,
Figur 5
ein Blockschaltbild der Logikeinheit des Reglers gemäß Figur 4,
Figur 6a bis c
Signalverläufe des Stroms I durch die Spule, der Position X der Spule und der Geschwindigkeit V der Ankerplatte aufgetragen über die Zeit t.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Stellgerät 1 (Figur 1) umfaßt einen Stellantrieb 11 und ein Stellglied 12, das beispielsweise als Gaswechselventil ausgebildet ist und einen Schaft 121 und einen Teller hat. Der Stellantrieb 11 hat ein Gehäuse 111, in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 112, in den in einer ringförmigen Nut eine erste Spule 113 eingebettet ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, in den in einer weiteren ringförmigen Nut eine zweite Spule 115 eingebettet ist. Ein Anker ist vorgesehen, dessen Ankerplatte 116 in dem Gehäuse 111 beweglich zwischen dem ersten Kern 112 und dem zweiten Kern 114 angeordnet ist. Der Anker umfaßt des weiteren einen Ankerschaft 117, der durch Ausnehmungen des ersten und zweiten Kerns geführt ist und der mit dem Schaft 121 des Ventils mechanisch koppelbar ist. Eine erste Feder 115a und eine zweite Feder 115b spannen die Ankerplatte 116 in eine vorgegebene Ruheposition R vor.
Das Stellgerät 1 ist mit einem Zylinderkopf 21 starr verbunden. Dem Zylinderkopf 21 ist ein Ansaugkanal 22 und ein Zylinder 23 mit einem Kolben 24 zugeordnet. Der Kolben 24 ist über eine Pleuelstange 25 mit einer Kurbelwelle gekoppelt. Eine Steuereinrichtung 3 ist vorgesehen, die Signale von Sensoren erfaßt und Stellsignale erzeugt, in deren Abhängigkeit die erste oder die zweite Spule 113, 115 des Stellgeräts 1 von einem Leistungssteller 5a, 5b angesteuert werden. Die Sensoren sind ausgebildet als erster Strommesser 4a, der einen Strom durch die erste Spule 113 oder einen Strom in dem Leistungssteller 5a erfaßt, oder als ein zweiter Strommesser 5b, der den Strom durch die zweite Spule 115 oder im Leistungssteller 5b erfaßt. Neben den erwähnten Sensoren können noch weitere Sensoren vorhanden sein.
Figur 2 zeigt den für das Verständnis der Erfindung relevanten Teil der Steuereinrichtung 3. Ein Regler 3a ist vorgesehen, der abhängig von dem Strom I durch die Spule 113, der durch den Strommesser 4a erfaßt wird, Stellsignale für den Leistungssteller 5a erzeugt.
In einem Differenzierer 31 wird der Strom I differenziert. In einem Dividierer 32 wird der Quotient der zeitlichen Ableitung dI/dt des Stroms I und des Stroms I ermittelt. Ein Komparator 33 ist vorgesehen, dessen Eingangsgröße ein vorgegebener erster Schwellenwert SW1 und die Ausgangsgröße des Dividierers 32 sind. Das Ausgangssignal KS des Komparators 33 ist auf einem hohen Pegel H, falls der vorgegebene erste Schwellenwert SW1 kleiner ist als die Ausgangsgröße des Dividierers 32. Andernfalls ist das Ausgangssignal des Komparators 33 auf einem niedrigen Pegel.
Eine Logikeinheit 34 ist vorgesehen, die abhängig von dem Ausgangssignal KS des Komparators 33, einem Taktsignal TS eines Oszillators 35 und weiteren Betriebsgrößen die Stellsignale für den Leistungssteller 5a erzeugt. Der Aufbau der Logikeinheit 34 ist weiter unten anhand von Figur 3 erläutert.
Der Leistungssteller 5a hat einen ersten Transistor T1, dessen Gate-Anschluß mit einem Ausgang der Logikeinheit 34 elektrisch leitend verbunden ist. Die Leistungssteller 5a hat einen zweiten Transistor T2, dessen Gate-Anschluß elektrisch leitend mit der Logikeinheit 34 verbunden ist. Eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 sind vorgesehen. Ferner ist ein Widerstand R zwischen dem Source-Ausgang des zweiten Transistors T2 und dem Bezugspotential angeordnet. Der Widerstand R dient als Meßwiderstand für den Strommesser 4a.
Liegt an dem Gate-Anschluß des ersten Transistors T1 der hohe Pegel H an, so wird der erste Transistor vom Drain bis zur Source leitend. Liegt zusätzlich am zweiten Transistor T2 am Gate-seitigen Anschluß der hohe Pegel H an, so wird auch der zweite Transistor T2 leitend. An der zweiten Spule fällt dann die Versorgungsspannung UV verringert um den Spannungsabfall am Widerstand R ab. Der Strom I durch die Spule 113 steigt dann an.
Wird anschließend an dem Gate-seitigen Anschluß des ersten Transistors T1 ein niedriger Pegel vorgegeben, so sperrt der Transistor T1 und die Diode D2 wird im Freilauf leitend. Der Spannungsabfall an der Spule 113 ist dann gegeben durch die Durchlaßspannung der Diode D2 und des Transistors T2 und dem Spannungsabfall am Widerstand R (insgesamt beispielsweise zwei Volt). Der Strom I durch Spule 113 nimmt dann ab.
Werden sowohl die Pegel am gateseitigen Anschluß des ersten als auch des zweiten Transistors T1, T2 von hoch auf niedrig geschaltet, so werden sowohl die erste Diode D1 als auch die zweite Diode D2 leitend und der Strom durch die erste Spule wird sehr schnell verringert - es findet also eine Abkummutierung statt. Der Leistungssteller 5b ist entsprechend analog zu dem Leistungssteller 5a ausgebildet.
Die Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, eines Programms, wie es in der Logikeinheit 34 abgearbeitet wird. Dabei ist es unerheblich, ob das Programm in Form von festverdrahteter Logik realisiert ist oder von einem Micro-Controller abgearbeitet wird.
In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem Schritt S2 erfolgt eine Konstantstrom-Einstellung des Stroms durch die Spule, d.h. der Strom wird für eine vorgegebene erste Zeitdauer TD1 auf einen ersten Fangwert geregelt. Dazu ist ein Zweipunktregler mit Hysterese vorgesehen.
Anschließend werden in einem Schritt S4 der erste Transistor T1 aus und der zweite Transistor T2 eingeschaltet und somit die Spule im Betriebszustand des Freilaufs betrieben. In einem Schritt S5 wird für eine vorgegebene zweite Zeitdauer TD2 gewartet. Im Schritt S6 wird geprüft, ob der Strom I durch die Spule 113 im Freilauf einen minimalen Grenzstrom IGrenz unterschritten hat. Ist dies nicht der Fall, so wird im Schritt S7 geprüft, ob das Kontrollsignal KS des ersten Komparators 33 auf dem Pegel H ist. Ist dies der Fall, so ist der Anker zu schnell und der erste und zweite Transistor T1,T2 werden in einem Schritt S8 ausgeschaltet, d.h. auf "off" gesetzt und somit Energie abgeführt. Ist die Bedingung des Schritts S7 nicht erfüllt, so ist der Anker zu langsam und der erste und zweite Transistor T1, T2 werden in einem Schritt S9 eingeschaltet, d.h. auf "on" gesetzt und somit Energie zugeführt. In einem Schritt S9 wird für eine vorgegebene dritte Zeitdauer TD3 und in einem Schritt S10 für eine vorgegebene vierte Zeitdauer TD4 gewartet. Während des Wartens in den Schritten S9 und S10 bleibt die Ansteuerung der Transistoren T1, T2 unverändert. Anschließend wird das Programm in dem Schritt S4 fortgesetzt.
Ist in dem Schritt S6 der Strom durch die Spule kleiner als der minimale Grenzstrom IGrenz , so wird in einem Schritt S11 und S12 der Strom für eine vorgegebene fünfte Zeitdauer TD5 auf einen erhöhten Haltestrom eingestellt. Dadurch ist ein sicheres Fangen des Ankers gewährleistet. In einem Schritt S13 wird der Strom durch die Spule dann auf einen niedrigeren Haltestrom eingestellt.
In einem Schritt S14 wird das Programm beendet.
In Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform des Reglers 3a dargestellt. Im Unterschied zur Figur 2 ist ein zweiter Komparator 36 vorgesehen, dessen Ausgangssignal abhängt von einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert SW2 und dem Ausgang des Dividierers 32. Eine dieser Ausführungsform zugeordnete Ausführungsform der Logikeinheit 34 ist in Figur 5 dargestellt.
Ein D-Flip-Flop 341 erzeugt abhängig von dem Taktsignal TS des Oszillators 35 und dem Ausgangssignal des Komparators 33 sein Ausgangssignal am Q-Ausgang. Ein weiteres D-Flip-Flop 342 ist vorgesehen, dessen Ausgangssignal an seinem Q-Ausgang abhängt von dem Taktsignal TS des Oszillators 35 und dem Ausgangssignals des zweiten Komparators 36. Der Eingang eines NICHT-Glieds 343 ist elektrisch leitend mit dem Oszillator 35 verbunden, der Ausgang ist elektrisch leitend mit einem Eingang eines UND-Glieds 344 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 344 ist elektrisch leitend mit dem Ausgang des zweiten D-Flip-Flops 342 verbunden.
Der Ausgang des ersten D-Flip-Flops 341 ist elektrisch leitend mit dem Eingang eines zweiten NICHT-Gliedes 345 verbunden. Der Ausgang des zweiten NICHT-Gliedes 345 ist ebenso wie der Oszillator 35 elektrisch leitend mit einem ODER-Glied 346 verbunden. Die Ausgänge des UND-Glieds 344 und des ODER-Glieds 346 sind auf das Gate des ersten Transistors T1 beziehungsweise zweiten Transistors T2 geführt. Gegebenenfalls ist zwischen den Ausgängen des UND-Glieds 344 und des ODER-Glieds 346 auf das Gate des ersten Transistors T1 beziehungsweise zweiten Transistors T2 noch jeweils ein Treiber angeordnet.
Durch die Ausbildung der Logikeinheit 34 gemäß Figur 5 wird der Leistungssteller immer dann, wenn der Pegel des Taktsignals TS auf einem hohen Pegel ist, im Betriebszustand des Freilaufs betrieben. Wenn das Taktsignal TS auf dem niedrigen Pegel ist, so erfolgt eine Dreipunktregelung, also entweder der Transistor T1 ist ausgeschaltet und der zweite Transistor T2 ist eingeschaltet, d.h. Freilaufbetrieb oder beide Transistoren im Durchlaßbetrieb, d.h. Energiezufuhr oder beide Transistoren gesperrt, d.h. Energieabfuhr.
Statt des ersten und zweiten Schwellenwertes SW1, SW2 kann auch nur ein Schwellenwert vorgegeben sein, und zusätzlich ein vorgegebener Wert an den jeweiligen Eingängen des ersten Komparators 33 und 36 addiert beziehungsweise subtrahiert werden.
In Figur 6a ist der Zeitverlauf des Stroms durch die erste Spule 113 aufgetragen über die Zeit t. In Figur 6b ist die Position X der Ankerplatte 116 aufgetragen über die Zeit t. In Figur 6c ist die Geschwindigkeit v der Ankerplatte 116 aufgetragen über die Zeit t. Zu einem Zeitpunkt t0A beginnt die Ankerplatte 116 aus ihrer Offen-Position O, das heißt ihrer Anlage mit dem zweiten Elektromagneten hin zu ihrer Schließposition C, das heißt Anlage an dem ersten Elektromagneten, zu schwingen. Ein erster Fangwert I_F1 für den Strom durch die erste Spule 113 wird vorgegeben.
Der Strom durch die erste Spule 113 wird für eine vorgegebene erste Zeitdauer TD1 (z. B. 2 ms) aus dem ersten Fangwert I_F1 eingeregelt. Von einem Zeitpunkt t0 an erfolgt die Regelung des Stroms durch die erste Spule 113 durch den Regler 3a.
Von einem Zeitpunkt t0B bis zu einem Zeitpunkt t1 wird die Spule 113 im Betriebszustand des Freilaufs betrieben. Es wird der Strom durch die Spule 113 erfaßt und die zeitliche Ableitung des Stroms ermittelt. Im Zeitpunkt t1 ist dann das Verhältnis der im Freilauf ermittelten zeitlichen Ableitung dI/dt und des Stroms I größer als der vorgegebene erste Schwellenwert SW1. Demnach werden sowohl der erste Transistor T1 als auch der zweite Transistor T2 ausgeschaltet und der Strom fällt stark ab.
Ab dem Zeitpunkt t2 wird die erste Spule 113 wieder im Betriebszustand des Freilaufs betrieben und der Strom I und seine Ableitung dI/dt werden ermittelt. Im Zeitpunkt t3 ist dann das im Freilauf ermittelte Verhältnis der zeitlichen Ableitung des Stroms I und des Stroms kleiner als der vorgegebene Schwellenwert SW1. Demnach werden sowohl der erste Transistor als auch T1 als auch der zweite Transistor T2 leitend geschaltet und der Strom durch die Spule steigt an bis zum Zeitpunkt t4.
Vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 wird die Spule wieder in dem Betriebszustand des Freilaufs betrieben. Von dem Zeitpunkt t5 bis zum Zeitpunkt t6 werden die Transistoren T1, T2 beide ausgeschaltet, es erfolgt also wieder eine Abkommutierung. Vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 wird die Spule wieder im Freilauf betrieben. Vom Zeitpunkt t7 bis zum Zeitpunkt t8 werden der erste und der zweite Transistor T1, T2 leitend geschaltet und der Strom steigt an bis zum Zeitpunkt t8. Vom Zeitpunkt t8 bis zu einem Zeitpunkt t9 wird die Spule wieder im Betriebszustand des Freilaufs betrieben. Vom Zeitpunkt t9 bis zu einem Zeitpunkt t10 erfolgt wieder die Abkommutierung. Von dem Zeitpunkt t10 bis zu einem Zeitpunkt t11 wird die Spule im Betriebszustand des Freilaufs betrieben. Im Zeitpunkt t11 wird der Strom I durch die Spule im Freilauf kleiner als ein Grenzwert des Stroms durch die Spule im Freilauf. Der Grenzwert ist der durch Versuche ermittelte Wert des Stroms im Freilauf, bei dem die Ankerplatte auf die erste Spule auftrifft. Der Grenzwert kann ein fest vorgegebener Wert sein oder aus einem Kennfeld abhängig von Betriebsgrößen ermittelt werden.
Von dem Zeitpunkt t11 bis zu einem Zeitpunkt t12 wird als Sollwert des Stroms durch die Spule ein erhöhter Haltewert I_H vorgegeben und von dem nicht dargestellten Regler eingeregelt. Dadurch ist ein sicheres Einfangen der Ankerplatte gewährleistet und ein Prallen der Ankerplatte wird gedämpft.
Dieser erhöhte Haltewert wird vorzugsweise für eine vorgegebene Zeitdauer vorgegeben bis der Strom durch die Spule dann ab dem Zeitpunkt t12 bis zum Zeitpunkt t13 von dem nicht dargestellten Regler auf den Haltewert I_H eingeregelt wird.
Aus dem Verlauf der Geschwindigkeit V der Ankerplatte 116 ist klar ersichtlich, daß die Ankerplatte nahezu mit der Geschwindigkeit Null auf den ersten Elektromagneten auftrifft.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Stellglied auch als Einspritzventil ausgebildet sein. Es kann auch jeweils ein eigener Regler für jede Spule vorgesehen sein. Ebenso kann der Spule Energie zugeführt wird bis der Strom durch die Spule (113) sich um einen vorgegebenen Schwellenwert erhöht hat, wenn der Quotient der Ableitung des Stroms I und des Stroms I einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, und der Spule (113) Energie abgeführt werden bis der Strom durch die Spule (113) sich um einen vorgegebenen Schwellenwert erniedrigt hat, wenn der Quotient einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Alternativ kann das Zuführen oder Abführen von Energie zu/von der Spule 113 durch ein Variieren der Höhe der Spannung, die an der Spule 113 abfällt, oder der Aufschaltung der Spule 113 an eine vorgegebene Spannung erfolgen, die ungleich der Versorgungsspannung ist. Der Spule kann jeweils eine vorgegebene Energie zu- oder abgeführt werden. Es ist vorteilhaft, wenn die jeweils zu- oder abzuführende Energie von einem Beobachter abgeschätzt wird. Der Beobachter schätzt die Energie beispielsweise abhängig von der Abweichung des ersten oder zweiten Schwellenwerts von dem Quotienten der Ableitung des Stroms I und des Stroms I.
Die ersten und zweiten Schwellenwerte, die an den Eingängen der Komparatoren anliegen, können alternativ auch abhängen von Größen wie dem Druck in dem Zylinder 23 oder weiteren Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine oder des Stellgeräts.
Alternativ kann auch die Ableitung des Stroms I mit einem Schwellenwert, der abhängt von dem Strom I und/oder weiteren Betriebsgrößen, durch den Komparator verglichen werden.
Ebenso kann eine beliebige Kombination der genannten Maßnahmen erfolgen.
Der Regler 3a kann auch als stetiger, zeitdiskreter, P, PI, PD, PID oder sonstiger bekannter Regler ausgebildet sein.

Claims (10)

  1. Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts, das ein Stellglied (12) und einen Stellantrieb (11) hat mit
    einem Elektromagneten, der eine Spule (113)hat,
    einem beweglichen Anker und
    einem Rückstellmittel, das mit dem Anker mechanisch gekoppelt ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Regler (3a) vorgesehen ist, der im Betrieb der Einrichtung den Strom durch die Spule (113) regelt und der dazu Stellsignale für einen Leistungssteller (5a, 5b) erzeugt, die während der Bewegung des Ankers abhängen von dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Stroms durch die Spule (113) in dem Betriebszustand des Freilaufs.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Stellsignale, wenn der Anker sich länger als eine vorgegebene Zeitdauer (TD1) bewegt hat bis zum Ende der Bewegung des Ankers, abhängen von dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Stroms durch die Spule (113) in dem Betriebszustand des Freilaufs.
  3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Betriebszustand des Freilaufs die Potentialdifferenz an der Spule gegeben ist durch die Potentialdifferenz an den im Durchlaß betriebenen elektronischen Bauelementen des Leistungsstellers und einem Widerstand R.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale abhängen von dem Quotienten der zeitlichen Ableitung des Stroms und des Stroms durch die Spule (113).
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet.. daß der Spule Energie zugeführt wird, wenn der Quotient einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, und daß der Spule Energie abgeführt wird, wenn der Quotient einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule Energie für eine vorgegebene Zeitdauer (TD2) zugeführt wird, wenn der Quotient den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, und der Spule Energie abgeführt wird für eine vorgegebene weitere Zeitdauer (TD3), wenn der Quotient den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (113) Energie zugeführt wird bis der Strom durch die Spule (113) sich um einen vorgegebenen weiteren Schwellenwert erhöht hat, wenn der Quotient den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, und daß der Spule (113) Energie abgeführt wird bis der Strom durch die Spule (113) sich um den vorgegebenen weiteren Schwellenwert erniedrigt hat, wenn der Quotient den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (3a) als Zweipunktregler ausgebildet ist.
  9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (3b) als Dreipunktregler ausgebildet ist.
  10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb einen weiteren Elektromagneten mit einer weiteren Spule (115) und ein weiteres Rückstellißittal aufweist, und daß sin weiterer Regler vorgesehen ist, der den Strom durch die weitere Spule (115) regelt.
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