EP1164602A2 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers - Google Patents

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EP1164602A2
EP1164602A2 EP01110620A EP01110620A EP1164602A2 EP 1164602 A2 EP1164602 A2 EP 1164602A2 EP 01110620 A EP01110620 A EP 01110620A EP 01110620 A EP01110620 A EP 01110620A EP 1164602 A2 EP1164602 A2 EP 1164602A2
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EP
European Patent Office
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current
excitation coil
determined
excitation
holding
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01110620A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1164602A3 (de
Inventor
Thomas Leiber
Matthias Kallenbach
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LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Original Assignee
LSP Innovative Automotive Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by LSP Innovative Automotive Systems GmbH filed Critical LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Publication of EP1164602A2 publication Critical patent/EP1164602A2/de
Publication of EP1164602A3 publication Critical patent/EP1164602A3/de
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the Position of an anchor that corresponds to an electromagnetic Actuator is assigned, according to the preamble of the claim 1.
  • the actuator is an electromechanical actuator assigned that, for example, as a gas exchange valve an actuator designed actuator. Such an actuator thus has a gas exchange valve and an actuator.
  • the actuator preferably has two electromagnets, between which each against the force of a restoring means an anchor by switching off of the excitation coil current of the currently holding Electromagnets and switching on the excitation coil current of the now catching electromagnet can be moved.
  • a method for determining the position of the armature is known from DE 19836769.
  • the path position is determined from the time derivative of the currents through the excitation coil and the voltage drops at the excitation coil at two points in time.
  • the method has the disadvantage that voltage drops which vary greatly over time are required for the exact determination of the path position.
  • the evaluation method is based on an approximation formula that is only accurate in the area of large air gaps (> ⁇ ⁇ . ⁇ m) and in the area of small air gaps, which is important for controlling the actuator with low impact speeds, has great inaccuracies.
  • the method can therefore only be controlled adaptively and is difficult to implement in a closed control loop without adaptation.
  • a very early energization of the excitation coil to a high current level is required for a satisfactory evaluation, which leads to high electrical losses.
  • the process can be a significant improvement in the area achieve smaller air gaps because the path position in Contrary to the approximation function described in DE 19836769 in the method according to the invention by interpolation a map determined exactly for the magnet or a functional mapping of the map is determined. Due to the higher accuracy especially in The area of small air gaps is a regulation that the Impact speed of the anchor on the contact surface of the electromagnet minimized, easier to implement. An adaptive control is in contrast to that in DE The method described in 19836769 is not required.
  • a characteristic field can be used for a given magnet system be determined using an FEM method, in which the Relationship between current through the excitation coil, magnetic Flow of the excitation coil and the air gap determined between the armature and the contact surface on the magnet can be. From the map, known magnetic Flow and current clearly the position of the anchor be determined. The current is measured and the magnetic The flow of the excitation coil becomes as follows is calculated.
  • a further simplification of the detection of the magnetic Flux is possible by calculating the excitation coil voltage depending on the operating state of a power amplifier.
  • the half H-bridge is called four different ones Operating states possible. These are hibernation (RZ), magnetization state (AMZ), freewheel (FL) and fast current feedback (SSR) with energy feedback.
  • the excitation coil voltage can be in any operating state and thus the magnetic flux can be determined mathematically. To determine the path position is therefore only detection of the current is required.
  • An electromechanical actuator 1 (according to FIG. 1) comprises an actuator 9 , which is designed here as a gas exchange valve.
  • the actuator consists of two electromagnets 5a and 5b. At least one excitation coil 12a or 12b is arranged on each of the two electromagnets.
  • An armature 6 is provided which moves during its pivoting movement between the contact surface on the upper electromagnet and the contact surface on the lower electromagnet. When the armature moves towards the lower contact surface, a spring 8 serves as a restoring means, while when it moves towards the upper contact surface, a torsion bar 7 serves as a restoring means.
  • the anchor 6 is shown in its rest position in the middle position between the upper and lower contact surfaces.
  • the actuating device is controlled by a control device which consists of a control unit 3 and power output stages 2, 4 .
  • the excitation coils 12 a and 12 b of the actuator are conductively connected to the power output stages 2 and 4 via cables 10 .
  • the control unit 3 measuring points of current and voltage drops are recorded and / or signals from a higher-level control device (not shown) for engine operating functions are recorded and control signals are generated, depending on which the two excitation coils of the control device are controlled.
  • the control unit 3 has a controller, the controlled variables of which are the current through the excitation coils I 1 , I 2 and the voltage drop U 1, coil , U 2, coil at the excitation coils of the two electromagnets.
  • the controller supplies the control signals for the control lines L 1 , L 2 for the upper power output stage 2 and the control signals L 1 ', L 2 ' for the lower power output stage 4, with which the control unit is conductively connected to the power output stages. Since a method for determining the position is explained in the invention, the design of the controller and its functionality are not discussed in detail.
  • Fig. 1 two magnets are provided, each with a coil. It is also possible to get by with a special pole formation with a coil, which is then used for both functions (holding and catching).
  • 2a and 2b show possible designs of an electromechanical actuator.
  • 2a shows an electromechanical actuator known from DE 19825728, in which the actuator is actuated directly by the armature 6 ' and an upper and lower return spring generate the restoring force of the armature.
  • 2b shows an actuator known from patent application PCT EP 9908755, which is characterized in that it has an armature 6 " integrated in the lever. In this actuator, a valve return spring generates the one restoring force, while a torsion bar mounted in the armature tube produces the other Drag provides.
  • the operating states are idle state (RZ), magnetizing (AMZ), freewheeling (FL) and hard shutdown with fast current feedback (SSR). If a high voltage potential is present at the gate connections of the transistors TR 1 and TR 2, which are preferably designed as MOS transistors, the respective transistor is conductive from its drain connection to the source connection. If there is a low voltage potential at the gate connection, the transistor blocks from its drain connection to its source connection.
  • the transistors TR1 and TR2 are not conductive and the current through the excitation coil is also zero.
  • both transistors are operated in a conductive manner. Current then flows from the voltage source with the potential of the supply voltage through the transistor TR 1 , the excitation coil, through the measuring resistor R mess and the transistor TR 2 to a ground connection which is at a reference potential.
  • transistor TR 2 is operated in a conductive manner and transistor TR 1 is not conductive.
  • the current then flows from the reference potential via the freewheeling diode D1, the excitation coil, the measuring resistor R mess , the diode D2 to the voltage source with the voltage potential of the negative supply voltage U v . If the excitation coil is not operated in saturation, the voltage drop in the excitation coil is equal to the negative supply voltage U v plus the negative forward voltages of the freewheeling diode D1 and the diode D2 and the losses at the measuring resistor.
  • 3b describes the positioning of the measuring points for detecting the current through the excitation coil and the voltage drop at the excitation coil in the power output stage.
  • the voltage drop U coil between the feed power to the excitation coil and the feedback power is detected.
  • the current I is determined from the voltage drop across the measuring resistor R mess .
  • Alternative positioning of the measuring points to record the current through the excitation coil is also possible.
  • a Hall element can be used for current measurement instead of the measuring resistor.
  • FIG. 3c An alternative output stage circuit is shown in FIG. 3c .
  • the one MOS transistor TR1 has to be switched in the magnetization phase (AMZ).
  • the current then flows through the excitation coil W, the measuring resistor to the ground connection, which is at a reference potential.
  • the free-running phase (FL) the second MOS transistor TR2 is switched and the first MOS transistor is switched off. If a current flows through the excitation coil at the time of the transition to the operating state of the freewheel FL, the freewheeling diode D1 becomes conductive and the current through the excitation coil increases depending on the losses in the resistance of the excitation coil, the transistor TR1, the measuring resistor R mess and the freewheeling diode D1 from.
  • circuit variants are also conceivable, e.g. a full bridge with four MOS transistors.
  • alternative Circuit variants are suitable if they are at least enable three different operating states.
  • the air gap between the armature and the contact surface of the magnet can be determined from the characteristic field and the position of the armature or the valve can thus be determined.
  • the air gap is determined by interpolation of the characteristic field, as shown in FIG. 4 , or by calculation using a function that maps the characteristic field with sufficient accuracy.
  • FIGS. 5a to d show various methods of determining the current and the magnetic flux for determining the position during the movement phase from the contact surface of one electromagnet to the contact surface of the other electromagnet.
  • FIGS. 5a to d show the time sequence of the excitation current levels I 1 and I 2 through the two excitation coils of the electromagnets and the position X of the armature.
  • the armature is initially held at a holding current level I H by energizing the excitation coil with the current I 1 , for example by means of a two-point regulator. In this state, the armature is located on the contact surface of an electromagnet. The position X is then s1. To initiate the movement, the current is reduced from the holding current level I H to a measuring current level I M and kept at the measuring current level for the time ⁇ t M. After the current reaches a current level I S which is slightly below the holding current level and above the measuring current level, the lifting movement begins.
  • the position of the armature during the detachment process from the contact surface of the electromagnet can be determined continuously by means of the change in flow and the change in current.
  • the path position can be determined until the measuring current is switched off after the time ⁇ t M.
  • the capture current I 2 of the excitation coil of the other electromagnet is activated. This capture current compensates for the mechanical losses during the stroke movement and ensures that the armature moves up to the contact surface of the opposite electromagnet.
  • the current I 2 of the second excitation coil and the magnetic flux are evaluated.
  • the position of the armature can be determined continuously during the time interval ⁇ t F. After the armature strikes the contact surface of the opposite electromagnet (position s2), the armature is again held by the holding current level I H on the contact surface of the electromagnet.
  • both excitation coils are operated for a certain period of time at a measuring current level ⁇ t M1 and ⁇ t M2 . At times, the operation takes place in parallel.
  • This method has the advantage that the path position can be determined without gaps and, if necessary, inaccuracies in the path position detection due to fluctuations in the resistances and inaccuracies in the current measurement are compensated for by redundant evaluation.
  • the path position is determined only when the current I 1 is switched off and when the capture current I 2 is active .
  • the path position can then only be determined at the beginning of the armature's detachment process from the contact surface on the electromagnet and after the catching current has been set. This method is advantageous because the electrical power consumption during the capture phase and the braking effect of the electromagnet that is switched off can be minimized.
  • 6a and 6b show flow diagrams for detecting the anchor position, which are processed in the control unit 3.
  • the program calculates the position X of the anchor when the anchor moves from position s1 to position s2.
  • An equivalent program that calculates position X when the armature moves from position s2 to position s1 is also provided.
  • the program is started in a first step S1.
  • the current I 1 is assigned the holding current value I H , the magnetic flux ⁇ 1 the holding flow ⁇ H , and the position X the initial value s1 .
  • the current I 1 is assigned an initial current value I 0 ⁇ I H , the magnetic flux ⁇ 1 an initial flux ⁇ 1 , and the position X 1 the initial value S1.
  • step S5 a new current value I M is determined in step S5 and the induction voltage U ind of the excitation coil is calculated.
  • step S6 a new value of the magnetic flux ⁇ 1 is calculated from the induction voltage using the initial value of the magnetic flux ⁇ 0 and the integration of the induction voltage.
  • Position X is determined in step S7 by interpolation of the characteristic diagram.
  • step S8 it is checked whether the measured current is greater than a lower limit value I U , which is generally very small or equal to zero. If the condition is not met, the determination of the path position is continued. If the condition is met, the current I 1 and the magnetic flux ⁇ 1 are set to zero in step S9. The position determination is completed in step S10.
  • step S6 a new value of the magnetic flux ⁇ 2 is calculated from the induction voltage using the initial value of the magnetic flux ⁇ 0 and the integration of the induction voltage.
  • Position X is determined in step S7 by interpolation of the characteristic diagram.
  • step S8 it is checked whether the armature has reached position s2, ie whether the armature movement has been completed. If the condition is not met, the determination of the path position is continued. If the condition is met, the current I 2 is set equal to the holding current I H , the holding flux ⁇ H is assigned to the magnetic flux ⁇ 2 and the position X is assigned the end position s2.
  • step S10 a query is made as to whether the position determination should be terminated.
  • This query enables the path determination to be continued during the holding phase in order to obtain more precise initial flow values and initial current values for the switching-off process from the holding phase and to determine whether the armature detaches during the holding phase.
  • a measuring method which is used to determine the position must ensure that, in particular in the case of fast-switching electromechanical actuators, a high degree of accuracy in determining the position is achieved; In addition, it is required that the energy requirement of the measuring method is kept as low as possible.
  • the accuracy of the position determination depends on the Accuracy of the maps as well as the accuracy the map interpolation or the accuracy, by means of a calculation with a function can be achieved. From that shown in Fig. 4 Map shows that with decreasing magnetic Flow becomes increasingly difficult using map interpolation to determine the position. this will even clearer when looking at Fig. 7, in which the Air gap ⁇ is plotted over the river ⁇ . The of the Regulation required accuracy of position determination can therefore only be guaranteed if dependent of the air gap between armature and magnet a corresponding Minimum flow value is available.
  • the position evaluation can only be meaningful if the magnetic flux ⁇ is greater than a defined minimum flux value ⁇ min , which is derived as a function of the air gap from the respective accuracy of the map interpolation / the calculation using an approximation function.
  • a position evaluation with high accuracy can at time t1, as long as ⁇ > ⁇ min .
  • the position evaluation then becomes inaccurate and must be evaluated using suitable auxiliary methods for a control procedure. From time t2, the position evaluation becomes more precise again since ⁇ > ⁇ min is fulfilled again.
  • the excitation current of the one magnet iM1 is first reduced to a lower current level, so that it is ensured that the magnetic force becomes smaller than the spring force and the armature begins to move. This ensures that the dynamics of the electromagnet are affected as little as possible.
  • the excitation current is then increased again in accordance with the requirement ⁇ > ⁇ min , so that an exact position evaluation is possible over a longer period of time, namely up to time t3. If the control method allows a discontinuous position evaluation, the time t3 is selected so that a position evaluation can take place as long as it is necessary. Then the excitation current of the catch magnet iM2 is switched on.
  • the position can be determined again with the required accuracy. If a control method requires continuous position evaluation, the excitation current iM1 is only switched off later, so that it is ensured that the position evaluation can be carried out up to time t3.
  • the switch-off time is dimensioned such that the minimum flow value ⁇ min is always reached by the excitation current through one or the other excitation coil during the entire measuring process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ankers, der einem Stellantrieb zugeordnet ist, wobei der Stellantrieb mindestens einen Elektromagneten mit mindestens einer Erregerspule aufweist, wobei der Anker zwischen einer ersten Anlagefläche an dem Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche bewegt wird und der Strom in und gegebenenfalls der Spannungsabfall an der wenigstens einen Erregerspule ermittelt wird, und der magnetische Fluss Φ durch die Erregerspule durch Integration der induzierten Spannung ermittelt wird, wobei die induzierte Spannung entweder berechnet wird aus dem Strom durch die Erregerspule unter Berücksichtigung des Betriebszustandes der Leistungsendstufe oder aus dem Strom durch die Erregerspule und dem Spannungsabfall an der Erregerspule ermittelt wird und dass die Wegposition durch ein Kennfeld oder eine Funktion, das bzw. die den Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss Φ, dem Strom I und der Wegposition abbildet, ermittelt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers, der einem elektromagnetischen Stellgerät zugeordnet ist, gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Der Stellantrieb ist einem elektromechanischen Stellgerät zugeordnet, das beispielsweise ein als Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildetes Stellglied hat. Ein derartiges Stellgerät hat also ein Gaswechselventil und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb weist vorzugsweise zwei Elektromagnete auf, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels ein Anker durch Abschalten des Erregerspulenstroms des gerade haltenden Elektromagneten und Einschalten des Erregerspulenstroms des nun fangenden Elektromagneten bewegt werden kann.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers ist aus DE 19836769 bekannt. In diesem Verfahren wird die Wegposition aus der zeitlichen Ableitung der Ströme durch die Erregerspule und der Spannungsabfälle an der Erregerspule an jeweils zwei Zeitpunkten ermittelt. Das Verfahren hat den Nachteil, dass für die genaue Ermittlung der Wegposition zeitlich stark veränderliche Spannungsabfälle erforderlich sind. Zusätzlich basiert die Auswertemethode auf einer Näherungsformel, die nur im Bereich großer Luftspalte (>□~~.□m) genau ist und in dem für eine Regelung des Aktuators mit geringen Auftreffgeschwindigkeiten wichtigen Bereich kleiner Luftspalte große Ungenauigkeiten aufweist. Das Verfahren ist daher nur adaptiv regelbar und in einem geschlossenen Regelkreis ohne Adaption nur schwer realisierbar. Zusätzlich ist für eine zufriedenstellende Auswertung eine sehr frühe Bestromung der Erregerspule auf ein hohes Stromniveau erforderlich, die zu hohen elektrischen Verlusten führt.
Ein weiteres Auswerteverfahren benötigt eine Messspule, wie aus JP 7224624A bekannt, in welcher die Messspule zur Auswertung der Wegposition angewandt wird. Dieses Verfahren führt zu einem erhöhten Aufwand für Verkabelung und Kontaktierungstechnik und reduziert zusätzlich den zur Verfügung stehenden Wickelraum für die Erregerspule.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers zu schaffen, das eine genauere Auswertung zulässt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass mit nur einer Erregerspule je Elektromagnet eine im Vergleich zu DE 19836769 genauere Auswertung der Wegposition realisiert wird. Im Gegensatz zum bekannten Verfahren ist nur die Auswertung des Absolutstromes erforderlich und auf eine Erfassung der Spannungsabfälle an der Erregerspule kann gegebenenfalls verzichtet werden. Zusätzlich kann mit dem Verfahren kontinuierlich die Position ausgewertet werden, d.h. der Auswertezeitpunkt ist nicht so zu wählen, dass hohe veränderliche Spannungsabfälle an der Erregerspule anliegen müssen. Zusätzlich ist bei dem Verfahren ein niedriges Messstromniveau ausreichend, um eine genaue Wegposition zu bestimmen. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf den elektrischen Energiebedarf während der Bewegungsphase des Ankers von einer Anlagefläche des Elektromagneten zur anderen Anlagefläche aus. Eine wesentliche Verbesserung kann das Verfahren im Bereich kleiner Luftspalte erzielen, da die Wegposition in Gegensatz zu der in DE 19836769 beschriebenen Näherungsfunktion bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Interpolation eines für den Magneten genau ermittelten Kennfeldes bzw. einer funktionalen Abbildung des Kennfeldes ermittelt wird. Durch die höhere Genauigkeit vor allem im Bereich kleiner Luftspalte ist eine Regelung, die die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers auf die Anlagefläche des Elektromagneten minimiert, leichter zu realisieren. Eine adaptive Regelung, ist im Gegensatz zum in DE 19836769 beschriebenen Verfahren nicht erforderlich.
Für ein gegebenes Magnetsystem kann ein Kennlinienfeld mittels einer FEM-Methode ermittelt werden, bei dem der Zusammenhang zwischen Strom durch die Erregerspule, magnetischer Fluss der Erregerspule sowie dem Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche am Magneten ermittelt werden kann. Aus dem Kennfeld kann bei bekannten magnetischen Fluss und Strom eindeutig die Position des Ankers festgestellt werden. Der Strom wird gemessen und der magnetische Fluss der Erregerspule wird, wie im weiteren beschrieben wird, berechnet.
Bekanntlich lässt sich der magnetische Fluss einer Erregerspule wie folgt ermitteln: Φ = 1 N · ∫Uind · dt wobei:
Φ
Magnetischer Fluss durch die Erregerspule
N:
Anzahl der Windungen der Erregerspule
Uind:
Induktionsspannung der Erregerspule
Die Induktionsspannung ergibt sich bekannterweise aus Uind = USpule - URCU oder Uind = USpule - ISpule · RSpule Mit:
Uind:
Induktionsspannung der Erregerspule
URCU :
Spannungsabfall am Widerstand der Erregerspule
USpule :
Spannung an der Erregerspule
ISpule:
Strom durch die Erregerspule
RSpule:
Widerstand der Erregerspule
Der magnetische Fluss ist somit darstellbar als folgende Funktion: Φ = 1 N · ∫(USpule - ISpule · RSpule ) · dt
Der magnetische Fluss durch die Erregerspule kann somit durch Messung des Erregerspulenstroms sowie Messung des Spannungsabfalls an der Erregerspule ermittelt werden.
Eine weitere Vereinfachung der Erfassung des magnetischen Flusses ist möglich durch Berechnung der Erregerspulenspannung in Abhängigkeit des Betriebszustandes einer Leistungsendstufenschaltung. Bei einer bekannten Leistungsendstufe, die halbe H-Brücke genannt wird, sind vier verschiedene Betriebszustände möglich. Diese sind Ruhezustand (RZ), Aufmagnetisierungszustand (AMZ), Freilauf (FL) sowie schnelle Stromrückführung (SSR) mit Energierückführung.
Im Betriebszustand des Aufmagnetisierens (AMZ) kann der Spannungsabfall an der Erregerspule wie folgt ermittelt werden:
Figure 00050001
mit
Ri:
Widerstände beim Aufmagnetisieren (z.B. Widerstände der MOS-Transistoren, Widerstände Verkabelung und Kontaktierung, Messwiderstände)
Uv:
Versorgungsspannung
Im Betriebszustand der Schnellen Energierückführung (SSR) entspricht die Erregerspulenspannung der negativen Versorgerspannung, den Spannungsabfällen an beiden Dioden, die sich im Stromkreis befinden sowie den Verlusten an Messwiderstand und den Kontaktierungs- und Verkabelungswiderständen:
Figure 00060001
mit:
Ri:
Widerstände der in Schaltzustand des harten Abschaltens mit Energierückführung (Messwiderstände, Kontaktierungs- und Leitungswiderstande)
2*UD:
Spannungsabfall an den beiden Dioden beim harten Abschalten
Im Betriebszustand des Freilaufs wird die Erregerspulenspannung durch den Spannungsabfall an der Freilaufdiode sowie den Verlusten am Messwiderstand und dem MOS-Transistor sowie der Widerstände bestimmt. Die Erregerspulenspannung ist dann näherungsweise
Figure 00060002
mit:
Ri:
Widerstände im Schaltzustand des Freilaufs (Messwiderstände, Widerstand der MOS-Transistoren)
UD:
Spannungsabfall an der Diode im Freilaufkreis
In jedem Betriebszustand kann die Erregerspulenspannung und somit der magnetische Fluss rechnerisch bestimmt werden. Zur Ermittlung der Wegposition ist somit lediglich eine Erfassung des Stroms erforderlich.
Bei einer Anwendung des Verfahrens bei Elektromagneten mit Wirbelströmen wird der magnetische Fluß durch die Erregerspule aufgrund von Wirbelströmen reduziert. Zur Genauigkeitserhöhung muß die Induktionsspannung, die den magnetischen Fluss erzeugt, daher um den Einfluss der Wirbelströme korrigiert werden, damit die genauere Berechnung des magnetischen Flusses möglich ist. Bei Elektromagneten mit sehr geringen Wirbelstromverlusten kann der Einfluss der Wirbelströme durch einen Faktor berücksichtigt werden. U ind,korrigiert = U ind · RW Rw + RSpule mit
RW:
Wirbelstromwiderstand
RErregerspule
Erregerspulenwiderstand
Uind,korrigiert:
Induktionsspannung nach Berücksichtigung von Wirbelstromeinflüssen
Uind:
Induktionsspannung der Erregerspule
Für eine genaue Wirbelstromerfassung ist eine genaue Modellierung des zeitlich veränderlichen Wirbelstromwiderstandes erforderlich. Dies ist bei Elektromagneten mit geringen Wirbelstromverlusten vorteilhaft, bei Elektromagneten mit signifikanten Wirbelstromverlusten unbedingt erforderlich. Bei Elektromagneten mit geringen Wirbelstromverlusten kann der Wirbelstromwiderstand näherungsweise als konstant angesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1
zeigt die Anordnung des Stellgerätes und einer Steuereinrichtung in einer Verbrennungskraftmaschine.
Fig. 2a und Fig. 2b
zeigen verschiedene Ausführungsformen eines elektromagnetischen Stellgerätes, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung angewandt werden kann.
Fig. 3a
zeigt eine mögliche Ausführung einer Leistungsendstufe, die in einer Steuereinrichtung Verwendung finden kann.
Fig. 3b
beschreibt eine mögliche Anordnung von Strom- und Spannungsmessern innerhalb der Leistungsendstufe, die die für das Verfahren notwendigen Größen liefern.
Fig. 3c
beschreibt eine alternative Ausführung einer Leistungsendstufe, die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann.
Fig. 4
zeigt ein beispielhaftes Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen Strom, magnetischen Fluss durch die Erregerspule und Luftspalt bzw. Position des Ankers relativ zur Anlagefläche der Elektromagneten beschreibt.
Fig. 5a-5d
zeigen den zeitlich veränderlichen Stromverlauf der Erregerspulen und die Position des Ankers.
Fig. 6a und Fig. 6b
zeigen Ablaufdiagramme zum Bestimmen der Position X des Ankers;
Fig. 7
zeigt ein Diagramm des Luftspalts δ über dem Fluß Φ;
Fig 8a bis 8c
zeigen Diagramme verschiedener Strommessverfahren.
Ein elektromechanisches Stellgerät 1 (gemäß Fig.1) umfasst ein Stellglied 9, das hier als Gaswechselventil ausgebildet ist. Der Stellantrieb besteht aus zwei Elektromagneten 5a und 5b. An beiden Elektromagneten sind jeweils mindestens eine Erregerspule 12a bzw. 12b angeordnet. Es ist ein Anker 6 vorgesehen, der sich bei seiner Schwenkbewegung zwischen der Anlagefläche an dem oberen Elektromagneten und der Anlagefläche an dem unteren Elektromagneten bewegt. Bei einer Bewegung des Ankers hin zur unteren Anlagefläche dient eine Feder 8 als Rückstellmittel, während bei einer Bewegung hin zur oberen Anlagefläche ein Drehstab 7 als Rückstellmittel dient. Der Anker 6 ist in seiner Ruheposition in der Mittelstellung zwischen oberer und unterer Anlagefläche gezeigt. Die Ansteuerung des Stellgerätes erfolgt über eine Steuereinrichtung, die aus einer Steuereinheit 3 und Leistungsendstufen 2, 4 besteht. Die Erregerspulen 12 a und 12 b des Stellgerätes sind mit den Leistungsendstufen 2 und 4 über Kabel 10 leitend verbunden. In der Steuereinheit 3 werden Messstellen von Strom und Spannungsabfällen erfasst und/oder Signale von einer nicht dargestellten übergeordneten Steuerereinrichtung für Motorbetriebsfunktionen erfasst und Stellsignale erzeugt, in deren Abhängigkeit die beiden Erregerspulen des Stellgeräts gesteuert werden. Die Steuereinheit 3 hat einen Regler, dessen Regelgrößen der Strom durch die Erregerspulen I1, I2 sowie der Spannungsabfall U1,Spule, U2,Spule an den Erregerspulen der beiden Elektromagnete sind. Der Regler liefert die Steuersignale für die Steuerleitungen L1, L2 für die obere Leistungsendstufe 2 sowie die Steuersignale L1', L2' für die untere Leistungsendstufe 4, mit der die Steuereinheit mit den Leistungsendstufen leitend verbunden sind. Da in der Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung erläutert, wird auf die Ausgestaltung des Regler und deren Funktionalität nicht näher eingegangen.
In der Fig. 1 sind zwei Magnete mit je einer Spule vorgesehen. Es ist auch möglich, durch besondere Polausbildung mit einer Spule auszukommen, die dann für beide Funktionen (Halten und Fangen) eingesetzt wird.
In Fig. 2a und Fig. 2b sind mögliche Ausführungen eines elektromechanischen Stellgerätes dargestellt. In Fig. 2a ist ein aus DE 19825728 bekanntes elektromechanisches Stellgerät dargestellt, in dem die Betätigung des Stellgliedes durch den Anker 6' direkt erfolgt und eine obere und untere Rückstellfeder die Rückstellkraft des Ankers erzeugen. In Fig. 2b ist ein aus der Patentanmeldung PCT EP 9908755 bekanntes Stellgerät dargestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, das es einen im Hebel integrierten Anker 6" aufweist. Bei diesem Stellgerät erzeugt eine Ventilrückstellfeder die eine Rückstellkraft, während ein im Ankerrohr gelagerter Drehstab die andere Gegenkraft liefert.
Der in Fig. 3a dargestellte Aufbau einer Leistungsendstufe umfasst neben der Erregerspule W einen ersten Transistor TR1 und einen zweiten Transistor TR2 , dessen Gate-Anschlüsse mit den Steuerleitungen L1 und L2 elektrisch leitend verbunden sind. Ferner umfasst die Leistungsendstufe eine Diode D1 und eine Freilaufdiode D2 sowie den Messwiderstand RMess, der für die Strommessung des Stroms durch die Erregerspule vorgesehen ist. Ein zusätzlicher Widerstand R1 dient zur Abbildung der Widerstände der Kontaktierung und Stromleitung. Die Leistungsendstufe kann in vier verschiedenen Betriebszuständen gesteuert werden, die jeweils charakterisiert sind durch den jeweiligen Schaltzustand der Transistoren TR1 und TR2. Die Betriebszustände sind Ruhezustand (RZ), Aufmagnetisieren (AMZ), Freilauf (FL) sowie hartes Abschalten mit schneller Stromrückführung (SSR). Liegt an den Gate-Anschlüssen der vorzugsweise als MOS-Transistor ausgebildeten Transistoren TR1 und TR2 ein hohes Spannungspotential an, so ist der jeweilige Transistor von seinem Drain-Anschluss zum Source-Anschluss leitend. Liegt am Gate-Anschluss ein niedriges Spannungspotential an, so sperrt der Transistor von seinem Drain-Anschluss zu seinem Source-Anschluss.
Im Ruhezustand RZ sind die Transistoren TR1 und TR2 nicht leitend und der Strom durch die Erregerspule ist ebenfalls Null.
Im Betriebszustand des Aufmagnetisierens AMZ werden beide Transistoren leitend betrieben. Strom fließt dann von der Spannungsquelle mit dem Potential der Versorgerspannung durch den Transistor TR1, die Erregerspule, durch den Messwiderstand Rmess und den Transistor TR2 hin zu einem Masseanschluss, der auf einem Bezugspotential ist.
Im Betriebszustand des Freilaufs wird Transistor TR2 leitend betrieben und Transistor TR1 nicht leitend. Fließt im Zeitpunkt des Überganges in den Betriebszustand des Freilaufs FL ein Strom durch die Erregerspule W, so wird die Freilaufdiode D2 leitend und der Strom durch die erste Erregerspule nimmt abhängig von den Verlusten im Widerstand der Erregerspule, dem Transistor TR2, dem Messwiderstand Rmess und der Freilaufdiode D2 ab.
Im Betriebszustand der schnellen Stromrückführung SSR werden die Transistoren TR1 und TR2 nicht leitend betrieben. Fließt beim Übergang in den Betriebszustand der schnellen Stromrückführung SSR ein Strom durch die Erregerspule W, so werden die Freilaufdiode D2 und die Diode D1 leitend. Der Strom fließt dann von dem Bezugspotential über die Freilaufdiode D1, die Erregerspule, den Messwiderstand Rmess, die Diode D2 hin zur Spannungsquelle mit dem Spannungspotential der negativen Versorgerspannung Uv. Wird die Erregerspule nicht in Sättigung betrieben, so ist der Spannungsabfall in der Erregerspule gleich der negativen Versorgerspannung Uv zuzüglich der negativen Durchlassspannungen der Freilaufdiode D1 und der Diode D2 und den Verlusten am Messwiderstand.
In Fig. 3b ist die Positionierung der Messstellen zur Erfassung des Stromes durch die Erregerspule sowie des Spannungsabfalls an der Erregerspule in der Leistungsendstufe beschrieben. So wird der Spannungsabfall USpule zwischen der Zuführungsleistung zur Erregerspule und der Rückführungsleistung erfasst. Der Strom I wird aus dem Spannungsabfall am Messwiderstand Rmess ermittelt. Alternative Positionierungen der Messstellen zur Erfassung des Stromes durch die Erregerspule sind ebenfalls möglich. Außerdem kann statt des Messwiderstandes auch ein Hall-Element zur Strommessung eingesetzt werden.
In Fig. 3c ist eine alternative Endstufenbeschaltung dargestellt. Bei dieser Anordnung muss in der Aufmagnetisierungsphase (AMZ) nur der eine MOS-Transitor TR1 geschaltet werden. Der Strom fließt dann über die Erregerspule W, den Messwiderstand zum Masseanschluss der auf einem Bezugspotential liegt. In der Freilaufphase (FL) wird der zweite MOS-Transitor TR2 geschaltet und der erste MOS-Transitor abgeschaltet. Fließt im Zeitpunkt des Überganges in den Betriebszustand des Freilaufs FL ein Strom durch die Erregerspule, so wird die Freilaufdiode D1 leitend und der Strom durch die Erregerspule nimmt abhängig von den Verlusten im Widerstand der Erregerspule, dem Transistor TR1, dem Messwiderstand Rmess und der Freilaufdiode D1 ab. Im Betriebszustand der schnellen Stromrückführung (SSR) werden beide MOS-Transistoren abgeschaltet. Die Zener-Diode D2' wird dann wirksam. Fließt ein Strom durch die Erregerspule nimmt dieser abhängig von der Zener-Spannung, den Verlusten an der Freilaufdiode D1', dem Widerstand der Erregerspule und dem Messwiderstand Rmess ab. Der Vorteil dieser Endstufenbeschaltung liegt in den geringeren Verlusten beim Einschalten der Erregerspule und der geringeren Belastung der beiden MOS-Transistoren. Dies führt zu geringeren Kosten, ermöglicht jedoch im Gegensatz zur in Fig.3a und 3b beschriebenen Endstufenbeschaltung keine Rückspeisung der Energie im Betriebszustand der schnellen Stromrückführung. Diese Beschaltung eignet sich besonders für Elektromagnete die geringe mechanische Verluste zu überwinden haben
Als Alternative zu der beschriebenen Endstufenbeschaltungen sind auch andere Schaltungsvarianten denkbar wie z.B. eine Vollbrücke mit vier MOS-Transistoren. Alternative Schaltungsvarianten sind geeignet, wenn sie mindestens drei unterschiedliche Betriebszustände ermöglichen.
In Fig. 4 ist ein Kennlinienfeld eines Elektromagneten aufgezeigt, in dem der Zusammenhang zwischen Strom I durch die Erregerspule, dem magnetischem Fluss Φ (Vµs) der Erregerspule sowie dem Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche am Magneten ermittelt werden kann. Aus dem Kennlinienfeld kann bei bekannten magnetischen Fluss und Strom durch die Erregerspule der Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche des Magneten ermittelt werden und somit die Position des Ankers beziehungsweise des Ventils bestimmt werden. Die Ermittlung des Luftspaltes erfolgt durch Interpolation des Kennlinienfeldes, wie in Fig. 4 gezeigt, bzw. durch Berechnung mittels einer Funktion, die das Kennfeldes in ausreichender Genauigkeit abbildet. Zur möglichst genauen Ermittlung der Wegposition ist es vorteilhaft, die Wegposition in dem Kennlinienbereich zu ermitteln, in dem eine hohe Auflösung zwischen Luftspalt und der Messgrößen magnetischer Fluss und Strom gegeben ist, d.h. vorzugsweise im Bereich kleiner Luftspalte und eines großes magnetischen Flusses durch die Erregerspule.
In den Figuren 5a bis d sind verschiedene Verfahren der Ermittlung des Stromes und des magnetischen Flusses zur Positionsbestimmung während der Bewegungsphase von der Anlagefläche eines Elektromagneten zur Anlagefläche des anderen Elektromagneten dargestellt. In den Figuren 5a bis d ist der zeitliche Ablauf der Erregerstromniveaus I1 und I2 durch die beiden Erregerspulen der Elektromagnete sowie die Position X des Ankers dargestellt.
In einem ersten in Fig. 5a dargestellten Verfahren wird der Anker durch Bestromung der Erregerspule mit dem Strom I1 zunächst beispielweise mittels eines Zweipunktreglers auf einem Haltestromnivau IH gehalten. In diesem Zustand befindet sich der Anker an der Anlagefläche eines Elektromagneten. Die Position X ist dann s1. Zur Einleitung der Bewegung wird der Strom vom Haltestromniveau IH auf ein Messstromniveau IM reduziert und für die Zeit ΔtM auf dem Messstromniveau gehalten. Nachdem der Strom ein Stromniveau IS erreicht, welches geringfügig unter dem Haltestromniveau und über dem Messstromniveau liegt, setzt die Hubbewegung ein. Mittels der Flussänderung und der Stromänderung kann die Position des Ankers beim Ablösevorgang von der Anlagefläche des Elektromagneten kontinuierlich ermittelt werden. Die Wegposition ist solange ermittelbar, bis der Messstrom nach der Zeit ΔtM abgeschaltet wird. Nach Abschalten des Messstroms wird der Fangsstrom I2 der Erregerspule des anderen Elektromagneten aktiviert. Dieser Fangstrom kompensiert die mechanischen Verluste während der Hubbewegung und gewährleistet, dass der Anker sich hin bis zum Anliegen an der Anlagefläche des gegenüberliegenden Elektromagneten bewegt. Nach Einschalten des Fangstromes wird der Strom I2 der zweiten Erregerspule und der magnetische Fluss ausgewertet. Während des Zeitintervalls ΔtF kann die Position des Ankers kontinuierlich bestimmt werden. Nach Auftreffen des Ankers auf die Anlagefläche des gegenüberliegenden Elektromagneten (Position s2) wird der Anker wieder durch das Haltestromniveau IH an der Anlagefläche des Elektromagneten gehalten.
Das in Fig. 5b dargestellt Verfahren unterscheidet sich von dem in Fig.5a dargestellten Verfahren dadurch, dass der Strom der ersten Erregerspule I1 nach der Haltephase ΔtH im Anschluss auf Null zurückgeführt wird. Die Bestimmung der Position kann somit nur in einem kurzen Zeitintervall nach Beginn der Ankerbewegung erfolgen. Der Strom I2 der Erregerspule des Fangmagneten wird dann zuerst auf einem Messstromniveau IM gesetzt und dann auf das Fangstromniveau IF erhöht. Die Auswertung der Position erfolgt dann sowohl im Messstrombetrieb als auch im Fangstrombetrieb. Das zweite Verfahren ist vorteilhaft in Hinblick auf den elektrischen Energiebedarf für eine Fangphase, hat jedoch den Nachteil dass die Wegposition durch Auswertung der Fangspule ungenauer erfasst werden kann, da die Auswertung in einem Kennfeldbereich erfolgt, in dem eine geringe Auflösung vorhanden ist.
In dem in Fig. 5c beschriebenen Verfahren werden beide Erregerspulen für eine bestimmte Zeitdauer auf einem Messstromniveau ΔtM1 und ΔtM2 betrieben. Zeitweise erfolgt der Betrieb parallel. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass lückenlos die Wegposition ermittelt werden kann und gegebenenfalls Ungenauigkeiten bei der Wegpositionserfassung bedingt durch Schwankungen der Widerstände und Ungenauigkeiten der Strommessung durch redundante Auswertung kompensiert werden.
In dem in Fig. 5d beschriebenen vierten Verfahren wird die Wegposition nur beim Abschalten des Stroms I1 und während des Wirkens des Fangstromes I2 ermittelt. Die Wegposition kann dann nur zu Beginn des Ablösevorgangs des Ankers von der Anlagefläche am Elektromagneten sowie nach Einsetzen des Fangstromes ermittelt werden. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da die elektrische Leistungsaufnahme während der Fangphase sowie die Bremswirkung des abschaltenden Elektromagneten minimiert werden kann.
In Fig. 6a und Fig. 6b sind Ablaufdiagramme zur Erfassung der Ankerposition dargestellt, die in der Steuereinheit 3 abgearbeitet werden. Das Programm berechnet die Position X des Ankers, wenn sich der Anker von der Position s1 zur Position s2 bewegt. Ein äquivalentes Programm, das die Position X berechnet, wenn sich der Anker von der Position s2 zur Position s1 bewegt, ist ebenfalls vorgesehen.
In Fig. 6a ist das Ablaufdiagramm zur Erfassung der Ankerposition beim Abschalten der einen Haltespule dargestellt, d.h. beim Beginn der Hubbewegung des Ankers. In einem ersten Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem zweiten Schritt S2 wird dem Strom I1 der Haltestromwert IH, dem magnetischen Fluss Φ1 der Haltfluss ΦH, sowie der Position X der Anfangswert s1 zugeordnet. Im Schritt S3 wird dem Strom I1 ein Anfangsstromwert I0 < IH, dem magnetischen Fluss Φ1 ein Anfangsfluss Φ1, sowie der Position X1 der Anfangswert S1 zugeordnet. In einem vierten Schritt S4 wird geprüft, ob der gemessene Strom I1 das eingestellte Haltestromniveau unterschreitet, d.h. es wird geprüft, ob die Hubbewegung beginnt. Sofern die Bedingung erfüllt ist, wird im Schritt S5 ein neuer Stromwert IM ermittelt und die Induktionsspannung Uind der Erregerspule berechnet. Aus der Induktionspannung wird in Schritt S6 ein neuer Wert des magnetischen Flusses Φ1 berechnet und zwar mit Hilfe des Anfangswerts des magnetischen Flusses Φ0 und der Integration der Induktionsspannung. Die Ermittlung der Position X erfolgt in Schritt S7 durch Interpolation des Kennfeldes. In Schritt S8 wird geprüft, ob der gemessene Strom größer ist als ein unterer Grenzwert IU, der in der Regel sehr klein oder gleich Null ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, wird die Ermittlung der Wegposition fortgesetzt. Ist die Bedingung erfüllt, wird in Schritt S9 der Strom I1 sowie der magnetische Fluss Φ1 gleich Null gesetzt. In Schritt S10 wird die Positionsbestimmung abgeschlossen.
In Fig. 6b ist das Ablaufdiagramm zur Erfassung der Ankerposition beim Einschalten des Fangstromes I2 dargestellt, d.h. die Bestimmung der Wegposition nach bereits eingesetzter Ankerbewegung. In einem ersten Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem zweiten Schritt S2 wird der Strom I2 sowie magnetischer Fluss Φ1 Null gesetzt. Im Schritt S3 wird dem Strom I2 der Anfangsstromwert I0, dem magnetischen Fluss Φ2 der Anfangsfluss Φ0, zugeordnet. In einem vierten Schritt S4 wird geprüft, ob der gemessene Strom größer als Null ist, d.h. es wird geprüft, ob der Fangstrom eingeschaltet wurde. Sofern die Bedingung erfüllt ist, wird im Schritt S5 ein neuer Stromwert I2 = IF ermittelt und die Induktionsspannung Uind der Erregerspule berechnet. Aus der Induktionspannung wird in Schritt S6 ein neuer Wert des magnetischen Flusses Φ2 berechnet und zwar mit Hilfe Anfangswerts des magnetischen Flusses Φ0 und der Integration der Induktionsspannung. Die Ermittlung der Position X erfolgt in Schritt S7 durch Interpolation des Kennfeldes. In Schritt S8 wird geprüft, ob der Anker die Position s2 erreicht hat, d.h. ob die Ankerbewegung abgeschlossen ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, so wird die Ermittlung der Wegposition fortgesetzt. Ist die Bedingung erfüllt, wird der Strom I2 gleich dem Haltestrom IH gesetzt, dem magnetischen Fluss Φ2 der Haltefluss ΦH zugeordnet und der Position X gleich der Endposition s2 zugeordnet. In Schritt S10 wird abgefragt, ob die Positionsbestimmung abgebrochen werden soll. Diese Abfrage ermöglicht eine Fortsetzung der Wegbestimmung während der Haltephase, um genauere Anfangsflusswerte sowie Anfangsstromwerte für den Abschaltvorgang der aus der Haltephase zu erhalten, sowie um festzustellen, ob sich der Anker während der Haltephase ablöst.
Ein Meßverfahren, welches zur Positionsbestimmung dient, muß gewährleisten, daß insbesondere bei schnell schaltenden elektromechanischen Aktuatoren eine hohe Genauigkeit der Positionsermittlung erzielt wird, gleichzeitig darf die Dynamik der Anker / Ventilbewegung nicht stark beeinträchtigt werden. Zusätzlich ist gefordert, dass der Energiebedarf des Messverfahrens möglichst gering gehalten wird.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt ab von der Genauigkeit der ermittelten Kennfelder sowie der Genauigkeit der Kennfeldinterpolation beziehungsweise der Genauigkeit, die mittels einer Berechnung mit einer Funktion erzielt werden kann. Aus dem in Fig. 4 dargestellten Kennfeld wird ersichtlich, dass mit abnehmendem magnetischen Fluss es zunehmend schwieriger wird, mittels Kennfeldinterpolation die Position zu bestimmen. Dies wird noch deutlicher bei Betrachtung der Fig. 7, in der der Luftspalt δ über dem Fluß Φ aufgetragen ist. Die von der Regelung geforderte Genauigkeit der Positionsbestimmung kann also nur gewährleistet werden, wenn in Abhängigkeit des Luftspaltes zwischen Anker und Magnet ein entsprechender Mindestflusswert vorliegt.
Bei der Erfindung kann die Positionsauswertung nur dann sinnvoll erfolgen, wenn der magnetische Fluß Φ größer ist als ein definierter Mindestflusswert Φmin, der in Abhängigkeit des Luftspaltes aus der jeweiligen Genauigkeit der Kennfeldinterpolation / der Berechnung mittels Näherungsfunktion abgeleitet wird.
In dem in Fig. 8a dargestellten Messverfahren, bei dem die Ströme Iµ1 und Iµ2, der Weg x des Ankers und der Fluß Φ über der Zeit aufgetragen sind und das dem der Fig. 5 a entspricht, kann eine Positionsauswertung mit hoher Genauigkeit bis zum Zeitpunkt t1 erfolgen, solange gilt, dass Φ>Φmin. Danach wird die Positionsauswertung ungenau und muß mit geeigneten Hilfsmethoden für ein Regelverfahren ausgewertet werden. Ab dem Zeitpunkt t2 wird die Positionsauswertung wieder genauer, da Φ>Φmin wieder erfüllt ist.
Dieses Verfahren weist die Vorteile eines geringen Energiebedarfs, einer geringen Beeinträchtigung der Dynamik und eine gute Auswertung der Anfangs- und Endbewegung auf. Es ist jedoch nur eine schlechte oder keine sinnvolle Auswertung im Mittenbereich der Ankerbewegung möglich.
In dem zweiten Messverfahren gemäß Fig. 8b wird der Erregerstrom des einen Magneten iM1 zuerst auf ein niedrigeres Stromniveau reduziert, damit gewährleistet ist, dass die Magnetkraft kleiner als die Federkraft wird und der Anker beginnt, sich zu bewegen. Damit ist gewährleistet, dass die Dynamik des Elektromagneten so gering wie möglich beeinträchtigt wird. Danach wird der Erregerstrom entsprechend der Forderung Φ>Φmin wieder erhöht, so dass über einen längeren Zeitraum, nämlich bis zum Zeitpunkt t3, eine genaue Positionsauswertung möglich ist. Sofern das Regelverfahren eine diskontinuierliche Positionsauswertung gestattet, wird der Zeitpunkt t3 so gewählt, dass solange es notwendig ist eine Positionsauswertung erfolgen kann. Danach wird der Erregerstrom des Fangmagneten iM2 zugeschaltet. Sobald dabei der Mindestflusswert Φmin wieder erreicht ist, kann die Position wieder mit der geforderten Genauigkeit ermittelt werden.
Erfordert ein Regelverfahren eine kontinuierliche Positionsauswertung, so wird der Erregerstrom iM1 später erst abgeschaltet, so dass gewährleistet ist, dass bis zu Zeitpunkt t3 die Positionsauswertung durchgeführt werden kann. Hier wird der Abschaltzeitpunkt so bemessen, dass während des gesamten Messverfahrens immer der Mindestflusswert Φmin durch den Erregerstrom durch die eine oder andere Erregerspule erreicht wird.
Hier ist eine Auswertung der Position über einen längeren Zeitraum bzw. eine kontinuierliche Auswertung mit hoher Genauigkeit möglich, allerdings auf Kosten eines höheren Energiebedarfs und einer geringfügigen Beeinträchtigung der Dynamik.
Der Fig. 8c liegt ein diskontinuierliches Verfahren zu Grunde, mit dem zusätzlich zur Anfangs- und Endbewegung Referenzpunkte der Wegposition in der Bewegungsmitte ermittelt werden können, weil eine Bestromung von iM1 und iM2 in der Mitte so erfolgt, dass zeitweise Φmin überschritten wird. Dieses Verfahren weist einen geringen Energiebedarf und die geringste Beeinträchtigung der Dynamik auf. Es ist jedoch nur eine diskontinuierliche Positionsermittlung möglich. Der Vorteil gegenüber dem Verfahren der Fig. 8a liegt darin, dass genauere Referenzpunkte der Position ermittelt werden können.
In der Fig. 7 ist als Ergebnis der Anwendung des Verfahrens der Fig. 8b und 8c in Form von auswertbaren Kurven gezeigt.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ankers (6), der einem Stellantrieb zugeordnet ist, wobei der Stellantrieb mindestens einen Elektromagneten (5a, 5b) mit mindestens einer Erregerspule (12a, 12b) aufweist, wobei der Anker (6) zwischen einer ersten Anlagefläche an dem Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche bewegt wird, dadurch gekennzeichnet,
    a. dass der Strom in und gegebenenfalls der Spannungsabfall an der wenigstens einen Erregerspule (12a, 12b) ermittelt wird,
    b. dass der magnetische Fluss Φ durch die Erregerspule (12a, 12b) durch Integration der induzierten Spannung ermittelt wird, wobei die induzierte Spannung entweder berechnet wird aus dem Strom durch die Erregerspule unter Berücksichtigung des Betriebszustandes der Leistungsendstufe oder aus dem Strom durch die Erregerspule und dem Spannungsabfall an der Erregerspule ermittelt wird und
    c. dass die Wegposition durch ein Kennfeld oder eine Funktion, das bzw. die den Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss Φ, dem Strom I und der Wegposition abbildet, ermittelt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stromes ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der Strom wenigstens der einen Erregerspule ermittelt wird, wobei das Stromniveau variiert zwischen einem Haltestromniveau und einem Messstromniveau und anschließend der Fangstrom der wenigstens einen Erregerspule ausgewertet wird (Fig. 5a).
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stromes ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der Strom der wenigstens einen Erregerspule ermittelt wird, wobei das Stromniveau von einem Haltestromniveau abgeschaltet wird und anschließend der Fangstrom der wenigstens einen Erregerspule ausgewertet wird, bei dem der Fangstrom zwischen variierenden Fangstromniveaus und einem konstanten Messstromniveau ausgewertet wird (Fig 5b).
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stromes ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der Strom der wenigstens einen Erregerspule ermittelt wird, wobei das Stromniveau variiert zwischen einem Haltestromniveau und einem Messstromniveau und anschließend der Fangstrom der wenigstens einen Erregerspule ausgewertet wird, wobei der Fangstrom zwischen variierenden Fangstromniveaus und einem konstanten Messstromniveau ausgewertet wird (Fig. 5c).
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stromes ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der Strom der wenigstens einen Erregerspule ermittelt wird, wobei das Stromniveau von einem Haltestromniveau abschaltet wird und anschließend der Fangstrom der wenigstens einen Erregerspule ausgewertet wird, wobei der Fangstrom bei variierenden Fangstromniveaus ausgewertet wird (Fig. 5d).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegposition durch Interpolation eines Kennfeldes ermittelt oder mittels einer Funktion, die das Kennfeld abbildet, berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer genaueren Berechnung des magnetischen Flusses eine Korrekturfunktion zur Berücksichtigung der Wirbelstromverluste verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsendstufen eingesetzt werden, die mehrere Betriebszustände wie das Aufmagnetisieren (AMZ), den Freilauf (FL) und eine schnelle Stromrückführung (SSR) ermöglichen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung alternativ durch einen Messwiderstand oder ein Hall-Element erfolgt.
  10. Verfahren zur Strombestimmung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der geforderten Genauigkeit des Regelverfahrens ein Mindestflußwert Φmin festgelegt wird und dass in Abhängigkeit von Mindestflusswert Φmin ein Strommessverfahren zur Anwendung kommt, bei dem in den für das Regelverfahren relevanten Wegbereichen die Bedingung Φmin > Φmin erfüllt ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestflusswert Φmin in Abhängigkeit vom Luftspalt unterschiedlich festgelegt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Erregerspulen so bemessen wird, daß über den gesamten Hubbereich der Mindestflusswert Φmin überschritten ist, so dass eine kontinuierliche Weg-Auswertung möglich ist (Fig. 8b).
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Erregerspulen so bemessen wird, dass zu Anfang und am Ende der Hubbewegung Φmin überschritten ist und dass eine Stromanhebung im Mittenbereich vorgenommen wird, die eine Flussgröße Φmin verursacht (Fig. 8c).
  14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem der Haltestrom, der wenigstens einen Erregerwicklung auf ein solches Niveau (I1) abgesenkt wird, dass sich der Anker (6) vom Haltemagneten ablöst, dass danach der Strom der Haltewicklung für eine Zeit erhöht wird derart, dass ein vorgegebener Wert Φmin des magnetischen Flusses nicht unterschritten wird und dass schließlich der Fangstrom eingeschaltet wird (Fig. 8b).
  15. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung je einer Erregerwicklung für den Halte- und Fangstrom der Strom in der Halteerregerwicklung abgeschaltet wird, bevor der Fangstrom eingeschaltet wird (Fig. 8b).
  16. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung je einer Erregerabwicklung für den Halte- und Fangstrom sich die Erregerströme zeitweise überlappen Fig. 8b).
  17. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strommessverfahren angewandt wird, bei dem der Haltestrom der wenigstens eine Erregerwicklung zuerst abgeschaltet wird, so dass sich der Anker vom Haltemagneten ablöst, dass danach der Strom der Wicklung der wenigstens einen Erregerwicklung für eine Zeit erhöht wird derart, dass der vorgegebene Wert Φmin des magnetischen Flusses nicht unterschritten wird und dass danach der Fangstrom eingeschaltet wird (Fig. 8c).
  18. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung je einer Erregerwicklung für den Halte- und den Fangstrom der Strom in der Halteerregerwicklung und / oder der Strom in der Fangerregerwicklung derart geregelt wird, dass Φmin nicht unterschritten wird.
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