EP1212519B1 - Verfahren zum steuern eines elektromechanischen stellantriebes - Google Patents

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EP1212519B1
EP1212519B1 EP00974307A EP00974307A EP1212519B1 EP 1212519 B1 EP1212519 B1 EP 1212519B1 EP 00974307 A EP00974307 A EP 00974307A EP 00974307 A EP00974307 A EP 00974307A EP 1212519 B1 EP1212519 B1 EP 1212519B1
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EP
European Patent Office
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time
coil
actuator
end position
current
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EP00974307A
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Original Assignee
Siemens AG
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1866—Monitoring or fail-safe circuits with regulation loop

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electromechanical Actuator.
  • the Coil of the respective electromagnet energized the required Electricity in a catch phase is greater than in one Holding phase in which the gas exchange valve in an end position is held.
  • the invention is based on the object, an improved Method for controlling an electromechanical actuator to minimize the effects of sticking are.
  • sticking depends on the degeneration of the current in the coil, which in turn depends on the supply voltage of the actuator and the coil current level during holding in the end position. Therefore, in one variant of the invention, at least one of these variables is detected and the time period t k is selected depending on it.
  • Control time fluctuations affect an internal combustion engine with electromagnetically actuated gas exchange valves especially when closing the intake valves strongly negative on exhaust emissions and smoothness.
  • Fig. 1 shows an electromagnetic actuator 1 for a designed as a poppet valve gas exchange valve, consisting of a Valve plate 2 with valve seat 3 and a valve stem. 4 consists, which is mounted in a housing-side guide 5 and is provided at the upper end with a cone piece 6. Of the Valve disc is the actuator 1 between two end positions moved: In an upper end position is the gas exchange valve closed and opened in a lower end position. One between the housing-side guide 5 and the cone piece 6 arranged valve spring 8 acts on the valve disk in the closed position.
  • the actuator 1 further consists of an upper ferromagnetic Spool 10 and a lower ferromagnetic Bobbin 12, each carrying a coil 14 and 16.
  • armature 18th Within the upper bobbin 10 is slidably Anchored shaft 17, which has a plate-shaped armature 18th has, which lies between the two coils 14, 16.
  • the the armature 18 facing end faces 19 and 20 of the two Spool 10 and 12 form stops for the armature 18 and define the upper and lower end position of the gas exchange valve, in which it is open or closed.
  • An actuator spring 22 is between the armature shaft 17 and a clamped on the housing side stop 24 and applied the armature 18 in the direction of the open position of the valve disk 2.
  • the armature 18 rests on the valve stem 4. As long as the Coils 14 and 16 are de-energized, the armature 18 of the Valve spring 8 and the actuator spring 22 in the middle position held between the two end faces 19 and 20, as this is shown in the drawing.
  • the two coils 14 and 16 are each driven by a driver circuit 26, 27 energized by a control circuit 28 be controlled.
  • a piezoelectric element 30 ' provided on the Aktuatorfederabstützung.
  • One another piezo element 32 ' is on the housing-side guide 5 provided.
  • the output signals of the two piezo elements 30 ', 32' are the control circuit 28 supplied to them used, the impact velocity of the armature 18 on the Coil bobbins 10 and 12 at the end faces 19 and 20 so too Regulate that the valve without bouncing, quiet, fast and at the desired time in the respective end position transferred can be.
  • the driver circuit is together with a more detailed representation the control circuit 28 shown in Fig. 3 by way of example.
  • Fig. 3 shows the driver circuit 26 for the coil 14.
  • the driver circuit 27 is analogous.
  • the coil 14 between a highside FET Th, on the other hand to the supply voltage Vcc is connected, and a lowside FET Tl switched, in turn, on the other hand, via a resistor R is connected to the reference potential.
  • a diode D2 Between the reference potential and the connection node of the coil 14th with the highside FET Th is in the forward direction a diode D2 connected.
  • Between the connection node of the coil 14 with the low side FET Tl and the supply voltage Vcc is in Forward direction a diode D1 connected.
  • the supply voltage Vcc to the reference potential via a Capacitor C connected. Between Lowside-FET Tl and the Reference potential is a resistor R.
  • a setpoint current in the coil 14 is adjusted. there is the actual current on the voltage drop across the resistor R in Lowside branch measured.
  • the voltage drop is from a Differential amplifier 30 tapped, whose output value via an adding node 31, which is still a constant voltage source 32 is supplied, a filter 33 and further an analog / digital converter 34 and a microcontroller 35 supplied becomes.
  • FIGS. 2a to 2c show the current flow in the circuit 26 in different operating states of the actuator.
  • Fig. 2a shows the energization of the coil 14 during holding the actuator in the end position, in which the gas exchange valve closed is.
  • the current flows in the direction of the arrow labeled 40 from the supply voltage Vcc via the conductive highside FET Th, through the coil 14 and the likewise conductive lowside FT Tl and by the resistor R to the reference potential.
  • Fig. 2b is the turn off to see the coil.
  • the highside FET Th is opened.
  • the energy stored in the coil 14 builds up by the flow of current in the direction of arrow 40 via the low-side FET Tl and the diode D2 from.
  • the driver circuit 26 in the manner indicated in Fig. 2c are switched.
  • the current in the coil 14 drops during clamping with an exponential function from. This drop is in the time series of Fig. 4 shown in the upper curve.
  • the time constant of the exponential waste is due to the level of supply voltage certainly. The higher the supply voltage, the better faster the power dissipation takes place in the coil 14.
  • the Initial current level i. the current with which the coil 14 in the Circuit of Fig. 2a is energized, affects the time constant of exponential decay not, but very well Duration of time until the current has decayed sufficiently, i. until the actuator is released from the end position.
  • Fig. 4 the effect of "gluing" is in two time series shown.
  • the upper time series shows the course of the Energizing a coil while holding the actuator, for example the energization of the coil 14 to the armature 18 in to hold the end position in which the gas exchange valve is closed is.
  • On the X-axis is the time t, on the Y-axis the current I applied.
  • the associated stroke signal H is plotted against time t, that from the output signals of the two piezoelectric elements 30 ', 32 'in the control circuit 28 has been generated.
  • the coil 14 is energized until time t 0 with a holding current Im.
  • the control circuit 28 regulates the current between the values I min and I max .
  • the coil 14 is clamped.
  • the current I thereby drops to 0 between the time t 0 and t 1 .
  • This current level is indicated in Fig. 4 with I 0 . From the time t 1 , the coil 14 is thus no longer energized.
  • the associated stroke signal H shows that the armature 18 is released from the end position H 2 only at a later time t 2 .
  • the armature 18 thus leaves the end face 19, which is associated with the stroke signal H z , only a time t k after the time t 0 , to which was begun to clamp the coil 14.
  • the stroke signal is constant at the value H z . This is caused by the magnetic "sticking", which is due to the time required for the coil current reduction.
  • step S1 the supply voltage Vcc and the current coil current I (t 0 ) are measured.
  • the electrical adhesion time t e is determined from these parameter values. This can be done for example by means of a map in which the corresponding gluing time was stored for the parameters. Alternatively, this can also be done via the following equation:
  • T1 denotes the time constant of the exponential current decay, which is determined as a function of the magnitude of the supply voltage Vcc, for example, can be taken from a previously experimentally determined table. From the above equation, by simply resolving to t, one can determine the period of time at which the current has dropped to a certain current I f at which the magnetic force caused by this current becomes smaller than the resultant force of the springs 22 and 8 the anchor in the middle layer acted upon. This current I f is known for a given actuator or simply determined experimentally by the current I m is slowly lowered until the armature 18 is released from the end position.
  • step S3 Parallel to the steps S1 and S2, the mechanical bonding time t m is determined in step S3, for example, taken from a map.
  • An alternative determination of the mechanical adhesion time t m will be explained later with reference to FIG. 6.
  • step S4 the bonding times t e and t m are added at the time t k .
  • step S5 the switching timing t fv is determined in a known manner, to which the gas exchange valve is to leave the end position.
  • step S6 the time at which to turn off the Spulenbestromung, ie, the coil is to be clamped, determined by the gluing time t k is deducted from the switching timing t sv , so that the switching time t s is obtained.
  • step S3 As an alternative to removing the mechanical adhesion time t m from a characteristic field in step S3, which in fact means a fixed value for the mechanical bonding time t m , the method steps illustrated in FIG. 6 can be run through.
  • step S31 a starting value of the mechanical bonding time for then a subsequent adaptation method taken from a memory. This may be a value stored once or the value for the mechanical adhesion time t m determined during the last operation of the control circuit 28.
  • step S32 with this start value, the time t k corresponding to the steps of Fig. 5 is first determined and used to drive the actuator.
  • step S33 the stroke signal H is monitored at the same time and the time difference between the time t 2 at which the actuator or armature 18 releases from the end position and the time t 0 at which the coil was clamped is determined.
  • the time period t k which has actually set during operation of the actuator.
  • the value for the time period t k previously calculated in the method according to FIG. 5 is then subtracted in step S 34. This difference may be positive or negative depending on whether the calculated value for the time t k was greater or less than the measured value.
  • the difference is then added to the value for the mechanical tack time t m , which was assumed in step S31. This value is then used for the next operation of the method of Fig. 6 in the next pass of step S31, so that the mechanical sticking time t m is constantly adapted.
  • step S31 an output value for the time span t k for first actuation of the actuator is thus first taken. This value is then adapted by measuring the actually setting time period t k in steps S32 and S33 as well as S34, so that the last measured value for the time span t k is always used for each actuation of the actuator.

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Abstract

Um einen Stellantrieb, der ein Stellglied zum Ansteuern beispielsweise eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mittels einer Spule in einer Endstellung hält, rechtzeitig in die andere Endstellung umschalten zu können, wird die Bestromung der Spule eine gewisse Zeitspanne tk vor dem Zeitpunkt abgeschaltet, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll. Dabei wird die Zeitspanne tk abhängig von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und/oder des Spulenstroms während des Haltens in der Endstellung gewählt. Auch ist eine Adaption der Zeitspanne tk möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes.
Brennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile nockenwellenunabhängig betätigt werden, sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Gaswechselventilen werden diese Gaswechselventile zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert; eine feste mechanische Kopplung mit der Kurbelwelle liegt nicht vor. Beispiele für elektromechanische Stellantriebe für Gaswechselventile sind aus DE 297 12 502 U1 oder EP 0 724 067 A1 bekannt. Sie weisen eine zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung liegende Ruhestellung auf, aus der sie mittels Elektromagneten ausgelenkt werden können.
Um ein Gaswechselventil zu öffnen oder zu schließen, wird die Spule des jeweiligen Elektromagneten bestromt, wobei der erforderliche Strom in einer Fangphase größer ist als in einer Haltephase, in der das Gaswechselventil in einer Endstellung gehalten wird.
Während bei herkömmlichem, nockenwellenbetätigtem Ventiltrieb eine Vorgabe der Steuerzeiten im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine nicht anfällt, müssen bei elektromechanisch betätigten Gaswechselventilen entsprechende Steuerzeiten berechnet und vorgegeben werden.
Dabei muß berücksichtigt werden, daß das Gaswechselventil zusammen mit dem Stellantrieb und dessen Federn einen FederMasse-Schwinger darstellt. Dessen Eigen- oder Resonanzfrequenz bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Ventil zwischen den Endstellungen bewegt werden kann.
Durch die physikalischen Gegebenheiten ist eine minimale Stellzeit von einer zur anderen Endstellung vorgegeben. Es ist bekannt, diese minimale Stellzeit bei der Berechnung der Steuerzeiten zu berücksichtigen.
Aus der im Oberbegriff berücksichtigten DE 195 26 681 A1 ist es bekannt, die Bestromung der das Stellglied in der Endstellung haltenden Spule eine gewisse Zeitspanne vor dem Zeitpunkt abzuschaffen, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll, da durch mechanische und magnetische Effekte im Stellantrieb ein sogenanntes Kleben des Stellglieds in einer Endstellung auftritt. Dies ist auch in der DE 195 31 437 A1, der DE 196 23 698 A1 und der DE 195 18 056 A1 erwähnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes zu schaffen, bei dem die Auswirkungen des Klebens minimiert sind.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 definierte Erfindung gelöst.
Eine genaue Untersuchung ergab, daß das Kleben vom Abbau des Stromes in der Spule und dieser wiederum von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und des Spulenstrompegels während des Haltens in der Endstellung abhängt. Deshalb wird in einer Variante der Erfindung mindestens eine dieser Größen erfaßt und die Zeitspanne tk abhängig davon gewählt.
Weiter zeigte sich, daß das durch Adhäsionseffekte im Stellantrieb bedingte mechanische Kleben weitgehend betriebsparameterunabhängig und über die Lebensdauer des Stellantriebes nur gering veränderlich ist. Das durch den Abbau des Stromes in der Spule bedingte magnetische Kleben hängt dagegen von erfaßbaren Betriebsparametern des Stellantriebes ab. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden deshalb diese Betriebsparameter erfaßt und zur Bestimmung einer Teilzeit der Zeitspanne tk verwendet, die betriebsparameterabhängig ist. Als weitere Teilzeit, die zusammen mit obiger erster Teilzeit die Zeitspanne ergibt, wird eine konstante, d.h. fest abgespeicherte Größe verwendet. Sie kann aber auch durch Messung der Gesamtzeitspanne tk in einem gewissen Zeitraster adaptiert werden.
Mit diesen Verfahren sind unerwünschte Steuerzeitschwankungen bei der Ansteuerung des Stellantriebes vermieden. Solche Steuerzeitschwankungen wirken sich bei einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen gerade beim Schließen der Einlaßventile stark negativ auf Abgasemissionen und Laufruhe aus.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1
einen Schnitt durch einen Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2a, 2b und 2c
den Stromverlauf in einer Treiberschaltung einer Spule des Stellantriebes,
Fig. 3
die Treiberschaltung,
Fig. 4
den Zeitverlauf des Spulenstroms in einer Spule und das Hubsignal der Bewegung des Stellglieds,
Fig. 5
ein erstes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des elektromechanischen Stellantriebs und
Fig. 6
ein zweites Ablaufdiagramm des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Stellantrieb 1 für ein als Tellerventil ausgebildetes Gaswechselventil, das aus einem Ventilteller 2 mit Ventilsitz 3 und einem Ventilschaft 4 besteht, der in einer gehäuseseitigen Führung 5 gelagert ist und am oberen Ende mit einem Kegelstück 6 versehen ist. Der Ventilteller wird vom Stellantrieb 1 zwischen zwei Endstellungen bewegt: In einer oberen Endstellung ist das Gaswechselventil geschlossen und in einer unteren Endstellung geöffnet. Eine zwischen der gehäuseseitigen Führung 5 und dem Kegelstück 6 angeordnete Ventilfeder 8 beaufschlagt den Ventilteller in die Schließstellung.
Der Stellantrieb 1 besteht weiter aus einem oberen ferromagnetischen Spulenkörper 10 und einem unteren ferromagnetischen Spulenkörper 12, die jeweils eine Spule 14 und 16 tragen.
Innerhalb des oberen Spulenkörpers 10 ist verschiebbar ein Ankerschaft 17 gelagert, der einen plattenförmigen Anker 18 aufweist, der zwischen den beiden Spulen 14, 16 liegt. Die dem Anker 18 zugekehrten Stirnseiten 19 und 20 der beiden Spulenkörper 10 und 12 bilden Anschläge für den Anker 18 und definieren damit die obere und untere Endstellung des Gaswechselventils, in der es geöffnet bzw. geschlossen ist.
Eine Aktuatorfeder 22 ist zwischen dem Ankerschaft 17 und einem gehäuseseitigen Anschlag 24 eingespannt und beaufschlagt den Anker 18 in Richtung Öffnungsstellung des Ventiltellers 2. Der Anker 18 liegt auf dem Ventilschaft 4 auf. Solange die Spulen 14 und 16 stromlos sind, wird der Anker 18 von der Ventilfeder 8 und der Aktuatorfeder 22 in der Mittelstellung zwischen den beiden Stirnseiten 19 und 20 gehalten, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.
Die beiden Spulen 14 und 16 werden jeweils von einer Treiberschaltung 26, 27 bestromt, die von einer Regelschaltung 28 angesteuert werden.
Zur Messung des Hubes des Ankertellers 2 ist weiter ein Piezoelement 30' an der Aktuatorfederabstützung vorgesehen. Ein weiteres Piezoelement 32' ist an der gehäuseseitigen Führung 5 vorgesehen. Die Ausgangssignale der beiden Piezoelemente 30', 32' werden der Regelschaltung 28 zugeführt, die sie dazu verwendet, die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 18 auf den Spulenkörpern 10 bzw. 12 an den Stirnseiten 19 bzw. 20 so zu regeln, daß das Ventil ohne Prallen, geräuscharm, rasch und zum gewünschten Zeitpunkt in die jeweilige Endstellung überführt werden kann.
Die Treiberschaltung ist zusammen mit einer genaueren Darstellung der Regelschaltung 28 in Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Die Fig. 3 zeigt die Treiberschaltung 26 für die Spule 14. Die Treiberschaltung 27 ist analog ausgebildet.
Die Spule 14 wird, wie in Fig. 3 zu sehen ist, durch eine asymmetrische Halbbrücke angesteuert. Dabei ist die Spule 14 zwischen einen Highside-FET Th, der andererseits an die Versorgungsspannung Vcc angeschlossen ist, und einen Lowside-FET Tl geschaltet, der wiederum andererseits über einen Widerstand R an das Bezugspotential angeschlossen ist. Zwischen das Bezugspotential und den Verbindungsknoten der Spule 14 mit dem Highside-FET Th ist in Durchlaßrichtung eine Diode D2 geschaltet. Zwischen den Verbindungsknoten der Spule 14 mit dem Lowside-FET Tl und der Versorgungsspannung Vcc ist in Durchlaßrichtung eine Diode D1 geschaltet. Schließlich ist die Versorgungsspannung Vcc mit dem Bezugspotential über einen Kondensator C verbunden. Zwischen Lowside-FET Tl und dem Bezugspotential liegt ein Widerstand R.
Durch Ein- und Ausschalten des Highside- und/oder Lowside-FET Th, Tl wird ein Sollstrom in der Spule 14 eingeregelt. Dabei wird der Iststrom über den Spannungsabfall am Widerstand R im Lowsidezweig gemessen. Der Spannungsabfall wird von einem Differenzverstärker 30 abgegriffen, dessen Ausgangswert über einen Addierknoten 31, dem noch eine Konstantspannungsquelle 32 zugeführt wird, einem Filter 33 und weiter einem Analog/Digital-Wandler 34 und einem Microcontroller 35 zugeführt wird.
Die Figuren 2a mit 2c zeigen nun den Stromfluß in der Schaltung 26 in verschiedenen Betriebszuständen des Stellantriebes. Dabei sind die der Fig. 3 entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 2a zeigt die Bestromung der Spule 14 während des Haltens des Stellantriebes in der Endstellung, in der das Gaswechselventil geschlossen ist. Dabei fließt der Strom in Richtung des mit 40 bezeichneten Pfeiles von der Versorgungsspannung Vcc über den leitenden Highside-FET Th, durch die Spule 14 und den ebenfalls leitenden Lowside-FT Tl und durch den Widerstand R zum Bezugspotential. In Fig. 2b ist das Ausschalten der Spule zu sehen. Dazu wird der Highside-FET Th geöffnet. Dann baut sich die in der Spule 14 gespeicherte Energie durch den Stromfluß in Richtung des Pfeiles 40 über den Lowside-FET Tl und die Diode D2 ab. Um die Bestromung der Spule noch schneller zu beenden, kann die Treiberschaltung 26 in der in Fig. 2c bezeichneten Weise geschaltet werden. Dazu wird der Lowside-FET Tl ebenfalls geöffnet. Dieser als "Klemmen" bezeichnete Zustand entlädt die Spule 14 durch einen Stromfluß in Richtung des Pfeiles 40 über die Dioden D2 und D1 sowie den entsprechend vorgespannten Kondensator C. Durch Klemmen der Spule kann der Spulenstrom sehr viel schneller abgeschaltet werden, als durch bloßes Ausschalten, wie es in Fig. 2b dargestellt ist.
Der Strom in der Spule 14 fällt beim Klemmen mit einer Exponentialfunktion ab. Dieser Abfall ist in der Zeitreihe der Fig. 4 in der oberen Kurve dargestellt. Die Zeitkonstante des exponentialen Abfalls wird durch die Höhe der Versorgungsspannung bestimmt. Je höher die Versorgungsspannung ist, desto schneller findet der Stromabbau in der Spule 14 statt. Die Anfangsstromhöhe, d.h. der Strom, mit dem die Spule 14 in der Schaltung der Fig. 2a bestromt wird, beeinflußt die Zeitkonstante des exponentiellen Abfalles nicht, sehr wohl aber die Zeitdauer, bis der Strom ausreichend abgeklungen ist, d.h. bis das Stellglied aus der Endstellung freigegeben wird.
In Fig. 4 ist die Wirkung des "Klebens" in zwei Zeitreihen dargestellt. Die oberen Zeitreihe zeigt den Verlauf der Bestromung einer Spule beim Halten des Stellgliedes, beispielsweise die Bestromung der Spule 14, um den Anker 18 in der Endstellung zu halten, in der das Gaswechselventil geschlossen ist. Auf der X-Achse ist die Zeit t, auf der Y-Achse der Strom I aufgetragen. In der darunterliegenden Kurve ist das zugehörige Hubsignal H über der Zeit t aufgetragen, das aus den Ausgangssignalen der beiden Piezoelemente 30', 32' in der Regelschaltung 28 generiert wurde.
Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird die Spule 14 bis zur Zeit t0 mit einem Haltestrom Im bestromt. Dabei wird von der Regelschaltung 28 der Strom zwischen den Werten Imin und Imax geregelt. Zum Zeitpunkt t0 wird die Spule 14 geklemmt. Der Strom I fällt dadurch zwischen der Zeit t0 und t1 auf 0 ab. Dieser Strompegel ist in Fig. 4 mit I0 bezeichnet. Ab dem Zeitpunkt t1 ist die Spule 14 somit nicht mehr bestromt.
Das zugehörige Hubsignal H zeigt, daß der Anker 18 sich erst zu einem späteren Zeitpunkt t2 aus der Endstellung H2 löst. Der Anker 18 verläßt somit die Stirnseite 19, der das Hubsignal Hz zugeordnet ist, erst eine Zeitspanne tk nach dem Zeitpunkt t0, zu dem begonnen wurde, die Spule 14 zu klemmen. Während der Zeitspanne te, in der sich der Strom in der Spule 18 abbaut, verbleibt der Anker 18 an der Stirnseite 19; das Hubsignal ist konstant auf dem Wert Hz. Dies ist durch das magnetische "Kleben" verursacht, das in der für den Spulenstromabbau erforderlichen Zeit begründet ist. Daß das Hubsignal darüber hinaus noch über die Zeitspanne tm den Wert Hz beibehält, d.h. daß der Anker 18 noch länger an der Stirnseite 19 verbleibt, hat seine Ursache im mechanischen "Kleben", das durch zusätzliche Adhäsionseffekte im Stellantrieb, z.B. durch einen Ölfilm oder durch Führungsreibung verursacht ist.
Verläßt der Anker die Stirnseite 19, wird er unter Wirkung der Federn 22,8 zur anderen Endstellung bewegt und dort mittels eines von der Spule 16 erzeugten magnetischen Feldes gefangen. Die Zeit für diese als "Freiflug" bezeichnete Bewegung ergibt sich aus der Wurzel des Quotienten von bewegter. Masse und Federkonstante, multipliziert mit einem Faktor von 2π.
Diese Effekte des "Klebens" betreffen natürlich gleichermaßen beide Endstellungen.
Um nun sicherzustellen, daß der Anker 18 bzw. das vom Stellglied angetriebenen Gaswechselventil zu einem vorbestimmten Zeitpunkt aus der Endstellung freigegeben wird und den "Freiflug" beginnt, wird ein Verfahren durchgeführt, dessen Schrittfolge schematisch in Fig. 5 dargestellt ist.
Im Schritt S1 werden die Versorgungsspannung Vcc sowie der aktuelle Spulenstrom I(t0) gemessen. Aus diesen Parameterwerten wird die elektrische Klebzeit te ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels eines Kennfeldes erfolgen, in dem zu den Parametern die entsprechende Klebzeit abgelegt wurde. Alternativ kann dies auch über folgende Gleichung erfolgen:
Figure 00090001
Dabei bezeichnet T1 die Zeitkonstante des exponentialen Stromabklingens, die abhängig von der Höhe der Versorgungsspannung Vcc ermittelt wird, beispielsweise einer zuvor experimentell bestimmten Tabelle entnommen werden kann. Aus obiger Gleichung kann man durch einfaches Auflösen nach t die Zeitdauer bestimmen, bei der der Strom auf einen bestimmten Strom If abgefallen ist, bei dem die durch diesen Strom bewirkte magnetische Kraft kleiner wird, als die resultierende Kraft der Federn 22 und 8, die den Anker in die Mittellage beaufschlagt. Dieser Strom If ist für einen gegebenen Stellantrieb bekannt bzw. einfach experimentell zu ermittelt, indem der Strom Im langsam solange abgesenkt wird, bis der Anker 18 sich aus der Endstellung löst.
Parallel zu den Schritten S1 und S2 wird in Schritt S3 die mechanische Klebzeit tm bestimmt, beispielsweise einem Kennfeld entnommen. Eine alternative Bestimmung der mechanischen Klebzeit tm wird später anhand von Fig. 6 noch erläutert werden.
In Schritt S4 werden die Klebzeiten te und tm zur Zeitspanne tk addiert. In Schritt S5 wird auf bekannte Weise die Schaltzeitvorgabe tfv bestimmt, zu der das Gaswechselventil die Endstellung verlassen soll.
In Schritt S6 wird nun der Zeitpunkt, zu dem die Spulenbestromung abzuschalten, d.h. die Spule zu klemmen ist, ermittelt, indem von der Schaltzeitvorgabe tsv die Klebzeit tk abgezogen wird, so daß der Schaltzeitpunkt ts erhalten wird.
Klemmt man nun die Spule zu diesen Schaltzeitpunkt ts, so ist sichergestellt, daß sich der Anker 18 des Stellantriebes bzw. das Gaswechselventil zur gewünschten Schaltzeitvorgabe tsv aus der Endstellung löst und den "Freiflug" beginnt.
Alternativ zur Entnahme der mechanischen Klebzeit tm aus einem Kennfeld in Schritt S3, was ja einen fixen Wert für die mechanische Klebzeit tm bedeutet, können die in Fig. 6 dargestellten Verfahrensschritte durchlaufen werden: Zuerst wird in Schritt S31 ein Startwert der mechanischen Klebzeit für ein dann folgendes Adaptionsverfahren aus einem Speicher entnommen. Dabei kann es sich um einen einmal eingespeicherten Wert oder um den beim letzten Betriebslauf der Regelschaltung 28 ermittelten Wert für die mechanische Klebzeit tm handeln. Dann wird in Schritt S32 mit diesem Startwert die Zeitspanne tk entsprechend den Schritten der Fig. 5 erstmalig bestimmt und zum Ansteuern des Stellantriebes verwendet. In Schritt S33 wird dabei gleichzeitig das Hubsignal H überwacht und die Zeitdifferenz zwischen der Zeit t2, zu der sich das Stellglied bzw. der Anker 18 aus der Endstellung löst, und die Zeit t0 ermittelt, zu der die Spule geklemmt wurde. Man erhält somit die Zeitspanne tk, die sich tatsächlich beim Betrieb des Stellantriebes eingestellt hat. Von diesem Meßwert für die Zeitspanne tk wird nun in Schritt S34 der zuvor im Verfahren nach Fig. 5 errechnete Wert für die Zeitspanne tk abgezogen. Diese Differenz kann positiv oder negativ sein, je nachdem, ob der errechnete Wert für die Zeitspanne tk größer oder kleiner als der gemessene Wert war. Die Differenz wird dann zum Wert für die mechanische Klebzeit tm addiert, von dem in Schritt S31 ausgegangen wurde. Dieser Wert wird dann für die nächste Durchführung des Verfahrens nach Fig. 6 beim nächsten Durchlauf des Schrittes S31 verwendet, so daß die mechanische Klebzeit tm ständig adaptiert wird.
Mit dieser Adaption ist es dann möglich, die Differenz zwischen dem Ausgangswert für die mechanische Klebzeit tm und dem als letzten adaptierten Wert zu bestimmen. Überschreitet die Differenz einen gewissen Schwellwert, kann man auf einen Fehler im mechanischen System schließen und diesen geeignet zur Anzeige bringen oder speichern.
Möchte man den Rechenaufwand bei der Durchführung des Verfahrens verringern, kann eine abgewandelte Version des Verfahrens nach Fig. 6 zum Einsatz kommen: Dabei wird nicht die mechanische Klebzeit tm adaptiert, sondern die gesamte Zeitspanne tk. Im Schritt S31 wird somit zuerst ein Ausgangswert für die Zeitspanne tk zur erstmaligen Ansteuerung des Stellantriebes entnommen. Dieser Wert wird dann durch Messung der sich tatsächlich einstellenden Zeitspanne tk in den Schritten S32 und S33 sowie S34 adaptiert, so daß für jede Ansteuerung des Stellantriebes immer der zuletzt gemessene Wert für die Zeitspanne tk verwendet wird.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Steuern eines elektromechanischen Stellantriebes, der ein Stellglied antreibt und der mindestens eine einer Endstellung des Stellgliedes zugeordnete Spule zum Halten des Stellgliedes in dieser Endstellung aufweist, bei welchem Verfahren die Bestromung der Spule eine gewisse Zeitspanne tk vor dem Zeitpunkt, zu dem das Stellglied aus der Endstellung freigegeben werden soll, abgeschaltet wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne tk abhängig von der Versorgungsspannung des Stellantriebes und/oder des Spulenstromes während des Haltens des Stellgliedes in der Endstellung gewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne tk aus zwei Teilzeiten zusammengesetzt wird, wobei nur die erste Teilzeit abhängig vom Spulenstrom und/oder der Versorgungsspannung gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilzeit konstant gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilzeit mittels der Bestimmung der Zeitspanne tk nach Anspruch 2 adaptiert wird.
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