DE10315584A1

DE10315584A1 - Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung

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Publication number: DE10315584A1
Application number: DE10315584A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Baumbach; Frank Dipl.-Ing. Bayer; Alfred Dr.-Ing. Elsäßer; Matthias Dipl.-Ing. Kallenbach; Rainer Dipl.-Ing. Otto; Wolfgang Dipl.-Ing. Schilling; Jan Schmidt
Original assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Current assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Priority date: 2003-04-05
Filing date: 2003-04-05
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-04-06
Also published as: DE10315584B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung, die ein Stellglied und einen Stellantrieb aufweist, der einen Elektromagneten mit einer Spule sowie einen Anker und eine den Anker in eine Ruheposition vorspannende Rückstelleinrichtung aufweist. DOLLAR A Um mit besonders einfachen Mitteln ein sanftes Anlegen des Ankers am Elektromagneten zu ermöglichen, wird während der Bewegung des Ankers ein Spulenstrom durch die Spule in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen gemessenen Istwerten des Spulenstroms und vorgegebenen Sollwerten des Spulenstroms geregelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO 99/34378 ist eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts bekannt, bei der das Stellgerät ein Stellglied und einen Stellantrieb aufweist. Das Stellgerät ist dabei als elektromagnetischer Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils bei einer Brennkraftmaschine ausgestaltet. Das Stellgerät umfasst ein Stellglied, also hier ein Gaswechselventil, und einen Stellantrieb, der zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete aufweist, die jeweils mit einer Spule ausgestattet sind. Ein zwischen den Elektromagneten verstellbar gelagerter Anker ist mit dem jeweiligen Ventil antriebsverbunden und mittels Rückstellfedern in einer Ruheposition vorgespannt. Im Betrieb wird der Anker mit Hilfe der Elektromagnete zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegt, in denen er jeweils an einem der Elektromagnete anliegt. Die Verstellbewegungen erfolgen dabei mit einer hohen Dynamik, da sehr kurze Schaltzeiten rea lisiert werden müssen. Um eine störende Geräuschentwicklung und einen erhöhten Verschleiß beim Anlegen des Ankers am Elektromagneten zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Stellbewegung des Ankers so zu steuern, dass dieser beim Anlegen am Elektromagneten möglichst „weich" landet, d.h. im Zeitpunkt der Kontaktierung soll eine möglichst geringe Relativgeschwindigkeit zwischen Anker und Elektromagnet vorliegen.
Bei der bekannten Steuerungseinrichtung wird ein weicher bzw. sanfter Aufprall des Ankers am Elektromagneten dadurch erreicht, dass während der Bewegung des Ankers der Strom durch die Spule in Abhängigkeit vom Absolutwert und der zeitlichen Ableitung des Stromes gesteuert wird. Eine aufwändige Positionssensorik ist dabei nicht erforderlich. Im einzelnen wird dazu zunächst im Freilaufbetrieb der Spule der Strom durch die Spule erfasst. Desweiteren wird die zeitliche Ableitung des Stroms durch die Spule ermittelt. Anschließend wird ein Quotient aus dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Strom gebildet. Danach wird dieser Quotient mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Die bekannte Vorgehensweise beruht auf der Überlegung, dass die Geschwindigkeit des Ankers mit dem Quotienten aus dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Stroms korreliert. Dementsprechend kann durch Vergleichen mit einem vorgegebenen Grenzwert festgestellt werden, ob der Anker im jeweiligen Zeitpunkt zu schnell oder zu langsam ist. Wird bei diesen Messungen festgestellt, dass der Anker zu schnell ist, wird der Spule zusätzlich Energie abgeführt. Falls der Anker zu langsam ist, wird der Spule mehr Energie zugeführt. Gleichzeitig wird permanent überprüft, ob der Strom durch die Spule oberhalb eines Mindeststroms liegt. Solange dies der Fall ist, wird die Quotientenbildung und Anpassung des Spulenstroms durchgeführt. Sobald jedoch der Mindeststrom unterschritten wird, werden zunächst ein erhöhter Haltestrom bis zum Anliegen des Ankers am Elektromagneten und anschließend ein reduzierter Haltestrom angelegt.
Die Realisierung des bekannten Steuerungs- bzw. Regelungskonzepts ist relativ aufwändig, da die Regelgröße, also der Strom durch die Spule, zunächst gemessen und anschließend differenziert werden muss, worunter die Zuverlässigkeit und Stabilität des bekannten Prinzips leiden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere zuverlässig arbeitet und preiswert realisierbar ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die Bewegung des Ankers eine Sollkurve für den Spulenstrom durch die Spule vorzugeben, der geregelt werden soll. Die Sollkurve ist dabei zweckmäßig so gewählt, dass sich für den Anker eine hinreichende, jedoch möglichst kleine Endgeschwindig keit beim Anlegen an den fangenden Elektromagneten ergibt. Hierdurch können Materialverschleiß und Geräuschentwicklung reduziert werden. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass der Spulenstrom mit der Ankergeschwindigkeit korreliert, so dass durch die Vorgabe eines Sollstromverlaufs ein für einen sanften Anschlag gewünschter Geschwindigkeitsverlauf erzielt werden kann, ohne dass hierzu die Geschwindigkeit des Ankers gemessen werden muß.
Von besonderer Bedeutung ist bei der vorliegenden Erfindung, dass sämtliche Meßgrößen und Regelgrößen zeitdiskret vorliegen, die in einem Prozessor zur Steuerung und/oder Regelung der Spulenbestromung ohnehin vorhanden und leicht verfügbar sind. Insbesondere können digitale oder analoge zeitliche Ableitungen des Stromes vermieden werden. Das erfindungsgemäße Steuerungs- und/oder Regelungsprinzip kommt daher mit besonders einfach ermittelbaren Größen aus und arbeitet besonders zuverlässig und stabil. Des weiteren sind die durchzuführenden Rechenoperationen einfach und mit wenig Rechenzeit realisierbar, so dass es insbesondere möglich ist, eine Vielzahl von Soll-Ist-Vergleichen während der Ankerbewegung vorzunehmen.
Die Spulenstrom-Sollwerte können grundsätzlich in einer beliebigen Form vorgegeben werden, so dass sie besonders einfach mit den Spulenstrom-Istwerten verglichen werden können. Beispielsweise ist es möglich, einen optimalen Sollwert-Verlauf empirisch oder rechnerisch zu ermitteln. Der so gefundene Sollwert-Verlauf kann beispielsweise als Kennlinie abgelegt und bereitgestellt werden. Ebenso ist es möglich, mehrere Sollkurven in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter in einem Kennfeld abzulegen, so dass jeweils die am besten geeignete Sollkurve in Abhängigkeit des jeweiligen Parameters abgerufen werden kann.
Des weiteren ist es möglich, den Sollverlauf aus einem Anschwingvorgang des Schwingungssystems, das aus Stellglied, Anker, Elektromagnet und Rückstelleinrichtung gebildet ist, zu ermitteln. Insbesondere bei solchen Ausführungsformen, bei denen der elektromagnetische Stellantrieb zwei Elektromagnete aufweist, an denen der Anker wechselseitig zur Anlage kommt, ist die Ruheposition des Ankers etwa mittig zwischen den beiden Elektromagneten angeordnet. Wenn die Stelleinrichtung außer Betrieb ist, sind beide Elektromagnete nicht bestromt, so dass der Anker diese Ruheposition einnimmt. Zum Starten der Stelleinrichtung muß der Anker mit Hilfe eines Anschwingvorgangs, bei dem die beiden Elektromagnete wechselweise bestromt werden, an einem der Elektromagnete zur Anlage gebracht werden. Der Anschwingvorgang ist erforderlich, da die Rückstelleinrichtung in der Regel so starke Rückstellkräfte erzeugt, dass keiner der Elektromagnete den Anker aus der Ruheposition heraus soweit anziehen kann, dass er daran zur Anlage kommt. Die vorgeschlagene Erfindung kann die zusätzliche Erkenntnis nutzen, dass der Anschwingvorgang charakteristisch für das jeweilige Schwingungssystem ist. Insbesondere kann der Anschwingungsvorgang zum Auffinden einer optimalen oder besonders geeigneten Sollwertkurve für die Spulenbestromung dienen.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform kann der Soll-Verlauf für einen aktuellen Stellvorgang des Ankers in Abhängigkeit wenigstens eines Ist-Verlaufs eines vorangehenden Ankerstellvorgangs adaptiert werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Erfassung des Ist-Verlaufs zur Auswertung des aktuellen Regelungsverhaltens verwendet. Beispielsweise kann dadurch die Sollkurve an sich ändernde Betriebsbedingungen der Stelleinrichtung bzw. der Peripherie der Stelleinrichtung angepasst werden. Beispielsweise kann sich die Charakteristik der Rückstelleinrichtung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ändern.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung,
2 ein Diagramm des Stromverlaufs durch die Spule in Abhängigkeit der Zeit.
Entsprechend 1 umfasst eine elektromagnetische Stelleinrichtung 1 einen elektromagnetischen Stellantrieb 2 sowie ein damit antriebsverbundenes, hier jedoch nicht gezeigtes Stellglied. Je nach Art der Stelleinrichtung 1 kann das Stellglied beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe oder ein beliebiges anderes Stellorgan sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Stelleinrichtung 1 um eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung zur Betätigung eines Lufttaktventils, das in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ebenso ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher die Stelleinrichtung 1 als elektromagnetischer Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist das nicht gezeigte Stellglied mit einer Antriebswelle 3 antriebsverbunden, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Mit der Antriebswelle 3 fest verbunden ist ein Anker 5, der mit Hilfe von zwei Elektromagneten 6 zwischen zwei Stellungen umschaltbar ist. Jeder Elektromagnet 6 besitzt wenigstens eine Spule 7 und kann wie hier außerdem mit einem Kern 8 ausge stattet sein. In der einen Endstellung liegt der mit durchgezogenen Linien gezeigte Anker 5 an dem einen Elektromagneten 6 bzw. an dessen Kern 8 an. In der anderen Endstellung liegt der mit unterbrochenen Linien dargestellte Anker 5 entsprechend am anderen Elektromagneten 6 bzw. an dessen Kern 8 an. Der Anker 5 verschwenkt beim Verstellen zwischen seinen Endstellungen um die Drehachse 4, wobei er über die Antriebswelle 3 das damit gekoppelte Stellglied mitnimmt.
Zwischen den beiden Endlagen besitzt der Anker 5 noch eine Ruheposition, in welche der Anker 5 mit Hilfe einer hier nicht gezeigten Rückstelleinrichtung vorgespannt ist. D.h., wenn beide Elektromagnete 6 unbestromt sind, zwingt die Rückstelleinrichtung den Anker 5 in diese Ruheposition. Die Rückstelleinrichtung kann beispielsweise durch eine mit der Antriebswelle 3 gekoppelten Torsionsfeder gebildet sein, deren Neutrallage in der Ruheposition vorliegt und die beim Drehen des Ankers 5 in die eine oder in die andere Endstellung gespannt wird. Die Ruheposition des Ankers 5 liegt regelmäßig etwa mittig zwischen den Endlagen.
Im Betrieb des Stellantriebs 2 wird der Anker 5 bei jedem Schaltvorgang von der einen Endstellung in die andere Endstellung umgeschaltet. Sowohl bei einer Anwendung als Ventiltrieb für ein Gaswechselventil als auch bei einer Anwendung als Lufttaktventil, muss der Stellantrieb 2 extrem kurze Stellzeiten realisieren. Hierzu werden die Spulen 7 der Elektromagnete 6 in geeigneter Weise bestromt.
Zur Betätigung der Stelleinrichtung 1 ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die eine Steuerung- und/oder Regelungseinrichtung 10 aufweist. Diese Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass sie den Strom durch die Spulen 7 gemäß dem nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren einstellen kann. Zu diesem Zweck ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 über Kabel 11 mit den Spulen 7 sowie über weitere, hier nicht gezeigte Kabel mit einer entsprechenden Energieversorgungseinrichtung verbunden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand des Diagramms gemäß 2 näher erläutert.
Das Diagramm gemäß 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I durch die Spule 7 des fangenden Elektromagneten 6 während eines Stellvorgangs des Ankers 5, bei dem sich der Anker 5 von der einen Endstellung in die andere Endstellung bewegt. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt der Schaltvorgang. Bis zu diesem Zeitpunkt t₀ liegt der Anker 5 an dem einen, dem abgebenden Elektromagneten 6 an, der ihn mit einer geeigneten Haltekraft in dieser ersten Endstellung festhält. Zum Zeitpunkt t₀ wird diese Haltekraft ausgeschaltet, so dass nun die Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung den Anker 5 in Richtung Ruheposition beschleunigt. Dabei wird potentielle Energie der Rückstelleinrichtung in kinetische Energie des Ankers 5 umgewandelt. Mit dem Abheben des Ankers 5 vom abgebenden Elektromagneten 6 oder zeitlich verzögert beginnt eine in 2 mit einer geschweiften Klammer gekennzeichne te Vorstromphase A der Ankerbewegung. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt bei der hier gezeigten Ausführungsform auch die Bestromung der Spule 7 des anderen, also des fangenden Elektromagneten 6.
Während dieser Vorstromphase A steigt der Spulenstrom I mit systemeigener Charakteristik an, und zwar bis auf einen vorbestimmten Vorstrom I_V.
Zum Zeitpunkt t₁ beginnt eine Regelungsphase B der Ankerbewegung, die in 2 ebenfalls durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist und bis zu einem Zeitpunkt t₂ andauert. Zum Zeitpunkt t₂ kommt der Anker 5 am fangenden Elektromagneten 6 zur Anlage. Spätestens zu diesem Zeitpunkt t₂ wird ein Haltestrom I_H an der Spule 7 des fangenden Magneten 6 eingestellt, der konstant sein kann.
Erfindungsgemäß ist für die Regelungsphase B eine Sollkurve für Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL vorbestimmt. Der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL ist zweckmäßig so gewählt, dass sich eine minimale, jedoch hinreichende Endgeschwindigkeit für den Anker 5 ergibt, die ausreicht, den Anker 5 „sanft" am fangenden Elektromagneten 6 bzw. an dessen Kern 8 zur Anlage zu bringen, und zwar so, dass der Anker 5 anschließend mit dem Haltestrom I_H am fangenden Elektromagneten 6 sicher festgehalten werden kann. Der zeitliche Verlauf der Sollwerte I_SOLL, also die Sollstromkurve I_SOLL (t) des Spulenstroms I kann beispielsweise empirisch durch Experimente ermittelt werden. Ebenso ist es möglich, Simulationsrechnun gen zum Auffinden des optimalen Kurvenverlaufs durchzuführen. Durch die Vorgabe der Sollkurve für die Spulen-Sollströme I_SOLL können insbesondere auch Effekte berücksichtigt werden, die sich unmittelbar vor Anlegen des Ankers 5 am jeweiligen Elektromagneten 6, also bei engen Spaltabständen besonders stark bemerkbar machen. Dies gilt insbesondere für nicht-lineare Zusammenhänge, die sich besonders einfach durch die Vorgabe der Sollkurve für die Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL berücksichtigen lassen.
Die Sollkurve der Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL besitzt hier beispielsweiese einen abfallenden Verlauf, d. h. die Sollströme I_SOLL fallen ab dem Zeitpunkt t₁ vom Vorstrom I_V ständig ab. Dabei ist der Stromabfall zu Beginn der Regelungsphase B, also in der Nähe des Zeitpunkts t₁ sehr flach, während der Spulenstrom I gegen Ende der Regelungsphase B, also in der Nähe des Zeitpunkts t₂ sehr steil abfällt.
In 2 ist exemplarisch außerdem eine andere, besonders einfach strukturierte Sollkurve für die Spulenstrom-Sollwerte I'_SOLL eingetragen, die als Gerade ausgebildet ist und mit konstanter Steigung vom Vorstrom I_V im Zeitpunkt t₁ zum Haltestrom I_H im Zeitpunkt t₂ führt. Dieser geradlinige Sollverlauf kann besonders einfach berechnet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der andere, oberhalb des geradlinigen Sollverlaufs liegende Sollverlauf erheblich stabiler arbeitet und gegenüber Störungen weniger anfällig ist. Grundsätzlich sind auch andere Verläufe für die Sollkurve möglich.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelung arbeitet wie folgt:
Zum Zeitpunkt t₀ beginnt mit dem Anlegen der Betriebsspannung die Stromzuführung zur Spule 7 des fangenden Elektromagneten 6. Die Energiezuführung in die Spule 7 endet bei Erreichen des Zeitpunkts t₁. Die Zunahme des Spulenstroms I endet beispielsweise ebenfalls im Zeitpunkt t₁. Bei sich ändernden Systemparametern ist es möglich, dass sich zum Zeitpunkt t₁ ein anderer Strom als der Vorstrom I_V einstellt.
Beispielsweise steigt der Spulenstrom I steiler an und erreicht im Zeitpunkt t₁ einen höheren Vorstrom I'_V. Ebenso kann der Stromanstieg in der Vorstromphase A flacher ausfallen, so dass im Zeitpunkt T₁ ein Vorstrom I''_V vorliegt, der niedriger als der „ideale" Vorstrom I_V ist.
Der Zeitpunkt t₁, ab dem die Regelungsphase B beginnt, ist zweckmäßig so gewählt, dass bis zu diesem Zeitpunkt keine oder im wesentlichen keine Wechselwirkung zwischen dem Anker 5 und der Spule 7 des fangenden Elektromagneten 6 auftritt. Üblicherweise wird die Bestromung in der Vorstromphase A solange aufrecht erhalten, bis der vorbestimmte Zeitpunkt t₁ erreicht ist.
Ab einem Zeitpunkt t₃, der vor dem Zeitpunkt t₁, also vor dem Beginn der Regelungsphase B liegt, beginnt die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 den tatsächlich durch die Spule 7 fließenden Strom zu messen, also den Istspulenstrom I_IST. Die Messwerterfassung erfolgt dabei zweckmäßig bei einer konstanten Messfrequenz, d.h. die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Messung des Iststroms I_IST sind konstant.
Im vorliegenden Fall ist in einem Anfangsbereich C, der in 2 durch eine geschweifte Klammer repräsentiert ist und sich vom Zeitpunkt t₃ bis zu einem nach dem Zeitpunkt t₁ liegenden Zeitpunkt t₄ erstreckt, eine erhöhte Messfrequenz eingestellt, um Abweichungen zu Beginn der Regelungsphase B besser berücksichtigen zu können. Bei der vorliegenden Variante besitzt die Regelungsphase B außerdem einen Endabschnitt D, der in 2 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist und den Zeitpunkt t₂ umfasst. In diesem Endabschnitt D kann die Messfrequenz vergrößert werden, d.h. pro Zeiteinheit werden mehr Iststrommessungen durchgeführt, insbesondere wieder mit einer konstanten Frequenz. Zwischen dem Anfangsabschnitt C und dem Endabschnitt D herrscht dementsprechend eine andere, kleinere, vorzugsweise konstante, Messfrequenz.
Während der Regelungsphase B findet bei mehreren, insbesondere bei sämtlichen Messzeitpunkten ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem jeweils gemessenen Istspulenstrom I_IST und dem vorgegebenen Sollspulenstrom I_SOLL statt. Hierzu wird zweckmäßig beim jeweiligen Mess- oder Vergleichszeitpunkt eine Differenz zwischen dem Spulenstrom-Istwert I_IST und dem Spulenstrom-Sollwert I_SOLL ermittelt. Diese Differenz entspricht in 2 beim jeweiligen Mess- oder Vergleichszeitpunkt dem vertikalen Abstand zwischen dem Verlauf der Spulenstrom-Istwerte I_IST und dem Verlauf der Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL.
Erfindungsgemäß wird nun der Spulenstrom I in Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs der Spulenströme I, also in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen zwischen Spulenstrom-Istwert I_IST und Spulenstrom-Sollwert I_SOLL geregelt. Der Regeleingriff bemisst sich dabei zweckmäßig nach dem Betrag und/oder nach der Richtung der gemessenen Abweichung zwischen Sollwert und Istwert des Spulenstroms I. Im vorliegenden Fall ist der Spulenstrom-Istwert I_IST kleiner als der Spulenstrom-Sollwert I_SOLL. Dies bedeutet, dass der Regler bzw. die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 die Stromzuführung zur Spule 7 erhöht. Da die Abweichung zwischen Istwert und Sollwert hier zu Beginn der Regelungsphase B relativ groß ist, könnte es zweckmäßig sein, den Regeleingriff entsprechend groß auszuwählen, d.h. entsprechend viel Strom bzw. Energie der Spule 7 zuzuführen. Um ein Überschwingen der Regelung zu vermeiden, wird jedoch im vorliegenden Fall der Regelungseingriff nicht sehr groß gewählt, so dass sich für den Istverlauf der Spulenstrom-Istwerte I_IST nur ein relativ sanfter Anstieg ergibt. Bei der vorliegenden Regelung wird somit die zeitliche Relativlage des einzelnen Mess- oder Vergleichszeitpunkts innerhalb der Zeitdauer der Regelungsphase B bei der Bestimmung des Regeleingriffs berücksichtigt. Ziel der Regelung ist es, den Istverlauf der Spulenstromistwerte I_IST möglichst sanft, also mit möglichst wenig Regelungsbedarf, in den Sollverlauf der Spulenstrom- Sollwerte I_SOLL zu überführen. D.h., die Abweichungen zwischen Spulenstrom-Sollwert I_SOLL und Spulenstrom-Istwert I_IST sollen im Verlauf der Ankerbewegung immer kleiner werden.
Für den Fall, dass der Spulenstrom-Istwert I_IST größer ist, als der erforderliche Spulenstrom-Sollwert I_SOLL, wird der Spule 7 Strom bzw. Energie entzogen, um den Abstand zwischen Sollverlauf und Istverlauf zu reduzieren.
Die Zuführung von Energie bzw. Strom zur fangenden Spule 7 und die Abführung von Energie bzw. Strom aus der fangenden Spule 7 erfolgt bei der Erfindung zweckmäßig in vorgegebenen, portionierten Einheiten, was den Steuerungsaufwand reduziert. Es ist klar, dass auch ganzzahlige Vielfache der einzelnen Portionen an Energie oder Strom zugeführt bzw. abgeführt werden können. Die portionsweise Zuführung bzw. Abführung von Strom oder Energie erfolgt dadurch, dass während einer vorbestimmten Zeitspanne zur Energiezuführung die Spule 7 an einen Energiespeicher angeschlossen oder dass an die Spule 7 eine Betriebsspannung angelegt wird. Zur Energieabfuhr wird die Energie dem Energiespeicher zugeführt oder in die Betriebsspannungsquelle rückgespeist.
Der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte I_SOLL kann bei einer einfachen Ausführungsform in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 in einem entsprechenden Speicher als Kennlinie abgelegt sein. Bei dieser Ausführungsform geht die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 mit dem jeweiligen Mess- oder Vergleichszeitpunkt in die Kennlinie, um daraus den zugehörigen Sollwert, direkt oder durch Interpolation herauszulesen. Anschließend kann der so ermittelte Sollwert mit dem gemessenen Istwert verglichen werden.
Ebenso ist es möglich, die vorbestimmte Sollkurve als Algorithmus, z.B. als Näherungsgleichung, abzulegen. Bei dieser Variante kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 zu jedem beliebigen Mess- oder Vergleichszeitpunkt den passenden Sollwert in Echtzeit berechnen, um ihn mit dem gemessenen Istwert zu vergleichen.
Während des Betriebs der Stelleinrichtung 1 können sich unterschiedliche Parameter der Stelleinrichtung 1 oder Umgebungsbedingungen der Stelleinrichtung 1 verändern. Diese Veränderungen der Randbedingungen können sich auf das durch Stellglied, Anker 5, Elektromagneten 6 und Rückstelleinrichtung gebildete Schwingungssystem auswirken. Beispielsweise kann die Federkennlinie der Rückstelleinrichtung von der Temperatur abhängen. Die optimale Sollkurve kann sich jedoch mit der Charakteristik des Schwingungssystems ändern. Dementsprechend kann es zweckmäßig sein, mehrere Sollverläufe in Form von Kennlinien in einem Kennfeld abzuspeichern, wobei dann Kennlinien in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters der Stelleinrichtung 1 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann für unterschiedliche Temperaturintervalle jeweils eine andere, entsprechend angepasste Sollkurve abgelegt sein. Es ist klar, dass der Einfluss eines oder mehrerer Parameter grundsätzlich auch in einem entsprechenden Algorithmus berücksichtigt werden kann.
Der Temperatureinfluss ist insbesondere bei der weiter oben angesprochenen, bevorzugten Anwendungsform der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 1 von besonderem Interesse. Sofern die Stelleinrichtung 1 bei einer kalten Brennkraftmaschine zur Anwendung kommt, liegen beim Starten der Brennkraftmaschine erheblich tiefere Temperaturen vor als zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem die Brennkraftmaschine ihre normale Betriebstemperatur erreicht hat. Hierbei können sich beträchtliche Temperaturunterschiede ausbilden.
Die während der Vorstromphase A in die Spule 7 eingespeiste Energie ist im Idealfall so groß, dass sie ausreicht, den Anker 5 ohne Regeleingriff mit der gewünschten Endgeschwindigkeit am anziehenden Elektromagneten 6 zur Anlage zu bringen. Durch Auswerten des Istverlaufs der Spulenstrom-Istwerte I_IST, insbesondere durch eine Auswertung der während der Regelungsphase B auftretenden Regeleingriffe, ist es möglich, die Vorstromphase A zu beeinflussen. Ziel ist es, dabei bei den nachfolgenden Schaltzyklen bzw. Ankerbewegungen den Regelungsbedarf zu reduzieren. Die Vorstromphase A kann beispielsweise dadurch variiert werden, dass der Zeitpunkt t₁ nach früh oder nach spät, insbesondere um einen vorbestimmten Betrag, verschoben wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Vorstrom I_V in seiner Höhe variiert werden. Dementsprechend kann die Vorstromphase A für den aktuellen Stellvorgang des Ankers 5 in Abhängigkeit des Istverlaufs von einem oder mehreren vorausgehenden Ankerstellvorgängen adaptiert werden.
In entsprechender Weise ist es ebenso möglich, den Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte I_SO _LL für den aktuellen Stellvorgang des Ankers 5 in Abhängigkeit des Istverlaufs eines oder mehrerer vorausgehender Ankerstellvorgänge zu adaptieren. Hierzu kann es beispielsweise zweckmäßig sein, das Auftreffverhalten des Ankers 5 am Elektromagneten 6 genauer zu untersuchen, um für nachfolgende Stellvorgänge die Sollkurve zu optimieren. Im Idealfall kann eine adaptive Regelung bereitgestellt werden, die sich selbst permanent optimiert und die sich insbesondere automatisch an sich ändernde Betriebsbedingungen der Stelleinrichtung 1 anpassen kann.
Von besonderer Bedeutung ist jedoch, dass die gewählte Regelung durch die Vorgabe einer mit großer Wahrscheinlichkeit zielführenden Sollkurve sehr zuverlässig und stabil arbeitet und wenig störanfällig ist. Auf diese Weise kann für die Stelleinrichtung 1 eine ordnungsgemäße Funktion erreicht werden, wobei gleichzeitig Schallemmisionswerte, Verschleißerscheinungen und Bauteilbelastungen reduziert sind.
Vorteilhaft ist außerdem, dass die durchzuführenden Messungen und/oder Rechenoperationen relativ einfach durchführbar sind und dementsprechend wenig Rechenleistung und Rechenzeit beanspruchen. Insbesondere können somit relativ viele Soll-Ist-Vergleiche und Regelungseingriffe während der Regelungsphase B durchgeführt werden, was die Qualität der Regelung erheblich verbessert.

Claims

Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung (1), die ein Stellglied und einen Stellantrieb (2) aufweist, wobei der Stellantrieb (2) wenigstens einen Elektromagneten (6) mit wenigstens einer Spule (7) sowie einen Anker (5) und eine den Anker (5) in eine Ruheposition vorspannende Rückstelleinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bewegung des Ankers (5) ein Spulenstrom (I) durch die Spule (7) in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen gemessenen Istwerten (I_IST) des Spulenstroms (I) und vorgegebenen Sollwerten (I_SOLL) des Spulenstroms (I) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass während der Bewegung des Ankers (5) in mehreren Vergleichszeitpunkten jeweils ein Spulenstrom-Istwert (I_IST) gemessen wird, – dass aus einem vorgegebenen Sollverlauf von Spulenstrom-Sollwerten (I_SOLL) für den jeweiligen Vergleichszeitpunkt ein zugehöriger Spulenstrom-Sollwert (I_SOLL) ermittelt wird, – dass für den jeweiligen Vergleichszeitpunkt eine Differenz zwischen Spulenstrom-Istwert (I_IST) und Spulenstrom-Sollwert (I_SOLL) ermittelt wird, – dass der Spulenstrom (I) in Abhängigkeit der ermittelten Differenz geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Spulenstroms (I) so durchgeführt wird, dass die Abweichungen der Spulenstrom-Istwerte (I_IST) von den Spulenstrom-Sollwerten (I_SOLL) im Verlauf der Ankerbewegung kleiner werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von Betrag und/oder Richtung der Abweichung zwischen dem jeweiligen Spulenstrom-Istwert (I_IST) und dem zugehörigen Spulenstrom-Sollwert (I_SOLL) entschieden wird, ob und wieviel Spulenstrom (I) zugeführt oder abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass für den Fall, dass der Spulenstrom-Istwert (I_IST) kleiner ist als der Spulenstrom-Sollwert (I_SOLL), für eine vorbestimmte Zeitspanne ein vorbestimmter Spulenstrom (I) der Spule (7) zugeführt wird und/oder – dass für den Fall, dass der Spulenstrom-Istwert (I_IST) größer ist als der Spulenstrom-Sollwert (I_SOLL), für eine vorbestimmte Zeitspanne ein vorbestimmter Spulenstrom (I) aus der Spule (7) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die abzuführende Energie in einen Energiespeicher oder in eine Betriebsspannunsquelle rückgespeist wird, und/oder – dass die zuzuführende Energie einem Energiespeicher oder einer Betriebsspannungsquelle entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher auch zur Erzeugung einer Spannungserhöhung dienen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte (I_SOLL) als Kennlinie oder Algorithmus bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte (I_SOLL) aus einem Anschwingvorgang eines Stellglieds, Anker (5), Elektromagnet (6) und Rückstelleinrichtung umfassenden Schwingungssystems ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte (I_SOLL) für einen aktuellen Stellvorgang des Ankers (5) in Abhängigkeit wenigstens eines Istverlaufs der Spulenstrom-Istwerte (I_IST) eines vorausgehenden Ankerstellvorgangs adaptiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sollverläufe der Spulenstrom-Sollwerte (I_SOLL) in einem Kennfeld in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters bereitgestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messfrequenz, in welcher die Spulenstrom-Istwerte (I_IST) gemessen werden, konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messfrequenz, in welcher die Spulenstrom-Istwerte (I_IST) gemessen und mit den Spulenstrom-Sollwerten (I_SOLL) verglichen werden, in einem Endabschnitt (D) der Ankerbewegung größer ist als vorher und/oder in einem Anfangsabschnitt C der Ankerbewegung größer ist als hinterher.
Vorrichtung zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung (1), die ein Stellglied und einen Stellantrieb (2) aufweist, wobei der Stellantrieb (2) wenigstens einen Elektromagneten (6) mit wenigstens einer Spule (7) so wie einen Anker (5) und eine den Anker (5) in eine Ruheposition vorspannende Rückstelleinrichtung aufweist, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (10), die so ausgestaltet ist, dass sie zum Einstellen des Stroms (I) durch die Spule (7) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Stelleinrichtung (1) ein elektromagnetischer Ventiltrieb für wenigstens ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine oder eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung für ein Lufttaktventil im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist.