DE19832198A1

DE19832198A1 - Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

Info

Publication number: DE19832198A1
Application number: DE19832198A
Authority: DE
Inventors: Ralf Cosfeld
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung reduziert wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Spannung zunächst auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet, so daß sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase anschließt, und kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Spule wird an diese wieder elektrische Spannung angelegt und diese somit eingeschaltet, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte aus einer im wesentlichen zeitoptimalen Regelung abgeleitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betäti gung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fang vorganges die an der den Anker einfangenden Spule an liegende elektrische Spannung reduziert wird. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 195 30 121 A1 verwiesen.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventil trieb von Brennkraftmaschinen, d. h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hub kolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktuatoren in gewünsch ter Weise betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktua toren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch kön nen die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Betriebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetrie benen Fahrzeuges angepaßt werden.

Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektroma gneten für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektromagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positio nen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch auf die beigefügte Fig. 1 verwiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordne tem Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Ak tuator-Ankers zeigt und wobei zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der Aktuator-Hubventil-Einheit der Verlauf des Ankerhubes bzw. Ankerweges zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen und ferner der Verlauf des Stromflusses in den beiden Elektromagnet-Spulen jeweils über der Zeit entsprechend einem (gegen über der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 einfacheren) bekannten Stand der Technik dargestellt ist.

Wie ersichtlich ist in Fig. 1 der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen-Hub ventiles dargestellt, welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Wie üblich greift an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an, ferner wirkt auf den Schaft des Hubventiles 1 - hier unter Zwischenschaltung eines hy draulischen Ventilspielausgleichselementes 3 - der in seiner Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktuator ein. Dieser besteht neben zwei Elektroma gnet-Spulen 4a, 4b aus einer auf den Schaft des Hubventiles 1 einwirkenden Stö ßelstange 4c, die einen Anker 4d trägt, der zwischen den Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Am dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der Stößelstange 4c greift ferner eine Ventilöffnungsfeder 2b an.

Hierbei handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für wel ches die Ventilschließfeder 2a und die Ventilöffnungsfeder 2b eine erste so wie eine zweite Rückstellfeder bilden, für welche folglich im weiteren eben falls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet werden. Linksseitig ist in Fig. 1 die erste Endposition dieses schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in wel cher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist und der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt, die im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4b das Hubventil 1 in seiner geöff neten Position hält. Rechtsseitig ist in Fig. 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 voll ständig geschlossen ist und der Anker 4d an der oberen Elektromagnet-Spule 4a anliegt, die im folgenden auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4a das Hubventil 1 in seiner geschlossenen Po sition hält.

Im folgenden wird nun kurz der Schließvorgang des Hubventils 1 beschrie ben, d. h. in Fig. 1 der Übergang vom linksseitigen Zustand in den rechts seitig dargestellten Zustand; dazwischen sind die entsprechenden Verläufe der in den Spulen 4a, 4b fließenden elektrischen Ströme I sowie der Hub verlauf bzw. die Wegkoordinate z des Ankers 4d jeweils über der Zeit t auf getragen.

Ausgehend von der linksseitigen Position "Hubventil offen" wird zunächst die Öffner-Spule 4b bestromt, um den Anker 4d in dieser Position gegen die ge spannte Ventilschließfeder 2a (= untere erste Rückstellfeder 2a) zu halten, wobei der Strom I in dieser Spule 4b im I-t-Diagramm gestrichelt dargestellt ist. Wird nun der Strom I der Öffner-Spule 4b für einen gewünschten Über gang nach "Hubventil geschlossen" ausgeschaltet, so löst sich der Anker 4d von dieser Spule 4b und das Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventil schließfeder 2a in etwa bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleu nigt, bewegt sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter und spannt dabei die Ventilöffnungsfeder 2b, so daß das Hubventil 1 (und der Anker 4d) dadurch abgebremst werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu ei nem geeigneten Zeitpunkt bestromt (der Strom I für die Spule 4a ist im I-t-Diagramm in durchgezogener Linie dargestellt), wodurch diese Spule 4a den Anker 4d einfängt - hierbei handelt es sich um den sog. Fangvorgang -, und ihn schließlich in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlos sen" hält. Nachdem der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen ist, wird in dieser im übrigen auf ein niedrigeres Haltestrom-Niveau umgeschaltet (vgl. I-t-Diagramm).

Der umgekehrte Übergang von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen" geschieht ausgehend von der in Fig. 1 rechtsseitig dargestellten Position analog durch Ausschalten des Stromes I in der Schließer-Spule 4a und zeit versetztes Einschalten des Stromes für die Öffner-Spule 4b. Generell wird dabei für das Bestromen der Spulen 4a, 4b an diese eine ausreichende elektrische Spannung gelegt, während das Abschalten des elektrischen Stromes I durch eine Herabsetzung der elektrischen Spannung auf den Wert "Null" initiiert wird. Die notwendige elektrische Energie für den Betrieb jedes Aktuators 4 wird dabei entweder dem Bordnetz des von der zugehörigen Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges entnommen oder über eine separate, dem Ventiltrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Energiever sorgung bereitgestellt. Dabei wird die elektrische Spannung durch die Ener gieversorgung konstant gehalten, und der Spulenstrom I der den Brenn kraftmaschinen-Hubventilen 1 zugeordneten Aktuatoren 4 durch ein Steuer gerät derart gesteuert, daß sich die notwendigen Kräfte für das Öffnen, Schließen und Halten des bzw. der Hubventile 1 in der jeweils gewünschter Position ergeben.

Beim soeben erläuterten Stand der Technik wird der Spulenstrom I während des sogenannten Fangvorganges, in welchem eine der beiden Spulen 4a, 4b danach trachtet, den Anker 4d einzufangen (hierbei handelt es sich um die eingangs genannte Endphase der Anker-Bewegung), vom genannten Steu ergerät bzw. von einer Steuereinheit durch Taktung auf einen im wesentli chen konstanten Wert geregelt, der groß genug ist um den Anker 4d unter allen Bedingungen sicher einzufangen. Nun ist die Kraft der fangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b auf den Anker 4d näherungsweise propor tional zum Strom I und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Spule und Anker. Wird nun - wie im bekannten Stand der Technik - ein im wesentli chen konstanter Strom I eingestellt, so steigt die auf den Anker 4d einwir kende Magnet-Kraft mit seiner Annäherung an die jeweilige ihn einfangende Spule 4a bzw. 4b umgekehrt proportional zum verbleibenden Spalt, wodurch die Ankerbeschleunigung und die Ankergeschwindigkeit ansteigen. Hieraus resultiert eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 4d auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b, was zum einen einen hohen Verschleiß im Aktuator 4, zum anderen aber auch eine hohe Geräuschentwicklung zur Fol ge hat. Ein weiterer Nachteil sind die bei der kurz beschriebenen getakteten Stromregelung auftretenden Umschaltverluste der Transistoren, die eine er höhte Leistungsaufnahme und Temperaturbelastung des verwendeten Steu ergerätes sowie eine erhöhte elektromagnetische Abstrahlung in den Zulei tungen der Aktuatoren zur Folge haben.

Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung so wie den Aktuatorverschleiß bringt der aus der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 bekannte Stand der Technik. Hierin ist ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektroma gnetischen Aktuator vorgeschlagen, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser an liegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt (d. h. im wesentli chen reduziert) wird, so daß der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. In dieser besagten Schrift ist ferner noch davon die Rede, daß das Ausmaß der Spannungsbe grenzung bzw. Spannungsreduzierung in einem Kennfeld festgelegt sein kann, wobei zu vermuten ist, daß die entsprechenden Werte und insbeson dere auch der jeweilige Zeitpunkt, zu welchem diese Spannungsreduzierung einsetzen soll, auf experimentellem Wege bestimmt werden müssen.

Demgegenüber weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vor liegenden Erfindung, d. h. es soll ein einfach praktikables und dabei effizien tes Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf gezeigt werden. Der Begriff der "Endphasen-Bewegung" steht dabei für denjenigen Abschnitt im oszillierenden Bewegungsablauf des Ankers zwi schen den beiden Magnetspulen, in welchem sich der Anker an eine der Magnetspulen annähernd vor dieser Magnetspule befindet und von dieser eingefangen werden soll. In anderen Worten ausgedrückt soll durch dieses Regelungsverfahren somit für die Endphasen-Bewegung während des sog. Fangvorganges die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der ihn einfan genden Magnetspule reduziert werden.

Die Lösung dieser genannten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zunächst auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird, so daß sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase anschließt, und daß kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese wieder elektrische Spannung angelegt und diese somit eingeschaltet wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte aus einer im wesentlichen zeit optimalen Regelung abgeleitet werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildun gen sind Inhalt der Unteransprüche.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs beispieles, für welches weiterhin optionale Ergänzungen angegeben sind. Dabei enthält dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel bereits Bestandteile, die Ergänzungen der eigentlichen Erfindung darstellen und demzufolge In halt der Unteransprüche sind. Des besseren Verständnisses wegen sind diese betreffenden Bestandteile teilweise bereits in der grundlegenden Be schreibung enthalten.

Allgemein wird nach der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die be kannte Stromregelung oder die ebenfalls bekannte (empirisch festzulegen de) Spannungsreduzierung während des Fangvorganges für den Anker durch eine im wesentlichen zeitoptimale Regelung zu ersetzen, welche die elektri sche Spannung während des Fangvorganges (d. h. in der Endphase der An ker-Bewegung) zunächst auf den Wert "Null" reduziert und hierdurch die sog. Fangphase unterbricht, so daß sich an die Fangphase eine sog. Bremspha se anschließt, und welche kurz vor einem Auftreffen des Ankers auf die Spule - d. h. immer noch während des Fangvorganges innerhalb einer sog. Auftreffphase - an diese Spule wieder elektrische Spannung anlegt, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der elektrischen Spannung aus der besagten (zumindest im wesentlichen) zeit optimalen Regelung abgeleitet werden.

Dabei kann einem die zeitoptimale Regelung ausführenden zeitoptimalen Regler ein Zusatzregler nebengeordnet sein, der die Annäherung des An kers an die ihn einfangende Spule überwacht, und in welchem die Soll-Trajek torien aus dem zeitoptimalen Regler übernommen und zeit- oder wegabhängig abgelegt werden, und der eine zusätzliche Regelung insbe sondere in der Auftreffphase vornimmt, wobei die von dem oder den Reg ler(n) benötigten Zustandsgrößen durch einen sog. Beobachter rekonstruiert werden.

In Fig. 2 ist das entsprechende Regelungskonzept als Blockbild dargestellt, wobei der zeitoptimale Regler die Bezugsziffer 10 trägt, und die Regelung anhand der Signale eines sog. Beobachters 11 erfolgt, dessen Signale fer ner von einem dem Regler 10 nebengeordneten Zusatzregler 12 verarbeitet werden. Die Ausgangsgröße des Regelungskonzeptes (bzw. der beiden Regler 10, 12) ist die an der jeweils den Anker 4d (vgl. hierzu Fig. 1) ein fangenden Spule 4a bzw. 4b angelegte bzw. an liegende elektrische Span nung U.

Dabei ist die dem Hubverlauf des Hubventiles 1 bzw. Ankers 4d entspre chende Position des Ankers 4d zwischen den Spulen 4a, 4b durch die Weg koordinate z - diese wird auf geeignete Weise gemessen - eine Eingangs größe des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, welche dem Beobach ter 11 mitgeteilt und in diesem weiter verarbeitet wird. Der Einfachheit halber wird dabei im folgenden die Position des Ankers direkt mit "z" bezeichnet, ohne den erklärenden Begriff "Wegkoordinate" zu verwenden.

Aus dieser Wegkoordinate bzw. Anker-Position z ist im übrigen durch einma lige bzw. zweimalige Ableitung über der Zeit t die Bewegungsgeschwindig keit des Ankers sowie die Anker-Beschleunigung schätzbar bzw. ermit telbar. Diese abgeleiteten Größen , werden dabei vom Beobachter 11 ermittelt und den Reglern 10, 12 mitgeteilt.

Eine weitere Eingangsgröße des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, die dem Beobachter 11 mitgeteilt und in diesem weiter verarbeitet wird, ist - wie Fig. 2 zeigt - der in den jeweiligen Spulen 4a, 4b (vgl. Fig. 1) ermittelte Stromfluß I.

Bevorzugt unterteilt der zeitoptimale Regler 10 den gesamten Fangvorgang des Ankers 4d in drei Phasen, nämlich:

- erstens eine Fangphase FP,
- zweitens eine sich daran anschließende Bremsphase BP, und
- drittens eine hierauf folgende Auftreffphase AP.

An die letztgenannte schließt sich als viertes die übliche Haltephase HP an, in welcher der Anker 4d, nachdem er sicher auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist, an dieser gehalten wird. Diese einzelnen Phasen sind in der an späterer Stelle noch ausführlich erläuterten Fig. 3 dargestellt. Dabei wird in der Fangphase FP sowie in der Auftreffphase AP an die jeweilige, den Anker 4d einfangende Spule 4a bzw. 4b eine elektri sche Spannung angelegt (und somit ein Stromfluß I initiiert), während in der Bremsphase BP die an der jeweiligen Spule anliegende Spannung auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird.

Das elektrische Strom- und Spannungsprofil in der Fangphase FP sind frei wählbar. In der Bremsphase BP sowie in der Auftreffphase AP kann optional eine zusätzliche Feinregelung des Auftreffvorganges durch den bereits er wähnten Zusatzregler 12 erfolgen. Ferner können das Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofil der Ankerbewegung positions- oder wegabhängig vorgegeben werden.

Erfindungsgemäß werden die beiden Umschaltbedingungen zwischen den genannten drei Phasen FP, BP, AP durch eine sog. Schaltfläche (hierbei handelt es sich um ein Kennfeld) sowie durch eine Schaltkurve (hierbei han delt es sich um eine Kennlinie in dieser Schaltfläche) ermittelt und zwar ins besondere (d. h. für die folgenden Erläuterungen zunächst alleinig) durch den (zumindest im wesentlichen) zeitoptimalen Regler 10.

Neben diesen beiden dem Fachmann für Regelungstechnik geläufigen Be griffen einer "Schaltfläche" und einer "Schaltkurve" wird im folgenden noch der ebenfalls bekannte Begriff "Trajektorie" verwendet, bei welcher es sich um die Bahnkurve des mittels des zeitoptimalen Reglers 10 gesteuert zu bewegenden Objektes im Zustandsraum (an späterer Stelle mit ZR bezeich net) handelt, hier also um die Bahnkurve des Ankers 4d im Zustandsraum ZR (vgl. abermals vorab Fig. 3) auf seinem Weg zwischen den beiden Spu len 4a, 4b.

Im folgenden wird nun ein bevorzugter zeitoptimaler Regler 10 näher be schrieben:
Zur Erzielung einer gewünschten Reduktion seiner Auftreffgeschwindigkeit auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b muß der Anker 4d (vgl. Fig. 1) bereits in seiner Flugphase, d. h. vor dem eigentlichen Auftreffen, abgebremst werden, und zwar in der sog. Bremsphase BP. Allerdings sollte diese Bremsphase BP die Öffnungs- und Schließzeit des vom Aktuator 4 betätigen Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 nicht mehr als nötig verlän gern. Diese Frage nach dem schnellsten Regelvorgang zum Erreichen einer Endlage wird von der Theorie der zeitoptimalen Regelung beantwortet. Demnach ist das optimale Profil einer Stellgröße ein Umschalten der Ein gangsgröße zwischen Minimalwert und Maximalwert, wobei die Zahl der Umschaltungen von der Systemordnung der Regelstrecke abhängt.

Für ein aperiodisches System n-ter Ordnung genügen genügen nach dem dem Fachmann bekannten Satz von Feldbaum eine Einschaltung, n-1 Um schaltungen und eine Ausschaltung der maximalen Stellgröße, jeweils zum richtigen Zeitpunkt, um sämtliche Zustandsgrößen von beliebigen Anfangs werten in kürzest möglicher Zeit in ihre stationären Endwerte zu bringen, d. h. das System in die Ruhelage zu führen.

Zur Auslegung der zeitoptimalen Regelung muß daher die Systemordnung des Aktuators 4 bekannt sein. Sie ist durch die Zahl unabhängiger Zu standsgrößen bestimmt. Physikalisch gesehen ist der Zustand eines dyna mischen Systems zu jedem Zeitpunkt durch den Energiegehalt der im Sy stem vorhandenen unabhängigen Energiespeicher bestimmt; der aktuelle Zustand des Systems wird durch die aktuellen Werte der Zustandsgrößen eindeutig festgelegt.

Im vorliegenden Anwendungsfall (vgl. hierzu auch Fig. 1) korrespondiert der magnetische Fluß Φ in der bzw. den Spulen 4a, 4b mit der Energie des Ma gnetfeldes, die Bewegungsgeschwindigkeit z des Ankers 4d mit der kineti schen Energie der bewegten Massen (sich im wesentlichen zusammenset zend aus Hubventil 1, Stößelstange 4c und Anker 4d) und die Ankerposition z mit der potentiellen Energie der beiden Rückstellfedern 2a, 2b.

Aufgrund der drei unabhängigen Energiespeicher ist das vorliegende System von dritter Ordnung, so daß eine zeitoptimale Regelung 3. Ordnung mit den Zustandsgrößen Φ, , z und möglich wäre. Diese mögliche Wahl der Zu standsgrößen ist aber nicht zwingend vorgeschrieben und insbesondere nicht auf die eigentlichen Speichervariablen beschränkt; wesentlich ist, daß durch die Zustandsgrößen der Systemzustand eindeutig definiert ist. So kann z. B. anstelle des Flusses Φ auch die Magnetkraft, oder der Spulen strom I oder die Ankerbeschleunigung verwendet werden.

Für die weiteren Ausführungen wird neben der Ankerposition z und Anker-Geschwin digkeit für den Entwurf des zeitoptimalen Reglers 10 die Anker beschleunigung als dritte Zustandsgröße gewählt, da sie als direkte Ab leitung der Ankergeschwindigkeit eine leicht interpretierbare Größe dar stellt. Prinzipiell kann die Regelung aber auch mit jeder anderen der er wähnten Größen aufgebaut werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zeitoptimale Regler 10 von dritter Ordnung ist, wodurch der verzögerte Auf bau von Magnetfeld und Magnetkraft im Regelungskonzept berücksichtigt werden kann.

Nach der Theorie der zeitoptimalen Regelung sind für ein System 3. Ordnung zwei Schaltpunkte zu bestimmen, wobei der erste Umschaltpunkt eine Funk tion aller drei Zustandsgrößen (und somit eine - bereits kurz ange sprochene - Schaltfläche) und der zweite Umschaltpunkt eine Funktion von zwei der drei Zustandsgrößen (und somit eine - ebenfalls bereits kurz erwähnte sog. - Schaltkurve) ist.

Für die Anwendung der vorgeschlagenen zeitoptimalen Regelung ist außer dem zu berücksichtigen daß sich das System zu Beginn des Regelvorgan ges nicht in Ruhelage befindet, sondern bereits im Übergang aus der vorhe rigen Haltephase HP an der anderen, der jetzt den Anker 4d einfangenden gegenüberliegenden Spule (4b bzw. 4a).

Daher ist zu berücksichtigen, daß die elektrische Spannung an der jetzt den Anker 4d einfangenden Spule während einer Flug-Bewegung des Ankers eingeschaltet wird.

Die beigefügte und im folgenden erläuterte Fig. 3 zeigt die einzelnen Pha sen der zeitoptimalen Regelung während der Fangvorganges des Ankers 4d durch eine der beiden Spulen 4a, 4b bei einem System nach Fig. 1:
Jeweils über der Zeit t ist dabei im oberen Diagramm die an die den Anker einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Spannung U aufge tragen, während im unteren Diagramm die zugehörige Wegkoordinate z des Ankers 4d (=Ankerposition z) dargestellt ist. Im oberen Diagramm sind dabei die einzelnen erfindungsgemäßen Phasen, nämlich die Fangphase FP, die Bremsphase BP, und die Auftreffphase AP, an welche sich die übliche Hal tephase HP anschließt, gekennzeichnet.

Was nun den Start der Fangphase FP zum Zeitpunkt t₁ betrifft, zu welchem die den Anker einfangende Spule mit elektrischer Spannung U beaufschlagt wird, so kann dieser Einschaltzeitpunkt t₁ grundsätzlich frei gewählt werden; es muß hierbei lediglich sichergestellt sein, daß der Anker 4d überhaupt noch eingefangen werden kann. Der Einfachheit halber wird hier vorge schlagen, daß die Spannung U dann eingeschaltet wird, wenn die Ankerpo sition z eine bestimmte, wählbare Schwelle (diese wird mit z₁ bezeichnet) überschreitet. Grundsätzlich kann diese Schwelle z₁ auch variabel sein, wo durch zusätzliche Randbedingungen wie z. B. unterschiedliche auf das zu bewegende Hubventil 1 einwirkende äußere Kräfte (wie insbesondere Gas kräfte) in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine berück sichtigt werden können.

Die sich an die Fangphase FP anschließende Bremsphase BP wird erfin dungsgemäß durch Abschalten der elektrischen Spannung U gestartet, so bald die Ankerposition z eine Schaltfläche z₂ erreicht, die über den drei Zu standsgrößen Ankerposition z, Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers und Anker-Beschleunigung aufgespannt ist.

In Fig. 3 wurde versucht, diese Schaltfläche z₂ im zugehörigen durch (z, , ) aufgespannten Zustandsraum ZR graphisch darstellen; diese Darstel lung befindet sich dabei zwischen dem U-t-Diagramm und dem z-t-Dia gramm und ist dem Zeitpunkt t₂, zu welchem die Bremsphase BP ge startet wird, zugeordnet. Dabei sind in diesem Zustandsraum ZR drei mögli che Trajektorien T₁, T₂, T₃, d. h. Bahnkurven, auf denen sich der Anker 4d bspw. bewegen kann, dargestellt.

Sobald nun die jeweils zutreffende, d. h. aktuelle Trajektorie T₁ (mit i=1, 2, 3, . . ., n) auf die Schaltfläche z₂ im Zustandsraum ZR auftrifft (und zwar zum Zeitpunkt t₂), so wird die elektrische Spannung U an der den Anker 4d einfangenden Spule 4a (oder 4b) abgeschaltet, d. h. auf den Wert "Null" re duziert. Dies hat zur Folge, daß der Anker 4d ausgehend von der jetzt aktu ellen Position z₂ (er befindet sich nun zum Zeitpunkt t₂ nämlich auf der Schaltfläche z₂) nicht nur nicht weiter beschleunigt sondern aufgrund der unvermeidbaren Reibungs- und hier gewünschten Wirbelstrom-Verluste wie gewünscht abgebremst wird.

Um letztendlich bei geringstmöglicher Zeitverzögerung ein möglichst sanftes bzw. weiches Auftreffen des Ankers 4d auf der ihn aktuell einfangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b zu erzielen, wird im Anschluß an die Bremsphase BP die sog. Auftreffphase AP gestartet, und zwar durch Wie der-Einschalten der elektrischen Spannung U in der betroffenen Spule 4a bzw. 4b. Dies erfolgt erfindungsgemäß zum Zeitpunkt t₃, sobald die Anker position z eine in der Schaltfläche z₂ liegende Schaltkurve z₃ erreicht, die durch die beiden Zustandsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers und Anker-Beschleunigung definiert ist.

Auch diese Schaltkurve z₃ ist - dem Zeitpunkt t₃ zugeordnet - im Zustands raum ZR inklusive möglicher Trajektorien T₁, T₂, T₃, längs derer sich der An ker 4d in diesem Zustandsraum ZR auf der Schaltfläche z₂ bewegen kann, dargestellt.

Nachdem nun der Anker 4d sicher auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist bzw. an dieser anliegt, wird die bereits im be kannten Stand der Technik übliche Haltephase HP eingeleitet, und zwar durch Umschalten auf Haltestromregelung, was wie dargestellt durch eine getaktete Beaufschlagung der jeweiligen Spule 4a, 4b mit der (gleichwertigen) elektrischen Spannung U erfolgt.

Die bislang hier beschriebene Ausführungsform des zeitoptimalen Reglers 10 als solcher einer dritten Ordnung ist die vorteilhafteste für die derzeit in Entwicklung befindlichen Aktuatoren 4 zur Betätigung von Brennkraftma schinen-Hubventilen 1. Es sind jedoch durchaus auch Varianten hiervon möglich:
So ist auch eine zeitoptimale Regelung zweiter Ordnung denkbar, insbeson dere wenn in einer künftigen Aktuatorkonstruktion das elektromagnetische Teilsystem deutlich schneller als das mechanische Teilsystem reagieren kann. Dann kann der Aktuator als System 2. Ordnung angenommen und die Reglerordnung entsprechend reduziert werden.

Möglich ist aber auch eine zeitoptimale Regelung vierter Ordnung. Dies kann notwendig werden, falls in einer künftigen Aktuatorkonstruktion die Auswir kung der Wirbelströme im Anker oder in der Spule auf das dynamische Ver halten des Aktuators nicht vernachlässigt werden kann. Ferner ist eine zei toptimale Regelung fünfter Ordnung denkbar, falls in einer künftigen Aktua torkonstruktion die Auswirkung der Wirbelströme im Anker und in der Spule auf das dynamische Verhalten des Aktuators nicht vernachlässigt werden kann.

Schließlich ist auch noch eine "im wesentlichen zeitoptimale Regelung" mög lich, welche zwar nach der Theorie der Regelungstechnik keine "reine" zeit optimale Regelung darstellt, die jedoch die in den bisherigen und folgenden Erläuterungen enthaltenen Erkenntnisse nutzt, um die Endphasen-Be wegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators insbesondere für die Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Gaswechselventiles wie ge wünscht zu regeln, d. h. insbesondere die Anker-Auftreffgeschwindigkeit zu reduzieren.

Wie aus der obigen ausführlichen Beschreibung der zeitoptimalen Regelung dritter Ordnung klar ersichtlich wird, ist diese (im wesentlichen) zeitoptimale Regelung in der Lage, irgendwelche Störungen auszugleichen, die auftreten, ehe die jeweilige Anker-Trajektorie T₁, T₂, T₃ auf der Schaltfläche z₂ auftrifft.

Später auftretende Störungen können mit dieser relativ einfachen Grundform des Regelungskonzeptes jedoch nicht mehr korrigiert werden.

Um auch einen danach evtl. auftretenden Restfehler auszugleichen, kann die Annäherung des Ankers 4d an die jeweilige Spule 4a, 4b durch den be reits kurz erwähnten Zusatzregler 12 (vgl. Fig. 2) überwacht werden, wobei die Soll-Trajektorien T₁ aus dem zeitoptimalen Regler 10 übernommen und im Zusatzregler 12 zeit- oder wegabhängig abgelegt werden können. Dabei ist je nach Größe des auftretenden Restfehlers eine Regelung alleinig in der Auftreffphase AP oder zusätzlich in der Bremsphase BP möglich.

Im folgenden wird kurz ein in der Auftreffphase AP wirkender Zusatzreg ler 12 beschrieben. Für diesen sind die folgenden unterschiedlichen Ausfüh rungsformen möglich:
In Form eines klassischen Reglers (PI-, PD,- PID-Regler) erfolgt die Ausle gung des Zusatzreglers 12 bspw. anhand eines linearisierten Modelles des Aktuators 4 für die Endphase des Bewegungsablaufes des Ankers 4d. Es läßt sich jedoch zeigen, daß ein Aktuator wie der vorliegende mit einem klassischen Regler nicht vollständig steuerbar ist, d. h. es lassen sich keine beliebig kleinen Auftreffgeschwindigkeiten realisieren. Die tatsächlichen Auf treffgeschwindigkeiten hängen vom jeweiligen Aktuator, der Form der Soll-Tra jektorien und von den auftretenden Störkräften ab. Ein nicht zu unter schätzender Vorteil des klassischen Reglers ist hingegen seine einfache Realisierbarkeit.

In Form eines linearen Zustandsreglers erfolgt die Auslegung des Zusatz reglers 12 ebenfalls anhand eines linearisierten Modelles des Aktuators für die Endphase des Bewegungsablaufes. Als Entwurfsverfahren kommt z. B. die Polvorgabe in Betracht. Durch einen derartigen Zusatzregler 12 wird das gesamte System vollständig steuerbar, d. h. es lassen sich prinzipiell beliebig geringe Auftreffgeschwindigkeiten realisieren. Da die Auslegung auf einem linearen Ansatz basiert, der Aktuator aber ein stark nichtlineares Verhalten zeigt, ist die Robustheit des Reglers gegenüber veränderten Aktuatorver halten (Fertigungstoleranzen, Alterung) jedoch gering.

Weiterhin möglich ist ein nichtlinearer Zustandsregler für den Zusatzregler 12, durch welchen man eine erhöhte Robustheit erreicht, insbesondere wenn der Zustandsregler bevorzugt als "sliding mode control" ausgeführt wird. In einem derartigen "sliding mode controller" kann zusätzlich die Tatsache be rücksichtigt werden, daß die Leistungselektronik im getakteten Betrieb nur Stellsignale bestimmter Höhe umsetzen kann. Mit einer Auslegung nach dem "Sliding-mode-Prinzip" erhält man folgendes Stellgesetz:

mit λ, S_min, S_max als applizierbaren Parametern. Dabei wird als Leistungs elektronik eine Brückenschaltung angenommen, die über Freilaufkreis (U=0) und Sperrkreis (U=U_min) verfügt. Hier kann nun für die zusätzliche Regelung der Auftreffphase AP die Schaltfläche z₂(, ) des zeitoptimalen Reglers 10 als Sollwert für einen Dreipunktregler (U_min/0/U_max) verwendet werden, der die aktuelle Ankerposition z bei Auftreten einer zu starken Abweichung korri giert.

Im folgenden wird nun auf den eingangs der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles bereits kurz erwähnten Beobachter 11 (vgl. hierzu auch Fig. 2 sowie die im folgenden erläuterte Fig. 4) eingegangen:
Wie sich aus der bisherigen Beschreibung ergibt, benötigen sowohl der zeit optimale Regler 10 als auch der ggf. vorhandene Zusatzregler 12 für die Durchführung ihrer Funktion drei Zustandsgrößen und zwar bevorzugt die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleunigung . Grundsätzlich ist es möglich, diese Zustandsgrö ßen über geeignete Sensoren zu messen. Um jedoch Sensoren einzusparen oder kostspielige durch kostengünstige Sensoren zu ersetzen, können zu mindest zwei dieser Zustandsgrößen auch durch einen sog. Beobachter 11 rekonstruiert werden, der in Fig. 4 in einem Blockschaltbild dargestellt ist.

In diesem Beobachter 11 ist dem Aktuator 4 ein Aktuatormodell 114 parallel geschaltet, das mit derselben Eingangsgröße wie der Aktuator 4, nämlich mit der an die jeweilige Spule 4a, 4b angelegten Spannung U gespeist wird. Die auf dieser Basis geschätzte Ankerposition wird mit der tatsächlichen ge messenen Ankerposition z verglichen, und die Differenz hieraus (z-) wird über eine Korrekturfunktion 115 auf die Zustandsgrößen des Aktuatormo dells 114 zurückgekoppelt. Bei einem Modellfehler oder bei einer fehlerhafter Schätzung der Anfangszustände gleicht der Beobachter 11 aufgrund der Korrekturfunktion 115 die geschätzten Zustände den tatsächlichen Zustän den an. Die Auslegung der Korrekturfunktion 115 kann dabei durch ver schiedene Verfahren der linearen oder nichtlinearen Regelungstheorie erfol gen und soll hier nicht näher behandelt werden.

Im folgenden wird die bevorzugte Ausführungsform des Aktuatormodells 114 zur Ermittlung der geschätzten Ankerposition beschrieben. In diesem Ak tuatormodell 114 sind das mechanische und das elektromagnetische Ver halten des Aktuators 4 zu berücksichtigen. Die Mechanik läßt sich dabei durch einen Feder-Masse-Schwinger nachbilden, während das elektromag netische Verhalten über die Induktionsgleichung beschrieben wird, so daß sich folgendes Differentialgleichungssystem ergibt:

mit den folgenden Konstanten:
U: Spulenspannung
R: ohmscher Widerstand der Spule
I: Spulenstrom
N: Windungszahl der Spule
F: magnetischer Fluß
z: Ankerposition, Luftspalt
m: Summe der bewegten Massen
k_fr: Reibungskoeffizient
k_sp: Federkonstante
und den folgenden Kennfeldern
I = f₁(Φ,z)
F_mag = f₂(Φ,z)
wobei f₁(Φ,z) und f₂(Φ,z) aus Messungen oder Magnetfeldsimulationen zu bestimmen sind.

Vereinfachend können diese Beziehungen über ein magnetisches Netzwerk und dessen Kraftwirkung beschrieben werden:

mit A = Fläche senkrecht zum Fluß an der Grenzfläche zwischen Magnet spule und Luftspalt und
I = 1/N.(Φ,z).Φ
wobei der magnetische Widerstand sich für ein Netzwerk nach Fig. 5 zu berechnen ist.

Wie bei den bislang beschriebenen Reglern 10, 12, so sind auch beim Ak tuatormodell 114 verschiedene Ausführungsformen möglich. Insbesondere kann anstelle des magnetischen Flusses Φ auch die Magnetkraft, der Spu lenstrom I oder die Ankerbeschleunigung verwendet werden. Wesentlich ist auch hier, das neben der Mechanik der verzögerte Aufbau von Magnet feld und Magnetkraft im Aktuatormodell 114 berücksichtigt wird. Wie beim Regler 10 bzw. 12 auch kann im übrigen auch beim Aktuatormodell 114 eine veränderte Aktuatorkonstruktion durch eine Anpassung der Modellordnung berücksichtigt werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in das Regelungskonzept zumindest eine Zusatzfunktion integriert sein, nach welcher die Soll-Trajektorien des zeitoptimalen Reglers 10 nicht zu ei ner mit der mechanischen Endlage des Ankers 4d übereinstimmenden End lage des Reglers 10 führen, was im folgenden anhand dreier möglicher zu sätzlicher Funktionen näher beschrieben wird. Während nämlich nach den bisherigen Erläuterungen die sog. Soll-Trajektorien T_i so ausgelegt wurden, daß die mechanische Endlage des Ankers 4d, in welcher dieser an einer der beiden Spulen 4a, 4b des Aktuators 4 anliegt (und in der Haltephase HP hieran gehalten wird), mit der Endlage des (im wesentlichen) zeitoptimalen Reglers 10 übereinstimmt, ist auch eine davon abweichende Regelstrategie möglich. Das beschriebene (im wesentlichen) zeitoptimale Reglerprinzip läßt nämlich auch eine reglerspezifische Endlage zu, die sich von der mechani schen Endlage des Ankers 4d unterscheidet, so daß - im bevorzugten An wendungsfall als Aktuator zur Betätigung zumindest eines Brennkraftma schinen-Hubventiles 1 (vgl. nochmals Fig. 1) - quasi beliebige Zwischenposi tionen dieses Hubventiles 1 zwischen seinen beiden Endpositionen "Hub ventil vollständig offen" und "Hubventil geschlossen" quasi stationär einge stellt werden können.

Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß diese möglichen Zusatz funktionen (alleine oder kumuliert) nicht nur bei nach der klassischen Theorie der Regelungstechnik "reinen" zeitoptimalen Reglern anwendbar bzw. um setzbar sind, sondern auch bei "im wesentlichen zeitoptimalen Reglern", d. h. solchen, die die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Grundlagen nutzen.

Nach einer ersten möglichen Zusatzfunktion kann somit eine sog. Schwebe position des Ankers 4d in einer fiktiven Endlage eingestellt werden, in wel cher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet bleibt. Somit wird anstelle der mechanischen Endlage des Ankers 4d beim Öffnen und/oder beim Schließen des Hubventiles 1 eine fiktive Endlage vor der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b angefah ren, und der Anker in dieser Zwischenposition durch einen Regler in der Schwebe gehalten. Da dann kein Auftreffen des Ankers 4d auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b stattfindet, wird hierdurch die Geräuschentwicklung erheb lich um ein weiteres reduziert.

Ein derartiges Schweben des Ankers 4d und somit des Hubventiles 1 erfor dert jedoch eine vollständige Steuerbarkeit; d. h. der Regler der Schwebe phase muß daher ein linearer oder nichtlinearer Zustandsregler sein, wie dies bereits in Verbindung mit dem Zusatzregler 11 beschrieben wurde.

Nach einer zweiten möglichen Zusatzfunktion kann eine Schwebeposition des Ankers 4d in einer (anderen) fiktiven Endlage eingestellt werden, in wel cher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn zuvor freigebenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet bleibt. Somit wird bspw. bei einer Öffnungs bewegung des Hubventiles 1 nicht die Öffner-Spule 4b (vgl. hierzu nochmals Fig. 1), sondern eine fiktive Endlage des Ankers in der Nähe der Schließer-Spule 4a angefahren, die bspw. einem minimalen Ventilhub des Hubventiles 1 von ca. 1 mm bis 2 mm entspricht. Wird der Anker 4d und somit das Hub ventil 1 in einer derartigen Position in der Schwebe gehalten, so kann diese Funktion insbesondere bei einer Verwendung des Aktuators 4 zur Betätigung des Brennkraftmaschinen-Einlaßventiles zur verbesserten Gemischaufbe reitung und im Falle einer Betätigung des Brennkraftmaschinen-Auslaß ventiles zur Optimierung der Ladungsbewegung eingesetzt werden.

Nach einer dritten möglichen Zusatzfunktion kann ein Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers 4d erfolgen, in welcher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a oder 4b beabstandet bleibt, wonach eine zweite Endlage angefahren wird, die der mechanischen Endla ge des Ankers 4d entspricht. Mit dieser Funktion ist quasi ein elektronischer Ventilspielausgleich im Hubventiltrieb einer Brennkraftmaschine möglich. Demzufolge wird bei einem Schließvorgang des Brennkraftmaschinen-Hub ventiles 1 zunächst eine erste Endlage des Ankers 4d angefahren, die dem Aufsetzen des Hubventils 1 auf seinem Ventilsitz entspricht. Anschlie ßend daran wird der Anker 4d in eine zweite Endlage gefahren, die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht. Beim Öffnen des Hubventils 1 wird dann eine erste Endlage entsprechend dem Ventilspiel angefahren und anschließend eine zweite Endlage, die der mechanischen Endlage des An kers 4d an der Öffner-Spule 4b entspricht. Statt der mechanischen Endlagen können hierbei im übrigen auch fiktive Endlagen angefahren werden.

Abschließend seien (nochmals) die signifikanten Vorteile des erfindungsge mäßen Verfahrens, resultierend aus der Verwendung eines (zumindest im wesentlichen) zeitoptimalen Reglers 10 sowie ggf. der beschriebenen Zu satz-Elemente bzw. -Funktionen zusammengestellt:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht die Dar stellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b.

Die unvermeidliche Verlängerung der Flugzeit durch die Bremsphase BP wird auf ein Minimum beschränkt. Der (im wesentlichen) zeitoptimale Regler 10 definiert das erreichbare Limit.

Der (im wesentlichen) zeitoptimale Regler 10 arbeitet mit minimaler Schalthäufigkeit; Umschaltverluste in der Leistungselektronik und elektroma gnetische Störfelder werden minimiert.

Durch eine Zusatzregelung insbesondere in der Auftreffphase AP kann die Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen, Alterung und Störkräften (wie z. B. auf das Hubventil wirkende Gaskräfte) erhöht werden.

Eine weitere Steigerung der Robustheit wird durch eine Zusatzregelung in der Bremsphase BP erreicht.

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion des Schwebens, in welcher der Anker 4d eine Regler-Endlage einnimmt, die sich von der mechanischen Endlage unterscheidet, ermöglicht eine weitere Reduktion des Geräuschni veaus.

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion eines minimalen Ventilhubes des Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 ermöglicht eine verbesserte Ge mischaufbereitung und Ladungsbewegung in bzw. an der Brennkraftmaschi ne, ohne daß hierzu konstruktive Änderungen des Aktuators 4 erforderlich sind.

Die beschriebene mögliche Zusatzfunktion des elektronischen Ventil spielausgleiches ermöglicht einen Spielausgleich am Brennkraftmaschinen-Hub ventil, ebenfalls ohne konstruktive Änderungen am Aktuator 4. Insbe sondere wird hiermit das in Fig. 1 noch dargestellte und mit der Bezugsziffer 3 bezeichnete hydraulische Ventilspielausgleichselement nicht mehr benö tigt.

Ferner wird das Problem der Messung aller benötigten Zustandsgrößen durch den Einsatz des Beobachters 11 basierend auf den Meßgrößen Ven tilhub bzw. Ankerposition z und Spulenstrom I gelöst.

Dabei sei abschließend noch darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Hubventil

2

a Ventilschließfeder = (erste) Rückstellfeder

2

b Ventilöffnungsfeder = (zweite) Rückstellfeder

3

Ventilspielausgleichselement

4

Aktuator

4

a Elektromagnet-Spule = Schließer-Spule

4

b Elektromagnet-Spule = Öffner-Spule

4

c Stößelstange

4

d Anker

10

zeitoptimaler Regler

11

Beobachter

114

Aktuatormodell

115

Korrekturfunktion

12

Zusatzregler
AP Auftreffphase
BP Bremsphase
FP Fangphase
HP Haltephase
I Stromfluß in

4

a,

4

b
U elektrische Spannung an

4

a,

4

b
T_i

Soll-Trajektorie in ZR
ZR Zustandsraum
t Zeit
z Position des Ankers

4

d = Wegkoordinate der Anker-Position
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers

4

d
Ankerbeschleunigung
z₁

Schwelle = Anker-Position zum Starten von FP
z₂

Schaltfläche in ZR
z₃

Schaltkurve auf z₂

Claims

1. Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers (4d) eines elektromagnetischen Aktuators (4), insbesondere zur Betäti gung eines Gaswechsel-Hubventiles (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker (4d) oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (2a, 2b) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers (4d) an die zunächst bestromte Spule (4a oder 4b) während des so genannten Fangvorganges die an der den Anker (4d) einfangenden Spule (4a, 4b) anliegende elektrische Spannung (U) reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U) zunächst auf den Wert "Null" reduziert und somit abgeschaltet wird, so daß sich an die Fangphase (FP) des Fangvorganges eine Bremsphase (BP) an schließt, und daß kurz vor dem Auftreffen des Ankers (4d) auf die Spule (4a, 4b) an diese wieder elektrische Spannung (U) angelegt und diese somit eingeschaltet wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte aus einer im wesentlichen zeit optimalen Regelung abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitoptimale Regelung dritter Ord nung zur Anwendung kommt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitoptimale Regelung zweiter Ordnung oder vierter Ordnung oder fünfter Ordnung zur Anwendung kommt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zeitoptimalen Regler (10) dritter Ordnung als Zustandsgrößen die Position des Ankers (z), des sen Bewegungsgeschwindigkeit () und die Anker-Beschleunigung () berücksichtigt werden.

5. Verfahren nach einem Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Laufe einer Flug-Bewegung des An kers (4d) in Richtung zur ihn einfangenden Elektromagnet-Spule (4a, 4b)

- die Fangphase (FP) durch Beaufschlagen dieser Spule (4a, 4b) mit elektrischer Spannung (U) gestartet wird, sobald die Anker position (z) eine wählbare Schwelle (z₁) erreicht,
- die sich daran anschließende Bremsphase (BP) durch Ab schalten der elektrischen Spannung (U) gestartet wird, sobald die Ankerposition (z) eine Schaltfläche (z₂) erreicht, die über den drei Zustandsgrößen Ankerposition (z), Bewegungsge schwindigkeit () des Ankers und Anker-Beschleunigung () aufgespannt ist,
- die sich daran anschließende Auftreffphase (AP) durch Wieder-Einschalten der elektrischen Spannung (U) gestartet wird, so bald die Ankerposition (z) eine in der Schaltfläche (z₂) liegende Schaltkurve (z₃) erreicht, die durch die beiden Zustandsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit () des Ankers und Anker-Beschleunigung () definiert ist,
- die sich daran anschließende Haltephase (HP) durch Um schalten auf Haltestromregelung gestartet wird, sobald der An ker (4d) sicher an der ihn einfangenden Elektromagnet-Spule (4a, 4b) anliegt.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zeitoptimalen Regler (10) ein Zu satzregler (12) nebengeordnet ist, der die Annäherung des Ankers (4d) an die ihn einfangende Spule (4a, 4b) überwacht, in welchem die Soll-Trajektorien (T_i) aus dem zeitoptimalen Regler (10) übernommen und zeit- oder wegabhängig abgelegt werden, und der eine zusätzli che Regelung insbesondere in der Auftreffphase (AP) vornimmt.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Regler (10,12) benötigten Zu standsgrößen durch einen Beobachter (11) rekonstruiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Zusatzfunktion integriert ist, nach welcher die Soll-Trajektorien (T_i) des zeitoptimalen Reglers (10) nicht zu einer mit der mechanischen Endlage des Ankers (4d) übereinstimmenden Endlage des Reglers (10) führen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zusatzfunktion zumindest eine der folgenden Funktionen erzeugbar ist:

- eine Schwebeposition des Ankers (4d) in einer fiktiven Endlage, in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule (4a, 4b) beabstandet bleibt,
- eine Schwebeposition des Ankers (4d) in einer fiktiven Endlage, in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn zuvor freigebenden Spule (4b, 4a) beabstandet bleibt,
- ein Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers (4d), in welcher der Anker (4d) zumindest geringfügig von der ihn ein fangenden Spule (4a, 4b) beabstandet bleibt, und ein sich dar an anschließende Anfahren einer zweiten Endlage, die der me chanischen Endlage des Ankers (4d) entspricht.