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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen
Aktuators gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 2.
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Elektromagnetische
Aktuatoren werden üblicherweise
in Brennkraftmaschinen zur Betätigung von
Gaswechselventilen eingesetzt, mit denen das Ein- und Ausströmen eines
Arbeitsmediums in die beziehungsweise aus den Brennkammern der Brennkraftmaschine
gesteuert wird.
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Ein
aus der
DE 196 31
909 A1 bekannter Aktuator weist zwei Elektromagnete – einen
Schließmagneten
und einen Öffnungsmagneten – mit sich
gegenüberliegenden
Polflächen
und einen zwischen den Polflächen
der Elektromagnete axial bewegbaren Anker auf, der gegen die Kraft
zweier Ventilfedern auf das zu betätigende Gaswechselventil wirkt.
Bei nicht bestromten Elektromagneten wird der Anker durch die gegensinnig
arbeitenden Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage etwa in der
Mitte zwischen den Polflächen
der Elektromagnete festgehalten.
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Durch
abwechselnde Bestromung, d. h. Ein- und Ausschaltung der beiden
Elektromagnete wird der Anker und somit auch das Gaswechselventil
aus der Gleichgewichtslage vom jeweils bestromten Elektromagneten
angezogen und für
die Dauer der Strombeaufschlagung an der Polfläche dieses Elektromagneten festgehalten.
Das Gaswechselventil befindet sich dabei in einer Schließstellung,
wenn der Anker an der Polfläche
des als Schließmagnet
arbeitenden einen Elektromagneten anliegt und es befindet sich in
einer Offenstellung, wenn der Anker an der Polfläche des als Öffnungsmagnet
arbeitenden anderen Elektromagneten anliegt.
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Bei
dem vorbekannten Aktuator wird die Gleichgewichtslage des Ankers
durch Messung der Induktivitäten
der beiden Elektromagnete und durch einen Vergleich der beiden gemessenen
Induktivitätswerte
ermittelt und im Falle einer Abweichung vom gewünschten Wert eine Nachjustierung
der Gleichgewichtslage vorgenommen.
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Aus
der
US 4 823 825 ist
ferner bekannt, dass bei einem Aktuator der eingangs genannten Art das
Auftreffen des Ankers auf den bestromten Elektromagneten anhand
einer kurzzeitigen Abnahme und einer anschließenden erneuten Zunahme eines durch
dieses Elektromagneten fließenden
Erregerstromes erkannt wird. Das Fehlen dieser kurzzeitigen Abnahme
des Erregerstromes ist ein Hinweis auf eine bereits eingetretene
Fehlfunktion; diese lässt sich
zwar nicht vermeiden, sie wird jedoch sofort erkannt, so dass Maßnahmen
zur Fehlerbehebung eingeleitet werden können.
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Ungelöst ist dabei
noch das Problem, den Einfluss betriebsbedingter Systemparameter,
insbesondere Schwankungen der Reibung, der Temperatur und des Drucks
in den Brennkammern aber auch Viskositätsänderungen des Schmiermittels
und Verschleiß oder
Verschmutzung des Aktuators oder Gaswechselventils, in der Steuerung
zu eliminieren. Dies kann zu einer Fehlfunktion des Aktuators führen, unerwünschter
Geräuschentwicklung
und überhöhtem Energieverbrauch.
Ein sicherer Dauerbetrieb des Aktuators ist damit nicht gewährleistet.
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Bei
einem aus der
DE 43
30 531 A1 bekannten Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen
Aktuators, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 oder
des Anspruchs 2 aufweist, wird das zur Ankergeschwindigkeit proportionale
Verhältnis
U/I als Regelgröße gebildet
und auf einen konstanten Sollwert U
ref geregelt.
Es handelt sich dabei nur um den Momentanwert des Erregerstroms
I, und es ist auch nicht möglich,
durch die Wahl des Sollwerts den Wert der Auftreffgeschwindigkeit
zu bestimmen. Zwischen dem Sollwert und der Auftreffgeschwindigkeit
gibt es kein Zusammenhang.
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Aus
der WO 98/38656 A1 ist ein Verfahren zur Stromregelung der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers bei Magnetspulen bekannt, bei dem die Schwächung des
Magnetfeldes bei Annäherung
des Ankers über
einen zusätzlichen
Sensor erfasst wird. Es handelt sich somit um ein Verfahren, bei
dem wenigstens ein zusätzlicher
Sensor benötigt
wird.
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Weitere
Verfahren zur Beeinflussung der Ankerauftreffgeschwindigkeit des
Ankers bei elektromagnetischen Aktuatoren sind aus
DE 195 30 121 A1 , der
DE 195 26 683 A1 und
der
DE 195 30 798
A1 bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren wird entweder
bei Annäherung
des Ankers an die Polfläche
die an der Spule anliegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert
begrenzt, wobei nach einer vorgebbaren Zeit eine Taktung erfolgen
kann oder es wird ein aufwendiges Wegmesssystem verwendet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 2 anzugeben, das einen sicheren Dauerbetrieb sowie die Regelung
der Ankerauftreffgeschwindigkeit auf vorgebbare und während des
Betriebs an aktuelle Betriebsbedingungen anpassbare Werte ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs
2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Bewegung des Ankers
eine Änderung
der Induktivität
des Elektromagneten bewirkt. Die Induktivitätsänderung des Elektromagneten
ist somit ein Maß der
Ankergeschwindigkeit und infolgedessen auch ein Maß der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers auf den Elektromagneten oder der Auftreffgeschwindigkeit
des Gaswechselventils in einen Ventilsitz.
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Erfindungsgemäß wird eine
von der Induktivitätsänderung
des Elektromagneten abhängige
Regelgröße als Maß der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers auf den Elektromagneten gebildet. Diese Regelgröße wird
durch Steuerung der Energiezufuhr zum Elektromagneten derart geregelt,
dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf den Elektromagneten
einen vorgegebenen, d.h. geforderten Wert annimmt und somit begrenzt
wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass dem Anker auch bei einer Änderung
der Systemparameter ausreichend Energie zugeführt wird, um ihn bis zum Elektromagneten
zu bewegen und dort festzuhalten; andererseits wird die Energiezufuhr
auf ein erforderliches Maß begrenzt. Dies
führt zu
einem fehlerfreien Betrieb sowie zu einem geringen Stromverbrauch,
einem geringen Verschleiß,
einer geringen Geräuschentwicklung
und zu einer Vermeidung des Abprallens des Ankers oder Gaswechselventils
vom Elektromagneten beziehungsweise Ventilsitz. In vorteilhafter
Weise wird dabei die Regelgröße durch
Messung der Geschwindigkeit einer während der Ankerbewegung auftretenden Stromabnahme
eines durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes gebildet
oder es wir der zeitliche Verlauf der Induktivität des Elektromagneten ermittelt
und aus diesem Induktivitätsverlauf
die Geschwindigkeit des Ankers zum Zeitpunkt des Auftreffens auf
den Elektromagneten als Regelgröße hergeleitet.
Zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit auf vorgebbare und
während
des Betriebs an aktuelle Betriebsbedingungen anpassbare Werte sind lediglich
Messungen an den Klemmen der Elektromagnete erforderlich. Dies hat
neben den durch die Geschwindigkeitsregelung erzielten Vorteile
zur Folge, dass der Aktuator aufgrund der geringen Anzahl von Anschlüssen kostengünstig herstellbar
ist und mit geringem Aufwand in einer Brennkraftmaschine zur Ventilbetätigung eingesetzt
werden kann.
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Den
Induktivitätsverlauf
erhält
man durch Erfassung der sich in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
ergebenden Induktivität
des Elektromagneten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die
Induktivität
des Elektromagneten aus den zeitlichen Verläufen einer dem Elektromagneten
zugeführten
Erregerspannung und eines durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes
ermittelt.
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Vorteilhaft
ist auch die Erfassung der Resonanzfrequenz eines aus dem Elektromagneten
und einer Kapazität
gebildeten LC-Schwingkreises oder die Erfassung des komplexen Widerstandes
des Elektromagneten mittels eines dem Elektromagneten zugeführten hochfrequenten
Meßsignals
und die Ermittlung der Induktivität des Elektromagneten aus der Resonanzfrequenz
bzw. aus dem komplexen Widerstand.
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Vorzugsweise
wird die Regelgröße mit einem
vorgegebenen Sollwert verglichen und ein nächster Einschaltzeitpunkt des
Elektromagneten in Abhängigkeit
des Vergleichsergebnisses vorgegeben. Hierdurch wird die dem Anker
während
der nächsten
Betätigung
des Gaswechselventils zuzuführende
Energie derart gesteuert, daß die
Auftreffgeschwindigkeit des Anker auf den Elektromagneten auf den
vorgegebenen Wert geregelt wird.
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Der
Sollwert der Regelgröße entspricht
dem vorgegebenen Wert der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf
den Elektromagneten; er wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit
von Systemparametern, insbesondere in Abhängigkeit der Reibung, der Temperatur
und des beim Öffnen
des Gaswechselventils in des Brennkammer herrschenden Druckes, vorgegeben.
vorzugsweise werden auch die Einschaltzeitpunkte des Elektromagneten
in Abhängigkeit
von Systemparametern vorgegeben. Als besonders vorteilhaft erweist
es sich, neben den Einschaltzeitpunkten auch die lokalen Maximalwerte
des durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes in Abhängigkeit
von Systemparametern vorzugeben.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden aus den
sich im eingeregelten Zustand bei verschiedenen Systemparametern
einstellenden Einschaltzeitpunkten des Elektromagneten oder sowohl
aus diesen Einschaltzeitpunkten als auch aus den sich bei den gleichen
Systemparametern ergebenden lokalen Maximalwerten des Erregerstromes
Steuerdaten gebildet, die in Abhängigkeit der
Systemparameter in einem Speicher abgespeichert werden. Bei einer Änderung
der Systemparameter wird der nächste
Einschaltzeitpunkt des Elektromagneten nach Maßgabe der den momentanen Systemparametern
entsprechenden abgespeicherten Steuerdaten vorgesteuert, d. h. vorgegeben
und anschließend
nachgeregelt.
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Bei
einem Aktuator mit zwei einander gegenüberliegenden Elektromagneten,
die gegen die Kraft zweier Ventilfedern auf den Anker wirken, ist
es ausreichend, die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf einen
der beiden Elektromagnete anhand der Induktivitätsänderung dieses Elektromagneten
zu erfassen, da der Anker bei korrekt eingestellter Gleichgewichtslage
auf beide Elektromagnete mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit
auftrifft. Vorteilhafterweise wird Auftreffgeschwindigkeit des Ankers
auf beide Elektromagnete in gleicher Weise geregelt, da dann eine
genaue Einhaltung der Gleichgewichtslage des Ankers nicht mehr erforderlich
ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
beschrieben: Es zeigen:
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1 einen
elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils,
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2 ein
Zeitdiagramm eines Ventilhubs und zweier durch jeweils einen von
zwei Elektromagneten des Aktuators fließenden Erregerströme.
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Gemäß 1 umfaßt der Aktuator
einen mit einem Gaswechselventil 5 in Kraftwirkung stehenden Stößel 4,
einen mit dem Stößel 4 quer
zur Stößel-Längsachse befestigten Anker 1,
einen als Schließmagnet
wirkenden Elektromagneten 2 sowie einen als Öffnungsmagnet
wirkenden weiteren Elektromagneten 3, der vom Schließmagnet 2 Richtung der
Stößel-Längsachse
beabstandet angeordnet ist. Die Elektromagnete 2, 3 sind
mittels eines Gehäuseteils 7 miteinander
verbunden; sie weisen jeweils eine Erregerspule 20 bzw. 30 und
einander gegenüberliegende
Polflächen 21 bzw. 31 auf,
zwischen denen der Anker 1 durch abwechselnde Bestromung der
beiden Elektromagnete 2, 3, d. h. der Erregerspulen 20 bzw. 30,
hin- und herbewegt wird. Zwei gegensinnig wirkende Ventilfedern 60, 63,
die zwischen dem Öffnungsmagnet 3 und
dem Gaswechselventil 5 angeordnet sind und mit zwei Federtellern 61, 62 am Aktuator
bzw. Zylinderkopfteil 8 der Brennkraftmaschine befestigt
sind, bewirken, daß der
Anker 1 im stromlosen Zustand der Erregerspulen 20, 30 in
einer Gleichgewichtslage etwa in der Mitte zwischen den Polflächen 21, 31 der
Elektromagnete 2, 3 festgehalten wird.
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Zum
Starten des Aktuators wird einer der Elektromagnete 2, 3 durch
Anlegen einer Erregerspannung an die entsprechende Erregerspule 20 bzw. 30 bestromt,
d. h. eingeschaltet, oder es wird eine Anschwingroutine initiiert,
durch die der Anker 1 zunächst durch wechselweises Bestromen
der Elektromagnete 2, 3 in Schwingung versetzt
wird, um nach einer Einschwingzeit auf die Polfläche 21 des Schließmagneten 2 oder
die Polfläche 31 des Öffnungsmagneten 3 aufzutreffen.
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Bei
geschlossenem Gaswechselventil 5 liegt der Anker 1 an
der Polfläche 21 des
Schließmagneten 2 an
und er wird solange in dieser Position festgehalten, solange der
Schließmagnet 2 bestromt wird.
Um das Gaswechselventil 5 zu öffnen wird der Schließmagnet 2 abgeschaltet
und anschließend
der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet.
Die in Öffnungsrichtung
wirkende Ventilfeder 60 beschleunigt den Anker 1 über die
Gleichgewichtslage hinaus. Durch den nun bestromten Öffnungsmagneten 3 wird
dem Anker 1 zusätzlich
kinetische Energie zugeführt,
so daß dieser
trotz etwaiger Reibungsverluste die Polfläche 31 des Öffnungsmagneten 3 erreicht
und dort bis zur Abschaltung des Öffnungsmagneten 3 festgehalten
wird. Zum erneuten Schließen
des Gaswechselventils 5 wird der Öffnungsmagnet 3 ausgeschaltet
und der Schließmagnet 2 anschließende wieder eingeschaltet.
Hierdurch wird der Anker 1 zur Polfläche 21 des Schließmagnets 2 bewegt
und dort festgehalten.
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Der
Abstand des Ankers 1 zum jeweiligen Elektromagnet 2, 3 legt
die Induktivität
dieses Elektromagneten 2 bzw. 3 fest; die Geschwindigkeit
des Ankers 1 läßt sich
somit anhand der Induktivitätsänderung
der Elektromagnete 2, 3 ermitteln.
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Im
folgenden wird lediglich die Regelung der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 beschrieben;
die Regelung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 1 auf
den Öffnungsmagneten 3 wird
in gleicher Weise vorgenommen.
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Gemäß 2 befindet
sich das Gaswechselventil 5 bis zum Zeitpunkt tm2 in einer Offenstellung s0,
d. h. der Anker 1 liegt an der Polfläche 31 des Öffnungsmagneten 3 an.
Zum Zeitpunkt tm2 wird der Öffnungsmagnet 3 abgeschaltet
und anschließend
zum Zeitpunkt tn der Schließmagnet 2 eingeschal tet.
Der Anker 1 löst
sich somit vom Öffnungsmagneten 3 und bewegt
sich in Richtung Schließmagnet 2,
wodurch der Ventilhub s abnimmt. Der Erregerstrom I3 des Öffnungsmagneten 3 fällt dabei
auf Null ab; der Erregerstrom I2 des Schließmagneten 2 steigt
hingegen von Null bis zu einem lokalen Maximalwert I20 an,
den er zum Zeitpunkt tn0 erreicht, und fällt daraufhin
auf einen lokalen Minimalwert I21 ab, den
er zum Zeitpunkt tn1 des Auftreffens des
Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 erreicht.
Anschließend
steigt der Erregerstrom I2 nochmals steil
an und fällt
danach auf einen Haltewert I22 ab, welcher
beispielsweise durch Pulsweitenmodulation der der Erregerspule 21 zugeführten Erregerspannung
vorgegeben wird.
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Die
Geschwindigkeit mit der der Erregerstrom I
2 im
Zeitintervall t
n0 ... t
n1 abnimmt,
hängt von der
Ankergeschwindigkeit ab, und zwar ist die Stromabnahme ΔI für große Ankergeschwindigkeiten
größer als
für kleine
Ankergeschwindigkeiten. Die Entstehung dieser Stromabnahme ΔI läßt sich
anhand folgender Gleichung erklären:
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Dabei
steht u(t) für
die dem Schließmagneten
2 zugeführte Erregerspannung,
i(t) für
der Erregerstrom I
2 des Schließmagneten
2,
der aufgrund der angelegten Erregerspannung u(t) durch die Erregerspule
20 fließt, R
Cu für
den ohmschen Widerstand der Erregerspule
20 und dΨ/dt für die induzierte
Gegenspannung, d. h. für
die zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses Ψ(t). Für letzteren
gilt die Beziehung Ψ(t)
= i(t)·L(t),
wobei L(t) für
die Induktivität
des Schließmagneten
2 steht,
so daß man
für die
induzierte Gegenspannung dΨ)/dt
folgende Gleichung erhält:
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Mit
x wird dabei der Hubweg des Ankers 1 bzgl. des Schließmagneten 2 bezeichnet,
d. h. der Abstand zwischen der Polfläche 21 des Schließmagneten 2 und
dem Anker 1. Eine Bewegung des Ankers 1 in Richtung
des Schließmagneten 2 liefert
somit einen positiven Beitrag zur induzierten Gegenspannung dΨ/dt, der
um so größer ist,
je größer der Betrag
der zeitlichen Änderung
dx/dt des Abstandes x, d. h. die Ankergeschwindigkeit, ist. Aufgrund der während der
Bewegungsphase des Ankers 1 konstant gehaltenen Erregerspannung
u(t) nimmt der Erregerstrom i(t) nach Erreichung des lokalen Maximums
I20 mit einer von der Ankergeschwindigkeit dx/dt
abhängigen
Geschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit der Stromabnahme ΔI des Erregerstromes
I2 ist somit eine Funktion der Auftreffgeschwindigkeit
des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2. Sie läßt sich
auf verschiedene Arten ermitteln: eine Möglichkeit besteht darin, den
Erregerstrom I2 abzutasten, numerisch zu
differenzieren und den kleinsten der so erhaltenen Werte zu bestimmen;
sie läßt sich aber
auch näherungsweise
durch Detektion des lokalen Maximums I20 und
des darauffolgenden lokalen Minimums I2,
und durch Berechnung der Steigung einer durch das lokale Maximum
I20 und durch das lokale Minimum I21 durchgehenden Geraden ermitteln.
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Um
die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 zu
regeln, wird eine Regelgröße vIST gebildet, die der Geschwindigkeit der Stromabnahme ΔI des Erregerstromes
I2 entspricht, die Regelgröße vIST mit einem Sollwert vSOLL verglichen
und der nächste
Einschaltzeitpunkt des Schließmagneten 2 in
Abhängigkeit
des Vergleichsergebnisses vorgegeben. Es handelt sich hierbei um eine
iterativ lernende Regelung, die nach folgendem Algorithmus abläuft: Tn+1 = Tn +
k·(VSOLL – VIST).
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Tn und Tn+1 stellen
dabei die Einschaltzeitpunkte des Schließmagneten 2 in aufeinanderfolgenden
Zyklen dar; sie werden jeweils in Bezug auf einen definierten Referenzzeitpunkt
des jeweiligen Zyklus angegeben. Als Zyklus wird dabei der Vorgang
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungs- oder Schließvorgängen des Gaswechselventils 5 bezeichnet.
Ferner stellt n eine Zyklusnummer, k einen Proportionalitätsfaktor
und vSOLL – vIST das
Ergebnis des Vergleichs der Regelgröße vIST mit
dem Sollwert vSOLL dar.
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Im
vorliegenden Beispiel handelt es sich bei den Referenzzeitpunkten
der jeweiligen Zyklen um die Abschaltzeitpunkte tm2,
tm+1,2 des Öffnungsmagneten 3,
so daß mit
den Bezeichnungen aus 2 gilt: Tn = tn – tm2 Tn+1 =
tn+1 – tm+1,2.
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Der
Sollwert vSOLL der Regelgröße vIST ist derjenige Wert der Regelgröße vIST, der bei einem vorgegebenen, d. h. geforderten
Wert der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 gemessen
wird. Er kann in Abhängigkeit
verschiedener Systemparameter, insbesondere in Abhängigkeit
der Reibung des Gaswechselventils 5 und der beweglichen
Teile des Aktuators, der Temperatur des Schmiermittels, des Drucks
in der Brennkammer zum Zeitpunkt des Öffnens des Gaswechselventils 5 und
der Einschaltzeitpunkte der Elektromagnete 2, 3, variieren.
Der Sollwert vSOLL wird daher vorteilhafterweise
in Abhängigkeit
dieser Systemparameter, die mittels geeigneter Sensoren oder anhand
von Kennlinienfeldern ermittelt werden, dynamisch vorgegeben.
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Durch
schrittweises verschieben der Einschaltzeitpunkte Tn,
Tn+1 des Schließmagneten 2 wird dem
Anker 1 mit jedem Zyklus jeweils mehr oder weniger kinetische
Energie zugeführt,
wodurch die Auftreffgeschwindigkeit den Ankers 1 auf den
Schließmagneten 2 zu-
bzw. abnimmt. Dementsprechend ist die Stromabnahme ΔI von Zyklus
zu Zyklus stärker bzw.
weniger stark ausgeprägt.
Somit wird ein Lernen von Zyklus zu Zyklus gewährleistet.
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Die
Anwendung dieses Algorithmus setzt eine zyklische Arbeitsweise mit
sich wiederholenden Prozeßabläufen voraus,
wobei diese nicht streng periodisch erfolgen müssen. Demnach wird der Algorithmus
nur dann eingesetzt, wenn die Systemparameter (Reibung, Temperatur,
Druck in der Brennkammer) sich von Zyklus zu Zyklus nicht oder nur
wenig ändern.
In stark zyklusvarianten Phasen wird vorteilhafterweise vorgesteuert,
d. h. die Systemparameter werden ermittelt und die Einschaltzeitpunkte
Tn+1 für die
jeweils folgenden Zyklen werden zunächst in Abhängigkeit der Systemparameter
vorgegeben und anschließend
nachgeregelt: Ist die Aufprallgeschwindigkeit in einer zyklusinvarianten
Phase auf den vorgegebenen Wert eingeregelt, läßt sich der Einschaltzeitpunkt
Tn+1 in Abhängigkeit der Systemparameter als
Steuerdaten in einer Speichereinheit abspeichern und zur vorsteuerung
bei gleichen Systemparametern verwenden. Hierdurch wird eine adaptive
Vorsteuerung realisiert.
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Im
vorliegenden Beispiel wird die Wirkung der Induktivitätsänderung
der Elektromagnete 2 und 3 auf den Erregerstrom
I2 bzw. I3 ausgewertet.
Da zwischen dem Bewegungsverlauf des Ankers 1 und dem Induktivitätsverlauf der
Elektromagnete 2, 3 ein funktioneller Zusammenhang
besteht, der sich ohne weiteres, beispielsweise anhand einer Meßreihe,
ermitteln läßt, kann
die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 1 auf die Elektromagnete 2, 3 auch
dadurch geregelt werden, daß der
Induktivitätsverlauf
des jeweiligen Elektromagneten 2 bzw. 3 ermittelt
wird, hieraus der Bewegungsverlauf des Ankers 1 bestimmt
wird und aus diesem Bewegungsverlauf die Geschwindigkeit des Ankers 1 zum
Zeitpunkt des Auftreffens auf den jeweiligen Elektromagneten 2 bzw. 3 ermittelt und
als Regelgröße vIST bereitstellt wird.
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Im
folgenden werden verschiedene Möglichkeiten
zur Ermittlung der Induktivität
des Schließmagneten 2 aufgezeigt;
die Induktivität
des Öffnungsmagneten 3 läßt sich
selbstverständlich
auf die gleiche Weise ermitteln.
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Wie
bereits ausgeführt
gilt für
die Erregerspannung u(t) des Schließmagneten
2 folgende
Gleichung
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Hieraus
erhält
man durch Integration nach der Zeit den verketteten magnetischen
Fluß
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Mit Ψ(t) = i(t)·L(t) und
der Randbedingung Ψ(0)
= C = 0 ergibt sich für
die Induktivität
folglich
für i(t) ≠ 0. Der Induktivitätsverlauf
L(t) des Schließmagneten
2 läßt sich
somit aus den zeitlichen Verläufen
der Erregerspannung u(t) und Erregerstromes i(t) berechnen.
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Ferner
läßt sich
der Induktivitätsverlauf
L(t) des Schließmagneten 2 auch
durch Messung der Resonanzfrequenz eines mittels einer Kapazität und dem Schließmagneten 2 gebildeten
LC-Schwingkreises ermitteln. Die mittlere Resonanzfrequenz wird hierbei
durch die Wahl der Kapazität
wird so hoch gewählt,
daß die
Bewegung des Ankers 1 hinreichend genau aufgelöst wird
und die Ankerposition sich während
einer Schwingungsperiode nur minimal ändert. Beispielsweise erhält man bei
einer Flugzeit, d. h. Bewegungszeit des Ankers 1 von ca.
3,5 ms und einer mittleren Resonanzfrequenz von etwa 14 kHz 50 Schwingungsperioden
und somit 50 Werte für
die Ankerposition, mit denen die Bewegung des Ankers 1 bei
einem Ventilhub von ca. 7 mm ausreichend genau aufgelöst wird.
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Der
Induktivitätsverlauf
des Schließmagneten 2 läßt sich
auch durch Messung von dessen komplexen Widerstandes ermitteln.
Hierzu wird der dem Schließmagneten 2 zugeführten Erregerspannung u(t)
eine hochfrequente Meßspannung
als Meßsignal überlagert
und der durch die Meßspannung
bewirkte Anteil des Erregerstromes i(t) anhand seiner Frequenz detektiert
und nach Betrag und Phasenlage ausgewertet. Das Verhältnis aus
der Meßspannung und
dem der Meßspannung
entsprechenden Anteil des Erregerstromes ergibt einen komplexen
Zahlenwert – den
aus einem ohmschen und einem imaginären Anteil bestehenden komplexen
Widerstand des Elektromagneten – aus
dessen imaginärem
Anteil die momentane Induktivität
des Schließmagneten 2 hergeleitet
wird.
