[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Elektromagnetische Aktuatoren werden üblicherweise in Brennkraftmaschinen zur Betätigung
von Gaswechselventilen eingesetzt, mit denen das Ein- und Ausströmen eines Arbeitsmediums
in die bzw. aus den Brennkammern der Brennkraftmaschine gesteuert wird.
[0003] Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der DE 196 31 909 A1 bekannt. Dieser
vorbekannte 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 \/entilfedern in einer Gleichgewichtslage etwa in der
Mitte zwischen den Polflächen der Elektromagnete festgehalten.
[0004] 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 Offensstellung,
wenn der Anker an der Polfläche des als Öffnungsmagnet arbeitenden anderen Elektromagneten
anliegt.
[0005] 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.
[0006] 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 diesen 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.
[0007] Ungelöst ist jedoch 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, insbesondere zu einem erhöhten Verschleiß des Aktuators, unerwünschter
Geräuschentwicklung und überhöhtem Energieverbrauch. Ein sicherer Dauerbetrieb des
Aktuators ist damit nicht gewährleistet.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 anzugeben, das einen sicheren Dauerbetrieb ermöglicht.
[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den unteransprüchen.
[0010] 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.
[0011] 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 bzw. Ventilsitz.
[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Regelgröße durch Messung
der Geschwindigkeit einer während der Ankerbewegung auftretenden Stromabnahme eines
durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes gebildet.
[0013] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird 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.
[0014] Den Induktivitätsverlauf erhält man durch Erfassung der sich in aufeinanderfolgenden
Zeitintervallen ergebenden Induktivität des Elektromagneten. Vorteilhafterweise wird
die Induktivität des Elektromagneten aus den zeitlichen Verläufen einer dem Elektromagneten
zugeführten Erregerspannung und eines durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes
ermittelt.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Figuren näher beschrieben: Es zeigen:
- Figur 1
- einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils,
- Figur 2
- ein Zeitdiagramm eines Ventilhubs und zweier durch jeweils einen von zwei Elektromagneten
des Aktuators fließenden Erregerströme.
[0021] Gemäß Figur 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] Gemäß Figur 2 befindet sich das Gaswechselventil 5 bis zum Zeitpunkt t
m2 in einer Offenstellung s
0, d. h. der Anker 1 liegt an der Polfläche 31 des Öffnungsmagneten 3 an. Zum Zeitpunkt
t
m2 wird der Öffnungsmagnet 3 abgeschaltet und anschließend zum Zeitpunkt t
n der Schließmagnet 2 eingeschaltet. Der Anker 1 löst sich somit vom Öffnungsmagneten
3 und bewegt sich in Richtung Schließmagnet 2, wodurch der Ventilhub s abnimmt. Der
Erregerstrom I
3 des Öffnungsmagneten 3 fällt dabei auf Null ab; der Erregerstrom I
2 des Schließmagneten 2 steigt hingegen von Null bis zu einem lokalen Maximalwert I
20 an, den er zum Zeitpunkt t
n0 erreicht, und fällt daraufhin auf einen lokalen Minimalwert I
21 ab, den er zum Zeitpunkt t
n1 des Auftreffens des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 erreicht. Anschließend steigt
der Erregerstrom I
2 nochmals steil an und fällt danach auf einen Haltewert I
22 ab, welcher beispielsweise durch Pulsweitenmodulation der der Erregerspule 21 zugeführten
Erregerspannung vorgegeben wird.
[0027] 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:

[0028] 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

, wobei L(t) für die Induktivität des Schließmagneten 2 steht, so daß man für die
induzierte Gegenspannung dΨ/dt folgende Gleichung erhält:

[0029] 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 I
20 mit einer von der Ankergeschwindigkeit dx/dt abhängigen Geschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit
der Stromabnahme ΔI des Erregerstromes I
2 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 I
2 abzutasten, numerisch zu differenzieren und den kleinsten der so erhaltenen Werte
zu bestimmen; sie läßt sich aber auch näherungsweise durch Detektion des lokalen Maximums
I
20 und des darauffolgenden lokalen Minimums I
21 und durch Berechnung der Steigung einer durch das lokale Maximum I
20 und durch das lokale Minimum I
21 durchgehenden Geraden ermitteln.
[0030] Um die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 1 auf den Schließmagneten 2 zu regeln,
wird eine Regelgröße v
IST gebildet, die der Geschwindigkeit der Stromabnahme ΔI des Erregerstromes I
2 entspricht, die Regelgröße v
IST mit einem Sollwert v
SOLL 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:

[0031] T
n und T
n+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 v
SOLL ― v
IST das Ergebnis des Vergleichs der Regelgröße v
IST mit dem Sollwert v
SOLL dar.
[0032] Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei den Referenzzeitpunkten der jeweiligen
Zyklen um die Abschaltzeitpunkte t
m2, t
m+1,2 des Öffnungsmagneten 3, so daß mit den Bezeichnungen aus Figur 2 gilt:

[0033] Der Sollwert v
SOLL der Regelgröße v
IST ist derjenige Wert der Regelgröße v
IST, 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 Druck
in der Brennkammer zum Zeitpunkt des Öffnens des Gaswechselventils 5 und der Einschaltzeitpunkte
der Elektromagnete 2, 3, variieren. Der Sollwert v
SOLL wird daher vorteilhafterweise in Abhängigkeit dieser Systemparameter, die mittels
geeigneter Sensoren oder anhand von Kennlinienfeldern ermittelt werden, dynamisch
vorgegeben.
[0034] Durch schrittweises Verschieben der Einschaltzeitpunkte T
n, T
n+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.
[0035] 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 T
n+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
T
n+1 in Abhängigkeit der Systemparameter als Steuerdaten in einer Speichereinheit abspeichern
und zur vorsteuerung bei gleichen Systemparametern verwenden. Hierdurch wird eine
adaptive Vorsteuerung realisiert.
[0036] Im vorliegenden Beispiel wird die Wirkung der Induktivitätsänderung der Elektromagnete
2 und 3 auf den Erregerstrom I
2 bzw. I
3 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 v
IST bereitstellt wird.
[0037] 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.
[0038] Wie bereits ausgeführt gilt für die Erregerspannung u(t) des Schließmagneten 2 folgende
Gleichung

[0039] Hieraus erhält man durch Integration nach der Zeit den verketteten magnetischen Fluß

[0040] Mit

und der Randbedingung

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.
[0041] 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 \/entilhub von ca. 7 mm ausreichend genau aufgelöst wird.
[0042] 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.
1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils
(5), bei dem der Aktuator mit mindestens einem Elektromagneten (2, 3) über einen Anker
(1) gegen die Kraft mindestens einer Ventilfeder (60, 63) auf das Gaswechselventil
(5) wirkt und dieses durch Bewegung des Ankers (1) betätigt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine von einer Induktivitätsänderung des Elektromagneten (2, 3) abhängige Regelgröße
(vIST) als Maß der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (1) auf den Elektromagneten (2, 3)
gebildet wird und daß die Regelgröße (vIST) durch Steuerung der Energiezufuhr zum Elektromagneten (2, 3) auf einen Sollwert
(vSOLL) geregelt wird, den sie bei einem vorgegebenen Wert der Auftreffgeschwindigkeit des
Ankers (1) auf den Elektromagneten (2, 3) annimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Regelgröße
(vIST) die Geschwindigkeit einer während der Ankerbewegung auftretenden Stromabnahme (ΔI)
eines durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes (I2, I3) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Regelgröße
(vIST) der zeitliche Verlauf der Induktivität des Elektromagneten (2, 3) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Induktivität
des Elektromagneten (2, 3) aus dem zeitlichen Verlauf einer dem Elektromagneten zugeführten
Erregerspannung (u(t)) und dem zeitlichen Verlauf eines durch den Elektromagneten
(2, 3) fließenden Erregerstromes (i(t)) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Induktivität
des Elektromagneten (2, 3) aus dem Verlauf der Resonanzfrequenz eines aus dem Elektromagneten
(2, 3) und einer Kapazität gebildeten LC-Schwingkreises ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Induktivität
des Elektromagneten (2, 3) aus dem Verlauf eines mittels eines hochfrequenten Meßsignals
erfaßten komplexen Widerstandes des Elektromagneten (2, 3) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr
zum Elektromagneten (2, 3) gesteuert wird, indem die Regelgröße (vIST) mit einem vorgegebenen Sollwert (vSOLL) verglichen wird und ein nächster Einschaltzeitpunkt (Tn+1) des Elektromagneten (2, 3) in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses vorgegeben
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (vSOLL) der Regelgröße (vIST) in Abhängigkeit von Systemparametern vorgegeben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeitpunkte
(Tn, Tn+1) des Elektromagneten (2, 3) in Abhängigkeit von Systemparametern vorgegeben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein nächster lokaler Maximalwert
(I20) des Erregerstroms (I2, I3) in Abhängigkeit von Systemparametern vorgegeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus den sich
bei verschiedenen Systemparametern einstellenden Einschaltzeitpunkten (Tn) des Elektromagneten (2, 3) Steuerdaten gebildet werden, die in Abhängigkeit der
Systemparameter abgespeichert werden, und daß bei einer Änderung der Systemparameter
der nächste Einschaltzeitpunkt (Tn+1) des Elektromagneten (2, 3) nach Maßgabe der den momentanen Systemparametern entsprechenden
abgespeicherten Steuerdaten vorgesteuert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdaten aus den sich
bei verschiedenen Systemparametern ergebenden lokalen Maximalwerten (I20) des Erregerstroms (I2, I3) gebildet werden.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator
mit zwei einander gegenüberliegenden Elektromagneten (2, 3) gegen die Kraft zweier
Ventilfedern (60, 63) auf den Anker (1) wirkt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffgeschwindigkeiten
des Ankers (1) auf die beiden Elektromagnete (2, 3) jeweils in gleicher Weise geregelt
werden.