Title:
Verfahren zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung ansprechend auf eine Betätigung, Verfahren zum Steuern einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung, Steuergerät und Aktorsystem für ein Fahrzeug
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors (122) einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (120) ansprechend auf eine Betätigung vorgeschlagen. Dabei weist die elektromagnetische Aktorvorrichtung (120) eine elektrische Spule (124) zum Bewegen des Aktors (122) auf. Das Verfahren weist einen Schritt des Einlesens eines an der Spule (124) anliegenden elektrischen Signals (125) zum Bewegen des Aktors (122) von einer Schnittstelle zu der Spule (124) auf. Auch weist das Verfahren einen Schritt des Auswertens eines Verlaufs des elektrischen Signals (125) auf, um eine Änderungscharakteristik (135) des elektrischen Signals (125) zu detektieren, die ein Verlassen einer Betriebsposition des Aktors (122) repräsentiert. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Ermittelns eines Zeitpunkts des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung der detektierten Änderungscharakteristik auf.




Inventors:
Kiltz, Lothar (88212, Ravensburg, DE)
Szabo, Tomas, Dr. (88213, Ravensburg, DE)
Application Number:
DE102016212798A
Publication Date:
01/18/2018
Filing Date:
07/13/2016
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:



Claims:
1. Verfahren (200) zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors (122) einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (120) ansprechend auf eine Betätigung, wobei die elektromagnetische Aktorvorrichtung (120) eine elektrische Spule (124) zum Bewegen des Aktors (122) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (200) zumindest folgende Schritte aufweist:
Einlesen (210) eines an der Spule (124) anliegenden elektrischen Signals (125) zum Bewegen des Aktors (122) von einer Schnittstelle zu der Spule (124);
Auswerten (220) eines Verlaufs des elektrischen Signals (125), um eine Änderungscharakteristik (135) des elektrischen Signals (125) zu detektieren, die ein Verlassen einer Betriebsposition des Aktors (122) repräsentiert; und
Ermitteln (230) eines Zeitpunkts des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung der detektierten Änderungscharakteristik (135).

2. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens ein transienter Verlauf eines an der Spule (124) anliegenden elektrischen Stroms (125) ausgewertet wird.

3. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals (125) ausgewertet wird, um als Änderungscharakteristik (135) eine sprungförmige Änderung in einer zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) zu detektieren, wobei im Schritt (230) des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung in der zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) ermittelt wird.

4. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals (125) ausgewertet wird, um als Änderungscharakteristik (135) eine sprungförmige Änderung in einer zweiten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) zu detektieren, wobei im Schritt (230) des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung in der zweiten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) ermittelt wird.

5. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals (125) ausgewertet wird, um als Änderungscharakteristik (135) einen Dirac-Impuls in einer dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) zu detektieren, wobei im Schritt (230) des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts des Dirac-Impulses in der dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals (125) ermittelt wird.

6. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens das elektrische Signal (125) mittels einer zeitlich differenzierenden Filtereinrichtung gefiltert wird.

7. Verfahren (200) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (220) des Auswertens diskrete analoge elektronische Bauelemente als Filtereinrichtung verwendet werden oder die Filtereinrichtung näherungsweise numerisch nachgebildet wird.

8. Verfahren (300) zum Steuern einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (120), wobei die elektromagnetische Aktorvorrichtung (120) einen Aktor (122) und eine elektrische Spule (124) zum Bewegen des Aktors (122) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (300) zumindest folgende Schritte aufweist:
Empfangen (310) eines Bewegungssignals (137), das einen nach dem Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche bestimmten Beginn einer Bewegung des Aktors (122) repräsentiert; und
Erzeugen (320) eines elektrischen Signals (125) zum Bewegen des Aktors (122) zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Spule (124) unter Verwendung des Bewegungssignals (127).

9. Verfahren (200; 300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Schritte (210, 220, 230; 310, 320) wiederholt ausgeführt werden und/oder zumindest einige der Schritte (210, 220, 230; 310, 320) kontinuierlich ausgeführt werden.

10. Steuergerät (130), das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (200; 300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.

11. Aktorsystem (110) für ein Fahrzeug (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorsystem (110) folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine elektromagnetische Aktorvorrichtung (120); und
ein Steuergerät (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Steuergerät (130) signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Aktorvorrichtung (120) verbindbar oder verbunden ist.

12. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Steuergerät (130) ausgeführt wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung ansprechend auf eine Betätigung, auf ein Verfahren zum Steuern einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung, auf ein entsprechendes Steuergerät, auf ein Aktorsystem für ein Fahrzeug und auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.

Es kann insbesondere für schnell schaltende elektromagnetische Aktoren unter anderem eine Endlagendämpfung softwarebasiert realisiert sein. Diese kann auch als „Soft landing”-Verfahren bzw. Verfahren zur sanften Erreichung der Endlage bezeichnet werden. Bei softwarebasierten Verfahren zur Endlagendämpfung soll beispielsweise ein Aufprallimpuls bei Erreichen eines mechanischen Endanschlags durch Vorgabe geeigneter Trajektorien für eine Spulenspannung oder einen Spulenstrom reduziert werden.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung ansprechend auf eine Betätigung, ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung, ein verbessertes Steuergerät, ein verbessertes Aktorsystem für ein Fahrzeug und ein verbessertes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere durch eine Analyse eines elektrischen Signals, zum Beispiel eines elektrischen Spulenstroms, ein Losbrechen eines elektromagnetischen Aktors, insbesondere eines schnell schaltenden Aktors, von einer Betriebsposition bzw. Startposition erkannt werden. Beispielsweise kann aus einem Verlauf des Spulenstroms das Losbrechen des Aktors erkannt werden bzw. kann erkannt werden, wann der Aktor die Betriebsposition verlässt. Hierbei kann aufgrund der Erkennung des Losbrechens des Aktors beispielsweise auch eine Adaption einer insbesondere Software-basierten Endlagendämpfung realisiert werden. Genauer gesagt kann beides Weise ein Zeitpunkt des Losbrechens erkannt werden und kann eine Kenntnis hierüber nachfolgend zur Adaption eines laufenden Schaltvorgangs bzw. Betätigungsvorgangs und zusätzlich oder alternativ zukünftiger Schaltvorgänge genutzt werden.

Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine genaue und an Umgebungsbedingungen und ein jeweiliges Exemplar eines Aktors angepasste Steuerung des Aktors durch zuverlässige und exakte Erkennung eines Verharrens des Aktors in einer Ausgangsposition erzielt werden. Dazu kann, insbesondere bis auf eine kostengünstig realisierbare, häufig bereits in einer Aktorsteuerung vorhandene Strommessung, beispielsweise auf jegliches weitere Sensorsignal verzichtet werden. Somit kann ein verzögerter Beginn einer Bewegung eines Aktors bei dessen Ansteuerung berücksichtigt werden.

Da es beispielsweise vorkommen kann, dass ein Aktor vor dem Beginn einer Schaltbewegung in einer Startposition zum Beispiel infolge Haftreibung, Adhäsion eines Flüssigkeitsfilms mit parallelen Stirnflächen eines Stators und eines Ankers, magnetischer Remanenz oder dergleichen, gewissermaßen zunächst kleben bleiben kann, was schwierig mathematisch zu modellieren ist und üblicherweise von jedem einzelnen einzelnen Aktorexemplar und von zeitvarianten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer Aktortemperatur, abhängig ist, kann erkannt und berücksichtigt werden, wenn eine Aktorbewegung bzw. Ankerbewegung, die sich tatsächlich einstellt, von derjenigen unterscheidet, die beispielsweise bei einer Ermittlung einer Spannungs- oder Stromtrajektorie zur Aktorsteuerung zu Grunde gelegt wurde. Somit kann insbesondere erreicht werden, dass eine Software-basierte Endlagendämpfung bei einzelnen Aktorexemplaren oder in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen zuverlässig funktioniert. Da hiermit auch für schnell schaltende Aktoren ein verzögerter Beginn der Bewegung berücksichtigt werden kann, können insbesondere auch bei einem Einsatz in Serienanwendungen und bei variierenden Umgebungsbedingungen somit Dämpfungseigenschaften verbessert werden und kann zudem erreicht werden, dass beabsichtigte Schaltvorgänge zuverlässig durchgeführt werden.

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung ansprechend auf eine Betätigung vorgestellt, wobei die elektromagnetische Aktorvorrichtung eine elektrische Spule zum Bewegen des Aktors aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Einlesen eines an der Spule anliegenden elektrischen Signals zum Bewegen des Aktors von einer Schnittstelle zu der Spule;
Auswerten eines Verlaufs des elektrischen Signals, um eine Änderungscharakteristik des elektrischen Signals zu detektieren, die ein Verlassen einer Betriebsposition des Aktors repräsentiert; und
Ermitteln eines Zeitpunkts des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung der detektierten Änderungscharakteristik.

Das Verfahren kann unter Verwendung eines Steuergerätes ausgeführt werden. Dabei kann das Verfahren unter Verwendung eines Steuergerätes ausgeführt werden, das ausgebildet sein kann, um die Aktorvorrichtung zu steuern. Die Aktorvorrichtung kann insbesondere eine mechatronische Aktorvorrichtung sein. Beispielsweise kann die Aktorvorrichtung auch Teil eines Fahrzeugs oder Kraftfahrzeugs sein. Der Aktor kann relativ zu der Spule beweglich angeordnet sein. Der Aktor kann ein ferromagnetisches Material aufweisen. Das an der Spule anliegende elektrische Signal ist geeignet, um eine Bewegung des Aktors zu bewirken. Somit kann die Betätigung unter Verwendung des elektrischen Signals ausführbar sein. Bei einer Betätigung kann der Aktor mittels des an der Spule anliegenden elektrischen Signals zwischen der Betriebsposition und einer Endposition bewegt werden. Die Betriebsposition kann auch als Ausgangsposition, Startposition oder erste Betriebsposition bezeichnet werden. Die Endposition kann auch als Endlage oder zweite Betriebsposition bezeichnet werden. Das an der Spule anliegende elektrische Signal kann abgegriffen und zusätzlich oder alternativ mittels eines Messwiderstands erfasst werden. Das Verlassen der Betriebsposition kann ruckartig vonstatten gehen. Durch Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen kann festgestellt werden, welche zeitliche Verzögerung der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition relativ zu einem Beginn einer Betätigung aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens ein transienter Verlauf eines an der Spule anliegenden elektrischen Stroms ausgewertet werden. Somit kann zumindest ein an der Spule anliegender elektrischer Strom als das elektrische Signal ausgewertet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass beispielsweise kein weiteres Sensorsignal benötigt wird und die Bewegungsbestimmung unter Verwendung des ohnehin vorhandenen elektrischen Signals auf einfache und zuverlässige Weise durchgeführt werden kann.

Auch kann im Schritt des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals ausgewertet werden, um als Änderungscharakteristik eine sprungförmige Änderung in einer zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals zu detektieren. Hierbei kann im Schritt des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung in der zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals ermittelt werden. Eine sprungförmige Änderung einer Haftkraft im Moment eines Losbrechens des Aktors beim Verlassen der Betriebsposition kann zu einer nahezu sprungförmigen Änderung einer Beschleunigung des Aktors führen. Die sprungförmige Änderung der Beschleunigung kann zu einer sprungförmigen Änderung in der zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals führen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Losbrechen des Aktors unaufwendig, sicher und genau erkannt werden kann.

Genauer gesagt kann im Schritt des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals ausgewertet werden, um als Änderungscharakteristik eine sprungförmige Änderung in einer zweiten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals zu detektieren. Dabei kann im Schritt des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung in der zweiten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals ermittelt werden. Die zweite zeitliche Ableitung des elektrischen Signals kann eine angenäherte oder approximierte zweite zeitliche Ableitung sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Losbrechen des Aktors einfach und zuverlässig erkannt werden kann.

Insbesondere kann im Schritt des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals ausgewertet werden, um als Änderungscharakteristik einen Dirac-Impuls in einer dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals zu detektieren. Hierbei kann im Schritt des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts des Dirac-Impulses in der dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals ermittelt werden. Die dritte zeitliche Ableitung des elektrischen Signals kann eine angenäherte oder approximierte dritte zeitliche Ableitung sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Losbrechen des Aktors exakt und unter Einsatz gut bekannter Signalauswertungsprozesse erkannt werden kann.

Ferner kann im Schritt des Auswertens das elektrische Signal mittels einer zeitlich differenzierenden Filtereinrichtung gefiltert werden. Hierbei kann die Filtereinrichtung ein näherungsweise dreifach differenzierendes Filter oder ein anderes näherungsweise dreifach zeitlich differenzierendes lineares zeitinvariantes und zusätzlich oder alternativ verschiebeinvariantes Filter aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Signalauswertung unaufwendig und zuverlässig realisiert werden kann.

Dabei können im Schritt des Auswertens diskrete analoge elektronische Bauelemente als Filtereinrichtung verwendet werden. Alternativ kann die Filtereinrichtung näherungsweise numerisch nachgebildet werden. Wenn diskrete analoge elektronische Bauelemente als Filtereinrichtung verwendet werden, kann ein Ausgangssignal der Filtereinrichtung zum Steuern der Aktorvorrichtung verwendet werden. Wenn die Filtereinrichtung näherungsweise numerisch nachgebildet wird, kann das Verlassen der Betriebsposition und somit der resultierende näherungsweise Dirac-Impuls in der dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms eine Impulsantwort eines Tiefpassfilters anregen. Da die Impulsantwort des Filters bekannt ist, kann ein Zeitpunkt von deren Beginn beispielsweise durch Auswertung einer Korrelation eines Ausgangssignals des Filters mit einer zeitlich gespiegelten Impulsantwort oder vereinfacht durch einen Schwellwertvergleich bestimmt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Signalauswertung einfach und genau sowie angepasst an eine tatsächliche Ausführung eines die Aktorvorrichtung aufweisenden Aktorsystems erfolgen kann.

Es wird auch ein Verfahren zum Steuern einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung vorgestellt, wobei die elektromagnetische Aktorvorrichtung einen Aktor und eine elektrische Spule zum Bewegen des Aktors aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Empfangen eines Bewegungssignals, das einen nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens bestimmten Beginn einer Bewegung des Aktors repräsentiert; und
Erzeugen eines elektrischen Signals zum Bewegen des Aktors zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Spule unter Verwendung des Bewegungssignals.

Somit kann das Verfahren zum Steuern vorteilhaft in Verbindung mit einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens zum Bestimmen ausgeführt werden. Das Verfahren zum Steuern kann unter Verwendung eines Steuergerätes ausgeführt werden, das ausgebildet sein kann, um die Aktorvorrichtung zu steuern. Das Bewegungssignal kann im Rahmen des Verfahrens zum Bestimmen unter Verwendung des ermittelten Zeitpunkts generiert und zusätzlich oder alternativ bereitgestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform können zumindest einige der Schritte einer Ausführungsform eines der vorstehend genannten Verfahren wiederholt ausgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ können zumindest einige der Schritte einer Ausführungsform eines der vorstehend genannten Verfahren kontinuierlich ausgeführt werden. Auch können die Schritte der jeweiligen Verfahren insbesondere zyklisch wiederholt ausgeführt werden. Beispielsweise können der Schritt des Einlesens des elektrischen Signals und der Schritt des Auswertens kontinuierlich ausgeführt werden, wobei der Schritt des Ermittelns, der Schritt des Empfangens und zusätzlich oder alternativ der Schritt des Erzeugens ansprechend auf Auslöseereignisse wiederholt ausgeführt werden können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Kenntnis eines tatsächlichen Beginns einer Bewegung eines gegebenenfalls nicht instantan auf eine Betätigung reagierenden Aktors zur Adaption und Optimierung eines laufenden und zusätzlich oder alternativ zukünftiger Schaltvorgänge genutzt werden kann.

Es wird ferner ein Steuergerät vorgestellt, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens auszuführen.

Somit sind das Verfahren zum Bestimmen und zusätzlich oder alternativ das Verfahren zum Steuern mittels des Steuergerätes vorteilhaft ausführbar. Das Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine geeignete Schnittstelle oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen des Steuergerätes umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

Es wird zudem ein Aktorsystem für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei das Aktorsystem folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine elektromagnetische Aktorvorrichtung; und
eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Aktorvorrichtung verbindbar oder verbunden ist.

Bei dem Aktorsystem kann es sich insbesondere um ein mechatronisches System handeln. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln. Das Steuergerät kann beispielsweise unter anderem ausgebildet sein, um eine Endlagendämpfung bzw. sogenannte Softlanding-Steuerung schnell schaltender elektromagnetischer Aktoren in dem Fahrzeug oder dergleichen zu bewirken.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Aktorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein Fahrzeug;

2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aktorsystems 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein Fahrzeug 100. Bei dem Aktorsystem 110 handelt es sich um ein mechatronisches System. Das Aktorsystem 110 ist hierbei in dem Fahrzeug 100 angeordnet. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Aktorsystem 110 auch unabhängig bzw. getrennt von dem Fahrzeug 100 und somit in einem anderen Gesamtsystem angeordnet und für ein solches vorgesehen sein. Anders ausgedrückt ist das Aktorsystem 110 insbesondere für ein Fahrzeug 100 vorgesehen.

Lediglich beispielhaft ist das Aktorsystem 110 in dem Fahrzeug 100 für schnell schaltende Pneumatikventile für ein Getriebe, für eine elektromagnetisch angesteuerte Klauenkupplung, insbesondere ein Klauentrennelement, oder dergleichen vorgesehen.

Das Aktorsystem 110 weist zumindest eine elektromagnetische Aktorvorrichtung 120 auf. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Aktorsystem 110 beispielhaft lediglich eine elektromagnetische Aktorvorrichtung 120 auf. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Aktorsystem 110 eine Mehrzahl von elektromagnetischen Aktorvorrichtungen 120 aufweisen. Ferner weist das Aktorsystem 110 ein Steuergerät 130 auf. Das Steuergerät 130 ist signalübertragungsfähig mit der Aktorvorrichtung 120 verbunden. Dabei ist das Steuergerät 130 ausgebildet, um die Aktorvorrichtung 120 zumindest zu steuern.

Die elektromagnetische Aktorvorrichtung 120 weist einen Aktor 122, eine elektrische Spule 124, einen ersten Anschlag 126 an einer Betriebsposition bzw. Startposition oder Ausgangsposition und einen zweiten Anschlag 128 bzw. Endanschlag 128 an einer Endlage oder Endposition auf. Der Aktor 122 ist beweglich angeordnet. Dabei ist der Aktor 122 zwischen dem ersten Anschlag 126 und dem zweiten Anschlag 128 bewegbar. Die elektrische Spule 124 ist ausgebildet, um bei einer Betätigung der Aktorvorrichtung 120 eine Bewegung des Aktors 122 zu bewirken. Dabei ist an die elektrische Spule 124 ein elektrisches Signal 125 anlegbar, um den Aktor 122 zu bewegen. In der Darstellung von 1 ist der Aktor 122 zwischen der Betriebsposition und der Endlage angeordnet gezeigt. Anders ausgedrückt ist der Aktor 122 in 1 während einer Bewegung von der Betriebsposition zu der Endlage dargestellt.

Das Steuergerät 130 ist ausgebildet, um das elektrische Signal 125 an die elektromagnetische Aktorvorrichtung 120 auszugeben, um die Aktorvorrichtung 120 zu betätigen. Anders ausgedrückt ist das Steuergerät 130 ausgebildet, um das elektrische Signal 125 an die elektrische Spule 124 anzulegen, um den Aktor 122 zu bewegen bzw. eine Bewegung des Aktors 122 zu bewirken. Bei dem elektrischen Signal 125 handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Strom zum Erzeugen eines Magnetfelds unter Verwendung der Spule 124.

Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät 130 ausgebildet, die Aktorvorrichtung 120 zu steuern und einen Beginn einer Bewegung des Aktors 122 der Aktorvorrichtung 120 ansprechend auf eine Betätigung zu bestimmen. Das Steuergerät 130 weist hierbei eine Einleseeinrichtung 132, eine Auswerteeinrichtung 134, eine Ermittlungseinrichtung 136, eine Empfangseinrichtung 138 und eine Erzeugungseinrichtung 140 auf.

Die Einleseeinrichtung 132 ist ausgebildet, um das an der elektrischen Spule 124 anliegende bzw. an dieselbe angelegte elektrische Signal 125 von einer Schnittstelle zu der elektrischen Spule 124 einzulesen. Das mittels der Einleseeinrichtung 132 eingelesene elektrische Signal 125 wird hierbei insbesondere von einer Schnittstelle zu einem Abgriff oder einem Messwiderstand eingelesen.

Die Auswerteeinrichtung 134 ist ausgebildet, um einen Verlauf des mittels der Einleseeinrichtung 132 eingelesenen elektrischen Signals 125 auszuwerten. Genauer gesagt ist die Auswerteeinrichtung 134 ausgebildet, um den Verlauf des elektrischen Signals 125 auszuwerten, um eine Änderungscharakteristik 135 des elektrischen Signals 125 zu detektieren, die ein Verlassen einer Betriebsposition des Aktors 122 bzw. das Verlassen der Betriebsposition oder Startposition seitens des Aktors 122 repräsentiert. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 134 ausgebildet, um die Änderungscharakteristik 135 in Gestalt eines Signals für die Ermittlungseinrichtung 136 bereitzustellen.

Die Ermittlungseinrichtung 136 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Änderungscharakteristik 135 einen Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der Aktor 122 die Betriebsposition bzw. den ersten Anschlag 126 verlässt. Auch ist die Ermittlungseinrichtung 136 ausgebildet, um ein Bewegungssignal 137, welches den ermittelten Zeitpunkt und somit den Beginn der Bewegung des Aktors 122 repräsentiert, zu generieren und/oder an die Empfangseinrichtung 138 auszugeben.

Die Empfangseinrichtung 138 ist ausgebildet, um das Bewegungssignal 137 von der Ermittlungseinrichtung 136 zu empfangen. Ferner ist die Empfangseinrichtung 138 ausgebildet, um das Bewegungssignal 137 an die Erzeugungseinrichtung 140 und/oder an eine Speichereinrichtung des Steuergerätes 130 weiterzuleiten.

Die Erzeugungseinrichtung 140 ist ausgebildet, um das elektrische Signal 125 zum Bewegen des Aktors 122 zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der elektrischen Spule 124 zu erzeugen. Dabei ist die Erzeugungseinrichtung 140 ausgebildet, um das elektrische Signal 125 unter Verwendung des Bewegungssignals 137 zu erzeugen. Insbesondere ist die Erzeugungseinrichtung 140 ausgebildet, um das elektrische Signal 125 unter Verwendung des Bewegungssignals 137 zu erzeugen, sofern ein Bewegungssignal 137 mittels der Empfangseinrichtung 138 empfangen wurde. Auf diese Weise kann eine Charakteristik des elektrischen Signals 125 fortlaufend dadurch an eine Charakteristik der Aktorvorrichtung 120 angepasst werden, dass fortlaufend Bewegungssignale 137 bei der Erzeugung des elektrischen Signals 125 berücksichtigt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das elektrische Signal 125 somit fortlaufend erzeugt, wobei die Charakteristik des elektrischen Signals 125 immer dann angepasst wird, wenn ein neues Bewegungssignal 137 empfangen wird. Die Charakteristik des elektrischen Signals 125 kann beispielsweise eine Flankensteilheit, Amplitude oder Frequenz des elektrischen Signals 125 betreffen.

Die Auswerteeinrichtung 134 ist insbesondere ausgebildet, um einen transienten Verlauf eines an der elektrischen Spule 124 anliegenden elektrischen Stroms 125 auszuwerten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinrichtung 134 ausgebildet sein, um den Verlauf des elektrischen Stroms 125 bzw. des elektrischen Signals 125 unter Verwendung einer zeitlichen Ableitung zu filtern. Dabei kann die Auswerteeinrichtung 134 eine zeitlich differenzierende Filtereinrichtung aufweisen oder als eine zeitlich differenzierende Filtereinrichtung ausgeführt sein. Eine solche Filtereinrichtung kann durch diskrete analoge elektronische Bauelemente realisiert oder näherungsweise numerisch nachgebildet sein.

Dabei ist die Auswerteeinrichtung 134 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet, um den Verlauf des elektrischen Stroms 125 bzw. des elektrischen Signals 125 auszuwerten, um als Änderungscharakteristik 135 eine sprungförmige Änderung in einer zeitlichen Ableitung, insbesondere einer zweiten zeitlichen Ableitung und/oder einer dritten zeitlichen Ableitung, des elektrischen Signals zu detektieren. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 134 ausgebildet sein, um den Verlauf des elektrischen Signals 125 auszuwerten, um als Änderungscharakteristik 135 einen Dirac-Impuls in einer dritten zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals 125 zu detektieren. Dementsprechend ist die Ermittlungseinrichtung 136 ausgebildet, um den Zeitpunkt, zu dem der Aktor 122 die Betriebsposition an dem ersten Anschlag 126 verlässt, unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung, insbesondere des Dirac-Impulses, in der jeweiligen zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals 125 zu ermitteln.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Beginns einer Bewegung eines Aktors einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung ansprechend auf eine Betätigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 zum Bestimmen ist hierbei in Verbindung mit dem Aktorsystem aus 1 oder einem ähnlichen Aktorsystem durchführbar. Dabei ist das Verfahren 200 zum Bestimmen unter Verwendung des Steuergerätes aus 1 oder eines ähnlichen Steuergerätes ausführbar.

Bei dem Verfahren 200 zum Bestimmen wird in einem Schritt 210 des Einlesens ein an der elektrischen Spule anliegendes elektrisches Signal zum Bewegen des Aktors von einer Schnittstelle zu der elektrischen Spule eingelesen. Nachfolgend wird in einem Schritt 220 des Auswertens ein Verlauf des im Schritt 210 des Einlesens eingelesenen elektrischen Signals ausgewertet. Dabei wird der Schritt 220 des Auswertens ausgeführt, um eine Änderungscharakteristik des elektrischen Signals zu detektieren, die ein Verlassen einer Betriebsposition des Aktors repräsentiert. Nachfolgend wird in einem Schritt 230 des Ermittelns ein Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition durch den Aktor unter Verwendung der im Schritt 220 des Auswertens detektierten Änderungscharakteristik ermittelt.

Insbesondere wird im Schritt 220 des Auswertens ein transienter Verlauf eines an der Spule anliegenden elektrischen Stroms ausgewertet. Ferner wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Schritt 220 des Auswertens der Verlauf des elektrischen Signals ausgewertet, um als Änderungscharakteristik eine sprungförmige Änderung in einer zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals zu detektieren. Hierbei wird nachfolgend im Schritt 230 des Ermittelns der Zeitpunkt des Verlassens der Betriebsposition unter Verwendung eines Zeitpunkts der sprungförmigen Änderung in der zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals ermittelt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel können zumindest einige der Schritte 210, 220 und/oder 230 wiederholt ausgeführt werden. So kann beispielsweise der Schritt 230 des Ermittelns immer dann ausgeführt werden, wenn im Schritt 220 des Auswertens eine Änderungscharakteristik detektiert wird. Zusätzlich oder alternativ können zumindest einige der Schritte 210, 220 und/oder 230 kontinuierlich ausgeführt werden. Beispielsweise können der Schritt 210 des Einlesens und der Schritt 220 des Auswertens kontinuierlich ausgeführt werden.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Steuern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 ist ausführbar, um eine elektromagnetische Aktorvorrichtung zu steuern. Hierbei ist das Verfahren 300 in Verbindung mit der Aktorvorrichtung aus 1 oder einer ähnlichen Aktorvorrichtung bzw. dem Aktorsystem aus 1 oder einem ähnlichen Aktorsystem durchführbar. Das Verfahren 300 zum Steuern ist unter Verwendung des Steuergerätes aus 1 oder eines ähnlichen Steuergerätes ausführbar. Ferner ist das Verfahren 300 zum Steuern in Verbindung mit dem Verfahren zum Bestimmen aus 2 oder einem ähnlichen Verfahren ausführbar.

Das Verfahren 300 Steuern weist einen Schritt 310 des Empfangens eines Bewegungssignals auf, das den gemäß dem Verfahren zum Bestimmen aus 2 oder einem ähnlichen Verfahren bestimmten Beginn der Bewegung des Aktors repräsentiert. Nachfolgend wird in einem Schritt 320 des Erzeugens unter Verwendung des im Schritt 310 des Empfangens empfangenen Bewegungssignals das elektrische Signal zum Bewegen des Aktors zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der elektrischen Spule erzeugt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest einer der Schritte 310 und 320 des Verfahrens 300 zum Steuern wiederholt und/oder kontinuierlich ausgeführt werden.

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 werden Ausführungsbeispiele und Hintergründe sowie Vorteile derselben nachfolgend mit anderen Worten und/oder zusammenfassend nochmals erläutert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Auswertung eines transienten Spulenstroms 125 des elektromagnetischen Aktors 122 zur Erkennung eines Losbrechens des elektromagnetischen Aktors 122 von der Betriebsposition bzw. von dem ersten Anschlag 126 vorgeschlagen. Entsprechend dem Faraday'schen Induktionsgesetz genügt der Spulenstrom 125 näherungsweise der Differentialgleichung L(x, i)·di/dt = u – R·i – K(x, i)·dx/dt,wobei x eine Aktorposition bzw. Position des Aktors 122 bezeichnet, i den Spulenstrom 125, u eine Spulenspannung, R einen Ohm'schen Widerstand der Spule 124, L eine im Allgemeinen positions- und stromabhängige differentielle Induktivität des Aktors 122, also eine partielle Ableitung eines verketteten magnetischen Flusses des Aktors 122 nach dem Spulenstrom 125, K eine im Allgemeinen positions- und stromabhängige partielle Ableitung des verketteten magnetischen Flusses des Aktors 122 nach der Position des Aktors 122, di/dt eine zeitliche Ableitung des Spulenstroms 125 und dx/dt eine Aktorgeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit des Aktors 122, also die zeitliche Ableitung der Aktorposition. Das Produkt K(x,i)·dx/dt wird auch als elektromotorische Kraft bezeichnet und entspricht der elektrischen Spannung, die der Spule 124 infolge der Bewegung des Aktors 122 induziert wird.

Die Position des Aktors 122 genügt ferner der Bewegungsgleichung m·d^2x/dt^2 = Fst(x, dx/dt, i) + Fh.

Hierbei bezeichnet d^2x/dt^2 eine Aktorbeschleunigung bzw. Beschleunigung des Aktors 122, also die zweite zeitliche Ableitung der Aktorposition, m umfasst bewegte träge Massen, also beispielsweise den Aktor 122 bzw. Anker zuzüglich mitbeschleunigter Anbauteile, Fst umfasst am Anker angreifende stetige Kräfte, also beispielsweise eine Magnetkraft, eine Kraft einer Rückstellfeder sowie eine viskose Reibung, und Fh ist die genäherte unstetige Haftkraft des Aktors 122.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die nahezu sprungförmige Änderung der Haftkraft Fh aus der Bewegungsgleichung unter Verwendung des Spulenstroms i bzw. elektrischen Signals 125 detektiert und somit beispielsweise eine Verzögerung bzw. Verzögerungszeit bis zum Losbrechen bei einem aktuellen und/oder folgenden Schaltvorgängen berücksichtigt.

Gemäß der Bewegungsgleichung führt die nahezu sprungförmige Änderung der Haftkraft Fh im Moment des Losbrechens des Aktors 122 zu einer nahezu sprungförmigen Änderung der Aktorbeschleunigung. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz führt dies, über die elektromotorische Kraft, zu einer nahezu sprungförmigen Änderung der zweiten zeitlichen Ableitung des Spulenstroms 125.

Um den Zeitpunkt des Losbrechens bzw. des Verlassens der Betriebsposition und somit des ersten Anschlags 126 zu erkennen, wird beispielsweise ein Sprungzeitpunkt in der zweiten zeitlichen Ableitung des Spulenstroms 125 oder der Zeitpunkt eines näherungsweisen Dirac-Impulses in der dritten zeitlichen Ableitung des Spulenstroms 125 erkannt.

Hierzu wird im Schritt 220 des Auswertens bzw. in der Auswerteeinrichtung 134 beispielsweise auf das Stromsignal i bzw. elektrische Signal 125 ein näherungsweise dreifach differenzierendes Filter mit der Laplace-Übertragungsfunktion G(s) = s^3/b(s), wobei b(s) ein Hurwitz-Polynom mindestens dritten Grades im Ableitungsoperator s ist, oder ein beliebiges anderes näherungsweise dreifach zeitlich differenzierendes lineares zeit- bzw. verschiebeinvariantes Filter angewandt. Ein derartiges Filter kann entweder mit diskreten analogen elektronischen Bauelementen realisiert sein, wobei in einem Verarbeitungsablauf nachfolgenden Einrichtungen, beispielsweise einer Aktorsteuerung, ein Ausgangssignal des Filters zugeführt werden kann, oder auch näherungsweise numerisch in einer Echtzeitsteuerung des Aktors 122 nachgebildet sein. In diesem Fall kann das Losbrechen des Aktors 122 und somit beispielsweise der resultierende näherungsweise Dirac-Impuls in der dritten zeitlichen Ableitung des Spulenstroms 125 eine Impulsantwort eines Tiefpassfilters G0(s) = 1/b(s) anregen. Da die Impulsantwort des Filters bekannt ist, kann der Zeitpunkt von deren Beginn bestimmt werden, wie beispielsweise durch Auswertung einer Korrelation des Filterausgangs von G(s) mit einer zeitlich gespiegelten Impulsantwort von G0(s) oder vereinfacht durch die Überschreitung eines Schwellwertes |d^3i/dt^3| > c_i bzw. dFh/dt > c_Fh).

Im Falle einer Steuerstrategie zur Aufpralldämpfung kann die ermittelte Losbrechverzögerung beim nächsten Schaltvorgang, insbesondere unter vergleichbaren Umgebungsbedingungen, vorgehalten werden. Hierzu kann beispielsweise eine in dem Steuergerät 130 tabellarisch oder in anderer Form hinterlegte Steuerfolge mittels geeigneter Prozesse adaptiert werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Bezugszeichenliste

100
Fahrzeug
110
Aktorsystem
120
Aktorvorrichtung
122
Aktor
124
elektrische Spule
125
elektrisches Signal
126
erster Anschlag
128
zweiter Anschlag
130
Steuergerät
132
Einleseeinrichtung
134
Auswerteeinrichtung
135
Änderungscharakteristik
136
Ermittlungseinrichtung
137
Bewegungssignal
138
Empfangseinrichtung
140
Erzeugungseinrichtung
200
Verfahren zum Bestimmen
210
Schritt des Einlesens
220
Schritt des Auswertens
230
Schritt des Ermittelns
300
Verfahren zum Steuern
310
Schritt des Empfangens
320
Schritt des Erzeugens