Title:
Verfahren, Steuereinrichtung, Computerprogramm und System zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen zumindest eines elektromagnetischen Aktors
Kind Code:
A1


Abstract:

Bereitgestellt wird ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Computerprogramm und ein System zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen (ξ) zumindest eines elektromagnetischen Aktors. Das Verfahren weist zumindest die Schritte auf: Erfassen (100) mindestens eines elektrischen Stroms (i) durch mindestens eine Magnetspule (21) des zumindest einen Aktors (2) als zumindest eine Messgröße (ζm) und Rekonstruieren (200) durch einen Beobachter (33) von zumindest einer Zustandsgröße (ξ̂) des zumindest eines Aktors (2) auf, wobei mindestens eine Komponente der Differentialgleichung des Beobachters (33) einen Operator beinhaltet, der eine gedächtnisbehaftete Nichtlinearität nachbildet, und/oder mindestens eine Komponente der rekonstruierten Zustandsgrößen (ξ) die Temperatur der Magnetspule ist, und/oder der elektrische Widerstand der Magnetspule ist, und/oder ein Anteil der auf den Anker wirkenden Kraft oder ein Vielfaches davon ist, und/oder ein fluidischer Druck ist, und/oder wobei dem Stellsignal für mindestens eine Magnetspule (21) des Aktors (2) ein Dither-Signal überlagert wird. embedded image




Inventors:
Kiltz, Lothar (88212, Ravensburg, DE)
Reuter, Johannes, Prof. Dr. (78476, Allensbach, DE)
Braun, Tristan (78315, Radolfzell, DE)
Application Number:
DE102017202072A
Publication Date:
08/09/2018
Filing Date:
02/09/2017
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:



Claims:
Verfahren zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen (ξ) zumindest eines elektromagnetischen Aktors, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Erfassen (100) mindestens eines elektrischen Stroms (i) durch mindestens eine Magnetspule (21) des zumindest einen Aktors (2) als zumindest eine Messgröße (ζm), und Rekonstruieren (200) durch einen Beobachter (33) von zumindest einer Zustandsgröße (ξ̂) des zumindest eines Aktors (2), wobei der Beobachter (33) näherungsweise die Differentialgleichung löst: dξ^dt=ϕ(ξ^,ζm)+χ(ı˜,ξ^,ζm)embedded imagewobei
ξ̂ einen Vektor der vom Beobachter (33) rekonstruierten Zustandsgrößen darstellt, welcher ein Schätzwert eines Zustandsvektors ξ eines mathematischen Modells der Dynamik des elektromagnetischen Aktors (2) ist,
dξ^dtembedded imagedie zeitliche Ableitung von ξ̂ darstellt,
ϕ eine vektorwertige Funktion oder einen vektorwertigen Operator eines Aktormodells zur Berechnung der Dynamik des elektromagnetischen Aktors darstellt,
χ eine vektorwertige Funktion oder einen vektorwertiger Operator darstellt, und ζm einen Vektor, zumindest umfassend die Messgrößen elektrischer Strom oder elektrische Spannung, sowie gemessene exogene Größen, darstellt, und
ĩ = î - im den Beobachterfehler des Spulenstroms, also die Differenz zwischen einem vom Beobachter rekonstruierten Spulenstrom î und dem erfassten Strom im durch die mindestens eine Magnetspule darstellt, wobei mindestens eine Komponente aus ϕ und/oder χ einen Operator beinhaltet, der eine gedächtnisbehaftete Nichtlinearität nachbildet, und/oder mindestens eine Komponente der rekonstruierten Zustandsgrößen ξ̂ die Temperatur der Magnetspule ist, und/oder der elektrische Widerstand der Magnetspule ist, und/oder ein Anteil der auf den Anker wirkenden Kraft oder ein Vielfaches davon ist, und/oder ein fluidischer Druck ist, und/oder wobei dem Stellsignal für mindestens eine Magnetspule (21) des Aktors (2) ein Dither-Signal überlagert wird.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach der Erfassung (100) und vor der Rekonstruktion (200) eine Vorverarbeitung mindestens einer der Messgrößen erfolgt.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachter (33) ein schaltender Beobachter ist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein aus der zumindest einen rekonstruierten Zustandsgröße (ξ̂) gebildetes Signal mit der dazu korrespondierenden Messgröße verglichen wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine rekonstruierte Zustandsgröße (ξ̂) zur Anpassung des Beobachters (33) und/oder von Netto-Sollsignalen (322) und/oder von Stellsignalen (323) zur Steuerung oder Regelung des zumindest einen Aktors (2) verwendet wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine rekonstruierte Zustandsgröße (ξ̂) zur Diagnose verwendet wird.

Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Diagnose modellbasiert ist.

Steuereinrichtung (3), die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.

Aktorsystem (1) für ein Fahrzeug, aufweisend:
zumindest einen elektromagnetischen Aktor (2); und
eine Steuereinrichtung (3), die mit dem Aktor (2) signalübertragungsfähig damit verbindbar oder verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.

Computerprogramm mit Programmcode, welches das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umsetzt, wenn es auf einer Steuereinrichtung (3) ausgeführt wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen zumindest eines elektromagnetischen Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Steuereinrichtung, ein Computerprogramm und ein System.

Zur Regelung oder zur Online-Überwachung eines von einem elektromagnetischen Aktor angesteuerten mechatronischen Systems ist es sinnvoll, die Ankerposition bzw. Ankergeschwindigkeit oder die Spulentemperatur des Aktors während des Betriebs des Aktors laufend zu bestimmen. Häufig ist es jedoch aus unterschiedlichsten Gründen wie aus Bauraum- oder Kostengründen nicht sinnvoll oder nicht möglich, die Aktoren hierzu mit dedizierten Sensoren für die interessierenden Prozess- bzw. Zustandsgrößen zu versehen.

Bekannte Verfahren, die dieses Problem überwinden, verwenden keine dedizierten Sensoren zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung und lassen sich im Wesentlichen in zwei Gruppen einteilen.

Die erste Gruppe beruht im Wesentlichen auf der Identifikation oder Adaption der orts- und stromabhängigen differentiellen Induktivität des Aktors, des temperaturabhängigen Ohm'schen Spulenwiderstands, arbeitspunktabhängiger Parameter der Stromaufbaudynamik, welche die Generierung von Wirbelströmen charakterisieren, oder anderer vom Arbeitspunkt abhängiger, von den vorher genannten Parametern abgeleiteten, messtechnisch häufig besonders einfach zu erfassender, Kenngrößen der Stromaufbaudynamik. Diese Kenngrößen sind beispielsweise die Spitze-Spitze-Stromdifferenz bei einer PWM (Pulsweiten modulierten) Ansteuerung mit vorgegebener Periodendauer oder der Periodendauer und des Tastgrads bei PWM-Ansteuerung durch einen Zweipunktstromregler. Die ermittelten Parameter werden dann mit Hilfe eines im Speicher des elektrischen Steuergerätes hinterlegten mathematischen Modells, beispielsweise einer Interpolationstabelle oder einem Regressionsmodell, nach den interessierenden Prozessgrößen invertiert. Diese Verfahren werden beispielsweise zur Rekonstruktion der Ankerposition und gelegentlich auch der Spulentemperatur im Stillstand des Ankers verwendet. Nachteilig ist hier, dass die infolge einer Bewegung des Ankers induzierte elektrische Spannung zu einer Verfälschung der geschätzten Parameter der Stromaufbaudynamik und somit auch zu falschen Werten der rekonstruierten Zustandsgrößen führen kann. Die Verfahren der ersten Gruppe liefern also nur im Stillstand des Ankers oder bei relativ langsamen Ankerbewegungen hinreichend genaue Schätzwerte der Zustandsgrößen, sind also nicht für schnelle Ankerbewegungen nutzbar. Alternativ müsste nach der Durchführung einer Ankerbewegung sogar so lange mit der Auswertung gewartet werden, bis der Anker zum Stillstand gekommen ist. Daher ist auch keine Rekonstruktion der Ankergeschwindigkeit oder der während einer Bewegung wirkenden dynamischen Kräfte möglich.

Bei einer zweiten Gruppe von Verfahren werden mit Hilfe sogenannter Beobachter die Zustandsgrößen des Aktors laufend geschätzt. Die Beobachter basierten Verfahren der zweiten Gruppe besitzen gegenüber den Verfahren der ersten Gruppe den Vorteil, dass sie bei schnellen Ankerbewegungen anwendbar sind. Außerdem können mit Hilfe Beobachter basierter Verfahren im Gegensatz zu den Verfahren der ersten Gruppe über die Ankerposition und die Spulentemperatur bzw. den Spulenwiderstand hinaus direkt Schätzwerte für die Ankergeschwindigkeit und die auf den Anker wirkende Kraft ermittelt werden. Aus der Ankergeschwindigkeit kann beispielsweise der Aufprallimpuls des Ankers in einem mechanischen Endanschlag ermittelt werden, was mit den Verfahren der ersten Gruppe nicht möglich ist. Nachteilig bei den bekannten Beobachter basierten Verfahren der zweiten Gruppe ist, dass sie für geringe oder verschwindende Ankergeschwindigkeiten keine guten Schätzwerte liefern. Die zweite Gruppe von Verfahren wird daher bisher hauptsächlich für die Rekonstruktion der Zustandsgrößen bei schaltenden elektromagnetischen Aktoren während der Schaltvorgänge genutzt.

Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen eines elektromagnetischen Aktors bereitzustellen, welches die Nachteile beider Verfahren überwindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der interessierenden Prozess- bzw. Zustandsgrößen aus einfach zu ermittelnden Prozessgrößen bereitzustellen. Dazu werden die Zustandsgrößen eines mathematischen Modells der Aktordynamik mit Hilfe eines auf z.B. einem elektronischen Steuergerät ausgeführten Beobachters rekonstruiert.

Erfahrungsgemäß ist ein Nachteil der Verfahren der zweiten Gruppe, dass die bisher nicht systematisch berücksichtigten physikalischen Effekte die Genauigkeit der rekonstruierten Zustandsgrößen verringern. Deshalb werden zusätzlich zu bisher verwendeten Zustandsgrößen bzw. Parametern wie Ankerposition und Ankergeschwindigkeit und evtl. Spulenstrom weitere Parameter in die Berechnung durch den Beobachter miteinbezogen, wie nachfolgend beschrieben. Dem Ansteuersignal des Aktors kann außerdem zusätzlich oder ohne Berücksichtigung weiterer bisher nicht berücksichtigter Parameter ein Dither-Signal überlagert werden, welches dafür sorgt, dass Wirbelströme im Magnetkreis induziert werden oder der Anker fast immer in Bewegung bleibt. Dies verbessert die Genauigkeit der Zustandsrekonstruktion bei langsamen Ankerbewegungen oder im Ankerstillstand.

Erfahrungsgemäß sind im Fall elektromagnetischer Aktoren die Spulenspannung und der Spulenstrom in der Praxis einfach zu messen. Häufig liegen diese Messinformationen in Echtzeitsteuerungen sogar bereits vor. Somit kann eine indirekte Bestimmung der interessierenden Prozess- bzw. Zustandsgrößen aus den Verläufen der Spulenspannung und des Spulenstroms elektromagnetischer Aktoren erfolgen. Prozessgrößen können dabei beispielsweise die Ankerposition, die Ankergeschwindigkeit, die Temperatur der Magnetspule, deren Ohm'scher Widerstand oder am Magnetanker wirksame Kräfte sein.

Diese indirekte Bestimmung ist deshalb möglich, da sich die Stromaufbaudynamik eines elektromagnetischen Aktors arbeitspunktabhängig ändert. Die genaue Kenntnis der Ankerposition, der Ankergeschwindigkeit, der Spulentemperatur, des Spulenwiderstands und der am Anker wirksamen Kräfte ermöglicht wiederum verbesserte oder neuartige Echtzeit-Diagnose- und Regelfunktionen. Beispielsweise kann im Falle eines hydraulischen oder pneumatischen Ventils aus den auf den Anker wirkenden Kräften der vom Ventil eingestellte Sekundärdruck errechnet und somit eine Druckregelung ohne dedizierten Drucksensor realisiert werden.

Durch ein solches Verfahren können sogar die von vorhandenen dedizierten Sensoren ermittelten Prozessgrößen gegen die indirekt, also ohne Verwendung der Sensoren, ermittelten entsprechenden Prozessgrößen plausibilisiert und somit die Sensoren überwacht werden.

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Rekonstruktion von Zustandsgrößen zumindest eines elektromagnetischen Aktors, aufweisend zumindest die Schritte Erfassen mindestens eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung durch mindestens eine Magnetspule des zumindest einen Aktors als zumindest eine Messgröße, und Rekonstruieren durch einen Beobachter von zumindest einer Zustandsgröße des zumindest eines Aktors, wobei der Beobachter näherungsweise die Differentialgleichung löst: dξ^dt=ϕ(ξ^,ζm)+χ(ı˜,ξ^,ζm)embedded imagewobei

  • ξ̂ einen Vektor der vom Beobachter rekonstruierten Zustandsgrößen darstellt, welcher ein Schätzwert eines Zustandsvektors ξ eines mathematischen Modells der Dynamik des elektromagnetischen Aktors (2) ist,
  • dξ^dtembedded imagedie zeitliche Ableitung von ξ̂ darstellt,
  • ϕ eine vektorwertige Funktion oder einen vektorwertiger Operator eines Aktormodells zur Berechnung der Dynamik des elektromagnetischen Aktors darstellt,
  • χ eine vektorwertige Funktion oder einen vektorwertigen Operator darstellt,
  • ζm einen Vektor, zumindest umfassend die Messgrößen elektrischer Strom oder elektrische Spannung, sowie gemessene exogene Größen, darstellt, und
  • ĩ = î - im den Beobachterfehler des Spulenstroms, also die Differenz zwischen einem vom Beobachter rekonstruierten Spulenstrom î und dem erfassten Strom im durch die mindestens eine Magnetspule darstellt,
wobei mindestens eine Komponente aus 0 und/oder χ einen Operator beinhaltet, der eine gedächtnisbehaftete Nichtlinearität nachbildet, und/oder mindestens eine Komponente der rekonstruierten Zustandsgrößen ξ̂ die Temperatur der Magnetspule ist, und/oder der elektrische Widerstand der Magnetspule ist, und/oder ein Anteil der auf den Anker wirkenden Kraft oder ein Vielfaches davon ist, und/oder ein fluidischer Druck ist, und/oder wobei dem Stellsignal für mindestens eine Magnetspule des Aktors ein Dither-Signal überlagert wird.

Durch die simultane Echtzeit-Rekonstruktion von bisher nicht in Betracht gezogenen Zustandsgrößen des Aktors basierend auf gemessenen Größen, d.h. ohne dedizierte Sensoren zur Bestimmung der Zustandsgrößen, und/oder der Überlagerung des Stellsignals mit einem Dither-Signal kann das Verfahren sowohl für langsame als auch für schnelle Aktorbewegungen verwendet werden. Außerdem kann eine kontinuierliche Überwachung und Fehlerdiagnose im laufenden Betrieb des Aktors erfolgen. Ferner erfolgt eine Reduktion von Bauraum, Kosten und Fehlerquellen durch Wegfall von Sensoren zur Bestimmung der Zustandsgrößen. Durch das Verfahren kann eine Nutzung der systematischen Vorteile Beobachter-basierter Zustandsrekonstruktionsverfahren im Vergleich zu Identifikation- oder Adaptionbasierten Zustandsrekonstruktionsverfahren auch bei Aktoren erfolgen, bei denen nur geringe Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden. Außerdem ist die Aktordynamik ohne konstruktive Änderung an das vom Aktor angesteuerte System anpassbar.

Durch die Berücksichtigung unterschiedlicher Parameter alleine oder in Kombination, z.B. gedächtnisbehafteter Nichtlinearitäten im Beobachter und/oder simultane Störkraft-, Spulentemperatur- und Spulenwiderstands-Rekonstruktion, werden verbesserte Rekonstruktionsergebnisse erzielt, wodurch eine verbesserte Regelgüte und genauere Diagnose resultiert. Ferner wird durch nicht Verwenden von entsprechenden Sensoren oder dadurch, dass bei Vorhandensein dedizierter Sensoren die von diesen Sensoren ermittelten Messwerte gegen die Rekonstruktionsergebnisse plausibilisiert werden können, die funktionale Sicherheit erhöht.

Durch die Verwendung eines Dither-Signals alleine oder in Kombination mit der Berücksichtigung oben genannter Parameter wird die Genauigkeit der Zustandsrekonstruktion bei langsamen Ankerbewegungen oder im Ankerstillstand verbessert. Ferner erfolgt eine Verringerung der Aktorreibung und somit Verbesserung des Ansprechverhaltens und der Regelgüte bei Verwendung eines Dither-Signals mit hinreichend großer mittlerer Leistung.

In einer Ausgestaltung erfolgt nach der Erfassung und vor der Rekonstruktion eine Vorverarbeitung mindestens einer der Messgrößen. Beispielsweise kann eine Glättung mit Hilfe eines Tiefpassfilters zur Verringerung von Messrauschen oder die Konvertierung von Sensorsignalen mit Hilfe im elektronischen Steuergerät hinterlegter Kennlinien oder Kennfelder erfolgen.

In einer Ausgestaltung ist der Beobachter ein schaltender Beobachter. Durch Verwendung eines schaltenden Beobachters kann eine besonders hohe Robustheit gegen beschränkte Fehler des dem Beobachter zu Grunde liegenden mathematischen Modells der Aktordynamik erreicht werden. Ein solcher schaltender Beobachter ist vorteilhafterweise ein Beobachter, bei dem zumindest eine Komponente vom Vorzeichen des Beobachterfehlers abhängt.

In einer Ausgestaltung wird ein aus der zumindest einen rekonstruierten Zustandsgröße gebildetes Signal mit der dazu korrespondierenden Messgröße verglichen. In einer Ausgestaltung wird die zumindest eine rekonstruierte Zustandsgröße zur Anpassung des Beobachters und/oder von Netto-Sollsignalen und/oder von Stellsignalen zur Steuerung oder Regelung des zumindest einen Aktors verwendet.

In einer Ausgestaltung wird die zumindest eine rekonstruierte Zustandsgröße zur Diagnose verwendet. Vorteilhafterweise ist die Diagnose modellbasiert.

Die rekonstruierten Größen können dazu verwendet werden, den Beobachter, die Berechnung der Netto-Sollsignale, die interne Stellsignalberechnung und die Berechnung des Dither-Signals kontinuierlich, zyklisch oder ereignisbasiert anzupassen und bspw. hierzu im Speicher des elektronischen Steuergerätes hinterlegte Parameter, Kennlinien oder Kennfelder zu adaptieren. Somit kann eine Nachführung von Parametern bei Verschleiß des Aktors, wie bspw. der Position von Steuerkanten bei einem Ventil, oder die Anpassung eines Reibmodells erfolgen. Außerdem kann eine kontinuierliche Überwachung und Fehlerdiagnose im laufenden Betrieb des Aktors erfolgen.

Ferner wird eine Steuereinrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren durchzuführen.

Ferner wird ein Aktorsystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend zumindest einen elektromagnetischen Aktor und eine Steuereinrichtung, die mit dem Aktor signalübertragungsfähig damit verbindbar oder verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.

Ferner wird ein Computerprogramm mit Programmcode bereitgestellt, welches das Verfahren umsetzt, wenn es auf einer Steuereinrichtung ausgeführt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Systems, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In 1 ist ein mechatronisches System 1 gezeigt, beispielsweise ein Kraftfahrzeug oder ein Kraftfahrzeuggetriebe oder ein Lenk- oder Bremssystem für ein Kraftfahrzeug. Dieses mechatronische System 1 besitzt mindestens einen elektromagnetisch angetriebenen Aktor 2, beispielsweise ein Hydraulik- oder Pneumatikventil, sowie ein elektronisches Steuergerät 3, welches den mindestens einen Aktor 2 ansteuert.

Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten des Systems 1 genauer beschrieben.

Der mindestens eine elektromagnetisch betätigte Aktor 2 weist mindestens einen Elektromagneten mit mindestens einer Magnetspule 21 auf. Die z.B. als elektronisches Steuergerät ausgeführte Steuereinrichtung 3 erzeugt mindestens eine elektrische Spannung u über mindestens einer der Magnetspulen 21. Infolgedessen ergeben sich ein elektrischer Strom i in mindestens einer der Magnetspulen 21 und somit eine Magnetkraft M auf mindestens einen Magnetanker 22 des mindestens einen Aktors 2. Unter dem Einfluss der mindestens einen Magnetkraft M sowie weiterer intrinsischer Kräfte F, G wie z.B. Federkräfte und Reibung, sowie exogener Kräfte ζk, wie z.B. Druckkräfte, wird der mindestens eine Anker 22 des mindestens einen Aktors 2 beschleunigt und ändert folglich seine Geschwindigkeit v und seine Position s. Die Positions- und Geschwindigkeitsänderung wiederum verändert die auf den Anker 22 wirkenden Kräfte und, wie später beschrieben, die Dynamik mindestens einer Magnetspule 21 des mindestens einen Aktors 2.

Mindestens ein elektrischer Strom i durch mindestens eine Magnetspule 21 mindestens eines Aktors 2 sowie, optional, mindestens eine zugehörige elektrische Spulenspannung u sowie, ebenfalls optional, exogene Größen ζk wie beispielsweise Temperatur- oder Drucksignale werden vom elektronischen Steuergerät 3 erfasst. Zusätzlich zur Erfassung kann auch eine Vorverarbeitung 31 mindestens einer der erfassten Größen ζm durchgeführt werden, beispielsweise eine Glättung mit Hilfe eines Tiefpassfilters zur Verringerung von Messrauschen oder die Konvertierung von Sensorsignalen mit Hilfe im elektronischen Steuergerät 3 hinterlegter Kennlinien oder Kennfelder. Die erfassten und gegebenenfalls vorverarbeiteten Größen ζm stehen also als Messgrößen für die weitere Verarbeitung innerhalb des elektronischen Steuergerätes 3 zur Verfügung.

Aus den Messgrößen ζm werden mit Hilfe eines später genauer beschriebenen Beobachters 33 Zustandsgrößen ξ̂ des mindestens einen Aktors 2 rekonstruiert. Die rekonstruierten Größen ξ̂ können dazu verwendet werden, den Beobachter 33, die Berechnung der Netto-Sollsignale 322, die interne Stellsignalberechnung 323 und die Berechnung des Dither-Signals 324 kontinuierlich, zyklisch oder ereignisbasiert anzupassen und z.B. hierzu im Speicher des elektronischen Steuergerätes 3 hinterlegte Parameter, Kennlinien oder Kennfelder zu adaptieren. Typische Anwendungsfälle hiervon sind die Nachführung von Parametern bei Verschleiß des Aktors 2, wie bspw. der Position von Steuerkanten bei einem Ventil, oder die Anpassung eines Reibmodells.

Zur Umsetzung extern vorgegebener oder intern berechneter Stellsignale wie beispielsweise Sollpositionen oder Solldrücke werden mindestens eine elektrische Spulenspannung u oder ein elektrischer Spulenstrom i als Netto-Sollsignal S2 für mindestens eine der Magnetspulen 21 berechnet. Zur Verbesserung des Folgeverhaltens des Aktors 2 können bei dieser Berechnung Messgrößen und rekonstruierte Zustandsgrößen in offener Wirkungskette (Steuerung) oder geschlossener Wirkungskette (Regelung) verwendet werden.

Bei der internen Stellsignalberechnung 323 können Anforderungen an die Glattheit, also wiederholte zeitliche Differenzierbarkeit, und die Einhaltung von Stellgrößen- und von Zustandsraumbeschränkungen berücksichtigt werden. Hierzu können relevante Stellgrößen- und Zustandsraumbeschränkungen im Speicher des elektronischen Steuergerätes 3 abgelegt sein, beispielsweise tabellarisch oder in Form sonstiger mathematischer Funktionen. Die interne Stellsignalberechnung 323 kann insbesondere die Planung von Solltrajektorien beinhalten, welche den hinterlegten Anforderungen an die zeitliche Differenzierbarkeit sowie die Einhaltung von Stellgrößen- und Zustandsraumbeschränkungen berücksichtigen. Die Solltrajektorien können mit Hilfe eines mathematischen Optimierungsalgorithmus und in Abhängigkeit der Mess- und rekonstruierten Zustandsgrößen ζm bzw. ξ̂ neu berechnet werden, beispielsweise im Sinne einer modellprädiktiven Regelung. Die interne Stellgrößenberechnung 323 kann externe Stellsignale S4 wie beispielsweise sprungförmige Sollpositionen, die keinerlei Anforderungen bezüglich wiederholter zeitlicher Differenzierbarkeit, Einhaltung von Stellgrößenbeschränkungen oder von Zustandsraumbeschränkungen berücksichtigen, in geeignetere Solltrajektorien umwandeln. In diesem Fall können dann die internen Stellsignale stellvertretend für die externen Stellsignale zur Berechnung der Netto-Sollsignale genutzt werden.

In Abhängigkeit der Netto-Sollsignale, der Messgrößen und der rekonstruierten Zustandsgrößen wird zusätzlich zu den Netto-Sollsignalen mindestens eine elektrische Spulenspannung u oder ein elektrischer Spulenstrom i als Dither-Signal S3 für mindestens eine der Magnetspulen 21 berechnet. Übliche Dither-Signale sind periodisch, also beispielsweise sinus-, dreieck- oder rechteckförmig, oder stochastisch. Üblicherweise führt der Anker 22 infolge des Dither-Signals S3 ständig Mikrobewegungen um die dem Netto-Sollsignal entsprechende Ankerposition s aus. Durch die Sicherstellung sich fast immer ändernder Wirbelströme und/oder einer bewegungsinduzierten Spannung wird eine verbesserte Zustandsrekonstruktion mit dem Beobachter 33 erreicht. Gleichzeitig wird infolge der Mikrobewegungen die Reibung des Magnetankers 22 verringert und somit die Stell- bzw. Regelgenauigkeit verbessert. Bei wirbelstrombehafteten Aktoren 2 kann zur Verbesserung der Rekonstruktionsgenauigkeit des Beobachters 33 auch ein Dither-Signal S3 derart geringer mittlerer Leistung verwendet werden, dass sich lediglich die Wirbelströme zu fast jedem Zeitpunkt ändern, also keine relevante Bewegung des Ankers 22 resultiert.

Das Netto-Sollsignal S2 wird in einer Ausführung mit dem Dither-Signal S3 kombiniert, insbesondere additiv überlagert. Das aus dem Netto-Sollsignal S2 und dem Dither-Signal S3 kombinierte Strom- oder Spannungssignal S1 stellt den Sollwert der entsprechenden Spulenspannung u oder des entsprechenden Spulenstroms i dar.

Aus dem Sollwert S1 für die Spulenspannung u oder den Spulenstrom i wird die der mindestens einen Magnetspule 22 eingeprägte elektrische Spannung u generiert. Hierzu kann das elektronische Steuergerät 3 eine wertkontinuierliche (analoge) oder wertdiskrete (schaltende) Leistungselektronik aufweisen. Ist das Sollsignal S1 ein Spulenstrom i, so kann das elektronische Steuergerät 3 zusätzlich einen Stromregler enthalten. Die Versorgungsspannung V0 kann gemessen und bei der Erzeugung der Spulenspannung u berücksichtigt werden.

Das elektronische Steuergerät 3 kann ferner eine später beschriebene Diagnose(funktion) 325 beinhalten. Die Diagnose 325 hat die Aufgabe, unerwünschte oder intolerable Betriebsbedingungen wie z.B. ein Überhitzen einer Magnetspule 21, oder eine Fehlfunktion wie z.B. ein Klemmen eines Ankers 22 infolge eingebrachter Schmutzpartikel der Aktoren 2 zu detektieren, also das Auftreten eines Fehlers zu erkennen, optional zu isolieren, d.h. auch die Art des Fehlers zu bestimmen, und, ebenfalls optional, zu rekonstruieren, d.h. den zeitlichen Verlauf des Fehlers zu schätzen. Die von der Diagnose 325 berechneten Fehlerinformationen können bei der Berechnung der Sollsignale S1 genutzt werden, also bei der internen Stellsignalberechnung 323, bei der Berechnung der Netto-Sollsignale 322, bei der Berechnung der Dither-Signale 324 oder bei der Erzeugung der Spulenspannungen 321. Ebenfalls können Berechnungsergebnisse der Diagnose 325 nach außen gemeldet werden, beispielsweise in Form eines optischen Signals oder in Form eines Diagnosesignals S5 für ein mit dem elektronischen Steuergerät 3 kommunizierendes zweites elektronisches Steuergerät oder eine andere Einrichtung.

Nachfolgend werden zur Berechnung der Aktordynamik verwendete mathematische Modelle beschrieben, die bevorzugt als ein Computerprogramm ausgeführt sind, wobei das Computerprogramm auf einer Steuereinrichtung wie einem elektronischen Steuergerät 3 ausgeführt werden kann.

Die nachfolgend beschriebenen mathematischen Modelle der Aktordynamik gemäß unterschiedlichen Ausführungen der Erfindung enthalten zumindest den elektrischen Strom i durch eine Magnetspule 21 und eine Ankerposition s als Zustandsgröße(n) ξ.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist das folgende bekannte konzentriertparametrische Zustandsraummodell für die Dynamik elektromagnetischer Aktoren, welches als Basis bzw. Basismodell verwendet wird: dξ^dt=ϕ(ξ,ζ)embedded imagewobei dξ^dtembedded imagedie zeitlichen Ableitung von ξ darstellt, und mit dem Vektor der Zustandsgrößen ξ=(s, v, Gϑ,i, iw1,,iwN)T,embedded imagedem Vektor der exogenen, also von außen eingeprägten Größen ζ=(u,ζ1,,ζM)Tembedded imagesowie der vektorwertigen Funktion (1d): ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G00k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Hierbei bezeichnen

  • - s die Ankerposition,
  • - v die Ankergeschwindigkeit,
  • - F die für die Aktorbauart typischen und somit als bekannt anzunehmenden, die Ankermasse sowie die mitbeschleunigten Anbauteile beschleunigenden Kräfte, dividiert durch die Summe der beschleunigten Massen,
  • - G sämtliche nicht durch F beschriebenen und somit als unbekannt anzunehmenden, die Ankermasse sowie die mitbeschleunigten Anbauteile beschleunigenden Kräfte, dividiert durch die Summe der beschleunigten Massen,
  • - ϑ die Aktortemperatur,
  • - i den elektrischen Strom durch die Magnetspule,
  • - u die elektrische Spannung über der Magnetspule,
  • - ζk , k = 1, ... ,M, sonstige, die Dynamik des Aktors beeinflussende exogene Größen wie beispielsweise bei einem elektromagnetisch angesteuerten Hydraulik-oder Pneumatikventil die Drücke an den hydraulischen bzw. pneumatischen Anschlüssen des Ventils, da diese Drücke üblicherweise zu Kräften am Schließelement des Ventils und somit am Magnetanker führen und daher in dessen Bewegungsgleichung berücksichtigt werden,
  • - RCu den Ohm'schen Widerstand der Magnetspule,
  • - Ψi die partielle Ableitung des stationären verketteten magnetischen Flusses nach dem Spulenstrom, auch als differentielle Induktivität bezeichnet,
  • - Ψx die partielle Ableitung des stationären verketteten magnetischen Flusses nach der Ankerposition bzw. dem Ankerwinkel,
  • - iwk , k = 1, ... ,N , mit den zugehörigen Dynamikparametern Rwk (auch als Wirbelstromwiderstände bezeichnet) bzw. Lwk (auch als Wirbelstrominduktivitäten bezeichnet) approximieren die Auswirkungen der transienten magnetischen Feldverdrängung infolge der Ausprägung von Wirbelströmen im Magnetkreis,
  • - N die von der Aktorbauart, dem für die Anwendung interessierenden Arbeitsbereich, den relevanten Zeitverläufen der Spulenspannung u und der erforderlichen Modellgenauigkeit abhängende Anzahl der Zustandsgrößen iwk.

Aus diesem Basismodell ergeben sich durch Modifikation weitere Modelle zur erfindungsgemäßen Modellierung der Aktordynamik, wie nachfolgend beschrieben.

Eine bekannte Alternative zu Gleichung (1d) ist folgende Gleichung (1e), wobei auch hier wieder Zustandsgrößen bzw. Parameter verwendet werden, die in bisherigen Beobachter basierten Rekonstruktionsverfahren für elektromagnetische Aktoren keine Berücksichtigung in der Berechnung gefunden haben: ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G00Rw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)(iw1iw2)+(1Ψ1(ξ,ζ)+1Lw1(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)(iw1iw2)+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)Rw2(ξ,ζ)Lw2(ξ,ζ)(iw2iw3)+Rw1(ξ,ζ)Lw2(ξ,ζ)(iw1iw2)Rw(N1)(ξ,ζ)Lw(N1)(ξ,ζ)(iw(N1)iwN)+Rw(N2)(ξ,ζ)Lw(N1)(ξ,ζ)(iw(N2)iw(N1))RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+Rw(N1)(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)(iw(N1)iwN))embedded image

Bei einem hydraulischen oder pneumatischen Ventil können am Ventil anliegende Drücke pk , k = 1, ... ,P, die eine Kraft auf den Magnetanker bewirken und deren Kraftwirkung in der Funktion F angegeben werden kann, als Zustandsgrößen aufgefasst werden.

Hierzu werden der Zustandsvektor ξ zu ξ = (s, v, G, ϑ, i, iw1, ..., iwN, p1, ..., pp)T und die Funktion ϕ wie folgt erweitert (1f): ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ)+G00k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ)Ψ1(ξ)νRwN(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)Lw,N(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)00)embedded image

Je nach konstruktiver Ausgestaltung des magnetischen Kreises und interessierendem Arbeitsbereich kann die bewegungsinduzierte Spannung näherungsweise vernachlässigt werden, beispielsweise bei geringen auftretenden Ankergeschwindigkeiten und proportionaler Magnetcharakteristik. In diesem Fall vereinfacht sich die Funktion ϕ zu (1g) ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G00k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw,N(ξ,ζ)+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Sofern nicht die Temperatur ϑ, sondern lediglich der Spulenwiderstand RCu von Interesse ist, beispielsweise zur Diagnose elektrischer Defekte der Magnetspule, wie etwa eines Kurzschlusses oder Windungsbruchs, kann anstelle der Temperatur ϑ auch der Spulenwiderstand RCu als Zustandsgröße verwendet werden. In diesem Fall lautet der Zustandsvektor ξ = (s, v, G, u, RCu, i, iw1, ... , iwN)T, und die Funktion ϕ vereinfacht sich zu (1h): ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G00k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCui)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCui)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCui))embedded image

Bei vernachlässigbarer Wirbelstromausbildung, beispielsweise bei aus ferritischem Material oder aus Trafoblechen laminiert aufgebauten Magnetkreisen, kann N = 0 ausreichend sein. In diesem Fall vereinfachen sich der Zustandsvektor ξ und die Funktion ϕ zu ξ = (s, v, G, ϑ, i)T bzw. (1i) ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G001Ψ1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)ν)embedded image

Bei hinreichend genauer Kenntnis der zu jedem Zeitpunkt am Anker angreifenden Kräfte kann die unbekannte Kraft G vernachlässigt werden. In diesem Fall vereinfachen sich der Zustandsvektor zu ξ = (s, v, ϑ, iw1, ... , iwN)T und die Funktion ϕ zu (1j): ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)0k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Die Temperatur ϑ kann als exogene Größe aufgefasst werden, beispielsweise, wenn sie separat gemessen oder geschätzt wird und somit bekannt ist oder infolge der Aktorbauart oder der relevanten Betriebsbedingungen nur geringfügig variiert. In diesem Fall wird der Vektor ζ der exogenen Größen um die Temperatur ϑ erweitert, also zu ζ = (s, v, ϑ, ξ1, ..., ξM)T.

Dann lauten der Zustandsvektor ξ = (s, v, G, i, iw1, ... , iwN)T und die Funktion ϕ (1k) ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)+G0k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Die Ankergeschwindigkeit v kann als exogene Größe interpretiert werden, also ζ = (u, v, ϑ, ζ1, ..., ζM)T. In diesem Fall ist keine Kenntnis der am Anker angreifenden Kräfte mehr erforderlich. Dann vereinfachen sich der Zustandsvektor ξ und die Funktion ϕ zu ξ = (s, ϑ, i, iw1,... , iwN)T bzw. (1I) ϕ(ξ,ζ)=(νF(ξ,ζ)0k=1NRwk(ξ,ζ)Lwk(ξ,ζ)iwk+(1Ψ1(ξ,ζ)+k=1N1Lwk(ξ,ζ))(uRCu(ξ,ζ)i)Ψx(ξ,ζ)Ψ1(ξ,ζ)νRw1(ξ,ζ)Lw1(ξ,ζ)iw1+1Lw1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i)RwN(ξ,ζ)LwN(ξ,ζ)iwN+1LwN(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Die zuvor genannten Modifikationen können beliebig kombiniert werden. Können beispielsweise sowohl die Ankergeschwindigkeit v als auch die Aktortemperatur ϑ als exogene Größen interpretiert und die Ausbildung von Wirbelströmen vernachlässigt werden, also ist N = 0 ausreichend, und kann die bewegungsinduzierte Spannung vernachlässigt werden, so erhält man ξ = (s, i)T, ζ = (u, v, ϑ)T und (1m) ϕ(ξ,ζ)=(ν1Ψ1(ξ,ζ)(uRCu(ξ,ζ)i))embedded image

Aus den zuvor genannten mathematischen Modellen für die Aktordynamik können alternative, ebenfalls erfindungsgemäße mathematische Modelle mit Hilfe von auf dem relevanten Arbeitsbereich invertierbarer Zustandstransformationen gewonnen werden. Dies liegt aufgrund der aufgezeigten Vorgehensweise im Können des Fachmanns.

Die in den zuvor beschriebenen mathematischen Modellen angegebenen Abhängigkeiten der bekannten Kraft F, der Wirbelstromwiderstände Rwk, der Wirbelstrominduktivitäten Lwk, der partiellen Ableitungen Ψi bzw. Ψx des stationären verketteten magnetischen Flusses sowie des Ohm'schen Widerstandes RCu der Magnetspule von den Zustandsgrößen ξ bzw. exogenen Größen ζ sind derart zu verstehen, dass erstere Größen jeweils nicht von sämtlichen Zustands- bzw. exogenen Größen abhängen müssen. So wird beispielsweise der Ohm'sche Widerstand RCu der Magnetspule üblicherweise lediglich von der Aktortemperatur ϑ abhängen, nicht aber von den übrigen Zustands- oder exogenen Größen. Bei nur geringer Variation der Aktortemperatur kann es sogar genügen, auch die Temperaturabhängigkeit von RCu zu vernachlässigen, also von einem konstanten Ohm'schen Widerstand auszugehen.

Die bekannte Kraft F, die Wirbelstromwiderstände Rwk, die Wirbelstrominduktivitäten Lwk, die Ableitungen Ψi bzw. Ψx des stationären verketteten magnetischen Flusses sowie des Ohm'schen Widerstandes RCu der Magnetspule können nicht nur von Augenblickswerten der Zustandsgrößen ξ bzw. exogenen Größen ζ abhängen, sondern auch von deren Verlauf in der Vergangenheit. F, Rwk, Lwk, Ψi, Ψx und RCu können also auch Operatoren sein, die auf die Zustandsgrößen ξ und exogenen Größen ζ angewandt werden.

Die Modellierung von F, Rwk, Lwk, Ψi, Ψx und RCu mittels Operatoren kann insbesondere erforderlich sein, um hohen Anforderungen an die Modellgenauigkeit bei Magnetkreisen mit einer ausgeprägten magnetischen Hysterese oder bei ausgeprägter dynamischer Reibung des Ankers im Gehäuse gerecht zu werden. Insbesondere können die Operatoren also Hysteresen nachbilden.

Bei rotatorisch bewegtem Anker bleiben die mathematischen Modelle weiterhin gültig und die Erfindung ist unverändert anwendbar. Es müssen lediglich sinngemäß Positionen durch Winkel, Geschwindigkeiten durch Winkelgeschwindigkeiten, Massen durch Trägheitsmomente und Kräfte durch Drehmomente ersetzt werden.

Ein erfindungsgemäßer Beobachter 33 ist vorteilhafterweise als ein Computerprogramm bzw. ein Algorithmus ausgeführt, der ausgehend von vorgegebenen Anfangswerten für die Beobachterzustände, ein erfindungsgemäßes mathematisches Modell der Aktordynamik, wie vorher beschrieben, um eine Korrektur in Abhängigkeit der Abweichung des Fehlers zwischen dem vom Beobachter 33 rekonstruierten Spulenstrom und dem gemessenen Spulenstrom erweitert und näherungsweise numerisch löst.

Das heißt, dass der Beobachter 33 näherungsweise die Differentialgleichung löst: dξ^dt=ϕ(ξ^,ζm)+χ(ı˜,ξ^,ζm)embedded image

Dabei stellen dar:

  • ξ̂ einen Vektor der vom Beobachter 33 rekonstruierten Zustandsgrößen, also einen Schätzwert eines Zustandsvektors eines Aktormodells zur Berechnung der Dynamik eines elektromagnetischen Aktors,
  • dξ^dtembedded imagedie zeitliche Ableitung von ξ̂,
  • ζm einen Vektor der Messgrößen wie vorher beschrieben, zumindest umfassend den elektrischen Strom oder die elektrische Spannung und die gemessenen exogenen Größen,
  • ĩ = î - im den Beobachterfehler des Spulenstroms, also die Differenz zwischen einem vom Beobachter 33 rekonstruierten Spulenstrom î und dem erfassten Strom im durch die mindestens eine Magnetspule,
  • ϕ eine vorher beschriebene vektorwertige Funktion oder einen vektorwertigen Operator, und
  • χ eine vorher beschriebene vektorwertige Funktion oder einen vektorwertiger Operator. Insbesondere kann χ Operatoren beinhalten, die eine Hysterese nachbilden. Zur Bestimmung von χ sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise erweiterte Kalman-Filter, erweiterte Luenberger-Beobachter, Gleitregime-Beobachter (engl. sliding mode observer), Beobachter mit hoher Verstärkung (engl. high gain observer) oder adaptive Beobachter.

Erfindungsgemäße Beobachter 33 zeichnen sich dadurch aus, dass zumindest Schätzwerte des Spulenstroms i und der Ankerposition s oder des Spulenstroms i und der Ankergeschwindigkeit v Komponenten des rekonstruierten Zustandsvektors ξ̂ sind. In einer alternativen Ausführung können zumindest Schätzwerte des Spulenstroms i und der Ankerposition s oder des Spulenstroms i und der Ankergeschwindigkeit v mit Hilfe einer vorher beschriebenen Zustandstransformation aus den Komponenten des rekonstruierten Zustandsvektors ξ̂ errechnet werden. Durch das Einbeziehen weiterer Parameter, wie oben beschrieben, wird eine Verbesserung der Genauigkeit der Berechnung erzielt.

Eine besonders hohe Robustheit gegen beschränkte Fehler des dem erfindungsgemäßen Beobachter 33 (Gl.2) zu Grunde liegenden mathematischen Modells der Aktordynamik kann mit einem schaltenden Beobachter 33 erreicht werden. Ein solcher schaltender Beobachter ist ein Beobachter 33 (Gl.2), bei dem zumindest eine Komponente vom Vorzeichen des Beobachterfehlers i abhängt, beispielsweise bei einem sogenannten Gleitregime-Beobachter (engl. sliding mode observer).

Zur Diagnose können Sollwerte, Schwellwerte oder Sollwertbereiche für erfasste Messgrößen, rekonstruierte Zustandsgrößen oder aus aktuellen und vergangenen erfassten Mess- und rekonstruierten Zustandsgrößen errechnete Größen im Speicher des elektronischen Steuergerätes abgelegt sein. Die mit der elektronischen Steuerung laufend erfassten Messwerte, rekonstruierten Zustandsgrößen oder aus aktuellen und vergangenen Mess- und rekonstruierten Zustandsgrößen errechneten Größen werden dann laufend mit den zugehörigen Sollwerten, Schwellwerten oder Sollwertbereichen verglichen. Anhand der Berechnungsergebnisse der Diagnose können Diagnosesignale generiert und die interne Stellsignalberechnung, die Berechnung der Netto-Sollsignale und die Berechnung der Dither-Signale modifiziert werden. Die für die Diagnose genutzten Sollwerte, Schwellwerte oder Sollwertbereiche können zeitlich und in Abhängigkeit der erfassten Mess- und rekonstruierten Zustandsgrößen, der internen und externen Stellsignale, der berechneten Netto-Sollsignale und der berechneten Dither-Signale variieren.

Die Berechnungsergebnisse der Diagnose können zusammen mit einem Zeitstempel und weiteren relevanten erfassten oder errechneten Größen laufend, beispielsweise in Form eines Ringpuffers, oder ereignisgesteuert, also beispielsweise bei Auftreten eines Fehlers, oder zeitgesteuert in einem Fehlerspeicher des elektronischen Steuergerätes abgelegt werden. Auch kann der Speicher des elektronischen Steuergerätes mindestens ein Fehlerflag enthalten, welches bei Auftreten eines Fehlers gesetzt wird, oder der Speicher kann mindestens einen Fehlerzähler enthalten, der bei Auftreten eines Fehlers erhöht wird. Mindestens ein Teil des Fehlerspeichers, mindestens eins der Fehlerflags und mindestens einer der Fehlerzähler können zeit- oder ereignisgesteuert zurückgesetzt werden, beispielsweise beim Aus- und Wiedereinschalten der elektronischen Steuerung, wenn für eine bestimmte Dauer mindestens einer der erkannten Fehler nicht erneut auftrat oder bei Anlegen eines externen Fehlerrücksetzsignals bzw. -befehls.

Die vom Beobachter 33 rekonstruierten Zustandsgrößen oder aus rekonstruierten Zustandsgrößen und vom elektronischen Steuergerät erfassten Messsignalen errechnete Signale können mit erfassten Signalen dedizierter Sensoren verglichen werden. Auf diese Weise ist eine Überwachung der dedizierten Sensoren möglich. Beispielsweise kann das Sensorsignal eines dedizierten Positionssensors für die Ankerposition mit der vom Beobachter 33 rekonstruierten Ankerposition verglichen werden.

Die Diagnose kann modellbasiert sein. Eine modellbasierte Diagnose ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines vorher beschriebenen mathematischen Aktormodells aus Messgrößen und vorher beschriebenen rekonstruierten Zustandsgrößen sogenannte Residuen berechnet werden. Die Residuen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie im fehlerfreien Fall näherungsweise verschwinden und bei Auftreten von Fehlern ungleich Null werden. Durch Auswertung der Residuen, bspw. Vergleich mit einem Schwellwert, kann auf Fehler rückgeschlossen werden.

Durch die verbesserte Rekonstruktions- und Stellgenauigkeit können im Zusammenspiel aus Messwerterfassung, Zustandsrekonstruktion, Diagnose und interner Stellsignalberechnung beispielsweise folgende Aktorfunktionen im elektronischen Steuergerät realisiert werden. Es wird ferner eine verbesserte Genauigkeit und Dynamik der aufgeführten Aktorfunktionen im Vergleich zu bekannten Lösungen erreicht.

Die Positionsregelung elektromagnetischer Aktoren, insbesondere auch elektromagnetisch aktuierter Hydraulik- oder Pneumatikventile wird verbessert, indem ein geregeltes Verfahren des Aktors entsprechend einer vorgegebenen Solltrajektorie, eine Energie-optimale Überführung zwischen Arbeitspunkten und eine Zeit-optimale Überführung zwischen Arbeitspunkten bereitgestellt wird. Ferner ist bei einem Mehrstufen-Schaltaktor ein stabiles Einstellen und Halten beliebig vieler Zwischenpositionen möglich. Ferner wurde eine Realisierung einer proportionalen Ventilcharakteristik erreicht, d.h. es sind beliebige Zwischenpositionen trotz eines Magneten mit Schaltcharakteristik einstellbar. Ferner wird die Volumenstrom-/Massenstromregelung mit Hydraulik- bzw. Pneumatikventilen verbessert.

Ferner wird die Fehlerdiagnose und Überwachung elektromagnetischer Aktoren, insbesondere auch elektromagnetisch aktuierter Hydraulik- oder Pneumatikventile verbessert. Dies erfolgt z.B. durch eine Detektion einer Reibungserhöhung oder gar des Hängenbleibens des Ankers infolge in die Ankerlagerung eingedrungener Partikel, durch Vergleich der rekonstruierten Ankergeschwindigkeit mit Nominalwerten oder durch Vergleich der rekonstruierten Störkraft G mit Nominalwerten, sowie einer Detektion eines elektrischen Kurz- bzw. Massenschlusses der Magnetspule oder eines Leitungsbruchs oder einer Kontaktkorrosion anhand des rekonstruierten Spulenwiderstands. Auch wird die Temperaturüberwachung anhand der rekonstruierten Aktortemperatur und die Abschaltung bzw. Reduktion der eingeprägten elektrischen Leistung vor Überhitzen des Aktors, sowie die Verschleißprognose schaltender Aktoren / Hydraulik- / Pneumatikventile anhand der Geschwindigkeitsverläufe, insbesondere der Aufprallimpulse verbessert. Bisher wurde hierfür die Anzahl der Schaltspiele verwendet.

Ferner kann eine Software-basierte Endlagendämpfung, d.h. ein sogenanntes Soft-Landing Verfahren, zur Reduktion der Geräuschentwicklung und des Verschleißes schaltender Aktoren / Hydraulik- / Pneumatikventile eingesetzt werden. Es wird die Erkennung des Losbrech- und Aufprallzeitpunktes zur Steuerung / Adaption der Software-basierten Endlagendämpfung verbessert, sowie die Ermittlung des Aufprallimpulses zur Adaption einer Software-basierten Endlagendämpfung. Ferner ist ein geregeltes Abbremsen eines schaltenden Aktors / Hydraulik- / Pneumatikventils vor Erreichen der mechanischen Endlage sowie die Verwendung einer elektromagnetisch aktuierten Klauenkupplung möglich. Außerdem kann ein Schaltzustand, d.h. z.B. ob die Klaue nach Start eines Schaltvorgangs eingelegt oder ausgelegt oder in Zahn-auf-Zahn-Stellung hängengeblieben ist, erkannt werden. Ferner kann eine Quittierung des abgeschlossenen Schaltvorgangs erfolgen.

Ferner kann eine elektromagnetisch aktuierte Reibkupplung verwendet werden, so dass die Positionsregelung, insbesondere auch entsprechend einer Solltrajektorie, die Sensierung der Anpresskraft, die Anpresskraftregelung, insbesondere auch entsprechend einer Solltrajektorie, sowie die Schlupfregelung, insbesondere auch entsprechend einer Soltrajektorie verbessert werden.

Bei Hydraulik-/Pneumatikventilen kann eine Sensierung des Sekundärdruckes als Zustandsgröße oder aus der Störkraft, eine Proportional-Druckregelung, auch mit Schaltmagnet, eine Proportional-Volumenstromregelung, auch mit Schaltmagnet, eine aktive Schwingungsdämpfung des vom Ventil eingestellten Druckes, eine aktive Schwingungserzeugung des vom Ventil eingestellten Druckes sowie eine Erkennung des Steuerkantenverschleißes anhand des rekonstruierten Position-Druck-Zusammenhangs- oder des rekonstruierten Positions-Störkraft-Zusammenhangs erfolgen.

Somit werden also durch die vorliegende Erfindung folgende technische Probleme gelöst. Es wird eine simultane Echtzeit-Rekonstruktion von Ankerposition, Ankergeschwindigkeit, Spulentemperatur, Spulenwiderstand, auf den Magnetanker wirkenden externen Störkräften und an Ventilen wirkenden fluidischen Drücken während schneller und langsamer Ankerbewegungen ohne dedizierte Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensoren ermöglicht.

Ferner erfolgt eine Verbesserung der Rekonstruktionsgenauigkeit und Rekonstruktionsgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren durch die simultane Rekonstruktion am Magnetanker angreifender Kräfte, an einem Ventil wirkender Drücke, des Ohm'schen Spulenwiderstands, der Spulentemperatur und die Berücksichtigung gedächtnisbehafteter Nichtlinearitäten, beispielsweise magnetischer Hysterese und dynamischer Reibung.

Ferner erfolgt eine Verbesserung der Regelgüte bei Regelung anhand der rekonstruierten Größen, beispielsweise Positions-/Kraft-/Druckregelung, ohne dedizierte Sensorik für die Regelgröße.

Außerdem wird eine verbesserte funktionale Sicherheit durch redundante Berechnung bereits dediziert gemessener physikalischer Größen wie Temperatur, Kraft, Druck, Ankerposition aus den rekonstruierten Zustandsgrößen erreicht.

Außerdem kann eine Echtzeit-Diagnose von Fehlerfällen simultan zum laufenden Betrieb des Aktors erfolgen. Es müssen beispielsweise keine separaten Diagnoseabläufe zyklisch aufgerufen werden, und die zielgerichtete Reaktion auf die Fehlerfälle wird vereinfacht, beispielsweise bei elektrischen Kurzschlüssen oder Kontaktunterbrechungen, Überhitzung der Magnetspule, Klemmen eines Magnetankers.

Bezugszeichenliste

1
Mechatronisches System
2
Aktor
21
Magnetspule
22
Magnetanker
23
Erzeugen sonstiger Kräfte
3
Steuereinrichtung
31
Vorverarbeitung
32
Berechnungsteil
321
Erzeugen Spulenspannung
322
Berechnung Netto-Sollsignal
323
Stellsignalberechnung
324
Berechnung Dither-Signal
325
Diagnose
33
Beobachter
ζm
Messgrößen
ζk
exogene Größen
ξ̂
rekonstruierte Zustandsgröße(n)
S1
Sollsignal
S2
Netto-Sollsignal
S3
Dither-Signal
S4
Externe Stellsignale
S5
Diagnosesignal
V0
Versorgungsspannung
u
Spulenspannung
i
Spulenstrom
M
Magnetkraft
F, G
Kräfte auf Magnetanker