Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Posi tion eines Ankers eines elektromagnetischen Linearaktuators.

Stand der Technik

Elektromagnetische Linearaktuatoren werden beispielsweise in Kraftfahr zeugen benutzt, insbesondere als induktive Schaltmagnete bzw. Aktua toren in Trennkupplungen, zur Stilllegung von Teilen eines Antriebsstran ges, oder in Parksperren.

Solche Aktuatoren verwenden einen Anker, der in einer stromdurchflosse nen Spule linear beweglich gelagert ist und durch Anlegen eines Stromes an die Spule und hierdurch verursachte elektromagnetische Kraft, oft im Zusammenspiel mit einer gegenwirkenden Kraft wie einer Federkraft, an eine bestimmte Position bewegt werden kann.

Derartige Aktuatoren müssen in verschiedenen Anwendungen möglichst genaue Rückmeldungen über die aktuelle Position des linear beweglichen Ankers an eine Steuereinheit liefern.

Beispielsweise kann die genaue Position eines Ankers eines solchen Linea raktuators einer formschlüssigen Kupplung wichtig sein, um ein Sicher heitsziel, beispielsweise dass eine festgelegte Schleuderdrehzahl einer Kupplung unterschritten sein muss, zu erreichen. Zur Bestimmung der Position eines Ankers eines elektromagnetischen Linearaktuators wird üblicherweise ein Wegsensor verwendet.

Aus der DE 10 2007 016 787 Al ist auch ein Verfahren zur Bestimmung der Ankerlage in einem Elektromagneten bekannt, wobei die von der An kerposition abhängige Magnetflußverteilung für die Positionsbestimmung genutzt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers eines elektromagnetischen Linearaktuators anzuge ben, das ohne Wegsensor und somit kostengünstig herstellbar ist und dabei eine genaue Positionsermittlung ermöglicht, insbesondere auch bei stromgeregelten Linearaktuatoren.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers eines elektromagnetischen Linearaktuators, wobei der Anker linear in einer Spule des Linearaktuators beweglich ist, wobei die Spule zur Bewegung des Ankers mit einem elektrischen Pulsweiten- modulations-Signal angesteuert wird, wobei zwei Strommesswerte wäh rend einer Periode des Pulsweitenmodulations-Signals gemessen werden, wobei aus den zwei Strommesswerten ein Stromänderungswert bestimmt wird, wobei in einem Kennfeld eine Zuordnung von Stromänderungswer ten zu Ankerpositionen abgelegt ist, und dass mittels dieses Kennfelds die aktuelle Position des Ankers zum Stromänderungswert bestimmt wird.

Erfindungsgemäß wird die Position des Ankers des Linearaktuators mit tels Messung von zwei Stromwerten bestimmt. Es wird daher kein zusätz- licher Wegsensor benötigt. Zwei Strommesswerte werden während einer Periode eines Pulsweitenmodulations-Signals gemessen. Die Änderung der Strommesswerte, bevorzugt an einer negativen Flanke des Pulsweitenmo dulations-Signals, ist abhängig von der Position des Ankers im Linearak tuator bzw. in dessen Spule. Zur Bestimmung der Position wird ein zuvor definiertes und abgespeichertes Kennfeld, insbesondere 2D-Kennfeld, verwendet, dass Stromänderungswerte zu Ankerpositionen, bevorzugt für verschiedene Spannungen bzw. Pulsweiten des Pulsweitenmodulations- Signals bereithält. Diese Methode zur Bestimmung der Position eines An kers ist auch für variierende Pulsweiten und somit für stromgeregelte Linearaktuatoren geeignet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Vorzugsweise bezieht sich der Stromänderungswert auf die fallende Flan ke des Pulsweitenmodulations-Signals. Die beiden Strommesswerte geben somit ein Maß für den Abfall des Stromwertes während einer Periode an.

Bevorzugt sind die zwei Strommesswerte, die während einer Periode des Pulsweitenmodulations-Signals gemessen werden, ein Strommaximum und ein Stromminimum.

Die Bestimmung der Position des Ankers kann während einer Linearbewe gung des Ankers, also dynamisch, erfolgen. Die Bestimmung kann auch bei einem ruhenden Anker, also statisch, erfolgen.

In dem Kennfeld ist bevorzugt eine Zuordnung von statischen, gemittelten Stromänderungswerten zu Ankerpositionen abgelegt, also von Stromände- rungswerten, die über mehrere Signal-Perioden, nach einem transienten Verhalten der Stromstärke, bestimmt und gemittelt wurden.

Besonders bevorzugt ist in dem Kennfeld eine Zuordnung von Stromände rungswerten zu Ankerpositionen für verschiedene Spannungen oder ver schiedene Pulsweiten abgelegt.

Bevorzugt ist das elektrische Pulsweitenmodulations-Signal zur Ansteue rung der Spule stromgeregelt, so dass die Pulsweite des Pulsweitenmodu- lations-Signals, also die Spannung, von Periode zu Periode variiert. Das Pulsweitenmodulations-Signal kann jedoch auch spannungsgeregelt sein, was die Bestimmung der Position des Ankers aufgrund der konstanten Pulsweite vereinfacht.

Insbesondere bei einem stromgeregelten Signal kann eine mittlere aktuelle Pulsweite als Mittelwert über mehrere Perioden des Pulsweitenmodulati- ons-Signals bestimmt werden und mittels des Kennfelds die aktuelle Posi tion des Ankers zum Stromänderungswert für diese mittlere aktuelle Pulsweite bestimmt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm eines zeitabhängigen Stromsignals für vier Betätigungsvorgänge mit unterschiedlichen eingeschränkten Ankerendlagen für ein erfindungsge mäßes Verfahren. Fig. 2 ist eine Detaildarstellung, welche einen Ausschnitt von Fig. 1 in einem stationären Zustand zeigt.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle für Messwerte, die für die Positions bestimmung benötigt werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, dass Stromänderungswerte der fal lenden Flanken in Abhängigkeit von der Ankerposition für verschiedene (konstante) Anforderungsspannungen zeigt und somit ein Kennfeld für ein erfindungsgemä ßes Verfahren.

Fig. 5 ist ein Diagramm, dass einen Vergleich zwischen ge messener zeitabhängiger Position und erfindungsge mäß bestimmter Position des Ankers bei drei Betäti gungsvorgängen mit unterschiedlichen eingeschränk ten Endpositionen zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers eines elektromagnetischen Linearaktuators angegeben, wobei der Anker linear in einer Spule des Linearaktuators beweglich ist, wobei die Spule zur Bewegung des Ankers mit einem elektrischen Pulsweitenmodu- lations-Signal angesteuert wird, wobei zwei Strommesswerte Imax, Imin wäh rend einer Periode des Pulsweitenmodulations-Signals gemessen werden, wobei aus den zwei Strommesswerten I _m ax, Imin und deren Zeitstempeln tmax ,tmin ein Stromänderungswert DI/At bestimmt wird, wobei in einem Kennfeld eine Zuordnung von Stromänderungswerten AI / At zu Ankerposi- tionen x abgelegt ist, und wobei mittels dieses Kennfelds die aktuelle Posi tion des Ankers zum Stromänderungswert DI/At bestimmt wird.

Fig. 1 zeigt ein zeitabhängiges Stromsignal I für vier Betätigungsvorgänge mit unterschiedlichen Ankerwegen Wl, W2, W3; W4 und Anker-Endlagen. Dabei ist Wl = 3,88 mm bis 0,00 mm, W2 = 3,88 mm bis 0,88 mm, W3 = 3,88 mm bis 2, 13 mm, und W4 = 3,88 mm bis 3,88 mm.

In Fig. 1 links ist jeweils das transiente Verhalten nach dem Einschalten der Steuerungsspannung zu sehen, in der Fig. 1 rechts ist der stationäre Zustand des Stromsignals zu sehen, der für einen Ausschnitt t = 0, 117 bis 0, 1195 Sekunden im Detail in Fig. 2 dargestellt ist. Die Anforderungs spannung U beträgt dabei 5 V. Aufgrund von Änderungen der differentiel len Induktivität hängt die aktuelle Anstiegsrate des Stroms, wie in Fig. 2 gut ersichtlich, von der Position des Ankers x bzw. der Anker-Endlage Wl, ..., W4 ab.

Fig. 4 zeigt die Stromanstiegsrate AI / At der fallenden Flanken des Strom signals in Abhängigkeit von der Position des Ankers x, für verschiedene (konstante) Anforderungsspannungen Ul, U2, U3 und U4. Dabei ist Ul =

5 Volt, U2 = 4 Volt, U3 = 3 Volt und U4 = 2 Volt.

Die durchgehenden Linien zeigen jeweils statische Messungen, also Stro mänderungswerte AI / At gemittelt über mehrere Perioden nach dem tran sienten Verhalten. Die gestrichelten Linien zeigen dynamische Messungen. Gemessen wurde jeweils bei Raumtemperatur. Die dargestellten Verläufe, bevorzugt die statischen Messungen, also die durchgezogenen Linien, werden in einem Kennfeld zur Benutzung durch ein Steuergerät in einem erfindungsgemäßen Verfahren gespeichert. Fig. 5 zeigt schließlich einen Vergleich zwischen gemessenen zeitabhängi gen Positionen des Ankers (durchgezogene Linien) und durch das erfin dungsgemäße Verfahren bestimmten Positionen (Kreise), wobei also die Stromänderungsrate zur Bestimmung der Position verwendet wurde, bei drei Betätigungsvorgängen mit unterschiedlichen Endpositionen E 1 , E2 und E3. Die verwendete Steuerspannung betrug jeweils U = 5 Volt.

Der Ausgangspunkt für die erfindungsgemäße Positionsbestimmung ist das Kennfeld entsprechend Fig. 4, das als Look-Up-Tabelle (LUT) in einem Speicher abgelegt ist.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle der Messwerte, die für die Positionsbestimmung benötigt werden. Aus diesen Messwerten wird zu jedem Zeitpunkt die Stromänderungsrate AI / At ermittelt, welcher mit Hilfe des Kennlinienfelds (Fig. 4) eine Position zugeordnet wird. Durch eine Tabelle der Strommess werte wie in Fig. 3 dargestellt und die Anwendung der in Fig. 3 unten dargestellten Formel AI/At = (Imin - Imax) / (tmin - t _max ) wird die mittlere Stromanstiegsrate der fallenden Flanken berechnet, also der Stromände rungswert AI/At. Durch Interpolation in die Kennlinie der Fig. 4 kann dann die Position x des Ankers bestimmt werden.

Da zu erwarten ist, dass die geschätzte Position um die reale Position her um schwankt, wird die LUT auf einen Positionsbereich x e (-2,6) mm hochgerechnet. Auch der Strombereich muss erweitert werden zu I e (0,7) A, da das Erreichen der Grenze der LUT aufgrund von Stromschwankun gen vermieden werden muss.

Im Falle einer Spannungsregelung (Pulsweite bleibt über die Zeit konstant) kann man unmittelbar die Daten der LUT verwenden. Bei einer Stromre gelung muss zunächst die Pulsweite als Funktion der Zeit ausgewertet und in eine entsprechende mittlere Anforderungsspannung umgewandelt werden, bevor die Interpolation durchgeführt werden kann. Bei Verwen dung einer Stromregelung schwankt die gemessene Pulsweite in der Regel stark (Standardabweichung 0, 1 ms). Daher muss vor dem Einsatz der LUT der Mittelwert über 2 bis 15 Perioden ausgewertet werden, um die Stan dardabweichung der berechneten Position zu reduzieren.

Die Steigung der Linien in Fig. 4 ist bei hohen Spannungen (zum Beispiel U 1 = 5 Volt) größer. Daher liefert das Anstiegsratenverfahren bei der ver wendeten Messaufstellung (Unsicherheit der gemessenen Anstiegsrate ca. 10 %) nur für eine Positionsschätzung mit einer minimalen Anforderungs spannung U = 4 V gute Ergebnisse, abhängig vom zulässigen Fehler der Positionsschätzung. In der technischen Anwendung des Magnetaktuators wird nach einem Betätigungsvorgang in der Regel ein Haltestrom von 2,5 A eingestellt, um zu verhindern, dass der Anker bzw. Kolben bzw. Stößel durch die Feder in seine Ausgangsposition zurückgezogen wird. Die Ana lyse dieses Haltestroms mittels der Anstiegsratenmethode liefert keine Aussage über die Ankerposition.

Optional kann auch die Temperaturabhängigkeit der Stromänderungsrate DI/At in einem erfindungsgemäßen Verfahren, beispielsweise in einer er weiterten LUT, berücksichtigt werden. In Untersuchungen wurde eine weitgehend lineare Abhängigkeit der Stromänderungsrate AI / At von der Temperatur gefunden, bei Messungen im Bereich 20 - 60 °C. Das hier vorgeschlagene Verfahren kann daher durch eine einfache Temperatur kompensation, insbesondere durch Berücksichtigung eines temperatur abhängigen linearen Faktors, bei verschiedenen Umgebungstemperaturen verbessert werden. Wie in Fig. 5 ersichtlich, führt die Verwendung der statischen Daten (durchgezogene Linien) in der LUT (Fig. 4) anstelle der dynamischen (ge strichelte Linien) nur zu geringen Unterschieden in den Ergebnissen für die Positionsbestimmung bei niedrigen Anforderungsspannungen U. Le- diglich die Datenpunkte für die Endposition 0 mm, also bei E3, unter scheiden sich während der Ankerbewegung deutlich von der tatsächlichen Position x. Die Diskrepanz zwischen statischen und dynamischen Daten wird jedoch bei hohen Spannungen (und hohen Ankergeschwindigkeiten) größer. Für eine Anforderungsspannung U = 9 V wird erwartet, dass die Positionsbestimmung nur im statischen Fall gute Ergebnisse liefert.

Bezugszeichenliste

El, E2, E3 Endpositionen des Ankers 1 / A Stromstärke in Ampere max Strommesswert (Maximum)

Imin Strommesswert (Minimum)

AI/At Stromänderungswert

- DI/At / A s- ¹ negativer Stromänderungswert in Ampere pro Sekunde t / s Zeit in Sekunden tmax Zeit bei Messung I _ma x tmin Zeit bei Messung I _m in u Spannung

Wl, W2, W3, W4 Wege des Ankers x (lineare) Position des Ankers x / m (lineare) Position des Ankers in Meter