Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzustands eines Ventils, welches mittels einer Spule betätigt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Elektromagnetventilanordnung, welche dazu ausgebildet ist, ein solches Verfahren auszuführen.

Ventile können insbesondere mittels Elektromagneten betätigt werden. Hierzu können entsprechende Elektromagnetventilanordnungen aufgebaut werden, welche typischerweise ein Ventil und eine Spule zur Betätigung des Ventils aufweisen.

Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, Ventile dadurch zu schalten, dass die jeweilige Spule mit einem zum Schalten geeigneten Strom beaufschlagt wird. Ein dadurch erzeugtes Magnetfeld sorgt typischerweise für ein Schalten des Ventils oder hält das Ventil in einem bestimmten Zustand. Allerdings wird bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik typischerweise davon ausgegangen, dass ein eingestellter bzw. gewünschter Schaltzustand auch tatsächlich eingenommen wird. Eine Überprüfung ist nicht vorgesehen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzustands eines Ventils vorzusehen. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine zugehörige Elektromagnetventilanordnung vorzusehen .

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Elektromagnetventilanordnung gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzustands eines Ventils, welches mittels einer Spule betätigt wird. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten, welche mit einem vorgegebenen Zeitabstand aufeinanderfolgen, jeweiliges Ermitteln eines durch die Spule fließenden Stroms und einer an der Spule anliegenden Spannung,

Berechnen einer Induktivitätsgröße der Spule basierend auf den Strömen, der Spannung und dem Zeitabstand und

Bestimmen des Schaltzustands basierend auf der Induktivitätsgröße .

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Messen der Ströme und Spannungen zu den erwähnten Zeitpunkten eine Induktivitätsgröße ermittelt werden kann, wobei basierend auf dieser ein Schaltzustand des Ventils ermittelt werden kann. Dies erlaubt eine Überwachung des Schaltzustands , also beispielsweise ob das Ventil offen oder geschlossen ist.

Strom und/oder Spannung können beispielsweise durch Messen ermittelt werden. Hierzu können geeignete Messgeräte verwendet werden. Sie können jedoch jeweils auch durch Wertvorgabe ermittelt werden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ein Wert vorgegeben und durch ein hierfür geeignetes Gerät eingestellt wird. Beispielsweise kann hierfür eine geregelte Stromquelle verwendet werden, um einen definierten Strom einzustellen. Gleiches gilt für die Spannung. In diesem Fall ist es nicht mehr zwingend notwendig, einen tatsächlich eingestellten Wert zu messen, wobei erwähnt sei, dass trotzdem ein solcher Wert gemessen werden kann. Als Induktivitätsgröße kann eine Induktivität im physikalischen Sinne verwendet werden. Es kann jedoch auch eine Größe verwendet werden, welche anzeigend ist für die Induktivität, beispielsweise zur tatsächlichen Induktivität proportional ist, jedoch einfacher zu berechnen oder einfacher zu handhaben ist. Typischerweise besteht ein Zusammenhang, beispielsweise ein linearer Zusammenhang, zwischen der Induktivitätsgröße und der tatsächlichen Induktivität.

Die Induktivitätsgröße kann insbesondere nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet werden. Dies hat sich als effiziente Vorgehensweise herausgestellt.

Die Methode der kleinsten Quadrate kann vorzugsweise rekursiv mit Vergessensfaktor angewendet werden. Dies kann die benötigte Rechenzeit optimieren.

Die Induktivitätsgröße kann gemäß einer bevorzugten Ausführung mittels einer linearen Gleichung ermittelt werden. In der linearen Gleichung wird ein erster Spaltenvektor gleichgesetzt einer Matrix multipliziert mit einem zweiten Spaltenvektor.

Die Zeitpunkte können dabei insbesondere mit Index k nummeriert sein .

Der erste Spaltenvektor kann in Zeile k eine Differenz des Stroms zum Zeitpunkt k+1 minus des Stroms zum Zeitpunkt k enthalten.

Die Matrix kann insbesondere zwei Spalten haben. Die erste Spalte der Matrix kann in Zeile k eine Summe der Spannung zum Zeitpunkt k+1 und der Spannung zum Zeitpunkt k enthalten. Die zweite Spalte der Matrix kann in Zeile k eine Summe des Stroms zum Zeitpunkt k+1 und des Stroms zum Zeitpunkt k enthalten. Der zweite Spaltenvektor kann in seiner ersten Zeile einen ersten Parameter und in seiner zweiten Zeile einen zweiten Parameter enthalten .

Das Lösen einer solchen Gleichung hat sich als effiziente und praktikable Art zur Ermittlung der Induktivitätsgröße herausgestellt. Auf die Herleitung wird weiter unten näher eingegangen werden.

Die Induktivitätsgröße oder auch die Induktivität kann als Quotient aus dem Zeitabstand geteilt durch die Zahl 2 und geteilt durch den ersten Parameter berechnet werden. Dies ermöglicht ein einfaches Berechnen der Induktivitätsgröße oder der Induktivität basierend auf der oben erwähnten Gleichung.

Es sei angemerkt, dass die Induktivitätsgröße eventuell einfacher zu bestimmen ist als die Induktivität im streng physikalischen Sinn, wobei auch die Induktivitätsgröße oder eine andere einfacher als die Induktivität zu berechnende Größe, welche auf der Induktivität basiert, zur Schaltzustandsbestimmung herangezogen werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung kann ferner ein Widerstand der Spule basierend auf den Strömen, den Spannungen und dem Zeitabstand berechnet werden. Ein solcher Widerstand kann für weitere Auswertungen verwendet werden. Es sei verstanden, dass anstelle des Widerstands auch hier eine Widerstandsgröße angegeben werden kann, welche einen Zusammenhang, beispielsweise einen linearen Zusammenhang zum tatsächlichen Widerstand aufweist. Dies wird hier als äquivalent angesehen.

Ein Widerstand der Spule kann insbesondere als Quotient aus dem zweiten Parameter geteilt durch den ersten Parameter berechnet werden. Dies ermöglicht eine einfache Berechnung des Widerstands .

Das Verfahren kann insbesondere kontinuierlich oder laufend wiederholt ausgeführt werden. Damit kann der Zustand eines Ventils kontinuierlich überwacht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Induktivitätsgröße mit einem ersten Endwert und einem zweiten Endwert verglichen. Wenn die Induktivitätsgröße maximal einen vorbestimmten Abstand vom ersten Endwert hat, kann ein erster Schaltzustand bestimmt werden. Wenn die Induktivitätsgröße maximal einen vorbestimmten Abstand vom zweiten Endwert hat, kann ein zweiter Schaltzustand bestimmt werden. Dies hat sich als praktikable und zuverlässige Möglichkeit zur Bestimmung eines Schaltzustands herausgestellt. Es basiert insbesondere auf der Erkenntnis, dass die Induktivität je nach Schaltzustand unterschiedliche Werte einnimmt, welche verglichen werden können.

Die Schaltzustände können insbesondere Endzustände des Ventils sein. Jedoch ist auch die Ermittlung von Zwischenzuständen möglich .

Der Schaltzustand eines Ventils kann auch aus einem Testsignal erkannt werden. Dieses kann der Spule aufgeprägt werden, so dass der Schaltzustand erkannt werden kann.

Berechnungen können insbesondere ganz oder teilweise mittels Fixpunktarithmetik durchgeführt werden. Eine derartige Fixpunktarithmetik hat sich für die vorliegenden Zwecke als besonders effizient erwiesen.

Die Spule kann gemäß einer Ausführung mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Strom und Spannung können dann insbesondere jeweils über eine Pulsweitenmodulationsperiode gemittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Fall auch bei einer mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten Spule eine Anwendung des Verfahrens in vorteilhafter Weise möglich ist.

Gemäß einer Ausführung wird eine erste Speichermatrix als Produkt aus der Transponierten der Matrix und dem ersten Spaltenvektor gebildet. Eine zweite Speichermatrix kann als Inverse eines Produkts aus der Transponierten der Matrix und der Matrix gebildet werden. Die erste Speichermatrix und die zweite Speichermatrix können dann abgespeichert werden. Der erste Spaltenvektor und die Matrix werden, insbesondere in diesem Fall, bevorzugt nicht als solche abgespeichert. Es hat sich gezeigt, dass dies zu einer vereinfachten Berechnung führt.

Das Gleichungssystem kann insbesondere derart gelöst werden, dass der zweite Spaltenvektor dem Produkt aus der zweiten Speichermatrix und der ersten Speichermatrix gleichgesetzt wird. Dies hat sich als effiziente Berechnungsvorschrift herausgestellt .

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Elektromagnetventilanordnung . Diese Elektromagnetventilanordnung weist ein Ventil und eine Spule zur Betätigung des Ventils auf. Sie weist ferner eine Steuerungseinrichtung zum Beaufschlagen der Spule mit einem Strom und/oder einer Spannung auf. Dadurch kann das Ventil bzw. die Spule betätigt werden.

Die Elektromagnetventilanordnung weist des Weiteren eine Zustandsbestimmungseinrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Dabei kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.

Mittels der erfindungsgemäßen Elektromagnetventilanordnung können die weiter oben erwähnten Vorteile für eine Elektromagnetventilanordnung nutzbar gemacht werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt wird. Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.

Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Elektromagnetventilanordnung,

Fig . 2 ein Ersatzschaltbild einer Spule,

Fig . 3 eine Induktivität in Abhängigkeit einer

Ventilstellung,

Fig. 4 eine Induktivität in Abhängigkeit eines Stroms, Fig . 5 einen Verlauf eines Widerstands und

Fig . 6 einen Verlauf einer Induktivität.

Fig. 1 zeigt eine Elektromagnetventilanordnung 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese ist dazu konfiguriert, ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auszuführen .

Es sei verstanden, dass die Elektromagnetventilanordnung 5 hier lediglich schematisch dargestellt ist. Die Elektromagnetventilanordnung 5 weist ein Ventil 10 auf. Sie weist ferner einen Anker 20 auf, welcher über eine Ankerstange 25 mit dem Ventil 10 verbunden ist. Des Weiteren weist sie eine Spule 30 auf, welche den Anker 20 umgibt. Die Spule 30 kann mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, wodurch der Anker 20 bewegt werden kann. Dies ermöglicht eine Bewegung bzw. Betätigung des Ventils 10. Insbesondere kann das Ventil 10 zwischen zwei Endstellungen, nämlich einer offenen Endstellung und einer geschlossenen Endstellung, geschaltet werden.

Die Elektromagnetventilanordnung 5 weist ferner eine Steuerungseinrichtung 40 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Spule 30 mit einem Strom und/oder einer Spannung zu beaufschlagen. Dies dient zum Antreiben wie eben erwähnt. Außerdem weist die Elektromagnetventilanordnung 5 eine Zustandsbestimmungseinrichtung 50 auf, welche zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Auf die Funktionalität wird nachfolgend genauer eingegangen werden.

Das Ventil 10 soll wie bereits erwähnt einer Schaltzustandsbestimmung unterzogen werden. Hierzu wird nun zunächst auf ein mathematisches Modell des elektrischen Teilsystems der Spule 30 eingegangen, bevor weitere Details beschrieben werden.

Es sei verstanden, dass die nachfolgend angegebenen mathematischen Details und Formeln auch wesentliche Aspekte darstellen können, welche auch zur Einschränkung der Ansprüche verwendet werden können.

Ein mathematisches Modell der Spule 30 kann für die Spulenspannung u und den Spulenstrom i sowie die Induktivität L und den Widerstand R der Spule 30 in guter Näherung über folgenden Zusammenhang wiedergegeben werden:

Dabei ist die Zeit t als Parameter angeführt.

Es sei angemerkt, dass diese Gleichung auch im Falle einer pulsweitenmodulationsbetriebenen Stromregelung gilt. In diesem Fall ist aber mit u die mittlere Spannung einer Pulsweitenmodulationsperiode und mit i der mittlere Strom einer Pulsweitenmodulationsperiode gemeint .

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild, wobei Induktivität L, Widerstand R, Spannung u und Strom i dargestellt sind .

In den typischen Systemen und Spannungsbereichen spielen dynamische Sättigungseffekte eine untergeordnete Rolle. Deshalb kann die obige Gleichung (1) in guter Näherung zur folgenden Gleichung vereinfacht werden:

d d

L(x,i)—i = u-Ri-vi—L(x,i) (2)

dt d

Dabei bezeichnet v die Stößelgeschwindigkeit eines nicht separat dargestellten Stößels des Ventils 10. Beispielsweise kann es sich bei dem Stößel und den bereits erwähnten Anker 20 handeln.

Dieses mathematische Modell kann verwendet werden, um den Ventilzustand zu ermitteln. Dies wird nachfolgend erläutert.

Fig. 3 zeigt einen Verlauf der Induktivität bei konstantem Strom über Stößelposition eines typischen Magnetventils, beispielsweise des Ventils 10. Des Weiteren zeigt Fig. 4 einen typischen Verlauf der Induktivität über Strom eines ungeschalteten (x=0; Bezugszeichen Sl) und eines geschalteten (x=l; Bezugszeichen S2) Magnetventils, beispielsweise des Ventils 10. Auf der horizontalen Achse der Fig. 3 ist dabei der Schaltzustand in Prozent angetragen, während auf der vertikalen Achse die Induktivität in willkürlichen Einheiten angetragen ist. Auf der horizontalen Achse der Fig. 4 ist der Strom relativ zum maximalen Strom angetragen, während auf der vertikalen Achse der Fig. 4 die Induktivität relativ zur maximalen Induktivität angetragen ist. Es ist leicht ersichtlich, dass durch die Kenntnis der Induktivität und des Stroms auf den Schaltzustand geschlossen werden kann.

Da weder die Stößelgeschwindigkeit v noch die genaue Ortsabhängigkeit der Induktivität L(x,i) bekannt ist, ist die Schätzung allerdings nur dann einfach möglich, wenn sich der Ventilstößel nicht bewegt, d.h. wenn v=0 und L(x,i)=L(i) gilt. Dies ist zumindest immer dann erfüllt, wenn sich der Ventilstößel an einem der Endanschläge befindet.

Bezeichnet Lo=L(0,iO) die Induktivität im ungeschalteten Zustand und Li=L (100, ilOO) die Induktivität im geschalteten Zustand, gilt im Fall, dass sich der Stößel an einem der Endanschläge befindet, entweder die Differenzialgleichung

d 1 R

— i =—u -— i o:

dt L _Q L _Q

oder die Differenzialgleichung

Liegt eine zeitliche Änderung des Stroms vor, so kann die Induktivität L geschätzt werden und somit auch durch reine Größenvergleiche der geschätzten Induktivität L mit LQ und Li sowie vorzugsweise auch der Kenntnis des Stroms direkt auf den Schalt zustand geschlossen werden.

Im Folgenden wird eine Methode zur Induktivitätsschätzung dargestellt .

Approximiert man den Spannungs- und Stromverlauf zwischen zwei Messpunkten mit der Abtastzeit T _s über eine Gerade, dann ergibt sich für den Stromverlauf zwischen den Abtastpunkten t _k =kT _s und T _k+i =(k+l)T _s folgender Zusammenhang:

Der Spannungsverlauf ergibt sich analog. Integriert man nun die Differenzialgleichung (3) für Lo=L über [h, t _k+i ], dann ergibt sich zusammen mit der Gleichung (5) :

i ^u k+i ^{+ u} k _T ^R h+i + h

(ik+1 ^_ 4: ) (6)

L ^s 2 ^S L 2 bzw. nach kurzer Umformung

Somit reduziert sich die Bestimmung der Parameter R, auf das Lösen des linearen Least-Squares-Problems (7), und R, L lassen sich aus den Ersatzparametern p=[pi,P2] ^T in der Form

T

L ¹ s

2pi

R P2

pl

bestimmen . Die Idee der Ventilzustandsschätzung besteht nun darin, das Least-Squares-Problem rekursiv mit Vergessensfaktor zu lösen. Dies ermöglicht bei Stromänderungen die Induktivität zu schätzen, woraus durch Größenvergleich der Schaltzustand bestimmt werden kann. Es sei angemerkt, dass eine Stromänderung nicht nur durch eine Änderung der Spulenspannung auftritt, sondern wegen der Abhängigkeit der Induktivität von der Position auch bei einer Bewegung des Stößels, wie dies beispielsweise durch die obige Gleichung (2) wiedergegeben wird. Dies ermöglicht auch ungewolltes Ventilschalten, beispielsweise durch extern angreifende Kräfte oder Strömungskräfte, zu detektieren.

Es sei angemerkt, dass ein rekursives Least-Squares-Verfahren durch geeignete Implementierung auch in Fixpunktarithmetik implementiert werden kann. Des Weiteren weist ein solches Verfahren für zwei Schätzparameter einen sehr geringen Rechenaufwand auf, was durch einfache Logikgatter auch eine direkte Implementierung in Hardware ermöglicht.

Die eben beschriebene Berechnung wird von der Zustandsbestimmungseinrichtung 50 ausgeführt. Hierzu werden die entsprechenden Spannungen und Ströme zu jeweiligen Zeitpunkten gemessen .

Zur Validierung des Verfahrens wurden für ein PWM-betriebenes Magnetventil die Duty-Cycles von 20 % bis 80 % in 10 %-Schritten eingestellt und gleichzeitig der über die Pulsweitenmodulationsperiode gemittelte Spulenstrom und die gemittelte Spulenspannung gemessen. Auf diese Spannungs- und Stromverläufe wurde dann der oben beschriebene Algorithmus angewendet. Die resultierenden Widerstands- und Induktivitätsverläufe sind in Fig. 5 (horizontale Achse: Zeit in willkürlichen Einheiten; vertikale Achse: Widerstand in willkürlichen Einheiten) und Fig. 6 (horizontale Achse: Zeit in willkürlichen Einheiten; vertikale Achse: Induktivität in willkürlichen Einheiten) dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass nach einer kurzen Einschwingphase der Algorithmus für R und L konvergiert. Man erkennt am Verlauf der Induktivität auch, ob sich das Ventil schließt oder nicht. Bei 20 % und 30 % Duty-Cycle reicht der Strom nicht aus, um das Ventil zu schließen und die Induktivitätswerte konvergieren gegen L0. Bei höheren Duty-Cycles genügt der Strom zum Schließen des Ventils, wodurch sich die Induktivität erhöht, was durch die Schätzung sehr gut detektiert wird.

Bisher wurde der Ventilschaltzustand abhängig von der Ansteuerung berücksichtigt, d.h. es wurde angenommen, dass ein Ventil geschalten ist, wenn dies der Regler anfordert. Ob ein Ventil durch Strömungskräfte oder sonstige extern angreifende Kräfte seinen Schaltzustand ändert oder ob sich beispielsweise ein SG-Ventil überhaupt öffnet, konnte nicht ermittelt werden. Zwar gibt es bereits Ansätze zur Schaltzustandsbestimmung, die resultierenden Messsignale sind aber sehr klein und störungsanfällig .

Die oben beschriebene Schätzung ermöglicht es nun erstmals, eine präzise und robuste Aussage über den Schaltzustand eines digitalen Ventils zu tätigen. Dadurch können Anforderungen bezüglich Funktional Safety besser oder auch erstmals erfüllt werden. Außerdem können durch die Tatsache, dass der Ventilzustand bekannt ist, hydraulische Sicherheitsmaßnahmen wie Rückschlagventile entfallen. Im Gegensatz zu schon etablierten Methoden sind die resultierenden Signale eher groß und durch die Filterung des rekursiven Least-Squares-Algorithmus wenig rauschempfindlich. Neben der Induktivität bestimmt der Algorithmus quasi als Abfallprodukt auch noch den aktuellen elektrischen Widerstand. Dieser kann direkt für Verfügbarkeitsthemen genutzt werden. Vorteilhaft ist insbesondere die Ventilzustandsschätzung basierend auf der Induktivitätsänderung. Dabei ist die Verwendung des Spulenstroms und der Spulenspannung im Zusammenhang mit dem mathematischen Modell (3) bzw. (4) sowie einem geeigneten Schätzverfahren entscheidend. Beispielsweise kann hier ein rekursives Least-Squares-Verfahren angewendet werden, jedoch können auch andere Verfahren angewendet werden. Des Weiteren ist für pulsweitenmodulationsbetriebene Systeme die Verwendung des über einer Pulsweitenmodulationsperiode gemittelten Spulenstroms und der gemittelten Spulenspannung vorteilhaft. Ist die Versorgungsspannung bekannt, kann alternativ zur gemittelten Spulenspannung auch mit dem Duty-Cycle einer Pulsweitenmodulationsperiode gearbeitet werden .

Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.

Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.