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1. WO2004007919 - CONTROL STRUCTURE FOR THE ADJUSTING MOTOR OF AN ELECTRIC CAMSHAFT ADJUSTER

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[ DE ]

Bezeichnung der Erfindung

Regelstruktur für den VerStellmotor eines elektrischen Nockenwellenverstellers

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Regelstruktur zum Erreichen der Soll-Verstelldreh-zahl eines Verstellmotors einer elektrischen VerStelleinrichtung der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Eine Hauptforderung an einen idealen Nockenwellenversteller besteht darin, eine exakte Einhaltung des Soll-Verstellwinkelverlaufs der Nockenwelle sicherzustellen. In der Realität kommt es jedoch zu Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Verstellwinkelverlauf. Diese sind begründet in mechanischen und elektrischen Trägheiten sowie im Einfluss von Störgrößen wie zum Beispiels des Nockenwellendrehmoments.

Eine Verringerung der Abweichungen vom Soll-Verstellwinkelverlauf der Nokkenwelle führt zu einer Senkung von Schadstoffemission und Kraftstoffver-brauch, zur Steigerung von Motorleistung und Drehmoment sowie zu einer Verringerung der Bordnetzbelastung und der hohen Emissionswerte in der Startphase. Letzteres setzt voraus, dass der Nockenwellenversteller schon vor bzw. während des Motorstarts regelbar ist. Diese Forderung ist nur durch einen elektrischen Nockenwellenversteller zu erfüllen, da hydraulische Versteller vor und während der Startphase mangels Schmieröldrucks funktionsunfähig sind.

An einen elektrischen Nockenwellenversteller besteht die Forderung nach mi-nimalem Energieverbrauch des elektrischen Verstellmotors durch entsprechende Ausbildung des Reglers. Die Güte des geregelten Systems wird durch den Soll-Ist-Verstellwinkelverlauf der Nockenwelle bestimmt. Sie wird durch eine Minimierung der Abweichungen vom Soll-Verstellwinkel erhöht.

In der US-5,787,848 B1 ist eine Regelstruktur zum Erreichen der Soll-Verstelldrehzahl eines Verstellmotors einer elektrischen VerStelleinrichtung der Nokkenwelle eines Verbrennungsmotors offenbart, wobei der Nockenwellenversteller zumindest einen Regler aufweist, der aus Messsignalen des Verbrennungsmotors Steuersignale für den Verstellmotor generiert. In dieser Druck-schritt geht es um die Steuerung einer internen Abgasrückführung durch Verändern der Ventilsteuerzeiten. Die Abgasrückführung senkt das Drehmoment des Verbrennungsmotors. Um eine Drehmomentkurve ähnlich der eines Verbrennungsmotors ohne Abgasrückführung zu erreichen, ist in dem Regler ein Tiefpassfilter vorgesehen, durch den ein teilweises Über- oder Unterschreiten der ursprünglichen Drehmomentkurve vermieden werden soll.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelstruktur für den elektri-sehen Verstellmotor eines Nockenwellenverstellers zu schaffen, die im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors eine geringstmögliche Abweichung des Ist-Verstellwinkels vom Soll-Verstellwinkel der Nockenwelle und einen geringen Stromverbrauch des Verstellmotors aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da das Eingangssignal ein Differenzsignal ist, nähert sich dieses mit wachsender Übereinstimmung von Ist- und Sollwert der Größe 0. Dies trifft dann auch für das Ausgangssignal zu, das eine geregelte Soll-Verstelldrehzahl des Verstellmotors liefert, der dann zum Stillstand kommt. Soll die Nockenwelle aber in einer bestimmten Verdrehwinkellage gehalten werden, muss sich der Verstellmotor mit Nockenwellendrehzahl mitdrehen. Ein stillstehender Verstellmotor führt zu einer Verstellung der Drehwinkellage der Nockenwelle, deren Verstellgeschwindigkeit mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors zunimmt.

Erfindungsgemäß wird durch Aufaddieren des ungeregelten und damit von dem Differenzsignal unabhängigen Drehzahlsignals die erforderliche Solldrehzahl dem Verstellmotor während der Betriebszeit des Verbrennungsmotors vorgegeben. Dadurch kann die Position der Nockenwelle zur Kurbelwelle gehalten werden.

Für eine hohe Regelqualität ist es von Vorteil, dass eine Lageregelung, die sich auf die Nockenwellenverstellwinkel bezieht, und zusätzlich eine Drehzahlregelung, die sich auf die Verstellmotordrehzahl bezieht, vorgesehen sind. Auf diese Weise werden die für die Drehwinkellage der Nockenwelle relevanten Parameter des Nockenwellenverstellwinkels und der Verstellmotordrehzahl berücksichtigt.

Es ist von Vorteil, dass als Regler für die Lage- und Drehzahlregelung unter anderem P-, Pl-, PID-, Prädiktions- oder Beobachterregler einsetzbar sind. Es sind auch betriebspunktabhängige Kombinationen der obengenannten Regler möglich. So ist zum Beispiel bei kleinen Soll-Ist-Verstellwinkelabweichungen ein Pl-Regler und bei großen Soll-Ist-Verstellwinkelabweichungen ein P-Regler vorteilhaft. Auch Fuzzy-Logik-Regler sind denkbar.

Ein Vorteil des Prädiktioπsreglers liegt darin, dass dieser, abhängig von dem jeweiligen Verstellwinkelsprung der Nockenwelle, eine von dem Verstellmotor in dem dafür verfügbaren Zeitraum gerade noch verzögerbare Verstelldrehzahl vorgibt. Auf diese Weise wird das Überschwingen der Verdrehwinkel der Nokkenwelle vermieden und dadurch Verstellenergie eingespart.

Bei einem Beobachtungsregler ist es vorteilhaft, dass parallel zum Regler ein Modell der Regelstrategie gerechnet wird. Dieses Modell nutzt die Reglerausgangsgröße und versucht der realen Strecke zu folgen. Dadurch wird die Regelgüte verbessert und ebenfalls Verstellenergie eingespart.

Je nach geforderter Regelqualität werden der Prädiktionsregler der Lagerege-lung und der PID-Regler der Drehzahlregelung einzeln oder in Reihe geschaltet eingesetzt.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass bei Lageregelung der Prädiktionsregler als Eingangssignal das Differenzsignal zwischen einem Ist-Verstellwinkel und einem Soll-Verstellwinkel der Nockenwelle und als Ausgangssignal eine geregelte Soll-Verstelldrehzahl für den Verstellmotor aufweist und dass die aufaddierte Drehzahl die Nockenwellendrehzahl ist. Die aufaddierte Nockenwellendrehzahl verhindert im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors einen Stillstand des Verstellmotors und damit eine fehler-hafte Regelung.

Ebenso ist es vorteilhaft, dass bei Drehzahlregelung der PID-Regler als Eingangssignal das Differenzsigπal zwischen einer Ist-Verstelldrehzahl und einer Soll-Verstelldrehzahl des Verstellmotors und als Ausgangssignal eine geregelte Soll-Verstelldrehzahl für den Verstellmotor in Form eines Spannungswertes oder einer tastverhältnismodulierten Spannung aufweist und dass die aufaddierte Drehzahl die ungeregelte und spannunsgewandelte Soll-Verstell-drehzahl des Verstellmotors ist. Auch hier verhindert die aufaddierte ungeregelte Soll-Verstelldrehzahl des Verstellmotors, in der die Nockenwellendrehzahl enthalten ist, einen Stillstand des Verstellmotors und die damit verbundene fehlerhafte Regelung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass bei Reihenschaltung des Prädiktionsreglers und des PID-Reglers das Ausgangssignal des Prädiktionsreglers mit aufaddierter Nockenwellendrehzahl in spannungsge-wandelter Form zugleich als Aufschaltsignal für das Ausgangssignal des PID-Reglers dient. Da den Ausgangssignalen beider Regler die Nockenwellendrehzahl aufaddiert ist, wird auch in diesem Fall ein Stillstand des Verstellmotors sicher verhindert.

Es dient der Haltbarkeit der Regler, dass vorzugsweise der PID-Regler der Drehzahlregelung eine Strombegrenzungsfunktion, vorzugsweise einen Zweipunkt-Stromregler aufweist. Der Stromregler nimmt beim Überschreiten des vorgegebenen Stromgrenzwertes die Spannung bzw. die tastverhältnismodu-lierte Spannung zurück, wodurch der Strom abfällt. Bei Unterschreiten des Stromgrenzwertes wirkt die Stromregelung in umgekehrter Richtung.

Eine Kostenersparnis ergibt sich daraus, dass die Drehwinkellage der Nok-kenwelle nicht durch einen Nockenwellensensor sondern durch einen Hallsensor des Verstellmotors messbar ist. Da der Stator eines bürstenlosen Gleichstrommotors ohnedies mindestens einen Hallsensor aufweist, erübrigt sich somit ein spezieller Nockenwellensensor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 ein Schema eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit Steuerelektronik und separatem Nockenwellensensor;

Figur 2 das Schema von Figur 1 , jedoch mit einem Hallsensor des Ver- Stellmotors anstelle des Nockenwellensensors;

Figur 3 einen Nockenwellenversteller mit einem gehäusefesten Stator des elektrischen Verstellmotors;

Figur 4 eine Regelstruktur einer Lageregelung mit einem PID-Regler und einer Aufaddierung der Nockenwellendrehzahl auf dessen Ausgangssignal;

Figur 5 die Regelstruktur einer Lageregelung mit einem Prädiktionsregler und einer Aufaddierung der Nockenwellendrehzahl auf dessen Ausgangssignal;

Figur 6 eine Regelstruktur einer Drehzahlregelung mit einem PID-Regler und der Aufaddierung einer spannungs- bzw. tastverhältnismodu- lierten Spannung einer nicht geregelten Soll-Verstelldrehzahl des Verstellmotors auf das Ausgangssignal des PID-Reglers;

Figur 7 eine Regelstruktur einer Lage- und Drehzahlregelung mit einem

Prädiktions- und einem PID-Regler und mit einer Drehzahl- sowie einer Spannungsaufschaltung auf das jeweilige Ausgangssignal;

Figur 8 ein Ablaufdiagramm für den Motorstart und den Fahrbetrieb.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 schematisch dargestellt. Dessen Kurbelwelle 2 treibt über ein Kurbelwellenantriebsrad 3 mittels einer nicht darge-stellten Kette oder eines Zahnriemens ein Nockenwellenantriebsrad 4 einer
nKW
Nockenwelle 5 im Verhältnis 2: 1 an. Die Nockenwelle 5 weist einen
nNW
elektrischen Nockenwellenversteller 6 mit einem Verstellgetriebe 7 und einem elektrischen Verstellmotor 8 auf. Die Drehwinkellage der Kurbelwelle 2 wird mittels eines Kurbelwellensensors 9, die Drehwinkellage der Nockenwelle 5 mittels eines Nockenwellensensors 10 gemessen. Die Signale der Sensoren 9,

10 gelangen über ein Steuergerät 11 des Verbrennungsmotors 1 zu einem Steuergerät 12 des Verstellmotors 8. Dort werden sie zu Steuersignalen für den Verstellmotor 8 umgewandelt.

Figur 2 zeigt das Schema des Verbrennungsmotors 1 von Figur 1 , jedoch ist der Nockenwellensensor 10 durch einen bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ohnedies vorhandenen Hallsensor 13 des Verstellmotors 8 ersetzt worden.

In Figur 3 ist der Nockenwellenversteller 6 schematisch dargestellt. Das Verstellgetriebe 7 ist als Dreiwellengetriebe ausgebildet, mit einer Antriebswelle, die mit dem Nockenwellenantriebsrad 4, einer Abtriebswelle, die mit der Nokkenwelle 5 und einer Verstellwelle 14, die mit einem Rotor 15 des Verstellmotors 8 drehfest verbunden sind. Der Verstellmotor 8 weist einen Stator 16 auf der gehäusefest ausgebildet ist.

Figur 4 stellt die erfindungsgemäße Regelstruktur dar. Ein Differenzsignal 17 ± 18 eines Ist-Verstellwinkels 17 und eines Soll-Verstellwinkels 18 zwischen der Kurbelwelle 2 und der Nockenwelle 5 ist das Eingangssignal eines PID-Reglers 19. Dessen Ausgangssignal 20 beinhaltet eine geregelte Sollverstelldrehzahl für den Verstellmotor 8.

Wenn sich Ist- und Soll-Verstellwinkel 17, 18 nähern, nähert sich das Differenzsignal 17 + 18 dem Wert 0. Dadurch nähert sich auch das Ausgangssignal 20 und damit die geregelte Soll-Verstelldrehzahl des Verstellmotors 8 diesem Wert.

Wenn die Drehwinkellage der Nockenwelle 5 gehalten werden soll, muss der Rotor 15 des Verstellmotors 8 mit Nockenwellendrehzahl umlaufen. Abweichungen von dieser Drehzahl wirken sich vor allem bei höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors 1 als erhebliche Regellagenabweichungen aus.

Dies wird dadurch verhindert, dass erfindungsgemäß die Nockenwellendrehzahl 21 auf das Ausgangssignal 20 des Reglers 19 aufaddiert und so als Sollverstelldrehzahl 20 + 21 dem Verstellmotor 8 vorgegeben wird. Auf diese Wei- se dreht sich der Verstellmotor 8 zumindest mit der Nockenwellendrehzahl 21 , wodurch die Regellage der Nockenwelle 5 erhalten bleibt.

Trotz des verbesserten Regelverhaltens durch die Aufschaltung der Nocken-wellendrehzahl 21 auf das Ausgangssignal 20 des PID-Reglers 19 kommt es zu starkem Überschwingen des Verstellwinkels am Ende eines jeden Drehzahlsprungs des Verstellmotors 8. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass dieser den Vorgaben der Soll-Verstelldrehzahl nicht schnell genug folgen kann, da sich Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge wegen dessen beschränk-ter Drehmomentkapazität nicht schnell genug durchführen lassen.

Dieses Verhalten lässt sich mit einem sogenannten Prädiktionsregler 22 verbessern, den Figur 5 in der Regelstruktur einer Lageregelung zeigt. Dieser gibt abhängig von der Sprunggröße des Verstellwinkels eine vom Verstellmotor 8 in der verfügbaren Zeit gerade noch verzögerbare Verstelldrehzahl vor.

Die Größe des Eingangssignals 17 ± 18 des Prädiktionsreglers 22 entspricht der Differenz des Ist-Verstellwinkels 17 und des Soll-Verstellwinkels 18 der Figur 4. Abhängig von diesem Verstellwinkelsprung wird von dem Prädiktions-regier 22 als Ausgangssignal 20' diejenige geregelte Soll-Verstelldrehzahl angegeben, die zur Überwindung der vorgegebenen Winkelabweichung innerhalb der verfügbaren Zeit von dem Verstellmotor 8 verzögert werden kann.

Dem Ausgangssignal 20' des Prädiktionsreglers 22 wird die aktuelle Nocken-wellendrehzahl 21 aufgeschaltet und die Summe 20' + 21 als Soll-Verstelldrehzahl dem Verstellmotor 8 vorgegeben. Durch den Prädiktionsregler 22 wird das Überschwingen, des Ist-Verstellwinkels vermieden und dadurch zugleich der Stromverbrauch des Verstellmotors 8 erheblich gesenkt.

Die zuvor beschriebenen Regler 19, 22 dienen der Lageregelung der Nockenwelle 5. Für optimale Regelergebnisse ist noch ein innerer Regelkreis mit einer Drehzahlregelung oder alternativ einer Strom- oder Momentenregelung des Verstellmotors 8 notwendig. Die diesbezügliche Regelstruktur zeigt Figur 6.

Das Eingangssignal des PID-Reglers 19' ist das Differenzsignal 23 + 24 zwischen einer Soll-Verstelldrehzahl 24 und einer Ist-Verstelldrehzahl 23 des Verstellmotors 8. Als Ausgangssignal 20" erhält man eine Spannung, die zur An-steuerung des Verstellmotors 8 dient. Um zu verhindern, dass bei Überein-Stimmung von Soll- und Ist-Verstelldrehzahl 24, 23 eine Spannung 0 vorgegeben ist, wird dem Ausgangssignal 20" über einen Spannungswandler 25 die der Soll-Verstelldrehzahl 24 des Verstellmotors 8 entsprechende Spannung aufaddiert. Dadurch ist sichergestellt, dass dem Verstellmotor 8 im Betrieb immer eine Spannung entsprechend der Soll-Verstelldrehzahl 24 vorgegeben wird. Als Regler kommen neben dem PID-Regler unter anderen auch P- und Pl- sowie Prädiktionsregler in Frage.

Bei einer Drehzahlregelung gibt es keine bleibenden Regelabweichungen. Außerdem sind die Verstellgeschwindigkeiten höher als bei der Lageregelung.

Figur 7 zeigt die Regelstruktur eines Komplettregelsystems für den Verstellmotor 8 mit Hintereinanderschaltung einer Lageregelung entsprechend Figur 4 und einer Drehzahlregelung entsprechend Figur 6. Die Lageregelung weist einen Prädiktionsregler 22 auf, dessen Eingangssignal als Differenzsignal 17 ± 18 zwischen dem Ist-Verstellwinkel 17 und dem Soll-Verstellwinkel 18 gebildet und zu dem Ausgangssignal 20' einer geregelten Soll-Verstelldrehzahl verarbeitet wird. Diesem wird die Nockenwellendrehzahl 21 aufaddiert, die zusammen die Soll-Verstelldrehzahl 20' + 21 des Verstellmotors 8 bilden.

Das Differenzsignal 20' + 21 + 23 aus Soll-Verstelldrehzahl 20' + 21 und Ist-Verstelldrehzahl 23 bildet das Eingangssignal des PID-Reglers 19' der Drehzahlregelung, dessen Ausgangssignal 20" mit der aufaddierten, in einem Spannungswandler 25 spannungsgewandelten Soll-Verstelldrehzahl 20' + 21 zu der den Verstellmotor 8 ansteuernden Spannung 20" + 20' + 21 verarbeitet wird. Neben dem dargestellten Prädiktions- und PID-Reglern 22, 19' sind unter anderem auch andere Regler wie P- und Pl-Regler verwendbar.

Weiterhin ist es denkbar, zumindest in den PID-Regler 19' der Drehzahlregelung zum Schutz von Verstellmotor 8 und Regelelektronik eine Strombegrenzungsfunktion, zum Beispiel einen Zweipunkt-Stromregler zu integrieren, der beim Überschreiten des vorgegebenen Stromgrenzwerts die Spannung bzw. das Tastverhältnis zurücknimmt.

In Figur 8 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, in dem gezeigt wird, wie die Regelung des Verstellmotors 8 beim Start des Verbrennungsmotors 1 und bei dessen Betrieb erfolgt. In Position 26 wird das Zündschloß betätigt, in Position 27 läuft der Anlasser hoch und beendet damit den Startvorgang. In Position 28 wird die Drehwinkellage der Nockenwelle 5 erkannt, in Position 29 ist der Verstellwinkelvergleich getätigt, dessen Ergebnis zum Ansteuern des Verstellmotors 8 in Position 30 führt. Ansteuern kann Halten gemäß Position 31 , Frühverstellen gemäß Position 32 oder Spätverstellen gemäß Position 33 bedeuten. Das jeweilige Ergebnis wird über die Rückleitung 34 zur Position 28 zurückgemeldet, womit ein neuer Durchlauf beginnt.

Bezugszeichenliste

Verbrennungsmotor
Kurbelwelle
Kurbelwellenantriebsrad
Nockenwellenantriebsrad
Nockenwelle
Nockenwellenversteller
Verstellgetriebe
Verstellmotor
Kurbelwellensensor
Nockenwellensensor
Steuergerät
Steuergerät
Hallsensor
Verstellwelle
Rotor
Stator
Ist-Verste II winkel
Soll-Verstellwinkel
, 19' PID-Regler
, 20', 20" geregeltes Ausgangssignal
Nockenwellendrehzahl
Prädiktionsregler
Ist-Verstelldrehzahl
Soll-Verstelldrehzahl
Spannungswandler
Position „Zündschloß drehen"
Position „Anlasser dreht hoch"
Position „Drehwinkellage der Nockenwelle"

Position „Soll-Ist-Verstellwinkel-Vergleich"

Position „Ansteuern des Verstellmotors" 31 Position „Halten"

32 Position „Frühverstellen"

33 Position „Spätverstellen"

34 Rückleitung