DE10043254A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese behafteten Stellelements - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese behafteten StellelementsInfo
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese behafteten Stellelements vorgeschlagen. Die Ansteuergröße für das Stellelement wird dabei in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Ansteuergröße um einen Korrekturwert korrigiert, wobei dieser auf einen variablen Wert begrenzt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese behafteten Stelle
lements.
Hysteresebehaftete Stellelemente werden in einer Vielzahl
technischer Anwendungsbereiche betrieben. Im Bereich der
Kraftfahrzeugtechnik werden derartige Ventile beispielsweise
zur Regelung der Fahrgeschwindigkeit (vergleiche DE 43 41 585 A1 = US-
Patent 5 854 989), zur Steuerung bzw. der Rege
lung des Bremsdrucks (vergleiche z. B. DE 198 48 960 A1)
oder auch zur Steuerung eines Verbrennungsmotors eingesetzt.
Solche Stellelemente können mit einer Hysterese behaftet
seinfdie zumindest bei einigen Exemplaren sehr groß sein
kann. In diesem Fall ändert sich bei einer Änderung der An
steuergröße, insbesondere des Ansteuerstroms, die zu steu
ernde bzw. zu regelnde Größe nur dann, wenn sich die Ansteu
ergröße relativ stark ändert. Nur auf diese Weise ist die
Hysterese zu überwinden. Bei kleineren Änderungen der An
steuergröße folgt keine Änderung der zu steuernden bzw. zu
regelnden Größe. Infolge der Hysterese kann es zu ungewoll
ten Schwingungen des zu steuernden bzw. zu regelnden Größe
als auch in der Ansteuerung selbst kommen. Besonders unange
nehm sind derartige Schwingungen, wenn das Stellelement in
Verbindung mit einem Fahrgeschwindigkeitsregler oder einer
Radbremse (Bremsanlage) eingesetzt wird. In diesem Fall kann
es infolge der Hysterese während des Regelvorgangs zu
Schwingungen in der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. dem
Bremsdruck, der Bremskraft oder des Bremsmoments an den Rad
bremsen kommen, die für den Fahrer des Fahrzeugs äußerst un
angenehm spürbar sind. Beispiele für solche hysteresebehaf
tete Stellelemente sind Ventile, die als Proportionalventil
ausgebildet sind oder mittels einer speziellen Ansteuerung
proportionalisierend betrieben werden.
Durch die nachfolgend beschriebene Beeinflussung der Ansteu
ergröße für das Stellelement (Ventil) wird die Problematik
der Hysterese weitgehend behoben und die Gefahr von Schwin
gungen in der Ansteuerung und/oder in der zu regelnden bzw.
zu steuernden Größe weitgehend beseitigt.
Besonders vorteilhaft ist, dass dieser Erfolg unabhängig von
der Größe der Hysterese eintritt, wobei sich bei Stellele
mentenexemplaren mit kleiner Hysterese keine nachteiligen
Wirkungen zeigen.
Durch die nachfolgend dargestellte Vorgehensweise wird die
Ansteuergröße abhängig von deren Dynamik um einen bestimmten
Offsetwert verändert. Dies hat die vorteilhafte Wirkung,
dass die Hysterese schneller durchlaufen wird und die vom
Stellelement beeinflusste Größe dem Vorgabewert wesentlich
schneller folgt. Die Abhängigkeit der Ansteuergröße von ih
rer Dynamik bei Stellelementen mit kleiner Hysterese wird
derart modifiziert, dass keine Unruhe der Regelung bzw.
Steuerung erfolgt, wobei wirkungsvoll vermieden wird, dass
jede Veränderung der Ansteuergröße durch den Offsetwert eine
Beeinflussung der zu steuernden bzw. zu regelnden Größe nach
sich zieht.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Korrektur der Ansteuer
größe adaptiv erfolgt, so dass Exemplarstreuungen bei den
Stellelementen hinsichtlich ihrer Hysterese unberücksichtigt
bleiben können und sich die Ansteuerung selbsttätig an die
Hysterese des eingesetzten Exemplars anpasst.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be
schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1
zeigt dabei ein Übersichtsschaltbild einer Steuereinrichtung
zur Steuerung eines hysteresebehafteten Stellelements im
Rahmen einer Steuerung oder Regelung wenigstens einer Be
triebsgröße. In den Fig. 2 und 3 ist die Veränderung des
Ansteuergröße abhängig von deren Dynamik und der Anpassung
dieser Korrektur an das aktuell vorhandene Exemplar des
Stellelements anhand von Flussdiagrammen dargestellt, die
eine bevorzugte Ausführung dieser Vorgehensweise als Pro
gramm des Mikrocomputers der Steuereinrichtung skizzieren.
Fig. 1 zeigt eine Steuereinrichtung 10, die über eine Ein
gangsschaltung 12, wenigstens einen Mikrocomputer 14 und ei
ne Ausgangsschaltung 16 verfügt. Diese Elemente sind über
ein Kommunikationssystem 8 miteinander verbunden. Der Ein
gangsschaltung werden Eingangsleitungen 20 bis 24 zugeführt,
die von Messeinrichtungen 26 bis 30 Betriebsgrößen übertra
gen, die zur Durchführung der Steuerungs- bzw. Regelungsauf
gaben der Steuereinheit 10 ausgewertet werden. Über wenig
stens eine Ausgangsleitung 32 steuert die Steuereinheit 10
wenigstens ein hysteresebehaftetes Stellelement 34, vorzugs
weise wenigstens ein Ventil oder eine Ventilanordnung, an.
Im Mikrocomputer 14 der Steuereinheit 10 sind Programme ge
speichert, welche in Abhängigkeit der zugeführten Eingangs
größen Ausgangsgrößen zur Erledigung wenigstens einer Steue
rungs- oder Regelungsaufgabe erzeugen, mit deren Hilfe die
wenigstens ein Stellelement 34 betätigt wird. Wie im ein
gangs genannten Stand der Technik dargestellt führt der Mi
krocomputer 14 beispielsweise eine Fahrgeschwindigkeitsrege
lung oder Begrenzung durch, wobei das Ausgangssignal in Ab
hängigkeit der Differenz zwischen einem vorgegebenen Sohl-
oder Begrenzungswert und dem Fahrgeschwindigkeitsistwert ge
bildet wird. Bei einer Bremsensteuerung wird z. B. auf der
Basis eines Fahrerbremswunschwertes, beispielsweise der Aus
lenkung des Bremspedals, wenigstens ein der Radbremse zuge
ordnetes Stellelement, vorzugsweise ein Ventil, derart betä
tigt, dass ein aus dem Bremswunsch abgeleiteter Bremsdruck,
eine Bremskraft oder ein Bremsmoment sich an dieser Radbrem
se einstellt. Eine andere Ausführung in diesem Zusammenhang
stellt die Steuerung wenigstens eines Ventil dar, durch wel
che ein Verstärkungsfaktor zwischen der Betätigungskraft des
Fahrers und der Bremskraft bereitgestellt wird, so dass der
übliche Bremskraftverstärker einsetzt oder unterstützt wird.
Während in einem ersten Ausführungsbeispiel bevorzugt ein
Proportionalventil eingesetzt wird, werden in den anderen
Ausführungsbeispielen vorzugsweise Ventile eingesetzt, die
derart angesteuert werden, dass sie ein proportionales Ver
halten aufweisen. D. h. sie werden auf vorgegebene Positio
nen außerhalb der vollständig geschlossenen oder vollständig
geöffneten Position gesteuert. Weitere Anwendungsfälle, bei
denen hysteresebehaftete Stellelemente wie Ventile oder
elektrische Motoren eingesetzt werden, sind z. B. Drehzahlre
gelsysteme, Lageregelungen in Verbindung mit einem Verbren
nungsmotor, etc.
Um der eingangsgenannten Problematik der Schwingungsneigung
zu begegnen, sind im Mikrocomputer 14 ferner Programme im
plementiert, welche eine Korrektur der Ansteuersignalgröße
in Abhängigkeit von ihrer Dynamik vornehmen. Dadurch lassen
sich die Auswirkungen auch großer Stellelementehysteresen
auf die Regelqualität mindern, ohne dass Nachteile bei klei
neren auftreten. Beispiele für derartige Programme sind in
Fig. 2 und 3 als Flussdiagramme skizziert.
Das in Fig. 2 dargestellte Programm wird während des Be
triebs in vorgegebenen Zeitintervallen durchlaufen. Nach
Start wird im ersten Schritt 100 eine veränderliche Größe τ
des Ansteuersignals (im folgenden Ansteuergröße genannt) für
das Stellelement (im folgenden Ventil genannt) in Abhängig
keit von den der Steuerung bzw. Regelung zugrunde gelegten,
gemessenen oder errechneten Betriebsgrößen gebildet. Die An
steuergröße τ stellt dabei je nach Art des Ansteuersignals
wenigstens einen veränderlichen Größe dar, beispielsweise
ein Tastverhältnis, eine Amplitude, eine Frequenz, etc. Im
nächsten Schritt 102 wird die zeitliche Änderung dτ/dt die
ser Ansteuergröße τ bestimmt, vorzugsweise als zeitliche Ab
leitung oder als Differenz zweier Werte, die zu unterschied
lichen Abtastzeitpunkten mit festem zeitlichen Abstand er
fasst wurden. Der Wert der zeitlichen Änderung wird als vor
läufiger Offsetwert OFFVORL gesetzt. Im darauffolgenden
Schritt 104 wird der maximale Offsetwert OFFMAX eingelesen,
der nach Maßgabe des in Fig. 3 dargestellten Programms er
mittelt wird. Im darauffolgenden Schritt 106 wird dann der
Offsetwert OFF auf den kleineren dieser Werte (vorläufiger
oder maximaler Offsetwert) gesetzt und im Schritt 108 der
Ansteuergröße τ aufgeschaltet (z. B. addiert). Dann wird ein
Ansteuersignal mit der korrigierten Ansteuergröße τ zur An
steuerung des Ventils ausgegeben. Danach wird das Programm
beendet und im nächsten Zeitintervall mit Schritt 100 erneut
durchlaufen.
Mit anderen Worten wird aus der zeitlichen Änderung der An
steuergröße, d. h. ihrer Dynamik, ein vorläufiger Offsetwert
für die Ansteuergröße gebildet. Dieser vorläufige Offsetwert
wird auf einen vorzugsweise variablen Maximalwert begrenzt.
Die als Ansteuersignal ausgegebene Ansteuergröße wird dann
durch Korrektur der berechneten Ansteuergröße mit dem gege
benenfalls begrenzten Offsetwert ermittelt.
Durch diese Maßnahme wird die Auswirkung der Hysterese des
Stellelements auf das Regel- bzw. Steuerverhalten zumindest
bei großen Hysteresen wirksam verringert oder beseitigt. Bei
einem Ventil mit kleiner Hysterese hat es sich jedoch in ei
nigen Anwendungsfällen gezeigt, dass durch den Offsetwert
sich eine Verschlechterung des Regel- bzw. Steuerverhaltens
einstellen kann. Da aber die Bildung des Ansteuersignals un
abhängig von Exemplarstreuungen erfolgen soll, wird in die
sen Anwendungsfällen der Begrenzungswert OFFMAX adaptiv an
das jeweilige Ventil angepasst. Eine bevorzugte Ausführung
ist im Flussdiagramm der Fig. 3 dargestellt.
Ausgangspunkt dieser Lösung ist, dass bei einem Ventil mit
großer Hysterese die Ansteuergröße für das Ventil und damit
entsprechend auch der vorläufige Offsetwert in der Regel mit
einer bestimmten Frequenz schwingt. Der vorläufige Offset
wert zeigt also Nulldurchgänge. Ein solches Verhalten tritt
bei einem Ventil mit kleinerer Hysterese nicht immer auf.
Auch dort ist die Ansteuergröße nicht konstant, die Änderun
gen können bei einem derartigen Ventil jedoch im Vergleich
zu denen bei größerer Hysterese langsam sein. Infolge dieser
langsamen Änderungen weist der vorläufige Offsetwert kleine
re Werte auf. Aber auch hier treten viele Nulldurchgänge
auf. Somit wird, wie nachfolgend dargestellt, die Zeit zwi
schen zwei Nulldurchgängen des vorläufigen Offsetwertes er
mittelt. Bei jedem Nulldurchgang wird ein Summenzähler zu
rückgesetzt, der ansonsten mit jedem Programmzyklus um den
Betrag des aktuellen Wertes des vorläufigen Offsetwertes er
höht wird. Bei Erreichen des nächsten Nulldurchganges wird
der dann erreichte Zählerstand und die Zeit zwischen den
beiden Nulldurchgängen des vorläufigen Offsetwertes verwen
det, um zu entscheiden, ob der maximale Offsetwert konstant
gehalten oder verändert, insbesondere reduziert, z. B. hal
biert oder geviertelt werden soll. Erreicht der Summenzähler
innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne eine erste Schwelle,
so wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel der maximale
Offsetwert in einem ersten Ausmaß reduziert, vorzugsweise
halbiert. Wird innerhalb dieser Zeit ein zweiter, größerer
Schwellenwert überschritten und liegt der maximale Offset
wert oberhalb eines Grenzwertes, wird der maximale Offset
wert in einem zweiten, größeren Ausmaß reduziert, z. B. ge
viertelt. Um eine adaptive Anpassung des maximalen Offset
wertes an das Ventilverhalten zu erreichen, wird in vorbe
stimmten Abständen (z. B. in jedem vierten Programmdurchlauf)
der maximale Offsetwert um einen bestimmten Wert erhöht.
Bei einem Ventil mit großem Hysterese ist die Zeit zwischen
zwei Nulldurchgängen größer als die vorgegebene Zeit, so
dass keine Reduzierung des maximalen Offsetwertes stattfin
det. Durch die kontinuierliche Erhöhung des maximalen
Offsetwertes wird ein im Vergleich zu Ventilen mit kleinerer
Hysterese großer Offsetwert auf das Ansteuersignal addiert,
was zu einer Überwindung der Ventilhysterese und zu einem
schnelleren Nachfolgen der vom Ventil beeinflussten Größe,
beispielsweise des Bremsdrucks oder der Fahrgeschwindigkeit,
führt. Die Schwingungen werden demnach abgebaut. Wird das
Ansteuersignal infolge eines zu großen Offsetwertes unruhig,
dann ist die Zeitspanne zwischen zwei Nulldurchgängen des
vorläufigen Offsetwertes unter den vorgegebenen Wert. Ist
das Ergebnis des Summenzählers dann größer als einer der an
gegebenen Schwellenwerte, wird der maximale Offsetwert redu
ziert und so die Tendenz zur Unruhe verhindert.
Bei einem Ventil mit kleinerer Hysterese wird diese Unruhe
tendenz infolge der kontinuierlichen Erhöhung des Offsetwer
tes erzeugt. Da durch die Unruhe die Zeitspanne zwischen
zwei Nulldurchgängen absinkt und kleiner als die vorgegebene
Maximalzeit wird, gleichzeitig das Ergebnis des Summenzäh
lers größer als der erste Schwellenwert ist, führt dies zur
Reduzierung der Unruhetendenz zu einer Reduzierung des maxi
malen Offsetwertes. Die angegebenen Grenzwerte werden in
Fahrversuchen ermittelt.
Die Anpassung des maximalen Offsetwertes in der oben be
schriebenen Art und Weise wird durch ein im Mikrocomputer 14
implementiertes Programm bewerkstelligt, welches als Fluss
diagramm in Fig. 3 skizziert ist. Das Programm ist dabei in
Speichermedien im Mikrocomputer oder außerhalb davon ge
speichert. Auch dieses Programm wird in vorgegebenen Zeitin
tervallen während des Betriebs durchlaufen.
Zunächst wird im ersten Schritt 200 der gebildete vorläufige
Offsetwert OFFVORL und der aktuelle Maximalwert OFFMAX ein
gelesen. Letzterer wird in vorgegebenen Zeitabständen, bei
spielsweise bei jedem vierten Programmdurchlauf um einen be
stimmten Wert Δ erhöht. Im darauffolgenden Schritt 202 wird
überprüft, ob der vorläufige Offsetwert kleiner als 0 ist.
Ist dies der Fall, wird eine erste Marke FLAG1 auf den Wert
1 gesetzt (Schritt 204). Daraufhin wird im Schritt 206 über
prüft, ob eine zweite Marke, die gesetzt wird, wenn der vor
läufige Offsetwert größer als 0 ist, auf den Wert 1 gesetzt
ist. Ist dies nicht der Fall, so ist das ein Hinweis darauf,
dass kein Nulldurchgang stattgefunden hat. Ist die zweite
Marke auf den Wert 1 gesetzt, so ist dies ein Hinweis dar
auf, dass erstmalig ein Überschreiten des Nullwertes durch
den vorläufigen Offsetwert erkannt würde, somit ein Null
durchgang vorliegt. Deswegen wird in diesem Fall im Schritt
208 die zweite Marke auf den Wert 0 gesetzt und im darauf
folgenden Schritt 210 der Summenzähler Z auf den Wert 0 und
der Zeitzähler T gestartet.
Entsprechend wird vorgegangen, wenn im Schritt 202 erkannt
wurde, dass der vorläufige Offsetwert nicht kleiner als 0
ist. In diesem Fall wird im Schritt 212 überprüft, ob der
vorläufige Offsetwert größer als 0 ist. Ist dies der Fall,
so wird im Schritt 214 die zweite Marke auf den Wert 1 ge
setzt und im darauffolgenden Schritt 216 überprüft, ob die
erste Marke den Wert 1 aufweist. Ist dies nicht der Fall, so
ist dies ein Hinweis auf einen fehlenden Nulldurchgang, wäh
rend bei positiver Antwort im Schritt 216 von einem Null
durchgang von positiven auf negative Werte ausgegangen wird.
Deswegen wird in diesem Fall im Schritt 218 die erste Marke
auf den Wert 0 gesetzt und im darauffolgenden Schritt 220
der Summenzähler Z auf 0 gesetzt und der Zeitzähler T ge
startet.
Somit wird bei jedem erkannten Nulldurchgang des vorläufigen
Offsetwertes der Summenzähler zurückgesetzt und ein Zeitzäh
ler gestartet. Nach den Schritten 210 und 220 bzw. im Falle
einer Nein-Antwort in den Schritten 206, 212 und 216 wird im
Schritt 222 der Wert des Summenzählers Z um den vorläufigen
Offsetwert OFFVORL erhöht. Dies geschieht im bevorzugten
Ausführungsbeispiel durch eine Addition. Ferner wird in die
sem Schritt der Zeitzählerstand erhöht. Im darauffolgenden
Schritt 224 wird überprüft, ob der Zeitzählerstand T kleiner
als oder gleich einem Maximalwert TMAX ist. D. h. es wird
überprüft, ob eine vorgegebene Zeit TMAX zwischen zwei Null
durchgängen überschritten ist oder nicht. Ist die Zeit T
größer als TMAX, findet keine Veränderung im maximalen
Offsetwert statt. Ist sie kleiner als die vorgegebene Zeit,
so wird gemäß Schritt 226 überprüft, ob der Summenzähler
stand Z einen Schwellenwert Z2 überschreitet. Ist dies der
Fall, wird in einem Ausführungsbeispiel im in anderen Aus
führungen nicht vorhandenen Schritt 232 überprüft, ob der
maximale Offsetwert einen Grenzwert OFF0 überschreitet. Ist
dies auch der Fall, so wird gemäß Schritt 228 der maximale
Offsetwert OFFMAX in einem vorbestimmten Maße reduziert,
beispielsweise geviertelt. Ist der Zählerstand nicht größer
als der Schwellenwert Z2, so wird im Schritt 230 überprüft,
ob er größer als ein kleinerer Schwellenwert Z1 ist. Ist
dies der Fall, so wird gemäß Schritt 234 der maximale
Offsetwert nach Maßgabe eines zweiten, kleineren Maßes redu
ziert, beispielsweise halbiert.
Mit anderen Worten wird, wenn eine vorgegebene Maximalzeit
zwischen zwei Nulldurchgängen nicht überschritten wird, ab
hängig vom Summenzählerstand eine langsamere oder schnellere
Reduktion des maximalen Offsets vorgenommen, sofern dieser
Summenzählerstand vorbestimmte Schwellenwerte überschreitet.
Nach den Schritten 228 und 234 sowie im Falle von Nein-
Antworten in den Schritten 224, 230 und 232 wird das Pro
gramm beendet und zum nächsten Zeitintervall erneut durch
laufen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese be
hafteten Stellelements, welches durch ein Ansteuersignal mit
einer veränderlichen Ansteuergröße angesteuert wird, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Korrektur dieser Ansteuergröße ab
hängig von der zeitlichen Änderung dieser Ansteuergröße er
folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Korrektur mittels eines Offsetwertes erfolgt, welcher
auf der Basis der zeitlichen Änderung der Ansteuersignalgrö
ße gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Offsetwert auf einen Maximalwert begrenzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass der maximale Offsetwert variabel ist und
abhängig von den Nulldurchgängen des Offsetwertes verändert
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Reduzierung des maximalen Offsetwertes stattfindet,
wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeit zwischen zwei Null
durchgängen ein Zählerstand einen vorbestimmten Schwellen
wert überschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Zählerstand aus dem Offsetwert gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, dass eine schnellere Reduktion des maximalen
Offsetwertes stattfindet, wenn ein zweiter, höherer Schwel
lenwert überschritten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der Offsetwert dem Wert der zeit
lichen Änderung der Ansteuergröße entspricht.
9. Vorrichtung zur Ansteuerung eines mit einer Hysterese be
hafteten Stellelements, mit einer Steuereinrichtung, welche
wenigstens einen Mikrocomputer umfasst, der nach Maßgabe von
von ihm ausgeführten Programmen ein Ansteuersignal mit va
riabler Ansteuergröße zur Ansteuerung des Stellelements bil
det, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer wenig
stens ein Programm umfasst, welches eine Korrektur der An
steuergröße in Abhängigkeit von ihrer zeitlichen Änderung
vornimmt.
10. Speichermedium, in welchem ein Computerprogramm abge
speichert ist zur Durchführung wenigstens einer der Verfah
ren der Ansprüche 1 bis 8.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130103 |