DE10137581C1

DE10137581C1 - Verfahren zum Steuern einer automatischen Kraftfahrzeugkupplung

Info

Publication number: DE10137581C1
Application number: DE10137581A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bamberger; Joachim Horn; Peter Michau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: FR2828252B1; ITMI20021657A1; FR2828252A1

Abstract

Gesteuert wird der Spulenstrom eines elektrohydraulischen Kupplungslagesystems (26) für eine automatische Kraftfahrzeugkupplung, mit dem ein hydraulischer Volumenstrom gesteuert wird, der in dem Kupplungslagesystem einen Druck aufbaut und damit die Position der Kupplung festlegt. Aus der Sollposition und der Istposition der Kupplung wird in einer Regelung (36) ein erster Ölvolumenstrom berechnet. Von einer Vorsteuerung (35) wird ein zweiter Ölvolumenstrom vorgegeben, dieser wird zu dem ersten Ölvolumenstrom addiert und aus der Summe beider Ströme wird ein zu regelnder Spulenstrom zur Kupplungsbetätigung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dieses Verfahren dient zum Steuern einer automa tischen Kraftfahrzeugkupplung mit einem elektrohydraulischen Kupplungslagesystem, mit dessen Spulenstrom ein hydraulischer Volumenstrom gesteuert wird, der in dem Kupplungslagesystem einen Druck aufbaut und damit die Position der Kupplung fest legt, indem aus einer Sollposition und einer Istposition in einem Kupplungslageregler eine Regelabweichung ermittelt und daraus ein Ausgangssignal berechnet wird, mit dem die Kupp lungsposition gesteuert wird.

Neben den herkömmlichen durch den Fahrer direkt betätigten Kraftfahrzeugkupplungen werden zunehmend automatisch betätig te Kupplungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt (siehe zum Bei spiel DE 44 34 111 A1). Um die gewünschte Kupplungsposition zu erreichen und zu stabilisieren, wird in dem Regler der Sollwert mit dem Istwert der Kupplungsposition verglichen und, beispielsweise mit einem bekannten PID-Regelalgorithmus, ein Reglerausgangssignal berechnet. Da das Führungsverhalten eines Regelungssystems, insbesondere beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs, von großer Bedeutung ist, wird zweckmäßiger weise zusätzlich eine Vorsteuerung eingesetzt. Mit dieser wird ein spürbare Dynamikverbesserung erzielt.

In dem Kolloquiumsvortrag "Strategien zur Steuerung, Regelung und Überwachung der Kinematik mechatronischer Einzelantriebs systeme" von Dipl.-Ing. J. Palmer, Universität Stuttgart, 08. 10. 1997, ist das Prinzip einer Vorsteuerung für eine Lage regelung allgemein beschrieben.

Damit stellt sich aber die Frage, wie die Vorsteuerung und die Regelung miteinander kombiniert oder integriert werden sollen. Eine der Anmelderin bekannte Möglichkeit besteht darin, das Reglerausgangssignal als elektrischen Strom zu realisieren und zu dem elektrischen Strom der Vorsteuerung zu addieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Ver fahren zum Steuern einer automatisch betätigten Kraftfahr zeugkupplung zu schaffen, das eine hohe Positioniergenauig keit für die Kupplung ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach An spruch 1 gelöst. Bei diesem Verfahren wird aus der Sollposi tion und der Istposition ein erster Ölvolumenstrom berechnet, als Ausgangssignal des Reglers ausgegeben und zu einem von einer Vorsteuerung gelieferten zweiten Ölvolumenstrom ad diert. Aus der Summe der Ölvolumenströme wird der zu regelnde Spulenstrom für die Kupplungsbetätigung ermittelt.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen niedergelegt.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass der stark nichtlineare Zusammenhang von Ölvolumenstrom und elektrischem Strom wirksam ausgeglichen wird. Auf diese Weise werden durch Berücksichtigen des Kupplungsdrehmomentmodells Anfahrvorgänge und automatisierte Schaltabläufe besonders komfortabel durchgeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kraftfahrzeugantrieb mit einer automatisch be tätigten Kupplung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises für ein gemäß der Erfindung arbeitendes Kupplungslagesystem;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Kupplungslagereglers des Regelkreises nach Fig. 2;

Fig. 4 eine räumliche Darstellung des Hydraulikölflusses in dem Kupplungslagesystem nach Fig. 2 als Funktion von elektrischem Steuerstrom und Druckdifferenz;

Fig. 5 eine räumliche Darstellung des elektrischen Steuer stromes in dem Kupplungslagesystem nach Fig. 2 als Funktion von Hydraulikölfluss und Druckdifferenz;

Fig. 6 das Ablaufdiagramm eines bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren abgearbeiteten Programms;

Fig. 7 einen Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Sollposi tion und der erfindungsgemäß geregelten Istposition der Kupplung bei einem Anfahrvorgang, und

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl und der Ge triebeeingangsdrehzahl bei erfindungsgemäß geregelter Kupplungslage.

Ein Kraftfahrzeugantrieb 1 (Fig. 1) weist - soweit er für die vorliegende Erfindung von Bedeutung ist - folgende Be standteile auf: einen Motor 2, eine Kupplung 3, einen Kupplungsaktuator (im folgenden auch als Stellglied oder Stellantrieb für die Kupplung bezeichnet) 4, ein Schaltge triebe 5, einen Getriebeaktuator 6, eine elektronische Steue rung 8 für das Stellglied 4 und den Getriebeaktuator 6 sowie eine Motorsteuerung 9. Die elektronische Steuerung 8 ist mit dem Stellglied 4 durch Steuer- und Signalleitungen 10 und mit dem Getriebeaktuator 6 durch Steuer- und Signalleitungen 11 verbunden.

Das Stellglied 4 kann als elektromotorisch angetriebener oder als hydraulisch angetriebener Aktuator ausgebildet sein. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein elektro hydraulisches Stellglied 4 verwendet, das mit der Kupplung 3 durch eine Kraftübertragungsanordnung 12 verbunden ist, die zum Beispiel als Druckleitung ausgebildet ist.

Bei dem Kraftfahrzeugantrieb 1 ist in dem vorliegenden Aus führungsbeispiel zwar das Schaltgetriebe 5 konstruktiv wie ein Handschaltgetriebe ausgebildet, die Schaltvorgänge werden aber automatisch durchgeführt und die Kupplung 3 wird - durch die elektronische Steuerung 8 gesteuert - betätigt, sobald die Steuerung einen Schaltvorgang einleitet. Ein solches Getriebe wird als automatisches (oder auch: automatisiertes) Handschaltgetriebe, abgekürzt ASG, bezeichnet. Die erfin dungsgemäße Kupplungssteuerung kann auch mit automatisch ge steuerten Kupplungen (als EKS bezeichnet) für übliche Hand schaltgetriebe verwendet werden, die betätigt werden, sobald der Fahrer an den Schalthebel greift, um einen Gangwechsel durchzuführen, oder aber mit vollautomatischen Schaltgetrie ben, die allerdings in der Regel mit einer Nasskupplung oder einem Strömungswandler versehen sind.

Bei dem elektrohydraulischen Kupplungslagesystem ist die zu regelnde Größe die Kupplungsposition und die Eingangsgröße die Magnet- oder Spulenspannung eines elektromagnetisch betä tigten Hydraulikventils. Dieses Hydraulikventil steuert einen Ölvolumenstrom, mit dem in einem Hydraulikzylinder ein Druck aufgebaut und damit die Kupplung positioniert wird. Einzel heiten des elektromagnetisch betätigten Hydraulikventils und des Hydraulikzylinders werden hier nicht weiter erläutert, da sie als solche allgemein bekannt sind.

Die gewünschte Kupplungsposition wird mit einem Regelkreis 14 eingestellt und stabilisiert (Fig. 2). Da ein gutes Füh rungsverhalten des Regelkreises, insbesondere bei einem An fahren eines Kraftfahrzeugs, von großer Bedeutung ist, wird eine Vorsteuerung verwendet, die zum Beispiel in der elektro nischen Steuerung 8 enthalten ist und die ein Kupplungssoll moment über einen (Signal-)Eingang 16 an ein Drehmomentmodell 17 der Kupplung übermittelt. Dieses empfängt außerdem über eine Signalleitung 18 die rückgekoppelte Istposition der Kupplung und berechnet die Sollposition für einen Kupplungs lageregler 21.

Das Drehmomentmodell 17 ist als gespeichertes Kupplungskenn feld ausgeführt. Es ermittelt auch das Kupplungsistmoment und gibt es als berechneten Wert an einem (Signal-)Ausgang 20 aus, wo es von einem nicht weiter dargestellten übergeordne ten Regler abgenommen werden kann. Die Istposition der Kupplung wird über die Signalleitung 18 auch an einen zweiten Eingang des Kupplungslagereglers 21 rückgekoppelt. Dieser er mittelt aus der Sollposition und der Istposition der Kupplung einen Soll-Ventilstrom und legt diesen an einen ersten Ein gang eines Stromreglers 22, auf dessen zweiten Eingang der Istwert des Ventilstroms von einem Ausgang eines hydrauli schen Stellglieds oder Kupplungslagesystems 24 über eine Sig nalleitung 25 rückgeführt wird.

Aus Soll- und Ist-Ventilstrom erzeugt der Stromregler 22 ein Stellsignal und überträgt es als pulsweitenmodulierte Ventil spannung PWM auf den Eingang des hydraulischen Kupplungslage systems 24. Dieses besteht aus einem elektromagnetischen Hy draulikventil 26 und einem - in der Zeichnung mit der Kupplung zusammengefassten - Kupplungsaktuator 27. Der Stromregler 22 und das hydraulische Kupplungslagesystems 24 bilden eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu steuernde Regelstrecke. Außer den erwähnten Größen Ventilstrom und Kupplungsistposi tion liegt an einem Ausgang 28 des Kupplungsaktuator 27 ein übertragbares Kupplungsmoment an, das bei Bedarf abgefragt werden kann.

Einzelheiten des Aufbaus des Kupplungslagereglers 21 sind aus Fig. 3 ersichtlich. Das die Sollposition der Kupplung fest legende Signal gelangt über einen Signaleingang 30 zu einem adaptierenden Tiefpassfilter 31 und das die Istposition der Kupplung wiedergebende rückgekoppelte Signal über einen Sig naleingang 32 zu einem zweiten Tiefpassfilter 33.

Die gefilterte Sollposition x_soll gelangt von dem Ausgang des Tiefpassfilters 31 einerseits an den Eingang eines Moduls Vorsteuerung 35 und andererseits an einen Eingang eines Mo duls Regelung 36. Im folgenden wird bei den einzelnen Modulen oder Blöcken des Schaltbilds der Ausdruck "Modul" weg gelas sen. Diese Blöcke oder Module sind entweder als eigenständige Einzelschaltungen oder als Unterprogramme ausgebildet. Die gefilterte Istposition x_ist gelangt von dem zweiten Tiefpassfilter 33 an einen zweiten Eingang der Regelung 36. An einem dritten Eingang empfängt die Regelung einen über eine Leitung 38 rückgekoppelten Stellwert des Sollstromes I_soll. Die Regelung 36 erzeugt einen Regelungswert Q_regel für den Ölvolumenstrom, der in einem nachgeschalteten weiteren Tief pass 39 gefiltert wird und am Ausgang als gefilterter Wert Q_filter des Ölvolumenstroms abgegeben wird.

Die Vorsteuerung 35 erzeugt einen Vorsteuerwert für den Ölvo lumenstrom Q_vorst, der in einem Addierglied 40 zu dem gefil terten Wert Q_filter addiert wird, sowie einen Wert für den Druck in dem Stellzylinder p_stellz, der auf einen Eingang einer Ventilcharakteristik 41 gegeben wird. An einen zweiten Eingang der Ventilcharakteristik 41 gelangt das Ergebnis der Addition in dem Addierglied 40.

Die Ventilcharakteristik 41 bildet ab eine Abhängigkeit I = I(Q, Δp), das heißt einen Zusammenhang zwischen dem Ventil- oder Spulenstrom I, dem Ölvolumenstrom Q und dem Differenz druck Δp an den Steuerkanten des Hydraulikventils 26. Sie gibt an ihrem Ausgang also einen Stromsollwert I_soll aus, an dem in einem Kompensationsmodul 42 eine Kompensation bezüg lich der Strom- und Ventildynamik durchgeführt wird. Diese Kompensation wird hier nicht weiter erläutert, sie ist be reits Gegenstand einer älteren Anmeldung. An dem Ausgang 43 des Kompensationsmo duls 42 liegt der Soll-Ventilstrom an, der als Sollwert für den Stromregler 22 dient.

Die Dynamik des elektrohydraulischen Kupplungslagesystems kann vereinfacht gemäß

mit den Zustandsgrößen Kupplungsposition x, Kupplungsge schwindigkeit ν und Druck p im Stellzylinder beschrieben werden. Dabei bezeichnet m die bewegte Masse von Kupplung und Stellzylinder, F_Feder die Federkraft, A die Stirnfläche des Stellzylinders, F_Reib die Reibkraft, E den wirksamen Elas tizitätsmodul, V das wirksame Volumen und Q_s den stationä ren Volumenstrom des Hydraulikventils. Die Druckdifferenz Δp ist gegeben durch

wobei A für einen Arbeitsdruckanschluss, P für einen System druckanschluss und T für einen (Vorrats-)Tankanschluss ste hen.

Es lässt sich zeigen, dass es sich bei x = y um einen flachen Ausgang handelt, d. h. dass jede Zustandsgröße x, v und p so wie der Systemeingang I als Funktion des Ausgangs y und des sen zeitlichen Ableitungen dargestellt werden kann. Sukzessi ve Differentiation der Ausgangsgleichung, Einsetzen der Zu standsgleichungen, und Auflösen nach den Zustandsgrößen er gibt

Für den Ölvolumenstrom Q in dem elektromagnetisch angetriebe nen Hydraulikventil gilt ein auch formelmäßig darstellbarer funktioneller Zusammenhang mit dem Spulen- oder Ventilstrom I und der Druckdifferenz Δp in dem hydraulischen Stellglied:

Q = Q_s(I, Δp) (VIII)

Hierzu wird nun eine bezüglich des Ventilstroms I inverse Funktion

definiert. Ein durch Messungen ermittel tes Beispiel für die stationäre Durchflussfunktion Q_s ist aus Fig. 4 ersichtlich.

Die inverse Funktion

ist aus Fig. 5 ersichtlich.

Die Eingangsgröße I lässt sich als Funktion der Ausgangsgrö ße y und deren zeitlichen Ableitungen darstellen

Dieses Ergebnis wird in der erwähnten älteren Anmeldung für eine nichtlineare Vorsteuerung der Kupplung mit einem Soll strom verwendet, und zu einem Vorsteuerstrom wird ein Rege lungsstrom addiert. Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen wird dagegen ein Vorsteuerungsanteil Q_VS für den Ölvolumenstrom berechnet, und dazu ein Regelungsanteil Q_R addiert. Hieraus wird dann mit Hilfe der inversen Durchflussfunktion Q -1|s der elektrische Strom I berechnet. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Ölvolumenstrom Q die physi kalisch relevante Größe darstellt, während es sich beim e lektrischen Strom I um eine Hilfsgröße zur Steuerung des Kupplungslagesystems handelt. Da zwischen dem Ölvolumenstrom und dem elektrischen Strom ein stark nichtlinearer Zusammen hang besteht

ist eine Kombination von Vorsteuerung und Regelung als Summe von Ölvolumenströmen sehr vorteilhaft.

Als Berechnungsvorschrift dient die Beziehung

erhält man folgende Beziehung

Für die Fallunterscheidung beim Berechnen von Δp nach den Gleichungen (XXVII) oder (XXX) ist die Summe Q_VS + Q_R der Öl volumenströme zu betrachten. Q_R bezeichnet den Regleraus gang, der wie erwähnt einen Ölvolumenstrom darstellt.

Zur Vereinfachung der Berechnung können ohne ins Gewicht fal lende Fehler höherer Ableitungen der Variablen y - zum Bei spiel in den Gleichungen (XXVI) und (XXX) - durch Nullsetzen vernachlässigt werden.

Ein aus Fig. 6 ersichtliches Ablaufdiagramm eines in dem Kupplungslageregler 21 (siehe Fig. 3) abgearbeiteten Pro gramms weist folgende Schritte auf. Nach dem
Start: werden in einem Schritt
S1: der Sollwert und der Istwert der Kupplungsposition er fasst. Dann werden in einem Schritt
S2: der Sollwert und der Istwert der Kupplungsposition ge filtert. Danach werden einerseits in einem Schritt
S3: der Arbeitsdruck in dem Stellzylinder und der benötigte Ölvolumenstrom durch die Vorsteuerung 35 berechnet. An dererseits werden in einem Schritt
S4: die Regelabweichung bestimmt, in einem Schritt
S5: die Reglerstellgröße Ölvolumenstrom durch die Regelung 36 berechnet, sowie in einem Schritt
S6: die Reglerstellgröße Ölvolumenstrom tiefpassgefiltert. Sowohl nach dem Schritt S3 als auch nach dem Schritt S6 werden in einem Schritt
S7: die Ölvolumenströme von Regelung und Vorsteuerung ad diert. In einem Schritt
S8: wird der Soll-Ventilstrom aus dem Arbeitsdruck und dem Ölvolumenstrom mit den invertierten Ventilkennfeld (vgl. Fig. 5) berechnet. In einem Schritt
S9: wird erforderlichenfalls bei Erreichen einer Stellgrö ßenschranke der I-Anteil der Regelung konstant gehalten.
S10: Es erfolgt eine Kompensation der Strom- und Ventildynamik. Schließlich wird in einem Schritt
S11: der Sollwert des Ventilstroms an den Stromregler ausge geben. Das Programm ist damit am Ende angelangt. Es wird zyklisch wiederholt.

Beispiele für die in dem Schritt S9 erwähnten Stellgrößen schranken sind zum Werte für den Strom I < 2A, oder I < 300 mA, und für den Ölvolumenstrom |Q_vorst + Q_regel| ≧ Q_max(Δp), wobei beispielsweise Q_max(Δp) = 25 l/min.

Das beschriebene Verfahren wurde auf einer Getriebesteue rungseinheit implementiert und zur Kupplungslageregelung des automatisierten Schaltgetriebes eines bekannten Kraftfahr zeugtyps eingesetzt. Für einen Anfahrvorgang, der besonders hohe Anforderungen an die Güte der Kupplungslageregelung stellt, sind die experimentellen Ergebnisse aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich. Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sollposition und der Istposition in künstlichen Einheiten, Fig. 8 den zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl und der Ge triebeeingangsdrehzahl in U/min. Die gemessene Istposition ist durch eine hochfrequente Schwingung gestört. Dennoch ist die hohe Regelgüte, das heißt die gute Übereinstimmung von Soll- und Istposition, deutlich zu erkennen. Aufgrund des ge ringen Positionsregelfehlers erfolgt eine harmonische Anpassung von Motordrehzahl und Getriebeeingangsdrehzahl, so dass der Anfahrvorgang von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs als kom fortabel wahrgenommen wird.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer automatischen Kraftfahrzeug kupplung (3) mit einem elektrohydraulischen Kupplungslagesy stem (26) zum Betätigen der Kupplung, mit dessen elektrischem Spulenstrom ein hydraulischer Volumenstrom gesteuert wird, der in dem Kupplungslagesystem einen Druck aufbaut und damit die Position der Kupplung festlegt, indem aus einer Sollposi tion und einer Istposition in einem Kupplungslageregler eine Regelabweichung ermittelt und daraus ein Ausgangssignal (I_soll) berechnet wird, mit dem die Kupplungsposition ge steuert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Sollposition und der Istposition ein erster Ölvolumenstrom berechnet und als Ausgangssignal des Reg lers ausgegeben wird,
dass aus der Sollposition von einer Vorsteuerung ein zwei ter Ölvolumenstrom berechnet und als Ausgangssignal der Vorsteuerung ausgegeben wird,
dass die Ausgangssignale der Vorsteuerung und des Reglers addiert werden, und
dass aus der Summe der Ölvolumenströme der zu regelnde Spulenstrom zur Kupplungsbetätigung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu regelnde Spulenstrom aus der Summe der Ölvolumenströme und dem Differenzdruck an einem Hydraulikventil ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Sollposition und der Istposition der Kupplung gefiltert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Regelabweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Kupplungsposition berechnete Stellgröße für den Ölvolumenstrom einer Tiefpassfilterung unterworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition für den Kupplungslageregler anhand eines Drehmomentmodells berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralanteil der Regelung bei Erreichen einer Stellgrö ßenschranke limitiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der elektrischen Bestromung des Hydraulikventils des Kupplungslagesystems in einem unterlagerten Regelkreis geregelt wird.