DE102007026447A1

DE102007026447A1 - Verfahren zur Ermittlung der in einem elektromechanisch unterstützten Servohydrauliksystem wirkenden Kraft

Info

Publication number: DE102007026447A1
Application number: DE200710026447
Authority: DE
Inventors: Willi Nagel; Roland Pitteroff; Robert Kornhaas; Jochen Mayer; Gerd Baur
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008148616A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der in einem elektromechanisch unterstützten Hydrauliksystem wirkenden Kraft wird die Bewegung eines Aktuators sensiert, aus der Aktuatorbewegung mittels der Übersetzungskennlinie eines Getriebes die Stellbewegung eines Hydraulikstellelementes berechnet und aus der Hydraulikstellbewegung die im Servohydrauliksystem wirkende Kraft berechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der in einem elektromechanisch unterstützten Servohydrauliksystem wirkenden Kraft.
Stand der Technik
In der DE 100 57 557 A1 wird ein elektromechanischer Bremskraftverstärker beschrieben, der einen hydraulischen Bremsdruckgeber und einen Elektromotor umfasst, wobei der Elektromotor eine gewünschte elektromechanische Verstärkungskraft als Funktion der Bremspedalbetätigung erzeugt, welche über einen Wegsensor und einen Kraftsensor gemessen wird. Dadurch ist es möglich, die am Bremspedal aufgebrachte Fußkraft elektromechanisch zu verstärken. Der Elektromotor ist als Linearschrittmotor ausgeführt, dessen Anker mit einer Druckstange gekoppelt ist, welche vom Fahrer bei der Betätigung des Bremspedals verschoben wird, wobei bei einer Bestromung des Linearschrittmotors der Anker eine translatorische Stellbewegung ausführt, die als unterstützende Bewegung in den hydraulischen Bremsdruckgeber eingespeist wird. Die Kopplung zwischen der vom Fahrer zu betätigenden Kolbenstange und dem Anker des Linearschrittmotors ist als einfache mechanische Verbindung ausgeführt.
Wesentlich für das Funktionieren des elektromechanischen Bremskraftverstärkers sind die Signale der Weg- und Kraftsensoren, mit denen der zurückgelegte Weg der Kolbenstange bzw. die vom Fahrer ausgeübte Kraft gemessen wird. Die Sensoren werden in einer Steuerelektronik ausgewertet, in der Signale erzeugt werden, über die die Bestromung des Linearschrittmotors gesteuert wird.
Üblicherweise sind aus Sicherheitsgründen zwei Sensoren vorgesehen. Hierbei können anstelle eines Kraftsensors und eines Wegsensors auch zwei Kraftsensoren eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen und ohne Sicherheitseinbußen die Information über die in einem elektromechanisch unterstützte Servohydrauliksystem wirkende Kraft bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung in einem elektromechanisch unterstützten Servohydrauliksystem, das ein Hydraulikstellelement zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung, beispielsweise einen Hydraulikzylinder, einen elektrisch betätigbaren Aktuator zur Unterstützung der Arbeits- bzw. Stellbewegung und ein Getriebe zur Kopplung der Stellbewegung des Aktuators mit der Stellbewegung des Hydraulikstellelements umfasst. Des Weiteren ist ein Lagesensor vorgesehen, über den die Bewegung des Aktuators gemessen wird.
Zur Durchführung des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt die Bewegung des Aktuators sensiert, anschließend wird der Stellweg des Hydraulikstellelements aus der Übersetzungskennlinie des Getriebes als Funktion der gemessenen Aktuatorbewegung ermittelt und schließlich wird die im Hydrauliksystem wirkende Kraft aus der Kraft-Weg-Kennlinie des Hydraulikstellelements in Abhängigkeit des ermittelten Stellwegs festgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, Kenntnis von der im Servohydrauliksystem wirkenden Kraft allein durch die Messung der Aktuatorbewegung zu erlangen. Hierfür ist grundsätzlich nur ein Lagesensor zur Messung der Aktuatorstellbewegung des elektrisch betätigten Aktuators erforderlich, Kraftsensoren werden dagegen nicht zwingend vorausgesetzt. Dadurch können elektromechanische betätigte, hydraulische Servosysteme, welche normalerweise aus Sicherheitsgründen redundant mit zwei Kraftsensoren ausgestattet sind, erfindungsgemäß ohne Sicherheitseinbußen entweder ohne Kraftsensor oder nur mit einem Kraftsensor ausgerüstet werden. Man erzielt hierdurch zum einen eine Kosteneinsparung, zum andern besteht die Möglichkeit, ausschließlich ortsfeste Sensoren einsetzen zu können.
Bei der im Servohydrauliksystem wirkenden Kraft, die aus der Messung der elektrischen Aktuatorbewegung ermittelt wird, handelt es sich insbesondere um die Gesamtkraft im System, die sich additiv aus der Servokraft des Hydraulikstellelements und einer von außen aufgebrachten Betätigungskraft zusammensetzt, bei der es sich vorzugsweise um die Betätigungskraft einer Bedienperson handelt. Bei einem bevorzugten Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Servohydraulik-Bremssystem eines Fahrzeugs ist die Betätigungskraft identisch mit der vom Fahrer erzeugten und über das Bremspedal aufgebrachten Fahrerbremskraft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird zusätzlich die Stromaufnahme des elektrisch betätigbaren Aktuators gemessen, woraufhin aus der Motorkennlinie des elektrischen Aktuators das Motormoment als Funktion des gemessenen Stromes ermittelt wird und anschließend in Kenntnis dieses Motormomentes die im Servohydrauliksystem wirkende Kraft aus der Moment-Kraft-Kennlinie des Getriebes bestimmt wird. Bei dieser Kraft handelt es sich insbesondere um die Servokraft des Hydraulikstellelements, so dass in Zusammenschau mit der ermittelten Gesamtkraft, welche aus der Aktuatorbewegung abgeleitet wird, die von dem Fahrer bzw. der Bedienperson aufgebrachte Betätigungskraft als Differenz von Gesamtkraft und Servokraft ermittelt werden kann. Damit liegen alle Informationen im Servohydrauliksystem vor, die für eine Steuerung bzw. Regelung der elektromechanischen Komponente und/oder der hydraulischen Komponente oder auch sonstiger Komponenten in einem Fahrzeug erforderlich sind.
Als elektrisch betätigbarer Aktuator wird beispielsweise ein Elektromotor verwendet, der einen rotierenden Anker in einem Stator aufweist, wobei die Ankerdrehbewegung über das Getriebe mit dem Hydraulikstellelement gekoppelt ist. Über den Lagesensor wird in diesem Fall die Winkellage des Ankers ermittelt, die als Aktuatorbewegung in die Berechnung der im System wirkenden Gesamtkraft einfließt. Alternativ zu einem Elektromotor mit rotierendem Anker kann auch ein Linearschrittmotor eingesetzt werden, dessen Anker eine lineare bzw. translatorische Stellbewegung ausübt. Grundsätzlich sind allgemein elektromagnetische Aktuatoren einsetzbar, die elektrisch betätigbar sind und einen verstellbaren Anker aufweisen, dessen Stellbewegung von der Stromaufnahme abhängig ist. Die Kopplung mit dem Hydraulikstellelement erfolgt in jedem Fall über das Getriebe, das die Aktuatorbewegung in die Stellbewegung des Hydraulikstellelements umsetzt.
Für den Fall, dass ein Elektromotor als elektrisch betätigbarer Aktuator eingesetzt wird, kann dieser beispielhaft als elektronisch kommutierter Motor ausgebildet sein, der mit einem Lagesensor ausgestattet ist, welcher insbesondere in den Elektromotor integriert ist. Es handelt sich hierbei um einen bürstenlosen Motor, der meistens mit einem derartigen Sensor ausgestattet ist, welcher vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.
Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, insbesondere zur Verbesserung der Güte im Hinblick auf die Ermittlung der im Servohydrauliksystem wirkenden Kraft, auch die Temperatur des Hydrauliksystems zu berücksichtigen und insbesondere in mindestens eine der Kennlinien einfließen zu lassen, vorzugsweise in die Kennlinie des Hydraulikstellelements. Die Temperatur kann hierbei entweder im laufenden Betrieb ermittelt werden, was den Vorteil hat, dass eine laufende Anpassung der Kennlinie an die aktuell herrschende Temperatur möglich ist. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, die Temperatur lediglich einmal vorab, also vor dem Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu ermitteln und der Auswahl mindestens einer Kennlinie zugrunde zu legen. Des Weiteren kann die Temperatur durch einen Algorithmus auch geschätzt und der Auswahl mindestens einer Kennlinie zugrunde gelegt werden. Zusätzlich oder alternativ zu den Kennlinien des Hydraulikstellelements können auch die weiteren Kennlinien des Getriebes oder des elektrisch betätigbaren Aktuators temperaturabhängig ausgestaltet sein. Die Temperaturabhängigkeit wird beispielhaft dadurch realisiert, dass verschiedene Kennlinien abgespeichert sind, die jeweils unterschiedlichen Temperaturbereichen zugeordnet sind. Möglich ist aber eine funktionale Temperaturabhängigkeit.
Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Regel- bzw. Steuergerät vorgesehen, welches in bzw. für ein Servohydrauliksystem mit einem Hydraulikstellelement, einem elektrisch betätigbaren Aktuator und einem Getriebe zwischen Aktuator und Hydraulikstellelement ausgestattet ist. In dem Regel- bzw. Steuergerät sind zweckmäßigerweise zum einen die Kennlinien der verschiedenen Komponenten abgespeichert, zum andern werden in dem Regel- bzw. Steuergerät Stellsignale in Abhängigkeit gemessener Eingangsgrößen für die verschiedenen, aktiv einstellbaren Komponenten im System erzeugt.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Blockschaltbild mit einem Servohydrauliksystem dargestellt ist, das insbesondere in Bremssystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.
Das in der Figur dargestellte Servohydrauliksystem 1 umfasst verschiedene Blöcke bzw. Baueinheiten, die mit einander verbunden sind und Wechselwirken. Im Folgenden wird das Servohydrauliksystem 1 als Bremssystem beschrieben, auch wenn grundsätzlich alternative Anwendungen des Servohydrauliksystems in Betracht kommen.
In einem Block 2 ist eine Schnittstelle zwischen dem Servohydrauliksystem 1 und einer Bedienperson, insbesondere einem Fahrer symbolisiert, es handelt sich bei dem Block 2 um ein so genannten Human-Machine-Interface HMI. In dem Interface 2 übt der Fahrer auf das Bremspedal eine Betätigungskraft F_B aus, außerdem wird eine Druck- bzw. Kolbenstange, die mit dem Bremspedal zusammenhängt, um den Stellweg s verstellt. Diese Eingangsgrößen gehen in den nächsten Block 3 ein, der das als Hydraulikzylinder ausgebildete Hydraulikstellelement enthält. In Abhängigkeit der Höhe der Betätigungskraft F_B und des Stellwegs s werden im Hydraulikzylinder 3 ein Hydraulikdruck p bzw. ein Hydraulikvolumenstrom V erzeugt, die auf die Bremseinheit einwirken.
Als Bremskraftunterstützung ist ein elektrisch betätigbarer Aktuator vorgesehen, der als Elektromotor 5 ausgebildet ist und dessen Rotor über ein Getriebe 7 mit dem Hydraulikzylinder 3 gekoppelt ist. Bei Betätigung des Elektromotors 5 wird eine unterstützende Servokraft F_Servo erzeugt, die als Eingangsgröße dem Hydraulikzylinder 3 zugeführt wird, in dem sich die Servokraft F_Servo additiv mit der vom Fahrer über das Bremspedal aufgebrachten Betätigungskraft F_B zu einer Gesamtkraft F_G zusammensetzt. Im Elektromotor 5 übt der Rotor bzw. Anker eine Drehbewegung mit dem Drehwinkel α aus, mit der Drehbewegung geht ein Motormoment M einher, wobei die Drehbewegung mit dem Drehwinkel α über das Getriebe 7 in eine axiale Stellbewegung mit dem Stellweg s übertragen wird, die auf den Hydraulikzylinder 3 unterstützend wirkt.
Als Sensoren sind dem Elektromotor 5 ein Stromsensor 4 zur Messung der Stromaufnahme I sowie ein Motorlagesensor 6 zur Messung der aktuellen Drehwinkellage α zugeordnet. Des Weiteren ist ein symbolisch eingetragenes Regel- bzw. Steuergerät 8 vorgesehen, welches mit den verschiedenen Komponenten des Servohydrauliksystems kommuniziert und in dem aus den Sensorsignalen der Sensoren 4 und 6 sowie in Abhängigkeit von hinterlegten Kennlinien Stellsignale erzeugt werden, die zur Einstellung der verschiedenen, aktiv beaufschlagbaren Komponenten im System dienen.
In dem Regel- bzw. Steuergerät 8 kann unter anderem die Betätigungskraft F_B ermittelt werden, ohne dass hierfür ein Kraftsensor im Servohydrauliksystem erforderlich ist. Hierzu werden in einem ersten Schritt zunächst über die Sensoren 4 und 6 der aufgenommene Strom I des Elektromotors 5 sowie die daraus resultierende Änderung der Drehwinkellage α des Rotors des Elektromotors gemessen. Die sensierten Daten werden dem Regel- bzw. Steuergerät 8 zugeführt und dort mithilfe hinterlegter Kennlinien verarbeitet. Es sind insgesamt mehrere Kennlinien 9, 10, 11 vorgesehen, die dem Elektromotor 5, dem Getriebe 7 und dem Hydraulikzylinder 3 zugeordnet sind.
Der im Stromsensor 4 gemessene Strom I des Elektromotors 5 wird der Motorkennlinie 9 im Regel- bzw. Steuergerät 8 zugeführt, wobei aus der Motorkennlinie 9 das Motormoment M ermittelt wird. Die im Motorlagesensor 6 sensierte Drehwinkellage α wird der Übertragungskennlinie 10 des Getriebes 7 zugeführt, in der die Stellbewegung s, welche am Ausgang des Getriebes 7 anliegt und die die lineare Umsetzung der Rotorbewegung des Elektromotors darstellt, in Abhängigkeit von der Rotorbewegung α, also der Aktuatorbewegung ermittelt wird. Neben dieser Getriebekennlinie enthält der Block 10 noch eine zweite, dem Getriebe 7 zugeordnete Kennlinie, bei der es sich um die Moment-Kraft- Kennlinie des Getriebes handelt. Die Moment-Kraft-Kennlinie bezeichnet den Zusammenhang zwischen dem Motormoment M und der Unterstützungskraft F_Servo; da das Motormoment M bereits aus der Motorkennlinie 9 ermittelt worden ist, kann aus der Moment-Kraft-Kennlinie die Servokraft F_Servo bestimmt werden.
Der Stellweg s fließt anschließend in die Kraft-Weg-Kennlinie des Hydraulikzylinders 3 ein, das den Zusammenhang zwischen der Gesamtkraft F_G im Hydrauliksystem und dem Stellweg s bezeichnet. Da der Stellweg s vorab ermittelt worden ist, liegt nunmehr auch die Gesamtkraft F_G fest. Damit ist es auch möglich, aus der Differenz von Gesamtkraft F_G und unterstützender Servokraft F_Servo die Betätigungskraft F_B rechnerisch zu ermitteln, mit der der Fahrer das Bremspedal beaufschlagt.
Die Kennlinie 11 des Hydraulikzylinders 3 kann temperaturabhängig eingestellt werden. Je nach Temperatur im Servohydrauliksystem werden verschiedene Kennlinienverläufe für den Hydraulikzylinder ausgewählt bzw. bestimmt. Die Temperatur kann entweder vorab, also vor Beginn des Verfahrens bestimmt werden oder, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung, im laufenden Betrieb, wobei in diesem Fall zweckmäßig eine fortlaufende Aktualisierung stattfindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10057557 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der in einem elektromechanisch unterstützten Servohydrauliksystem wirkenden Kraft (F_G), wobei das Servohydrauliksystem (1) ein Hydraulikstellelement (3) zur Erzeugung einer Stellbewegung (s), einen elektrisch betätigbaren Aktuator (5) zur Unterstützung der Stellbewegung (s) und ein Getriebe (7) zur Kopplung der Bewegung (α) des Aktuators (5) mit der Stellbewegung (s) des Hydraulikstellelements (3) sowie einen Lagesensor (6) zur Sensierung der Aktuatorbewegung (α) aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten: – Sensierung der Aktuatorbewegung (α), – Ermittlung der Stellbewegung (s) aus der Übersetzungskennlinie (10) des Getriebes (7) als Funktion der Aktuatorbewegung (α), – Ermittlung der im Servohydrauliksystem (1) wirkenden Kraft (F_G) aus der Kraft-Weg-Kennlinie (11) des Hydraulikstellelements (3) als Funktion der Stellbewegung (s).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Servohydrauliksystem (1) wirkende Kraft die Gesamtkraft (F_G) ist, die sich additiv aus der Servokraft (F_Servo) und einer in das Servohydrauliksystem von außen aufgebrachten Betätigungskraft (F_B) zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – über einen Stromsensor (4) die Stromaufnahme (I) des elektrisch betätigbaren Aktuators (5) gemessen wird, – das Motormoment (M) aus der Motorkennlinie (9) des Aktuators (5) als Funktion des gemessenen Stroms (I) ermittelt wird, – aus dem Motormoment (M) die im Servohydrauliksystem (1) wirkende Kraft (F_Servo) aus der Moment-Kraft-Kennlinie (10) des Getriebes (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Servohydrauliksystem (1) wirkende Kraft die Servokraft (F_Servo) des Aktuators (5) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch betätigbarer Aktuator ein Elektromotor (5) verwendet wird, wobei über den Lagesensor (6) die Winkellage (α) des Ankers des Elektromotors (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (5) ein elektronisch kommutierter Motor verwendet wird, der mit einem Lagesensor (6) ausgestattet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Servohydrauliksystems (1) ermittelt und mindestens eine Kennlinie (11) als Funktion der Temperatur eingestellt bzw. ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (11) des Hydraulikstellelements (3) temperaturabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im laufenden Betrieb ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur vorab ermittelt wird.
Servohydrauliksystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Regel- bzw. Steuergerät für ein Servohydrauliksystem nach Anspruch 11, wobei in dem Regel- bzw. Steuergerät (8) die Übersetzungskennlinie (10) des Getriebes und die Kraft-Weg-Kennlinie (11) des Hydraulikstellelements (3) abgelegt ist.
Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Regel- bzw. Steuergerät (8) die Motorkennlinie (9) des elektrisch betätigbaren Aktuators (3) und die Moment-Kraft-Kennlinie (10) des Getriebes (7) abgelegt ist.