Gemäß Fig. 1 weist ein Fahrzeug 1 eine Antriebseinheit 2, wie einen Motor
oder eine Brennkraftmaschine auf. Weiterhin sind im Antriebsstrang des
Fahrzeuges 1 ein Drehmomentübertragungssystem 3 und ein Getriebe 4
angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das
Drehmomentübertragungssystem 3 im Kraftfluss zwischen Motor und Getriebe
angeordnet, wobei ein Antriebsmoment des Motors über das
Drehmomentübertragungssystem 3 an das Getriebe 4 und von dem Getriebe 4
abtriebsseitig an eine Abtriebswelle 5 und an eine nachgeordnete Achse 6
sowie an die Räder 6a übertragen wird.
Das Drehmomentübertragungssystem 3 ist als Kupplung, wie z. B. als
Reibungskupplung, Lamellenkupplung, Magnetpulverkupplung oder
Wandlerüberbrückungskupplung, ausgestaltet, wobei die Kupplung eine
selbsteinstellende oder eine verschleißausgleichende Kupplung sein kann. Das
Getriebe 4 ist ein umschaltbares Schaltgetriebe (USG). Entsprechend des
erfindungsgemäßen Gedankens kann das Getriebe auch ein automatisiertes
Schaltgetriebe (ASG) sein, welches mittels zumindest eines Aktors
automatisiert geschaltet werden kann. Als automatisiertes Schaltgetriebe ist im
weiteren ein automatisiertes Getriebe zu verstehen, welches mit einer
Zugkraftunterbrechung geschaltet und der Schaltvorgang der
Getriebeübersetzung mittels zumindest eines Aktors angesteuert durchgeführt
wird.
Weiterhin kann als USG auch ein Automatgetriebe Verwendung finden, wobei
ein Automatgetriebe ein Getriebe im wesentlichen ohne Zugkraftunterbrechung
bei den Schaltvorgängen ist und das in der Regel durch Planetengetriebestufen
aufgebaut ist.
Weiterhin kann ein stufenlos einstellbares Getriebe, wie beispielsweise
Kegelscheibenumschlingungsgetriebe eingesetzt werden. Das Automatgetriebe
kann auch mit einem abtriebsseitig angeordneten
Drehmomentübertragungssystem 3, wie eine Kupplung oder eine
Reibungskupplung, ausgestaltet sein. Das Drehmomentübertragungssystem 3
kann weiterhin als Anfahrkupplung und/oder Wendesatzkupplung zur
Drehrichtungsumkehr und/oder Sicherheitskupplung mit einem gezielt
ansteuerbaren übertragbaren Drehmoment ausgestaltet sein. Das
Drehmomentübertragungssystem 3 kann eine Trockenreibungskupplung oder
eine nass laufende Reibungskupplung sein, die beispielsweise in einem Fluid
läuft. Ebenso kann sie ein Drehmomentwandler sein.
Das Drehmomentübertragungssystem 3 weist eine Antriebsseite 7 und eine
Abtriebsseite 8 auf, wobei ein Drehmoment von der Antriebsseite 7 auf die
Abtriebsseite 8 übertragen wird, indem z. B. die Kupplungsscheibe 3a mittels
der Druckplatte 3b, der Tellerfeder 3c und dem Ausrücklager 3e sowie dem
Schwungrad 3d kraftbeaufschlagt wird. Zu dieser Beaufschlagung wird der
Ausrückhebel 20 mittels einer Betätigungseinrichtung, z. B. einem Aktor,
betätigt.
Die Ansteuerung des Drehmomentübertragungssystems 3 erfolgt mittels einer
Steuereinheit 13, wie Steuergerät, welches die Steuerelektronik 13a und den
Aktor 13b umfassen kann. In einer anderen vorteilhaften Ausführung können
der Aktor 13b und die Steuerelektronik 13a auch in zwei unterschiedlichen
Baueinheiten, wie Gehäusen, angeordnet sein.
Die Steuereinheit 13 kann die Steuer- und Leistungselektronik zur Ansteuerung
des Antriebsmotors 12 des Aktors 13b enthalten. Dadurch kann beispielsweise
vorteilhaft erreicht werden, dass das System als einzigen Bauraum den
Bauraum für den Aktor 13b mit Elektronik benötigt. Der Aktor 13b besteht aus
dem Antriebsmotor 12, wie z. B. einem Elektromotor, wobei der Elektromotor 12
über ein Getriebe, wie z. B. ein Schneckengetriebe oder ein Stirnradgetriebe
oder ein Kurbelgetriebe oder ein Gewindespindelgetriebe, auf einen
Geberzylinder 11 wirkt. Diese Wirkung auf den Geberzylinder 11 kann direkt
oder über ein Gestänge erfolgen.
Die Bewegung des Ausgangsteiles des Aktors 13b, wie z. B. des
Geberzylinderkolbens 11a, wird mit einem Kupplungswegsensor 14 detektiert,
welcher die Position oder Stellung oder die Geschwindigkeit oder die
Beschleunigung einer Größe detektiert, welche proportional zur Position bzw.
Einrückposition respektive der Geschwindigkeit oder Beschleunigung der
Kupplung ist. Der Geberzylinder 11 ist über eine Druckmittelleitung 9, wie z. B.
Hydraulikleitung, mit dem Nehmerzylinder 10 verbunden. Das
Ausgangselement 10a des Nehmerzylinders ist mit dem Ausrückmittel 20 z. B.
einem Ausrückhebel wirkverbunden, so dass eine Bewegung des
Ausgangsteiles 10a des Nehmerzylinders 10 bewirkt, dass das Ausrückmittel
20 ebenfalls bewegt oder verkippt wird, um das von der Kupplung 3
übertragbare Drehmoment anzusteuern.
Der Aktor 13b zur Ansteuerung des übertragbaren Drehmoments des
Drehmomentübertragungssystems 3 kann druckmittelbetätigbar sein, d. h., er
kann einen Druckmittelgeber- und Nehmerzylinder aufweisen. Das Druckmittel
kann beispielsweise ein Hydraulikfluid oder ein Pneumatikmedium sein. Die
Betätigung des Druckmittelgeberzylinders kann elektromotorisch erfolgen,
wobei der als Antriebselement 12 vorgesehene Elektromotor 12 elektronisch
angesteuert erden kann. Das Antriebselement 12 des Aktors 13b kann neben
einem elektromotorischen Antriebselement auch ein anderes, beispielsweise
druckmittelbetätigtes Antriebselement sein. Weiterhin können Magnetaktoren
verwendet werden, um eine Position eines Elementes einzustellen.
Bei einer Reibungskupplung erfolgt die Ansteuerung des übertragbaren
Drehmomentes dadurch, dass die Anpressung der Reibbeläge der
Kupplungsscheibe zwischen dem Schwungrad 3d und der Druckplatte 3b
gezielt erfolgt. Über die Stellung des Ausrückmittels 20, wie z. B. einer
Ausrückgabel oder eines Zentralausrückers kann die Kraftbeaufschlagung der
Druckplatte 3b respektive der Reibbeläge gezielt angesteuert werden, wobei die
Druckplatte 3b dabei zwischen zwei Endpositionen bewegt und beliebig
eingestellt und fixiert werden kann. Die eine Endposition entspricht einer völlig
eingerückten Kupplungsposition und die andere Endposition einer völlig
ausgerückten Kupplungsposition. Zur Ansteuerung eines übertragbaren
Drehmomentes, welches beispielsweise geringer ist als das momentan
anliegende Motormoment, kann beispielsweise eine Position der Druckplatte 3b
angesteuert werden, die in einem Zwischenbereich zwischen den beiden
Endpositionen liegt. Die Kupplung kann mittels der gezielten Ansteuerung des
Ausrückmittels 20 in dieser Position fixiert werden. Es können aber auch
übertragbare Kupplungsmomente angesteuert erden, die definiert über den
momentan anstehenden Motormomenten liegen. In einem solchen Fall können
die aktuell anstehenden Motormomente übertragen werden, wobei die
Drehmoment-Ungleichförmigkeiten im Antriebsstrang in Form von
beispielsweise Drehmomentspitzen gedämpft und/oder isoliert werden.
Zur Ansteuerung des Drehmomentübertragungssystems 3 werden weiterhin
Sensoren verwendet, die zumindest zeitweise die relevanten Größen des
gesamten Systems überwachen und die zur Steuerung notwendigen
Zustandsgrößen, Signale und Messwerte liefern, die von der Steuereinheit
verarbeitet werden, wobei eine Signalverbindung zu anderen
Elektronikeinheiten, wie beispielsweise zu einer Motorelektronik oder einer
Elektronik eines Antiblockiersystems (ABS) oder einer Antischlupfregelung
(ASR) vorgesehen sein kann und bestehen kann. Die Sensoren detektieren
beispielsweise Drehzahlen, wie Raddrehzahlen, Motordrehzahlen, die Position
des Lasthebels, die Drosselklappenstellung, die Gangposition des Getriebes,
eine Schaltabsicht und weitere fahrzeugspezifische Kenngrößen.
Die Fig. 1 zeigt, dass ein Drosselklappensensor 15, ein Motordrehzahlsensor
16, sowie ein Tachosensor 17 Verwendung finden können und Messwerte bzw.
Informationen an das Steuergerät 13 weiterleiten. Die Elektronikeinheit, wie z. B.
Computereinheit, der Steuerelektronik 13a verarbeitet die
Systemeingangsgrößen und gibt Steuersignale an den Aktor 13b weiter.
Das Getriebe ist als Stufenwechselgetriebe ausgestaltet, wobei die
Übersetzungsstufen mittels eines Schalthebels 18 gewechselt werden oder das
Getriebe mittels dieses Schalthebels 18 betätigt oder bedient wird. Weiterhin ist
an dem Schalthebel 18 des Handschaltgetriebes zumindest ein Sensor 19b
angeordnet, welcher die Schaltabsicht und/oder die Gangposition detektiert und
an das Steuergerät 13 weiterleitet. Der Sensor 19a ist am Getriebe angelenkt
und detektiert die aktuelle Gangposition und/oder eine Schaltabsicht. Die
Schaltabsichtserkennung unter Verwendung von zumindest einem der beiden
Sensoren 19a, 19b kann dadurch erfolgen, dass der Sensor ein Kraftsensor ist,
welcher die auf den Schalthebel 18 wirkende Kraft detektiert. Weiterhin kann
der Sensor aber auch als Weg- oder Positionssensor ausgestaltet sein, wobei
die Steuereinheit aus der zeitlichen Veränderung des Positionssignals eine
Schaltabsicht erkennt.
Das Steuergerät 13 steht mit allen Sensoren zumindest zeitweise in
Signalverbindung und bewertet die Sensorsignale und Systemeingangsgrößen
in der Art und Weise, dass in Abhängigkeit von dem aktuellen Betriebspunkt die
Steuereinheit Steuer- oder Regelungsbefehle an den zumindest einen Aktor
13b ausgibt. Der Antriebsmotor 12 des Aktors 13b, z. B. ein Elektromotor, erhält
von der Steuereinheit, welche die Kupplungsbetätigung ansteuert, eine
Stellgröße in Abhängigkeit von Messwerten und/oder Systemeingangsgrößen
und/oder Signalen der angeschlossenen Sensorik. Hierzu ist in dem
Steuergerät 13 ein Steuerprogramm als Hard- und/oder als Software
implementiert, das die eingehenden Signale bewertet und anhand von
Vergleichen und/oder Funktionen und/oder Kennfeldern die Ausgangsgrößen
berechnet oder bestimmt.
Das Steuergerät 13 hat in vorteilhafter Weise eine
Drehmomentbestimmungseinheit, eine Gangpositionsbestimmungseinheit, eine
Schlupfbestimmungseinheit und/oder eine
Betriebszustandsbestimmungseinheit implementiert oder es steht mit zumindest
einer dieser Einheiten in Signalverbindung. Diese Einheiten können durch
Steuerprogramme als Hardware und/oder als Software implementiert sein, so
dass mittels der eingehenden Sensorsignale das Drehmoment der
Antriebseinheit 2 des Fahrzeuges 1, die Gangposition des Getriebes 4 sowie
der Schlupf, welcher im Bereich des Drehmomentübertragungssystems 3
herrscht und der aktuelle Betriebszustand des Fahrzeuges 1 bestimmt werden
können. Die Gangpositionsbestimmungseinheit ermittelt anhand der Signale der
Sensoren 19a und 19b den aktuell eingelegten Gang. Dabei sind die Sensoren
19a, 19b am Schalthebel und/oder an getriebeinternen Stellmitteln, wie
beispielsweise einer zentralen Schaltwelle oder Schaltstange, angelenkt und
diese detektieren, beispielsweise die Lage und/oder die Geschwindigkeit dieser
Bauteile. Weiterhin kann ein Lasthebelsensor 31 am Lasthebel 30, wie z. B. an
einem Gaspedal, angeordnet sein, welcher die Lasthebelposition detektiert. Ein
weiterer Sensor 32 kann als Leerlaufschalter fungieren, d. h. bei betätigtem
Lasthebel 30 bzw. Gaspedal ist dieser Leerlaufschalter 32 eingeschaltet und bei
nicht betätigtem Lasthebel 30 ist er ausgeschaltet, so dass durch diese digitale
Information erkannt werden kann, ob der Lasthebel 30 betätigt wird. Der
Lasthebelsensor 31 detektiert den Grad der Betätigung des Lasthebels 30.
Die Fig. 1 zeigt neben dem Lasthebel 30 und den damit in Verbindung
stehenden Sensoren ein Bremsenbetätigungselement 40 zur Betätigung der
Betriebsbremse oder der Feststellbremse, wie z. B. Bremspedal, einen
Handbremshebel oder ein hand- oder fußbetätigtes Betätigungselement der
Feststellbremse. Zumindest ein Sensor 41 ist an dem Betätigungselement 40
angeordnet und überwacht dessen Betätigung. Der Sensor 41 ist
beispielsweise als digitaler Sensor, wie z. B. als Schalter, ausgestaltet, wobei
dieser detektiert, dass das Betätigungselement 40 betätigt oder nicht betätigt
ist. Mit dem Sensor 41 kann eine Signaleinrichtung, wie z. B. eine Bremsleuchte,
in Signalverbindung stehen, welche signalisiert, dass die Bremse betätigt ist.
Dies kann sowohl für die Betriebsbremse als auch für die Feststellbremse
erfolgen. Der Sensor 41 kann jedoch auch als analoger Sensor ausgestaltet
sein, wobei ein solcher Sensor, wie beispielsweise ein Potentiometer, den Grad
der Betätigung des Bremsbetätigungselement 41 ermittelt. Auch dieser Sensor
kann mit einer Signaleinrichtung in Signalverbindung stehen.
Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Messeinrichtung zur
Drehwinkelmessung in Schwingungstilgern mittels einer HALL-Sensorik
erläutert.
Insbesondere soll dabei eine Möglichkeit geschaffen werden, den
Verdrehwinkel eines Tilgers unter Betriebsbedingungen messen zu können. Die
besondere Problematik besteht dabei in dem sehr beschränkten Bauraum, dem
großen zu erfassenden Weg (Winkel) und den hohen Umgebungstemperaturen.
Erfindungsgemäß werden zwei analoge HALL-Sensor IC's zur
Messbereichserweiterung verwendet, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist.
Dabei wertet ein Signalverstärker die Differenz beider Sensorsignale aus.
Daraus resultiert der große mechanische Messbereich.
Die Erfindung lässt sich insbesondere im Bereich Messtechnik beim Aufbau von
Versuchsmustern (aktueller Stand) und in Serie beim Einbau in
Schwingungstilgern (ZMS, KW-Tilger..) anwenden. Die gemessenen
Sensorsignale können zur Motorsteuerung übertragen werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Hall-Sensorik im
Preis/Leistungsverhältnis praktisch unschlagbar ist.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Nutzung der zur Kommutierung einer
permanent erregten Synchronmaschine notwendigen (Hall-) Sensoren als
Istwertgeber eines Positionsregelkreises, z. B. einer Kraftfahrzeugkupplung, mit
Hilfe einer rechnerischen, modellgestützten Auflösungsvervielfachung näher
erläutert.
Für kleine Stellantriebe mit sehr hoher Leistungsdichte bieten sich
permanenterregte Synchronmotoren an (siehe auch integrierte Kupplungsaktorik).
Aus Bauraumgründen wird elektrisch kommutiert. Diese Phasenweiterschaltung
muss exakt zur aktuellen Rotorposition passen, weshalb für jede Phase ein
Sensor benutzt wird. In der Regel sind das Hall-Sensoren, die direkt von den
Permanentmagneten erregt werden.
Obwohl die Position für die Kommutierung dabei exakt bestimmt werden kann, ist
die Auflösung über den gesamten Umfang begrenzt. Diese Auflösung bestimmt
jedoch die erreichbare Regelgenauigkeit einer Positionsregelung.
Im folgenden wird hierfür ein Beispiel gegeben:
Eine Maschine mit 10 Polpaaren erzeugt an einem Sensor pro Umdrehung 10
Sinusschwingungen. Daraus kann durch eine entsprechende Schaltung ein
Rechtecksignal erzeugt werden. Nutzt man die steigende und die fallende Flanke,
ergibt sich eine Winkelauflösung von 18° pro Sensor, mit 3 Sensoren also 6°. Mit
einem nachgeschalteten Getriebe der Übersetzung 1 mm/360° ergibt das 0.016 mm.
Heutige geregelte Kupplungssysteme haben eine Regelgenauigkeit von 0.05 mm.
Dieser Weg bedeutet, je nach partieller Steigung der Kupplungskennlinie bis zu
5 Nm (siehe Fig. 3).
Untersuchungen zeigen, dass Drehmomentsprünge in dieser Größe in
bestimmten Fahrsituationen störend wirken. Eine Regelgenauigkeit von 0.025 mm
ist deshalb wünschenswert.
Da das rückgeführte Istpositionssignal ca. 10-fach genauer sein sollte als die
gewünschte Regelgenauigkeit wird ersichtlich, dass die oben hergeleitete
Auflösung von 0.016 mm nicht ausreicht. Sie sollte für das vorliegende Beispiel
der Regelung der Kupplungsposition vielmehr 0.0025 mm betragen. Das
entspricht dem 6.4-fachen.
Eine zu den 3 Kommutierungssensoren alternative oder zusätzliche Sensorik
bedeutet eine Erhöhung der Systemkosten, die vor allem bei hohen Stückzahlen
schmerzlich durchschlägt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine
Messeinrichtung zu schaffen, mit der eine höhere Auflösung relativ kostengünstig
erzielbar ist.
Dabei besteht die erfinderische Lösung darin, die fehlende Auflösung
rechnerischzu kompensieren.
Zu diesem Zweck wird ein Streckenmodell ständig mitgerechnet, das am Beispiel
der Fahrzeugkupplung gemäß Fig. 4 wie folgt aussehen kann. In der Fig. 4
bedeuten:
MAn = f(ω,Φ,R,I,U)
R = f (θ)
Φ = f(θ)
I = f (R, PWM)
MLast = f (iGetr, η, FAusrück)
η = f (θ)
FAusrück = f(θ)
Der Weg (bzw. Winkel) zwischen zwei Sensorsignalen wird in die benötigte
Anzahl von Teilschritten unterteilt.
An der Position eines Sensorsignals wird (in dem vorliegenden Beispiel alle 6°)
das System synchronisiert, sodass die aktuelle Drehzahl bekannt ist.
Von da ab wird mittels obigem Modell von Teilschritt zu Teilschritt
≙→ω→φ
berechnet, bis beim nächsten Sensorsignal das System wiederum synchronisiert
wird.
Der bei dieser Methode entstehende Positionsfehler sind von der Güte des
Modells abhängig.
Zur Abschätzung der Größe des Fehlers wurde ein genaues Modell gegen
Modelle unterschiedlicher Genauigkeit gestellt. Die Wege zwischen zwei
Sensorsignalen wurden kumuliert und deren Differenz als Maß für die
Abweichung benutzt.
Variante 1 soll vor allem dem weiteren Verständnis dienen. Das Modell besteht
lediglich darin, dass die am Intervallanfang bestehende Drehzahl bis zum
nächsten Sensorsignal konstant bleibt. Bei einer Anfangsdrehzahl von 0 und
voller Bestromung, d. h. voller Beschleunigung, ist der Fehler am größten und
entspricht genau der Auflösung der Kommutierungssensoren von 6° (Fig. 5).
Nimmt man in einer weiteren Variante an, dass man das oben beschriebene
Modell mitrechnet, jedoch zur Bestimmung des Antriebsmomentes keine
Informationen über die Temperatur oder den wirklich fließenden Strom vorliegen,
vermindert sich der Fehler bereits deutlich auf max. 0.86° (Fig. 6).
Liegt der Phasenstrom durch eine Messung vor, kann der Temperatureinfluss auf
den Wicklungswiderstand eliminiert werden. Dieser Einfluss ist jedoch sehr gering.
Interessanter ist, durch den gemessenen Strom und die anliegende Spannung
den aktuellen Wicklungswiderstand zu bestimmen und diesen als Indikator für die
herrschende Temperatur zu nutzen. Dies Temperaturinformation kahn dann dazu
dienen, den aktuellen Fluss genauer zu schätzen. Macht man dabei einen Fehler
von 30°C, vermindert sich der Fehlwinkel auf 0.35° (Fig. 7).
Auf diese Weise wurden alle Einzeleinflüsse untersucht. Der Maximalfehler bei
einer reinen Fehleraddition beläuft sich auf 1.5° oder 25%.
In der Praxis ist dies jedoch unwahrscheinlich, da nach bisherigen Erkenntnissen
die Temperatureinflüsse auf das Last- und Antriebsmoment in ihrer Wirkung
gegenläufig sind und sich die Temperatureinflüsse auf das Gesamtsystem
teilweise kompensieren (Fig. 8).
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei allen Anwendungsfällen der integrierten
Aktorik, der automatisierten Kupplung, ASG, USG usw. anwenden. Insbesondere
wird die Erfindung bei elektrischen Zentralausrückern angewendet, jede folgende
Aktorik mit diesem Prinzip bei entsprechenden Anforderungen an die
Regelgenauigkeit.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung der
Leerlaufdrehzahl erläutert. In der EKM-Steuerung ist die Kenntnis der
momentanen Leerlaufdrehzahl (nominelle Leerlaufdrehzahl) notwendig. Diese
wird u. a. für die Auswertung der Anfahrkennlinien beim Anfahren und Kriechen
benötigt. Die nominelle Leerlaufdrehzahl wurde bisher entweder in Abhängigkeit
von der vorliegenden Motortemperatur aus einer Kennlinie bestimmt oder sie lag
direkt über CAN vor. Es sollte die Motortemperatur aus der Motorsteuerung (EEC)
als PWM-Signal erhalten werden. Um den zusätzlichen Einbauaufwand eines
Motortemperatursensors zu umgehen, wurde eine Strategie entwickelt, mit deren
Hilfe die nominelle Leerlaufdrehzahl auch ohne Kenntnis der Motortemperatur aus
der momentanen Motordrehzahl adaptiert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der
nominellen Leerlaufdrehzahl ohne vorliegendes Motortemperatursignal zu
schaffen.
Ausgehend von der nominellen Leerlaufdrehzahl im kalten Zustand wird dabei
gemäß der Erfindung die nominelle Leerlaufdrehzahl in den Zuständen 4 (Neutral)
und 7 (Anfahren) für bestimmte Betriebszustände (u. a. Kupplung offen,
Leerlaufschalter betätigt) dekrementiert, falls die aktuelle Motordrehzahl die
nominelle Leerlaufdrehzahl um einen bestimmten Betrag unterschreitet. Dieses
Verfahren wird mehrstufig angewandt. Durch diese Strategie wird eine
asymptodische Annäherung der nominellen Leerlaufdrehzahl an die reale
Leerlaufrehzahl erreicht.
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei allen EKM/AK anwenden, falls die
Leerlaufdrehzahl nicht über CAN erhalten wird.
Im folgenden werden eine Messeinrichtungen und ein Messverfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung näher erläutert, bei denen die Dauer der
Neutralphasenzeit ermittelt wird.
Beim ASG-Steuercode wird gegebenenfalls bei Zugrückschaltungen mit
Zwischengas gearbeitet. Dabei wird während der Neutralphase
(Kupplungszustand 4: Neutral erkannt) über einen Motoreingriff die Motordrehzahl
auf die zu erwartende Zieldrehzahl (Synchronisationsdrehzahl) angehoben, wie
dies später unter dem Absatz "Drehzahlanhebung" näher erläutert wird. Die
Drehzahlerhöhung wird über einen mathematischen Zusammenhang (z. B.
Polynom 3. Ordnung) vorgegeben. Die Vorfaktoren der Polynome werden durch
Rand- und/oder Übergangsbedingungen bestimmt. Dazu ist die Kenntnis der
Dauer der Neutralphase notwendig. Diese Dauer unterscheidet sich zunächst in
Abhängigkeit des vorgesehenen Gangwechsels (Neutralphase 2→1 ist kürzer
als Neutralphase bei 3→2). Andererseits kann sich die Dauer der Neutralphase
auch durch andere Einflüsse (Alterung der Getriebemotoren, Temperatur, erhöhte
Reibung etc.) ändern. Dadurch wird die Zieldrehzahl nicht genau erreicht und es
muss mehr Synchronisierarbeit geleistet werden, was wiederum den
Schaltvorgang verlängert. Diese unerwünschten Auswirkungen können vermieden
werden, indem diese Änderungen durch eine Adaption der Neutralphasendauern
erfasst und berücksichtigt werden.
Im Zusammenhang mit der Adaption der Neutralphasendauer für verschiedene
Rückschaltungen (z. B. 2→1, 3→1, 4→1, 5→1, 3→2, 4→2, 5→2, 4→3, 5→3,
und 5→4) werden aufgabengemäß jeweils die Neutralphasendauern (Dauer
von Kupplungszustand 4) ermittelt. Über einen geeigneten Algorithmus (z. B..
Mittelung, Filterung) ergibt sich somit für jede Schaltungsart ein adaptierter Wert
für die Neutralphasendauer, der langfristige Änderungen der Neutralphasendauer
beinhalten.
Die Erfindung wird insbesondere bevorzugt bei allen ASG Fahrzeugen
angewendet.
Bei den Zurückschaltungen wird eine Drehzahlanhebung durch die folgende
Vorgehensweise erzielt.
- 1. Berechnung der Zielmotordrehzahl n2 aus Raddrehzahlen und neuer
Gangübersetzung
- 2. Randbedingungen zur Anpassung der Konstanten (hier Polynom 3.
Ordnung)
n(t2) = a(t2 - t1)^3.+ b (t2 - t1)^2 + c (t2 - t1) + d
RB:
n(t1) = n1: Motordrehzahl vor Gangwechsel
dn(t1)/dt = 0: Gradient der Motordrehzahl vor Gangwechsel
n(t2) = n2: Zielmotordrehzahl
dn(t2)/dt = 0: Gradient der Zielmotordrehzahl
- 3. Entweder Übergabe des Drehzahlverlaufs an Motorsteuerung oder
Berechung des erforderlichen Motorsollmoments aus der
Sollmotordrehzahl mit anschließender Übergabe an Motorsteuerung
Berechnung des Motorsollmoments aus dynamischem Gleichgewicht
M_mot soll = J_mot d(omega_soll)/dt
mit:
omega_ soll = 2π n_soll(t)/60
- 4. Option:
Beeinflussung der Motordrehzahl durch Motormomenteneingriff auch über
Neutralphase hinaus, damit Gleichheit von Motor- und
Getriebeeingangsdrehzahl vor Kupplungseingriff erreicht wird.
Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Messeinrichtung zur Messung
des Ankerwiderstandes mit kleinen Spannungen zur Rekalibrierung der
Drehzahlmessung mit dem E-Motorstrom am Kupplungsaktor erläutert.
Im Zusammenhang mit der eindeutigen Erkennung der Position des
Kupplungsaktors wurde die Idee gefasst, den Motorstrom als Funktion der
Drehzahl zu verwenden. Insbesondere der durch die Motordrehung
induzierte Strom Iind ist dabei ein recht gutes Signal.
Hierfür ist es aber erforderlich den Ankerwiderstand RA möglichst genau zu
kennen.
Der Ankerwiderstand RA hängt dabei von der Temperatur der
Ankerwicklungen ab. Zudem können hier noch Alterungseffekte durch die
Abnutzung der Bürsten (Kohlebürsten am Kommutator) auftreten. Es ist
daher erforderlich den Ankerwiderstand in regelmäßigen Abständen zu
messen.
Die Messung des Anlaufstromes ist zeitkritisch Es steht nur ein kleines
Zeitfenster zur Verfügung, in dem der Motor noch so langsam dreht, dass
es bei der Strommessung wie Stillstand aussieht. Damit kann die Qualität
der Messung nicht durch eine Tiefpass-Filterung verbessert werden.
Zudem befindet sich der Motor dabei nicht in einem stationären Zustand.
Die Ankerinduktivität geht daher in die Messung ein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Methode zu finden,
mit der der Ankerwiderstand einfach und zuverlässig direkt vor jeder
Positions-Reinitialisierung gemessen werden kann. Die Messung des
Ankerwiderstandes hat dabei immer bei stehendem E-Motor zu erfolgen.
Nach Möglichkeit sollte für die Messung ein stationärer Zustand des Motors
genutzt werden.
Die Grundfrage lautet dabei:
Wie kann man sicher sein, dass der Motor wirklich steht.
Hier kommen einem die Eigenschaften des im Kupplungsaktor
verwendeten selbsthemmenden Getriebes zu gute. Dieses Getriebe sorgt
immer für ein Bremsmoment, das einem etwaigen Motormoment entgegen
wirkt. Wenn das durch die Motorspannung aufgebrachte Moment (U α I α M
kleiner ist als das Bremsmoment des Getriebes (zuzüglich der Reibung im
Motor) bleibt der Motor trotz angelegter Spannung stehen.
Dabei stellt sich ein Motorstrom von:
ein. Damit kann dann RA durch eine Strommessung bei bekannter
Spannung ermittelt werden.
Die Ungenauigkeiten bei der Messung eines kleinen Stromes können dabei
durch eine zeitliche Mittelung (Hardware-Tiefpass oder numerisch im
Steuergerät) verringert werden. Aus messtechnischer Sicht hat man hier
beliebig viel Zeit zur Verfügung.
Der Motor befindet sich in einem stationären Zustand. Die Ankerinduktivität
geht nicht in die Messung ein.
Die Messung des Ankerwiderstandes kann dabei in jeder beliebigen
Stellung des Kupplungsaktors erfolgen.
Die thermische Belastung des Motors wird gering gehalten.
Die voranstehend erläuterte Erfindung lässt sich insbesondere bei einem
Kupplungsaktor mit Inkrementalwegmessung anwenden.
Hier kann in regelmäßigen Abständen, oder jeweils kurz bevor RA benötigt
wird (Positions-Reinitialisierung) mit der oben beschriebenen Methode eine
Rekalibrierung vorgenommen werden.
Aufgrund des Zusammenganges:
Kann bei bekanntem Ankerwiderstand RA der Bewegungszustand des
Kupplungsäktors am Motorstrom erkannt werden. Dabei ist dieses Signal
unabhängig von der angelegten Motorspannung. Nur bei starken
Stromänderungen ≙ wird das Signal ein wenig durch die Ankerinduktivität
beeinflusst.
Damit kann der Stillstand des Motors erkannt werden. Die Bestimmung der
Position erfolgt an einem Anschlag.
Es können Geschwindigkeitsänderungen des E-Motors gemessen werden.
Es können daher Rastierungen oder "weiche" Anschläge erkannt werden.
Die Verwendung dieses Signals (Iind) ermöglicht es sogar eine
Notlaufstrategie bei Ausfall des Inkrementalweggebers zu entwickeln.
Da die Messung von RA benötigt wird, um Änderungen von RA zu
kompensieren können damit auch indirekt die Ursachen für diese
Änderungen gemessen werden.
Durch die Messung von RA kann auf die Motortemperatur
zurückgeschlossen werden. Zumindest kann die Spannung bei bekanntem
RA so gewählt werden, dass sich der gewünschte Strom, und damit das
gewünschte Moment am Motor ergibt. (Dies wäre für die Schaltmotoren
von Interesse, hier muss aber die Methode zur Messung des
Ankerwiderstandes angepasst werden, da man hier kein selbsthemmendes
Getriebe hat.)
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Adaption der
Reaktionszeit eines Kupplungsaktors erläutert.
Das Verfahren dient dazu, die temperaturabhängige Verzögerung beim
Hochlaufen des Kupplungsaktors zu identifizieren und zu adaptieren, um
die Reproduzierbarkeit von ASG-Schaltabläufen zu verbessern.
Ein optimaler Schaltablauf beim ASG erfordert eine präzise Abstimmung
von Motoreingriff, Kupplungs- und Getriebeverstellung. Nur so kann dem
Fahrer (Beifahrer) der bestmögliche Schaltkomfort in gleichbleibender
Qualität geliefert werden. Besonders wichtig sind die Überschneidung von
Kupplung und Schaltung sowie der Übergang vom Haften zum Schlupf
beim Momentenabbau.
Da die elektromotorischen Aktoren aber über der Temperatur ihre
Kennlinie und auch das Ansprechverhalten (mechanische Reaktionszeit)
ändern, kann die optimale Abstimmung durch schwankende
Betriebstemperaturen gestört werden. Dies gilt insbesondere beim
Getriebeanbau des Kupplungsaktors, wo auf Grund der Massenträgheit je
nach Temperatur Reaktionszeiten zwischen 35 und 70 ms zu erwarten
sind.
Um diesen Effekt auszugleichen, wird eine Strategie zur Identifikation und
Adaption der Reaktionszeit des Kupplungsaktors vorgeschlagen. Bei
Standardprozeduren wie z. B. den Schüffelrampen oder auch speziellen
Testrampen während der Momentennachführung wird die Zeit gemessen,
die vom Auslösen der Aktion bis zum Erreichen einer definierten
Wegdifferenz vergeht.
Im folgenden wird näher auf die im Zusammenhang mit der Zeitkonstanten
des Kupplungsaktors bestehende Problematik eingegangen.
Zunächst werden der physikalische Hintergrund und die
Temperaturabhängigkeit erläutert.
Der Elektromotor im Kupplungsaktor ist ein träges Element, weil nach
Zuschaltung einer elektrischen Spannung
- - sich der Strom und damit verbunden die elektromagnetische Kraft
gegen die Induktivität der Wicklung aufbaut
- - und weil die der Spannung entsprechende Drehzahl erst nach
Beschleunigen der Drehmasse des Ankers erreicht wird.
Die mechanische Trägheit überwiegt dabei, die elektromagnetische Trägheit kann
vernachlässigt werden.
Unter unveränderlichen Einsatzbedingungen kann man die mechanische Trägheit
mittels einer Zeitkonstante TAktor (Reaktionszeit) quantifizieren, welche sich aus
den Größen
JAnker: Ankerträgheit
nLeer: Leerlaufdrehzahl
MAnzug: Anzugs-Drehmoment
nach folgender Gleichung berechnet:
In Praxis verändern sich jedoch die Einsatzbedingungen, insbesondere die
Umgebungstemperatur θ des Kupplungsaktors, und damit verändern sich auch
Leerlaufdrehzahl und Anzugsmoment des E-Motors. Folgende
Gesetzmäßigkeiten gelten:
Im warmen Betriebszustand ist Reaktionszeit TAktor ungefähr doppelt so hoch wie
im kalten.
Neben den Änderungen über der Temperatur werden sich die Kennwerte auch
von Aktor zu Aktor unterscheiden, da Produktionstoleranzen von ± 15% möglich
sind. Ferner haben die Kupplungs-Ausrückkraft und der Wirkungsgrad des
Ausrücksystems einen Einfluss auf das Hochlauf- und Verstellverhalten, da nur
der überschüssige Kraftanteil für die Beschleunigung des Ankers zur Verfügung
steht.
Beeinflussung der ASG-Schaltungen
Bei einer automatisierten Schaltung kommt es darauf an, Kupplungs- und
Getriebeaktor sowie den Eingriff am Verbrennungsmotor optimal aufeinander
abzustimmen, insbesondere
- - um beim Momentenabbau den Schlupfbeginn (Kupplungsmoment wird
kleiner als Motormoment) zu definieren, und
- - um nach dem Gangwechsel ohne unnötigen Zeitverlust mit dem
Momentenaufbau zu beginnen.
Optimal sind ohne Pause ineinander übergehende Vorgänge (siehe Fig. 9) oder
sogar leichte Überschneidungen.
Die Reaktionszeit TAktor ist ein Maß dafür, mit welchem Zeitverzug der Motor einer
Sollwegvorgabe folgen kann. Sofern die Sollwegvorgabe nicht als Sprung erfolgt,
sondern als Rampe mit einem Gradienten unterhalb der möglichen
Geschwindigkeit des E-Motors, laufen Soll- und Istweg des Kupplungsaktors mit
dem implementierten Lageregler zeitlich nahezu parallel, im Abstand der
Reaktionszeit. Wie man aus den Zeitverläufen die aktuelle Reaktionszeit TAktor
grafisch ermitteln kann, zeigt Fig. 10.
Mit der Reaktionszeit des Kupplungsaktors ändern sich auch die in Fig. 9
gezeigten zeitlichen Abstimmungen der beteiligten Aktoren und die subjektive
Schaltbewertung durch den Fahrer bzw. Beifahrer könnte sich ebenfalls ändern.
Im folgenden wird erläutert, wie die Adaption der Reaktionszeit als
Steuerungsvariable erfolgen kann.
Die Grundidee besteht dabei darin, die Reaktionszeit des Kupplungsaktors als
Steuerungsvariable zu benutzen und ihren Wert zu adaptieren. Dadurch kann die
Koordination von Kupplungs-, Getriebe- und Motoreingriff reproduzierbarer
gestaltet und insgesamt kann die Schaltqualität erhöht werden.
Adaption durch Beobachten von Standardvorgängen
Die Reaktionszeit soll ermittelt und adaptiert werden, indem bei
Standardvorgängen mit verhältnismäßig großen Sollwegänderungen die Zeit bis
zum Erreichen einer Mindestverstellung ermittelt wird. Folgende Situationen
bieten sich z. B. an:
- - Schnüffelrampe => Sollsprung aus Ruhe oder sehr langsamer Bewegung
zur Schnüffelposition (sofern der Motor nicht aus Geräuschgründen gedrosselt
wird)
- - Wiedereinkuppeln nach Schaltung, wobei der Sollweg zunächst von der
Maximalposition (Hub) sehr schnell zurückgenommen wird.
- - Sprung der Kupplungsvorgabe bei Schaltabsicht, wo ein Sollwertsprung des
Kupplungsmomentes von Momentennachführung mit Rutschsicherheit auf das
aktuelle Motormoment erfolgt.
Da mit dem Schnüffeln auch ein Temperatureffekt kompensiert wird, reicht z. B.
die Schnüffelhäufigkeit als Adaptionshäufigkeit für die Reaktionszeit des Aktors
aus. Sehr wahrscheinlich würden wegen der großen Masse respektive
Wärmekapazität des Kupplungsaktors auch größere Zeitabstände genügen.
Fig. 11 zeigt einen möglichen Ablauf der Reaktionszeitadaption.
Folgende Variablen werden dabei verwendet:
ADP_RZEIT_ANF: Anforderung der Reaktionszeitadaption?
ADP_RZEIT: Reaktionszeitadaption aktiv?
ADP_RZEIT_INI: Initialisieren der Reaktionszeitadaption?
K0_ADP_RZEIT: Kupplungssollweg bei Initialisierung
K1_ADP_RZEIT: Istwegschwelle für Ende (Applikationsparameter)
T_ADP_RZEIT: Zeitzähler der Reaktionszeitadaption
K_RZEIT: Reaktionszeit
ΔT: Interruptzeit der Routine
K_SOLL: Kupplungssollweg
K_IST: Kupplungsistweg.
Im folgenden werden Erläuterungen zur Fig. 11 gegeben.
Die Variable ADP_RZEIT_ANF wird auf "1" gesetzt, wenn eine neue Adaption
angefordert werden soll. Hierfür kann z. B. ein Zeitzähler wie beim Schnüffeln
benutzt werden (nicht in Fig. 11 gezeigt). Die Variable ADP_RZEIT_INI wird
unabhängig davon auf "1" gesetzt, sobald eine der Standardsituationen, die für die
Reaktionszeitadaption genutzt werden, ausgelöst wird. Beispielsweise muss dies
in einem anderen Programmteil bei Beginn des Schnüffelns geschehen (nicht in
Fig. 11 gezeigt). Sind beide Variablen auf "1", so wird die Reaktionszeitadaption
initialisiert, indem die Anfangswerte für K0_ADP_RZEIT und T_ADP_RZEIT
gesetzt sowie das Initialisierungsflag zurück und das Aktivflag ADP_RZEIT auf "1"
gesetzt werden.
Solange die Adaption aktiv ist, wird zunächst immer abgefragt, ob die
Sollwertvorgabe bezogen auf den Ausgangswert bei Initialisierung die Schwelle
K1_ADP_RZEIT bereits überschritten hat und abhängig davon wird der Zeitzähler
hochgesetzt oder auf Null belassen.
Die Austrittsbedingung ist erfüllt, wenn der Kupplungsweg-Istwert sich um die
vorgegebene Schwelle K1_ADP_RZEIT geändert hat. Dann wird der letzte Wert
des Zeitzählers als Reaktionszeit des Kupplungsaktors übernommen (eventuell
kann auch gewichtet werden mit dem letzten Wert, um Fehladaptionen
auszuschließen) und das ADP_RZEIT zurück auf den Wert "0" gesetzt.
Adaption durch Anstoßen spezieller Kupplungsweg-Prozeduren
Solange die Momentennachführung erfolgt, hat der Kupplungsaktor eine
Wegreserve zwischen maximalem Kupplungsrutschmoment (Schnüffeln) und
dem aktuellen Motormoment. Innerhalb dieses Bereiches können ohne
Beeinträchtigung des Fahrkomforts Bewegungen des Kupplungsaktors und damit
auch des Ausrücklagers vorgenommen werden. Die Idee ist nun, ähnlich wie bei
den Rutschtests spezielle Rampen des Kupplungsaktors anzustoßen (siehe Fig.
12), die reproduzierbar sind und somit gut vergleichbare Adaptionsergebnisse
liefern.
Die Durchführung der Adaption würde wie oben unter "Adaption durch
Beobachten von Standardvorgängen" beschrieben ablaufen, nur dass bei
ADP_RZEIT_ANF = 1 und Momentennachführung (vorzugsweise im Bereich des
Mindestmomentes) die Adaptionsrampe angestoßen und dabei ADP_RZEIT_INI
= 1 gesetzt wird.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind
Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden
Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der
Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombination zu
beanspruchen.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu
verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche
Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten,
Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch
Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der
allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen
beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen
oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der
Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen
Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen
führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.