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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageregelung eines Stellelements einer Brennkraftmaschine welches über einen elektrischen Motor betätigt wird, wobei das über die Stellung auf den Motor ausgeübte Moment sein Vorzeichen ändert.
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Aus der
DE 3631283 A1 ist ein Stellelement für eine Drosselklappe einer Brennkraftmaschine bekannt, welches, vorzugsweise im Rahmen einer Lageregelung, auf der Basis des von einer Pedalbetätigung des Fahrers abgeleiteten Fahrerwunsches elektrisch über einen Stellmotor eingestellt wird. Das Stellelement weist dabei die Besonderheit auf, daß durch entgegenwirkende Federn bei stromlosem Stellmotor eine vorbestimmte Lage eingenommen wird. Diese Ruhelage oder Notluftlage des Stellelements stellt sicher, daß bei stromlosem Steller die mit dem Stellelement verknüpfte Drosselklappe nicht vollständig schließt, sondern daß die Brennkraftmaschine wenigstens im Leerlaufbetrieb weiter laufen kann. Nachteilig daran ist, daß sich an diesem Punkt das auf den Stellmotor wirkende Moment infolge des sich ändernden resultierenden Federmoments sprungförmig ändert und sein Vorzeichen ändert. Das Federmoment ist dabei unterhalb der Ruhelage öffnend, oberhalb schließend (siehe
5). Dieses Verhalten des Stellelements stellt für die Lageregelung ein erhebliches Erschwernis dar und führt zu einem ungünstigen Regelverhalten, insbesondere zu Stellzeitverlängerungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, welche das Regelverhalten einer Lageregelung bei einem Stellglied mit einer durch Momentenänderung kennzeichnenden Ruhelage verbessert.
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Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs erreicht.
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Aus der
DE 4426971 A1 ist für ein derartiges Stellelement, welches im Rahmen einer Steuerung mittels eines Schrittmotors betätigt wird, bekannt, bei Bewegungen über die Ruhelage den zur Bildung des Ansteuersignals verwendeten Schrittzählerstand im Sinne einer Linearisierung der Stellelementebewegung zu korrigieren.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird das Verhalten des Regelkreises, insbesondere der Regelstrecke (Stellelement) linearisiert. Stellzeitverlängerungen bei Bewegungen über die Ruhelage des Stellelements werden wirksam verhindert.
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Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Lösung dann nicht angewendet wird, wenn das Stellelement in der unmittelbaren Umgebung der Ruhelage des Stellelements eingestellt werden soll. Dadurch werden instabile Zustände vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist, daß die erzeugte Änderung des Antriebsmoments des Stellmotors die durch die Ruhelage entstehende Momentenänderung in etwa kompensiert.
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Besonders vorteilhaft ist, daß die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Lösung durch Lernen des der Ruhelage des Stellelements zugeordneten Stellungswert durch die Steuereinheit erhöht wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt 1 ein Übersichtsblockschaltbild einer Steuervorrichtung für ein Stellelement einer Brennkraftmaschine, während in 2 und 3 Flußdiagramme dargestellt sind, welche die Realisierung der Regelung des Stellelements sowie die Erfassung der Stellung der Ruhelage des Stellelements als Rechnerprogramme darstellen. In 4 ist der zeitliche Verlauf der Stellung des Stellelements sowie des Stromes durch den Stellmotor als Zeitdiagramm dargestellt, während in 5 die bekannte Momentencharakteristik des Stellelements über seiner Stellung aufgetragen ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist eine elektronische Steuereinheit 10 dargestellt, welcher eine Eingangsleitung 12 von einem Meßelement 14 zur Erfassung der Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements 16 zugeführt ist. Ferner sind der Steuereinheit 10 Eingangsleitungen 18 bis 20 von Meßeinrichtungen 22 bis 24 zur Erfassung weiterer Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs zugeführt. Derartige Betriebsgrößen sind beispielsweise eine Größe für die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine, die Drehzahl der Brennkraftmaschine, deren Temperatur, etc. Eine Ausgangsleitung 26 der Steuereinheit 10 führt auf eine Endstufe 28, vorzugsweise eine Vollbrückenendstufe. An diese ist über Leitungen 30 und 32 ein elektrischer Motor 34, vorzugsweise ein Gleichstrommotor, eines Stellelements 36 angeschlossen. Das Stellelement 36 dient zur Verstellung einer im Ansaugsystem 38 der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe 40, die über die mechanische Verbindung 42 mit dem Motor 34 verbunden ist. Das Stellelement 36 umfaßt ferner wenigstens zwei Federn 44 und 46, die zur Einstellung des Stellelements in eine vorbestimmte Ruhelage gegeneinander wirkende Kräfte F1 und F2 erzeugen.
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Das Stellelement 36 weist daher eine Momentencharakteristik auf, die in 5 dargestellt ist. Dort ist das auf den Motor 34 wirkende Moment M über der Stellung α des Stellelements (der Drosselklappe) aufgetragen. Das Stellelement ist von der Stellung 0 (vollständig geschlossene Drosselklappe) bis zu einer Maximalstellung (vollständig geöffnete Drosselklappe) verstellbar. Im Stellungsbereich von der Stellung 0 bis zur Ruhelage αNLP wirkt die Feder 44 im Sinne einer Öffnung der Drosselklappe. Das auf den Motor ausgeübte Öffnungsmoment ist daher in diesem Bereich positiv. Zwischen der Ruhelage αNLP und der Maximalstellung wirkt die Kraft der Feder 46 im Sinne einer Rückstellung des Stellelements in die geschlossene Position der Drosselklappe. Daher ist in diesem Bereich das auf das Stellelement ausgeübte Moment negativ.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die elektronische Steuereinheit 10 aus wenigstens einem Mikrocomputer, in dem Programmteile installiert sind, die das Stellelement in Abhängigkeit des von der Bedienelementebetätigung abgeleiteten Fahrerwunsches einstellen. Dazu ist ein Sollwertbilder 48 vorgesehen, dem das Betätigungssignal des Bedienelements über die Leitung 12 sowie ausgewählte Betriebsgrößen über die Leitungen 18 bis 20 zugeführt werden. Die Ausgangsleitung 50 des Sollwertbilders 48 führt auf einen Lageregler 52, dem wenigstens eine von wenigstens einer der Leitungen 18 bis 20 abzweigende Leitung 54 und damit ein Maß für die Stellung des Stellelements 36 zugeführt wird. Ausgangsleitung des Lagereglers 52 ist die Ausgangsleitung 26 der Steuereinheit 10.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erfaßt das Meßelement 14 den Betätigungsgrad des Bedienelements 16 (Fahrpedal) Dieser wird dem Sollwertbilder 48 zugeführt. Ferner werden diesem von den Meßeinrichtungen 22 bis 24 Betriebsgrößen wie Motortemperatur, Motordrehzahl, Gangstellung, Abgaszusammensetzung, Luftmasse, etc. zugeführt. Der Sollwertbilder bildet auf der Basis von vorbestimmten Kennlinien, Kennfeldern, Tabellen oder im Rahmen eines Drehmomenten- oder Leistungsregelkreises einen Solleinstellwert αSoll für das Stellelement 36. Dieser wird über die Leitung 50 dem Lageregler 52 zugeführt. Der Lageregler 52 bildet die Differenz zwischen dem Solleinstellwert αSoll und der von einem Stellungsgeber erfaßten Iststellung αIst des Stellelements 36, die über die Leitung 54 zugeführt wird. Der Lageregler 52 bildet dann auf der Basis der Differenz nach Maßgabe der vorgegebenen Regelstrategie ein Ausgangssignal. Der Lageregler 52 umfaßt dabei wenigstens einen Integralanteil I, im bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner Proportional- und Differentialanteile. Der Regler bildet sein Ausgangssignal im Sinne einer Einstellung des Stellelements 36 auf den vorgegebenen Sollwert. Das Ansteuersignal für die Endstufenschaltung 28 ist dabei im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein pulsweitenmoduliertes Signal, dessen veränderliches Tastverhältnis den mittleren Stromfluß durch den elektrischen Motor 34 und damit das Antriebsmoment des Stellelements repräsentiert. In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann die Ansteuersignalgröße ein Stromwert, ein Spannungswert, eine Pulslänge oder die Pausenzeit zwischen zwei Pulsen sein.
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Zur Verbesserung des Regelverhaltens im Bereich des sogenannten Momentenumkehrpunktes in der Ruhelage des Stellelements 36 wird bei Bewegungen des Stellelements 36 ständig der Stellungsistwert kontrolliert. Bewegt sich das Stellelement über den Momentenumkehrpunkt hinweg, wird das Antriebsmoment des Stellmotors bzw. der Motorstrom quasi sprungförmig geändert. Eine exakt sprungförmige Änderung ist wegen der Induktivität des Elektromotors nicht möglich. Der Betrag dieser sprungförmigen Änderung wird so gewählt, daß die dabei entstehende Änderung des Antriebsdrehmoments den im Momentenumkehrpunkt entstehenden Sprung im Federmoment in etwa kompensiert. Die Stromänderung wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erzeugt, daß der Integralanteil des Reglers um einen definierten, vorgegebenen Betrag verändert wird, oder daß das Tastverhältnis, mit dem die Endstufe angesteuert wird, sprungförmig verändert wird. Dieser Betrag wird dabei dem Integralanteil bzw. der Ansteuersignalgröße bei Überschreiten der Ruhelage einmal aufgeschaltet und nicht ständig beibehalten. Befindet sich der Solleinstellwert für das Stellelement sehr nahe am Momentenumkehrpunkt, könnte durch die erfindungsgemäße Lösung aufgrund einer ständigen Stromänderung ein instabiler Zustand entstehen. Dies wird wirksam vermieden, indem die erfindungsgemäße Kompensation nur dann angewendet wird, wenn der Solleinstellwert nicht in der unmittelbaren Umgebung des Momentenumkehrpunktes liegt. Da der Momentenumkehrpunkt (Ruhelage) von Stellelement zu Stellelement gewisse Toleranzen aufweist, wird zur Erhöhung der Genauigkeit seine Lage von der elektronischen Steuereinheit bei stromlosem Stellelement gelernt.
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Die beschriebenen Maßnahmen laufen im Bereich des Lagereglers 52 ab. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Realisierung dieser Maßnahmen als Rechnerprogramm ist anhand der Flußdiagramme nach 2 und 3 dargestellt.
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Nach Start des in 2 beschriebenen Programmteils zu vorgegebenen Zeitpunkten (beispielsweise in Intervallen von einigen msec) wird im ersten Schritt 100 der berechnete Solleinstellwert αSoll sowie der gemessene Stellungsistwert αIst des Stellelements eingelesen. Daraufhin wird im Schritt 102 überprüft, ob sich das Stellelement im Bereich des Momentenumkehrpunkts befindet. Dies wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, daß der gemessene Stellungsistwert αIst mit einem um den gespeicherten Stellungswert für den Momentenumkehrpunkt αNLP gebildeten Bereich Δ1 verglichen wird. Befindet sich der Stellungsistwert innerhalb des Toleranzbereichs, so wird eine „JA”-Antwort gebildet, im anderen Fall eine „NEIN”-Antwort. Ist die Antwort „NEIN”, wird gemäß Schritt 104 die Differenz dα aus Solleinstellwert und Iststellung gebildet und im darauffolgenden Schritt 106 nach Maßgabe der eingesetzten Reglergleichung die Ansteuersignal τ auf der Basis der Regeldifferenz dα gebildet. Nach Schritt 106 wird der Programmteil beendet und zu gegebener Zeit wiederholt.
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Hat Schritt 102 ergeben, daß sich der Iststellungswert im Bereich des Momentenumkehrpunkts befindet, wird gemäß Schritt 108 überprüft, ob dies auch für den Solleinstellwert gilt. Die dabei verglichenen Bereiche um den Momentenumkehrpunkt (Δ1 und Δ2) sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel unterschiedlich, können aber auch gleich sein. Befindet sich der Solleinstellwert im Bereich des Momentenumkehrpunkts, wird mit Schritt 104 und der Regelung fortgefahren, andernfalls wird gemäß Schritt 110 die Ansteuersignalgröße τ, die im vorherigen Programmdurchlauf aufgrund der Regelfunktion gebildet wurde, um einen vorgegebenen Wert τ0 erhöht. Nach der Veränderung wird die Ansteuersignalgröße wieder vom Regler (Schritt 106) gebildet.
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In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird im Schritt 110 anstelle der Ansteuersignalgröße der diese im stationären Fall bildende Integralanteil I des Reglers entsprechend verändert. Nach Schritt 110 wird der Programmteil beendet und zu gegebener Zeit wiederholt.
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Die in 2 beschriebene Vorgehensweise führt bei einer Bewegung des Stellelements über den Momentenumkehrpunkt hinweg zu einer gezielten Erhöhung des Antriebsmoments des Stellelements, so daß die Bewegung des Stellelements über den Momentenumkehrpunkt hinweg im wesentlichen linear ist. Die erfindungsgemäße Lösung stellt daher in bezug auf den Regler eine Vorsteuerung dar.
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Der Änderungsbetrag τ0 bzw. I0 ist in einem Ausführungsbeispiel fest vorgegeben. In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist dieser Betrag betriebsgrößenabhängig, beispielsweise abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine oder des Stellelements.
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Zur Bestimmung des gespeicherten Wertes αNLP für die Stellung des Momentenumkehrpunkts ist der Programmteil nach 3 vorgesehen. Auch dieser Programmteil wird, zumindest in vorbestimmten Betriebszuständen wie Nachlauf oder Schubbetrieb zu vorbestimmten Zeitpunkten eingeleitet. Im ersten Schritt 200 wird überprüft, ob ein stromloser Zustand des Stellelements vorhanden ist, das heißt, ob kein Strom durch den Stellmotor des Stellelements fließt. Ist dies nicht der Fall, wird der Programmteil beendet, andernfalls gemäß Schritt 202 der in diesem Zustand gemessene Istwert (nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit) eingelesen und gemäß Schritt 204 der gespeicherte Momentenumkehrpunkt αNLP auf dem gemessenen Istwert αIst gesetzt. Nach Schritt 204 wird der Programmteil beendet.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuerung ist anhand der Zeitdiagramme nach 4 dargestellt. Dabei zeigt 4a den Zeitverlauf der Stellelementestellung über der Zeit, während in 4b der Stromverlauf durch den Stellmotor aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie zeigt dabei die Situation bei Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerung, während die strichliert dargestellte Kurve die Situation ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerung zeigt. Es wird von einer Situation ausgegangen, in welcher sich die Drosselklappe im Bereich unterhalb des Momentenumkehrpunkts αNLP befindet (α0). Durch Betätigen des Fahrpedals gibt der Fahrer einen Stellungswert vor, der oberhalb des Momentenumkehrpunkts liegt (α1). Durch die Reglerfunktion wird also der infolge des öffnenden Federmoments negative Strom leicht erhöht. Zum Zeitpunkt T0 befindet sich das Stellelement am Momentenumkehrpunkt. Dies führt dazu, daß gemäß der erfindungsgemäßen Steuerung eine sprungförmige Veränderung des Stromes infolge der entsprechenden Steuerung des Integralanteils des Reglers oder der Ansteuersignalgröße stattfindet. Danach wird der Strom im Rahmen der Regelung verändert und schließlich bei Erreichen des Sollwerts auf einen wegen des schließenden Federmoments positiven Haltestrom abgesenkt. Würde die erfindungsgemäße Steuerung nicht verwendet, so ergebe sich zum Zeitpunkt T0 keine Veränderung des Stromes, der vielmehr im Rahmen der Lageregelung verändert wird. Dies würde gemäß 4a zu einer Verzögerung der Stellelementeeinstellung und somit zu einem unbefriedigenden Regelverhalten führen.
