DE4038301A1 - Verfahren und vorrichtung zur unterdrueckung von schwingungen des fahrzeugaufbaus - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur unterdrueckung von schwingungen des fahrzeugaufbausInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
sowie auf eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Vibratio
nen des Aufbaus eines Fahrzeugs und insbesondere auf ein
Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Unterdrückung von
Schwingungen eines Fahrzeugs bei der Beschleunigung des
Fahrzeugs.
Im Automobilbau ist es eine bekannte Technik, die Dreh
momentsänderung eines Fahrzeugs aufgrund der Maschinenlei
stung zu erfassen und die Drehmomentsänderung durch Steue
rung der Ausgangsleistung eines Generators, wie z. B. der
Lichtmaschine, zu unterdrücken. Eine derartige Technik ist
beispielsweise in den japanischen Offenlegungsschriften
58-1 85 937, 58-1 85 938 und 63-2 12 723 offenbart.
Man macht sich dabei zunutze, daß die als Maschinenlast
wirkende Leistung zum Antrieb der Lichtmaschine entspre
chend der Ausgangsleistung der Lichtmaschine (erzeugte
Energie) variiert. Wenn im Fahrzeug ein Drehmomentwechsel
stattfindet, wird die Ausgangsleistung der Lichtmaschine so
gesteuert, daß sie sich entsprechend dem Drehmomentwechsel
ändert, wodurch die Änderung des Drehmomentes absorbiert
und die Vibrationen des Fahrzeugaufbaus aufgrund des Dreh
momentwechsels unterdrückt werden.
Diese bekannte Technik unterdrückt hauptsächlich gleich
bleibende Vibrationen des Fahrzeugaufbaus, wie sie durch
den Betrieb des Motors verursacht werden. Periodische Dreh
momentsänderungen treten auf synchron zu Ansaugtakt, Ver
dichtungstakt, Explosionstakt und Ausstoßtakt des Motors,
und die periodische Änderung des Drehmoments wird unter
drückt, indem die Ausgangsleistung der Lichtmaschine so ge
steuert wird, daß sie in ihrer Phase gegenläufig zum perio
dischen Drehmomentwechsel ist.
Vibrationen des Fahrzeugaufbaus umfassen aber auch andere
als diese gleichbleibenden, durch den Maschinenzyklus ver
ursachten Vibrationen, wie z. B. Schwingungen des Fahr
zeuges, die durch Beschleunigungen des Fahrzeugs verursacht
werden. Die gleichbleibenden Vibrationen werden durch den
gleichbleibenden Zyklus des Drehmomentwechsels im Fahrzeug
aufbau erzeugt, und bekannte Techniken unterdrücken den
Drehmomentwechsel, indem sie ihn erfassen, insbesondere die
Zunahme des Drehmoments im Zündtakt, und ein Drehmoment
entgegengesetzter Phase zu der des Drehmomentwechsels im
Antrieb erzeugen. Mit dieser Technik ist es aber schwerlich
möglich, die Anfahrschwingungen eines Fahrzeugaufbaus aus
reichend zu unterdrücken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vor
richtung anzugeben, womit Vibrationen des Fahrzeugaufbaus,
insbesondere Schwingungen bei der Beschleunigung des Fahr
zeugs wirksam unterdrückt werden, indem ein mit dem Fahr
zeugmotor gekoppelter Generator gesteuert wird.
Ein Fahrzeug hat einen Hauptantrieb sowie ein Übertragungs
system zur Übertragung von Motorenergie auf die Räder des
Fahrzeugs, sowie einen Hilfsapparateantrieb und ein dazuge
höriges Übertragungssystem. Der Hauptantrieb sowie dessen
Übertragungssystem umfaßt den Motor zum Antreiben des Fahr
zeugs, und der Hilfsapparateantrieb samt zugehörigem Über
tragungssystem umfaßt einen mit dem Motor verbundenen Gene
rator, wie z. B. die Lichtmaschine, der von diesem Motor an
getrieben wird. Wenn der Generator viel Energie erzeugt,
entzieht er diese der Motorleistung, wodurch das Drehmoment
zum Antreiben des Fahrzeugs herabgesetzt wird.
In einem derartigen Fahrzeug wird die der vorliegenden Er
findung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Drehmomentwechsel beispielsweise bei Schwingungen des Fahr
zeugs, die durch Beschleunigung des Motors erzeugt werden,
erfaßt wird, dann mittels Pulsbreitenmodulation mit der er
faßten Schwingungswelle ein Steuersignal für den Feldstrom
des Generators erzeugt wird, und der Feldstrom durch das
Steuersignal moduliert wird. Erfindungsgemäß wird das Tast
verhältnis des Feldstromes durch die Pulsbreitenmodulation
der Schwingungswelle gesteuert, so daß der Feldstrom nähe
rungsweise gleichphasig zur Schwingungswelle ist und der
Drehmomentwechsel im Fahrzeug durch Energieerzeugung des
Generators, die durch den derartig veränderten Feldstrom
erzeugt wird, absorbiert wird.
Ein Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die
durch Beschleunigung des Fahrzeugs erzeugte Schwingung des
Fahrzeugs erfaßt wird, daß ein Beschleunigungswert der er
faßten Schwingung mit einem vorbestimmten Zielbeschleuni
gungswert verglichen wird, um eine Differenz zu bilden, daß
ein Steuerungssignal für den Feldstrom des Generators durch
Pulsbreitenmodulation der Schwingungswelle erzeugt wird,
indem ein Regelkreis mit zumindest einer Proportionalsteue
rung verwendet wird, und daß der Feldstrom mit dem Steue
rungssignal moduliert wird, um dadurch ein Drehmoment zu
erzeugen, das zur Absorption der Schwingung im Generator
führt.
Ein anderer Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
daß die Anfangsphase eines Vibrationszyklus einer durch die
Beschleunigung des Fahrzeugs verursachten Schwingungen des
Fahrzeugs erfaßt wird, daß ein Schwingungswellenmuster des
Fahrzeugs auf der Grundlage des erfaßten Vibrationszyklus
teils in der Anfangsphase vorhergesagt wird, daß ein Steue
rungssignal für den Feldstrom des Generators durch Puls
breitenmodulation des vorhergesagten Schwingungswellenmu
sters erzeugt wird, und daß der Feldstrom durch das Steue
rungssignal verändert wird, so daß er näherungsweise
gleichphasig mit dem vorhergesagten Schwingungswellenmuster
ist, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das zur Absorp
tion der Schwingung im Generator führt.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen werden nun einzelne Aus
führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Wellendiagramm zur Erklärung der vorliegen
den Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Unterdrückung der Schwingung
eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der wichtigen Teile aus Fig. 2;
Fig. 4 ein Diagramm einer durch eine Proportionalsteue
rung gesteuerten Schwingung;
Fig. 5 ein Diagramm von Schwingungswellen bei einer Vor
hersagesteuerung;
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer tatsächlichen Schaltung
einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Unter
drückung von Schwingungen, die eine Proportional
steuerung aufweist;
Fig. 7 ein erklärendes Diagramm, das ein Schwingungsphä
nomen zum Zeitpunkt der Fahrzeugbeschleunigung
zeigt; und
Fig. 8 ein Diagramm, das den Schwingungsmechanismus
eines Steuerungssystems gemäß dem Stand der Tech
nik erklärt.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird zunächst ein Schwingungsphäno
men des Fahrzeugs erklärt, die Zeit ist als Abszisse und
die Geschwindigkeit als Ordinate eingetragen. Wird ein
Fahrzeug gestartet und beschleunigt, pulsiert dessen Ge
schwindigkeit. In dem Beispiel der Fig. 7 pulsiert die
Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Frequenz von ungefähr
5,5 Hz.
Bezugnehmend auf Fig. 8 wird als nächstes ein Mechanismus
erklärt, bei dem Schwingungsphänomene auftreten.
Die Motorregelung 20 in Fig. 8 umfaßt einen Drosselklappen
öffnungssensor 21, einen Luftflußsensor 22 und einen Dreh
zahlsensor 23, eine Steuerung 24, ein Kraftstoffzufuhr
system 25 und ein Zündsystem 26. Auf der Grundlage der
Signale des vom Fahrpedal betätigten Drosselklappenöff
nungssensors 21, des Luftflußsensors 22 und des Drehzahl
sensors 23 steuert die Steuerung 24 das Kraftstoffzufuhr
system 25 und das Zündsystem 26 und gibt Leistung an das
Antriebssystem 28 ab.
Die Fahrlast 29 kann dabei immer als eine von außen wir
kende Störung des Antriebssystems 28 angesehen werden. Un
ter Einfluß der Trägheit, beispielsweise der des Fahr
zeuges, wird Maschinenleistung zeitweise in einer Antriebs
welle gespeichert und wieder abgegeben. Durch eine Abfolge
mehrerer solcher Vorgänge tritt ein Schwingungsphänomen,
wie beispielsweise das des Nachhinkens der Drehzahl oder
des Pendelns der Drehzahl um einen Sollwert herum, auf.
Hieraus ist ersichtlich, daß sich das Schwingungsphänomen
von dem kontinuierlichen Drehmomentwechsel aufgrund des Mo
tortaktes unterscheidet, so daß die Schwingungen schwer un
terdrückt werden können, indem man den zyklischen Dreh
momentwechsel erfaßt, insbesondere die Zunahme während des
Zündtaktes, und man dann ein Drehmoment, dessen Phase der
des Drehmomentwechsels entgegengesetzt ist, in der Lichtma
schine erzeugt. Und da außerdem die Ansprechgeschwindigkeit
eines üblicherweise verwendeten Kraftstoffzufuhrsystems 25
begrenzt ist, kann eine Schwingung des Fahrzeugaufbaus auch
nur schwer dadurch unterdrückt werden, daß die Schwingung
des Kraftstoffzufuhrsystems 25 unterdrückt wird.
Erfindungsgemäß wird eine Schwingung eines Fahrzeugkörpers
bei ihrem Auftreten erfaßt, so daß ein Ausgangssignal des
Beschleunigungssensors, wie in Fig. 1(a) dargestellt, ent
steht. Wie weiterhin in den Fig. 1(b) und 1(c) dargestellt,
wird das Ausgangssignal des Beschleunigungsdetektors, nach
dem es gefiltert wurde, unter Verwendung einer Referenz
dreiecksspannung einer Pulsbreitenmodulation unterworfen,
so daß ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal entsteht
(PWM-Ausgabe), mit dieser PWM-Ausgabe wird dann der Feld
strom der Lichtmaschine moduliert, so daß der modulierte
Feldstrom eine zumindest annähernd gleiche Phase hat wie
die Schwingungswelle.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird das Prinzip dieser Feldstrom
steuerung genau erklärt.
Das Ausgangssignal eines zur Schwingungserfassung einge
setzten Beschleunigungssensors ist in Fig. 1(a) als eine
Schwingungswelle dargestellt.
Nach Durchlaufen eines Verstärkers sowie eines Bandpaßfil
ters, der einen bestimmten Frequenzbereich, beispielsweise
den um 5,5 Hz herum, durchläßt, entsteht eine Welle, wie
sie durch die durchgezogene Linie in Fig. 1(b) dargestellt
ist.
Die in der Fig. 1(b) dargestellte Schwingungswelle wird mit
einer Dreiecksschwingung konstanter Frequenz verglichen und
in ein pulsbreitenmoduliertes Signal (Digitalsignal), wie
in Fig. 1(c) dargestellt, umgewandelt. Wie aus Fig. 1(b)
und 1(c) ersichtlich, wird das Tastverhältnis größer, wenn
der Drehmomentwechsel (Beschleunigungswert) größer wird.
Indem das pulsbreitenmodulierte Signal als Steuerungssignal
für den Feldstrom der Lichtmaschine verwendet wird und in
dem die Welle zeitlich an den Vibrationszyklus der Schwin
gung angepaßt wird, erhält man den Feldstrom, der gleich
phasig oder nahezu gleichphasig mit der Schwingungswelle
ist.
Diese Steuerung des Feldstromes führt zu einer Vergrößerung
des Feldstromes, wenn der Drehmomentwechsel in positiver
Richtung beim Auftreten von Schwingungen beim Beschleunigen
des Fahrzeugs auftritt, wodurch der Betrag der erzeugten
Energie und das zum Antrieb der Lichtmaschine benötigte
Drehmoment zunimmt. Dieses zunehmende Drehmoment dient zur
Auslöschung der Schwingung, sie wird dadurch absorbiert.
Wenn die Drehmomentsänderung in negativer Richtung größer
wird, nimmt der Feldstrom und somit das für die Lichtma
schine benötigte Antriebsdrehmoment ab, so daß der Dreh
momentwechsel reduziert wird.
Auf diese Weise kann die durch die Fahrzeugbeschleunigung
verursachte Fahrzeugschwingung unterdrückt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das
Steuerungssignal des Feldstromes der Lichtmaschine auf der
Grundlage der Differenz zwischen einem Drehmomentsände
rungswert, der während der Beschleunigung erfaßt wurde
(erfaßter Beschleunigungswert), und einem Sollbeschleuni
gungswert so gesteuert, daß er als Ausgangssignal eines Re
gelkreises gleich dem Sollwert ist, wobei zumindest eine
Proportionalsteuerung verwendet wird.
Wenn die Regelung des Steuerungssignals für den Feldstrom
der Lichtmaschine mittels einer Proportionalsteuerung
durchgeführt wird, vergrößert sich mit größer werdendem
erfaßten Drehmomentsänderungswert die Pulsbreite (das
Tastverhältnis) des pulsbreitenmodulierten Signals. Indem
somit der Feldstrom mit dem pulsbreitenmodulierten Signal
gesteuert wird, hat der Feldstrom eine Welle, die nähe
rungsweise gleichphasig mit der Schwingungswelle ist. Wie
weiter oben beschrieben, wird somit in der Lichtmaschine
ein die Schwingung absorbierendes Drehmoment erzeugt. Wenn
in der Regelschleife eine PID-Steuerung, bestehend aus der
Summe eines integrierenden Gliedes (I), eines differenzie
renden Gliedes (D) und eines Proportionalgliedes (P), ver
wendet wird, kann die Ansprechgeschwindigkeit zur Schwin
gungsunterdrückung sehr schnell gemacht werden, was die
Schwingungsunterdrückung günstig beeinflußt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
beim Auftreten von Schwingungen die Beschleunigung in der
Anfangsphase eines Vibrationszyklus, beispielsweise die
Vibration innerhalb des ersten Viertels eines Zyklus in der
Anfangsphase der Schwingung, erfaßt und dann ein Schwin
gungswellenmuster vorhergesagt. Das durch die Beschleuni
gung erzeugte Schwingungsphänomen hat die Eigenschaft, daß
es aufgrund der zum Antriebssystem des Fahrzeugs gehörenden
vibrierenden Bauteile immer dasselbe Muster von Vibrationen
des Fahrzeugaufbaus hat, so daß es möglich ist, das Schwin
gungsmuster vorherzusagen. Dann wird mittels Pulsbreitenmo
dulation das Steuerungssignal für den Feldstrom der Licht
maschine erzeugt, so daß der Feldstrom annähernd phasen
gleich mit dem vorhergesagten Schwingungswellenmuster ist,
wodurch in der Lichtmaschine ein Drehmoment zur Absorption
der Schwingung erzeugt wird.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird als nächstes eine
Ausführungsform der Erfindung erklärt.
In Fig. 2 empfängt eine Steuerungseinheit 24 verschiedene
Signale von einem Drosselklappenöffnungssensor 21, einem
Luftflußsensor 22 und einem Drehzahlsensor 23 und steuert
ein Kraftstoffzufuhrsystem 25 sowie das Zündsystem 26. Der
Drosselklappenöffnungssensor 21 gibt ein Drosselklappenöff
nungssignal aus, der Luftflußsensor 22 wird im Ansaugbe
reich angebracht, um eine Luftflußmenge der in die Maschine
eingesogenen Luft zu messen, und der Drehzahlsensor 23 er
faßt die Umdrehungen pro Minute des Motors, um ein Dreh
zahl- oder Umdrehungssignal auszugeben. Wie oben erwähnt,
werden diese Signale in die Steuerungseinheit 24 zur Steue
rung des Kraftstoffzufuhrsystems 25 und des Zündsystems 26
eingegeben. Mittels der Signale aus der Steuerungseinheit
24 steuern das Kraftstoffzufuhrsystem 25 und das Zündsystem
26 den Lauf des Motors 27. Der Motor 27 überträgt seine
Ausgangsleistung an das Antriebssystem 28 des Fahrzeugs, um
es dadurch anzutreiben.
In dieser Ausführungsform wird ein Wechselstromgenerator 10
(im folgenden Lichtmaschine genannt), der als Hilfseinrich
tung anzusehen ist, als Stellglied eines Steuerungssystems
zur Unterdrückung von Fahrzeugvibrationen benutzt, weil er
sich zur Unterdrückung von während der Beschleunigung auf
tretenden Schwingungen gut eignet. Das System zur Schwin
gungsunterdrückung beinhaltet einen Schwingungsdetektor 31,
der einen Drehmomentwechsel des Antriebssystems 28 des
Fahrzeugs, wie er beispielsweise durch Schwingungen verur
sacht wird, erfaßt, eine Steuerung 40, der auf der Grund
lage des erfaßten Drehmoment-Änderungswertes, wie bei
spielsweise dem erfaßten Schwingungswert, die Pulsbreiten
modulation des Feldstromes der Lichtmaschine 10 durchführt,
sowie ein Stellglied 41, das die pulsbreitenmodulierten
Signale empfängt und den Feldstrom steuert, wodurch sich
eine Steuerung des Ausgangsdrehmoments ergibt.
Die Steuerung 40 führt die Pulsbreitenmodulation des Steue
rungssignals für den Feldstrom auf der Grundlage des erfaß
ten Schwingungswertes durch, so daß der Feldstrom der
Lichtmaschine 10 näherungsweise gleichphasig mit der
Schwingungswelle verläuft. In der Praxis wird für die
Steuerung 40 entweder ein Proportionalsteuerungssystem (P)
oder eine vorhersagende Steuerung verwendet, um die Schwin
gungsunterdrückungssteuerung durchzuführen.
In Fig. 3 wird ein Beispiel dargestellt, bei der die Puls
breitenmodulation des Steuerungssignals für den Feldstrom
unter Verwendung einer Proportionalsteuerung durchgeführt
wird, die Steuerung 40 führt die Proportionalsteuerung (P-
Steuerung) durch. Ein Beschleunigungsdetektor 31a und ein
Bandpaßfilter 31c sind Bestandteile des Schwingungsdetek
tors des Fahrzeugs. Beim Betrieb des Fahrzeugs wird nun dem
Antriebssystem eine Fahrlast 29 als äußere Störung zuge
führt, wodurch Schwingungen auftreten können. Ist dies der
Fall, wird der Beschleunigungsdetektor 31 die Schwingung
erfassen. Die erfaßte Schwingungswelle läuft durch den
Bandpaßfilter 31a, der lediglich Frequenzen innerhalb eines
gewissen Frequenzbereiches durchläßt, beispielsweise um
5,5 Hz herum.
Der erfaßte Beschleunigungswert wird mit einem vorgesetzten
Sollbeschleunigungswert verglichen, um die zwischen ihnen
herrschende Differenz zu erhalten, und auf deren Grundlage
führt dann die Steuerung 40 eine Proportionalsteuerung des
Feldstromes der Lichtmaschine durch, so daß der erfaßte Be
schleunigungswert gleich dem Sollbeschleunigungswert wird;
somit ergibt sich eine Steuerung der Ausgangsleistung der
Lichtmaschine. Die gesteuerte Ausgangsleistung der Lichtma
schine absorbiert die durch die Beschleunigung verursachten
Drehmomentsänderungen im Fahrzeug. Bei dieser Proportional
steuerung wird das Signal zur Steuerung des Feldstromes der
Lichtmaschine durch Pulsbreitenmodulation der erfaßten
Schwingungswelle erzeugt.
Die Steuerung zur Schwingungsabsorption oder -unterdrückung
wirkt nur, wenn die elektrische Last der Lichtmaschine groß
ist. Somit muß, um das für die Schwingungsunterdrückung
notwendige Drehmoment zu erzeugen, ein ausreichend großer
Strom verfügbar sein, und damit ein ausreichend großer Aus
gangsstrom der Lichtmaschine fließen kann, muß eine dement
sprechende elektrische Last vorgesehen sein.
Fig. 4 zeigt eine abklingende Schwingung, wenn die Propor
tionalsteuerung gemäß dieser Ausführungsform greift. Die
Proportionalsteuerung kann mit vergleichsweise geringem
Schaltungsaufwand durchgeführt werden, es ergibt sich aber
eine Ansprechverzögerung, da die Feldwicklung 13 der Licht
maschine eine große Induktivität hat, so daß sich eine ten
denziell längere Zeit bis zum Abklingen der Schwingung er
gibt.
Die Ansprechverzögerung kann verkleinert werden, indem eine
PID-Steuerungsschaltung (proportional/integral/differenzie
rend) verwendet wird, wodurch Verstärkung und Phase ent
sprechend dem Steuerungssystem korrigiert werden.
Die genaue Konstruktion des Systems zur Erzeugung elektri
scher Energie mit der in Fig. 3 dargestellten Proportional
steuerung wird im folgenden bezugnehmend auf Fig. 6 be
schrieben.
In Fig. 6 ist eine dreiphasige Lichtmaschine 10 darge
stellt, die eine Ankerwicklung 11, einen dreiphasigen Voll
wellen-Gleichrichter 12, eine Feldwicklung 13 und ein
Stellglied 41 aufweist. Die Lichtmaschine 10 ist elektrisch
mit der Batterie 14 sowie einer elektrischen Last 15 ver
bunden. Das Stellglied 41 besteht aus einem Leistungstran
sistor 42 zur Steuerung des in der Feldwicklung 13 fließen
den Stromes, einer Diode 43 zur Dämpfung der Änderungen des
durch den Leistungstransistor 42 fließenden Stromes, einem
UND-Gatter 44, einem Komparator 45, einer Referenzspannung
46 und einem Spannungsteiler (Widerstände) 47a, 47b.
Dem Stellglied 41 ist ein Steuerungssystem für den Genera
tor zur Schwingungsunterdrückung beigegeben, das einen
Schwingungsdetektor 31, eine Steuerung 40 und einen Puls
breitenmodulator 40a aufweist.
Der Schwingungsdetektor 31 besteht aus einem Beschleuni
gungsdetektor 31a und einem Verstärker 31b. Als Beschleuni
gungsdetektor 31a kann beispielsweise ein Bauelement ver
wendet werden, das Druck in elektrische Spannung mittels
des Piezoeffektes umwandelt. Die durch die Fahrzeugbe
schleunigung verursachte Schwingung bewirkt diesen Druck.
Die erfaßte Beschleunigung ist sowohl vorwärts als auch
rückwärts gerichtet und wird durch die Fahrzeugbeschleuni
gung verursacht.
Der Bandpaßfilter 31c läßt eine Schwingungskomponente von
ungefähr 5,5 Hz durch, um die Schwingungswelle aus Fig.
1(b) zu erzeugen.
Bei der obigen Konstruktion lädt die Lichtmaschine die Bat
terie 14 und versorgt die elektrische Last mit Energie.
Wenn im Stellglied 41 die Spannung der Batterie 14 kleiner
als eine Bezugsspannung wird, wird die Spannung am Abzapf
punkt des Spannungsteilers aus den Widerständen 47a, 47b
kleiner als die Referenzspannung 46, so daß der Ausgang des
Komparators 45 einen hochpegeligen Zustand einnimmt. Ande
rerseits ist das von der Steuerung 40 über den Pulsbreiten
modulator 40a ausgegebene Signal gewöhnlich hochpegelig.
Wenn die Signale des Komparators 45 und der Steuerung 40
hochpegelig sind, wird auch der Ausgang des UND-Gatters 43
hochpegelig, und der Leistungstransistor 42 wird leitend,
dadurch nimmt der Feldstrom zu und somit auch die erzeugte
Energie.
Wenn die erzeugte Energie zunimmt, nimmt auch die Ausgangs
spannung der Ankerwicklung 11 zu und die Spannung der Bat
terie 14 nimmt zu, so daß die Spannung am Abzapfpunkt des
Spannungsteilers 47a, 47b größer als die Referenzspannung
46 wird. Demzufolge wird der Ausgang des Komparators 45
niederpegelig und der Ausgang des Gatters 44 ebenso, wo
durch der Leistungstransistor 42 abgeschaltet wird und der
Feldstrom kleiner wird. Wenn der Feldstrom kleiner wird,
nimmt die Ausgangsspannung der Ankerwicklung 11 ebenso wie
die der Batterie 14 ab. Durch die Abfolge der obigen Vor
gänge wird die Batteriespannung so geregelt, daß sie kon
stant bleibt.
Wenn die Beschleunigungsvibrationen des Fahrzeugs aufgrund
der während der Beschleunigung auftretenden Schwingungen
groß werden, wird eine Vibrations- bzw. Schwingungswelle
durch den Beschleunigungsdetektor 31a, den Verstärker 31b
und den Bandpaßfilter 31c als ein erfaßter Beschleunigungs
wert ausgegeben. Die in Fig. 1(a) dargestellte Welle ist
die Ausgangswelle des Beschleunigungsdetektors 31a, sie än
dert sich in eine durch die durchgezogene Linie in Fig.
1(b) dargestellte Welle, nachdem sie den Verstärker 31b und
den Bandpaßfilter 41c durchlaufen hat. Der Bandpaßfilter
41c beinhaltet eine Steuerung zur automatischen Verstär
kungsregelung (AGC), so daß die Vibrationswellen nicht
übermäßig groß werden.
Über die Steuerung 40 wird die in Fig. 1(b) mit einer
durchgezogenen Linie dargestellte Welle in den Pulsbreiten
modulator eingegeben und mit einer Dreieckswelle, wie in
Fig. 1(b) dargestellt, verglichen, wobei als Ausgang des
Pulsbreitenmodulators 40a das in Fig. 1(c) dargestellte
Digitalsignal erzeugt wird. Die Pulsbreite des Digital
signals wird größer, wenn der Wert der erfaßten Beschleuni
gung (der Drehmomentsänderung) in positiver Richtung größer
wird, wodurch das Tastverhältnis des Digitalsignals gesteu
ert wird. Der Feldstrom wird mit dem Digitalsignal, also
durch das pulsbreitenmodulierte Signal gesteuert; wenn näm
lich das Digitalsignal als ein Steuerungssignal für den
Feldstrom der Lichtmaschine verwendet wird, ergibt sich ein
Feldstrom wie in Fig. 1(d) dargestellt, der mit der Schwin
gung aus Fig. 1(a) näherungsweise gleichphasig ist. Tritt
eine negative Beschleunigungskomponente auf, vermindert
sich aufgrund des zur Schwingungswelle gleichphasigen Feld
stromes die Ausgangsleistung der Lichtmaschine, wodurch
auch die Motorlast abnimmt, wohingegen dann, wenn eine
positive Beschleunigungskomponente auftritt, die Ausgangs
leistung der Lichtmaschine zunimmt, wodurch auch die Motor
last zunimmt, so daß durch die Zu- und Abnahme des An
triebsmomentes der Lichtmaschine die Schwingungen des Fahr
zeugs unterdrückt werden.
Die Schwingungsunterdrückung mittels Feldstromsteuerung ist
dann wirksam, wenn die elektrische Last der Lichtmaschine
groß ist. Um die in Fig. 1(d) dargestellte Wellenform des
Feldstromes zu erhalten, ist es notwendig, daß sofort dann,
wenn der Transistor 42 gesteuert durch das pulsbreitenmodu
lierte Signal leitend wird, der notwendige Feldstrom zur
Verfügung steht. Wenn die elektrische Last 15 am Ausgang
der Lichtmaschine groß ist, wird der Ausgang des Kompara
tors 45 dauernd hochpegelig sein und der Ausgang des Puls
breitenmodulators 40a wird an die Basis des Leistungstran
sistors 42 ausgegeben, wodurch mittels des in der Feldwick
lung fließenden Feldstromes die Feldwicklung mit Energie
versehen wird, wenn der Leistungstransistor 42 angeschaltet
wird, und wodurch andererseits der Feldwicklung Energie
entzogen wird, wenn der Leistungstransistor 42 ausgeschal
tet wird, so daß kein Feldstrom mehr fließt. Somit erhält
man eine Stromwelle wie in Fig. 1(d) dargestellt.
Wie weiter in Fig. 1(d) dargestellt, ist es notwendig, daß
der Feldstrom näherungsweise gleichphasig mit der Schwin
gungswelle ist und daß ein Antriebsmoment für die Lichtma
schine erzeugt wird dessen Drehmoment gegenphasig zur
Schwingungswelle verläuft. Zur Schwingungsunterdrückung ist
es sehr wichtig, daß Feldstrom und Schwingungswelle gleich
phasig sind.
Als Steuerung zur Erreichung der Schwingungsunterdrückung
ist es möglich, eine Proportionalsteuerung, eine PID-Steue
rung und eine Vorhersagesteuerung zu verwenden.
Die zur Schwingungsunterdrückung der Lichtmaschine einge
setzte Vorhersagesteuerung wird nun bezugnehmend auf Fig. 5
detailliert erklärt.
Um die durch die Fahrzeugbeschleunigung verursachte Schwin
gungswelle eines Fahrzeugs vorherzusagen, wird das erste
Viertel eines Zyklus der Schwingungswelle, also der Be
schleunigungsänderung, erfaßt. Die Schwingungswelle wird
als eine Sinuskurve vorhergesagt, was durch eine gepunktete
Linie der Vibrationsstärke H und der Zykluszeit 4T darge
stellt ist. Die Ausgangsleistung der Lichtmaschine wird so
erzeugt, daß die vorhergesagte Schwingung ausgelöscht wird,
was von der Methode her dem oben beschriebenen Verfahren
gleicht. Die Vorhersagesteuerung basiert auf dem Prinzip,
daß das Schwingungsphänomen Fahrzeugkörpervibrationen er
zeugt, die die Eigenfrequenz eines Antriebssystems des
Fahrzeugs haben. Die Vorhersagesteuerung hat ein schnelles
Ansprechverhalten dieser Steuerung, so daß diese Art der
Schwingungsabsorption effektiv arbeitet.
Durch die obige Ausführungsform der Erfindung kann die
während der Beschleunigung auftretende Schwingung ausrei
chend unterdrückt werden, so daß sich der Fahrkomfort im
Innenraum des Fahrzeugs erhöht. Erfindungsgemäß wird der
Ausgangsstrom der Lichtmaschine nicht direkt gesteuert,
sondern indirekt über eine Steuerung des Feldstromes, so
daß die Nennwerte der Leistungselemente zur Steuerung ver
gleichsweise klein sind, was sich kostensenkend auswirkt.
Da außerdem die Verwendung von leistungsstarken Schaltele
menten vermieden werden kann, kann das Entstehen von Rau
schen durch das Schalten vermieden werden, so daß sich
keine Beeinflussung des Radios im Fahrzeug ergibt. Es kann
somit durch eine kleine Verbesserung an der Steuerung einer
konventionellen Lichtmaschine die Lichtmaschinensteuerung
zur Schwingungsunterdrückung eines Fahrzeugs einfach durch
geführt werden.
Anstelle eines Detektors für die Fahrzeugbeschleunigung
kann als Schwingungsdetektor auch entweder ein Detektor für
die Änderung des Beschleunigungsbetrages, der ein Signal
entsprechend der zweiten Ableitung der Fahrzeuggeschwindig
keit ausgibt, ein Winkelbeschleunigungsdetektor, der einen
Änderungsbetrag der Motordrehzahl ausgibt, ein Winkelbe
schleunigungsänderungsbetragdetektor, der ein Signal ent
sprechend der zweiten Ableitung der Motordrehzahl ausgibt,
ein Beschleunigungsdetektor, der vorwärts oder rückwärts
gerichtete Beschleunigung des Fahrzeugs erfaßt, oder eine
Schaltung, die die Fahrzeugbeschleunigung in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung erfaßt und das ausgegebene Signal nach
der Zeit differenziert, verwendet werden, wobei die Signale
eines jeden Detektors über einen Filterkreis laufen können,
der Frequenzen innerhalb eines gewissen Frequenzbereiches
durchläßt. Diese Signale können zur Steuerung der Lichtma
schine zur Unterdrückung der Fahrzeugschwingungen verwendet
werden.
Da außerdem die Fahrzeugschwingungen gewöhnlich nur dann
bei der Fahrzeugbeschleunigung auftreten, wenn im Getriebe
der niedrigste Gang eingelegt ist, kann man sich außerdem
eine Schaltung vorstellen, bei der die Getriebestellung
erfaßt wird und die Steuerung der Schwingungsunterdrückung
nur dann durchgeführt wird, wenn der niedrigste Gang einge
legt ist.
Claims (12)
1. Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen
eines Fahrzeugs, das einen Motor zu seinem Antrieb aufweist
sowie eine Lichtmaschine, die mit dem Motor verbunden und
von diesem angetrieben ist, um elektrische Energie zu er
zeugen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Erfassung von Schwingungen des Fahrzeugs;
- - Durchführung einer Pulsbreitenmodulation mit der Schwingung, wodurch ein pulsbreitenmoduliertes Steue rungssignal erzeugt wird; und
- - Veränderungen des Feldstromes der Lichtmaschine mit dem pulsbreitenmodulierten Steuerungssignal, so daß der Feldstrom näherungsweise gleichphasig mit der Schwingung verläuft, wobei die Lichtmaschine Energie zur Absorption der Schwingung des Fahrzeugs erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die er
faßte Schwingung mit einem vorbestimmten Sollwert zur Er
zeugung einer Differenz zwischen beiden verglichen wird,
und wobei die Pulsbreitenmodulation des Feldstromsteue
rungssignals der Lichtmaschine mit einem geschlossenen Re
gelkreis, der eine Proportionalsteuerung enthält, durchge
führt wird.
3. Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen
eines Fahrzeugs, die durch die Beschleunigung des Fahrzeugs
verursacht werden, wobei das Fahrzeug einen Motor zu dessen
Antrieb aufweist und eine Lichtmaschine, die mit dem Motor
verbunden und von diesem angetrieben ist, um elektrische
Energie zu erzeugen, gekennzeichnet durch folgende Schrit
te:
- - Erfassung des anfänglichen Stadiums eines Vi brationszyklus der durch die Fahrzeugbeschleunigung verur sachten Schwingung;
- - die Vorhersage eines Schwingungsmusters auf der Grundlage des erfaßten Anfangsstadiums des Vibrationszyklus der Schwingung;
- - Durchführung der Pulsbreitenmodulation mittels der vorhergesagten Schwingungswelle, um ein Steuerungs signal zu erzeugen; und
- - Veränderung des Feldstromes des Generators mit dem pulsbreitenmodulierten Steuerungssignal, so daß der Feldstrom näherungsweise gleichphasig mit der vorhergesag ten Schwingungswelle ist, wobei die Lichtmaschine Energie zur Absorption der Fahrzeugschwingung erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das an
fängliche Stadium des Vibrationszyklus der Schwingung ein
Beschleunigungswert nach einem Viertel eines Zyklus ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Be
schleunigungswert nach einem Viertel eines Zyklus den Vi
brationswert H aufweist.
6. Verfahren zur Unterdrückung eines in einem
Fahrzeug stattfindenden Drehmomentwechsels, wobei das Fahr
zeug einen Motor zu seinem Antrieb aufweist und eine Licht
maschine, die mit dem Motor verbunden ist, damit sie von
diesem angetrieben werden kann und elektrische Energie er
zeugt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
- - Erfassung eines Drehmomentwechsels im Fahrzeug;
- - das Filtern der erfaßten Drehmomentsänderung, wobei Vibrationswellen einer bestimmten Frequenz des Dreh momentwechsels durchgelassen werden;
- - Durchführung der Pulsbreitenmodulation mittels der Vibrationswelle, um ein pulsbreitenmoduliertes Steue rungssignal zu erzeugen; und
- - Veränderung des Feldstromes der Lichtmaschine mit dem pulsbreitenmodulierten Steuerungssignal, so daß der Feldstrom näherungsweise gleichphasig mit der Vibrations welle ist, wobei die Lichtmaschine Energie zur Absorption der Schwingungswelle des Fahrzeugs erzeugt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem der Feldstrom der Lichtmaschine nur dann beeinflußt
wird, wenn im Getriebe ein niedriger Gang eingelegt ist.
8. Vorrichtung zur Schwingungsunterdrückung bei
Fahrzeugen, die mit einem Motor (27) zu ihrem Antrieb sowie
einer mit dem Motor (27) verbundenen und von ihm angetrie
benen Lichtmaschine (10) zur Erzeugung von elektrischer
Energie versehen sind, gekennzeichnet durch:
- - Mittel (31) zur Erfassung von durch die Fahr zeugbeschleunigung erzeugten Fahrzeugschwingungen;
- - Mittel (40, 40a) zur Durchführung von Puls breitenmodulation der erfaßten Schwingung, um ein pulsbrei tenmoduliertes Steuerungssignal zu erzeugen; und
- - Mittel (41) zur Veränderung des Feldstromes des Generators (10) mit dem pulsbreitenmodulierten Steue rungssignal, so daß der Feldstrom näherungsweise gleichpha sig mit der Fahrzeugschwingung ist, wobei die Lichtmaschine (10) elektrische Energie zur Absorption der Fahrzeugschwin gung erzeugt.
9. Vorrichtung zur Schwingungsunterdrückung bei
Fahrzeugen, die mit einem Hauptantriebsübertragungssystem
zum Übertragung von Motorleistung an die Fahrzeugräder so
wie mit einem Hilfsantrieb zur Übertragung eines Teils der
Motorleistung an eine Lichtmaschine (10) versehen sind, ge
kennzeichnet durch:
- - einen Sensor (31) zur Erfassung von durch Be schleunigung verursachten Fahrzeugschwingungen,
- - Mittel (40) zum Vergleichen eines Beschleuni gungswertes der erfaßten Schwingung mit einem Soll-Be schleunigungswert, um eine Differenzwelle zwischen ihnen zu bilden, und zum Durchführen von Pulsbreitenmodulation mit der Differenzwelle, indem ein geschlossener Regelkreis ein schließlich einer Proportionalsteuerung zur Anwendung kommt, wodurch pulsbreitenmodulierte Steuerungssignale er zeugt werden; und
- - Mittel (42, 44) zur Eingabe des pulsbreitenmo dulierten Signals und zur Steuerung des Feldstromes der Lichtmaschine mit dem pulsbreitenmodulierten Signal, um die Energieerzeugung der Lichtmaschine (10) zu steuern, wodurch die Schwingung des Fahrzeugs absorbiert wird.
10. Vorrichtung zur Schwingungsunterdrückung
bei einem Fahrzeug, das mit einem Hauptantriebssystem zur
Übertragung von Motorleistung an die Räder sowie mit einem
Hilfsantriebssystem zur Übertragung eines Teils der Motor
leistung an einen Generator (10) versehen ist, gekennzeich
net durch:
- - Mittel (31) zur Erfassung eines Teils einer Schwingung des Fahrzeugs, die durch die Fahrzeugbeschleuni gung verursacht wurde;
- - Mittel (40) zur Vorhersage eines Schwingungs wellenmusters auf der Grundlage des erfaßten Teils der Schwingung und zur Durchführung von Pulsbreitenmodulation mit der vorhergesagten Schwingungswelle, wodurch pulsbrei tenmodulierte Steuerungssignale erzeugt werden; und
- - Mittel (42, 44) zur Eingabe des pulsbreitenmo dulierten Steuerungssignals und zur Steuerung des Feld stromes der Lichtmaschine (10), wodurch die Erzeugung elek trischer Energie gesteuert und die Schwingung des Fahrzeugs absorbiert wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei
der das Schwingungserfassungsmittel (31) einen Beschleuni
gungsdetektor (31a) zur Erfassung einer Änderung der Fahr
geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie eine Filterschaltung
(31c), die die Ausgabe des Beschleunigungsdetektors (31a)
innerhalb eines gewissen Frequenzbereiches durchläßt, auf
weist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei
der das Schwingungserfassungsmittel (31) umfaßt:
- - ein erstes Mittel (31a) , das entweder
- - ein Detektor für den Änderungsbetrag der Beschleunigung zur Ausgabe eines Wertes entsprechend der zweiten Ableitung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, oder
- - ein Winkelbeschleunigungsdetektor zur Aus gabe des Änderungsbetrages der Motordrehzahl; oder
- - ein Detektor für den Änderungsbetrag der Winkelbeschleunigung zur Ausgabe eines Wertes entsprechend der zweiten Ableitung der Motordrehzahl; oder
- - ein Beschleunigungsdetektor zur Erfassung von vorwärts und rückwärts gerichteter Beschleunigung; oder
- - eine Kombination eines Beschleunigungsde tektors zur Erfassung vorwärts und rückwärts gerichteter Beschleunigung mit einer Differenzierungsschaltung zur Dif ferenzierung der Ausgabe des Beschleunigungsdetektors nach der Zeit ist; und
- - eine Filterschaltung (31c), die eine Ausgabe des ersten Mittels (31a) eines bestimmten Frequenzbereiches durchläßt.
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