CN105523027A - 用于运行制动机构的方法和装置，制动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行制动机构（1）、尤其驻车制动机构的方法，所述制动机构具有带有电动马达（8）的执行器（7），该执行器将执行器元件（10）移位到致紧部位中或释放部位中，其中电动马达（8）依据电动马达（8）的马达常数和电阻而控制，其特征在于，在执行器元件（10）的移位中获取当前的马达输入电压和当前的马达电流，并且依据所获取的马达输入电压和所获取的马达电流来确定马达常数和电阻。

Description

用于运行制动机构的方法和装置，制动机构

技术领域

本发明涉及一种用于运行制动机构、尤其是驻车制动机构的方法，该制动机构具有包括电动马达的执行器，该执行器将执行器元件可选地移位到夹紧部位或释放部位中，其中依据马达常数和电动马达的电阻来控制电动马达。

本发明还涉及一种具有权利要求7的前序部分的特征的、用于运行这样的制动机构的装置，以及一种具有权利要求8的前序部分的特征的制动机构。

背景技术

开文提到类型的方法和装置以及制动机构从现有技术中已知。带有以电动马达驱动的执行器的制动机构例如从DE19732168C1中已知。为了运行制动机构而有意义的是，实现定义的致紧力，利用该致紧力来操控制动机构。在此，致紧力理解为夹紧力，在由执行器元件用力加载的制动片和制动盘之间设定该夹紧力。通常，对此，电动马达的旋转运动通过传动装置-主轴单元转化为执行器元件的平移运动。在用于致紧过程的电动马达的各个控制中，必须首先通行两个空程，即通行在开始时始终存在的、在执行器元件和可能的有待移位的制动活塞之间的间隙以及在制动片和制动盘之间的间隙，所述制动活塞通过执行器元件向着制动盘挤压。之后实现了到制动盘上的垂直力、所谓的致紧力的建立。该致紧力必须在所有的特定运行条件下实现定义的最小值。但是出于成本原因省去了直接的力测量。

此外，必须为解除过程保证的是，执行器元件在预先设定的行程内运动。在这种情况中必须保证的是，即便在制动片磨损的观点下，在结束解除过程之后通过过小的行程也不出现残留制动力矩。此外也不该通行过大的路径，该路径（在没有另一个校正措施的情况下）在接续的致紧过程中导致增大的接通时间。为了尽可能精确地确定致紧力和执行器元件的行程，因此已知的是，求取典型的马达参数并且依据该马达参数来控制电动马达。典型的马达参数尤其是指电动马达的马达常数以及电动马达的电阻。利用对马达参数、尤其是马达常数的了解，可以在致紧过程中足够精确地确定或者说估计电动马达的输出力矩（转矩）和因此夹紧力或者说致紧力。在解除过程中、即在执行器元件移位到其释放部位的过程中，能够在了解了该信息的情况下精确地计算行程。

发明内容

具有权利要求1的特征的根据本发明的方法具有的优点在于，在制动机构的运行中求取出马达参数、即马达常数和电阻，从而外部的边界条件、例如环境温度或诸如此类的也能够得到考虑。对此根据本发明设置的是，在执行器元件的移位中获取实时的马达输入电压和实时的马达电流，并且借助于所获取的马达输入电压和所获取的马达电流来确定马达常数和电阻。控制器从执行器的控制时刻起测量马达电流和控制器电压，该控制器电压对应马达输入电压，并且从中计算出所提到的马达参数。在致紧过程中，从马达参数中针对性地计算出致紧力。在解除过程中，从电流和电压信息中求取出执行器元件的行程。有利地，在致紧过程的确定的阶段中获取在致紧过程中的马达电流和马达输入电压。

尤其优选地，循环地获取马达输入电压和马达电流。对此，从能够预先设定的离散的时刻起，尤其在致紧过程期间，利用预先设定的频率来扫描马达电流和马达输入电压。

按照本发明的一个有利的改型方案设置的是，如果存在恒定的或几乎恒定的负载力矩，就获取马达输入电压和马达电流。如果执行器位于无负载的操控阶段中（在该操控阶段中，实时的负载力矩尤其仅从电动马达的操控力矩和执行器的摩擦力矩中得出），便尤其是这种情况。尤其在操控过程的开始时，当移位执行器元件以用于克服之前所提到的间隙时，则存在负载力矩，从电动马达的操控力矩和有待通过执行器元件的移动来克服的摩擦力矩中得到该负载力矩。负载力矩在执行器元件到达制动盘之前是恒定的。但是也能够使用带有恒定的负载力矩的操控阶段，其中为了确定马达常数和电阻而获取马达电流和马达输入电压。尤其能够设置的是，如果制动机构被解除，就在带有恒定的负载力矩的阶段中获取马达电流和马达输入电压。

优选地，如果存在恒定的或几乎恒定的负载力矩，就在致紧过程中获取马达输入电压和马达电流。如果电动马达启动，尤其在致紧过程的第一阶段中就是这种情况。由于存在恒定的或几乎恒定的负载力矩，则简化了计算花费且能够更为快速地和节约资源地确定马达参数。

此外优选地设置的是，在接通阶段中、即在控制的第一阶段中获取马达输入电压和马达电流（正如之前所提到的那样），尤其是因为这里存在恒定的或几乎恒定的负载力矩。

按照本发明的一个有利的改型方案设置的是，在断开阶段中终止电动马达的控制，如果电动马达已经达到了恒定的或几乎恒定的转速。

此外优选地设置的是，在断开阶段中确定马达常数和电阻。

此外优选地设置的是，依据电压梯度，尤其在断开阶段中确定马达常数和电阻、即典型的马达参数。

具有权利要求7的特征的根据本发明的装置的特征在于控制器，该控制器执行根据本发明的方法。由此得出已经提到的优点。

具有权利要求8的特征的根据本发明的制动系统的特征在于根据本发明的装置。由此得出已经提到的优点。从之前的说明以及从权利要求中得到其它的特征和优点。

附图说明

下文借助于附图具体地阐释本发明。图示：

图1是在简化的剖视图中的、带有集成的驻车制动功能的机动车的制动机构，

图2是制动机构的电动马达基于时间的特性，

图3是电动马达的示意性展示，并且

图4是电动马达的简化的等效电路图。

具体实施方式

图1在简化的剖视图中示出了这里未具体展示的机动车的制动机构1。制动机构1构造为盘式制动器并且对此具有制动钳2，该制动钳承载制动片3，与机动车的车轮防止扭转地相连的制动盘4能够夹紧或者说致紧在所述制动片之间。另外，为制动钳2配设液压的执行器5，该执行器具有制动活塞6，能够液压地操控该制动活塞，以便在需要时将制动盘4致紧到制动片3之间。由此在行驶运行中将制动力矩施加到制动盘4和因此到车轮上，该制动力矩用于延迟车辆。

制动机构1还构造为驻车制动机构，或者说具有驻车制动功能并且还具有以电动马达驱动的执行器7，该执行器由电动马达8、当前构造为主轴传动装置的执行器传动装置9和执行器元件10形成。电动马达8的输出轴在此与执行器传动装置9的驱动主轴11防止扭转地相连。驱动主轴11具有外螺纹，该外螺纹与能够沿着驱动主轴11移动的执行器元件10的内螺纹共同作用。通过对电动马达8的控制，因而将驱动主轴11移置到旋转运动中，以便移位执行器元件10。在此，执行器元件10能够从释放部位移位到致紧部位中，在该致紧部位中所述执行器元件10将制动活塞6向着制动盘4挤压并且由此将制动钳2致紧。执行器元件10还与制动活塞6同轴地布置且布置在制动活塞6内。通过执行器传动装置9实现将驱动主轴11的旋转运动转化为执行器元件10的平移运动。就此而言，车轮制动机构对应已知的车轮制动机构。为了优化电动马达8的控制和车轮制动机构1的运行，在车轮制动机构1的运行中求取电动马达8的马达参数并且用于控制车轮制动机构1、尤其是执行器7，以便例如尽可能精确地估计夹紧力并且（尤其在解除过程中）能够较好地计算执行器元件10的行程。

控制器从电动马达8的控制时刻起测量马达电流i（t）和马达输入电压u（t），该马达输入电压对应其输出端的控制器电压。控制器从这些输入值中计算出典型的马达参数、马达常数和电阻。在致紧过程中，从中计算出当前的致紧力F_c（t）。在驻车制动器的解除过程中，从电流和电压信息中求取出执行器元件10的行程。这在当前有利地在致紧过程的确定的阶段中进行。

图2对此在基于所绘出的时间t的图表中示出了马达电流以及与马达电流关联的、电动马达8的输出轴的马达角速度。在此，时间走势分为三个阶段I、II和III。在第一阶段I中存在较高的接通电流和电动马达8从先前的静止位置中的加速。紧随其后的阶段II特征在于近似恒定的马达电流和近似恒定的角速度，该角速度在通行制动机构1中的间隙时产生。在该阶段II中会通行在致紧过程之前存在的、驱动主轴的间隙和在靠置到制动盘4之前的、制动片3与制动盘4的空气间隙。在第三阶段III中产生作用到制动盘4上的合成的致紧力。所描述的和在图2中展示的马达电流和马达角速度的走势显示的是，电动马达8首先没有负载并且从阶段III起相对于力/负载致紧。有利地，在第一阶段I中获取和评定马达电流和马达输入电压。但是也能够设想的是，在下文中所描述的方法即便在解除过程中、即在执行器元件10从致紧部位到释放部位的移位中、在解除过程的整个时长期间也得到使用。

在下文展示了用于执行所述方法的物理基础。在此，基于在图3中所示出的电动马达8的结构图。图3还示出了电动马达8、电动马达8的合成的欧姆电阻R、马达电感L以及马达-传动装置-单元的合成的惯性矩。以电动马达驱动的执行器的数学模型通过下述的方程来表述：

在此，i表示马达电流，ω表示马达角速度，u表示马达输入电压，M_L表示负载力矩，M_F表示摩擦力矩，M_C表示马达输出端上的操控力矩（驱动转矩），s表示执行器元件10的行程，K表示马达常数，且γ表示将马达角速度计算为驱动主轴11的主轴速度的常数。

在方程（3）中出现的、在马达输出端上的操控力矩M_c在致紧过程中与作用到车轮的制动盘4上的垂直力成比例。借助于方程（2）到（4）能够在车轮制动机构1的解除的情况下、在马达常数K的已知中求取出行程s（t）。

从方程（1）到（3）得到了下述的微分方程，该微分方程反映了马达电压u（t）和负载力矩M_L（t）对马达电流的影响：

通过方程（5）到拉普拉斯区域的变换，可以得到：

方程（5）和（6）形成了另外被展示的、用于确定马达参数的不同的策略的基础。

对夹紧力的估计相关的与温度有关的参数、即马达常数K和合成的欧姆电阻R的确定是在阶段I中的致紧过程中进行的。在该阶段中对操控力矩适用：M_c=0。

由此根据方程（3），负载力矩M_L仅包括摩擦力矩M_F。下文中展示了用于马达参数确定的两个不同类型的方法。这两个方法被描述为类型A或者说类型B。

在类型A中首先与扫描时间T_A等距地获取了两个测量信号、即马达电流i（t）和马达输出电压u（t），从而获得了时间离散的信号值u（n）和i（n）。由此可以形成下述的递归的微分方程:

在所述递归的微分方程中实现的系数是相应地取决于马达参数的常数。因为在阶段I中，以电动马达驱动的执行器7的摩擦力矩拥有恒定的、却未知的值M_F0，则从方程（7）得出了：

微分方程：

其中出现的系数γ1到γ4能够在引入了系统的电的或者说机械的以下时间常数

和系统传递特性的两个极值之后

如下地算出：

未知的参数的数目现在用r计算。在这里所涉及的类型中，r=4。未知的系数λ1到λ4为了更好理解下述的计算而总和为参数向量：

通过用于不同的离散时刻n的方程（9）的表述而产生了方程组，从中能够确定参数向量γ。用于确定参数的方法在下文中进一步阐释。对两个马达参数K和R的下述计算而言，仅仅需要系数γ1和γ2。从以下得到马达参数：

在类型B中，由于忽视了出现在电枢绕组的电感上的压降，便实现了马达参数的简化的估计。在该假设中，从方程（5）和（6）中得到了以下关系：

相应属于方程（9）的时间离散的系统微分方程是：

其中：

在此，M_F0又描述了在闭合过程的阶段I中作为常数假设的摩擦力矩。未知的系数的数目在这里是r=3。对其它的计算而言，系数γ1到γ3总和为r维的参数向量：

两个马达参数K和R的确定是在两个下述的方程中进行的：

对此，仅仅需要两个系数γ1和γ2。

与致紧过程不同的是，在解除过程中、即在执行器元件10到释放部位的移位中，不存在阶段，在该阶段中前提是恒定的负载力矩M_L。但是在这里基本地也得到了用于计算马达参数、马达常数和电阻的相同的过程。但是现在在类型A的估计方程（9）中，参数γ4是可变负载M_L的函数，并且因而能够在各个扫描步中假设为不同的值。这同样适用于方程（22）中的参数γ3。

首先从预先设定的、在状态过程的阶段I中的离散时刻N起，之前在彼此接续的离散的扫描时刻中测量的数据i（1）到i（N）或者说Δu（2）到Δu（N）可供使用。为了使得始终包含在测量值中的干扰的影响尽可能小，则N优选地选择为显著地大于包含了参数向量γ的估计参数的数目。对参数向量γ的估计值在下文中用描述。

在此，b描述电流向量并且S表征数据矩阵。对类型A而言，用于估计在方程（17）中所展示的参数向量γ的这两个参量如下地定义：

对类型B而言，为了根据方程（26）估计参数向量γ，则在简化的微分方程中，b和S具有下述的结构：

用于参数估计的方程（29）的求解要求更大的存储器位置需求并且使得矩阵求逆成为必要。后者在该估计方法的实时应用中导致对所应用的计算机系统的能力的较高的要求。所述方法还预先需要用于有待估计的参数向量的所有组分的常数值。因此，该策略优选仅仅执行用于致紧过程。

用于γ的参数确定的有利的实现方案通过递归的估计方法而得到。该过程也允许了在参数向量的随时间改变的组分中的应用。因此，除了在致紧过程中的参数确定之外，也能够应用在解除过程中的估计中。

在该递归方法中，例如在各个离散的时刻n处，在预先设定的时间间隔中分别重新执行对参数向量γ的估计。该估计的结果是用（n）描述的。在该方法中，从前一个扫描步的估计值（n）和累加项中得到了用于参数向量的在时刻n+1处的估计值即（n+1），该累加项作为q维的修正向量β（n+1）和估计误差e（n+1）之间的乘积根据以下式子来描述：

从最新的电流估计值和由到目前为止的测量数据所形成的对该电流测量的预测之间的差值中利用以下式子计算出估计误差：

在类型A中，数据向量在这个用于根据方程（17）估计向量（n+1）的关系中拥有下述的结构：

在类型B中，为了根据方程（26）估计向量（n+1），从下述得到了数据向量：

在方程（34）中出现的r维的修正向量β（n+1）是用以下式子计算的：

其中P（n）表征对称的r维协方差矩阵，该协方差矩阵是利用单位矩阵I递归地根据以下关系求取的：

为了初始化递归的方程（34）和（39），起始值和P（0）是必需的。如果用马达参数R和K的名义值表示两个组分和，便产生了起始值的有利的设计。这在类型A中借助于方程（13）和（14）或者说在类型B中利用方程（23）和（24）来进行。借助于在方程（38）中的对称的r维的设计矩阵Q，在递归的算法内影响参数估计（n+1）的收敛特性。在使用带有对角元素q₁₁≥0...q_rr≥0的对角矩阵中得到有利的实现方案。在此，能够通过各个对角元素q_ii直接影响参数向量（n）的组分 _i（n）的收敛。有利地证实了对角元素在测量数据的评定过程期间的适配。由于对角元素的较大的值，估计向量的所配设的组分的收敛能够得以改善。在带有属于估计组分的物理参量的较小的激励或者说改变的时间间隔期间，能够利用一个值参数化所属的对角元素。相反，在带有的所属的组分的较高的激励或者说较大的改变的间隔期间，将对角元素匹配到较大的值上。在解除过程中的参数估计中，由于可变的力矩M_c，尤其参数向量γ中的组分γ_r是随时间改变的。对该情况而言，因此设计矩阵Q中的对角元素q_rr应利用相对于该矩阵的其它对角元素的较大的值进行参数化。

因为在所描述的方法的所有所展示的类型中，马达输入电压u或者说电压梯度Δu进入估计方程中，则所述方法尤其同样在机动车应用中适合于车载电网电压的始终出现的振动。当前，以阶段I为例在自动化的驻车制动器或者说制动机构1的致紧过程中展示了所述方法。因此能够利用用于马达参数K和R的所估计的值保证的是，实现在制动盘上的、在致紧过程中所要求的力水平。所展示的方法也能够在驻车制动器解除过程中相应地使用。在此，通过评定电流和电压数据，能够求取在先前的时段随着闭合的驻车制动器所产生的K和R中的改变。由此能够通过所估计的参数来遵循定义的解除路径，从而一方面避免了导致残留制动力的较小的解除路径，并且另一方面避免了过大的解除路径，在所述过大的解除路径中在下一个致紧过程中导致延迟的响应时间。

所述方法因此提供的可能性是，通过评定循环获取的、马达输入电压u和马达电流i的数据，实时估计马达常数K和电动马达8的合成的电阻。所述方法分两阶段实现，其中在第一步骤中估计线性的微分方程的系数，并且在第二步骤中从这些系数中计算出参数K和R。

类型A适用于带有不能够忽略的乘积Ldi/dt的系统。估计方程包含四个系数。在此，两个系数与相应互相接续的电流值相结合，一个系数是在电压梯度前的因数并且一个系数与摩擦力矩成比例。为了计算出有待确定的参数，仅仅需要两个配设给电流的参数。类型B尤其适用于带有能够忽略的乘积Ldi/dt的系统。合成的简化的估计方程包含三个系数。在此分别有：一个系数与电流值相结合，一个系数是在电压梯度前的因数并且另一个系数与摩擦力矩成比例。为了计算出有待确定的马达参数，仅仅需要与电流和电压梯度相结合的参数。

为了确定两个马达参数K和R能够解出线性的方程组，该方程组也包含逆矩阵。在此，所述方法最小化了误差平方的和，该误差平方基于受到干扰的测量值而产生。

有利的设计方案通过使用递归的估计方法相应于方程（34）到（39）而得出。在此，所扫描的电流和电压信号的测量值应用到数据向量中。通过设计矩阵Q中的对角元素的合适的定维度，能够改变参数向量的组分的估计的收敛。尤其，也能够在用于参数向量的估计过程的阶段中改变这些元素，以便因而改变参数向量的确定的组分的收敛。例如，在阶段I的致紧过程期间存在带有在马达输入电压中的较大的改变的时间间隔。尤其，应该在具有进入数据向量中的电流或电压信号的较大的激励或者说改变的时间处，通过相应的对角元素的较大的值来强制γ的所配设的组分的收敛。在解除过程中的参数确定中，在这里能够考虑在估计方程中的负载力矩的可以随时间改变的影响。

在第二阶段中使用在第一阶段中所估计的系数，以便求取出马达参数K和R。对此，尤其高效迭代的算法适用在所应用的微处理器-运算器中。借助于其帮助，也能够利用除法，乘法和三角函数实时地从非线性的方程中计算马达参数。

马达参数的确定是借助于消隐期（Austastlücke）来进行的。

通过评定在所谓的自由运行阶段期间的电动马达8的电压走势，另外执行力估计或者说夹紧力的估计。正如之前所描述的那样，能够在启动阶段中计算出在阶段I中的马达电阻R和马达常数K。如果在该启动阶段期间出现了电压骤降，则必须识别和补偿所述电压骤降。利用（霍尔）无传感器系统的引入而提供了标准，该标准明确允许在控制期间的电动马达8的无电压的、未被制动的自由运行。该消隐期在电动马达8的无负载的空运行阶段期间被用于马达参数的进一步确定或者说支持，其中实现了相对于具有制动机构1的机动车的车载电网的电压振动的较大的敏感性。

如果电动马达8在接通高位（阶段I）之后在无负载的空运行阶段中没有用电制动器断开，则发电机方面的电压的走势仅通过马达/传动装置单元的常数的摩擦力矩进行确定。图4示出了带有恒定的负载的电动马达8的简化的等效电路图。

U_B是工作电压，l_L是由负载力矩引起的空运行电流，J是电枢的质量惯性并且u_G是发电机方面的电压，该电压由继续转动的电动马达8通过感应引起。为了使用该策略，必须在电压断开之前或之后测量恒定的空运行电流。如果所述测量的电流i在接通高位之后不再改变，便是这种情况。现在转速是恒定的并且等效电容C_M被充电。在断开电压之后，虽然实际上不再有电流流动，但是只要等效电容还被充电，则虚拟地在等效电路图中还存在l_L。因为摩擦力矩是恒定的，则空运行电流也是恒定的并且发电机方面的电压线性地衰减。根据电容器上的电流/减压法则，得到了以下关系：

对消隐期T时间而言可以在控制器计算：

质量惯性力矩J被假设为已知。在消隐期期间因此仅必须计算马达电压u的梯度。为了计算R_M足够的是，直接在断开工作电压之后测量马达电压。该电压差在这里应该也描述为Δu。对R_M而言因此直接得到了：

参数即马达常数K_M和电动马达8的电阻R的计算因此基于电流和电压值来执行，并且如果电动马达8已经达到了恒定的最终转速，就尽早断开马达控制。所述计算借助于断开阶段期间的电压梯度Δu的评定来进行。

Claims (10)

1.用于运行制动机构（1）、尤其驻车制动机构的方法，所述制动机构具有带有电动马达（8）的执行器（7），该执行器将执行器元件（10）可选地移位到致紧部位中或释放部位中，其中依据电动马达（8）的马达常数和电阻控制电动马达（8），其特征在于，在执行器元件（10）的移位中获取当前的马达输入电压和当前的马达电流，并且依据所获取的马达输入电压和所获取的马达电流确定马达常数和电阻。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，循环地获取马达输入电压和马达电流。

3.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果存在恒定的或几乎恒定的负载力矩，就获取马达输入电压和马达电流。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，在致紧过程中获取马达输入电压和马达电流。

5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在接通阶段中获取马达输入电压和马达电流。

6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果电动马达已经达到了恒定的或几乎恒定的转速，就在断开阶段中终止电动马达（8）的控制。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在断开阶段中确定马达常数和电阻。

8.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，依据电压梯度，尤其在断开阶段中确定马达常数和电阻。

9.用于运行用于车辆的制动机构（1）、尤其驻车制动机构的装置，其中制动机构（1）具有带有电动马达（8）的执行器（7），该执行器将执行器元件（10）可选地移位到致紧部位中或释放部位中，其特征在于控制器，该控制器执行按照前述权利要求中一项或多项的方法。

10.用于车辆、尤其机动车的制动机构（1）、尤其是驻车制动机构，该制动机构具有带有电动马达（8）的执行器（7），该执行器将执行器元件（10）可选地移位到致紧部位中或释放部位中，其特征在于按照权利要求9所述的装置。