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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche
1, 2 und 8 ein Verfahren und gemäß dem Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche
10, 11 und 12 eine Vorrichtung zur Steuerung eines dezentralen Bremssystems
eines Fahrzeugs, sowie gemäß Anspruch
13 ein Speichermedium für
ein Programm zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Ein
dezentrales elektrisches Bremssystem für ein Kraftfahrzeug ist aus
der
DE 198 26 131
A1 bekannt. Das dort gezeigte Bremssystem weist eine dezentrale
Struktur auf, wobei eine Pedaleinheit zur Bildung der fahrerwunschabhängigen Führungsgrößen, ggf.
eine Verarbeitungseinheit zur Berücksichtigung von Zusatzfunktionen
sowie Radeinheiten zur Steuerung bzw. Regelung der Stellglieder
der Radbremsen über
ein oder mehrere Kommunikationssysteme miteinander verbunden sind.
Dabei sind die Radsteuereinheiten jeweils einer Radbremse zugeordnet
und in deren Nähe
angeordnet, während
Verarbeitungseinheit und Pedalmodul an zentraleren Orten des Fahrzeugs
angebracht sind. Problematisch bei solchen dezentralen elektrischen
Bremssystemen ist die Implementierung eines Antiblockierreglers.
Infolge des Kommunikationssystems ist beim Transport von Daten und
Informationen mit Übertragungs-
und Latenzzeiten zu rechnen. Dadurch kann eine in einer zentralen
Steuereinheit implementierte Blockierschutzfunktion in Zusammenhang
mit hydraulischen, pneumatischen oder auch elektromotorischen Lösungen beeinträchtigt sein.
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Besonders
schwerwiegend ist dieser Nachteil in Systemen, in denen wenigstens
eine der Radbremsen mittels einer elektromotorischen Zuspannung
betrieben wird. Durch den als Bremsensteller verwendete Elektromotor
ergeben sich zusätzliche Trägheiten
im Bremssystem. In Bezug auf die speziellen Eigenschaften, die zur
Realisierung einer Antiblockierfunktion notwendig sind, ist ein
solches Bremssystem in der Regel langsamer als konventionelle (hydraulische
oder pneumatische) Lösungen.
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Wird
nämlich
beim Zuspannen der Elektromotor voll bestromt und wird dann (im
Rahmen des Blockierschutzes) eine geringere Zuspannkraft bzw. ein
geringeres Bremsmoment als Führungsgröße vorgegeben
als die Istgröße, so steckt
durch die Rotation und Translation der bewegten Teile eine große Menge
an kinetischer Energie im System. Dies ist hinderlich bei der im
Rahmen der Antiblockierfunktion vorgesehenen Öffnung der Zange. Dies gilt
selbst dann, wenn im Falle eines Gleichstrommotors als Steller eine
Drehrichtungsumkehr durch Umpolen der Versorgungsspannung und ggf.
ein Anpassen des Betrages an die Bewegungsumkehr erreicht wird.
In diesem Fall ist der Bremsensteller aufgrund der rotierenden Masse
so träge,
dass ein weiteres kurzzeitiges Zuspannen nicht unterbunden werden kann.
Dies führt
dazu, dass der eigentliche Vorgang des Öffnens der Zange zu spät beginnt
und somit die Antiblockierfunktion beeinträchtigt ist.
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Entsprechendes
gilt auch bei der Realisierung eines Antriebsschlupf- oder eines
Stabilitätsreglers.
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Aus
der
DE 195 21 175
C1 ist ein elektronisch regelbares Bremssystem mit einer
dezentralen ABS-Regelung an den Hinterrädern eines Fahrzeugs bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile eines aus dem Stand der Technik
bekannten dezentralen elektrischen Bremssystems eines Kraftfahrzeugs
zu vermeiden Gelöst
wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 2,
8, 10, 11, 12 und 13.
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Durch
eine Stellgrößenaufschaltung
im Radmodul abhängig
von der Beschleunigung und/oder Verzögerung des zugeordneten Ra des
wird eine zufriedenstellende Dynamik des Blockierschutzreglers auch
unter schwierigen Systembedingungen erreicht.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass durch die beschriebene Vorgehensweise Übertragungs-
und Latenzzeiten zwischen örtlich
voneinander getrennten Steuereinheiten kompensiert werden.
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Eine
vorteilhafte Anwendung der beschriebenen Vorgehensweise ergibt sich
in Verbindung mit Systemen, in denen wenigstens eine Radbremse mit einem
elektromotorischen Aktuator ausgerüstet ist. In diesem Fall werden
durch die beschriebene Vorgehensweise die systembedingten Nachteile
hinsichtlich der Dynamik, inbesondere der Reversierdynamik der Stelleinrichtung
kompensiert und eine zufriedenstellende Antiblockierfunktion bereitgestellt.
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Eine
vorteilhafte Lösung
ergibt sich, wenn die eigentliche Führungsgröße im Antiblockier-Fall (ABS-Fall)
durch das zentrale Verarbeitungsmodul vorgegeben wird, in dem auch
der eigentliche Antiblockierregler implementiert ist. Zusätzlich wird
im Radmodul eine Stellgrößenaufschaltung
vorgenommen, die die Dynamik des Reglereingriffes verbessert. In
besonders vorteilhafter Weise wird diese dann gebildet, wenn eine
Grenzradverzögerung (bzw.
im Antriebsfall Grenzradbeschleunigung) überschritten ist. Dadurch wird
der Übergang
vom normal laufenden zum blockierenden Rad exakt erkannt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich 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
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1 ein Übersichtsbild
eines dezentralen Bremssytems, während
in 2 anhand eines Ablaufdiagramms für eine Radsteuereinheit
die nachfolgend beschriebene Stellgrößenaufschaltung im ABS-Fall
dargestellt ist. In 3 ist anhand eines Zeitdiagramms
eine bevorzugte Lösung
der aufgeschalteten Stellgröße dargestellt. 4 zeigt schließlich ein
Flussdiagramm einer bevorzugten Realisierung der Stellgrößenaufschaltung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
ein dezentrales Bremssystem wie es z. B. aus dem eingangs genannten
Stand der Technik bekannt ist. Das Bremssystem besteht aus einem
nicht dargestellten, zentral angeordnetem Pedalmodul 10,
vier im Bereich der Radbremsen angeordnete Radeinheiten 12 bis 18 und
einem ebenfalls zentral angeordnetem Verarbeitungsmodul 22.
Das nicht dargestellte Pedalmodul übernimmt primär die Erfassung
des Bremswunsches des Fahrers. Jede Radeinheit 12 bis 18 besteht
aus einem Radmodul 12a bis 18a, der Radsensorik
(z. B. Drehzahlsensor, Kraftsensor, Momentensensor, Wegsensor, vgl.
z. B. N1, F1i, SH1, ect.) und einem Aktuator 12b bis 18b. Der
Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten dieses Bremssystems
erfolgt mittels zweier unabhängiger,
galvanisch getrennter Kommunikationseinrichtungen K1 und K2, die
vorzugsweise als serielle Bussysteme (z. B. CAN) realisiert sind.
In jedem Radmodul wird die Ansteuerung des zugehörigen Aktuators zur Ausregelung
der gewünschten
Zuspannkraft oder des gewünschten
Bremsmoments realisiert. Hierzu wird in jedem Aktuator alternativ
die Radzuspannkraft bzw. das Radbremsmoment durch Sensoren erfaßt (vgl.
z. B. F1i). Der elektromechanische Aktuator 12b bis 18b wirkt über eine
Getriebestufe auf die Zuspannwege von Scheiben- bzw. Trommelbremsen
ohne hydraulische Zwischenstufe. Die Radeinheit regelt die radindividuelle
Zuspannkraft bzw. das radindividuelle Bremsmoment. Die notwendige
Führungsgröße wird über das
zugeordnete Bussystem vorgegeben (siehe FV, F1, ect.). Dabei stammen
die achsindividuellen Führungsgrößen (FV) vom
Pedalmodul, die sie aus dem Fahrerbremswunsch nach Maßgabe einer
vorgegebenen Bremskraftverteilung zwischen den Achsen ermittelt,
während
die radindividuellen Führungsgrößen F1 bis
F4, die im fehlerfreien Betrieb zur Steuerung der Radaktuatoren
ausgewertet werden, vom Verarbeitungsmodul 22 stammen.
Im Gegenzug liefert jedes Radmodul die von ihm erfaßten Größen, nämlich die
radindividuellen Bremskräfte
bzw. Bremsmomente F1i bis F4i, die Raddrehzahlen N1 bis N4 sowie
die Zuspannwege des Bremsaktuators SH1 bis SH4. Diese Istgrößen werden über die
Kommunikationssysteme dem Verarbeitungsmodul 22 und/oder
dem Pedalmodul 10 zugeführt.
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Im
Verarbeitungsmodul 22 sind die übergeordneten Funktionen des
Bremssystems realisiert. Dazu gehören insbesondere die Berechnungen
der radindividuellen Führungsgrößen F1 bis
F4 aus den achsindividuellen Sollgrößen FV im Rahmen von Funktionen
wie Antiblockiersystem, Antriebsschlupfregler, Fahrstabilitätsregler,
ect. In den Radmodulen wird die Regelung dieser radindividuellen Zuspannkräfte bzw.
Bremsmomente aufgrund der Regeldifferenz von gemessener Istgröße und vorgegebener
Führungsgröße realisiert.
Die Führungsgrößen werden
dabei vom Verarbeitungsmodul vorgegeben. Zusätzlich werden in den Radmodulen
die von einem Drehzahlfühler
gelieferten Signale aufbereitet. Die resultierende Drehzahl wird über das
zuständige Kommunikationssystem
an das Verarbeitungsmodul gesendet.
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Die
nachfolgende angepasste Antiblockierfunktion findet nicht nur in
Verbindung mit dem beschriebenen Steuersystem, sondern auch mit
anderen Strukturen mit dezentralem Aufbau Anwendung, bei denen wenigstens
eine zentrale Steuereinheit für die
zentralen Fahrzeugfunktionen vorgesehen ist, während an wenigstens einem Rad
oder einer Radgruppe vor Ort Steuereinheiten zur Regelung wenigstens
einer Radbetriebsgröße (Bremskraft,
-moment, -drehzahl, -schlupf, ect.) vorgesehen sind. Dabei ist die
Anwendung nicht nur aus Ausführungsbeispielen
mit elektromotorischer Zuspannung der Radbremse beschränkt, sondern
kann auch mit den entsprechenden Vorteilen bei hydraulischen oder
pneumatischen Bremsenstellern angewendet werden, die im Rahmen einer
dezentralen Elektronik betätigt
werden.
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Infolge
der systembedingten Verzugs- und/oder Trägheitseffekten ist vorgesehen,
neben der im Verarbeitungsmodul implementierten Antiblockierfunktion
eine Zusatzfunktion in jedem Radmodul einzuführen, welche bei erkannter
Blockierneigung des zugeordneten Rades eine Stellgrößenaufschaltung
vornimmt und dieser Blockierneigung frühzeitig und somit dynamisch
zufriedenstellend entgegenwirkt.
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Dazu
wird im Radmodul nach Auswertung des jeweiligen Drehzahlfühlersignals
die Radverzögerung
des betroffenen Rades berechnet. Dies erfolgt beispielsweise unter
Berücksichtigung
des Drehzahlwertes eines vorhergehenden Abtastschrittes. Die Radverzögerung AR
zum Abtastzeitpunkt TX berechnet sich demnach aus den Drehzahlen
N(TX – TA)
eines vorhergehenden Abtastschrittes und der aktuellen Drehzahl
N(TX) folgendermaßen: AR(TX) = C·[N(TX – TA) – N(TX)] (1)
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Dabei
wird die Konstante C von der jeweiligen Radgeometrie und der Abtastzeit
bestimmt. Während
eines Bremsvorgangs muß zum
Aufbringen eines Radschlupfes das Rad verzögert werden. Es hat sich gezeigt,
dass ein bestimmter Bereich von Radverzögerungen unkritisch ist. Andererseits
kann eine Grenzradverzögerung
ARGR bestimmt werden, bei deren Überschreiten ein
Eingriff in den Bremsvorgang erfolgen muß. Das Überschreiten dieser Grenzradverzögerung ist
ein Hinweis auf ein drohendes Blockieren des Rades.
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In
der oben beschriebenen oder anderen dezentralen Systemarchitekturen
werden die Führungsgrößen für den ABS-Fall
vom Verarbeitungsmodul vorgegeben, in dem ein herkömmlicher
Antiblockierregler implementiert ist. Um die aufgrund der vorstehend
beschriebenen Problematik des trägen
Systems vorhandene Latenzzeit zu unterdrücken bzw. zu minimieren und/oder
auch bei Ausfall des Verarbeitungsmoduls eine ABS-Funktion sicherzustellen, wird
innerhalb des Radmoduls eine Antiblockier-Früherkennung implementiert, die
dann bei Erkennen eines solchen Falls selbständig je nach Ausführungsbeispiel
eine geeignete Stellgröße der Aktorik zur
Verfügung
stellt und/oder eine neue Führungsgröße für den Regler
der Aktorik vorgibt und/oder die die Führungsgröße des Pedal- oder Verarbeitungsmoduls
modifiziert. Auf diese Weise wird selbst bei Ausfall des Verarbeitungsmoduls
eine Blockier-Verhinderungs-Funktion
realisiert.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
(am Beispiel des Rades 1) wird aus der aktuellen Raddrehzahl und
der in einem vorherigen Abtastschritt ermittelten Raddrehzahl beispielsweise
gemäß der obigen
Gleichung die Radverzögerung
ermittelt. Unter Einbeziehung der im Radmodul vorhandenen Istgrößen, des
Bremsmoments bzw. der Bremskraft F1i, ect. sowie der Abtastzeit
TA wird eine Grenzradverzögerung
ARGR ermittelt: ARGR = f[N1(TX), N1(TX – TA), F1(TX),
TA, ...] (2)
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird über
das Kommunikationssystem neben der geschätzten Fahrzeuggeschwindigkeit
VFZG der Schlupf jedes Rades Si an das jeweilige Radmodul übertragen,
so dass auch diese Werte in die Berechnung der Grenzverzögerung mit
einfließen.
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Die
(z. B. experimentell ermittelten) Abhängigkeiten bei der Bestimmung
der Grenzverzögerung ARGR
sind dabei derart vorgegeben, dass sie unter den gegebenen aktuellen
Bedingungen (aufgebrachte Bremskraft, Drehzahl, ggf. Schlupfverhältnisse
am Rad) den Übergang
zum blockierenden Rad darstellt.
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Bei
Erreichen der Grenzradverzögerung durch
die Radverzögerung
gibt das Radmodul eine Stellgröße an die
zugeordnete Aktorik bzw. deren Leistungselektronik aus, die der
gegenwärtigen
Bewegungsrichtung des Elektromotors entgegenwirkt.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Reglerstruktur im Radmodul 12a. Der Aktuator samt seiner
Leistungselektronik ist mit 12b dargestellt. Zugeführt werden
dem Radmodul 12a vom Verarbeitungsmodul die Führungsgröße F1, vom
Pedalmodul die Führungsgröße FV, wobei
letztere lediglich im Fehlerfall des Verabeitungsmoduls weitergeschaltet
wird. Die Führungsgröße wird
in einer Vergleichsstelle 120 mit der Istgröße F1, die
am Aktuator gemessen oder aus Meßgrößen ermittelt wird, verglichen.
Die Regelabweichung wird auf den eigentlichen Zuspannregler 122 geführt, welcher
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
als PID-Regler ausgebildet ist. Das Reglerausgangssignal führt auf
ein Schaltelement 124, welches in der gezeigten Stellung
das Ausgangssignal des Zuspannreglers als Stellgröße UM an
einen Pulsweitenmodulator 126 abgibt. Dieser gibt ein pulsweitenmoduliertes
Signal UPWM als Stellgröße aus,
welches den elektrischen Motor des Aktuators entsprechend betätigt. Auf
diese Weise wird im normalen Bremsfall die Istgröße auf die vorgegebene Sollgröße eingeregelt.
Ferner ist im Radmodul 12a die oben beschriebene ABS-Früherkennung 128 vorgesehen.
Dieser wird die Istgröße F1 des
Zuspannregelkreises sowie wenig stens die Raddrehzahl N1 zugeführt. Aus
den zugeführten Größen wird
die Grenzradverzögerung
sowie die aktuelle Radverzögerung
bestimmt. Überschreitet
die Radverzögerung
die Grenzradverzögerung,
gibt die ABS-Früherkennung 128 ein
Signal aus, welches das Schaltelement 124 in die andere
Position umschaltet. Dadurch wird eine Stellgrößenaufschaltung vorgenommen,
der Zuspannregler wird durch den Schalter S von der Aktorik abgekoppelt.
Anstelle des Ausgangssignals des Zuspannreglers wird ein Signal aufgeschaltet,
welches zu einer Drehrichtungsumkehr des Motors führt. Dieses
Signal wird in einer Stellgrößenaufschaltung 130 auf
der Basis eines Startwertes UM1 gebildet. Die Stellgrößenaufschaltung
führt also
bei vorhandener Früherkennung
zu einem frühzeitigen
Eingriff an der Radbremse im Sinne des ABS-Reglers. Anstelle des
vollständigen
Ersetzens des Reglerausgangssignals durch die aufgeschaltete Stellgröße wird
in einem anderen Ausführungsbeispiel
die Sollgröße des Reglers
oder die Reglerausgangsgröße selbst
durch ein der aufgeschalteten Stellgröße entsprechendem Signal korrigiert.
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Die
Startgröße UM1 wird
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
aus der im vorherigen Abtastschritt anliegenden Stellgröße UM0,
der aktuellen und zurückliegenden
Drehzahlen und Positionen des Stellers, der Abtastzeit TA usw. berechnet.
Es ergibt sich somit: UM1 = f(UM0,
N1(TX), SH(TX), TA, ...) (3)
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Diese
Größe wird
im bevorzugten Ausführungsbeispiel über ein
DT1-Glied in das Signal UM transformiert. Die Zeitkonstante dieses
Verzögerungsgliedes
wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ebenfalls aus den aktuellen und zurückliegenden Meßdaten ermittelt. T1 = f(UM1, N1(TX), SH(TX), TA, ...) (4)
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Ein
Beispiel für
die Stellgröße UM im
Falle der Früherkennung
ist anhand des Zeitdiagramms in 3 dargestellt.
Ausgehend vom Startwert UM1 fällt
die Stellgröße mit der
Verzögerungszeit
T1 auf 0 ab.
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Unterschreitet
die Radverzögerung
wieder die Grenzradverzögerung,
so wird das Schaltelement 124 wieder zurückgeschaltet.
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Neben
der Bildung der Zusatzstellgröße sendet
das Radmodul eine Botschaft über
das Kommunikationssystem an das Verarbeitungsmodul, dass ein Stellgrößeneingriff
vorgenommen wird. Diese Information berücksichtigt das Verarbeitungsmodul
bei der Berechnung der folgenden Führungsgröße. Infolge der Umschaltung
des Schaltelements 124 muß die neu berechnete Führungsgröße vom Regler
wieder verarbeitet werden, es sei denn, die Radverzögerung überschreitet
noch immer den vorgegebenen Grenzwert. Im letzteren Fall wird erneut
eine Zusatzstellgröße wie oben
ermittelt. Die neue Führungsgröße F1 (Ausgabe
zum Zeitpunkt TX + TL) vom Verarbeitungsmodul wird also in Abhängigkeit
von den zurückliegenden
und aktuellen Regelabweichungen E, Stellgrößen UM und Istgrößen F1 ermittelt: F1(TX + TL) = f[E(TX), E(TX – TA), UM(TX), UM(TX – TA), F1(TX),
...] (5)
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Vorgesehen
ist, dass die Aufschaltung nur während
der vorab geschätzten
Latenzzeit TL in Betrieb ist. Diese Zeit läßt sich aufgrund der Belastung des
Kommunikationssystems und der Gewichtung der einzelnen Prozesse
ermitteln. Erfolgt innerhalb dieser geschätzten Zeitspanne der Stillstand
des Stellmotors, so wird zu diesem Zeitpunkt eine positive, die
aufgeschaltete Stellgröße kompensierende Stellspannung
aus gegeben, um ein Beharren des Motors in dieser Position zu ermöglichen.
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Wird
als Stellmotor ein Switch-Reluctance-Motor oder ein elektrisch kommutierter
Motor eingesetzt und existiert eine geeignete Schnittstelle für die Führungsgröße des Motorreglers,
so wird das dargestellte Verfahren auf diese Motortypen übertragen,
in dem über
diese Schnittstelle der entsprechende Eingriff im Radmodul vorgenommen
wird.
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Das
dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel
wird mittels eines Rechnerprogramms realisiert. Dieses ist als Flussdiagramm
für ein
Rad in 4 skizziert. Es wird für die anderen Räder entsprechend
durchlaufen.
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Nach
Inbetriebnahme des Fahrzeugs wird das Programm gestartet. Im ersten
Schritt 200 wird die Raddrehzahl eingelesen und die Radverzögerung berechnet.
Im darauffolgenden Schritt 202 wird der Istwert der Bremskraft
bzw. des Bremsmoments eingelesen. In dem optional vorhandenen Schritt 204 wird
die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der Radschlupf eingelesen.
Daraufhin wird im Schritt 206 nach Maßgabe der oben dargestellten
Gleichung die Grenzradverzögerung
bestimmt. Im darauffolgenden Abfrageschritt 208 wird überprüft, ob die
Radverzögerung
größer als
die Grenzradverzögerung
ist. Ist dies nicht der Fall, so ist der Zuspannregler gemäß Schritt 210 aktiv,
dessen Stellgröße gemäß Schritt 212 an
die Aktorik/Leistungselektronik weitergegeben wird. Ist die Radverzögerung größer als
die Grenzradverzögerung,
so wird gemäß Schritt 214 die oben
dargestellte Stellgrößenaufschaltung
aktiviert und dessen Stellgröße gemäß Schritt 212 weitergegeben.
Danach wird das Programm mit Schritt 200 erneut durchlaufen.
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In
den anderen Radmodulen sind entsprechende Programme implementiert,
welche die ABS-Früherkennung
für das
jeweilige Rad entsprechend durchführen.
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In
entsprechender Weise wird auch ein Antriebsschlupfregler realisiert,
wobei dort im Radmodul das Überschreiten
einer Grenzbeschleunigung durch die Beschleunigung des Rades erkannt
wird und entsprechend durch Stellgrößenaufschaltung reagiert wird,
bevor die Führungsgröße vom Verarbeitungsmodul
entsprechend angepaßt
ist.