DE102004039756A1

DE102004039756A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, sowie Computerprogramm, elektrisches Speichermedium, Steuer- und Regeleinrichtung und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004039756A1
Application number: DE102004039756A
Authority: DE
Inventors: Jens-Werner Falkenstein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Ein Antriebssystem (42) umfasst eine Antriebseinrichtung (12), eine Abtriebseinrichtung (36) und eine die Abtriebseinrichtung (36) mit der Antriebseinrichtung (12) verbindende Verbindungseinrichtung (28-34). Ein aktueller Schwingungszustand des Antriebssystems (42) wird bestimmt, und auf dessen Basis wird mindestens eine Korrekturgröße erzeugt, mit der das Antriebssystem (42) zur Schwingungsdämpfung wenigstens mittelbar beaufschlagt wird. Es wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung des aktuellen Schwingungszustands des Antriebssystems (42) entsprechende Zustandsgrößen mindestens von Antriebseinrichtung (12), Abtriebseinrichtung (36) und Verbindungseinrichtung (28-34) ermittelt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, welches eine Antriebseinrichtung, eine Abtriebseinrichtung, und eine die Abtriebseinrichtung mit der Antriebseinrichtung verbindende Verbindungseinrichtung umfasst, bei dem ein aktueller Schwingungszustand des Antriebssystems bestimmt und auf der Basis dieses Schwingungszustands mindestens eine Korrekturgröße erzeugt wird, mit der das Antriebssystem zur Schwingungsdämpfung wenigstens mittelbar beaufschlagt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung eines Antriebssystems, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für ein Antriebssystem sowie ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 382 872 B1 bekannt. In dieser wird ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung in einem Antriebsstrang beschrieben, der in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird und eine Brennkraftmaschine sowie ein Zweimassenschwungrad umfasst. Bei dem bekannten Verfahren wird aus einer Drehzahl einer Primärmasse des Zweimassenschwungrads und einem Kraftstoffzufuhrsignal mittels eines Beobachterverfahrens, beispielsweise eines Luenberger-Beobachterverfahrens, eine Drehzahl der Sekundärmasse des Zweimassenschwungrads ermittelt. Aus der Differenz der beiden Drehzahlen wird ein Korrektursignal ermittelt, mit dem die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine beeinflusst wird, um unerwünschte Schwingungen zu dämpfen.
Ferner ist aus der DE 195 23 898 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem Schwingungen im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs durch einen Regler verringert beziehungsweise eliminiert werden. Der Regler beeinflusst das Drehmoment der Antriebseinheit im schwingungsreduzierenden Sinn nach Maßgabe der Differenz zwischen der Ist-Drehzahl und einer Modelldrehzahl, die aufgrund der Drehmomentszustände in der Antriebseinheit gewonnen wird.
Ruckeln eines Fahrzeugs, bei dem typischerweise die Drehmasse der Brennkraftmaschine mit der Drehmasse eines Getriebes gegen die reduzierte Masse des Fahrzeugs schwingt, wird meist durch schnelle Laständerungen oder Schaltvorgänge angeregt. Daneben sind noch weitere Schwingungsformen möglich: Neben Laständerungen und Schaltvorgängen können beispielsweise Fahrbahnunebenheiten oder Ungleichförmigkeiten im Drehmoment der Brennkraftmaschine den Antriebsstrang zu Torsionsschwingungen anregen.
Vom Markt her bekannte Verfahren zur Minderung solcher Ruckelschwingungen basieren darauf, die Anregung des Antriebsstranges durch schnelle Laständerungen zu vermeiden. Dazu wird das vom Fahrer eines Kraftfahrzeugs über das Gaspedal angeforderte Drehmoment bei schnellen Änderungen tiefpassgefiltert oder dessen Änderungsgeschwindigkeit begrenzt. Damit verzögert sich der Drehmomentaufbau an der Brennkraftmaschine. Zusätzlich erfolgt bei einer aktiven Ruckeldämpfung eine Korrektur des Drehmoments der Brennkraftmaschine basierend auf den periodischen Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine. Bei ansteigender Drehzahl wird das Drehmoment der Brennkraftmaschine reduziert, bei abfallender Drehzahl erhöht, wodurch eine Dämpfung von Ruckelschwingungen erreicht wird.
Durch ein Tiefpassfilter des vom Fahrer angeforderten Drehmoments der Brennkraftmaschine verliert ein von einer solchen Brennkraftmaschine angetriebenes Fahrzeug an Dynamik. Ein Eingriff in das Drehmoment der Brennkraftmaschine erfolgt darüber hinaus bei der aktiven Ruckeldämpfung nur auf Basis der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Der tatsächliche Schwingungszustand des Antriebsstrangs ist nicht bekannt und kann daher nicht berücksichtigt werden, was die schwingungsdämpfende Eigenschaft dieses Ansatzes einschränkt und in Verbindung mit Zeitverzögerungen beim Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine auf niedrige Frequenzen begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass im Antriebssystem auftretende Schwingungen wirksam gedämpft werden können, ohne dass die Dynamik des Antriebssystems und insbesondere der Antriebseinrichtung reduziert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zur Bestimmung des aktuellen Schwingungszustands des Antriebssystems entsprechende Zustandsgrößen mindestens von Antriebseinrichtung, Antriebseinrichtung und Verbindungseinrichtung ermittelt werden. Bei einem Computerprogramm, einem elektrischen Speichermedium, einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung und einem Antriebssystem wird die gestellte Aufgabe entsprechend gelöst.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird das Antriebssystem als Mehrmassenschwinger modelliert. Durch die Beschreibung des aktuellen Schwingungszustands der wesentlichen oder gegebenenfalls sogar aller Komponenten des Antriebssystems mittels entsprechender Zustandsgrößen kann der Schwingungszustand des gesamten Antriebssystems im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sehr präzise ermittelt werden. Hierauf basierend können im Antriebssystem vorhandene drehmomenterzeugende Aggregate, beispielsweise die Brennkraftmaschine, oder eine oder mehrere zusätzlich im Antriebssystem vorhandene Elektromaschinen, besonders genau so gesteuert werden, dass Schwingungen im Antriebssystem wirkungsvoll gedämpft werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunächst wird vorgeschlagen, dass die Zustandsgrößen umfassen: Ein Drehmoment der Antriebseinrichtung (beispielsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine), ein Drehmoment einer angetriebenen Einrichtung (beispielsweise eines oder mehrerer Antriebsräder), eine Drehgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung, eine Drehgeschwindigkeit einer Masse eines Schwungrads, eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse der Abtriebseinrichtung (beispielsweise von Rädern eines Kraftfahrzeugs), eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse einer angetriebenen Einrichtung (beispielsweise eines Fahrzeugs), einen Relativdrehwinkel zwischen der Antriebseinrichtung und der Masse eines Schwungrads, einen Relativdrehwinkel zwischen der Masse eines Schwungrads und einer Drehmasse der Abtriebseinrichtung und/oder einen Relativdrehwinkel zwischen einer Drehmasse der Abtriebseinrichtung und einer Drehmasse der angetriebenen Einrichtung. Der Vorteil dieser Zustandsgrößen ist, dass sie vergleichsweise einfach ermittelt werden können und eine exakte Beschreibung der einzelnen Schwingungszustände und in der Folge auch des Gesamt-Schwingungszustands des Antriebssystems ermöglichen. Bei den Drehmassen kann es sich auch um reduzierte und/oder äquivalente Drehmassen handeln.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn für mindestens eine Zustandsgröße Schätzwerte verwendet werden, welche durch einen Beobachter ermittelt werden. Als Beobachter können übliche Beobachterverfahren, wie beispielsweise ein Luenberger-Beobachter oder ein Calman-Bucy-Filter, eingesetzt werden. Durch die Verwendung eines Beobachters können Sensoren eingespart werden, da dieser die Ermittlung auch solcher Zustandsgrößen ermöglicht, die nicht unmittelbar erfasst oder aus erfassten Größen durch einfache lineare Umrechnungen ermittelt werden können.
Als geschätzte Zustandsgrößen kommen insbesondere folgende Zustandsgrößen in Frage: Ein Drehmoment einer angetriebenen Einrichtung, eine Drehgeschwindigkeit einer Masse eines Schwungrads, eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse einer angetriebenen Einrichtung, ein Relativdrehwinkel zwischen der Antriebseinrichtung und der Masse eines Schwungrads, ein Relativdrehwinkel zwischen der Masse eines Schwungrads und einer Drehmasse der Abtriebseinrichtung und/oder ein Relativdrehwinkel zwischen einer Drehmasse der Abtriebseinrichtung und einer Drehmasse der angetriebenen Einrichtung. Diese Zustandsgrößen erfordern zur Erfassung einen besonderen Aufwand, so dass durch deren Abschätzung die Kostenersparnis besonders signifikant ist. Bei Bedarf liefert der Beobachter zusätzlich Schätzwerte für nicht im Antriebssystem gemessene Drehmomente, beispielsweise das Antriebsdrehmoment für Nebenaggregate beziehungsweise durch Fahrwiderstände bei einem Kraftfahrzeug hervorgerufene Drehmomente.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn dem Beobachter eine Drehgeschwindigkeit der Abtriebseinrichtung, eine Beschleunigung der angetriebenen Einrichtung und/oder ein Drehmoment, eine Winkellage, und/oder eine Drehzahl einer im Antriebsstrang vorhandenen Elektromaschine zugeführt wird. Die Drehgeschwindigkeit der Abtriebseinrichtung kann beispielsweise ein gewichteter Mittelwert der Raddrehzahl sein. Die aufgeführten Größen werden insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen, welche beispielsweise ein Antiblockiersystem und/oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm aufweisen, meist standardmäßig ermittelt, so dass zusätzliche Sensoren nicht erforderlich sind. Die bei Hybridfahrzeugen im Antriebsstrang vorhandenen Elektromaschinen sind üblicherweise mit Rotorlage- beziehungsweise Drehzahlgebern ausgerüstet, so dass deren Signale dem Beobachter zugeführt werden können, zusätzliche Sensoren also ebenfalls nicht erforderlich sind.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wert mindestens einer Zustandsgröße für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt prädiziert wird, zu dem eine auf der Basis der prädizierten Zustandsgröße ermittelte Korrekturgröße im Antriebssystem wirkt. Für eine solche Prädiktion wird ein dynamisches Modell des Antriebsstrangs verwendet. Die Prädiktion lässt sich dazu nutzen, Totzeiten zu kompensieren, welche beispielsweise durch Signallaufzeiten, Rechenzeiten für Beobachter- und Regelalgorithmen, im Falle einer Brennkraftmaschine für den Einspritz- und Verbrennungsprozess, und im Falle einer Elektromaschine für den Drehmomentaufbau entstehen. Bei dieser Weiterbildung wird eine besonders gute Dämpfung auftretender Schwingungen, ja unter Umständen sogar eine vollständige Eliminierung von Torsionsschwingungen des Antriebsstrangs ermöglicht, da die Korrekturgröße besonders exakt auf den aktuellen Schwingungszustand des Antriebssystems ausgerichtet ist.
Die Korrekturgröße kann im Übrigen mittels einer Differenzdrehzahlaufschaltung oder mittels eines Zustandsreglers gewonnen werden. Beide Verfahren benötigen wenig Rechenzeit und sind daher einfach zu realisieren.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn mittels der Korrekturgröße wenigstens mittelbar eine Antriebsleistung der Antriebseinrichtung beeinflusst wird. Bei einer Brennkraftmaschine kann dies insbesondere durch eine Beeinflussung einer zugeführten Luftmasse, einer zugeführten Kraftstoffmasse und/oder eines Zündzeitpunkts erfolgen (vor allem letzteres bei besonders starken Schwingungen). Hierdurch kann sehr einfach auf auftretende Schwingungen im Antriebssystem reagiert werden, ohne dass Zusatzeinrichtungen erforderlich sind. Eine Beeinflussung des Zündzeitpunkts im Falle einer Brennkraftmaschine wirkt auf das Drehmoment der Brennkraftmaschine mit vergleichsweise hoher Dynamik, was eine aktive Schwingungsdämpfung auch bei höheren Frequenzen ermöglicht.
Anderseits führt eine Verschiebung des Zündzeitpunkts meist zu einem Wirkungsgradverlust der Brennkraftmaschine. Daher kann es vorteilhaft sein, entsprechende Beeinflussungen des Zündzeitpunkts nur vom Schwingungszustand des Antriebssystems abhängig durchzuführen. Dem wird durch jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Rechnung getragen, bei welcher die Antriebsleistung (gegebenenfalls mittels der oben genannten Beeinflussungsgrößen) nur dann beeinflusst wird, wenn ein aktueller oder prädizierter Schwingungszustand eine Schwelle erreicht oder überschreitet, insbesondere, wenn eine Schwingungsamplitude eine Schwelle erreicht oder überschreitet.
Moderne Brennkraftmaschinen werden in unterschiedlichen Betriebsarten betrieben. Beim Wechsel von einer Betriebsart in eine andere ändert sich das Drehmoment zum Teil mit hoher Änderungsgeschwindigkeit. Ein solcher Betriebsartenwechsel liegt beispielsweise dann vor, wenn vom Einspritzbetrieb umgeschaltet wird in einen Betrieb mit Schubabschaltung. Diese hochdynamischen Drehmomentänderungen können bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens zur Schwingungsdämpfung genutzt werden. In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass eine Schubabschaltung in einer solchen Phase der Schwingung des Antriebssystems aktiviert wird und/oder deaktiviert wird, dass die Schwingung gedämpft wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Antriebssystem als lineares und zeitinvariantes System modelliert wird, dessen Zustandsdifferentialgleichung zwei Systemmatrizen umfasst, welche von einer aktuellen Übersetzung zwischen Antriebseinrichtung und Antriebseinrichtung und/oder einer aktuellen Masse der angetriebenen Einrichtung abhängen. Die Anpassung der Systemmatrizen an die aktuelle Masse der angetriebenen Einrichtung (die im Falle eines Fahrzeugs von der aktuellen Beladung abhängt) kann durch eine entsprechende Adaption beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs beziehungsweise des Antriebssystems erfolgen. Durch die vorgeschlagene Abhängigkeit der Systemmatrizen von der aktuellen Übersetzung und der aktuellen Masse wird eine besonders präzise Schwingungsdämpfung ermöglicht.
Zeichnungen
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebssystem;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Dämpfen von Schwingungen im Antriebssystem von 1;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Antriebssystems von 1; und
4 ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Betreiben des Antriebssystems von 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 trägt ein Kraftfahrzeug insgesamt das Bezugszeichen 10. Es ist nur schematisch durch ein Rechteck dargestellt. Es wird von einer Brennkraftmaschine 12 angetrieben, in deren Ansaugrohr 14 eine Drosselklappe 16 und eine Kraftstoff-Einspritzdüse 18 angeordnet sind. Zündkerzen 20 zünden ein in Brennräumen 22 vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 12 wird eine Kurbelwelle 24 in Drehung versetzt, deren Drehzahl von einem Drehzahlsensor 26 abgegriffen wird. Die Kurbelwelle 24 ist mit einem Zweimassenschwungrad 28 und über eine Kupplung 30 mit einem Getriebe 32 verbunden. Dieses weist verschiedene Fahrstufen auf und treibt über eine Kardanwelle 34 Antriebsräder 36 an, deren Drehzahl von Drehzahlsensoren 38 abgegriffen wird.
Der Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 und der Brennkraftmaschine 12 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 40 gesteuert beziehungsweise geregelt. Hierzu erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 40 Signal von verschiedenen Sensoren, unter anderem auch vom Drehzahlsensor 26 der Kurbelwelle 24 und von den Drehzahlsensoren 38 der Räder 36. Über die Stellung der Drosselklappe 16 wird die Luftzufuhr zu den Brennräumen 22, über die Einspritzdüse 18 die für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse und über die Zündkerze 20 der Zündzeitpunkt eingestellt. Hierdurch wird das Drehmoment an der Kurbelwelle 24 beeinflusst.
Die Brennkraftmaschine 12, die Kurbelwelle 24, das Zweimassenschwungrad 28, die Kupplung 30 und das Getriebe 32, die Kardanwelle 34 und die Räder 36 sind Teil eines Antriebssystems 42. Da die einzelnen Komponenten des Antriebssystems 42, insbesondere das Zweimassenschwungrad 28 und die Kardanwelle 34, keine unendliche hohe Steifigkeit, sondern eine gewisse Elastizität aufweisen, kann das Antriebssystem 42 auch als Mehrmassenschwinger modelliert werden, welches aufgrund verschiedener äußerer Störeinflüsse zu Torsionsschwingungen angeregt werden kann. Die äußeren Störeinflüsse können beispielsweise Laständerungen, Schaltvorgänge, Fahrbahnunebenheiten oder Ungleichförmigkeiten im Drehmoment der Brennkraftmaschine 12 sein. Um derartige Schwingungen zu dämpfen, wird gemäß dem in 2 dargestellten Verfahren vorgegangen:
Wie aus 2 ersichtlich ist, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Antriebssystem 42 als Viermassenschwinger modelliert mit folgenden Einzelkomponenten: Brennkraftmaschine 12, Sekundärmasse S des Zweimassenschwungrads 28 zusammen mit dem Getriebe 32, eine auf die Getriebeeingangswelle reduzierte Drehmasse R der Räder 36 und die ebenfalls auf die Getriebeeingangswelle reduzierte Masse Fz des Kraftfahrzeugs 10. Das Zweimassenschwungrad 28 kann durch eine Drehfeder 28a und einen Drehdämpfer 28b modelliert werden. Gleiches gilt für die Kardanwelle 34 mit einer Drehfeder 34a und einem Drehdämpfer 34b (hierbei sind auch Elastizitäten weiterer Antriebswellen eingerechnet) und für die Räder 36 mit einer Drehfeder 36a und einem Drehdämpfer 36b.
Der Schwingungszustand des Antriebssystems 42 kann durch verschiedene Zustandsgrößen beschrieben werden. Hierzu gehören die Winkelgeschwindigkeiten ω_VM der Brennkraftmaschine 12 beziehungsweise VM beziehungsweise der Kurbelwelle 24, ω_S der Sekundärmasse S des Zweimassenschwungrads 28, ω_R der auf die Getriebeeingangswelle reduzierten Drehmasse R der Räder 36, sowie ω_Fz der auf die Getriebeeingangswelle reduzierten Masse Fz des Kraftfahrzeugs 10. Weitere Zustandsgrößen für den Schwingungszustand des Antriebssystems 42 sind die Relativverdrehwinkel φ_ZMS zwischen dem Verbrennungsmotor VM beziehungsweise der Kurbelwelle 24 und der Sekundärmasse S des Zweimassenschwungrads 28, φ_Kard zwischen der Sekundärmasse S und der reduzierten Drehmasse R der Räder 36, sowie φ_reifen zwischen der reduzierten Drehmasse R der Räder 36 und der reduzierten Fahrzeugmasse Fz.
Am Antriebssystem 42 wirkt ein Drehmoment M_VM der Brennkraftmaschine VM beziehungsweise 12 sowie ein Fahrwiderstandsmoment M_Fz. Letzteres setzt sich im Wesentlichen aus einem Rollwiderstand, einem Luftwiderstand und einem Steigungswiderstand zusammen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Antriebssystem 42 als lineares, zeitinvariantes System modelliert. Mit den Systemmatrizen A und B lauten die Zustandsdifferentialgleichungen wie folgt:
Die Systemmatrizen A und B sind abhängig von der aktuellen Übersetzung des Getriebes 32, bei einem Kraftfahrzeug 10 mit einem Schaltgetriebe 32 also abhängig vom eingelegten Gang. Ferner können mittels einer geeigneten Adaption die Parameter beispielsweise an die aktuelle Masse Fz des Kraftfahrzeugs 10, die wiederum von dessen Beladungszustand abhängig ist, angepasst werden.
Um Schwingungen im Antriebssystem zu dämpfen, erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Rückführung der Winkelgeschwindigkeiten ω_VM, ω_S, ω_R und ω_Fz im Sinne einer Differenzdrehzahlaufschaltung. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird stattdessen ein Zustandsregler verwendet. Dabei werden die Winkelgeschwindigkeit ω_VM und das Drehmoment M_VM der Brennkraftmaschine 12 beziehungsweise von deren Kurbelwelle 24 in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 40 aus dem Signal des Drehzahlsensors 26 sowie aus der in die Brennräume 22 zugeführten Luftmasse, der eingespritzten Kraftstoffmasse und dem Zündwinkel ermittelt.
Die Winkelgeschwindigkeit ω_R der reduzierten Drehmasse R der Räder 36 ergibt sich aus den mittels der Drehzahlsensoren 38 ermittelten Raddrehzahlen. Diese Raddrehzahlen werden in üblichen Kraftfahrzeugen ohnehin im Rahmen eines elektronischen Stabilitätsprogramms erfasst beziehungsweise ermittelt. Nicht gemessen wird im vorliegend Ausführungsbeispiel die Winkelgeschwindigkeit ω_S der Sekundärmasse S des Zweimassenschwungrads 28 sowie die Winkelgeschwindigkeit ω_Fz der reduzierten Fahrzeugmasse Fz. Ebenso nicht gemessen werden die Relativverdrehwinkel φ_ZMS, φ_Kard und φ_reifen sowie das Fahrwiderstandsmoment M_Fz.
Das Fahrwiderstandsmoment M_Fz kann als Störung aufgefasst werden. Mit Hilfe eines Zustands- und Störgrößenbeobachters 44, beispielsweise eines Luenberger-Beobachters, der die bekannten Zustandsgrößen M_VM, ω_VM und ω_R als Eingangsgrößen erhält, werden Schätzgrößen ω ^_VM, ω ^_S, ω ^_R, ω ^_Fz für die Winkelgeschwindigkeiten sowie Schätzgrößen ϕ ^_ZMS, ϕ ^_Kard, ϕ ^_reifen für die Relativverdrehwinkel und eine Abschätzung
für das Fahrwiderstandmoment ermittelt.
Aufgrund von Signallaufzeiten, Rechenzeiten für den Beobachter 44 sowie für sonstige Steuer- und Regelalgorithmen, sowie aufgrund mechanischer Trägheiten und aufgrund des Einspritz- und Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine 12 kommt es zu einer Zeitverzögerung bei der Umsetzung von Sollwertänderungen für die das Drehmoment M_VM der Brennkraftmaschine 12 beeinflussenden Größen. Die oben genannten Zeiten können als eine Totzeit T, die eine verzögerte Umsetzung eines Solldrehmoments M_VMsoll in das Drehmoment M_VM an der Brennkraftmaschine 12 zur Folge hat, angesehen werden. Daher wird im Block 46 eine Prädiktion eingesetzt, um diese Totzeit zu kompensieren und bestimmte Zustandsgrößen für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt t + T zu prädizieren, zu dem eine auf der Basis der prädizierten Zustandsgrößen ermittelte Korrekturgröße (im vorliegenden Fall ein zusätzliches Drehmoment M_VMzus) im Antriebssystem 42 wirkt.
Die im Zustands- und Störgrößenbeobachter 44 berechneten Schätzwerte der Winkelgeschwindigkeiten und Relativverdrehwinkel gelten für einen aktuellen Zeitpunkt t. Da das dynamische Verhalten des Antriebssystems 42 aus den Zustandsdifferentialgleichungen (1) der Modellierung bekannt ist, können zum aktuellen Zeitpunkt t die entsprechenden, für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt t + T gültigen Winkelgeschwindigkeiten und Relativverdrehwinkel durch die in Block 46 durchgeführte Prädiktion abgeschätzt werden. Hierzu wird eine Transitionsmatrix e^At verwendet:
Um die Berechnung zu vereinfachen, können verschiedene Annahmen getroffen werden: Beispielsweise gilt, dass sich das Fahrwiderstandsmoment M_Fz und damit auch der Schätzwert M ^_Fz in den meisten Betriebssituationen der Brennkraftmaschine 12 nur langsam ändern, so dass sie bei der Berechnung nach der obigen Gleichung (2) für die betrachtete Zeitspanne T näherungsweise als konstant angenommen werden können. Somit gilt: M ^Fz(τ) = M ^Fz(t) für t ≤ τ ≤ t + T (3)
Ferner kann auch das Drehmoment M_VM der Brennkraftmaschine 12 beziehungsweise VM für die der Zukunft liegende Zeitspanne T als konstant angenommen werden: MMV(τ) = MVM(t) für t ≤ τ ≤ t + T (4)
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Drehmoment M_VM nicht als konstant angenommen, sondern es wird dessen zukünftiger Verlauf aus dem in der Steuer- und Regeleinrichtung 40 ermittelten Solldrehmoment M_VMsoll durch Zeitverschiebung um die Totzeit T und unter Berücksichtigung der Drehmomentgrenzen der Brennkraftmaschine 12 ermittelt.
Wie bereits oben erwähnt worden ist, wird eine aktive Schwingungsdämpfung von im Antriebssystem 42 vorhandenen Torsionsschwingungen dadurch erreicht, dass auf das Solldrehmoment M_VMsoll der Brennkraftmaschine 12 im Sinne einer Differenzdrehzahlaufschaltung die im Zustands- und Störgrößenbeobachter 44 sowie im Prädiktionsblock 46 ermittelten Winkelgeschwindigkeiten ω ^_VM(t + T|t), ω ^_S(t + T|t), ω ^_R(t + T|t), ω ^_Fz(t + T|t) aufgeschaltet werden. Mittels drei Verstärkungsfaktoren K₁, K₂ und K₃ ergibt sich eine Korrekturgröße in Form des zusätzlichen Solldrehmoments M_VMzus (t) für die Brennkraftmaschine 12: MVMzus(t) = K1[ω ^S(t + T | t) – ω ^VM(t + T | t)] + K2[ω ^R(t + T | t) – ω ^VM(t + T | t)] + K3[ω ^FZ(t + T | t) – ω ^VM(t + T | t)
Dieses zusätzliche Solldrehmoment M_VMzus(t) wird zu dem vom Fahrer oder von sonstigen Hilfseinrichtungen des Kraftfahrzeugs 10 angeforderten Solldrehmoment M_{VM fahrer}(t) addiert, wodurch Torsionsschwingungen im Antriebssystem 42 beziehungsweise Längsschwingungen des Kraftfahrzeugs 10 gedämpft werden. Um eine möglichst schnelle Anpassung des geänderten Drehmoments M_VM der Brennkraftmaschine 12 zu erzielen, kann, neben einer Änderung der zugeführten Luftmasse und/oder der zugeführten Kraftstoffmasse, der Zündzeitpunkt der Zündkerzen 20 verändert werden. Da dies jedoch in vielen Betriebssituationen der Brennkraftmaschine 12 mit einem Wirkungsgradverlust verbunden ist, wird dies, wie aus 3 ersichtlich ist, nur dann zugelassen, wenn die Amplituden der Torsionsschwingung im Antriebssystem 42 eine vorgegebene Schwelle überschreiten:
Nach einem Startblock 48 wird in einem Block 50 eine normale Dämpfung von Torsionsschwingungen im Antriebssystem realisiert. Hierzu wird über die Drosselklappe 16 Einfluss auf die in die Brennräume 22 gelangende Luftmasse und über die Einspritzdüse 18 Einfluss auf die Brennräume 22 gelangende Kraftstoffmasse genommen. In einem Block 52 wird abgefragt, ob die Schwingungsamplituden A im Antriebssystem 42 größer sind als ein Grenzwert G1. Ist die Antwort "ja", wird im Block 54 eine hochdynamische Dämpfung der Torsionsschwingungen zugelassen, bei der Einfluss auf den Zündwinkel, also letztlich auf die Zündkerzen 20, genommen wird. Das Verfahren endet im Block 56.
Die in den 1 und 2 gezeigte Brennkraftmaschine 12 kann in unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten. Beispielsweise ist es möglich, zur Kraftstoffeinsparung in einem Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 die Kraftstoffzufuhr in die Brennräume 22 vollständig zu unterbrechen. Hierdurch kommt es zu einer sehr plötzlichen Änderung des Drehmoments M_VM der Brennkraftmaschine 12. Diese plötzliche Drehmomentänderung kann ebenfalls zur Dämpfung von Torsionsschwingungen im Antriebssystem 42 ausgenutzt werden, wie aus 4 ersichtlich ist:
Nach einem Startblock 58 wird in einem Block 60 abgefragt, ob ein Betriebsartenwechsel ansteht und im Block 62 wird abgeprüft, ob der Betriebsartenwechsel eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr beinhaltet. Ist dies nicht der Fall, wird die Betriebsartenumschaltung im Block 64 ohne Berücksichtigung einer möglichen Dämpfung von Torsionsschwingungen im Antriebssystem 42 durchgeführt. Ist die Antwort im Block 62 dagegen "ja", wird im Block 66 die Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zu einem solchen Zeitpunkt beziehungsweise in einer solchen Phase einer Schwingung des Antriebssystems 10 aktiviert, dass die dort vorhandenen Torsionsschwingungen gedämpft werden. Das Verfahren endet im Block 68.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Antriebssystem noch verschiedene Elektromaschinen vorhanden. Dies ist beispielsweise bei Hybridfahrzeugen der Fall. Deren Drehmoment kann ebenfalls bei der Kompensierung oder Dämpfung von Schwingungen im Antriebssystem berücksichtigt beziehungsweise genutzt werden. Vorteilhafterweise wird das aktuelle Drehmoment, die aktuelle Winkellage beispielsweise einer Rotorachse, und/oder die aktuelle Drehzahl einer solchen Elektromaschine als Eingangsgröße für den Zustands- und Störgrößenbeobachter verwendet.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (42), welches eine Antriebseinrichtung (12), eine Abtriebseinrichtung (36), und eine die Abtriebseinrichtung (36) mit der Antriebseinrichtung (12) verbindende Verbindungseinrichtung (28–34) umfasst, bei dem ein aktueller Schwingungszustand des Antriebssystems (42) bestimmt und auf der Basis dieses Schwingungszustands mindestens eine Korrekturgröße erzeugt wird, mit der das Antriebssystem (42) zur Schwingungsdämpfung wenigstens mittelbar beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des aktuellen Schwingungszustands des Antriebssystems (42) entsprechende Zustandsgrößen mindestens von Antriebseinrichtung (12), Abtriebseinrichtung (36), und Verbindungseinrichtung (28–34) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen umfassen: ein Drehmoment der Antriebseinrichtung (12), ein Drehmoment einer angetriebenen Einrichtung (10), eine Drehgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung (12), eine Drehgeschwindigkeit einer Masse (S) eines Schwungsrads (28), eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse (R) der Abtriebseinrichtung (36), eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse (Fz) einer angetriebenen Einrichtung (10), einen Relativverdrehwinkel zwischen der Antriebseinrichtung (12) und der Masse (S) eines Schwungsrads (28), einen Relativverdrehwinkel zwischen einer Masse (S) eines Schwungsrads (28) und einer Drehmasse (R) der Abtriebseinrichtung (36), und/oder einen Relativverdrehwinkel zwischen einer Drehmasse (R) der Abtriebseinrichtung (36) und einer Drehmasse (Fz) der angetriebenen Einrichtung (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine Zustandsgröße Schätzwerte verwendet werden, welche durch einen Beobachter (44) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geschätzte Zustandsgröße umfasst: ein Drehmoment einer angetriebenen Einrichtung (10), eine Drehgeschwindigkeit einer Masse (S) eines Schwungsrads (28), eine Drehgeschwindigkeit einer Drehmasse (Fz) einer angetriebenen Einrichtung (10), einen Relativverdrehwinkel zwischen der Antriebseinrichtung (12) und der Masse (S) eines Schwungsrads (28), einen Relativverdrehwinkel zwischen der Masse (S) eines Schwungsrads (28) und einer Drehmasse (R) einer Abtriebseinrichtung (3b), und/oder einen Relativverdrehwinkel zwischen einer Drehmasse (R) der Abtriebseinrichtung (36) und einer Drehmasse (Fz) der angetriebenen Einrichtung (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachter (44) eine Drehgeschwindigkeit der Abtriebseinrichtung (36), eine Beschleunigung der vom Antriebssystem angetriebenen Einrichtung (10), eine Winkellage und/oder eine Drehzahl einer im Antriebssystem vorhandenen Elektromaschine, und/oder ein Drehmoment einer im Antriebssystem vorhandenen Elektromaschine zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert mindestens einer Zustandsgröße für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt prädiziert wird (46), zu dem eine auf der Basis der prädizierten Zustandsgröße ermittelte Korrekturgröße im Antriebssystem (12) wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße mittels einer Differenzdrehzahlaufschaltung oder mittels eines Zustandsreglers gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Korrekturgröße wenigstens mittelbar eine Antriebsleistung der Antriebseinrichtung (12) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung nur dann beeinflusst wird, wenn ein aktueller oder prädizierter Schwingungszustand eine Schwelle erreicht oder überschreitet, insbesondere, wenn eine Schwingungsamplitude (A) eine Schwelle (G1) erreicht oder überschreitet (52).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufgrund aktueller Betriebsparameter geforderter Betriebsartenwechsel (60) der Antriebseinrichtung (12) zur Schwingungsdämpfung genutzt wird (66).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schubabschaltung (62) in einer solchen Phase einer Schwingung des Antriebssystems (12) aktiviert (66) und/oder deaktiviert wird, dass die Schwingung gedämpft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (12) als lineares und zeitinvariantes System modelliert wird, dessen Zustandsdifferentialgleichung zwei Systemmatrizen (A, B) umfasst, welche von einer aktuellen Übersetzung zwischen Antriebseinrichtung (12) und Abtriebseinrichtung (36) und/oder einer aktuellen Masse (Fz) der angetriebenen Einrichtung (10) abhängen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) eines Antriebssystems (42), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) für ein Antriebssystem (42), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.
Antriebssystem (42), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40), welche zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.