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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Anschaltzeit eines Magnetventils in einem hydraulischen System, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Verfahren werden für die Realisierung fahrdynamischer Regelsysteme wie ABS, ESP, ASR und dergleichen, benötigt. Das Magnetventil wird für den gezielten Druckaufbau bzw. -abbau in dem hydraulischen System genutzt. Das hydraulische System kann beispielsweise ein hydraulischer Bremskreis, eine hydraulisch betätigte Kupplung in einem automatisierten Schaltgetriebe, hydraulische Aktoren zur Beeinflussung der Fahrdynamik oder dergleichen mehr sein.
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Aus beispielsweise der
DE 44 45 512 C2 oder der
DE 44 24 317 C2 sind Beispiele für Regelverfahren in Antiblockiersystemen (ABS) für Fahrzeuge bekannt. ABS umfassen eine Pumpe für den hydraulischen Bremskreislauf, die durch ein elektromagnetisches Schaltventil (so z. B.
DE 44 45 512 C2 ,
1 und
2) eine hydraulische Verbindung vom radseitigen Bremszylinder (Nehmerzylinder) über eine Pumpe zum – in einem Kraftfahrzeug vom Fahrer per Fußpedal betätigten – Hauptbremszylinder (Geberzylinder) schalten kann.
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In der gattungsbildenden
DE 37 31 075 A1 wird ein Bremsschlupfregler beschrieben, bei dem die Differenz zwischen einem zulässigen Bremsschlupf und dem tatsächlichen Bremsschlupf ermittelt wird. Die Differenz wird über einen Regelverstärker geführt und in Ansteuerzeiten für eine Bremsdrucksteuereinheit umgesetzt. Die für die Bildung der Schlupfgrößen benötigte Referenzgröße wird von Zeit zu Zeit bei abgeschaltetem Regler in ihrer Größe und Steigung aktualisiert.
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Während der Regelung werden mit Hilfe von Schaltventilen Hydraulikdrücke gezielt auf- oder abgebaut. Die Druckänderung im Nehmerzylinder (bei ABS der Bremszylinder) hängt im Wesentlichen von dem Zeitraum, während dem das Schaltventil vollständig geöffnet ist, ab.
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Die Öffnungsdauer des Ventils wird durch die Einschaltzeit des Ventils bestimmt. Während der Einschaltzeit liegt die Batteriespannung (Versorgungsspannung) an der Spule an.
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Probleme des Standes der Technik
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Für eine genaue Berechnung der Einschaltzeit muss das dynamische Ventilverhalten, d. h. die Anzugsverzugszeit, die Hubzeit und die Abfallverzugszeit, berücksichtigt werden. Diese Zeiten hängen von der Versorgungsspannung, der Temperatur, dem aktuellen Druckniveau und der Steifigkeit der Bremszange ab. Derzeit wird bei der Berechnung der Einschaltzeit die Anzugsverzugszeit als eine druckabhängige Totzeit beschrieben. Der Anzugsverzug gibt den Zeitraum, in dem sich das Gleichgewicht zwischen der Magnet- und der Lastkraft einstellt, an. Der Anzugsverzug hängt folglich neben dem Druckniveau (Last) auch z. B. von der Magnetfelddynamik (Wirbelstromeffekte) ab und kann deshalb nicht allein als Totzeit beschrieben werden. Schwankungen der Versorgungsspannung und Temperatureinflüsse, die eine starke Auswirkung auf die Ventildynamik haben, werden aktuell nicht berücksichtigt. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass bei niedriger Versorgungsspannung die berechnete Anschaltzeit zu kurz ist und das Ventil nicht öffnet. Nichtlineare Elastizität z. B. der Bremszange wird derzeit mit Hilfe der Druck-Volumen (pV)-Kennlinie berücksichtigt indem die Summe der Volumenströme aufintegriert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Erhöhung der Druckstellgenauigkeit und der Robustheit zu erreichen. Zusätzlich soll eine Verminderung des Applikationsaufwandes durch die Anwendung eines modellbasierten Verfahrens bewirkt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zur Bestimmung der Anschaltzeit eines Magnetventils eines Antiblockiersystems, wobei die Anschaltzeit aus der geforderten Öffnungszeit unter Berücksichtigung von Verzugszeiten und/oder Hubzeiten ermittelt wird. Dabei wird die Anschaltzeit aus der gegebenen Druckänderung und dem aktuellen Raddruck unter Berücksichtigung der Ventildynamik, der Versorgungsspannung, der Temperatur und der physikalischen Ventil- und Bremszangenparameter bestimmt. Es kann eine schrittweise und parallele analytische Berechnung der Anschaltzeiten eines Schaltventils für die Bremsdruckmodulation aus der Sollvorgabe für die Bremsdruckänderung bestimmt werden. Die Grundlage der Regelung bilden dynamische Modelle, die das dynamische und nichtlineare Verhalten des Ventils in den einzelnen Phasen (Anzugsverzugs-, Hubphase, usw.) beschreiben. Bei der Bestimmung der Anschaltzeit werden die physikalischen Streckenparameter und die Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Drücke berücksichtigt. Die Dauer der einzelnen Phasen werden jeweils mit Hilfe eines geeigneten physikalischen Modells bestimmt und schließlich die Anschaltzeit berechnet. Die Regelung ist modular aufgebaut. Dadurch ist eine einfache Anpassung des Algorithmus an unterschiedliche Ventiltypen und konstruktive Änderungen möglich. Die Druckstellgenauigkeit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erhöht. Zudem wird eine Verbesserung des Robustheitsverhaltens (Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen) erzielt. Des Weiteren wird eine Vereinfachung der Applikation (z. B. Bestimmung der physikalischen Parameter) erreicht. Das Verfahren eignet sich für alle hydraulischen Systeme, auch zur Einstellung des Fahrerwunsches bei hydraulischen x-by-wire-Aktoren.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Anschaltzeit als Summe aus einer Anzugsverzugszeit, einer Hubzeit sowie der geforderten Öffnungszeit abzüglich einer Abfallverzugszeit ermittelt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bestimmung der effektiven Öffnungszeit des Ventils unter Berücksichtigung eines oder einer Kombination der Parameter Sollvorgabe für die Druckänderung, aktueller Druck im Bremszylinder, Elastizität der Bremse und den Fluideigenschaften erfolgt. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Anzugsverzugszeit unter Berücksichtigung eines oder einer Kombination der Parameter Raddruck, Versorgungsspannung U_batt und aus Parameter des elektrischen Kreises und des Magnetkreises bestimmt wird. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Hubzeit unter Berücksichtigung eines oder einer Kombination der Parameter Raddruck, Versorgungsspannung U_batt, Ankermasse m, Fluideigenschaften und den Parametern des elektrischen Kreises und des Magnetkreises bestimmt wird.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Abfallverzugszeit unter Berücksichtigung eines oder einer Kombination der Parameter Raddruck, Versorgungsspannung, Fluideigenschaften und den Parametern des elektrischen Kreises und des Magnetkreises bestimmt wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Anschaltzeit in Abhängigkeit mindestens eines der Parameter Sollvorgabe für die Druckänderung, aktueller Raddruck (hydraulischer Druck im Bremszylinder), Elastizität der Bremse, Fluideigenschaften, Parametern des elektrischen Kreises und des Magnetkreises, Versorgungsspannung, Ankermasse sowie Druck im Bremszylinder im Versuch ermittelt und in Kennfeldern gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anschaltzeit, die Anzugsverzugszeit, die Hubzeit, die Abfallverzugszeit sowie die geforderte Öffnungszeit in Echtzeit ermittelt werden. Des Weiteren kann bei Vernachlässigung der Hubzeit die Abfallsverzugszeit gleich der Anzugsverzugszeit gesetzt werden. Als einfachste Ausführung kann bei geringeren Genauigkeitsanforderungen die Einschaltzeit gleich der Öffnungszeit gewählt werden
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Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät für ein hydraulisches System gelöst, das ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen kann. Das Verfahren kann z. B. als Programm einer speicherprogrammierbaren Steuerung abgelegt oder in Hardware realisiert sein.
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Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Skizze zum zeitlichen Ablauf der Ventilöffnung;
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2 ein Blockschaltbild des Verfahrens.
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Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer Regelung eines ABS erläutert. Das Verfahren kann aber ebenso für ESP, ASR und dergleichen, verwendet werden. 1 zeigt im oberen Diagramm Die Spannung U_vent zur Ansteuerung des elektromagnetischen Ventils. Es handelt sich um eine Rechteckspannung, die im Zeitraum T_ON einen High-Pegel und ansonsten einen Low-Pegel annimmt. Das Ventil reagiert auf die sprungartigen Spannnungsänderungen wie im unteren Diagramm in 1 dargestellt. Nach Einschalten der Ventilspannung U_vent erfolgt innerhalb einer Anzugsverzugszeit T_11 keine mechanische Reaktion des Ventils, der Ventilhub bleibt null. In einer daran anschließenden Hubzeit T_12 öffnet das Ventil und bleibt geöffnet. Nach Pegelwechsel der Ventilspannung U_vent nach Ablauf der Anschaltzeit verbleibt das Ventil noch für eine Abfallverzugszeit T_21 in der geöffnetem Stellung und schließt dann. Wie aus 1 zu erkennen ist gilt T_ON = T_11 + T_12 + T_eff-T_21.
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Bei der Bestimmung der Anschaltzeit eines Schaltventils für die Raddruckmodulation wird schrittweise (und dabei ggf. parallel) vorgegangen:
- • Bestimmung der effektiven Öffnungszeit T_eff
- • Bestimmung der Anzugsverzugszeit T_11,
- • Bestimmung der Hubzeit T_12,
- • Bestimmung der Abfallverzugszeit T_21 und
- • Bestimmung der Anschaltzeit mit T_ON = T_11 + T_12 + T_eff – T_21
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Für die Berechnung der einzelnen Phasen wird jeweils ein geeignetes dynamisches Modell herangezogen. Im Folgenden wird beispielhaft der Berechnungsweg der Anschaltzeit T_ON mit Hilfe von Modellen, die auf einer Beschreibung der Magnetkreisdynamik mit Hilfe von Reluktanzmodelien beruht, dargestellt.
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1. Berechnung der effektiven Öffnungszeit T_eff des Ventils
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Aus der Sollvorgabe für die Druckänderung delta_p_soll, dem aktuellen Druck im Bremszylinder p_rad, der nichtlinearen Elastizität E bremse der Bremse und den Fluideigenschaften (Dichte rho, Viskosität nu) wird die effektive Öffnungszeit T_eff des Ventils bestimmt.
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Für die Berechnung wird ein differential-algebraisches Gleichungssystem gelöst. Das Gleichungssystem besteht aus einer algebraischen Drosselgleichung, welche das Ventil im vollständig geöffneten Zustand beschreibt und einem Differentialgleichungssystem welches das nichtlineare dynamische Verhalten der Radbremse wiedergibt. Durch die Lösung der Gleichungssystems wird die notwendige Öffnungszeit T_eff bestimmt. Dadurch erhält man eine algebraische Gleichung der Form T_eff = fl(delta_p_soll, p_rad, E_bremse, rho, nu). Mit dem Ansatz
erhält man
und mit
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Die Temperarurabhängigkeit der Fluideigenschaften rho und nu kann beispielsweise tabelliert werden und in Abhängigkeit der gemessenen oder geschätzten Temperatur ausgewertet werden. Der Sollwert delta_p_soll wird durch Fahrzeugregler, wie z. B. einem ABS-Regler, vorgegeben. Es wird davon ausgegangen, dass der Raddruck entweder gemessen oder geschätzt wird.
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Die mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kleinstmögliche Druckänderung hängt von dem dynamischen Verhalten des Magnetkreises ab, da die Ansteuerzeit mindestens der Dauer des Einschwingvorgangs der Magnetfeldgrößen entsprechen muss. Die Einschwingzeit kann abhängig vom aktuellen Druckniveau und der Klemmenspannung mit Hilfe eines dynamischen Magnetkreismodells bestimmt werden.
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2. Berechnung der Anzugsverzugszeit T_11
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Zuerst wird die zur Überwindung der Lastkräfte notwendige Magnetkraft aus dem Kräftegleichgewicht bestimmt. Unter Berücksichtigung der magnetischen Charakteristik des Ventils ist dadurch das notwendige Magnetfeld festgelegt. Mit Hilfe eines physikalischen Modells, dass die Dynamik des elektrischen Kreises und des Magnetkreises (Reluktanzmodell) beschreibt, wird schließlich die Anzugsverzugszeit, d. h. die zum Feldaufbau benötigte Zeit, berechnet. Auf diese Weise erhält man T_11 als eine Funktion des aktuellen Raddrucks p_rad, der Versorgungsspannung U_batt und der Parameter des elektrischen Kreises P_el (Widerstände, Induktivitäten, etc.) und des Magnetkreises P_magn (magnetische Widerstände, Induktivitäten, ...): T_11 = f2(p_rad, U_batt, P_el, P_magn). Die Magnetkreisparameter P_magn können auf die physikalischen Abmessungen, die Permeabilität und die Leitfähigkeit der Ventilkomponenten zurückgeführt werden. Die Parameter P_el und P_magn hängen wiederum von der Temperatur ab. Mit dem Gleichungssystem
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Erhält man eine Lösung für den Hauptfluss Φ(t) mit Hilfe einer zeitlicher Taylorreihe
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Und die Anzugsverzugszeit T_11 aus der Gleichung
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Bricht man Φ(t) z. B. nach dem zweiten Glied
( Φ'(0) / 1!t) ab, erhält man
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3. Berechnung der Hubzeit T_12
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Bei der Berechnung der Hubzeit wird davon ausgegangen, dass die Druckänderung während der Anker-/Nadelbewegung vernachlässigbar klein ist. Für die Bestimmung der Hubzeit wird das dynamische Modell für den elektrischen Kreis und den Magnetkreis um den Impulssatz für die Ankerbewegung und eine ankerhubabhängige Kraftberechnung (Hydraulik-, Magnet-, Federkraft, ...) erweitert. Dieses Modell ermöglicht die Bestimmung der Hubzeit T_12, die benötigt wird um den oberen Anschlag zu erreichen. Die Hubzeit hängt vom Raddruck p_rad, der Versorgungsspannung U_batt, der Ankermasse m, den Fluideigenschaften (rho, nu) und den Parametersätzen P_el und P_magn ab: T_12 = β(p_rad, U_batt, m, P_el, P_magn, rho, nu). Die Nutzung der physikalischen Streckenparameter ermöglicht erneut die Berücksichtigung des Temperatureinflusses. Für bestimmte Ventiltypen kann das Modell noch vereinfacht werden, so dass sich die Anzahl der zu berücksichtigenden Parameter verringert. Mit dem Ansatz
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Folgt für den Hub x(t) aus mit Hilfe einer zeitlicher Taylorreihe
x(t – T_11) = x(T_11) + x'(T_11) / 1!·(t – T_11) + x''(T_11) / 2!·(t – T_11)2 + ... und x(T_12) = x_max bei Abbruch z. B. nach dem 4. Glied
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4. Berechnung der Abfallverzugszeit T_21
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Bei der Bestimmung der Abfallverzugszeit wird analog zu 2. vorgegangen. Dadurch erhält man TU = f4(p_rad, delta_p_soll, U_kl, P_el, P_magn). Die Klemmenspannung U_kl hängt von der eingesetzten Leistungselektronik ab.
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Im Unterschied zu T_11 hängt in dieser Phase der Raddruck von der Zeit ab, deshalb müssen die Drosselwirkung des Ventils und das dynamische Verhalten der Radbremse bei der Berechnung berücksichtigt werden. Vereinfachend können diese Effekte auch teilweise oder vollständig vernachlässigt werden.
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5. Berechnung der Anschaltzeit TON
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Nach Bild 1 erhält man schließlich die Anschaltzeit T_ON = T_11 + T_12 + T_eff – T_21.
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Das Blockschaltbild des Algorithmus ist in Bild 2 dargestellt. Der modulare Aufbau des Algorithmus bietet die Möglichkeit abhängig vom Ventiltyp oder den Anforderungen an die Druckstellgenauigkeit, die Übergangszeiten T_11, T_12 und T_21 vollständig oder teilweise zu vernachlässigen. Der Kern des Verfahrens ist die Berechnung von T_eff. Durch eine geeignete Bestimmung der Klemmenspannung U_kl, die beim Abschalten anliegt, kann dafür gesorgt werden, dass die Anzugs- und Abfallsverzugszeiten ungefähr gleich groß sind, so dass sie bei der Berechnung von T_ON vernachlässigt werden können. Auf diese Weise kann der Rechenaufwand im Steuergerät stark reduziert werden. Die Berechnung der einzelnen Zeiten kann entweder direkt mit Hilfe der einzelnen Modelle erfolgen oder man greift auf offline berechnete Ergebnisse bzw. Teilergebnisse zurück und tabelliert oder approximiert diese. Dazu können die Werte in einem oder mehreren Kennfeldern abgelegt werden.
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Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen
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- V_rad
- Radvolumen
- cq
- Durchflusszahl
- A_eq
- äquivalente Querschnitt des Ventils im voll geöffnetem Zustand
- p_rad
- Raddruck
- ρ
- Dichte des Fluids
- b, m, n
- Koeffizienten zur Approximation pV-Kennlinie des Rades
- ν
- Kinematische Viskosität
- I
- Spulenstrom der Spule
- R
- Spulenwiderstand
- N
- Windungszahl
- Φ
- Hauptfluss
- R_m(Φ)
- Flussabhängige magnetische Reluktanz des Eisens
- R_x0
- magnetische Reluktanz des Luftspaltes
- R_sigma
- magnetische Reluktanz des Streuflusses
- L_m
- magnetische Induktivität
- l_m
- Länge des Eisens
- A_max
- Querschnitt des Eisens
- μ_0
- Permeabilität des Vakuums
- μ_r(Φ)
- relative (Flussabhängige) Permeabilität
- c_1, c-2
- Koeffizienten zur Approximation B(H)-Kennlinie des Eisens
- p1, p2
- Koeffizienten zur Approximation der hydraulischen Kraft
- Fm
- Magnetische Kraft
- F_fed0
- Federvorspannkraft
- x
- Hub
- M
- Ankermasse
- c_fed
- Federsteifigkeit
- D
- Dämpfungskoeffizient
- x_max
- Maximaler Ankerhub
und mit
