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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zum
Einstellen einer elektrodynamischen Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers
für eine
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach
Anspruch 9.
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Die
Phasenlage einer Nockenwelle zu einer Kurbelwelle kann durch passive
(antriebslose) Nockenwellensteller verändert werden. Diese Nockenwellensteller
bestehen z.B. aus einer Bremse und einem Summiergetriebe (
DE 100 38 354 A1 )
oder aus einer Bremse und einem Hebelmechanismus (
DE 102 47 650 A1 ), wobei
sich der Hebelmechanismus wie ein Summiergetriebe verhält. Als
Bremse kommen in der Regel berührungslose
und verschleißfrei arbeitende
Hysteresebremsen zum Einsatz.
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Zum
Halten und Verstellen der Phasenlage ist eine Regelung notwendig,
da das variable Moment der Bremse am Stelleingang des Summiergetriebes,
d.h. an der Stellwelle, zu Veränderungen
der Phasenlage der Nockenwelle führt.
Durch Anziehen der Bremse wird die Stellwelle verlangsamt und damit die
Phasenlage über
das Summiergetriebe verändert;
im Fall eines Minusgetriebes als Summiergetriebe wird die Phasenlage
nach früh
verändert.
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Wird
die Bremse gelöst,
beschleunigt der Stelleingang bedingt durch das Lastmoment der Nockenwelle
und die Phasenlage wird bei Verwendung eines Minusgetriebes nach
spät verändert. Bei
konstanter Phasenlage, also im sogenannten Kupplungsfall, wenn keine
Relativbewegung im Getriebe stattfindet, muss die Stellwelle auf
Nockenwellendrehzahl gehalten werden.
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Eine
Regelstruktur für
den Verstellmotor eines elektrischen Nockenwellenverstellers nach
dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 51 347 A1 bekannt.
Darin wird eine Regelstruktur zum Erreichen der Soll-Verstelldrehzahl
eines Verstellmotors für
den elektrischen Nockenwellenversteller beschrieben, wobei der Nockenwellenversteller
mindestens einen Regler aufweist, der aus Messsignalen des Verbrennungsmotors
Steuersignale für
den Verstellmotor generiert.
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Der
Regler weist als Eingangssignal ein Differenzsignal aus Soll- und
Istwerten und als Ausgangssignal ein für den Verstellmotor bestimmtes, geregeltes
Soll-Verstelldrehzahlsignal
auf, dem ein ungeregeltes Drehzahlsignal aufaddiert ist. Es werden
zwei Ausführungen
einer Lageregelung, eine Drehzahlregelung, eine kombinierte Lage-
und Drehzahlregelung und als Beispiel einer Strombegrenzungsfunktion
ein Zweipunkt-Stromregler vorgeschlagen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Regelverhalten
einer derartigen Regelstruktur bzw. die Regelstruktur selbst weiter
zu verbessern.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung
zum Einstellen einer elektrodynamischen Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers
für eine
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach
Anspruch 10.
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Nach
Anspruch 1 wird innerhalb einer Kaskadenregelung mittels eines Positionsreglers
die Phasenlage der Nockenwelle und mittels eines Verstellgeschwindigkeitsreglers
die Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage geregelt, mittels einer
weiteren Einstelleinrichtung der Strom durch die elektrodynamische
Bremse eingestellt, und es werden zur Verbesserung des Regelverhaltens
der Kaskadenregelung Vorsteuerungen eingesetzt.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Vorsteuerungen das
Regelverhalten der Kaskadenregelung wesentlich verbessern und die Regelgüte erhöhen, wodurch
eine schnellere und genauere Einstellung der Phasenlage der Nockenwelle möglich ist.
Dies wiederum erlaubt einen verbesserten und der jeweiligen Belastungssituation
angepassten Betrieb der Brennkraftmaschine, der Verbrauch wird gesenkt,
der Verschleiß vermindert
und es werden Schwingungen und daraus folgende Schäden und
Komforteinbußen
vermieden.
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Zur
Vorsteuerung wird gemäß Anspruch
4 in der Kaskadenregelung, genauer in der Stromeinstelleinrichtung,
die Kurbelwellen-Drehzahl als eine zusätzliche Kenngröße berücksichtigt.
Die Größe der Drehzahl
der Kurbelwelle ist in aller Regel im (Motor-) Steuergerät verfügbar, so
dass kein zusätzlicher Sensor,
kein zusätzliches
Signal auf dem (CAN-) Bus und keine zusätzliche Abfrage in der Software
notwendig sind. In den Ansprüchen
2, 3 und 5 bis 7 wird vorgeschlagen, auf welche Art und Weise die
Berücksichtigung
dieser Größe vorteilhaft
erfolgen kann.
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Die
Vorteile, die Drehzahl der Kurbelwelle über eine Vorsteuerung in der
Kaskadenregelung zu berücksichtigen,
bestehen in einer schnelleren und genaueren Einstellung der Phasenlage
der Nockenwelle und somit auch der gesamten Brennkraftmaschine,
mit den bereits genannten positiven Auswirkungen.
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Schließlich wird
in einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung ist nach Anspruch 8 vorgeschlagen, den Strom durch
die Hysteresebremse durch eine modellbasierte Istwertabschätzung mit
Beobachter einzustellen.
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Allein
schon durch die Einstellung des Stroms mittels einer Steuerung wird
das Regelverhalten der Kaskadenregelung und somit die Einstellung
der Phasenlage der Nockenwelle merklich verbessert, mit all den
daraus folgenden, schon genannten Vorteilen. Durch eine modellbasierte
Istwertabschätzung
mit Beobachter wird das ausgezeichnete Regelverhalten der Regelstruktur
insgesamt beibehalten und es werden darüber hinaus Kosten reduziert,
da ein Stromsensor eingespart wird und somit Aufwand und Kosten
merklich niedriger ausfallen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und/oder den Figuren angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme
der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 in
prinzipieller Darstellung eine Kaskadenregelung für eine elektrodynamische
Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers,
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2 in
prinzipieller Darstellung einer Ausführungsform der Stromeinstelleinrichtung,
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3 die
stark nichtlineare Strom-Momentenkennlinie der elektrodynamischen
Bremse, die im Regler verwendete zugehörige invertierte Kennlinie und
die sich durch Reihenschaltung ergebende Linearisierung und
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4 die
kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der elektrodynamischen
Bremse bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bewirkt durch
die Wechselmomente der Nockenwelle.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für eine elektrodynamische Bremse
eines elektrischen Nockenwellenverstellers einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt
eine Kaskadenregelung 1 für eine (nicht detailliert dargestellte)
elektrodynamische Bremse (mit Rotor) eines elektrischen Nockenwellenverstellers,
mit einem Positionsregler 20 zur Einstellung der Phasenlage,
einem Verstellgeschwindigkeitsregler 30 zur Einstellung
der Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage, einer Stromeinstelleinrichtung 40,
bei der es sich um eine Steuerung oder um eine Regelung handelt
und mit welcher der Strom durch die elektrodynamische Bremse eingestellt wird,
einer Regelstrecke 18, die Ansteuerelektronik, elektrodynamische
Bremse mit stark nichtlinearer Strom-Momentenkennlinie, Stellgetriebe und
Nockenwelle beinhaltet, und einer Positionserfassungseinheit 19.
Die Kaskadenregelung 1 ist üblicherweise Teil eines (Motor-)
Steuergerätes 50.
Sollgröße 2 der Kaskadenregelung 1 ist
eine Größe Δθsoll, bei der es sich um eine Änderung
der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle handelt.
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In
einem Summierer 3 wird von der Sollgröße 2 eine Istgröße 4,
bei der es sich um eine Ist-Phasenlage Δθist handelt,
subtrahiert, woraus sich eine Regelabweichung 5 ergibt,
die dem Positionsregler 20 als Eingangsgröße zugeführt wird.
Ausgangsgröße des Positionsreglers 20 ist
eine Regelgröße 6 (Soll-Verstellgeschwindigkeit
einer Phasenlage Δωsoll), die einem weiteren Summierer 7 zugeführt und
von der im Summierer 7 eine Sollgröße 8 subtrahiert wird.
Bei der Sollgröße 8,
die von der Positionserfassungseinheit 19 geliefert wird,
handelt es sich um eine Ist-Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage Δωist. Dem Verstellgeschwindigkeitsregler 30 wird
somit eine Regelabweichung 10 zugeführt.
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Ausgangsgröße 11 des
Verstellgeschwindigkeitsreglers 30 ist ein Moment M_Regler,
das als Eingangsgröße der Stromeinstelleinrichtung 40 zugeführt wird.
Der Stromeinstelleinrichtung 40 werden im weiteren noch
eine Größe 46,
wobei es sich um die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) handelt, und
eine Größe 48,
wobei es sich um die Rotation (w_bremse) der elektrodynamischen
Bremse (bzw. ihres Rotors) handelt, zugeführt; die Größe 46 (n_KW) ist üblicherweise
innerhalb des (Motor-) Steuergeräts 50 verfügbar, die
Größe 48 (w_bremse)
wird in der Positionserfassungseinheit 19 berechnet. Ausgangsgröße 12 der
Stromeinstelleinrichtung 40 ist eine Spannung Ua, die der Ansteuereinheit für die Bremse
innerhalb der Regelstrecke 18 zugeführt wird. Auf die Regelstrecke 18 wirkt
das Moment der Nockenwelle (MNW) als Störgröße 13.
Ausgangsgröße 14 der
Regelstrecke 18 ist eine (Meß-) Größe θSteller (Stellung
der Bremse) oder θNW (Stellung der Nockenwelle), je nach eingesetzter
Sensorik.
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Bei
der Stromeinstelleinrichtung 40 kann es sich um eine Steuerung
oder um eine Regelung handeln. Handelt es sich um eine Regelung,
wird eine zweite Ausgangsgröße 15,
bei der es sich um den Strom iSteller für die Bremse
handelt, am Ausgang der Regelstrecke 18 entnommen und der
Stromeinstelleinrichtung 40 zugeführt.
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Die
Ausgangsgröße 14 (θSteller, d.h. die Stellung der Bremse oder θNW, d.h. die Stellung der Nockenwelle) der
Regelstrecke 18 wird der Positionserfassungseinheit 19 zugeführt; des
weiteren wird der Positionserfassungseinheit 19 als weitere
Größe die Stellung
der Kurbelwelle als Größe 16 (θKW) zugeführt.
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Wenn
die Ausgangsgröße 14 θSteller (Stellung der Bremse) ist, wird in
der Positionserfassungseinheit 19 die Stellung θNW (Stellung der Nockenwelle) mit Hilfe von θKW (Stellung der Kurbelwelle) berechnet.
In der Positionserfassungseinheit 19 werden eine Drehzahl
der Nockenwelle nNW und die Drehzahl der
Kurbelwelle nKW aus der zeitlichen Veränderung der
jeweiligen Positionen berechnet. Die Ausgangsgröße 4 ist die Ist-Phasenlage θist = θNW – θKW/2 der Nockenwelle zur Kurbelwelle.
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Die
Ausgangsgröße 8 ist
die Ist-Verstellgeschwindigkeit Δωist = nNW – θKW/2 der Nockenwelle zur Kurbelwelle. Damit
stellt der Verstellgeschwindigkeitsregler 30 die Drehzahl
der Bremse (w_bremse) bei inaktivem Positionsregler 20 (Regelgröße 6 ist
0) auf eine Nockenwellendrehzahl n NW und somit die Verstellgeschwindigkeit
0 ein. Der Positionsregler 20 wird damit in vorteilhafter
Weise entlastet, seine Aufgabe ist nur die Einstellung eines zusätzlichen
Verstellwinkels und nicht das Halten der Phasenlage.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
der Stromeinstelleinrichtung 40 aus 1 prinzipiell
dargestellt. Bei der Stromeinstelleinrichtung 40 handelt
es sich um eine Steuerung oder um eine Regelung; im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird eine Steuerung (Istwertabschätzung mit Beobachter) eingesetzt.
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Die
Ausgangsgröße 11 des
Verstellgeschwindigkeitsreglers 30 (1), das
Moment M_Regler, wird der Stromeinstelleinrichtung 40 als Eingangsgröße einem
Eingang 41 und anschließend als erste Größe einem
Summierer 44 zugeführt. Zwecks
einer Vorsteuerung zur Verbesserung des Regelverhaltens wird der
Stromeinstelleinrichtung 40 über einen zweiten Eingang 45 die
Größe 46,
bei der es sich um die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) handelt,
zugeführt.
Die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) 46 wird mittels einer
drehzahlabhängigen
Kennlinie 49, in der das mittlere Lastmoment der elektrodynamischen
Bremse beispielsweise in Form einer Wertetabelle abgelegt ist, in
ein Moment (M_vorst) 51 umgesetzt. Anschließend wird
dieses Moment (M_vorst) 51 als zweite Größe ebenfalls
dem Summierer 44 zugeführt.
Die im Summierer 44 gebildete Summe aus dem ersten Moment
(M_Regler) 11 und dem zweiten Moment (M_vorst) 51 ergibt
ein Sollmoment (M_soll) 43.
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Diese
Vorsteuerung hat den Zweck, das Regelverhalten der Kaskadenregelung 1 (1)
insgesamt zu verbessern. Beim Halten konstanter Phasenlage muss
die elektrodynamische Bremse das mittlere Lastmoment der Nockenwelle
und der angebundenen Aggregate geteilt durch die Getriebeübersetzung
kompensieren. Dieses Lastmoment ist bekannt; es wird in Form des
zweiten Moments (M_vorst) 51 berücksichtigt und im folgenden
dem ersten Moment (M_Regler) 11 hinzuaddiert, woraus sich
dann das Sollmoment (M_soll) 43 ergibt.
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Über eine
invertierte Strom-Momenten-Kennlinie 42 der elektrodynamischen
Bremse, die beispielsweise als Wertetabelle in der Stromeinstelleinrichtung 40 abgelegt
ist, wird das Sollmoment (M_soll) 43 in einen Strom (I_soll) 56 umgesetzt
und dieser Strom (I_Soll) 56 einem Multiplizierer 55 zugeführt.
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Die
invertierte Strom-Momenten-Kennlinie 42 hat den Zweck,
das Regelverhalten der Kaskadenregelung 1 (1)
insgesamt zu verbessern, indem die stark nichtlineare Strom-Momentenkennlinie der
Bremse (in der Regelstrecke 18 enthalten) kompensiert wird.
Für den
gesamten Regelkreis 1 entspricht das einer Reihenschaltung
(Multiplikation) der nichtlinearen elektrodynamischen Bremse mit
ihrer invertierten Kennlinie, damit wird die nichtlineare Wirkung
der Bremse aufgehoben (3).
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Der
Stromeinstelleinrichtung 40 wird weiterhin über einen
dritten Eingang 47 die Größe 48, bei der es
sich um die Rotation (w_bremse) der elektrodynamischen Bremse (bzw.
ihres Rotors) handelt, zugeführt.
Diese Größe (w_bremse) 48 wird
einem Vorzeichenblock 53 zugeführt, dessen Ausgangssignal 54 beispielsweise
je nach Rotationsrichtung der Bremse in Form der Größe (w_bremse) 48 einen
positiven oder negativen Betrag aufweist (oder Null ist, wenn keine
Rotation der Bremse vorliegt, d.h. bei nicht aktivierter Brennkraftmaschine).
Das Ausgangssignal 54 des Vorzeichenblocks 53 wird
als zweite Größe dem Multiplizierer 55 zugeführt, ebenso
wie der Strom (I_soll) 56.
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Im
Multiplizierer 55 wird der Strom (I_soll) 56 mit
dem Vorzeichen, das aus dem Signal 54 hervorgeht, multipliziert
und dadurch die Rotationsrichtung der elektrodynamischen Bremse
in die Kaskadenregelung 1 mit einbezogen, was bedeutet,
dass zum Beispiel bei negativer Drehrichtung der elektrodynamischen
Bremse eine Vorzeichenumkehr stattfindet. Aus dieser Multiplikation
ergibt sich als Ausgangssignal des Multiplizierers 55 ein
Strom 57 (mit positivem oder negativem Vorzeichen bzw.
kein Strom bei nicht aktivierter Brennkraftmaschine), der einem
nachgeschalteten Summierer 61 mit einem Ausgangssignal 62 zugeführt wird.
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Mit
Hilfe des Multiplizierers 55 wird durch Beschränkung der
Aktorik auf Bremsbetrieb eine Nichtlinearität der elektrodynamischen Bremse
berücksichtigt.
Die als Aktor eingesetzte elektrodynamische Bremse kann nur Bremsen
und nicht Antreiben. Wenn der Verstellgeschwindigkeitsregler 30 (1) einen
Vorzeichenwechsel des Moments (M_Regler) 11 (1)
bzw. Sollstroms 15 (1) ausgibt,
erwartet er auch einen Vorzeichenwechsel der Momentenrichtung. Die
elektrodynamische Bremse erzeugt jedoch immer ein Bremsmoment, unabhängig von
der Stromrichtung (MBremse (I)
= MBremse (–I)).
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Deshalb
wird das Moment (M_Regler) 11 bzw. der Sollstrom 15 auf
Werte größer oder
gleich Null (0) begrenzt (in diesem Fall bedeutet positiver Strom
= Bremsbetrieb), negative Werte werden auf Null gesetzt. Die Umkehrung
ist je nach Vorzeichenkonvention im Regler 1 genauso möglich (Begrenzung
auf Werte kleiner oder gleich Null (0), in diesem Fall bedeutet
negativer Strom Bremsbetrieb).
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Bei
niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine können die Wechselmomente der
Nockenwelle eine kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der
Bremse bewirken (siehe
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4).
Bremsen bei umgekehrter Drehrichtung des Rotors erzeugt auch eine
Umkehrung der Verstellrichtung. D.h. damit wäre der Regler 1 instabil,
ein Soll-Verstellsignal in die eine Richtung würde einen Verstellvorgang in
die entgegen gesetzte Richtung auslösen. Das Problem wird gelöst durch
eine Multiplikation des Stroms (I_soll) 56 bzw. des Moments
(M_Regler) 11 mit dem Vorzeichen 54 der Rotor-Drehzahl
im Multiplizierer 55.
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Der
Strom 57 als Ausgangssignal des Multiplizierers 55 wird
zum einen einer weiteren Vorsteuerung 60 mit einem Ausgangssignal
(U_stat) 64 zugeführt,
deren Zweck im weiteren erläutert
wird, und zum anderen dem Summierer 61, der zur Bildung
einer Regelabweichung 62 für eine weitere, der eigentlichen
Stromeinstelleinrichtung 63 dient, welche ein Ausgangssignal
(U_dyn) 66 aufweist.
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In
der weiteren Vorsteuerung 60 wird der Strom 57 mit
dem Ohmschen Widerstand der Spule der Bremse multipliziert. Das
Ausgangssignal (U_stat) 64 wird mittels eines weiteren
Summierers 65, der ein Ausgangssignal (U_out) 67 aufweist,
dem Ausgangssignal (U_dyn) 66 der weiteren und eigentlichen
Stromeinstelleinrichtung 63 aufaddiert, um das Reglerverhalten
zu optimieren.
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Das
Ausgangssignal (U_out) 67 des weiteren Summierers 65 wird
einer Spannungsbegrenzung 68 mit einem Ausgangssignal 69 zugeführt, das Ausgangssignal 69 wiederum
wird zum einen einer Stromabschätzungseinrichtung
(Beobachter) 70 mit einem Ausgangssignal (i_absch) 71 und
zum anderen einem Ausgang 72 als Ausgangssignal (Ua) 12 zugeführt (Ua entspricht
U_out).
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Das
Ausgangssignal (i_absch) 71 der Stromabschätzungseinrichtung 70 wird
dem Summierer 61 zugeführt
und dort vom Signal 57 subtrahiert, woraus sich dann das
Eingangssignal 62 für
die Stromeinstelleinrichtung 63 ergibt.
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Die
Stromeinstellung in der Stromeinstelleinrichtung 63 erfolgt
durch eine modellbasierte Istwertschätzung mit der Stromabschätzungseinrichtung 70 als
Beobachter. Damit entfällt
ein Stromsensor zum Messen des Stromes durch die elektrodynamische Bremse
und das Zurückschleifen
des zugehörigen Messwertes
zum Soll-Istwertvergleich. Der Beobachter 70 beobachtet
den Verlauf des Signals (U_out=Ua) 69,
bildet das zeitliche Spannungs-Strom-Verhalten der elektrodynamischen Bremse
nach und berücksichtigt
idealerweise auch die Temperatureigenschaften, z.B. Änderung
des elektrischen Widerstandes (Temperaturkompensation).
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3 zeigt
in einem Diagramm 21 eine x-Achse 22, eine y-Achse 23 und
drei Kurven 24, 25 und 26. Kurve 24 ist
eine stark nichtlineare Strom-Momentenkennlinie 24 M=f(I)
der elektrodynamischen Bremse mit dem Strom I als x-Achse 22 und dem
Moment M als y-Achse 23. Kurve 25 zeigt die in der
Stromeinstelleinrichtung 40 (1, 2)
verwendete zugehörige
invertierte Kennlinie I=f(M) mit dem Moment M als x-Achse 22 und
dem Strom I als y-Achse 23. Kurve 26 ist die sich
durch Reihenschaltung der Kennlinie 24 der Bremse und der
im Regler verwendeten invertierten Kennlinie 25 ergebende
Linearisierung.
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4 zeigt
in einem Diagramm 31 eine Zeitachse 32, eine Achse 33 für die Drehzahl
und in einer Kurve 34 den zeitlichen Verlauf des Rotors
der elektrodynamischen Bremse.
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Anhand
der Kurve 34 lässt
sich die kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der elektrodynamischen
Bremse bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bewirkt
durch die Wechselmomente der Nockenwelle, erkennen. Diese Drehrichtungsumkehr
findet statt, wenn die Kurve 34 unterhalb der Nulllinie
verläuft.