DE102005052716B4

DE102005052716B4 - Steuergerät und Steuerverfahren für ein Getriebe

Info

Publication number: DE102005052716B4
Application number: DE102005052716.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver Lehner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2025-11-05
Also published as: DE102005052716A1

Abstract

Das Steuergerät 1 steuert den Hydraulikdruck in einem Kraftfahrzeuggetriebe, das Planetenradsätze aufweist, deren Wellen durch Kupplungen 16 verbunden und durch Bremsen festgehalten werden, welche hydraulisch betätigt werden. Die Stellung der Kupplungen und Bremsen 16 wird über den Hydraulikdruck festgelegt, der durch ein elektrisch betätigtes Proportionalventil 13 gesteuert wird, dessen Ventilstrom von einem PID-Regler geregelt wird. Der P-Koeffizient, der I-Koeffizient und der D-Koeffizient des Reglers, die die Verstärkung des Regelfehlers und damit die Änderung der Regelgröße bestimmen, werden abhängig von dem Hydraulikdruck in dem jeweiligen Arbeitspunkt eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Steuerverfahren für ein Getriebe, das mehrere im Eingriff befindliche Planetenradsätze aufweist, deren Wellen durch mindestens eine Kupplung verbunden und/oder durch mindestens eine Bremse festgehalten werden, welche hydraulisch betätigt werden. Dabei wird die Stellung der Kupplung und/oder Bremse über den Hydraulikdruck festgelegt, der durch ein elektrisch betätigtes Proportionalventil gesteuert wird, dessen Ventilstrom von einem PID-Regler geregelt wird, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6.
Bei Automatikgetrieben erfolgt die Gangauswahl dadurch, dass mehrere Planetenradsätze in ständigem Eingriff laufen und deren Wellen durch Kupplungen (auch als Treibkupplungen bezeichnet) verbunden werden und durch Bremsen (auch: Bremskupplungen) festgehalten werden. Im folgenden ist der Einfachheit halber nur noch von Kupplungen die Rede. Dabei werden sowohl die Kupplungen als auch die Bremsen hydraulisch betätigt, wobei sich die Positionen der Kupplungen und Bremsen durch den Hydraulik- oder Öldruck steuern oder regeln lassen. Der Öldruck wird wiederum durch ein Proportionalventil bestimmt, bei dem der Öldurchfluss proportional zu dem elektrischen Ventilstrom ist. Dieser Ventilstrom wird durch ein elektronisches Steuergerät eingestellt.
Aufgrund des konstruktiven Aufbaus der Kupplungen und der Bremsen gibt es jeweils einen Druckbereich, in dem sie offen oder in dem sie geschlossen sind, sowie einen Druckbereich, in dem sie schleifen, das heißt sich unter Reibeinwirkung gegeneinander bewegen. In den Druckbereichen, in denen die Kupplungen offen oder geschlossen sind, hat eine Änderung des Öldrucks nur eine geringe Auswirkung auf die Abtriebsdrehzahl des Getriebes, während in dem Bereich des Schleifens eine geringe Änderung des Öldrucks eine große Änderung der Abtriebsdrehzahl zur Folge hat.
Der Öldruck (oder die Abtriebsdrehzahl) wird bei einer aus der Praxis bekannten Hydrauliksteuerung mit einem PID-Regler eingestellt. Wünschenswert ist es dabei, aus Gründen des Schaltkomforts und um den Verschleiß niedrig zu halten, die Kupplungen und Bremsen rasch an den Schleifpunkt heranzuführen, im Schleifpunkt langsam zu schließen, und sie dann wieder rasch komplett zu schließen. Eine solche zwischendurch gewünschte Verlangsamung des Schließens ist mit herkömmlichen PID-Reglern nicht möglich. Sie kann nur durch eine zusätzliche aufwendige Steuerung realisiert werden. Aber auch dann bleibt das Problem, dass im Schleifpunkt schwächere Änderungen des Öldrucks bei Regelabweichungen gewünscht sind als in den anderen Betriebsbereichen.
Bei einem bekannten stufenloses Getriebe ( DE 196 21 201 A1 ) mit einem hydrostatischen und einem mechanischen Leistungszweig, einem Summierungsgetriebe mit kraftschlüssigen Lamellenkupplungen und einem nachgeschalteten Schaltgetriebe, wird der Systemwirkungsgrad verbessert und die Anzahl beweglicher Dichtelemente und hydraulisch betätigter Kupplungen vermindert, indem das Schaltgetriebe mittels synchronisierter Klauenkupplungen bzw. -bremsen geschaltet wird. Mit dem Schaltgetriebe werden vor allem die niedrigen Vorwärts- und Rückwärtsfahrbereiche realisiert. In einem Fahrbereich, in dem ausschließlich kraftschlüssige Kupplungen im Leistungsfluss liegen, werden formschlüssige Kupplungen bzw. eine Bremse geschaltet. Damit ist ein guter Schaltkomfort in den am häufigsten benutzten Fahrbereichen gewährleistet. Ein Proportionalventil und ein PID-Regler sind darin nicht erwähnt.
Ein digitaler Regler für Fahrzeuge ( DE 41 02 087 A1 ), mit proportionalem, differentiellem und vorzugsweise integralem Anteil, mit Mitteln zur Bildung von Einzelsignalwerten für jeden der Regleranteile, mit Mitteln zur Bildung eines Reglersummensignalwertes aus den berechneten Einzelsignalwerten des proportionalen, differentiellen und vorzugsweise integralen Anteils, mit Mitteln zur Bildung eines Ausgangssignals aus dem Reglersummensignalwert zur Ansteuerung eines Stellelements zur Beeinflussung der zu regelnden Größe im Sinne einer Regelung, bei dem Mittel vorgesehen sind, welche den Reglersummensignalwert auf einen vorgegebenen Wertebereich begrenzen, während die Einzelsignalwerte, vorzugsweise P- und D-Anteil, über den vorgegebenen Wertebereich hinaus wachsen können. Dieser bekannte Regler ist für die Lageregelung eines die Leistung einer Brennkraftmaschine beeinflussenden Stellelements, wie eine Drosselklappe oder eine Einspritzpumpe, für die Lageregelung eines elektromotorischen Kupplungsstellers oder für die Lageregelung von Zwei-Motoren-Wischanlagen vorgesehen. Zum Regeln der Stellung von hydraulisch betätigbaren Kupplungen und Bremsen in Kraftfahrzeuggetrieben ist er nicht geeignet.
Eine Schaltungsanordnung zur Druckregelung in einem hydraulischen Drucksystem ( DE 42 17 138 A1 ) zielt auf eine Verbesserung der Druckregelung in einem hydraulischen Drucksystem ab, bei dem, abhängig von der Druckanstiegsgeschwindigkeit, ein Begrenzungssignal gebildet wird, das die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt und damit ein gewünschtes Einschwingen auf den vorgegebenen Drucksollwert ermöglicht. Sie enthält ein Stellglied zur Einstellung der Fördermenge einer Druckmittelquelle und ein Ventil zur Betätigung des Stellgliedes, wobei das Ventil von einem Regelsignal angesteuert wird, das abhängig von der Differenz zwischen Drucksollwert und Druckistwert erzeugt wird. Dabei wird das Ventil von dem Regelsignal des Druckreglers angesteuert, wenn der Förderdruck einen bestimmten Wert überschreitet, es wird ein von der Druckanstiegsgeschwindigkeit des Förderdrucks proportionales Signal gebildet und beim Überschreiten eines vorbestimmten Sollwertes für eine maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit wird ein Begrenzungssignal gebildet, das ein Begrenzungsglied ansteuert, das das Ausgangssignal des Druckreglers begrenzt.
Ein Verfahren zum Steuern einer automatischen Kraftfahrzeugkupplung ( EP 1 319 139 B1 ) weist auf ein hydraulisches Stellglied zum Betätigen der Kupplung und ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, mit dessen Spulenstrom ein Volumenstrom gesteuert wird, der in dem Stellglied einen Druck aufbaut und damit die Position der Kupplung festlegt, indem aus einem Positionssollwert und dem Istwert der Position eine Regelabweichung ermittelt und daraus ein Regelsignal berechnet wird, mit dem die Kupplungsposition gesteuert wird. Dabei wird dem Regelsignal ein aus einem Positionssollwert der Kupplung berechnetes Vorsteuersignal, mit dem Nichtlinearitäten der Regelung kompensiert werden, additiv hinzugefügt. Insbesondere wird eine PID-Regelung mit einer definierten Rücksetzung des Integrators durchgeführt. Ein Vorsteuerstrom wird mit einem inversen Streckenmodell berechnet, aus der Regelabweichung mit einem Antiwindup-Algorithmus wird ein Regelstrom berechnet, der Vorsteuerstrom und der Regelstrom werden summiert werden, und die Summe dieser Signale wird zum Einstellen der Kupplungsposition verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Steuergerät für den Hydraulikdruck in einem Kraftfahrzeuggetriebe zu schaffen, das die genannten Probleme löst und es ermöglicht, die Charakteristik eines Reglers abhängig von dem Arbeitspunkt zu verändern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuergerät nach Anspruch 1 gelöst. Der P-Koeffizient, der I-Koeffizient und der D-Koeffizient des Reglers, die die Verstärkung des Regelfehlers und damit die Änderung der Regelgröße bestimmen, werden abhängig von dem Hydraulikdruck in dem jeweiligen Arbeitspunkt eingestellt. Sie werden in einem zweiten Arbeitsbereich des Hydraulikdrucks gegenüber einem ersten Arbeitsbereich des Hydraulikdrucks verkleinert und in einem dritten Arbeitsbereich des Hydraulikdrucks gegenüber dem zweiten Arbeitsbereich vergrößert.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die Kupplungen in dem Bereich des Schleifpunktes sehr feinfühlig geschlossen werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Steuergerät für den Hydraulikdruck zum Betätigen der Kupplungen in einem Kraftfahrzeuggetriebe;
2 den Verlauf der Abtriebsdrehzahl abhängig von dem auf die Kupplungen einwirkenden Hydraulikdruck;
3 den Verlauf des P-Koeffizienten eines PID-Reglers abhängig von dem auf die Kupplungen einwirkenden Hydraulikdruck;
4 den Verlauf des I-Koeffizienten eines PID-Reglers abhängig von dem auf die Kupplungen einwirkenden Hydraulikdruck;
5 den Verlauf des D-Koeffizienten eines PID-Reglers abhängig von dem auf die Kupplungen einwirkenden Hydraulikdruck, und
6 das Ablaufdiagramm eines in dem Steuergerät nach 1 laufenden Programms.
Ein Steuergerät 1 (1) umfasst einen Mikrocontroller 2, der Steuersignale erzeugt, einen elektrischen Pfad oder Schaltungsteil 3, der die Steuersignale in Steuerbefehle umsetzt und weiterleitet, und einen hydraulischen Pfad oder Hydraulikblock 4, der die Kupplungen in dem Getriebe mit Hydraulikdruck betätigt.
Der Mikrocontroller 2 umfasst folgende Bestandteile:

– einen Schaltungs- oder Programmblock (im Folgenden nur als Block bezeichnet) 6, der den Zieldruck bestimmt. Der Zieldruck ist gleich dem Hydraulikdruck, der in dem jeweiligen Arbeitspunkt des Getriebes zum Betätigen der Kupplungen aufzubringen ist.
– einen Block 7 zum Bestimmen der Koeffizienten eines PID-Reglers 8. Die Funktion des Blocks 7 in Verbindung mit dem PID-Regler 8 wird noch eingehend erläutert. Die Ausgangssignale der Blöcke 6 und 7 werden an den Eingängen des PID-Reglers 8 gelegt. Ein AD-Wandler 9 empfängt ein den Öldruck in dem Hydraulikblock 4 angebendes analoges Signal und übergibt es in digitalisierter Form an einen Rechenblock 10, der den Spannungswert in einen Druckwert umrechnet.

Der elektrische Pfad 3 enthält einen oberen Treiber 12 (auch als ”High side-Treiber” bezeichnet), der das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal des PID-Reglers 8 auf die Betriebsspannung ”+” aufprägt und damit den Ventilstrom für ein Proportionalventil 13 erzeugt, welches einen zu dem Ventilstrom proportionalen Ölfluss an die Kupplungen in dem Getriebe liefert. Ein unterer (oder ”Low side”-)Treiber 14 dient als redundanter Schalter, um im Falle eines Fehlers – zum Beispiel eines Kurzschlusses – den Ventilstrom für den oberen Treiber 12 abschalten zu können.
Der hydraulische Pfad 4 enthält eine Kupplung 16 und einen Sensor 17 zur Druckmessung. Die Kupplung 16 steht stellvertretend für viele im Getriebe vorhandener Kupplungen. Das automatische Getriebe ist selbst nicht dargestellt, da solche Getriebe allgemein bekannt sind und in ihrem Aufbau durch die Erfindung nicht verändert werden.
Wie bereits erwähnt, wird der Öldruck in den Kupplungen und damit die Abtriebsdrehzahl des Getriebes mit Hilfe des PID-Reglers 8 eingestellt. Dabei sollen aus Gründen des Schaltkomforts und um den Verschleiß niedrig zu halten die Kupplungen rasch an den Schleifpunkt geführt werden. Im Schleifpunkt sollen die Kupplungen langsam geschlossen werden. Die Funktion eines diskreten PID-Reglers kann durch folgende Formeln beschrieben werden:

darin sind:

die Abweichung der Regelgröße vom Sollwert im n-ten Schritt
der Sollwert der Regelgröße im n-ten Schritt
der Istwert (gemessener Wert) der Regelgröße im n-ten Schritt
P der P-Koeffizient des Reglers
I der I-Koeffizient des Reglers
D der D-Koeffizient des Reglers
P_n der resultierende P-Anteil
I_n der resultierende I-Anteil
D_n der resultierende D-Anteil
δ_n die Zeit zwischen zwei diskreten Abtastpunkten
Θ die resultierende Regelgröße (Stellgröße)
s ein Skalierungsfaktor, der Berechnungen mit ganzzahliger Arithmetik ermöglicht

Die P-, I- und D-Koeffizienten des Reglers 8, die bekanntlich die Verstärkung des Fehlers und somit die Änderung der Regelgröße bestimmen, werden als Funktion des Arbeitspunktes der Kupplungsbetätigung ausgeführt. Die Reglerkoeffizienten hängen also von dem Sollwert und dem Istwert der Regelgröße ab:
Die funktionale Abhängigkeit folgender Größen von dem Arbeitspunkt, das heißt von dem jeweils auf die Kupplungen aufzubringenden Öldruck, ist in den Diagrammen dargestellt:

– Die Abtriebsdrehzahl in 2
– Der P-Koeffizient in 3
– Der I-Koeffizient in 4 und
– Der D-Koeffizient in 5.

In diesen Figuren ist die Abtriebsdrehzahl in U·min^–1 aufgetragen, die drei Koeffizienten P, I und D sind dimensionslose Zahlen und auf der Abszisse ist jeweils der Öldruck auf die Kupplungen in Millibar aufgetragen. Ein erster Arbeitsbereich A erstreckt sich von 0 bis etwa 4.000 mBar (oder 4 Bar) Öldruck, ein zweiter Arbeitsbereich B von 4.000 bis 5.000 mBar und ein dritter Arbeitsbereich C von 5.000 bis zu einem von der jeweiligen Konstruktion abhängigen Maximaldruck.
Die funktionale Abhängigkeit ermöglicht es, im Schleifpunkt der Kupplungen auf Differenzen zwischen Soll- und Istwert mit geringen Änderungen der Regelgröße zu reagieren, außerhalb des Schleifpunktes dagegen mit größeren Änderungen des Stellwerts. Geringe Änderungen können in dem Bereich von etwa 1% pro Millisekunde und größere Änderungen etwa in dem Bereich von 5% bis 10% pro msec liegen.
Das Schließen einer Kupplung wird in einem Anwendungsfall wie folgt durchgeführt. Der Schleifpunkt ist bei einem Druck zwischen 4 und 5 Bar erreicht. In diesem Bereich B soll die Kupplung möglichst feinfühlig geschlossen werden, daher werden die P-, I- und D-Koeffizienten verringert, um ein geringeres Ansprechen des Reglers und damit eine geringere Änderung der Stellgröße zu erreichen, das heißt ein geringeres Tastverhältnis des Stellsignals, daraus resultierend eine geringere Änderung des Ventilstroms. Dies wiederum bewirkt eine geringere Änderung des Kupplungsdrucks.
Zweckmäßigerweise werden die P-, I- und D-Koeffizienten durch interpolierte Kennlinien beschrieben. Die Zahlenwerte für ein Anwendungsbeispiel ergeben sich aus den Kurvenverläufen der 3 bis 5. Aus den 2 bis 5 ist ersichtlich, dass im Bereich des Schleifens der Kupplungen, in dem sich die Abtriebsdrehzahl stark ändert, die Koeffizienten P, I und D verringert werden, wodurch erfindungsgemäß eine feinfühlige Regelung erreicht wird.
Das Ablaufdiagramm (6) eines in dem Steuergerät 1 laufenden Programms weist folgende Schritte Sn auf:
S1 Start des Programms
S2 Die Ausgangsspannung des Drucksensors 17 wird gemessen und digitalisiert.
S3 Die gemessene Spannung wird mit einer Kennlinie des Drucksensors in Druckwerten an der Kupplung umgerechnet.
S4 Als Eingangsgröße wird ein Zielwert für den Öldruck an der Kupplung vorgegeben.
S5 Es werden die P-, I- und D-Koeffizienten ermittelt.
S6 Mit den Ergebnissen der Schritte S3, S4 und S5 werden die P-, I- und D-Anteile für die Regelung berechnet.
S7 Aus den P-, I- und D-Anteilen wird ein neues Tastverhältnis für das Stellsignal berechnet.
S8 Das Tastverhältnis wird, falls dies – beispielsweise zum Schutz von Bauteilen – erforderlich ist, limitiert.
S9 Ein neues Tastverhältnis wird von dem Regler 8 vorgegeben und von dem Mikrocontroller 2 als Steuerwert für das Proportionalventil gesetzt.
S10 Ende des Programms.
Das Programm wird laufend zyklisch wiederholt. Sind zum Beispiel n Berechnungsdurchläufe des Programms abgearbeitet worden, erfolgt nach 2 Millisekunden ein nächster Durchlauf n + 1.
Dadurch wird der Öldruck, mit dem die Kupplungen betätigt werden, laufend an den Arbeitspunkt angepasst und somit eine feinfühlige aber effektive Kupplungsbetätigung erreicht.

Claims

Steuergerät (1) für den Hydraulikdruck in einem Kraftfahrzeuggetriebe, das mehrere im Eingriff befindliche Planetenradsätze aufweist, deren Wellen durch Kupplungen (16) verbunden und durch Bremsen festgehalten werden, welche hydraulisch betätigt werden, wobei die Stellung der Kupplungen und Bremsen (16) über den Hydraulikdruck festgelegt wird, der durch ein elektrisch betätigtes Proportionalventil gesteuert wird, dessen Ventilstrom von einem PID-Regler geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der P-Koeffizient, der I-Koeffizient und der D-Koeffizient des Reglers, die die Verstärkung des Regelfehlers und damit die Änderung der Regelgröße bestimmen, abhängig von dem Hydraulikdruck in dem jeweiligen Arbeitspunkt eingestellt werden, und – dass der P-Koeffizient, der I-Koeffizient und der D-Koeffizient in einem zweiten Arbeitsbereich (B) des Hydraulikdrucks gegenüber einem ersten Arbeitsbereich (A) des Hydraulikdrucks verkleinert und in einem dritten Arbeitsbereich (C) des Hydraulikdrucks gegenüber dem zweiten Arbeitsbereich (B) vergrößert werden.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungen und Bremsen (16) in dem zweiten Arbeitsbereich (B) schleifen, während sie in dem ersten Arbeitsbereich (A) des Hydraulikdrucks geöffnet sind und in dem dritten Arbeitsbereich (C) geschlossen sind.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (8) im Arbeitsbereich (B) des Schleifens der Kupplungen und Bremsen auf Differenzen zwischen Soll- und Istwert der Regelgröße mit geringen Änderungen der Stellgröße reagiert.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler außerhalb des Schleifpunktes der Kupplungen und Bremsen auf Differenzen zwischen Soll- und Istwert der Regelgröße mit größeren Änderungen der Stellgröße als im Arbeitsbereich (B) des Schleifpunktes reagiert.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist einen Mikrocontroller (2), der Steuersignale erzeugt, einen elektrischen Pfad (3), der die Steuersignale in Steuerbefehle umsetzt und weiterleitet, und einen hydraulischen Pfad (4), der die Kupplungen (16) in dem Getriebe mit Hydraulikdruck betätigt.
Steuergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (2) enthält: einen Schaltungsblock (6), der den Zieldruck zum Betätigen der Kupplungen bestimmt, einen Pfad (7) zum Bestimmen der Koeffizienten eines PID-Reglers (8) sowie einen AD-Wandler (9), der ein den Öldruck in dem hydraulischen Pfad (4) angebendes analoges Signal empfängt und es in digitalisierter Form an einen Rechenblock (10) übergibt, der den Spannungswert in einen Druckwert umrechnet.
Steuergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Pfad (3) einen Treiber (12) enthält, der den Ventilstrom für ein Proportionalventil (13) erzeugt, welches einen zu dem Ventilstrom proportionalen Ölfluss an die Kupplungen (16) in dem Getriebe liefert.