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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Antriebsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren,
deren maximale Drehzahl mit Hilfe eines Enddrehzahlreglers begrenzt
wird.
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Stand der Technik
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Motorsteuergeräte für Antriebsmotoren
wie z. B. Verbrennungsmotoren weisen in der Regel Enddrehzahlregler
auf, um die maximale Drehzahl zu begrenzen. Dadurch können Funktionen,
die z. B. einen Schutz gegen eine Überdrehzahl gewährleisten,
eine Höchstgeschwindigkeit
eines mit dem Antriebsmotor betriebenen Fahrzeugs begrenzen sowie
ein Getriebe z. B. bei einem Schaltvorgang schützen, realisiert werden. Üblicherweise
werden als Enddrehzahlregler PI- oder PID-Regler (PI: Proportional-Integral-Regler,
PID: Proportional-Integral-Differential-Regler)
verwendet.
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Der
Integratoranteil von Enddrehzahlreglern wird in der Regel begrenzt,
um auch bei Erreichen der Stellgrenze (minimales bzw. maximales
Motormoment) ein akzeptables Regelverhalten zu erreichen. Zur Begrenzung
des Integratoranteils eines solchen Enddrehzahlreglers sind verschiedene
Verfahren bekannt. Grundsätzlich
kann auf feste oder variable Begrenzungswerte begrenzt werden. Bei
einer Begrenzung auf fest vorgegebene Begrenzungswerte besteht jedoch
der Nachteil, dass ein Ansteigen des integralen Anteils über den
möglichen
Stellbereich nicht sicher verhindert werden kann, wenn der Begrenzungswert über den aktuellen
Stellgrenzen liegt. Liegt der Begrenzungswert unter den Stellgrenzen
wird andererseits der verfügbare
Stellbereich nicht genutzt.
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Im
Falle variabler Begrenzungswerte ist weiterhin ein Verfahren bekannt,
die Begrenzung abhängig
von den aktuell verfügbaren
Stellgrenzen durchzuführen.
Dies hat jedoch den Nachteil einer eingeschränkten Regeldynamik, die insbesondere
bei einer starken Reduktion der Stellgröße bzw. des Stellmoments und
einer darauffolgenden plötzlichen
Erhöhung
der Stellgröße bzw.
des Stellmoments zu einer starken Verzögerung des Umsetzens der Fahrervorgabe
führen
können.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
eines Enddrehzahlreglers bzw. einen Enddrehzahlregler zur Verfügung zu stellen,
bei dem der Integratoranteil des Enddrehzahlreglers, insbesondere
im Regeleingriff bei der Annäherung
an die Enddrehzahl, den gesamten verfügbaren Stelleingriff gestattet
und weiterhin auch nahe der Enddrehzahl ein schnelles Ansprechverhalten
gegenüber
einer Vorgabe eines Ansteuerwertes aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmotors
eines Motorsystems mit einer Drehzahlbegrenzung gemäß Anspruch
1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmotors
eines Motorsystems mit einer Drehzahlbegrenzung vorgesehen, wobei
der Antriebsmotor mit einer Stellgröße betrieben wird, wobei die
Stellgröße auf eine
von einem Integratorwert abhängige
Begrenzungsgröße begrenzt
wird, wenn eine variable, insbesondere gefilterte Vorgabegröße zum Ansteuern
des Antriebsmotors die Begrenzungsgröße überschreitet. Das Verfahren
umfasst die folgenden Schritte:
- – Durchführen einer
Integrationsfunktion zum Integrieren einer Drehzahlabweichung zwischen
einer vorgegebenen maximalen Drehzahl des Antriebsmotors und einer
momentanen Drehzahl des Antriebsmotors über der Zeit, um den Integratorwert
bereitzustellen;
- – Begrenzen
des Integratorwerts der Integrationsfunktion auf einen Begrenzungswert,
wenn der Betrag des Integratorwerts den Betrag des Begrenzungswert überschreitet,
wobei der Begrenzungswert von der variablen Vorgabegröße und von
einer Integratorgrenzgröße abhängt, so
dass der Begrenzungswert bei einem Unterschreiten des Betrags der
Integratorgrenzgröße durch
den Betrag der Vorgabegröße auf die
Integratorgrenzgröße festgelegt
wird und andernfalls auf die Vorgabegröße festgelegt wird.
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Eine
Idee des obigen Verfahrens besteht darin, den Integratorwert der
Integrationsfunktion auf einen variablen Begrenzungswert zu begrenzen,
wobei der Begrenzungswert bei einer hohen Vorgabegröße z. B.
der Vorgabegröße oder
einem davon abhängigen
Wert entspricht und bei einer niedrigen Vorgabegröße, d. h.
einer Vorgabegröße unterhalb
der Integratorgrenzgröße, den
Integratorwert lediglich auf die Integratorgrenzgröße begrenzt.
Dadurch wird das vollständige
Rücksetzen
des Integrators verhindert, wenn die Vorgabegröße für den Antriebsmotor weitestgehend
zurückgenommen
wird. Dadurch kann nach einer Rücknahme
der Vorgabegröße und einer darauffolgenden
schnellen Erhöhung
der Vorgabegröße gewährleistet
werden, dass die Drehzahlbegrenzung die maximale Drehzahl, auf die
begrenzt werden soll, möglichst
schnell wieder erreicht.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass eine Proportionalfunktion durchgeführt wird,
um abhängig von
der Drehzahlabweichung einen Proportionalwert zur Verfügung zu
stellen, wobei die Begrenzungsgröße abhängig von
dem Integratorwert und abhängig von
dem Proportionalwert, insbesondere abhängig von deren Summe, bereitgestellt
wird.
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Insbesondere
kann die bereitgestellte Begrenzungsgröße auf die Vorgabegröße oder
den Begrenzungswert begrenzt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Integratorgrenzgröße einem
momentanen Lastmoment des Antriebsmotors entsprechen oder von diesem abhängen.
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Weiterhin
kann die Stellgröße zum Ansteuern
des Antriebsmotors durch eine Minimumauswahl der Begrenzungsgröße und der
Vorgabegröße ermittelt
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebsmotors
eines Motorsystems mit einer Drehzahlbegrenzung vorgesehen. Die
Vorrichtung umfasst:
- – einen Integratorblock zum
Durchführen
einer Integrationsfunktion zum Integrieren einer Drehzahlabweichung
zwischen einer vorgegebenen maximalen Drehzahl des Antriebsmotors
und einer momentanen Drehzahl des Antriebsmotors über der
Zeit, um einen Integratorwert bereitzustellen, wobei der Integratorblock
ausgebildet ist, um den Integratorwert der Integrationsfunktion
auf einen Begrenzungswert zu begrenzen, wenn der Betrag des Integratorwerts
den Betrag des Begrenzungswerts überschreitet;
- – eine
Einrichtung zum Bereitstellen einer Begrenzungsgröße abhängig von
dem Integratorwert;
- – eine
Einrichtung zum Bereitstellen einer variablen, insbesondere gefilterten
Vorgabegröße zum Betreiben
des Antriebsmotors;
- – eine
Einrichtung zum Ansteuern des Antriebsmotors mit einer Stellgröße, die
der auf die Begrenzungsgröße begrenzten
Vorgabegröße entspricht,
wenn die variable Vorgabegröße die Begrenzungsgröße überschreitet;
- – eine
Einrichtung zum Vorgeben des Begrenzungswerts abhängig von
der variablen Vorgabegröße und von
einer Integratorgrenzgröße, so dass
der Begrenzungswert bei einem Unterschreiten des Betrags der Integratorgrenzgröße durch
den Betrag der Vorgabegröße auf die
Integratorgrenzgröße festgelegt
wird und andernfalls auf die Vorgabegröße festgelegt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode
enthält,
der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird,
das obige Verfahren ausführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Enddrehzahlregler;
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2 eine
Funktionsdarstellung einer Enddrehzahlregelung wie sie in dem Enddrehzahlregler, der
in 1 dargestellt ist, gezeigt ist;
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3a und 3b das
Regelverhalten des Enddrehzahlreglers der 2 bei kurzer
Rücknahme des
vorgegebenen Fahrerwunschmoments bei einem herkömmlichen Enddrehzahlregler
und bei einem Enddrehzahlregler, wie er in 2 gezeigt
ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Antriebsmotor 2,
insbesondere einem Verbrennungsmotor, und mit einem Motorsteuergerät 3 gezeigt,
das den Antriebsmotor 2 ansteuert. Das Motorsteuergerät 3 steuert
den Antriebsmotor 2 mit Hilfe von Ansteuersignalen AS an,
die in dem Motorsteuergerät
mit Hilfe von Motorgrößen MG,
die von dem Antriebsmotor 2 bzw. von dort angeordneten
Sensoren dem Motorsteuergerät 3 bereitgestellt
werden. Als weitere Motorgröße wird
mit Hilfe eines Drehzahlsensors 4 eine Drehzahl n des Antriebsmotors 2 erfasst
und dem Motorsteuergerät 3 bereitgestellt. Das
Motorsteuergerät 3 generiert
die Ansteuersignale AS abhängig
von einem durch die Drehzahl n des Antriebsmotors 2 bestimmten
Betriebspunkt des Antriebsmotors 2.
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Im
vorliegend beschriebenen Fall entspricht der Antriebsmotor 2 einem
Verbrennungsmotor, wobei die Ansteuersignale AS Signalen entsprechen, die
die Luftzufuhr z. B. mit Hilfe einer Drosselklappe einstellen, die
Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff bestimmen,
den Zündzeitpunkt festlegen
usw. Die Ansteuersignale AS werden weiterhin abhängig von einem dem Motorsteuergerät 3 oder
in dem Motorsteuergerät 3 vorgegebenen
Stellmoment MStell generiert, so dass die
Ansteuersignale AS dem Verbrennungsmotor 2 so bereitgestellt
werden, dass der Verbrennungsmotor 2 das durch das Stellmoment
MStell geforderte Drehmoment bereitstellt.
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Das
Stellmoment MStell kann bei Verbrennungsmotoren 2 ohne
Enddrehzahlregelung einem Fahrerwunschmoment entsprechen oder von
diesem abhängig
sein.
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In
dem in 1 gezeigten Motorsystem wird das Stellmoment MStell von einem Enddrehzahlregler 5 abhängig von
einer Angabe eines Fahrerwunschmoments FWM und einer maximalen Drehzahl
nmax, die einer Solldrehzahl nSoll eines
Enddrehzahlreglers 5 entspricht, bereitgestellt werden.
Der Enddrehzahlregler 5 ist im Prinzip so ausgebildet, dass
er die Angabe des Fahrerwunschmoments FWM in geeigneter Weise durch
seine Stellgröße begrenzt,
um ein Überschreiten
der vorgegebenen maximalen Drehzahl nmax durch
die Vorgabe eines zu hohen Fahrerwunschmomentes FWM zu vermeiden.
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In 2 ist
eine Funktionsdarstellung des Enddrehzahlreglers 5 im Detail
dargestellt. Der Enddrehzahlregler 5 umfasst einen Regelungsblock 20 mit
einem Proportionalblock 21 und einem Integratorblock 22,
um eine Reglerstellgröße RSG bereitzustellen.
Dazu wird dem Proportionalblock 21 eine von einer Differenzeinheit 23 bereitgestellte
Drehzahlabweichung Δn
zwischen der Solldrehzahl nSoll, d. h. der maximalen
Drehzahl nmax, auf die der Verbrennungsmotor 2 begrenzt
werden soll, bereitgestellt und dort durch Multiplikation mit einem
Proportionalfaktor KP ein entsprechender
Proportionalanteil PA für
die Reglerstellgröße RSG bereitgestellt.
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Die
Drehzahlabweichung Δn
wird weiterhin dem Integratorblock 22 bereitgestellt, der
die Drehzahlabweichung Δn
integriert, z. B. durch Aufsummieren der Drehzahlabweichung Δn in jedem
Rechenschritt, und einen Integralanteil IA bereitstellt. Die Integration
in dem Integratorblock 22 erfolgt mit Hilfe eines Integrationsfaktors
KI. Der Proportionalfaktor KP und
der Integrationsfaktor KI werden vorgegeben
und entsprechend dem Verhalten des Gesamtsystems appliziert.
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Der
Integralanteil IA wird mit Hilfe einer ersten Begrenzungseinheit 24 begrenzt,
und es wird ein begrenzter Integralanteil IAB bereitgestellt. Der
Ausgang des ersten Begrenzungsblockes 24 wird an einen
Rücksetzeingang
des Integratorblockes 22 zurückgeführt, so dass der am Ausgang
des ersten Begrenzungsblockes anliegende Wert in den Integratorblock
zurückgeschrieben
wird. So kann bei Erreichen der Begrenzung auch der Integratorwert
des Integratorblockes 22 auf den Begrenzungswert des ersten Begrenzungsblockes 24 begrenzt
werden.
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In
einem Summierglied 26 werden der begrenzte Integralanteil
IAB und der Proportionalanteil PA addiert und die Reglerstellgröße RSG als
Summe ermittelt.
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Die
Reglerstellgröße RSG wird
einem zweiten Begrenzungsblock 27 zugeführt, der die Reglerstellgröße RSG auf
ein Begrenzungsmoment MLimit begrenzt.
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Es
wird ein Fahrerwunschmoment FWM z. B. von einem (nicht gezeigten)
Fahrpedal vorgegeben, das zunächst
in einem dritten Begrenzungsblock 28 auf einen Wertebereich
zwischen 0 und einem maximalen Motormoment M_MotMax, das das maximale vom
Verbrennungsmotor 2 bereitzustellende Antriebsmoment darstellt,
begrenzt wird. Das begrenzte Fahrerwunschmoment wird anschließend in
einem Tiefpassfilter 29 mit einer Zeitkonstanten T1 gefiltert, um
die Robustheit der Vorgabe des Fahrerwunschmomentes (durch eine
Gradientenbegrenzung) zu verbessern. Am Ausgang des Tiefpassfilters 29 liegt
ein gefiltertes Fahrerwunschmoment FWMF vor.
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Der
Enddrehzahlregler 5 ist so ausgebildet, dass bei Drehzahlen,
die relativ weit von der maximalen Drehzahl entfernt sind, kein
Eingriff der Drehzahlregelung erfolgt und bei Vorgaben des Fahrerwunschmomentes
(gefiltertes Fahrerwunschmoment FWMF), die zu einer Überschreitung
der maximalen Drehzahl nmax, d. h. der Solldrehzahl
nSoll des Enddrehzahlreglers 5 führen würden, eine
Beschränkung vorgenommen
wird. Dies erfolgt mit Hilfe eines Minimumblocks 30, dem
das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF und das Begrenzungsmoment
MLimit zugeführt wird und als Stellmoment
MStell die jeweils kleinere der beiden Eingangsgrößen an das
Motorsteuergerät 3 ausgegeben
wird.
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Da
das Begrenzungsmoment MLimit bei großem Abstand
der momentanen Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 von
der Solldrehzahl nSoll hoch wird, wird die
Fahrervorgabe des gefilterten Fahrerwunschmoments nicht von dem
Enddrehzahlregler 5 beeinflusst. Erst wenn die Drehzahl
n sich der maximalen Drehzahl nmax annähert, sinkt
das Begrenzungsmoment MLimit, so dass bei
einem zu großen Fahrerwunschmoment
stattdessen das Begrenzungsmoment MLimit des
Regelungsblockes 20 an das Motorsteuergerät 3 ausgegeben
wird.
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Gemäß einem
Stand der Technik wird bei der Begrenzung in dem ersten Begrenzungsblock 24 und in
dem zweiten Begrenzungsblock 27 der Integratoranteil IA
bzw. die Reglerstellgröße RSG auf
das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF begrenzt, so dass nach einer
Reduzierung des Fahrerwunschmomentes auf einen kleinen Wert der
Integratoranteil IA zunächst
klein ist und erst allmäh lich
aufgrund der Drehzahlabweichung Δn
ansteigt. So kann es beispielsweise vorkommen, dass bei einer Drehzahl
n des Verbrennungsmotors 2 nahe der maximalen Drehzahl
nmax und bei deutlicher Reduzierung der
Angabe des Fahrerwunschmomentes (Fahrpedalstellung) auf einen Wert
z. B. nahe Null oder auf Null der Integratoranteil im Integrationsblock 22 auf
diesen reduzierten Wert zurückgesetzt
wird und bei einer nachfolgenden Erhöhung des Fahrerwunschmomentes
zunächst
der Integrationsanteil IA wieder aufgebaut werden muss. Dies führt dazu,
dass das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF auf ein Begrenzungsmoment
MLimit begrenzt wird, das ein Erreichen der
maximalen Drehzahl nmax erst nach dem Aufbau des
Integrationsanteils IA wieder zulässt.
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Dieses
Verhalten ist in dem Diagramm der 3a dargestellt.
Man erkennt einen kurzzeitigen Einbruch des vorgegebenen Fahrerwunschmomentes
FWM und nach dem Wiederansteigen des Fahrerwunschmomentes FWM ein
langsames Ansteigen des Begrenzungsmomentes MLimit mit
infolge des zurückgesetzten
Integratoranteils IA im Integrationsblock 22.
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Es
ist nun vorgesehen, den oberen Begrenzungswert des ersten Begrenzungsblockes 24 auf das
gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF einzustellen, wenn dieses größer ist
als ein bereitgestelltes Integratorgrenzmoment IGM und auf das Integratorgrenzmoment
IGM einzustellen, wenn das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF kleiner
ist als das Integratorgrenzmoment IGM. Das Integratorgrenzmoment
IGM kann fest vorgegeben sein oder einem momentanen Lastmoment MLast des Verbrennungsmotors 2 an
dem momentanen Betriebszustand entsprechen oder von diesem abhängig sein.
Es gibt verschiedene Verfahren, das Lastmoment MLast zu
bestimmen. Ein gängiges
Verfahren besteht darin, über eine
Drehzahländerung
eine Beschleunigung des Fahrzeuges zu ermitteln und über die
Differenz zu dem vom Motor bereitgestellten Antriebsmoment die Verlustmomente
zu ermitteln, die dem Lastmoment MLast im
Wesentlichen entsprechen. Das Integratorgrenzmoment IGM kann allgemein
eine feste oder variable Stellgrenze sein, die bei aktiver Enddrehzahlregelung
nicht größer als
das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF sein darf.
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Der
obere Begrenzungswert des zweiten Begrenzungsblockes 27,
der die Reglerstellgröße RSG begrenzt,
entspricht in der gezeigten Enddrehzahlregelgung der 2 dem
gefilterten Fahrerwunschmoment FWMF. In einer alternativen Ausführungsform kann
der obere Begrenzungswert des zweiten Begrenzungsblockes 27 ebenfalls
auf das Integratorgrenzmoment IGM begrenzt werden. Auch ein von dem
Integratorgrenzmoment IGM verschiedener Begrenzungswert ist möglich, solange
dieser nicht größer ist
als das gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF.
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In 3b ist das Zeitdiagramm dargestellt, das
den Verlauf der Motordrehzahl n nahe der maximalen Drehzahl nmax bei einem kurzzeitigen Einbruch der Vorgabe
des Fahrerwunschmoments FWM darstellt. Man erkennt, dass nach dem
Wiederansteigen des vorgegebenen Fahrerwunschmomentes FWM das Begrenzungsmoment
MLimit schnell wieder ansteigt, da der Integratoranteil
IA bei der Rücknahme des
Fahrerwunschmomentes FWM auf 0 nicht vollständig zurückgesetzt wurde. Der Integratoranteil
IA wurde lediglich auf das Integratorgrenzmoment IGM zurückgesetzt,
so dass das Begrenzungsmoment MLimit das
gefilterte Fahrerwunschmoment FWMF auf höhere Werte als in dem Vergleichsbeispiel
der 3a begrenzt und somit die maximale
Drehzahl nmax gemäß der Enddrehzahlregelung schneller
wieder erreicht werden kann. Am Verlauf der Motordrehzahl n erkennt
man, dass unmittelbar nach dem Wiederansteigen des Fahrerwunschmomentes
FWM die Motordrehzahl n ansteigt während dies bei dem Beispiel
einer Enddrehzahlregelung gemäß dem Stand der
Technik (siehe 3a) erst mit einer
zeitlichen Verzögerung
der Fall ist.
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Die
Begrenzung des Integratoranteils IA auf das Integratorgrenzmoment
IGM kann sinngemäß erweitert
werden, wenn Integratoranteile IA höherer Ordnung implementiert
werden. Auch kann ein Differenzialanteil bei einem PID-Regler als
Enddrehzahlregler entsprechend vorgesehen werden. Der Differenzialanteil
kann optional eine äquivalente
Begrenzung erhalten, die entweder einem Begrenzungswert des Integratorgrenzmomentes
IGM entspricht oder von diesem abhängig ist.
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Im
Unterschied zu oben angeführtem
Motorsystem 1 ist es auch möglich, den Enddrehzahlregler 5 in
das Motorsteuergerät 3 zu
integrieren.