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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer semiaktiven Federung in dem Fahrzeug unter Verwendung magnetisch betätigter Dämpfer, und sie betrifft insbesondere ein System und ein Verfahren zum Steuern einer semiaktiven Federung in dem Fahrzeug unter Verwendung magnetisch betätigter Dämpfer, wobei ein an eine Spule in dem Dämpfer angelegtes Spannungssignal auf der Grundlage eines Spulenflusses ermittelt wird, um die Verzögerung bei der Flussantwort der Spule zu kompensieren.
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2. Erörterung des Standes der Technik
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Wie in der Technik gut verstanden wird, beinhalten Fahrzeuge ein Federungssystem, das auf Schlaglöcher und andere Mängel auf dem Fahrweg anspricht, um zu verhindern, dass derartige Störungen maßgeblich auf die Fahrgastzelle des Fahrzeugs übertragen werden. Federungssysteme nach dem Stand der Technik können semiaktive Federungssysteme sein, die magnetisch gesteuerte Aktoren oder Dämpfer verwenden, die manchmal als magnetische Niveauregulierungssysteme (MRC-Systeme, MRC von magnetic ride control) bezeichnet werden. MRC-Systemdämpfer stellen eine kontinuierlich verstellbare Dämpfumgskraft unter Verwendung eines Elektromagneten und eines Fluids, das auf ein Magnetfeld anspricht, oder eines Solenoid-Drucksteuerungsventils bereit. MRC-Systemdämpfer können ein magnetorheologisches Fluid verwenden, dessen Reibungskraft durch ein elektrisches Signal gesteuert wird, das an das Fluid angelegt wird. Insbesondere weist das magnetorheologische Fluid eine Viskosität und/oder eine Fließspannung auf, die sich in Ansprechen auf eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom ändern. Das magnetorheologische Fluid umfasst magnetisierbare Teilchen, die in einem trägen Basisfluid gelöst sind, um die Viskositätsänderung bereitzustellen. Derartige Dämpfer mit veränderlicher Kraft wurden auch verwendet, um eine Fahrzeugstabilitätssteuerung, eine Überschlagsvermeidung und andere Fahrzeugsteuerungssysteme zu schaffen.
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In
DE 10 2007 033 474 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Koordination eines Fahrzeugstabilitätssteuerungssystems mit einem Untersystem zur Federungsdämpfersteuerung offenbart, bei denen. ein Leitcontroller Dämpferbefehle erzeugt, die von einem Dämpfercontroller empfangen und in Untersystemdämpferbefehle umgesetzt werden. Falls einer der Dämpferbefehle vom Leitcontroller Vorrang vor dem entsprechenden Untersystemdämpferbefehl hat, wird der Untersystemdämpferbefehl modifiziert.
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Die
DE 42 01 577 A1 offenbart ein elektronisches Steuersystem für ein elektromagnetisches Stellmittel, insbesondere zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Servolenkungs-Drosselventils, bei dem ein Sollwert für einen Stromfluss bestimmt und an ein Regelungsmittel weitergeleitet wird. Ein Diagnosemittel überwacht den Stromfluss und liefert Diagnosesignale, anhand derer das System bei Fehlern in einen sicheren Betriebszustand versetzt wird.
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In
US 2004/0 195 062 A1 ist ein magnetorheologisches Dämpfersystem offenbart, das eine Dämpferkraft über einen Strom regelt, der an Spulen des Dämpfersystems angelegt wird.
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Die
DE 102 30 153 A1 offenbart eine Zylinder-Kolben-Einheit mit rheologischer Flüssigkeit, bei der durch Spulen am Kolben ein Magnetfeld erzeugt werden kann, um die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit zu beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein semiaktives Federungssystem offenbart, das magnetisch gesteuerte Dämpfer verwendet. Das semiaktive Federungssystem umfasst eine Vielzahl von Sensoren, welche Fahrzeugparameter in Ansprechen auf Störungen an dem Fahrzeug messen und Sensorsignale an einen zentralen Controller liefern. Der zentrale Controller setzt die Sensorsignale in ein Flussbefehlssignal um, das für die Kraft an den Dämpfern bei jedem Rad des Fahrzeugs repräsentativ ist. Das Flussbefehlssignal wird an einen lokalen Controller gesandt, der eine Spulenspannung erzeugt, die an eine Spule in dem Dämpfer angelegt wird. Ein durch die Spule erzeugtes Flussrückkopplungssignal wird geschätzt oder gemessen und wird in dem lokalen Controller mit dem Flussbefehlssignal verglichen, um die Spulenspannung so einzustellen, dass die Differenz zwischen dem Flussbefehlssignal und dem Flussrückkopplungssignal minimiert wird, um eine Antwort auf die Kraft ohne eine Flussverzögerung bereitzustellen.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines magnetischen Niveauregulierungssystems des Typs, der in der Technik bekannt ist;
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2 ist eine Darstellung einer Spule in einem Festkern des Typs, der für einen Dämpfer in einem magnetischen Niveauregulierungssystem verwendet wird;
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3 zeigt eine Reihe von Diagrammen mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Amplitude auf der vertikalen Achse, die einen Strombefehl, einen tatsächlichen Strom und eine Flussantwort von einer Spule in einem MRC-Dämpfer des Typs, der in der Technik bekannt ist, zeigen;
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4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines magnetischen Niveauregulierungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Ermitteln des Magnetflusses in dem Dämpfer des in 4 gezeigten magnetischen Niveauregulierungssystems zur Bereitstellung einer Flusssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 zeigt eine Reihe von Diagrammen mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Amplitude auf der vertikalen Achse, die den in 3 gezeigten Diagrammen ähneln, welche eine Verbesserung bei der Flussantwort in dem erfindungsgemäßen MRC-Dämpfer zeigen.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein magnetisches Niveauregulierungssystem unter Verwendung einer Spulenflusssteuerung gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines bekannten MRC-Systems 10, das einen magnetischen Fahrdämpfer 12 beinhaltet. Der Dämpfer 12 umfasst eine elektrische Dämpferspule 14, welche die Dämpfungskraft steuert, die durch ein magnetorheologisches Fluid in dem Dämpfer 12 bereitgestellt wird. Die Spule 14 erzeugt ein Magnetfeld über den Strömungspfad des magnetorheologischen Fluids. Der Betrag an Dämpfungskraft, die bei einer gegebenen Dämpfergeschwindigkeit erzeugt wird, hängt von dem magnetischen Fluss ab. Um die Dämpfungskraft zu steuern wird üblicherweise ein Spulenstrom verändert, um den Fluss indirekt zu steuern. Das System 10 zeigt nur einen einzigen der Dämpfer 12 mit dem Verständnis, dass sich ein Dämpfer 12 bei jedem der vier Räder des Fahrzeugs befindet.
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Das System 10 umfasst auch eine Vielzahl von Sensoren 16, die verschiedene Fahrzeugparameter messen, die zum Steuern des Dämpfers 12 verwendet werden. Die Sensoren 16 können einen Lenkradwinkelsensor, einen Querbeschleunigungsmesser, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Positionssensor und einen Beschleunigungssensor umfassen, der eine Beschleunigung von Fahrzeugrädern relativ zu einer Fahrzeugkarosserie bereitstellt, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Sensorsignale werden an einen zentralen Controller 18 gesandt, der die Signale zum Berechnen der Kraft, die durch die Dämpfer 12 an jeder Ecke des Fahrzeugs erzeugt werden soll, anhand einer Kraftberechnung verwendet. Der Controller 18 berechnet ein entsprechendes Strombefehlssignal Icmd für die Dämpferspule 14 in dem Dämpfer 12.
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Die durch den Dämpfer 12 erzeugte Kraft hängt von der Größe des Spulenstroms ab, und daher ist es ausreichend, einen Einquadrantensteller oder DC/DC-Wandler zum Steuern des Stroms in dem Dämpfer 12 einzusetzen. Das Strombefehlssignal Icmd wird an einen lokalen Controller 20 bei jedem der Dämpfer 12 geliefert. Der lokale Controller 20 setzt das Strombefehlssignal Icmd in ein Spulenspannungssignal um, das von der Spule 14 verwendet wird, um die Dämpfung bereitzustellen. Ein Stromsensor 22 misst den Strom des an die Spule 14 angelegten Spannungssignals und liefert den gemessenen Strom als eine Rückkopplung an den lokalen Controller 20, sodass der lokale Controller 20 ermitteln kann, ob er die korrekte Spannung für das Strombefehlssignal Icmd für die gewünschte Kraftantwort bereitstellt. Der lokale Controller 20 führt eine Stromregelung für die Dämpfer 12 aus und stellt der Dämpferspule 14 eine entsprechende Pulsbreitenmodulationsspannung (PWM-Spannung) bereit.
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Unter idealen Bedingungen ist ein Satz Stromregler mit vernünftiger Bandbreite ausreichend, um den Dämpfer 12 zu steuern. Die mit dem Dämpfer 12 verbundenen Nichtlinearitäten begrenzen jedoch die Bandbreite des Dämpfersystems. Die zwei Hauptnichtlinearitäten, die mit den bekannten MRC-Systemen verbunden sind, sind die magnetische Sättigung und Wirbelströme. Die Auswirkung der magnetischen Sättigung ist vorhersagbar und kann durch den Controller 20 kompensiert werden. Wirbelströme werden in der Festkerngeometrie des Dämpfers 12 immer dann induziert, wenn eine Änderungsrate in dem Strom der Spule 14 auftritt. Die Wirbelströme tragen zu dem Luftspaltfluss und der erzeugten Dämpfungskraft bei. Da der Controller 20 nur eine Optimalwertstromsteuerung verwendet, um die Kraft zu steuern, verwendet er keine Kraftsensoren. Es ist daher nicht möglich, den Einfluss von Wirbelströmen zu kompensieren.
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2 ist eine Zeichnung einer Spulenanordnung 24, die Flusspfade zeigt, die während eines Ausgleichsvorgangs in dem Dämpfer 12 auftreten. Eine Spule 26, welche die Spule 14 darstellt, ist in einem Festkern 28 bereitgestellt. Ein Außenring 30 ist benachbart zu dem Festkern 28 positioniert und definiert dazwischen einen Luftspalt 32. Flusslinien 34 zeigen den Hauptfluss aufgrund des Spulenstroms. Flusslinien 36 zeigen die Wirbelströme, die von dem Festkern 28 und dem Außenring 30 erzeugt werden. Ein Luftspaltfluss wird in dem Luftspalt 32 sowohl durch den Spulenstrom als auch die Wirbelströme erzeugt und die Dämpfungskraft des Dämpfers 12 hängt nur von dem Nettoluftspaltfluss ab.
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3 zeigt eine Reihe von drei Diagrammen mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Amplitude auf der vertikalen Achse, die Simulationsergebnisse für eine stufenförmige Änderung beim Spulenstrom und den resultierenden Luftspaltfluss zeigen. Das obere Diagramm ist das Strombefehlssignal Icmd von dem zentralen Controller 18, das mittlere Diagramm ist der tatsächliche Strom, der von dem lokalen Controller 20 an die Spule 14 angelegt wird, und das untere Diagramm ist die Flussantwort der Spule 14 in Ansprechen auf das an sie angelegte Stromsignal. Es ist zu sehen, dass eine beträchtliche Verzögerung zwischen dem Spulenstrom und der tatsächlichen Spaltflussantwort besteht, welche durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Die Verzögerung bei der Flussantwort wird durch die Wirbelströme verursacht, welche viel länger brauchen, um auf Null abzuklingen. Folglich erzeugt das Steuern des an die Spule 14 angelegten Stroms, um die Kraft des Dämpfers 12 zu steuern, die Verzögerung bei der Flussantwort. In 3 ist es gezeigt, dass der Spulenstrom typischerweise etwa 5 ms benötigt, um auf die stationären Werte anzusteigen und abzufallen, wohingegen der Fluss etwa 30–40 ms benötigt, um stationäre Pegel zu erreichen. Die Verzögerung zwischen dem Anlegen des Spulenstroms an die Spule 14 und der tatsächlichen Reaktion des Dämpfers 12 kann zu einer Ruppigkeit beim Fahren des Fahrzeugs, insbesondere bei signifikanten Ausgleichsvorgängen führen.
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Da die erzeugte Kraft nur von dem Luftspaltfluss abhängt, ist es dem Controller 20 nicht möglich, den Spaltfluss zu kompensieren, indem einfach der Spulenstrom gesteuert wird. Die Verzögerung bei der Flussantwort verursacht plötzliche Sprünge bei dem Kraftpegel und die Dämpfergeschwindigkeit ändert das Vorzeichen. Zudem verursacht die Verzögerung bei der Flussantwort höhere Hysteresebeträge zwischen der Dämpfergeschwindigkeit und der erzeugten Kraft, wodurch die Bandbreite des Dämpfersystems begrenzt wird.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren zum Verbessern des Frequenzgangs des MRC-Systems 10 vor. Insbesondere wird, anstatt dass der Spulenstrom an die Spule 14 gesteuert wird, der Luftspaltfluss gesteuert, der letztlich zum Erzeugen der Dämpfungskraft verantwortlich ist. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines MRC-Systems 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das dem MRC-System 10 ähnelt, bei dem gleiche Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dem System 40 setzt der zentrale Controller 18 das Strombefehlssignal in ein Flussbefehlssignal um, das eine Eins-zu-Eins-Zuordnung für den Dämpfer 12 aufweist. Anstelle, dass der gemessene Strom von der an die Spule 14 angelegten Spannung die Rückkopplung an den lokalen Controller 20 ist, ist außerdem die Rückkopplung der Luftspaltfluss, der durch die Spule 14 erzeugt wird. Da die Dämpfungskraft nur von dem Nettoluftspaltfluss abhängt, wird erwartet, dass das direkte Steuern des Flusses zu einer besseren Dynamik und einem verbesserten Frequenzgang führt.
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Der durch die Spule 14 erzeugte Luftspaltfluss kann durch eine passive Suchspule 42 gemessen werden, die in dem Dämpfer 12 um die Spule 14 herumgewickelt ist. Der durch die Spule 14 erzeugte magnetische Fluss erzeugt einen Strom in der Suchspule 42, der von dem Controller 20 ermittelt werden kann, um die gewünschte Spulenspannung zu erzeugen. Der gemessene Fluss wird in dem lokalen Controller 20 mit dem Flussbefehlssignal verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, und die Spulenspannung wird dann so verändert, dass das Fehlersignal minimiert wird. Das Bereitstellen der Suchspule 42 in dem Dämpfer 12 bringt jedoch eine Anzahl von Nachteilen mit sich, weil der Raum in dem Dämpfer 12 begrenzt ist und zusätzliche Leitungen und Hardware benötigt werden, um das Stromsignal aus dem Dämpfer 12 herauszubringen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Luftspaltfluss unter Verwendung eines virtuellen Sensors geschätzt. 5 ist ein Flussablaufdiagramm 50, das einen Regelungsbetrieb in dem lokalen Controller 20 zum Berechnen des Spannungsbefehlssignals an die Spule 14 unter Verwendung eines virtuellen Sensors zeigt, der ein Flussrückkopplungssignal 2 schätzt. Bei Kästchen 52 empfängt der lokale Controller 20 das Flussbefehlssignal von dem zentralen Controller 18 und ermittelt auf der Grundlage des Flussbefehlssignals eine Spulenspannung V und einen Spulenstrom i für die Spule 14. Der Controller 20 berechnet dann bei Kästchen 54 das Flussrückkopplungssignal λ, das von der Spule 14 erzeugt wird, indem er die induktive Spannung v der Spule 14 aufintegriert: λ = ∫vLdt
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Wobei vL = V – i·(Rcoil + Rharness + Rswitch)
und wobei R ein Widerstand ist. In dem Controller 20 wird bei Kästchen 56 dann das berechnete Flussrückkopplungssignal λ mit dem Flussbefehlssignal verglichen, um den Fehler zwischen dem Flussbefehlssignal und dem Flussrückkopplungssignal λ zum Beispiel unter Verwendung eines Proportional-Integral-Differential-Regelungsprozesses (PID-Regelungsprozesses) zu ermitteln. Bei Kästchen 58 wird dann von dem Controller 20 ein neuer Spulenspannungsbefehl berechnet, um das Flussrückkopplungssignal 2, das von der Spule 14 erzeugt wird, so zu verändern, dass der Fehler minimiert wird.
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6 zeigt eine Reihe von drei Diagrammen, die den in 3 gezeigten Diagrammen ähneln und Ergebnisse aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verwendung einer Flussrückkopplung wie voranstehend erörtert bereitstellen. Bei der erfindungsgemäßen Technik ermittelt zunächst der zentrale Controller 18 den Strombefehl, setzt dann den Strombefehl in einen Flussbefehl um, anhand dessen eine Flussregelung bereitgestellt wird. Wie bei 3 zeigt das mittlere Diagramm den tatsächlichen Strom, der an den Dämpfer 12 angelegt wird. Um die in dem unteren Diagramm von 6 gezeigte gewünschte Flussantwort zu erhalten, bei der eine kleinere Verzögerung bei der durch den Dämpfer 12 bereitgestellten Kraft vorliegt, muss der an den Dämpfer 12 gelieferte tatsächliche Strom den Strombefehl überschreiten, wenn der tatsächliche Strom ansteigt, und er muss ins Negative drehen, wenn der tatsächliche Strom abnimmt. Folglich ist der Spulenstrom bidirektional und der Controller 20 kann daher einen H-Brücken-Controller zum Steuern des Stroms verwenden. Dieser auf der Grundlage der Flussantwort berechnete tatsächliche Strom führt zu der kleineren Verzögerung, die durch die gestrichelte Linie in dem unteren Diagramm von 6 gezeigt ist, im Vergleich zu derjenigen, die in dem unteren Diagramm von 3 gezeigt ist.
