DE102009015149A1

DE102009015149A1 - Antriebsstrang und Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102009015149A1
Application number: DE102009015149A
Authority: DE
Inventors: Stephen John Dr. Jones; Thomas Winkler; Andreas Walter
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Antriebsstrang insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer mittels eines Steuergeräts gesteuerten Antriebseinheit mit einer Antriebswelle und einem mit dieser in Wirkverbindung stehenden und von dieser angetriebenem Zweimassenschwungrad, wobei zumindest ein Zustandswert des Zweimassenschwungrads in einen Zustandsraum eingegeben wird und anhand eines Streckenmodells für den Antriebsstrang Steuergrößen zur Steuerung der Brennkraftmaschine bei auftretenden Ruckelschwingungen und/oder subharmonischen Schwingungen und/oder zur Steuerung des Leerlaufs ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben desselben insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer mittels eines Steuergeräts gesteuerten Antriebseinheit mit einer Antriebswelle und einem mit dieser in Wirkverbindung stehenden Zweimassenschwungrad.
Bekannt sind Anordnungen in einem Antriebsstrang, bei denen eine Brennkraftmaschine mittels eines Motormanagementsystems gesteuert wird. Beispielsweise wird der Zündzeitpunkt, die Befeuerung einzelner Zylinder durch Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge geregelt. Zur Charakterisierung des Motorzustands wird dabei in der Regel ein vom Fahrer über den Lasthebel vorgegebenes Wunschmoment unter Zuhilfenahme eines Motorkennfeldes in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, die mittels eines Anlasserzahnkranzes oder Zündmarkierungen von einem Sensor erfasst wird, das Sollmoment der Brennkraftmaschine bestimmt.
Sind an der Kurbelwelle angetriebene Elemente, wie beispielsweise Zweimassenschwungräder angebracht, die zeitlich abhängig dynamische Rückmomente in die Kurbelwelle einleiten, hat dies wegen einer kurzzeitigen Fehlbestimmung der Drehzahl aufgrund dieser hochdynamischen Einleitung von kurzzeitigen Momentenänderungen an der Kurbelwelle eine fehlerhafte Interpretation des aktuell anliegenden Motormoments zur Folge, so dass im Weiteren das Motormanagementsystem die Brennkraftmaschine falsch steuert. Dies kann beispielsweise zu Übermomenten an angetriebenen Elementen und damit zu einer Überbeanspruchung mit vorzeitigem Ausfall dieser, zu Komforteinbußen und einem erhöhten Treibstoffverbrauch führen.
Insbesondere bei kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine kann es zu sprunghaften Anregungen des Antriebsstranges, sogenanntem Ruckeln kommen. Weiterhin können subharmonische Schwingungen auftreten. Bisher durchgeführte Anti-Ruckelregelungen regeln dabei ein erkanntes Ruckeln durch einen Motoreingriff in der Brennkraftmaschine. Weiterhin wird versucht, durch mechanische Abstimmung der Komponenten des Antriebsstranges eine Neigung des Antriebsstranges zum Ruckeln und die Tendenz zur Entwicklung subharmonischer Eigenschwingungen zu verringern. Durch die nichtlineare Streckendynamik eines Antriebsstrangs mit Zweimassenschwungrad gestaltet sich die elektronische Kompensation von Ruckelschwingungen schwierig.
Aufgabe ist daher, einen Antriebsstrang und ein hierzu gehöriges Verfahren zum Betrieb eines solchen vorzuschlagen, der trotz zeitlich variierender und dynamischer Einleitung von Rückmomenten von Zweimassenschwungrädern eine verbesserte Steuerung der Antriebseinheit zur Verminderung von Ruckeln und Kompensation zulässt.
Die Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit einer mittels eines Steuergeräts gesteuerten Antriebseinheit wie Brennkraftmaschine mit einer Antriebswelle und einem mit dieser in Wirkverbindung stehenden und von dieser angetriebenen Zweimassenschwungrad gelöst, wobei eine auf einem Streckenmodell basierende Regelung zur Minimierung von Ruckelschwingungen und/oder subharmonischen Schwingungen in einem Zustandsraum des Antriebsstrangs durchgeführt wird. Insbesondere kann dieser Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen.
Unter einem Steuergerät ist dabei eine Recheneinheit mit einem Mikroprozessor und einem Speicher zu verstehen, wobei in der Recheneinheit die notwendigen Schritte zur Steuerung der Antriebseinheit ausgeführt werden und in einer entsprechenden Eingabeeinheit entsprechende Sensorsignale zur Charakterisierung des Fahrerwunschmoments und weitere Eingabegrößen aufgenommen und unter Zuhilfenahme der beispielsweise in einem Motorkennfeld gespeicherten Motordaten berechnet und in einer Ausgabeeinheit an die betroffenen Einheiten, wie zum Beispiel in Abhängigkeit vom Ausgangssignal betätigte Einspritzdüsen oder Einspritzpumpen, ausgegeben wird. Weitere Parameter, wie zum Beispiel die Motordrehzahl oder weitere auf dem CAN-Bus vorliegenden Daten, werden üblicherweise zur Steuerung der Brennkraftmaschine ebenfalls eingelesen. Üblicherweise ist dieses Steuergerät mit weiteren Steuergeräten, beispielsweise zur Steuerung der Bremsen, einer gegebenenfalls vorhandenen automatisierten Kupplung oder einem Steuergerät zur Steuerung eines gegebenenfalls vorhandenen automatisierten Getriebes oder weiteren Steuergeräten, verbunden. Es kann auch vorteilhaft sein, mehrere Steuereinheiten zur Optimierung des Bauraums und/oder der elektrischen Komponenten oder Rechenleistung der Steuergeräte zu einem oder die Anzahl der Gesamtzahl der Steuergeräte verminderten Anzahl miteinander zu kombinieren und abzustimmen.
Erfindungsgemäß wird in das Steuergerät zur Steuerung der Antriebseinheit zumindest eine Zustandsgröße, beispielsweise die Drehzahlen des Primär- und Sekundärteils des Zweimassenschwungrads eingelesen und gegebenenfalls gespeichert. Die Zustandsgrößen werden dann im Zustandsraum einer Regelung in Form eines Streckenmodells unterworfen, so dass unter Verwendung dieser Zustandsgrößen ein an das angetriebene Element angepasstes Verhalten der Brennkraftmaschine erzielt wird.
Unter einer Antriebseinheit im Sinne dieser Erfindung ist ein Aggregat zu verstehen, das einer Steuerung von außen bedarf und eine Antriebswelle aufweist, deren Drehzahl in Abhängigkeit von einem Fahrerwunsch variiert werden kann. Vorzugsweise kann in diesem Sinne eine Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle sowie auch eine Drehkolbenmaschine mit einer entsprechend ausgestalteten Antriebswelle eine Antriebseinheit sein. In weiterem Sinne trifft die erfinderische Ausgestaltung auf einen Elektromotor mit einer Antriebswelle zu, der durch ein angetriebenes Element gestört und deshalb mittels der Zustandgröße nachgeregelt werden muss.
Erfindungsgemäß kann das Zweimassenschwungrad einerseits mit einer Masse drehfest mit der Antriebswelle verbunden sein und inelastisch ein Drehmoment aufnehmen sowie andererseits über eine elastisch angekoppelte Sekundärmasse verfügen, die insbesondere im dynamischen Betriebszustand ein Drehmoment auf die Antriebswelle übertragen und damit zu einer Störung der Steuerung der Antriebseinheit führen kann.
Die Zustandsgrößen können in einem so genannten Zustandsraum zusammengefasst werden. Unter einem Zustandsraum ist eine Anzahl von Zustandsgrößen zu verstehen, die jeweils von der Zeit abhängig sind und ein Übertragungssystem charakterisieren. Mit Hilfe dieser Zustandsgrößen können die zur Steuerung des Übertragungssystems notwendigen Eingangsgrößen in Abhängigkeit von ebenfalls zeitabhängigen Eingangsgrößen in der Annahme von bekannten Anfangswerten ermittelt beziehungsweise errechnet werden.
Physikalisch betrachtetet beschreiben dabei die Zustandsgrößen den Energieinhalt der erfassten Zustandsgrößen, so dass neben den Gleichungen für die Abhängigkeit der Eingangsgrößen von den Zustandsgrößen und den Anfangswerten für die Anzahl der Zustandsgrößen entsprechend viele Differenzialgleichungen gebildet werden können, die das dynamische Verhalten der Zustandsgrößen wiedergeben.
Vektoriell betrachtet können aus diesen beiden Gleichungssystemen im Falle der Linearität und Zeitinvarianz des Systems die Gleichungen als Matrizensysteme betrachtet werden, dessen einzelne Koeffizienten in den Elementen von Matrizen dargestellt und gerechnet werden können. Zur näheren Erläuterung der Behandlung von Zustandsraummodellen in der Mess- und Regeltechnik wird auf „Otto Föllinger, Regelungstechnik – Einführung in die Methoden und ihre Anwendung, 8.Auflage” verwiesen.
Mit Hilfe der auf diese Weise im Zustandsraum erstellten abhängigen Daten aus Zustands-, Eingangsgrößen kann das Streckenmodell entwickelt werden, das anhand von Modelldaten und/oder empirisch gewonnenen Daten des Zweimassenschwungrads identifiziert und validiert wird. Stimmen Zustandsraummodell und diese Daten überein, kann eine zeitnahe Kompensation des Motormomentes der Antriebseinheit, das durch den Einfluss des Zweimassenschwungrads gestört wird, zumindest teilweise erzielt werden.
Vorteilhafterweise werden als Eingangsgrößen Daten verwendet, die leicht messbar sind. Während das Messen von Momenten zur Momentenkorrektur der Antriebseinheit vergleichsweise kompliziert ist, hat sich herausgestellt, dass eine Verwendung von Drehzahlen besonders vorteilhaft sein kann. So können durch Inversion des Zustandsraummodelles aus Drehzahlen als Eingangsgrößen Ausgangsgrößen in der Dimension eines Momentes gewonnen werden. In vorteilhafter Weise werden zusätzlich Modelldaten der Antriebseinheit während der Identifikation des angetriebenen Elements aufgenommen, so dass als Ausgangsgrößen direkt das korrigierte Motormoment gewonnen werden kann. Das korrigierte Motormoment kann auf diese Weise einer – wie oben anhand von typischen Anwendungsbeispielen erläuterten – großen Anzahl von Anwendungen einerseits im Betrieb eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit als auch zur Diagnose des Motor- und/oder Antriebsstrangverhaltens eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens für einen Antriebsstrang mit einer Antriebseinheit wie beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einem darauf montierten Zweimassenschwungrad mit einem Primärteil erwiesen, das auf der Kurbelwelle aufgenommen ist und einem Sekundärteil, wobei die beiden Teile aufeinander gelagert und entgegen der Kraft einer Federeinrichtung gegeneinander begrenzt und bezüglich der von der Kurbelwelle vorgegebenen Drehzahl relativ zueinander verdrehbar sind. Das Sekundärteil weist in der Regel eine Reibungskupplung auf, mittels derer das Sekundärteil und damit die Antriebseinheit an das in Wirkrichtung nachgeordnete Getriebe koppelbar ist. Es versteht sich, dass auch geänderte Ausführungsformen, bei denen eine elektrische Maschine parallel oder seriell zwischengeschaltet ist, sowie alle Formen von Nebenabtrieben von der Erfindung erfasst werden. Das Zweimassenschwungrad dient zur Schwingungsisolation der durch den Verbrennungsprozess einer Brennkraftmaschine gene rierten Oszillationen. In bestimmten Betriebszuständen, insbesondere bei einer Entspannung der komprimierten Federeinrichtung, ist das Zweimassenschwungrad in der Lage, Rückmomente auf die Brennkraftmaschine einzuleiten und durch eine nicht erkannte, kurzfristige Drehzahländerung das Steuerverhalten des Steuergeräts zur Steuerung der Brennkraftmaschine zu stören, was zu besagten Wirkungen führen kann.
Das Zweimassenschwungrad kann als Federeinrichtung Bogenfedern und/oder kurze Spiralfedern zur Bildung einer oder mehrerer Dämpferstufen aufweisen, wobei die Federn auch mittels weiterer Kraftspeicher wie Gummielementen kombinierbar und auf unterschiedlichen Durchmessern angeordnet werden können.
Der Federeinrichtung kann eine Hystereseeinrichtung überlagert sein, die in Verbindung mit der Federeinrichtung zur Dämpfung beiträgt. Die Hystereseeinrichtung kann durch zwei oder mehrere, in nassem oder trockenem Reibkontakt zueinander stehenden Reibpartner gebildet sein, die aus axial oder radial zueinander liegenden, vorteilhafterweise vorgespannten Reibflächen gebildet sein können. Vorteilhafterweise kann ein fliehkraftabhängiger Reibkontakt während einer Relativverdrehung der beiden Teile, die jeweils eine vorgebbare Masse mit einem damit sich bei Drehung bildenden Trägheitsmoment aufweisen, dadurch erzeugt werden, dass sich über einen Umfang erstreckende Federn, beispielsweise Bogenfedern, von einem Teil, beispielsweise dem Sekundärteil mitgenommen und an deren Außenradius unter Fliehkraft gegen eine radiale Abstützung des anderen Teils, beispielsweise dem Primärteil, angepresst werden und damit bei einer Relativverdrehung der beiden Teile eine fliehkraftabhängige Hysteresekraft ausbilden, unter der die beiden Teile erschwert gegeneinander verdrehbar sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsbeispiele von Reibeinrichtungen können beispielsweise gegeneinander axiale verspannte Reibpartner sein, von denen einer primärseitig und der andere sekundärseitig drehfest oder mit Verdrehspiel angeordnet ist. Schwingungstechnisch wirkt das Zweimassenschwungrad als Tiefpassfilter zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle mit einer typischen Abschwächung der Oszillationsamplitude verbunden mit einer Phasenverschiebung der Schwingungsfrequenz.
Wie oben bereits erwähnt muss bei einer Umformung des Zustandsraumes in ein Vektorgleichungssystem ein lineares Gleichungssystem vorliegen. In der Regel sind Differentialgleichungen von Systemmodellen, wie beispielsweise ein Zweimassenschwungrad, nicht linear. Besitzt jedoch die Regelstrecke ein näherungsweises lineares Verhalten in einem bestimmten Arbeitsbereich, lassen sich die Differentialgleichungen oftmals für diesen, ausreichend klein gewählten Arbeitsbereich linearisieren. Daraus können dann lineare Zustandsdifferentialgleichungen und Ausgangswertgleichungen aufgestellt werden. Das Verhalten von Zweimassenschwungrädern, Insbesondere aufgrund der Bogenfedercharakteristik mit drehzahlabhängiger Hysterese, vorgespannten Federn und Freiwinkel der Hystereseeinrichtungen, kann nichtlinear sein. Erfindungsgemäß wird daher das Zweimassenschwungrad linearisiert, indem das Verhalten des Zweimassenschwungrades mittels physikalischer Zusammenhänge funktional dargestellt und anschließend an den zu verwendenden Arbeitspunkten differenziert wird. Besonders vorteilhaft kann eine weitere Methode der Linearisierung sein, mittels derer ein angenähertes lineares Modell zugrunde gelegt wird und ein Gültigkeitsbereich festgelegt wird, in dem ein auftretender Fehler eine vorgegebene Schranke nicht überschreitet. Die Auswahl eines solchen Modells kann stückspezifisch sein. Beispielsweise können im Extremfall Modelle als „Black-Box-Modelle” ausgestaltet sein, die das Ein- und Ausgangsverhalten sehr gut approximieren und kein physikalisches Vorwissen bezüglich der kinematischen Vorgänge erfordern. Im anderen Extrem kann die Modellierung eines Zustandsraums derart erfolgen, dass für die Kinematik des Systems exakt beschreibende Gleichungen verwendet werden (White-Box-Modell). Die anschließende Identifizierung liefert dann unabhängig vom gewählten Modell die gewünschte Kompensation, indem die Variablen des Zustandsraums so gewählt werden, dass eine optimierte Übereinstimmung zwischen mit den empirisch oder modellgestützen Daten eines Zweimassenschwungrades und den Ein- und Ausgangsgrößen des Zustandsraummodells erzielt wird.
In einem besonders vorteilhaften Ausgestaltungsbeispiel kann ein vereinfachtes Modell für ein Zweimassenschwungrad verwendet werden, das ein zwischen zwei Massen, nämlich einer mit der Antriebswelle verbundenen Primärmasse und einer mit dem Abtrieb verbundenen Sekundärmasse, wirksames lineares Feder-/Dämpferelement beinhaltet. Die Zustandsgrößen dieses linearen Modells stimmen hierbei mit den nichtlinearen Zustandsgrößen eines Zweimassenschwungrads in ausreichender Weise überein. Es versteht sich, dass die Wahl des Modells abhängig von der Art des Zweimassenschwungrades ist und dass abhängig von der Ausgestaltung des Zweimassenschwungrades – und im weiterem Sinne auch für jedes angetriebene Element – die entsprechenden Modelle (Black-Box-Modelle, Grey-Box-Modelle, White-Box-Modelle) in vorteilhafter Weise optimiert werden können.
Weiterhin wird in vorteilhafter Weise zur Bestimmung des Streckenmodells vom stationären Verhalten der Brennkraftmaschine ausgegangen. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sich Streckenmodelle zur Kompensation von subharmonischen Schwingungen im Leerlauf von den Streckenmodellen im Zug- und Schubbetrieb nur in einem linearen Glied unter scheiden und für niederfrequenten Drehzahlbereich ein lineares Streckenmodell ausreichend ist, so dass ein auf ein lineares ordnungsreduziertes Streckenmodell zur Kompensation von Ruckelschwingungen und subharmonischen Schwingungen mit ausreichender Genauigkeit im Zustandsraum verwendet werden kann. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass zur Kompensation von Ruckelschwingungen und subharmonischen Schwingungen dasselbe Streckenmodell verwendet werden kann. In vorteilhafter Weise werden im Streckenmodell sogenannte Zustandsregler nach Riccati verwendet. Die Regleradaption kann dabei empirisch durch Optimierung der Eigenwerte zu einer erhöhten Regelgüte führen.
Die Strukturierung des Zustandsraums kann dabei so vorgesehen werden, dass eine Umschaltung zwischen Leerlauf, Zug- und Schubbetrieb möglich ist und damit der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Auf diese Weise kann ein Leerlaufregler, ein Regler zur Kompensation von Ruckelschwingungen und ein Regler zur Kompensation von subharmonischen Schwingungen vorgeschlagen werden. Dabei können die verschiedenen Betriebspunkte der Brennkraftmaschine mittels Kennfelder, deren zur Lösung der aktuellen Regelaufgabe gültigen Werte in den Zustandsraum eingegeben werden, vorgehalten werden.
Durch die Erweiterung des Arbeitsbereichs des Reglers auf alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine können nunmehr auch eine Kompensation subharmonischer Schwingungen außerhalb des Leerlaufs erfolgen und damit mechanische Dämpfungselemente wie separat ausgebildete und abgestimmte Dämpfer mit Reibscheiben und dergleichen eingespart werden.
Unter subharmonischen Schwingungen sind dabei Schwingungen mit kleinerer Frequenz als der Zündfrequenz einer Brennkraftmaschine zu verstehen. In Fall einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern erfolgen beispielsweise zwei Zündungen pro Umdrehung der Kurbelwelle. Bei Antriebssträngen mit derartigen Brennkraftmaschinen und einem Zweimassenschwungrad treten in der Regel subharmonische Schwingungen mit der Ordnung 0,5, 0,67 und 1 auf. Subharmonische Schwingungen werden typischerweise durch plötzliche Laständerungen des Antriebsstranges, beispielsweise bei einem Ein- oder Ausschalten elektrischer Verbraucher und/oder der Klimaanlage, angeregt. Weiterhin kann eine Einwirkung der Getriebeseite auf die Sekundärmasse des Zweimassenschwungrads subharmonische Schwingungen anregen.
Ruckelschwingungen entstehen vorzugsweise, wenn der Antriebsstrang aufgezogen und unkontrolliert entlastet wird, so dass sich ein Lasteintrag in das Zweimassenschwungrad auf schaukelt. Dabei kann der Lasteintrag von der Brennkraftmaschine und/oder dem restlichen Antriebsstrang von der Sekundärseite des Zweimassenschwungrads eingetragen werden. Dabei ist infolge der meist geschlossenen oder zumindest ein Teilmoment der Kupplung übertragenden Kupplung der gesamte Antriebsstrang zu berücksichtigen. Dabei entstehen komplexe Schwingungssysteme höherer Ordnung, die durch Modellbildung des Streckenmodells auf niedrige und vorteilhafterweise auf einen linearen Ordnungsgrad angenähert werden. Unter Einbindung eines Zustandscontrollers nach Ricci können hierbei gute Kompensationsergebnisse der Ruckelschwingungen erzielt werden.
Anhand eines einfachen Beispiels für ein Streckenmodell sollen die Bedingungen zur Erstellung eines Zustandsraums nachfolgend erläutert werden. Es gelten folgende Bezehungen: Jpri·ω .pri = Mpri – c·(αpri – αsek) – d·(ωpri –ωsek) (1)und Jsek·ω .sek = –Msek + c·(αpri – αsek) + d·(ωpri – ωsek) (2).
Dabei bezeichnen J_pri und J_sek die Trägheitsmomente der primären beziehungsweise sekundären Schwungmasse, M_pri und M_sek die primäre beziehungsweise sekundäre Masse des Zweimassenschwungrades, c die Steifigkeit der zwischen den beiden Massen wirksamen Federelemente und d die Torsionsdämpfung der zwischen den beiden Massen wirksamen Dämpfungselemente, α_pri und α_sek die Absolutwinkel der primären beziehungsweise sekundären Masse gegenüber der Kurbelwelle sowie deren nach der Zeit abgeleiteten Größen der Winkelgeschwindigkeiten ω_pri und ω_sek sowie der Winkelbeschleunigungen ω ._pri und ω ._sek.
Werden der relative Winkel zwischen Primär- und Sekundärseite sowie die Drehgeschwindigkeiten beider Schwungmassen als Zustandsgrößen definiert, ergibt sich folgender Zustandsvektor:
Aus Gleichung (1) und Gleichung (3) ergibt sich folgende Zustandsraumdarstellung:
Dabei ist lediglich eine Auswertung anhand der Signale der Geschwindigkeiten ω_pri und ω_sek vorgesehen, so dass der Ausgangsvektor y folgende Gestalt erhält:
Es versteht sich, dass im Falle weiterer Messgrößen wie zum Beispiel der Erfassung von Beschleunigungen, Winkel, und Drehmomenten der Ausgangsvektor andere Gestalt annehmen kann.
Ist ein wie beispielsweise oben gezeigter Zustandsraum erstellt, erfolgt die Identifizierung für das zu kompensierende angetriebene Element, beispielsweise einem Zweimassenschwungrad. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Auswahl physikalischer Eingangsgrößen ermittelt, die zur Bestimmung der geschätzten Ausgangsgrößen hinreichend sind. Es hat sich erwiesen, dass eine Auswahl irrelevanter und redundanter Daten zu unnötig komplexen Berechnungen führt und das Fehlen relevanter Eingangsgrößen zu einem Mangel an Eindeutigkeit der Ausgangsgrößen führen kann.
Vorteilhaft kann beispielsweise sein, wenn aus einer Modellrechnung und/oder aus empirischen Versuchen vorliegende Daten einem Ausreißertest, beispielsweise einem Medi anfilter, unterzogen werden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Eingangsgrößen zu filtern, beispielsweise mittels eines Butterworth-Tiefpassfilters. Bei derartigen frequenzselektiven Filtern wird eine Grenzfrequenz vorgegeben, bis zu der Signale nahezu unverändert durchgelassen werden. Höher frequente Signalanteile werden stark gedämpft. Es versteht sich, dass angepasst an ein auftretendes Rauschen in den Eingangsgrößen zusätzlich oder alternativ weitere vorteilhafte Filter eingesetzt werden können.
Zur weiteren Identifizierung eines angetriebenen Elements, wie hier des Zweimassenschwungrades, muss die Ordnung des linearen Zustandsraummodells festgelegt werden. Vorteilhafterweise hat sich für das elementare Zweimassenschwungrad die Ordnung n = 3, wobei sich die Ordnungszahl aus der Anzahl der Zustandsgrößen ergibt, bewährt, mittels derer ein ideales Feder-/Dämpferelement beschrieben werden kann. Die Festlegung der Ordnung muss in der Regel für jedes angetriebene Element und dem zu Grunde liegenden Modell separat erfolgen.
Nach der Ermittlung der Systemordnung muss das gewöhnlicherweise zeitkontinuierliche System in ein äquivalentes zeitdiskretes System umgewandelt werden. Das heißt, am Beispiel des Zweimassenschwungrades liegt auf Grund der eingegebenen Daten eine Zustandsraumdarstellung vor, die anschließend in ein zeitdiskretes Zustandsraummodell überführt werden muss. Hierzu kann vorteilhafterweise eine numerische Auswertung der allgemeinen Lösungen der Zustandsdifferenzialgleichung erfolgen oder eine numerische Integration der Zustandsdifferenzialgleichung mittels numerischer Integrationsverfahren. Zur Bestimmung des diskretisierten Modells und deren Größen kann anschließend ein so genannter Least-Square-Schätzer angewendet werden, bei dem aus einer Anzahl von n Messungen die Abstände zwischen den Ausgangsgrößen eingestellt, vorzugsweise minimiert werden. Die Durchführung der Routine führt anschließend zu den in der Gleichung (4) definierten Parametern c, d, Jpri, Jsek, das heißt, das Zweimassenschwungrad mit seinem realen Verhalten wird auf das Modell abgebildet, es wird identifiziert. Eine anschließende Validierung des zu Grunde gelegten Modells kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mit den gewonnenen Parametern das Modell bei vorgegebenen Drehungleichförmigkeiten gerechnet und mit einem realen Verhalten eines Zweimassenschwungrades bei denselben Drehungleichförmigkeiten verglichen wird. An dieser Stelle können an dem Modell bei großen Abweichungen noch Korrekturen angebracht werden.
Ein auf diese Weise erstelltes Modell eines Zweimassenschwungrads kann nunmehr im Steuergerät hinterlegt werden, und entsprechende Ausgangsgrößen können in die Motorsteuerung eingeführt werden. Am Beispiel des Zweimassenschwungrades wird eine Schätzung der primären bzw. sekundären Drehzahl der jeweiligen Schwungmassen durch Vorgabe von Motor- bzw. Lastmomenten erfolgen. In der Regel sind Drehmomente in einem Kraftfahrzeug nur mit einem vergleichsweise hohen Aufwand messbar, so dass nach dem erfinderischen Gedanken eine Invertierung des Zustandsraummodells von Vorteil ist. Bei der Invertierung stellen anschließend die Eingangsgrößen des invertierten Systems die Drehzahlen der primären und sekundären Schwungmasse dar, während die Ausgangsgrößen Momentenwerte des Motors bzw. Lastmomentenwerte wiedergeben. Auf diese Weise kann mittels einfacher Sensorik, beispielsweise mittels Drehzahlgebern, an der primären und sekundären Schwungmasse das induzierte Motormoment bestimmt werden. Es ist daher möglich, das als Sollgröße ausgegebene Motormoment mit diesem induzierten Motormoment so zu kompensieren, dass der Einfluss des Zweimassenschwungrades auf den Motor zumindest teilweise eliminiert werden kann. Es versteht sich, dass ein derartiges invertiertes Modell zuvor auf Invertierbarkeit überprüft und anschließend wieder validiert werden sollte. Dabei kann das vom Antriebsstrang auf die sekundäre Seite des ZMS wirkende Last auf analoge Weise bestimmt werden, wodurch eine Schätzung des Lastmoments am ZMS erzielt werden kann.
Zusätzlich zur Dämpfung von Ruckelschwingungen und subharmonischen Schwingungen kann ein durch das Verhalten eines Zweimassenschwungrades gestörtes Motormoment eine stationäre Rekonstruktion des Motormoments zur Zylindergleichstellung bzw. Erkennung von Verbrennungsaussetzen im Leerlauf verwendet werden. Hierzu kann es nötig werden, ein so genanntes Konfidenzintervall, in dem vertrauenswürdige Daten ermittelt und berechnet werden, des Modells zu erweitern, indem das Zweimassenschwungrad mittels so genannten lokalen linearen Modellen (LoLiMoT) angewandt werden. Dabei beschreibt das Konfidenzintervall den Arbeitsbereich um den lokalen Identifikationsarbeitspunkt, in welchem das Modell noch ausreichend gute Ergebnisse liefert. Durch Verwendung von lokalen linearen Neuro-Fuzzy-Modellen werden komplexe Modellierungsprobleme in zahlreiche kleinere und dadurch einfachere Untersysteme zerlegt, die wiederum durch lineare Teilmodelle beschrieben werden können. Zur Anwendung und Durchführung von oben genannten Filtersystemen sowie dem LoLiMoT-Modell sei auf U. Kiencke/H. Jäkel „Signale und Systeme", 3. Auflage Verlag Oldenbourg verwiesen.
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Hierzu zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines kombinierten Reglers für Ruckelschwingungen und subharmonische Schwingungen,
2 ein Ausgestaltungsbeispiel eines Reglermoduls zur Kompensation subharmonischer Schwingungen im lastfreien Leerlauf der Brennkraftmaschine,
3 ein Ausgestaltungsbeispiel eines Reglermoduls zur Kompensation subharmonischer Schwingungen im Leerlauf der Brennkraftmaschine unter Last sowie im Schub- und Zugbetrieb
und
4 ein Ausgestaltungsbeispiel eines Reglermoduls zur Kompensation von Ruckelschwingungen.
1 zeigt ein Ausgestaltungsbeispiel eines kombinierten Reglers 1 mit selbstständig arbeitenden Reglermodulen 2, 3, 4, wobei Reglermodul 2 zur Kompensation subharmonischer Schwingungen im lastfreien Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, das Reglermodul zur Regelung subharmonischer Schwingungen unter Last im Zug- und Schubbetrieb und das Reglermodul 4 zur Kompensation von Ruckelschwingungen vorgesehen ist. Es versteht sich, dass der Regler 1 auch mit einer anderen Kombination oder einzelnen Reglermodulen 2, 3, 4 vom Umfang des erfinderischen Gedankens erfasst ist. Weiterhin kann beispielsweise in den Regler 1 ein mittels eines ähnlichen Reglermoduls auf Basis eines auf einem in einem Zustandsraum arbeitenden Streckenmodells ein Ausgleichsverfahren zur Zylindergleichstellung vorgesehen sein.
In den als Block 5 dargestellten tatsächlichen Antriebsstrang, beispielsweise bestehend aus einer Brennkraftmaschine, einem Zweimassenschwungrad und einem nachgeschalteten Getriebe mit Antriebsrädern, wird im ungestörten Fall das Wunschmoment t(W) aufgeprägt, das vom Fahrer beispielsweise mittels des Fahrpedals vorgegeben wird, das heißt die in Block 5 enthaltene Brennkraftmaschine wird mit dem Effektivmoment t(E) angesteuert. Durch die Reglermodule 2, 3, 4 ermittelte und an den Knotenpunkten 6, 7 aufsummierte Kompensationsmomente t(S1), t(S2) und t(R) korrigiert gegebenenfalls am Knotenpunkt 8 das Korrekturmoment t(K) das Wunschmoment t(W). Auf den Antriebsstrang in Block 5 wirkt weiterhin das Lastmoment t(L). Aus dem Block 5 werden für den Antriebsstrang typische Eingangsgrößen, beispielsweise in Form des dargestellten Eingangsgrößennvektors y, der beispielsweise Drehzahlen von Eingangsteil und Ausgangsteil des Zweimassenschwungrads, einen Phasenwinkel der Verdrehung der beiden gegeneinander, Ableitungen dieser Größen und dergleichen enthalten kann. In den Reglermodulen 2, 3, 4 erfolgt eine Abbildung dieser Eingangsgrößen auf ein Streckenmodell des Antriebsstrangs, das im Zustandsraum linearisiert und identifiziert wird. Die aus den Reglermodulen 2, 3, 4 resultierenden Eingangsgrößen zur Steuerung beziehungsweise Korrektur der Brennkraftmaschine mit dem Effektivmoment t(E) werden jeweils in Block 9 mit aktuellen Zustandswerten eines mit diesen bei stationär betriebener Brennkraftmaschine bestückten Kennfelds beaufschlagt. Das Reglermodul 4 wird mit dem Kupplungszustand, beispielsweise dem Öffnungsgrad, dem über diese aktuell übertragbaren Moment und dergleichen, der zwischen dem Zweimassenschwungrad und dem Getriebe angeordneten Kupplung beaufschlagt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Reglermoduls 2 zur Kompensation subharmonischer Schwingungen im Betriebsmodus unter Last der Brennkraftmaschine, beispielsweise im Zug- oder Schubbetrieb, bei dem die Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht konstant ist. Zur Abbildung des Zweimassenschwungrads, das in der Regel eine komplexe, nicht lineare, bezüglich seiner vom Verdrehwinkel von Eingangsteil und Ausgangsteil beziehungsweise Primärmasse und Sekundärmasse abhängigen Federkraft aufweist, im Zustandsraum als Bestandteil des Streckenmodells wird dieses durch einfache lineare Feder- und Dämpfungselemente wie oben bereits beschrieben linearisiert. Durch Lösung der daraus folgenden, für den Zustandsraum geltenden Differentialgleichungen unter Berücksichtigung eines Eingangsvektors für das Aus- und Eingangsmoment des Zweimassenschwungrads resultieren als Eingangsgrößen beispielsweise die Winkelgeschwindigkeiten und relativen Winkel der im Zweimassenschwungrad gegeneinander entgegen der Wirkung von Feder- und Dämpfungselementen verdrehbaren Massen. Um das annäherungsweise auf das reale Zweimassenschwungrad anwendbare Modell als Bestandteil des Streckenmodells besser auf das reale Schwungrad anpassen zu können, wird das Reglermodul 3 mit einem Beobachter 11 versehen.
Das Reglermodul 2 weist ein Vorfilter 12 auf, das ein Zielmoment t(Z) aus einer Zieldrehzahl der Brennkraftmaschine ableitet, das im Knotenpunkt 13 in Verbindung mit dem Wunschmoment t(W) und dem Kompensationsmoment t(S2) des Reglermoduls 2 zum Effektivmoment t(E) zur Steuerung der Brennkraftmaschine 15 zusammengesetzt wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Effektivmoment t(E) weitere Anteile durch das Reglermodul 4 der 1 erhalten kann. Ein Einfluss des Reglermoduls 2 ist nur zu erwarten, wenn der Beitrag des Reglermoduls 2 vernachlässigbar ist, da beide Reglermodule 2, 3 sich infolge ihrer Wirkung unter Last beziehungsweise lastfrei gegenseitig in ihrer Wirkung ergänzen und nur alternativ wirksam sind. Die Beobachtungsfunktion des Beobachters 11 einerseits und die Reglerfunktion des Reglermoduls erfolgt mittels einer sogenannten Zustandsregelung nach Ricci im Ricci-Modul 14. Die für das Ricci-Modul 14 zugrunde gelegte Differentialgleichung
benutzt dabei die Änderung des virtuellen Klammerausdrucks als Größe zur Entwicklung der Beobachterfunktion L des Beobachters 11. Die Reglerfunktion erfolgt im Ricci-Modul 14 unter Auswertung des virtuellen Anteils des Klammerausdrucks gemäß der Differentialgleichung Ẋ = (A – BR)x (7)
Die Lösung P des Ricci-Differentials lautet dabei 0 = PBS –1 B T P – PA – A T P – Q. (8)
Hierbei sind die Werte der Vektormatrizes Q und S frei wählbar. Das Ricci-Differential gemäß Gleichung (8) wird zur Minimierung der Kosten-Funktion
berechnet. Hierbei führt die positive bestimmte Lösung des Rizzi-Differentials P zu einem optimierten Beobachter-/Reglerverhalten, das die Kosten-Funktion M der Gleichung (9) minimiert. Das Rizzi-Modul 14 wird vom Block 16, in dem das Streckenmodell im Zustandsraum berechnet und laufend mittels der Eingangsgrößen aktualisiert wird, mit dem Zustandsgrö ßenvektor Ẋ versorgt. Die Eingangsgrößen in Form der Winkelgeschwindigkeiten ω1, ω2, die in dem Block 17 aus den Drehwinkeln φ1, φ2 der Schwungmassen des Zweimassenschwungrads, das durch den Block 18 dargestellt wird, können aufgrund einer Auswertung der den Drehwinkel zugehörigen Zähnezahlen von an den jeweiligen Schwungmassen angebrachten Markierungen ermittelt werden. Als weitere Eingangsgröße dient das aktuelle stationäre Motormoment t(St). Das dynamische Motormoment t(En) wird in Block 18 auf die Kupplung beziehungsweise das Zweimassenschwungrad übertragen.
Im Falle einer Regelung bei Leerlaufdrehzahl besteht neben einer Kompensation der subharmonischen Schwingungen die zusätzliche Forderung, die Leerlaufdrehzahl konstant zu halten. Hierzu ist für das Reglermodul 3 der 3 bei ansonsten gleicher Anordnung wie im Reglermodul 2 der 2 für den lastfreien Betriebszustand der Brennkraftmaschine 15 eine zusätzliche Leerlaufregelung 19, die durch ein ..einen integrales Reglermodul 20, das die Leerlaufdrehzahl über einen großen Drehwinkel φ2 vorzugsweise der Primärschwungmasse beziehungsweise des Eingangsteils des Zweimassenschwungrads, beispielsweise über Drehwinkel von 180° integriert und ein Korrekturmoment t(LL) für die Stabilisierung der Leerlaufdrehzahl am Knotenpunkt 21 vor dem Vorfilter 12 einspeist. Der Bypass 22 führt dem Knotenpunkt 13 das Zielmoment t(Z) ungefiltert zu.
4 zeigt ein Reglermodul 4 zur Kompensation von Ruckelschwingungen. Das Zielmoment t(Z) zur Steuerung der in dem den Antriebsstrang repräsentierenden Block 5 untergebrachten Brennkraftmaschine wird durch das Kompensationsmoment t(R) des Reglermoduls 4 im Knotenpunkt 8 korrigiert. Das korrigierte Effektivmoment t(E) wird der Brennkraftmaschine und dem ordnungsreduzierten Streckenmodell 23 zugeführt, wobei am Knotenpunkt 25 zusätzlich ein Anfangsmoment vorgegeben werden kann. Dabei wird dem Streckenmodul 23 weiterhin das an dem Antriebsstrang in Form des Blocks 5 anliegende Lastmodul t(L) zugeführt. Weiterhin werden dem Streckenmodell 23 die Signale zweier Beobachter-Module F, L zur Verbesserung des Streckenmodells zugeleitet, wobei dem Beobachter-Modul F ein Filter 24, zur Bestimmung des Integralanteils vorgeschaltet ist. Der Vektor c für die Eingangsgrößen der Beobachter-Module F und L wird aus dem aus dem Block 5 ausgegebenen, dem Antriebsstrang zuzuordnenden Eingangsgrößenvektor y und einem in der Vektormatrix C aus dem aus Streckenmodell 23 resultierenden Zustandsgrößenvektor Ẋ rücktransformierten korrigier ten Eingangsgrößenvektor ŷ gebildet. Der Zustandsgrößenvektor Ẋ wird zur Bildung der Beobachter- und Reglerfunktionen wie unter 2 beschrieben dem Ricci-Modul 14 zugeführt. Neben der Anpassung des aus dem Streckenmodul gewonnenen modellierten Eingangsgrößenvektors ŷ infolge der implementierten Beobachterfunktion wird aus dem Ricci-Modul 14 weiterhin das Kompensationsmoment t(R) zur Kompensation des durch Ruckelschwingungen gestörte Zielmoment t(Z) ausgegeben, das an Knotenpunkt 8 das Zielmoment t(Z) korrigiert.
Der Zusammenhang zwischen dem Zustandsgrößenvektor Ẋ und dem Eingangsgrößenvektor und dem integrierten Zustandsgrößenvektor x wird anhand des linearisierten Streckenmodells als einfache Differentialgleichung (10)
hergestellt, wobei A die Dynamikmatrix des Streckenmodells (23) mit den Koeffizienten der Trägheitskomponenten bei einem vorgegebenen Ordnungsgrad und darstellt. Die Überführung des Eingangsgrößenvektors y in den integrierten Zustandsgrößenvektor x erfolgt anhand der Vectormatrix C über Gleichung 11: y = Cx. (11)

1: Regler
2: Reglermodul
3: Reglermodul
4: Reglermodul
5: Block
6: Knotenpunkt
7: Knotenpunkt
8: Knotenpunkt
9: Block
10: Block
11: Beobachter
12: Vorfilter
13: Knotenpunkt
14: Ricci-Modul
15: Brennkraftmaschine
16: Block
17: Block
18: Block
19: Leerlaufregelung
20: Reglermodul
21: Knotenpunkt
22: Bypass
23: Streckenmodell
24: Filter
25: Knotenpunkt
F: integriertes Beobachter-Modul
L: Beobachter-Modul
c: Vektor
C: Vektormatrix
φ₁: Drehwinkel
φ₂: Drehwinkel
t(A): Anfangsmoment
t(E): Effektivmoment
t(En): dynamisches Motormoment
t(K): Korrekturmoment
t(L): Lastmoment
t(R): Kompensationsmoment
t(S1): Kompensationsmoment
t(S2): Kompensationsmoment
t(St): stationäres Motormoment
t(W): Wunschmoment
t(Z): Zielmoment
ω₁: Winkelgeschwindigkeit
ω₂: Winkelgeschwindigkeit
Ẋ: Zustandsgrößenvektor
y: Eingangsgrößenvektor
ŷ: korrigierter Eingangsgrößenvektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Otto Föllinger, Regelungstechnik – Einführung in die Methoden und ihre Anwendung, 8.Auflage [0013]
- U. Kiencke/H. Jäkel „Signale und Systeme”, 3. Auflage Verlag Oldenbourg [0037]

Claims

Antriebsstrang insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer mittels eines Steuergeräts gesteuerten Antriebseinheit mit einer Antriebswelle und einem mit dieser in Wirkverbindung stehenden und von dieser angetriebenem Zweimassenschwungrad, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zustandswert des Zweimassenschwungrads zur Regelung in das Steuergerät eingelesen wird und eine Regelung zur Kompensation von Ruckelschwingungen, subharmonischen Schwingungen und/oder der Regelung der Leerlaufdrehzahl in einem zumindest aus dem zumindest einen Zustandswert gebildeten Zustandsraum anhand eines modellbasierten Streckenmodells des Antriebsstrangs durchgeführt wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zustandswerte in einem Zustandsraum zusammengefasst werden.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckenmodell zumindest das Verhalten der Brennkraftmaschine und des Zweimassenschwungrads enthält.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhalten der Brennkraftmaschine unter konstanten Betriebsbedingungen für zumindest einen der Zustände Zugbetrieb, Leerlaufbetrieb, Schubbetrieb zur Bildung des Streckenmodells zugrunde gelegt wird.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckenmodell ordnungsreduziert ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckenmodell linearisiert ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung aufgrund von Zustandsreglern nach Ricci erfolgt.
Antriebsstrang nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhalten der Brennkraftmaschine in Form von Kennfeldern in das Streckenmodell eingegeben wird.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckenmodell mittels eines Beobachters optimiert wird.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Größe zumindest die Drehzahlen des Primär- und Sekundärteils des Zweimassenschwungrads sind.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs nach den Ansprüchen 1 bis 11 mit den Schritten: – Einlesen aktueller Werte der zumindest einen Zustandsgröße, – Einlesen hierzu aktueller Werte der Brennkraftmaschine, – Berechnung korrigierter Steuergrößen für die Brennkraftmaschine anhand des Streckenmodells, – Anwendung der korrigierten Steuergrößen zur Steuerung der Brennkraftmaschine.