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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Kraftfahrzeugbremsvorrichtung gemäß Anspruch 12.
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Aus der
DE 10 2005 041 556 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines zwischen einem Hauptbremszylinder und einem Einlassventil eines Radbremszylinders einer Kraftfahrzeugbremsanlage herrschenden Vordrucks bekannt. Entsprechend dem beschriebenen Verfahren wird der Vordruck unter Berücksichtigung des Verlaufs einer Nachlaufspannung eines über eine PWM-Stufe (PWM: Pulsweitenmodulation) getaktet betriebenen Motors der Pumpe bestimmt. Hierzu werden mehrere Kenngrößen des Spannungsverlaufs gemessen und jeweils zur Bestimmung eines Vordruckwertes herangezogen, wobei eine Bewertung der Qualität und/oder Zuverlässigkeit der gemessenen Kenngrößen, eine Filterung und/oder Aufbereitung der Kenngrößen und/oder der daraus bestimmten Vordruckwerte bei mangelnder Qualität und/oder Zuverlässigkeit der gemessenen Kenngrößen und eine Mittelung der aus den verschiedenen Kenngrößen bestimmten Vordruckwerte stattfindet, wobei nur Druckwerte von ähnlicher Größe berücksichtigt werden und eine zeitliche Mittelung der Vordruckwerte zur Dämpfung von Fluktuationen durchgeführt wird. Für die Ermittlung des Vordrucks im Betrieb der Pumpe wird ein Kennlinienfeld in einem Datenspeicher einer Kraftfahrzeugbremsanlage hinterlegt. Unter Berücksichtigung des anhand des Kennlinienfelds errechneten Vordrucks werden die beiden Zweiwegeventile angesteuert.
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Die Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens wird aber dadurch erschwert, dass die Kennlinie für jede einzelne Pumpe und jede einzelne Bremsanlage infolge von Fertigungstoleranzen unterschiedlich ausfällt. Mit zunehmender Betriebsdauer der Pumpe kommen Alterungs- und Verschleißerscheinungen, beispielsweise am Drehlager des Pumpenläufers, hinzu, die die Betriebscharakteristik des Bremssystems beeinflussen.
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Es ist demzufolge bekannt aus der Generatorspannung eines elektrischen Gleichstrommotors, welcher mit einer Hydraulikpumpe verbunden ist, die Drehzahl des Motors bzw. der Pumpe zu bestimmen. Die Generatorspannung kann z. B. durch einen Abgriff der Spannung den Motorklemmen in der Mitte der Pulspause erfolgen, wobei die Spannung mit einem A/D-Wandler einmal pro Periode abgetastet wird. Es hat sich gezeigt, dass ein über eine so ermittelte Generatorspannung bestimmte Motordrehzahl noch zu ungenau für heutige bremsentechnische Anwendungen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Bestimmung eines drehzahlabhängigen Parameters, insbesondere der Generatorspannung, eines getaktet angesteuerten Elektromotors, insbesondere eines Pumpenmotors in einer Kraftfahrzeugbremsanlage, anzugeben, welches gegenüber bekannten Verfahren eine genauere Bestimmung des drehzahlabhängigen Parameters zum Beispiel bei einer Kopplung des Motors mit einer drehwinkelabhängigen Last ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein drehzahlabhängiger Parameter eines mit Pulsweitenmodulation angesteuerten Elektromotors bestimmt. Der Motor ist insbesondere ein Pumpenmotor in einer Kraftfahrzeugbremsanlage, welcher insbesondere mit Gleichstrom betreibbar ist und daher einen Kollektor aufweist. Zum Ermitteln des drehzahlabhängigen Parameters wird eine elektrische Kenngröße des Motors zu bestimmten diskreten Zeitpunkten abgetastet und digital gewandelt. Der so gewonnene digital gewandelte Abtastwert wird einem digitalen Rechenwerk zugeführt und dort verarbeitet. Die Abtastung der elektrischen Kenngröße wird mindestens zweimal innerhalb einer Pulspause der pulsweitenmodulierten Motoransteuerung durchgeführt. Besonders bevorzugt erfolgt die Abtastung in einer Pulspause häufiger als 7 mal, ganz besonders bevorzugt häufiger als 15 mal.
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Der gemessene drehzahlabhängige Parameter (zum Beispiel die Motordrehzahl) wird vorzugsweise aus der Generatorspannung des Motors bestimmt. Die gemessene zeitabhängige Generatorspannung wird hierzu insbesondere gemittelt oder über sonstige statistische Methoden, wie zum Beispiel lineare Regression ausgewertet. Als drehzahlabhängiger Parameter wird dann je nach Anwendung des Parameters beispielsweise die Motordrehzahl selbst oder deren zeitlicher Gradient bestimmt. Es kann auch zweckmäßig sein, sowohl die Motordrehzahl als auch deren zeitlichen Gradienten gemeinsam zu bestimmen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der abgetasteten Kenngröße um die Klemmenspannung des Motors, welche in der Regel zumindest zeitweise zunächst vom Ansteuerstrom des PWM-Motortreibers überlagert ist und dann im weiteren zeitlichen Verlauf der Pulspause der PWM-Ansteuerung, nach Abklingen des Motorstroms, nur noch von der Generatorspannung des Motors maßgeblich bestimmt wird.
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Die während der Abtastung abgetasteten analogen Werte für die Kenngröße werden bevorzugt in Digitalwerte umgewandelt. Zudem erfolgt zweckmäßigerweise eine Speicherung der Digitalwerte in einem digitalen Speicher. Es ist bevorzugt, pro PWM-Periode immer nur die Digitalwerte zu speichern, welche während einer PWM-Periode durch die Abtastung ermittelt wurden. In diesem Fall können die Digitalwerte der vorherigen Periode durch die Daten der aktuellen PWM-Periode überschrieben werden.
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Die PWM-Periode besteht aus einer An-Phase (tON) und einer Aus-Phase (tOFF). Zur Messung der Generatorspannung ist nur ein Teil der Aus-Phase nutzbar (Zeitraum tOFF2), da zunächst der Motorstrom eine zeitlang abklingen muss (Zeitraum tOFF1). Vorzugsweise wird die Abtastung und Speicherung der Kenngröße ständig, also über die ganze PWM-Periode hinweg (einschließlich der An-Phase) vorgenommen. In die nachfolgenden Berechnungen werden allerdings zweckmäßigerweise nur solche Abtastwerte einbezogen, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters mit der Länge twin liegen, wobei das vorgegebene Zeitfenster den nutzbaren Bereich tOFF2 der Aus-Phase der Motoransteuerung beschränken kann (ttwin <= tOFF2).
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Der Motor ist bevorzugt mit einer drehwinkelabhängigen Last verbunden, welche insbesondere einen auf die Drehung des Motors bezogenen periodischen Drehmomentverlauf hat.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders genaue Ermittlung des drehzahlabhängigen Parameters möglich ist, wenn – im Falle einer Last mit zwei symmetrischen Lastmaxima pro voller Umdrehung (z. B. bei einer Exzenter-Zweikolbenpumpe) – das Zeitfenster so gewählt wird, dass innerhalb des nutzbaren Zeitraums tOFF2 genau ein ganzzahliges Vielfaches einer vollen Lastmomenthalbwelle liegt. In diesem Fall mitteln sich Drehzahlschwankungen auf Grund von Lastschwankungen bei Mittelung der in diesen Bereich fallenden Abtastwerte heraus. Es ist demzufolge besonders zweckmäßig das Zeitfenster so zu dimensionieren und/oder so zu legen, dass das zuvor genannte Kriterium erfüllt ist. Die Genauigkeit der Messung kann auf diese Weise erheblich verbessert werden.
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Bevorzugt wird dazu die Breite des Zeitfensters auf die Periodenlänge des periodischen Pumpendrehmomentverlaufs angepasst. Dabei kann die Phasenverschiebung zwischen Start des Zeitfensters und Periode des Drehmoments beliebig sein, so lange die Breite des Fensters einem ganzzahligen vielfachen der Drehmomentperiode entspricht. Die Anpassung des Zeitfensters erfolgt besonders zweckmäßig in der Weise, dass damit erreicht wird, dass der Mittelwert der Lastkurve während des Zeitfensters bei jedem Messzyklus einer PWM-Periode gleich groß ist.
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Um die vorstehende Anforderung zu erfüllen hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, die Lage und/oder Breite des Zeitfensters unter Berücksichtigung der Motordrehzahl festzulegen.
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Bevorzugt wird die Motordrehzahl hierzu entweder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer der PWM-Vorperioden ermittelt und/oder nach der Methode der einmaligen Abtastung der Generatorspannung gemäß dem Stand der Technik. Andere Methoden wie z. B. in der
DE 10 2005 041 556 A1 beschrieben, sind ebenfalls nutzbar. Die zur Optimierung des Zeitfensters herangezogene Drehzahl ist dann natürlich in der Regel zunächst ungenauer, als die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbare Drehzahl.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dann die Breite des Auswertefensters unter Berücksichtigung der Drehzahl und der Periode der Last so gewählt, dass ein ganzzahliges Vielfaches einer Lastperiode des Pumpendrehmomentverlaufs darin abgebildet wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Kraftfahrzeugbremsvorrichtung gemäß Anspruch 12.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigen
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1 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Motorklemmenspannung und des Winkels der Pumpenposition und
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2 ein Diagramm entsprechend 1 mit einem Zeitfenster zur Auswahl von Abtastwerten.
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In 1 stellt Kurve 1 den zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung des Pumpenmotors dar. Der Pumpenmotor wird über eine PWM-Treiberstufe angesteuert. An den Motorklemmen liegt dann das Signal der Kurve 1 an. Dabei entspricht die Zeit TPWM der Dauer eines PWM Zyklus (z. B. 60 ms) aufgeteilt auf eine An- und eine Aus-Phase (tON bzw. tOFF). Das Verhältnis von Länge der An-Phase zu Aus-Phase ergibt sich aus der Höhe der Aussteuerung (Duty Cycle, Werte zwischen 0 und 1) der PWM-Stufe. Während der Zeit tON ist der Motor mit der Betriebsspannung verbunden. Die Drehzahl des Pumpenmotors kann über die Generatorspannung während der Aus-Phase bestimmt werden. Bei dem eingesetzten fremderregten Gleichstrommotor verhält sich die Generatorspannung nahezu linear mit der Drehzahl. Für die eigentliche Messung sind die Motorklemmen mit einem gefilterten Eingang eines A/D-Wandlers verbunden, welcher eine durch einen Triggerpuls initiierte Abtastung zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Pulpause vornimmt. Der Abtastzeitpunkt liegt beispielsweise bei einer Abtastung gemäß dem Stand der Technik in der Mitte der Aus-Phase (siehe Pfeil A). Der so abgetastete digital gewandelte Spannungswert wird dann in einem Speicher eines Rechenwerks abgelegt. Die Höhe der durch eine einmalige Abtastung während einer Pulspause gemessenen Spannung ist weitestgehend zur Motordrehzahl proportional, weist jedoch einen relativ großen Messfehler auf. Immerhin ist es möglich, durch Mittelung über mehrere PWM-Perioden bereits eine gewisse Glättung der so gewonnenen Drehzahldaten zu erreichen.
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Gemäß der Erfindung wird, wie in 1 an Hand der Pfeile B dargestellt, die Generatorspannung in der Ausschaltphase des PWM-Ansteuersignals mehrfach mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz von beispielsweise 2 kHz abgetastet. Es erfolgt somit eine ständige zeitäquidistante Abtastung über die ganze PWM-Periode (auch während der An-Phase) hinweg, so dass im genannten Beispiel pro Periode 120 Klemmenspannungswerte gespeichert werden müssen. Werden nur die Daten nach dem Abklingen des Motorstroms in der Aus-Phase betrachtet, kann bereits aus den so gewonnen Daten ein Mittelwert gebildet werden, um die Motordrehzahl zu berechnen. Es ist außerdem möglich, aus den Daten (z. B. durch lineare Regression) eine Ausgleichsgerade zu berechnen, wodurch sich ebenfalls bereits eine erheblich höhere Messgenauigkeit der gewonnen Drehzahlinformation ergibt.
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In der beispielgemäßen hydraulischen Vorrichtung einer Kraftfahrzeugbremse ist der oben beschriebene Motor über seine Welle mit einer Pumpe verbunden, die einen drehwinkelabhängigen Drehmomentverlauf hat, welcher insbesondere, je nach Bauart der Pumpe, einfach, zweifach oder mehrfach periodisch verläuft. Im Falle einer Exzenter-Zweikreisradialkolbenpumpe ergibt sich schematisch vereinfacht ein Drehmomentverlauf entsprechend Kurve 3 mit einer zweifachen Periode, d. h., die Frequenz des Momentverlaufs ist doppelt so groß wie die Drehfrequenz des Motors.
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Die Aus-Phase kann prinzipiell in zwei Teile aufgeteilt werden. Zu Beginn der Ausschaltphase ist eine Bestimmung der Generatorspannung nicht sinnvoll, da zunächst der noch aus der An-Phase fließende Strom abgebaut werden muss (Bereich tOFF1 in 2). Je nach zuvor geflossenem Strom beträgt tOFF1 etwa 4 ms. Nach dem Abklingen des Motorstroms folgt in der Aus-Phase der Zeitbereich tOFF2, in dem eine Abtastung der Generatorspannung sinnvoll ist. Wird die Motorspannung lediglich einmal während der Zeit tOFF2 abgetastet (siehe Pfeil A in 1), ergibt sich eine merkliche Ungenauigkeit bei der Messung der Drehzahl, da sich der Momentverlauf der Last merklich auf die Drehzahl des Motors auswirkt. Insbesondere bei kurzen Ausschaltphasen, also hohe Duty Cycles, oder kleinen Drehzahlen des Motors ergeben sich deutliche Abweichungen zwischen gemessener und tatsächlicher Drehzahl. Daher erfolgt eine Mehrfachabtastung, wie durch die Pfeile B in 1 symbolisiert.
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An Hand von 2 wird nachfolgend erläutert, wie mit Hilfe eines Zeitfensters und einer damit verbundenen Auswahl lediglich von Datenpunkten, die in einem vorgegebenen Ausschnittsfenster der Aus-Phase tOFF2 liegen, die Genauigkeit der gewonnen Drehzahlinformation erheblich verbessert werden kann. Zunächst muss hierzu die Drehzahl des Motors bestimmt werden. Dies kann nach einer der weiter oben beschriebenen Methoden geschehen, wobei in Kauf genommen werden muss, dass ohne das Zeitfenster noch keine optimale Genauigkeit der Drehzahlmessung erzielt werden kann. Mit Hilfe der gemessenen Drehzahl kann die Breite des Auswertefensters twin so eingestellt werden, dass immer ein ganzzahliges Vielfaches einer Last-Halbwelle in das Zeitfenster fällt. Dadurch wird erreicht, dass der berücksichtigte Teil des Lastverlaufs immer unabhängig von der Phase ist, da bei jedem Messzyklus immer der gleiche Mittelwert des Lastsignals und damit der Drehzahl berücksichtigt wird.
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Das Zeitfenster, in dem die Messdaten berücksichtigt werden, wird beispielsweise mit Hilfe der Formeln tAnfang = tON + tOFF1 + (tOFF2/2) – (twin/2) und tEnde = tON + tOFF1 + (tOFF2/2) + (twin/2) festgelegt. Das heißt, das Zeitfenster ist bezüglich der Mitte der nutzbaren Messphase tOFF2 zentriert.
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Im Falle der Zweikolbenpumpe ergibt sich t
win aus
mit
- twin
- = Dauer einer Lastwelle,
- nmot
- = Drehzahl des Motors und
- N
- = Anzahl der ganzen Lasthalbwellen im Zeitfenster (n = 1, 2, 3 ... etc.).
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Dabei muss gelten: twin ≤ tOFF2
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Aus den mittels des Zeitfensters gewonnenen Messdaten über die Generatorspannung kann der Mittelwert der Generatorspannungen innerhalb des Auswertefensters bestimmt werden. Über den Zusammenhang Ui = k1·Φ·n mit
- n
- = mittlere Drehzahl in der Ausschaltphase,
- k1
- = Proportionalitätsfaktor und
- Φ
- = magnetischer Fluss des Motors,
bei fremderregten Gleichstrommotoren kann die Drehzahl des Motors bestimmt werden. Beim permanenterregten Gleichstrommotor ist das Produkt aus k1 und Φ eine Konstante.
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Aus der so gewonnenen Motordrehzahl wird vorzugsweise zusammen mit der dem System zugeführten Energie (beispielsweise mit Duty Cycle und Versorgungsspannung) die am Motor anliegende Last bestimmt.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, den Gradient der Drehzahl (beim permanenterregten Gleichstrommotor also der Gradient der Generatorspannung) zu bestimmen. Der Gradient der Drehzahl ist direkt proportional zur Last über den mechanischen Zusammenhang:
wenn J das Trägheitsmoment und M das Lastmoment am Drehsystem ist.
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Weiterhin kann zweckmäßigerweise noch die Differenz zwischen der Spannung in der An-Phase und der Aus-Phase bestimmt werden. Auf diese Weise erhält man den im System zuvor geflossenen Strom. Dieser ist beim fremderregten Gleichstrommotor direkt proportional zum Lastmoment.
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Mit den oben genannten Auswertungen lässt sich auf drei unterschiedlichen Wegen das Lastmoment am Motor bestimmen.
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Bevorzugt wird aus dem so bestimmten Lastmoment und/oder der nach dem obigen Verfahren bestimmten Drehzahl der Systemdruck eines Kraftfahrzeugbremssystems bestimmt. Das Lastmoment an der 2-Kolben-Radialpumpe in einem gängigen Bremssystem entspricht dem am Hauptzylinder (THZ) anliegenden Druck, welcher sich somit über das Lastmoment bestimmen lässt. Mit Hilfe der gewonnen Parameter ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besonders vorteilhaft möglich, über die genauere Kenntnis des Hauptzylinderdrucks eine analoge Ventilansteuerung zu verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041556 A1 [0002, 0016]
