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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorgestützten Steuerung und Regelung einer Bremse mit einem Bremssattel, der einen Aktuator umfasst, welcher zum Zuspannen der Bremse durch eine translatorische Bewegung ein Bremselement gegen einen Bremskörper drückt, und mit wenigstens einem Sensor zur Bestimmung der von dem Bremselement auf den Bremskörper ausgeübten Kraft, dessen Sensorsignal als Eingangsgröße für die Steuer- und Regelvorgänge dient, wobei das wenigstens eine Sensorsignal auf Fehler überwacht wird. Sie betrifft weiterhin eine zugehörige Bremse.
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Moderne Entwicklungen bei Brems- und Sicherheitssystemen umfassen so genannte Brake-by-Wire-Bremssysteme mit sensorgestützter Regelung. Bei derartigen Bremssystemen sind die Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer und die Betätigung der Bremse voneinander entkoppelt. Das heißt, im Gegensatz zu herkömmlichen hydraulischen Bremssystemen erfolgt bei einer Betätigung des Bremspedals nicht unmittelbar ein Aufbau einer Bremskraft. Der Bremswunsch des Fahrers wird vielmehr über eine Pedalbetätigungseinrichtung, beispielsweise mittels eines Pedalwegsensors, erfasst. Aus diesem Bremswunsch wird ein Sollbremsmoment ermittelt, auf Grund dessen dann mittels einer Steuer- und Regeleinheit die Bremsen derart eingestellt werden, dass das Kraftfahrzeug entsprechend abgebremst wird.
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In derartigen Systemen werden als Bremsen gewöhnlich elektromechanische Bremsen (EMB) bzw. elektromechanisch betätigbare Bremsen eingesetzt. Diese Bremsen arbeiten ohne Hydraulikflüssigkeit und weisen einen durch einen Elektromotor betriebenen elektromechanischen Aktuator auf, der die erforderliche Bremskraft mittels eines Kugelgewindetriebs (KGT) erzeugt und durch einen Regelungsmechanismus einstellt. Der Aktuator wird durch eine Steuer- und Regeleinheit angesteuert, wobei das Zuspannen und das Lösen der Bremse durch einen entsprechenden Betrieb des Elektromotors bewerkstelligt werden, wodurch beispielsweise ein mit dem KGT gekoppelter Bremskolben einen Bremsbelag auf eine Bremsscheibe drückt.
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Derartige Bremssysteme haben gegenüber gewöhnlichen hydraulischen Bremssystemen mehrere Vorteile. So können beispielsweise sicherheitsrelevante Systeme wie ABS, ESP, TCS, etc. eingesetzt werden, ohne dass der Fahrer eine Rückmeldung dieser Vorgänge über das Bremspedal erhält. Elektromechanische Bremsen erlauben darüber hinaus auch den Auf- und Abbau von sehr hohen Spannkräften auf gegenüber gewöhnlichen Systemen deutlich geringeren Zeitskalen, so dass anspruchsvolle Sicherheitssysteme mit schnellen Regelvorgängen realisiert werden können.
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Für eine zuverlässige Einregelung der gewünschten Zuspannkraft wird gewöhnlich ein Kraftsensor eingesetzt, der die von dem Aktuator ausgeübte Kraft misst. Beim Betrieb der jeweiligen Bremse können in den Regelungsvorgängen Störungen auftreten, die auf einem falschen oder fehlerhaften Signal des Kraftsensors fußen. Ein solcher Fehler, der beispielsweise durch defekte oder ausgefallene Systemkomponenten des Sensors herrühren kann, kann zu einem „Hängenbleiben” oder „Driften” des Signals führen. Es ist auch möglich, dass der Kraftsensor insgesamt ausfällt und überhaupt kein Signal mehr liefert.
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Da das Signal des Kraftsensors als Eingangsgröße für die Steuer- und Regelvorgänge der Bremse dient, sollten ungewollte Systemreaktionen (Regelvorgänge) auf Störungen, die auf einem fehlerhaften Kraftsensorsignal beruhen, vermieden werden. Dies geschieht in der Regel durch eine entsprechende Überwachung des Kraftsignalsensors, die nach einer definierten Latenzzeit den Sensor als fehlerhaft erkennt bzw. markiert und ihn dann von der Nutzung innerhalb der Regelungsvorgänge ausschließt. Innerhalb dieser Latenzzeit kann es jedoch bereits zum Aufbau von unerwünschten Systemreaktionen kommen, die zwar dann in dieser Phase, d. h. während dieser Latenzzeit, kein Sicherheitsziel verletzen müssen, aber dennoch ungewollt sind. Diese ungewollten Systemreaktionen können insbesondere bei elektromechanischen Bremsen auftreten, da bei ihnen, wie oben erwähnt, Regelungsvorgänge sehr schnell ablaufen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur sensorgestützten Steuerung und Regelung einer Bremse bereitzustellen, bei der die oben genannten unerwünschten Systemreaktionen vollständig verhindert werden, sobald ein Störereignis eintritt. Weiterhin soll eine zugehörige Bremse bereitgestellt werden.
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In Bezug auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Erkennen der Fehlerhaftigkeit des Sensorsignals das Sensorsignal durch ein Ersatzsignal ersetzt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Fehlerbehandlungsroutine, die nach dem Detektieren einer Störung den entsprechenden Sensor nach einer gewissen Latenzzeit aus den Regelungsvorgängen herausnimmt, bei elektromechanischen Bremsen, bei denen Steuer- und Regelvorgänge auf kleinsten Zeitskalen mit hohen Kräften realisiert werden können und auch realisiert werden, nur bedingt geeignet ist. Da das System in entsprechend kurzen Zeitintervallen auf Änderungen des Kraftsignals reagiert, wodurch im gewöhnlichen Fahrbetrieb eine hohe Präzision und Sicherheit der Bremsanlage gewährleistet wird, führen diese schnellen Systemreaktionen bei Störungen des Signals bereits zu ungewollten, aber noch nicht sicherheitskritischen Auswirkungen auf den fahrdynamischen Zustand des Kraftfahrzeuges.
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Auf Grund der schnellen Reaktion des Systems auf Änderungen in den als Eingangsgrößen verwendeten Signalen werden diese Störungen auch nicht wie bei Systemen mit längerer Antwortzeit gewissermaßen hinweggeglättet. Änderungen bzw. Störungen wirken sich daher unmittelbar auf die Regelungsvorgänge des Bremssystems aus. Aus diesem Grund wäre es wünschenswert, unmittelbar bei Erkennen eines Fehlers bzw. einer Störung einen Regelungsbetrieb des Bremssystems zu gewährleisten, bei dem das fehlerhafte Signal als Eingangsgröße komplett und unmittelbar ausgeschlossen ist.
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Wie nunmehr erkannt wurde, lassen sich die Steuerungs- und Regelungsvorgänge im Wesentlichen kontinuierlich weiter führen, indem als Eingangsgröße kurzzeitig bzw. im Wesentlichen während die Störung vorliegt, ein Ersatzsignal verwendet wird. Dieses Ersatzsignal beruht dabei auf dem Signal eines anderen Sensors und gegebenenfalls weiteren Daten. Die entsprechende Bremse kann nun auf Grund dieses Ersatzsignales angesteuert und geregelt werden, so dass sich Störungen im ursprünglichen Sensorsignal nicht bemerkbar machen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Erkennen der Fehlerhaftigkeit durch eine Auslösebedingung realisiert, welche erfüllt ist, wenn das aktuell gemessene Sensorsignal von einem modellierten Sensorsignal um mehr als einen vorgegebener Schwellenwert abweicht. Dabei wird vorzugsweise der Betrag der Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Sensorsignalwert und dem modellierten Sensorsignalwert gebildet und mit dem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Als modelliertes Sensorsignal kann dabei das Ersatzsignal verwendet werden.
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Die Ersetzung des Sensorsignals durch ein Ersatzsignal wird vorteilhafterweise dann beendet, wenn das Sensorsignal als nicht mehr fehlerhaft erkannt wird. Sobald der Sensor also wieder korrekte Signale liefert, kann auf die Verwendung des Ersatzsignals verzichtet werden. Die Umschaltung sollte auch deshalb erfolgen, da das Ersatzsignal im Wesentlichen den Zustand der Bremse widerspiegelt, an dem es das letzte Mal generiert bzw. gelernt wurde und sich der Zustand der Bremse mittlerweile verändert haben kann (Abnutzung, thermische Ausdehnung etc.).
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Aus oben genanntem Grund erfolgt das Ersetzen des fehlerhaften Sensorsignals durch ein Ersatzsignal auch nur für eine vorgegebene Maximalzeitspanne. Nach Ablauf dieser Maximalzeitspanne wird dann die Bremse gelöst und deaktiviert, wenn nach der Maximalzeitspanne das Sensorsignal weiterhin als fehlerhaft erkannt wird. In einem solchen Fall ist ein zuverlässiger Betrieb der Bremse nicht mehr möglich, und das Fahrzeug sollte so bald wie möglich in die Werkstatt gefahren werden.
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Damit das Ersatzsignal möglichst aktuell vorliegt, d. h., dass bei Umschaltung von dem fehlerhaften Sensorsignal auf das Ersatzsignal dieses den aktuellen Zustand der Bremse möglichst genau entspricht, wird das Ersatzsignal vorteilhafterweise im Wesentlichen kontinuierlich gelernt.
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Ein Ersatzsignal für das von dem Kraftsensor bereitgestellte Signal wird vorzugsweise mit Hilfe eines Sensorsignals der Aktuatorposition und einer Bremssattelkennlinie gewonnen bzw. gelernt. Vorteilhafterweise wird das Verfahren eingesetzt bei einer Bremse mit einem Kugelgewindetrieb mit einem einen Kugelgewindetrieb umfassenden Aktuator mit einer Spindel und einer sich bei Drehung der Spindel translatorisch bewegenden Spindelmutter. In diesem Fall wird das Ersatzsignal mit Hilfe eines Sensorsignals der Spindelposition und einer Bremssattelkennlinie gelernt. Mit anderen Worten: Das Modellsignal stützt sich auf ein anderes Sensorsignal, nämlich das der Spindelposition, welches in bekannter Weise mit der Bremskolbenposition korreliert ist. Aus der Spindelposition bzw. der linearen Verschiebung der Spindelmutter kann mit Hilfe der Sattelkennlinie bzw. Bremssattelkennlinie (ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von dem Kolbenweg bzw. der Umdrehungszahl der Spindel) ein Kraftersatzsignal bestimmt werden (Das hydraulische Äquivalent hierzu wäre, aus dem Druck und der bekannten Volumenaufnahme des Bremssattels das entsprechende Volumen an Bremsflüssigkeit zu schätzen). Die Spindelposition wird vorteilhafterweise durch die Positionssignale bzw. das Signal der Rotorlage des Elektromotors unter Berücksichtigung der Umsetzung und der Spindelgetriebesteigung bestimmt.
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Die Bremssattelkennlinie wird vorteilhafterweise kontinuierlich gelernt. Das heißt, während des Normalbetriebs der Bremse wird der jeweils vorliegenden Spindelposition die von dem Kraftsensor gemessene Kraft zugeordnet. Die Sattelkennlinie hängt von dem aktuellen Zustand der Bremse ab. Beispielsweise verändert sie sich bei einer durch Hitze verursachten Ausdehnung der Bremsscheiben oder durch einen Verschleiß der Bremsbeläge.
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Um die zuletzt gelernten Werte von Spindelposition und korrespondierender Kraft, welche die Bremssattelkennlinie bilden, bei einem Umschalten von dem fehlerhaften Kraftsensorsignal auf das Ersatzsignal möglichst gut zur Deckung zu bringen, kann das letzte fehlerfreie Signal des Sensors genutzt werden, um einen so genannten Kurzzeitabgleich, d. h. einen Offset-Abgleich des Ersatzsignals und des letzten fehlerfreien Signals durchzuführen. Das heißt, die letzte fehlerfreie Kombination aus Spindelposition und ausgeübter Kraft wird dazu benutzt, die Sattelkennlinie entsprechend so zu verschieben, dass der entsprechende Kraftwert in der Sattelkennlinie dem letzten fehlerfreien Signal des Sensors entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden regelmäßig auftretende fehlerhafte Sensorsignale auf mögliche Ursachen diagnostiziert, und eine entsprechende Diagnosemeldung wird bereitgestellt und/oder ausgegeben. Derartige regelmäßig auftretende Störsignale können beispielsweise durch den so genannten „Scheibenschlag” verursacht werden. In diesem Fall stößt ein Teil der Bremsscheibe beim Laufen des Rades in regelmäßigen Zeitabständen an den Bremsbelag, wodurch kurzzeitige, im Wesentlichen Peak-förmige Störsignale generiert werden. Diese Störsignale können erfindungsgemäß durch ein Ersatzsignal ersetzt werden. Im Falle von Scheibenschlag kann auf Grund der Frequenz der auftretenden Störung dieser erkannt werden und somit diagnostiziert werden. Dem Fahrer kann dann eine entsprechende Diagnose übermittelt werden, die ihn veranlasst, in der Werkstatt das entsprechende Problem behandeln zu lassen.
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In Bezug auf die Bremse wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einer Bremse mit einem Bremssattel, der einen Aktuator umfasst, welcher zum Zuspannen der Bremse durch eine translatorische Bewegung ein Bremselement gegen einen Bremskörper drückt und mit wenigstens einem Sensor zur Bestimmung der von dem Bremselement auf den Bremskörper ausgeübten Kraft, und mit einer Steuer- und Regeleinheit die signaleingangsseitig mit dem wenigstens einen Sensor verbunden ist, wobei die Steuer- und Regeleinheit eine Fehlererkennungseinheit umfasst, welche das Sensorsignal des wenigstens einen Sensors auf Fehler überwacht und bei Erkennen der Fehlerhaftigkeit des Sensorsignals das Sensorsignal durch ein Ersatzsignal ersetzt.
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Vorteilhafterweise ist die Bremse als elektromechanisch betätigbare Bremse ausgestaltet mit einem Bremssattel umfassend einen Aktuator, der eine Spindel und eine zugehörige Spindelmutter umfasst, die beim Drehen der Spindel einen Verschiebungsweg zurücklegt und dabei Kraft auf einen Bremsbelag ausübt, wobei ein Kraftsensor vorgesehen ist, an dem sich die Spindelmutter abstützt und welcher die auf den Bremsbelag ausgeübte Kraft misst, wobei die Steuer- und Regeleinheit eine Lerneinheit umfasst, welche die Sattelkennlinie des Bremssattels im Wesentlichen kontinuierlich lernt, und wobei die Fehlerkennungseinheit bei Erkennung eines fehlerhaften Signals des Kraftsensors dessen Signal durch ein Ersatzsignal für die Kraft ersetzt, welches mittels des aktuellen Signals der Spindelposition aus der zuletzt gelernten Sattelkennlinie ermittelt wird.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass bei Auftreten eines fehlerhaften Kraftsignals durch die Ersetzung des fehlerhaften Signals durch ein modellbasiertes Ersatzsignal auch kurzfristig Störreaktionen bzw. unerwünschte Systemreaktionen auf diese Störung verhindert werden können. Gleichermaßen kann eine möglicherweise unnötige Abschaltung des entsprechenden Sensors verhindert werden.
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Dadurch, dass das Modellsignal nur für eine begrenzte Zeit genutzt wird, können Veränderungen an der Sattelkennlinie vernachlässigt werden. Das heißt, das Modell nutzt die aktuell gelernte und angepasste Sattelkennlinie, um kurzzeitig ein fehlerfreies Ersatzsignal zur Verfügung zu stellen. Die Umschaltung auf das Ersatzsignal erfolgt noch bevor die Latenzzeit verstrichen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur sensorbasierten bzw. sensorgestützten Steuerung und Regelung einer Bremse in einer bevorzugten Ausführungsform, und
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2 ein Beispiel für eine Sattelkennlinie.
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Das in 1 dargestellte Verfahren zur sensorgestützten Steuerung und Regelung einer Bremse beginnt bei Start 2. In Block 6 wird das Sensorsignal des Kraftsensors, welcher die von dem Aktuator auf den Bremsbelag, der wiederum auf einen Bremskörper (gewöhnlich eine Bremsscheibe) drückt, ausgeübte Kraft misst, überprüft. In der Entscheidung 10 wird überprüft, ob das entsprechende Kraftsignal bzw. Signal s fehlerbehaftet ist. Ein vorteilhaftes Kriterium zur Beurteilung, ob das Signal s fehlerbehaftet ist, ist die Differenz dieses Signals s zu einem auf einem weiteren Modellsignal beruhenden Modellwert. Dieser Modellwert kann beispielsweise aus der Bremssattelkennlinie gewonnen werden. Unterschreitet die Differenz zwischen aktuell gemessenem Kraftwert und dem geschätzten modellierten Kraftwert einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird das Signal s als im Wesentlichen fehlerfrei beurteilt. Das Verfahren geht in diesem Fall wieder zurück zu Start 2.
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Überschreitet diese Differenz bzw. der Absolutwert dieser Differenz jedoch den vorgegebenen Schwellenwert, wird also in der Entscheidung 10 festgestellt, dass das Signal s des Kraftsensors nicht ok sondern vielmehr fehlerhaft ist (hier liegt gewissermaßen eine Auslösebedingung vor), verzweigt das Verfahren zu Block 14, in dem das Signal s des Sensors durch ein modellbasiertes Ersatzsignal s' ersetzt wird. Das Ersatzsignal s' wird auf Grund der vorzugsweise kontinuierlich gelernten Bremssattelkennlinie bereitgestellt.
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In der Entscheidung 18 wird dann überprüft, ob das Sensorsignal bzw. Signal s wieder fehlerfrei ist. Ist dies der Fall, wird die Regelung in Block 20 wieder auf das Sensorsignal s gestützt, und das Verfahren geht zurück zu Start 2. Ist das Sensorsignal weiterhin fehlerhaft, verzweigt das Verfahren an der Entscheidung 18 zu der Entscheidung 22. In der Entscheidung 22 wird überprüft, ob die Zeit t, während der das fehlerhafte Signal s durch das Ersatzsignal s' ersetzt wurde, eine vorgegebene Maximalzeitspanne tmax überschritten hat. Ist dies noch nicht der Fall, verzweigt das Verfahren aus der Entscheidung 22 zu Block 14, und das fehlerhafte Signal s wird weiterhin durch das Ersatzsignal s' ersetzt.
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Falls die Maximalzeitspanne tmax überschritten ist, verzweigt das Verfahren aus der Entscheidung 22 zu Block 26. Block 26 wird erreicht, wenn einerseits das fehlerhafte Signal s durch das Ersatzsignal s' ersetzt wurde und andererseits auch innerhalb der vorgegebenen Maximalzeitspanne tmax die Regelung der Bremse nicht wieder auf das Sensorsignal s umgeschaltet werden konnte, weil dieses weiterhin fehlerhaft ist. Da sich mit fortlaufender Zeit das Ersatzsignal s' nicht mehr mit den tatsächlich vorliegenden Spindelposition-Kraft Verhältnissen deckt bzw. mit fortschreitender Zeit immer weiter davon abweichen kann, ist in dem vorliegenden Fall eine finale Systemreaktion in Block 26 gefordert bzw. vorgesehen. Diese besteht beispielsweise aus einem Deaktivieren der Bremse und einer entsprechenden Nachricht an den Fahrer, das Fahrzeug unmittelbar sicher abzustellen und nicht mehr zu benutzen. Durch das Deaktivieren der Bremse wird somit die Manövrierfähigkeit des Fahrzeuges bis zum sicheren Abstellen gewährleistet. In diesem Fall ist eine Überprüfung und Reparatur der Bremse unausweichlich. Das Verfahren endet nach Durchführung der finalen Systemreaktion bei Stopp 30.
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In 2 ist beispielhaft eine typische Bremssattelkennlinie einer elektromechanischen Bremse dargestellt. Auf der Abszisse ist in Einheiten von mm die um 1,89 mm korrigierte Spindelmutterposition bzw. Bremskolbenposition dargestellt, auf der Ordinate 54 ist die von dem Aktuator ausgeübte Kraft in Einheiten von kN dargestellt. Die Kurve 58 stellt also die gewissermaßen ausgeübte Kraft als Funktion der Spindelposition dar. Während die Kraft bei größer werdender Spindelposition erst langsam ansteigt, zeigt sie nach einer gewissen Zeit eine lineare Abhängigkeit von der Spindelposition bzw. Bremskolbenposition und entspricht somit im Wesentlichen einer Federkraftkennlinie.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Start
- 6
- Block
- 10
- Entscheidung
- 14
- Block
- 18
- Entscheidung
- 20
- Block
- 22
- Entscheidung
- 26
- Block
- 30
- Stopp
- 50
- Abszisse
- 54
- Ordinate
- 58
- Kurve
- s
- Signal
- s'
- Ersatzsignal
- t
- Zeit
- tmax
- Maximalzeitspanne
