DE102011014936A1

DE102011014936A1 - Steuereinrichtung und Verfahren zum Steuern

Info

Publication number: DE102011014936A1
Application number: DE102011014936A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eich Jürgen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-12-15
Also published as: DE112011101228B4; DE112011101228A5; WO2011124200A9; CN102834636A; US8657095B2; CN102834636B; WO2011124200A1; US20130020168A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer automatisierten Kupplung, die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem umfasst, das einen hydrostatischen Aktor aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb mit einem Inkrementalwegsensor so angetrieben ist, dass der Aktor eine translatorische Bewegung ausführt. Die Erfindung kennzeichnet sich durch einen Absolutwegsensor aus, der die Aktorposition erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer automatisierten Kupplung, die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem umfasst, das einen hydrostatischen Aktor aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb mit einem Inkrementalwegsensor so angetrieben wird, dass der Aktor eine translatorische Bewegung ausführt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 044 823 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Reibungskupplung bekannt, bei dem der zurückgelegte Kupplungsweg während einer Betätigung von Inkrementalwegsensoren erfasst wird, die Weginkremente zählen und daher relative Kupplungswege erfassen können und zur absoluten Erfassung des Kupplungswegs kalibriert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und/oder mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 auf einfache Art und Weise die Ermittlung eines genauen Positionssignals des Aktors zu ermöglichen.
Die Aufgabe ist bei einer Steuereinrichtung zum Steuern einer automatisierten Kupplung, die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem umfasst, das einen hydrostatischen Aktor aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb mit einem Inkrementalwegsensor so angetrieben ist, dass der Aktor eine translatorische Bewegung ausführt, durch einen Absolutwegsensor gelöst, der die Aktorposition erfasst. Der Aktor dient dazu, einen Geberzylinderkolben in einem Geberzylinder des hydraulischen Kupplungsbetätigungssystems zu verstellen. Hydraulische Kupplungsbetätigungssysteme mit einem Aktor, einem Geberzylinder, einem Nehmerzylinder und einer Kupplung sind zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 057 656 A1 bekannt. Der elektromotorische Stellantrieb umfasst Inkrementalwegsensoren zur Inkrementalwegmessung. Allerdings kann von der Inkrementalwegmessung nicht hinreichend genau auf die Aktorposition geschlossen werden. Vielmehr kann es passieren, dass sich im Betrieb innerhalb eines kurzen Zeitraums unbemerkt Positionsverschiebungen ergeben, die zu einer nicht tolerierbaren Verstellung der Kupplung und damit des übertragbaren Kupplungsmoments bis hin zu sicherheitskritischen Situationen führen können. Daher wird gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung neben der Inkrementalwegmessung, die auch für die Kommutierung des elektromotorischen Stellantriebs verwendet wird, noch ein Absolutwegsensor vorgesehen, der die Aktorposition erfasst.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Stellantrieb als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ausgeführt und/oder über eine Gewindespindel, welcher der Absolutwegsensor zugeordnet sein kann, mit dem Aktor gekoppelt ist. Bei der Gewindespindel handelt es sich vorzugsweise um eine Planeten-Wälz-Gewindespindel, die dazu dient, eine Antriebsdrehbewegung des elektromotorischen Stellantriebs in eine Längsbewegung des Aktors umzuwandeln. Die Planeten-Wälz-Gewindespindel hat den Vorteil eines sehr großen Übersetzungsverhältnisses. Allerdings kann das Übertragungsverhalten der Planeten-Wälz-Gewindespindel schlupfbehaftet sein, das heißt zwischen der Drehbewegung auf der Antriebsseite mit dem elektromotorischen Stellantrieb und der Längsbewegung an der Abtriebsseite, das heißt der Seite mit dem Geberzylinder, besteht unter Umständen kein konstantes Übertragungsverhältnis. Durch die abtriebsseitige Anordnung des Absolutwegsensors kann die Geberzylinderposition unabhängig von einem betriebsbedingten Schlupf der Gewindespindel sicher erfasst werden. Der Absolutwegsensor ist dem abtriebsseitigen Ende der Gewindespindel beziehungsweise der Planeten-Wälz-Gewindespindel zugeordnet, das beziehungsweise die eine Längsbewegung ausführt. Der Absolutwegsensor kann auch einer Kolbenstange eines Geberzylinderkolbens oder dem Geberzylinderkolben selbst zugeordnet sein.
Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Steuern einer automatisierten Kupplung, die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem umfasst, das einen hydrostatischen Aktor aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb mit einem Inkrementalwegsensor so angetrieben wird, dass der Aktor eine translatorische Bewegung ausführt, mit einer vorab beschriebenen Steuereinrichtung, alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Aktorposition sowohl relativ durch den Inkrementalwegsensor als auch absolut durch den Absolutwegsensor erfasst wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann für den Absolutwegsensor ein einfacher Sensor eingesetzt werden, der bezüglich Positionsauflösung und Genauigkeit signifikant schlechtere Eigenschaften als die motorseitige Inkrementalwegmessung hat. Dadurch können die Kosten reduziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Positionssignal des Inkrementalwegsensors und mindestens ein Positionssignal des Absolutwegsensors überlagert werden. Aufgrund seiner eher eingeschränkten Genauigkeit und Auflösung ist der abtriebsseitige Absolutwegsensor unter Umständen allein nicht ausreichend um das Kupplungsmoment genau genug einstellen zu können. Daher werden gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beide Positionssignale so kombiniert, dass ein für die Kupplungssteuerung geeignetes Positionssignal ermittelt werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Positionssignale in einem Positionsmodell so überlagert werden, dass ein Kleinsignalverhalten sowie gegebenenfalls Verstellbewegungen in einem zeitlich kurzen Horizont durch eine hoch auflösende Inkrementalwegmessung des Inkrementalwegsensors dominiert wird beziehungsweise werden. Kleine Modulationsbewegungen, wie sie für die Kupplungssteuerung in verschiedenen Situationen erforderlich sind, können durch die hoch auflösende Inkrementalwegmessung ausgeführt werden, auch wenn sie unterhalb der Positionsauflösung des abtriebsseitigen Absolutwegsensors liegen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weniger hoch auflösende Absolutwegmessung des Absolutwegsensors als Bezugsmaß für ein Großsignalverhalten verwendet wird. Eine Positionsdrift der Gewindespindel, die mittels motorseitiger Inkrementalwegmessung nicht detektiert wird, kann durch die Einbeziehung des abtriebsseitigen Absolutwegsensors verhindert werden. Die Vermeidung der Positionsdrift dient auch dem Eigenschutz der Aktorik, da die Gefahr von ungewollten Kollisionen mit Anschlägen an den Enden des Aktorverfahrbereichs vermieden wird. Darüber hinaus kann ein Absolutabgleich beziehungsweise ein Referenzieren der Inkrementalwegmessung entfallen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsinkrement des Inkrementalwegsensors mit Hilfe eines Skalenfaktors in eine Wegdifferenz umgerechnet wird, die zu einer bisherigen Aktorposition addiert wird. Der Skalenfaktor entspricht vorzugsweise einer mittleren Übersetzung der Gewindespindel.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssignal des Absolutwegsensors eingekoppelt wird. Das Positionssignal des Absolutwegsensors wird vorzugsweise über einen separaten Pfad des Positionsmodells eingekoppelt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzone als nichtlineares Übertragungselement für das Positionssignal des Absolutwegsensors verwendet wird. Dadurch kann bei kleinen Differenzen zwischen gemessener und errechneter Absolutposition das ermittelte Wegsignal allein durch das Aufsummieren der motorseitigen Positionsinkremente aktualisiert werden. Somit wird ein fein dosiertes Einstellen der Aktorposition und des Kupplungsmoments im Kleinsignalverhalten ermöglicht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer signifikanten Differenz zwischen der ermittelten oder bisherigen Aktorposition und dem Positionssignal des Absolutwegsensors ein Fehlersignal, insbesondere über eine parametrierbare Rückführverstärkung, zurückgekoppelt wird. Der Wert der Rückführverstärkung legt vorzugsweise eine Zeitkonstante fest, wie schnell die Positionsabweichung abgebaut werden soll.
Bei der automatisierten Kupplung handelt es sich vorzugsweise um eine automatisierte Doppelkupplung, die einem automatisierten Schaltgetriebe zugeordnet ist. Die Kupplung, insbesondere Doppelkupplung, wird vorzugsweise direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung von Hebelmechanismen, durch den hydrostatischen Aktor betätigt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer automatisierten Reibungskupplung und
2 ein Blockschaltbild mit einem Positionsmodell zur Steuerung der Kupplung.
In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung, insbesondere eine automatisierte Doppelkupplung, vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs einer als Doppelkupplung ausgeführten Reibungskupplung 10 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder 4, der über eine auch als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung 5 mit einem Nehmerzylinder 6 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder 6 ist ein Nehmerkolben 7 hin und her bewegbar, der über ein Betätigungsorgan 8 und unter Zwischenschaltung eines Lagers 9 die als Doppelkupplung ausgeführte Reibungskupplung 10 betätigt.
Der Geberzylinder 4 ist über eine Verbindungsöffnung mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbindbar. In dem Geberzylinder 4 ist ein Geberkolben 14 hin und her bewegbar. Von dem Geberkolben 14 geht eine Kolbenstange 15 aus, die in Längsrichtung zusammen mit dem Geberkolben 14 translatorisch bewegbar ist.
Die Kolbenstange 15 des Geberkolbens 14 ist über eine Gewindespindel 18, die als Planeten-Wälz-Gewindespindel ausgeführt ist, mit einem elektromotorischen Stellantrieb 20 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb 20 umfasst einen kommutierten Gleichstrommotor 22 und eine Steuerung oder Steuereinrichtung 24. In den elektromotorischen Stellantrieb 20 ist eine Inkrementalwegmesseinrichtung 26 integriert, die mindestens einen Inkrementalwegsensor umfasst.
Die Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 dient dazu, eine Drehantriebsbewegung des Gleichstrommotors 22 in eine Längsbewegung eines Aktors 19 umzuwandeln, der ein längsbewegbares Teil der Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 und/oder die Kolbenstange 15 und gegebenenfalls den Geberzylinderkolben 14 umfasst. Die Kupplung 10 wird durch den Gleichstrommotor 22 über die Gewindespindel 18, den Aktor 19, den Geberzylinder 4 und den Nehmerzylinder 6 automatisiert betätigt. Bei der Kupplungsbetätigung stellt der eine Antriebsdrehbewegung erzeugende Gleichstrommotor 22 die Antriebsseite und der eine Längsbewegung ausführende Aktor 19 die Abtriebsseite dar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass das Übertragungsverhalten bei der Kupplungsbetätigung schlupfbehaftet ist, das heißt, zwischen der Drehbewegung an der Antriebsseite und der Längsbewegung an der Abtriebsseite besteht kein konstantes Übertragungsverhältnis. Das Übertragungsverhältnis kann zwar bei der Auslegung der Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 näherungsweise festgelegt werden, sein tatsächlicher Wert ist jedoch variabel, von komplexen Einflussfaktoren abhängig und nicht ohne weiteres modellierbar.
Für die Steuerung des Aktors 19 bedeutet das, dass von der Inkrementalwegmessung 26 nicht hinreichend genau auf die Position des Aktors 19 geschlossen werden kann. Vielmehr muss damit gerechnet werden, dass sich im Betrieb innerhalb eines kurzen Zeitraums unerwünschte Positionsverschiebungen ergeben können.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird zusätzlich zu der Inkrementalwegmessung 26, die auch für die Kommutierung des Gleichstrommotors 22 verwendet wird, noch ein Absolutwegsensor 30 an der Abtriebsseite der Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 angeordnet. Aus Kostengründen wird ein einfacher Sensor als Absolutwegsensor 30 verwendet, der bezüglich Positionsauflösung und Genauigkeit deutlich schlechtere Eigenschaften hat als die antriebsseitige Inkrementalwegmessung 26.
Aufgrund seiner eingeschränkten Genauigkeit und Auflösung ist der abtriebsseitige Absolutwegsensor 30 allein nicht ausreichend, um das Kupplungsmoment genau genug einstellen zu können. Daher werden die Positionsinformationen der Inkrementalwegmessung 26 und des Absolutwegsensors 30 so überlagert, dass ein Kleinsignalverhalten sowie Verstellbewegungen in einem zeitlich kurzen Horizont durch die hoch auflösende Inkrementalwegmessung 26 dominiert werden, während der weniger genaue Absolutwegsensor 30 als Bezugsmaß für das Großsignalverhalten dient.
In 2 ist ein Positionsmodell anhand eines Blockschaltbilds mit zwei Pfaden dargestellt. Der in 2 untere Pfad hat als Eingangssignal ein Positionsinkrement 41 der Inkrementalwegmessung 26 aus 1. Der in 2 obere Pfad hat als Eingangssignal ein Positionssignal 42 des abtriebsseitigen Absolutwegsensors 30 aus 1.
Zunächst wird der untere Pfad des Blockschaltbilds betrachtet. Die Positionsinkremente 41 des Elektromotors werden mit Hilfe eines Skalenfaktors 44, der einer mittleren Übersetzung der Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 in 1 entspricht, in Wegdifferenzen umgerechnet, die dann an einem Summationspunkt 45 zu einer bisherigen Aktorposition 51 addiert werden. Durch Pfeile 49 und 51 ist angedeutet, dass die Aktorposition 48 über einen Verzögerungsblock 50 geführt wird. Das bedeutet, der Summand 51 entspricht der ermittelten Aktorposition 48 des vorangegangenen Rechenschritts.
Um eine durch die Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 bedingte Positionsdrift zu vermeiden, wird über den in 2 oberen Pfad das abtriebsseitige Positionssignal 42 eingekoppelt. Global betrachtet wirkt das abtriebsseitige Positionssignal 42 wie eine Führungsgröße in einem Regelkreis, von der die Regelgröße beziehungsweise Istgröße 48 subtrahiert und dann über einen nichtlinearen Ansatz als Korrekturgröße zurückgeführt wird. Als nichtlineares Übertragungselement eignet sich insbesondere eine so genannte Totzone 52. Die Totzone 52 führt dazu, dass bei kleinen Abweichungen zwischen dem Positionssignal 42 und der Modellposition 48 keine Korrekturen vorgenommen werden. Das ermittelte Wegsignal 48 wird dann ausschließlich durch das Aufsummieren der motorseitigen Positionsinkremente 41 aktualisiert. Somit wird ein fein dosiertes Einstellen der Aktorposition und des Kupplungsmoments im Kleinsignalverhalten erlaubt.
Kommt es dagegen zu größeren signifikanten Differenzen zwischen dem Positionssignal 42 und der Modellposition oder bisherigen Aktorposition 48, wird ein Fehlersignal über einen Rückkopplungspunkt 58 von der Totzone 52 über eine parametrierbare Rückführverstärkung 54 auf die Modellposition 48 zurückgekoppelt. Der Wert der Rückführverstärkung 54 legt dabei eine Zeitkonstante fest, wie schnell die Positionsabweichung abgebaut werden soll. Diese Zeitkonstante wird in der Praxis abhängig vom Schlupf der Planeten-Wälz-Gewindespindel 18 und der daraus resultierenden Driftgeschwindigkeit festgelegt. Weiterhin wird das Korrekturverhalten durch die Breite der Totzone 52 bestimmt. Diese muss sich an der Auflösung und Genauigkeit des abtriebsseitigen Absolutwegsensors 30 sowie an Anforderungen an die Absolutgenauigkeit des Kupplungsmoments orientieren.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
4: Geberzylinder
5: Hydraulikleitung
6: Nehmerzylinder
7: Nehmerkolben
8: Betätigungsorgan
9: Lager
10: Reibungskupplung
12: Ausgleichsbehälter
14: Geberkolben
15: Kolbenstange
18: Planeten-Wälz-Gewindespindel
19: Aktor
20: elektromotorischer Stellantrieb
22: Gleichstrommotor
24: Steuerung
26: Inkrementalwegsensor
30: Absolutwegsensor
41: Positionsinkrement
42: Positionssignal
44: Skalenfaktor
45: Summationspunkt
48: aktuell ermittelte Aktorposition
49: aktuell ermittelte Aktorposition
50: Verzögerungsblock
51: zuletzt ermittelte Aktorposition
52: Totzone
54: Rückführverstärkung
58: Rückkopplungspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044823 A1 [0002]
DE 102008057656 A1 [0004]

Claims

Steuereinrichtung zum Steuern einer automatisierten Kupplung (10), die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem (1) umfasst, das einen hydrostatischen Aktor (19) aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb (20) mit einem Inkrementalwegsensor (26) so angetrieben ist, dass der Aktor (19) eine translatorische Bewegung ausführt, gekennzeichnet durch einen Absolutwegsensor (30), der die Aktorposition erfasst.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Stellantrieb (20) als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (22) ausgeführt und/oder über eine Gewindespindel (18) mit dem Aktor (19) gekoppelt ist.
Verfahren zum Steuern einer automatisierten Kupplung (10), die ein hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem (1) umfasst, das einen hydrostatischen Aktor (19) aufweist, der durch einen elektromotorischen Stellantrieb (20) mit einem Inkrementalwegsensor (26) so angetrieben wird, dass der Aktor (19) eine translatorische Bewegung ausführt, mit einer Steuereinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorposition sowohl relativ durch den Inkrementalwegsensor (26) als auch absolut durch den Absolutwegsensor (30) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Positionssignal des Inkrementalwegsensors (26) und mindestens ein Positionssignal des Absolutwegsensors (30) überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Positionssignale in einem Positionsmodell so überlagert werden, dass ein Kleinsignalverhalten sowie gegebenenfalls Verstellbewegungen in einem zeitlich kurzen Horizont durch eine hoch auflösende Inkrementalwegmessung des Inkrementalwegsensors (26) dominiert wird beziehungsweise werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weniger hoch auflösende Absolutwegmessung des Absolutwegsensors (30) als Bezugsmaß für ein Großsignalverhalten verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsinkrement (41) des Inkrementalwegsensors (26) mit Hilfe eines Skalenfaktors (44) in eine Wegdifferenz umgerechnet wird, die zu einer bisher ermittelten Aktorposition (51) addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssignal (42) des Absolutwegsensors (30) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzone (52) als nichtlineares Übertragungselement für das Positionssignal (42) des Absolutwegsensors (30) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer signifikanten Differenz zwischen der ermittelten Aktorposition (48) und dem Positionssignal (42) des Absolutwegsensors (30) ein Fehlersignal, insbesondere über eine parametrierbare Rückführverstärkung (54), zurückgekoppelt wird.