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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl in einem Automatikgetriebe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Für Steuer- und Regelungsaufgaben in Automatikgetrieben, zum Beispiel zum Einstellen einer Kupplungsposition und/oder zur Gangauswahl, müssen Drehzahlen unterschiedlicher Wellen zum Antrieb und/oder vom Abtrieb und im Getriebe erfasst und in der Steuerelektronik verarbeitet werden. Drehzahlen in Automatikgetrieben werden in aller Regel dadurch erfasst, dass auf der zu messenden Welle ein Geberrad sitzt und dessen Umlaufgeschwindigkeit, d. h. dessen Drehzahl, durch einen Sensor erfasst wird. Je nach Sensortechnologie sind Geberrad und Sensor unterschiedlich aufgebaut. Das Geberrad kann beispielsweise als ein Lochrad oder als ein mit einer definierten Anzahl an Magnetpolen magnetisiertes Geberrad ausgebildet sein, wobei eine Erfassung der Löcher bzw. Pole über Hall-Elemente erfolgt. Den Messprinzipien gemein ist, dass das Sensorelement eine definierte Anzahl elektrischer Impulse pro Umdrehung der Welle ausgibt bzw. bei einer drehenden Welle einen neuen Impuls sobald sich das Geberrad um n Grad (mit n = Abstand zweier benachbarter Löcher bei Lochrad bzw. Abstand zweier benachbarter Magnetpole) weitergedreht hat, wobei n vom Geberrad abhängt. Die resultierende Drehzahl wird durch Erfassen von Zeitstempeln für die Impulse und Zählen der Impulse in einer Steuerelektronik ermittelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl in einem Automatikgetriebe anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl einer Welle in einem Automatikgetriebe, wobei an der Welle ein Geberrad zur Erzeugung von Impulsen in einem Sensor bei Rotation der Welle vorgesehen ist, werden die Impulse ausgewertet und zur Bestimmung der Drehzahl verwendet. Erfindungsgemäß wird die Drehzahl extrapoliert, wenn innerhalb eines Zeitintervalls zwischen einem aktuellen Erfassungszeitpunkt und einem vorhergehenden Erfassungszeitpunkt kein Puls erfasst wird.
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Anders als bei bekannten Verfahren kann durch die Extrapolation eine Änderung der Drehzahl im Steuergerät nicht nur dann erkannt werden, wenn ein neuer Impuls auftritt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch bei sehr kleinen Drehzahlen Änderungen in der Drehzahl mit ausreichender Genauigkeit erkannt werden, ohne dass eine große Anzahl von Impulsen pro Umdrehung des Geberrades und eine entsprechend große Anzahl von Gebern auf dem Geberrad erforderlich ist, wie dies bei bekannten Verfahren der Fall ist.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können daher kleine Geberräder mit wenigen Gebern, das heißt wenigen Impulsen pro Umdrehung verwendet und somit Kosten und Platzbedarf für die Geberräder reduziert werden.
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Die extrapolierte Drehzahl ergibt einen besonders glatten Verlauf, das heißt sie weist nur kleine Sprünge in der Drehzahl auf, so dass sie als Eingangssignal für Regel- und Steueralgorithmen besonders geeignet ist.
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Aufgrund der Trägheit der rotierenden Massen ändert sich die Umlaufgeschwindigkeiten der Wellen bei geschlossener Kupplung (d. h. außerhalb von Schaltvorgängen) und nicht schlupfenden Rädern (d. h. außerhalb von ABS- und ESP-Eingriffen) nur langsam. Bei Schaltvorgängen und schlupfenden Rädern sind aufgrund der fehlenden Kopplung zum Motor bzw. zum Abtrieb/zur Straße schnellere Änderungen der Umlaufgeschwindigkeit möglich.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Drehzahl in einem aktuellen Zeitintervall extrapoliert, indem eine Summe aus einer ermittelten Drehzahl im vorhergehenden Zeitintervall, einem Gradienten einer ermittelten Drehzahl des vorhergehenden Zeitintervalls multipliziert mit dem aktuellen Zeitintervall und einer Beschleunigung des Gradienten des vorhergehenden Zeitintervalls multipliziert mit dem Quadrat des aktuellen Zeitintervalls gebildet wird. In diesem Fall wird zunächst jeder Drehzahlwert berechnet, indem eine Frequenz der Impulse des entsprechenden Zeitintervalls gebildet und die Summe mit 60 Sekunden multipliziert und durch eine Anzahl von auf dem Geberrad angeordneten Impulsgebereinrichtungen geteilt wird.
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Alternativ kann die Umrechnung von Frequenzen in Drehzahlen auch nach der Interpolation erfolgen. In diesem Fall wird die Drehzahl in einem aktuellen Zeitintervall extrapoliert, indem eine Summe aus einer ermittelten Frequenz der Impulse im vorhergehenden Zeitintervall, einem Gradienten der ermittelten Frequenz des vorhergehenden Zeitintervalls multipliziert mit dem aktuellen Zeitintervall und einer Beschleunigung des Gradienten des vorhergehenden Zeitintervalls multipliziert mit dem Quadrat des aktuellen Zeitintervalls gebildet wird. Die Drehzahl wird dann bestimmt, indem die Summe mit 60 Sekunden multipliziert und durch eine Anzahl von auf dem Geberrad angeordneten Impulsgebereinrichtungen geteilt wird.
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Bei dieser Interpolation wird davon ausgegangen, dass auch die erste und zweite Ableitung der Frequenz (Geschwindigkeit) bzw. der Drehzahl kontinuierlich ist und größere Änderungen der ersten Ableitung nur mit Last- oder Gangwechseln einhergehen, das heißt die zweite Ableitung ist weitgehend konstant. Daher wird davon ausgegangen, dass sich in kurzen Zeiträumen (hier kleiner als 500 ms) die zweite Ableitung der Geschwindigkeit nicht verändert (das heißt die Änderung der Beschleunigung ist konstant). Auf diese Weise wird die aktuelle Umlaufgeschwindigkeit aus den Impulsabständen der drei letzten gemessenen Zeitintervalle unter Zuhilfenahme der daraus resultierenden, das heißt berechneten, ersten und zweiten Ableitung der Geschwindigkeit sehr genau extrapoliert.
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Bei Verwendung der Extrapolation kann eine diskrete Steuerung oder Regelung in jedem Ihrer Aufrufzyklen mit aktuellen Eingangswerten (aktuellen Umlaufdrehzahlen) versorgt werden auch ohne dass seit dem letzten Aufruf neue Impulsabstände (d. h. neue Umlaufdrehzahlen) gemessen werden müssen, da die tatsächliche Drehzahl mit einem sehr geringen Fehler approximiert wird und als sehr glatte Eingangsgröße für die Steuer- und Regelalgorithmen verwendet werden kann. Dadurch ist es möglich, die Zahl der Impulse, die pro Umdrehung notwendig sind, zu reduzieren. Beispielsweise kann die Zahl der Impulse von 40 Impulsen pro Umdrehung auf 20 Impulse pro Umdrehung reduziert werden und dadurch ein günstigeres und weniger anfälliges Sensorsystem verwendet werden.
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Die Ermittlung der Drehzahl kann periodisch wiederholt werden, beispielsweise nach einer Periode von 1 ms bis 100 ms, insbesondere 5 ms bis 20 ms, bevorzugt 10 ms.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden fallende Flanken der Impulse detektiert und ausgewertet. Die Detektion fallender Flanken ist häufig präziser als die Detektion ansteigender Flanken, da deren Qualität meist schlechter ist. Trotzdem kann das Verfahren auch bei Detektion ansteigender Flanken verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform werden sowohl ansteigende als auch fallende Flanken der Impulse detektiert und ausgewertet.
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Insbesondere können oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl, beispielsweise etwa 69 min–1, fallende Flanken der Impulse detektiert und ausgewertet und bei Unterschreitung der vorgegebenen Drehzahl ansteigende und fallende Flanken der Impulse detektiert und ausgewertet werden. Die vorgegebene Drehzahl kann auch größer oder kleiner als 69 min–1 sein.
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Die ermittelte Drehzahl kann mittels eines Filters gefiltert werden, dessen Ausgangsgröße die Summe aus der mit einem Faktor X, beispielsweise 0,75 gewichteten im vorhergehenden Zeitintervall ermittelten Drehzahl und der mit 1 abzüglich dem Faktor X gewichteten im aktuellen Zeitintervall ermittelten Drehzahl ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch ein Impulsdiagramm bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl einer Welle in einem Automatikgetriebe ohne Extrapolation,
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2 schematisch ein Impulsdiagramm bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl einer Welle in einem Automatikgetriebe mit Extrapolation,
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3 schematisch einen Verlauf einer Drehzahl und einer Frequenz der fallenden Flanken von Impulsen, die mittels eines an der Welle angeordneten Geberrads in einem Sensor erzeugt werden ohne Extrapolation,
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4 schematisch einen Verlauf einer Drehzahl und einer Frequenz der fallenden Flanken von Impulsen, die mittels eines an der Welle angeordneten Geberrads in einem Sensor erzeugt werden mit Extrapolation, und
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5 schematisch einen Verlauf einer Drehzahl und einer Frequenz der fallenden und ansteigenden Flanken von Impulsen, die mittels eines an der Welle angeordneten Geberrads in einem Sensor erzeugt werden mit Extrapolation.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Impulsdiagramm bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl v einer Welle in einem Automatikgetriebe ohne Extrapolation.
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An der Welle ist ein Geberrad zur Erzeugung von Impulsen I in einem Sensor bei Rotation der Welle angeordnet. Ein Impulszähler Zi zählt die Impulse I, so dass sich jeweils eine Pulsanzahl P ergibt. Ein freilaufender Zähler Zf zählt jeweils bis zu einem Überlauf, wodurch ein Zeitstempel oder Erfassungszeitpunkt t3, t2, t1, t0, t0’ gesetzt wird, bei dem ein Funktionsaufruf, beispielsweise ein Interrupt ausgelöst wird, mit dem ein Auswertealgorithmus gestartet wird. Zwischen den Zeitstempeln t3, t2, t1, t0, t0’ ergeben sich Zeitintervalle Δt mit Δt = tn – tn-1. In diesem Auswertealgorithmus wird eine Frequenz f der Impulse I gemäß der Gleichung f = ΔP / Δt gebildet, wobei ΔP = Pn – Pn-1 und Pn der Wert des Impulszählers Zi zum Zeitpunkt tn ist.
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Die Drehzahl v ergibt sich dann nach der Gleichung
wobei N
P die Anzahl der auf dem Geberrad angeordneten Impulsgebereinrichtungen ist, die somit bei einer vollen Umdrehung der Welle jeweils einen Impuls I im Sensor auslösen.
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2 zeigt schematisch ein Impulsdiagramm bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl v einer Welle in einem Automatikgetriebe mit Extrapolation.
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Bei der Rotation der Welle werden vom Sensor die Impulse I detektiert. Zu den Zeitstempeln t2, t1, t0 wird die Frequenz ft2, ft1, ft0 und die Drehzahl v berechnet wie oben zu 1 erläutert. Im Zeitintervall Δt zwischen den Zeitstempeln t0 und t0’ werden keine Impulse I erfasst. Für dieses Zeitintervall Δt werden die Frequenz fEXTR und die Drehzahl v daher wie folgt extrapoliert.
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Es werden Gradienten Grad
t1, Grad
t0 der ermittelten Frequenzen f
t1, f
t0 des vorhergehenden und des vorletzten Zeitintervalls Δt = t
1 – t
0 und Δt = t
2 – t
1 wie folgt berechnet:
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Weiter wird eine Beschleunigung Accel
t0 des Gradienten Grad
t0 des vorhergehenden Zeitintervalls Δt = t
1 – t
0 wie folgt berechnet:
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Die Frequenz fEXTR wird dann gemäß folgender Gleichung extrapoliert: fEXTR = ft0 + Gradt0 × Δt + Accelt0 × Δt2
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Die Drehzahl v wird dann mit der Gleichung
bestimmt.
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Im Folgenden werden Beispiele von Messungen in einem Fahrzeug in einem Bereich niedriger Drehzahlen gezeigt. Dazu wurde das Fahrzeug aus dem Stillstand beschleunigt und anschließend wieder bis zum Stillstand abgebremst. Diese Manöver wurden für jede Konfiguration durchgeführt. Im Folgenden werden folgende zwei Konfigurationen verglichen:
- – Detektierung der Drehzahl mittels fallender Flanke, die Extrapolation ist dabei deaktiviert
- – Detektierung der Drehzahl mittels fallender Flanke, die Extrapolation ist dabei aktiviert
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Betrachtet wurde ein Abbremsvorgang bis zum Stillstand. Um einen Vergleich möglich zu machen, wurden zwei ähnliche Intervalle betrachtet, d. h. ein Drehzahlabfall von ca. 120 min–1 auf 0 min–1 innerhalb von 540 ms. Für den besseren Vergleich wurde in den Figuren die Frequenz f auf die Drehzahl v gelegt (Frequenz = 1/3·Drehzahl).
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Extrapolation deaktiviert
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In der ersten Messung wurde die Drehzahl v mittels der fallenden Flanke der Impulse I detektiert. Die Extrapolation war hierbei ausgeschaltet. Betrachtet wurde hier der Drehzahlsensor Nturb (N1).
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3 zeigt schematisch einen Verlauf der Drehzahl v in [rpm] und der Frequenz f in [Hz] der fallenden Flanken der Impulse I über der Zeit t in [ms], wobei die obere Kurve die Drehzahl v und die untere Kurve die Frequenz f darstellt.
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Ab einer Drehzahl v von ca. 120 min–1 bilden sich Plateaus, d. h. die Drehzahl v behält für mindestens zwei Tasks von beispielsweise 10 ms Länge ihren alten Wert bei. Dies liegt daran, dass in einer Task keine neue Flanke auftritt, somit also keine neue Drehzahl v berechnet werden kann. Die alte Drehzahl v wird übernommen. Je niedriger die Geschwindigkeit v wird (mit fortschreitender Zeit t), desto größer werden die Drehzahlunterschiede zwischen den einzelnen Plateaus und desto länger werden die Zeiten, in der keine neue Geschwindigkeit v berechnet werden kann, da keine neue Flanke auftritt.
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Die Drehzahlkennlinie v verhält sich identisch zur Frequenzkennlinie f, da die Drehzahl v direkt aus der Frequenz f berechnet wird:
wobei N
P die Anzahl der auf dem Geberrad angeordneten Impulsgebereinrichtungen, beispielsweise Zähne ist. N
P kann beispielsweise 20 betragen. In diesem Fall wird die Drehzahl v mit der Gleichung v =
60s / 20 × f = 3 × f berechnet.
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4 zeigt schematisch einen Verlauf der Drehzahl v und der Frequenz f der fallenden Flanken der Impulse I mit Extrapolation. Betrachtet wurde hier der Drehzahlsensor Nturb (N1).
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zeigt die gemessene Frequenz f in [Hz] bzw. die berechnete Drehzahl v in [rpm] über der Zeit t in [ms], wobei die obere Kurve die Frequenz f und die untere Kurve die Drehzahl v darstellt.
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Tritt innerhalb einer Task keine neue Flanke auf, so wird die neue Drehzahl v per Extrapolation berechnet.
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Dabei wird die Drehzahl v mithilfe des Frequenzwertes f der letzten Pulsänderung in Kombination mit der zuletzt berechneten Steigung (Gradient) Grad und Beschleunigung Accel als Extrapolations-Faktoren (quadratische Interpolation) berechnet, wie oben zu 2 dargestellt.
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Um den Unterschied deutlich zu machen ist die Frequenz f in 4 direkt hinter die Drehzahl v gelegt. Ohne Extrapolation verhält sich die Drehzahl v zur Frequenz f wie in 3 gezeigt: v = 60s / 20 × f = 3 × f
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Wenn keine neuen Flanken auftreten, bilden sich bei der Frequenzkennlinie f Plateaus, da die alte gültige Drehzahl v hergenommen wird. Die Drehzahl v allerdings wird extrapoliert, so dass die in 3 sichtbaren Plateaus in der Drehzahlkennlinie v in 4 verschwinden.
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Auswertung
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Vergleicht man beide Einstellungen (ohne Extrapolation und mit Extrapolation), so ist zu erkennen, dass der Verlauf der Drehzahl v bei eingeschalteter Extrapolation viel glatter ist. Es bilden sich keine Plateaus, da der „wahrscheinliche“ Verlauf der Drehzahl v jedes Mal aufs neue berechnet wird, sofern keine neue Flanke auftritt. Somit werden große Drehzahlsprünge nach einer Flankendetektion vermieden, wie sie ohne Extrapolation auftreten.
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Kombination aus Berechnung der Drehzahl v aus ansteigender und fallender Flanke (= Verdoppelung der Anzahl der ausgewerteten Impulse I) und Extrapolation
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Eine weitere Möglichkeit, die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, ist, anstatt der Detektion der Drehzahl v mittels fallender Flanke, wie in 3 zu sehen, bei gleicher Anzahl der Impulse I die Messpunkte durch die Verwendung ansteigender und fallender Flanken pro Impuls I zu verdoppeln. Sowohl bei Drehzahldetektion mittels steigender und fallender Flanke als auch bei der Extrapolation ist deutlich zu erkennen, dass die Messungen der Drehzahl v im unteren Drehzahlbereich weitaus genauer werden. Die Kombination beider Verfahren erlaubt es nun, auch im niedrigen Drehzahlbereich möglichst exakt zu messen bzw. zu berechnen, auch wenn die Anzahl der auftretenden fallenden Flanken mit der Drehzahl v abnimmt.
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5 zeigt schematisch einen Verlauf der Drehzahl v und der Frequenz f der fallenden und ansteigenden Flanken der Impulse I mit Extrapolation.
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Die Umschaltung von fallender auf beide Flanken erfolgt bei ca. 69 min–1. Der Filterfaktor der Extrapolation liegt bei 25% (75% Altwert, 25% Neuwert). Das heißt: Die ermittelte Drehzahl v kann mittels eines Filters gefiltert werden, dessen Ausgangsgröße die Summe aus der mit einem Faktor X, beispielsweise 0,75 gewichteten im vorhergehenden Zeitintervall ermittelten Drehzahl v und der mit 1 abzüglich dem Faktor X gewichteten im aktuellen Zeitintervall Δt ermittelten Drehzahl v ist.
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Bezugszeichenliste
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- Accelt0
- Beschleunigung des Gradienten
- f
- Frequenz
- fEXTR
- extrapolierte Frequenz
- Gradt1, Gradt0
- Gradient der Frequenz
- I
- Impuls
- n
- Laufindex
- NP
- Anzahl von Impulsgebereinrichtungen
- P
- Pulsanzahl
- t3, t2, t1, t0, t0’
- Zeitstempel, Erfassungszeitpunkt
- v
- Drehzahl
- X
- Faktor
- Zf
- freilaufender Zähler
- Zi
- Impulszähler
- Δt
- Zeitintervall
