DE102014210124B4

DE102014210124B4 - Verfahren zur Rückstoßkompensation

Info

Publication number: DE102014210124B4
Application number: DE102014210124.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick W. Cross; Matthew L. Spencer; Jeffrey D. Dawson; Byron K. Miller
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: US9052005B2; US20140366667A1; DE102014210124A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors, der mit einem Eingang (17) eines Getriebes (14) verbunden ist, wobei das Getriebe (14) einen Ausgang (13) hat, der verbunden ist, einen Apparat (12) anzutreiben, wobei der Elektromotor (16) durch eine Motorsteuerung (26) als Funktion eines gewünschten Motor-Drehmomentwerts gesteuert wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erzeugen eines Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals;
Erzeugen eines Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals;
Tiefpassfiltern des Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen;
Tiefpassfiltern des Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen;
Subtrahieren des gefilterten Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals vom gefilterten Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal, um ein relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen;
Hochpassfiltern des relativen Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen;
Multiplizieren des gefilterten relativen Geschwindigkeitssignals mit einem Dämpfungsverstärkungswert, um einen Rückstoßausgleichs-Drehmomentwert zu erzeugen; und
Subtrahieren des Rückstoßausgleichs-Drehmomentwerts von einem Apparatesteuer-Drehmomentwert, um den gewünschten Motor-Drehmomentwert zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Rückstoßkompensation in einem durch ein Zahnrad angetriebenen Apparat.
Ein Bauteil oder ein Apparat kann durch einen Elektromotor angetrieben werden, der über ein Getriebe mit dem Bauteil verbunden ist. In einem solchen System kann der Antrieb des Bauteils durch den Rückstoß im Getriebe nachteilig beeinflusst werden. In gewissen Szenarien kann solch ein System wegen der durch Rückstoß verursachten nichtkontinuierlichen Lastwechsel instabil werden. Zum Beispiel beschreibt die US 2011 / 0 290 978 A1 , veröffentlicht am 01.12.2011, ein Aufhängungssystem, in welchem ein Elektromotor ein Untersetzungsgetriebe antreibt und das Untersetzungsgetriebe eine Sitzbasis über einen Scherenaufhängungsmechanismus antreibt. Ein Scherenglied des Scherenmechanismus ist mit dem Motorgehäuse und das andere Scherenglied mit einem Ausgang des Untersetzungsgetriebes verbunden. Eine elektronische Kontrolleinheit steuert den Motor als Funktion von erfasster Sitzposition, erfasster Motorposition und Bedienereingaben. Wenn ein Apparat von einem Getriebe angetrieben wird, ist es wünschenswert, solch ein Rückstoß auszugleichen und die Systemstabilität zu verbessern.
Des Weiteren geht aus der DE 197 04 939 A1 ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer von einem Elektromotor über ein Getriebe angetriebenen Ausgangswelle hervor, bei dem mittels inkrementaler Drehwinkelgeber ein Ist-Wert einer Differenz der Drehzahlen einer Motorwelle des Elektromotors und der Ausgangswelle des Getriebes aufgenommen wird und der Elektromotor entsprechend der Abweichung des Ist-Wertes von einem Soll-Wert gesteuert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Bauteil von einem Getriebe angetrieben, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor wird von einer Motorsteuerung als Funktion eines gewünschten Motor-Drehmomentwerts gesteuert. Ein Verfahren zum Steuern des Elektromotors beinhaltet Erzeugung eines Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals, Erzeugung eines Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals, Filtern des Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen, und Filtern des Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet außerdem Subtrahieren des gefilterten Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals vom gefilterten Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal, um ein gefiltertes, relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen, und Filtern des relativen Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes, relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet außerdem Multiplizieren des gefilterten, relativen Geschwindigkeitssignals mit einem Dämpfungsverstärkungswert, um einen Rückstoßausgleichs-Drehmomentwert zu erzeugen, und Modifizieren eines Apparatekontroll-Drehmomentwerts mit dem Rückstoßausgleichs-Drehmomentwert, um den gewünschten Motor-Drehmomentwert zu erzeugen.

1 ist ein vereinfachtes, schematisches Diagramm eines Steuersystems für ein durch ein Getriebe angetriebenes, die Erfindung verkörperndes System;
2 ist ein hochrangiges Steuersystemdiagramm des Steuersystems, das den Motor aus 1 steuert; und
3 ist ein Steuersystemdiagramm, das das Rückstoßausgleichsverfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Mit Bezug auf 1 führt ein Steuersystem 10 ein Verfahren zur Steuerung von Position und Bewegung eines Apparats oder Bauteils 12 aus. Der Apparat 12 ist mit dem Ausgang 13 eines Untersetzungsgetriebes 14 verbunden, das von einem Elektromotor 16 angetrieben wird, der mit einem Eingang 17 des Getriebes 14 verbunden ist. Der Apparat 12 kann eine Sitzaufhängung vom Scherentyp mit einem Untersetzungsgetriebe und einem Elektromotor sein, wie in der US 2011 / 0 290 978 A1 , veröffentlicht am 1. Dezember 2011, beschrieben ist, welche hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Motor 16 kann ein bürstenloser Permanentmagnetmotor sein, allerdings können auch andere Arten von Elektromotoren verwendet werden. Der Motor 16 wird durch eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit - ECU) 18 gesteuert. Die ECU 18 empfängt ein Apparate- oder Sitz-Positionssignal von einem Apparate-Positionssensor 20 und ein Motor-Positionssignal von einem Motor-Positionssensor oder Inkrementalencodersensor 22, der ein eingebautes Merkmal des Motors 16 ist.
Die ECU 18 ist programmiert, ein wie in 2 gezeigtes Steuersystem 23 umzusetzen. Das Steuersystem 23 beinhaltet eine Apparatesteuerung 24, die auf bekannte Weise ein Apparatesteuer-Drehmomentsignal als Funktion verschiedener Eingänge wie Sitzposition und Sitzbeschleunigung erzeugt. Eine Motorsteuerung 26 erzeugt auf bekannte Weise einen Motorbefehl als Funktion eines gewünschten Motor-Drehmomentsignals. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Rückstoßausgleichssteuerung 28 ein Rückstoßausgleichs-Drehmomentsignal als Funktion des Apparate-Positionssignals und des Motor-Positionssignals. Das gewünschte Motor-Drehmomentsignal wird durch einen Subtraktionsknoten 29 erzeugt, der das Rückstoßausgleichs-Drehmomentsignal vom Apparatekontroll-Drehmomentsignal subtrahiert.
Die ECU 18 ist programmiert, das in 3 gezeigte Rückstoßausgleichs-Steuersystem 28 umzusetzen. Das Rückstoßausgleichs-Steuersystem 28 beinhaltet eine Apparate-Positions- oder Getriebeausgangs-Positionsgeschwindigkeits- oder Ableitungs-Einheit 30, die einen Apparate- oder Getriebeausgangs-Geschwindigkeitswert aus dem Positionssignal, das vom Apparate- oder Getriebeausgangs-Positionssensor 20 erzeugt wird, bestimmt. Die Ausgabe der Einheit 30 wird von einer Tiefpassfilter-Einheit 32 gefiltert, um eine Apparate- oder Getriebeausgangs-Geschwindigkeit bereitzustellen. Die Filtereinheit 32 ist ein Tiefpassfilter erster Ordnung, das Messrauschen beseitigt, das beim Ableitungsvorgang betont wird. Das Rückstoßausgleichs-Steuersystem 28 beinhaltet ebenso eine Motor- oder Getriebeeingangs-Positionsgeschwindigkeits-Einheit 34, die einen Motor- oder Getriebeeingangs-Geschwindigkeitswert aus dem Positionssignal, das vom Motor-Positionssensor 22 erzeugt wird, bestimmt. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeits-Einheit 34 mit Hardware-Zeitgebern und Zählern zur Berechnung der Motorgeschwindigkeit basierend auf dem Zeitverlauf der Encoderpulse umgesetzt. Die Ausgabe der Einheit 34 wird durch das Tiefpassfilter 36 gefiltert, um eine Sitz- oder Getriebeausgangs-Geschwindigkeit bereitzustellen. Filter-Einheit 36 ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter erster Ordnung zum Entfernen des Rauschens.
Eine Subtraktions-Einheit 38 subtrahiert die Getriebeeingangs-Geschwindigkeit von der Apparate- oder Getriebeausgangs-Geschwindigkeit, um einen Geschwindigkeitsdifferenzwert Sdif bereitzustellen. Die Sdif-Ausgabe der Einheit 38 wird durch die Hochpassfilter-Einheit 40 gefiltert, um eine gefilterte Getriebegeschwindigkeitsdifferenz bereitzustellen. Das Filter 40 ist vorzugsweise ein Hochpassfilter zweiter Ordnung. Da die Apparate-(Getriebeausgangs-) und Motor-(Getriebeeingangs-)Geschwindigkeiten mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen gefiltert werden, haben diese unterschiedliche Phasenverschiebungen. Diese Phasenverschiebungsdifferenz zwischen zwei sinusförmigen Signalen zeigt sich in der relativen Geschwindigkeit als ein niederfrequenter Sinusanteil. Das Hochpassfilter 40 entfernt diesen Inhalt.
Eine virtuelle Dämpfungsverstärkungs-Einheit 42 multipliziert die gefilterte Getriebegeschwindigkeitsdifferenz mit einem virtuellen Dämpfungverstärkungswert, um den Rückstoßausgleichs-Drehmomentwert zu erzeugen, der an den Minus-Eingang des Subtraktionsknotens 29 der 2 angelegt wird.
Das Ergebnis ist ein Steuersystem, das die relative Geschwindigkeit zwischen dem Motor (Getriebeeingang) und dem Apparatesitz (Getriebeausgang) verwendet, um „Spitzen“ in der relativen Geschwindigkeit festzustellen. Während des Eingriffs der Zahnräder (nicht gezeigt) des Getriebes 14 ist die relative Geschwindigkeit null. Diese „Spitzen“ treten auf, wenn die Zahnräder des Getriebes 14 ausgerastet sind und der Eingang lastlos frei in einem rückstoßbehafteten Zustand dreht. Diese relative Geschwindigkeit wird mit einer Dämpfungs- oder Straf-Verstärkung multipliziert. Dies addiert eine virtuelle, dämpfende Last zu dem System, wodurch die gesamte Steuerschleife selbst angesichts der Rückstoßnichtlinearität stabilisiert wird. Solch ein System kann in jeder Anwendung verwendet werden, in der ein mechanischer Apparat durch ein Getriebe angetrieben wird, das durch einen Elektromotor angetrieben wird.
Das oben beschriebene Steuersystem kann in einer konventionellen mikroprozessorgestützten elektronischen Steuereinheit unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen auf Modellen basierenden Software-Entwicklungswerkzeugs umgesetzt werden. Mit solch einem Werkzeug werden Steueralgorithmen in einem graphischen Modellierungs- und Simulationswerkzeug geschaffen, getestet und verifiziert. Dann erzeugt das Werkzeug automatisch durch Auswahl einiger Codeerzeugungsoptionen C- oder C++ Code. Dieser erzeugte Code wird dann in den niederrangigen Code für das gesamte Steuersystem integriert. Solch ein Werkzeug ist von Simulink erhältlich, das ein Teil der Werkzeugkette Mathworks MATLAB ist.
Zusammenfassend beinhaltet dieses Steuerverfahren Messen einer analogen Apparateposition, Durchführen einer gefilterten Ableitung der Apparateposition, um eine Apparategeschwindigkeit zu erhalten. Das Verfahren beinhaltet ebenso Messen der digitalen Motorposition mit dem Inkrementalencodersensor und Berechnen der Motorgeschwindigkeit basierend auf dem Zeitverlauf der Encoderpulse unter Verwendung von Hardware-Zeitgebern und Zählern. Die Motorgeschwindigkeit wird unter Verwendung eines Tiefpassfilters erster Ordnung gefiltert, um Rauschen zu entfernen. Die Motorgeschwindigkeit wird von der Apparategeschwindigkeit subtrahiert, um eine rohe relative Geschwindigkeit zu erhalten. Diese rohe relative Geschwindigkeit wird unter Verwendung eines Hochpassfilters zweiter Ordnung gefiltert, um einen niederfrequenten Sinusanteil der relativen Geschwindigkeit zu entfernen. Dann wird ein dämpfendes Drehmoment durch Multiplikation dieses Werts mit einem Verstärkungsfaktor berechnet.
Das Ergebnis ist ein Rückstoßausgleichssystem, das Systemstabilität und Ansprechverhalten für ein elektrisches Antriebssystem mit einem Zahnradgetriebe verbessert. Ein anderes Ergebnis ist ein Hochleistungs-Bewegungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis für ein elektrisches Antriebssystem mit einem Untersetzungsgetriebe, das die Rückstoßnichtlinearität ausgleicht, die bei hohen Steuerverstärkungen Instabilitäten verursacht. Das System verwendet einen Motor-Positionssensor 22 und einen Last- oder Ausgangs-Positionssensor 20, um ein Ausgleichsdrehmoment zu berechnen, das als virtueller relativer Eingangs-/Ausgangs-Dämpfer arbeitet, um das System zu stabilisieren. Das System verwendet den Motor-Positionssensor 22 und den Last-(Ausgangs )Positionssensor 20 - mit Tiefpassfilterung, um ein relatives Geschwindigkeitssignal zu berechnen - und wendet dann ein relatives Dämpfungsdrehmoment an, das jegliche relative Geschwindigkeit zwischen den Zahnrädern herausdämpft. Dies verhindert Stufenwechsel der Motorlast, die bei hohen Systemverstärkungen zu Instabilitäten führen können. Dieses relative Dämpfen ist nur während Rückstoßübergängen aktiv, so dass es keine Auswirkung auf die Dauerleistung gibt. Weiterhin kann dieses System auch die Systemantwort/-stabilität für Antriebsketten mit Nachgiebigkeit (Harmonic Drive, flexible Wellen, usw.) durch Addieren von relativer virtueller Dämpfung zu dem System verbessern.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors, der mit einem Eingang (17) eines Getriebes (14) verbunden ist, wobei das Getriebe (14) einen Ausgang (13) hat, der verbunden ist, einen Apparat (12) anzutreiben, wobei der Elektromotor (16) durch eine Motorsteuerung (26) als Funktion eines gewünschten Motor-Drehmomentwerts gesteuert wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals; Erzeugen eines Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals; Tiefpassfiltern des Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen; Tiefpassfiltern des Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignal bereitzustellen; Subtrahieren des gefilterten Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignals vom gefilterten Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal, um ein relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen; Hochpassfiltern des relativen Geschwindigkeitssignals, um ein gefiltertes relatives Geschwindigkeitssignal bereitzustellen; Multiplizieren des gefilterten relativen Geschwindigkeitssignals mit einem Dämpfungsverstärkungswert, um einen Rückstoßausgleichs-Drehmomentwert zu erzeugen; und Subtrahieren des Rückstoßausgleichs-Drehmomentwerts von einem Apparatesteuer-Drehmomentwert, um den gewünschten Motor-Drehmomentwert zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Getriebeausgangs-Geschwindigkeitssignal mit einem Tiefpassfilter (32) erster Ordnung gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Getriebeeingangs-Geschwindigkeitssignal mit einem Tiefpassfilter (36) erster Ordnung gefiltert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das relative Geschwindigkeitssignal mit einem Hochpassfilter (40) zweiter Ordnung gefiltert wird.