DE102016204356A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug einen Motor und ein Bremssystem aufweist, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen einer Drehmomentanforderung von einem Regler zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit, und Bereitstellen eines Drehmoments auf Basis dieser Drehmomentanforderung, wobei in Abhängigkeit von dem Wert der Drehmomentanforderung eine Verknüpfung eines vom Motor bereitgestellten Drehmoments und eines vom Bremssystem bereitgestellten Drehmoments vorgenommen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs.
- Bei der Längsregelung von Kraftfahrzeugen, wie sie z. B. in Fahrassistenzsystemen wie der automatischen Abstandsregelung mit "Stopp & Go Funktion" eingesetzt wird, besteht der Bedarf, diese Längsregelung bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten extrem sanft und ruckfrei zu realisieren, da bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit die Sensitivität gegenüber ruckhaftem Fahren erhöht ist. Ruckhaftes Fahren ist das Resultat rascher Beschleunigungsänderungen.
- Die ruckfreie Realisierung der Längsregelung stellt insofern eine anspruchsvolle Herausforderung dar, als eine solche Längsregelung nicht allein mit Hilfe des Bremssystems realisierbar ist, wodurch letztlich eine feinere bzw. exaktere Regelung erforderlich wird. Ein herkömmliches Bremssystem weist im Betrieb stufenartige Druckänderungen auf, die ein ruckartiges Fahrverhalten verursachen. Zur Realisierung einer möglichst sanften Längsregelung unter Verwendung des Bremssystems wäre es von wesentlicher Bedeutung, dass Druckänderungen so sanft bzw. allmählich wie möglich erfolgen. Bei herkömmlichen Bremssystemen ist dies aufgrund der bestehenden Designvorgaben häufig nicht möglich.
- In der Praxis tritt somit das Problem auf, dass eine ruckfreie Längsregelung bei niedrigen Geschwindigkeiten in der Regel nicht unter Verwendung herkömmlicher Bremssysteme realisierbar ist.
- Die vorstehend beschriebenen Umstände haben zur Folge, dass für eine feinere bzw. genauere Regelung der Motor verwendet werden muss. Hierbei ist die herkömmliche Methode zur Drehmomentanforderung, bei welcher das Motordrehmoment berechnet und mit der Übertragungsfunktion nachfolgender Komponenten im Antriebsstrang multipliziert wird, ungenau. Eine feinere Drehmomentregelung erfordert ein direkteres und robustes Berechnungsverfahren. Des Weiteren führt eine nicht ordnungsgemäße Motorregelung zu niederfrequenten Geschwindigkeitsoszillationen und einem ständigen Ansteigen sowie Abfallen der Motordrehzahl, was hörbar und für den Fahrer sowie etwaige weitere Fahrzeuginsassen lästig sein kann. Darüber hinaus sind für eine "Stopp & Go Funktion" zusätzliche Regelungsstrukturen erforderlich, da der für die kontinuierliche Geschwindigkeitsregelung zuständige Regler hierfür nicht ausreicht.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche auch bei vergleichsweise niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine möglichst ruckfreie Fahrweise ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst.
- Ein Verfahren zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug einen Motor und ein Bremssystem aufweist, weist folgende Schritte auf:
- – Empfangen einer Drehmomentanforderung von einem Regler zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit; und
- – Bereitstellen eines Drehmoments auf Basis dieser Drehmomentanforderung, wobei in Abhängigkeit von dem Wert der Drehmomentanforderung eine Verknüpfung eines vom Motor bereitgestellten Drehmoments und eines vom Bremssystem bereitgestellten Drehmoments vorgenommen wird.
- Gemäß der Erfindung wird ein Drehmomentmodell des Fahrzeugs genutzt, mit welchem auf Basis einer gegebenen Drehmomentanforderung eine geeignete und passende Verknüpfung zwischen dem Motor einerseits und dem Bremssystem andererseits vornimmt, um in unterschiedlichen Szenarien das jeweils geforderte Drehmoment bereitzustellen. Hierdurch kann im Ergebnis auch im Bereich geringer Geschwindigkeiten ein besonders ruckfreies Fahrverhalten verwirklicht werden.
- Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Verknüpfung zumindest zeitweise derart, dass Motor und Bremssystem hinsichtlich der jeweils bereitgestellten Drehmomente gegeneinander arbeiten.
- Gemäß einer Ausführungsform ist der Regler zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit als PID-Regler ausgestaltet. Dabei kann insbesondere ein PID-Regler mit diversen speziellen Regelungsstrukturen eingesetzt werden, um eine Startregelung sowie einen sanften Anhaltevorgang zu realisieren.
- Gemäß einer Ausführungsform wird ein Integrator-Anteil des PID-Reglers deaktiviert, wenn der Wert der Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, wodurch Oszillationen der Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert werden können.
- Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Integrator-Anteil des PID-Reglers, wenn der Wert der Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, das Vorzeichen dieser Regelabweichung multipliziert mit einer Verstärkung integriert. Hierdurch kann das Ruckverhalten unabhängig von der Regelabweichung für die Geschwindigkeit gestaltet werden. Dabei kann vermieden werden, dass bei größeren Werten der Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit eine zu rasche Erhöhung oder Verringerung der Regelausgangsgröße bzw. des Drehmoments erfolgt, was zu einem ausgeprägten Ruckverhalten führen würde.
- Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Differential-Anteil des PID-Reglers die Ableitung der Regelabweichung einem Integrator zugeführt, abzüglich eines Feedback-Verstärkungssignals dieses Integrators. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei Abwesenheit vergleichsweise schneller bzw. dynamischer Änderungen der Regelabweichung der stabilisierende (d. h. zu einem stabilen Geschwindigkeitsverhalten beitragende) Integrator in seinem Signal allmählich gegen Null geht.
- Die Erfindung betrifft weiter auch eine Vorrichtung zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug einen Motor und ein Bremssystem aufweist, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchzuführen.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines P-Anteils eines bei der Erfindung einsetzbaren PID-Reglers zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit; -
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines I-Anteils eines bei der Erfindung einsetzbaren PID-Reglers zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit; und -
3a –b schematische Darstellungen zur Erläuterung eines D-Anteils eines bei der Erfindung einsetzbaren PID-Reglers zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit. - Im Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Regelungsdesign sowohl hinsichtlich des (internen) Drehmomentmodells als auch hinsichtlich der (externen) Geschwindigkeitsregelung erläutert.
- Das interne Drehmomentmodell empfängt von der (äußeren) Geschwindigkeitsregelung eine Drehmomentanforderung und verknüpft entsprechend Verbrennungsmotor und Bremssystem, um das notwendige Drehmoment bereitzustellen.
- Für das Antriebsdrehmoment wird hierbei ein Modell eines hydraulischen Drehmomentwandlers verwendet. In einem hydraulischen Drehmomentwandler wird das Ausgangsdrehmoment durch die Drehzahl der Eingangs- bzw. Antriebswelle bzw. die Pumpenraddrehzahl (auch als Schaufelrad bezeichnet) und die Drehzahl der Ausgangs- bzw. Abtriebswelle bzw. die Turbinenraddrehzahl bestimmt. Der Drehmomentwandler wird hierbei durch den sogenannten k-Faktor und Drehmomentverhältnisdaten charakterisiert, welche jeweils vom Drehzahlverhältnis (d. h. dem Verhältnis zwischen Turbinenraddrehzahl und Pumpenraddrehzahl) abhängig sind. Das Modell verfügt über sämtliche Parameter, die benötigt werden, um die für eine bei einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit bestehende Drehmomentanforderung erforderliche Motordrehzahl zu berechnen. Das Bremsmoment kann direkt über die Bremsmoment-Schnittstelle übermittelt werden.
- Im Weiteren wird ein mögliches Verfahren zur Ermittlung der erforderlichen Motordrehzahl und des erforderlichen Bremsmoments für eine gegebene Drehmomentanforderung erläutert:
Zunächst wird für das vom Regler geforderte Drehmoment die Pumpenraddrehzahl (welche der Motordrehzahl entspricht) berechnet. Falls diese geringer als die Leerlaufdrehzahl des Motors ist, wird die Leerlaufdrehzahl an der Motordrehzahl-Schnittstelle gefordert. Dann wird das Antriebsmoment für diese Leerlaufdrehzahl berechnet. Falls das Antriebsmoment größer als das vom Regler geforderte Drehmoment ist, wird die Differenz zwischen dem berechneten Antriebsmoment und dem vom Regler angeforderten Drehmoment über das Bremssystem kompensiert. - Des Weiteren wird auch insofern ein gewisser Überlapp hinsichtlich des Antriebsmoments und des Bremsmoments benutzt, als Motor und Bremssystem „gegeneinander“ arbeiten können. Dieser Überlapp ermöglicht es, eine feine Regelung über den Motor und eine gröbere Regelung über Motor und Bremssystem durchzuführen.
- Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Verknüpfung zwischen Motor und Bremssystem bei der Bereitstellung des geforderten Ausgangsdrehmoments näher beschrieben: Bezeichnet man das Überlapp-Drehmoment (MÜberlapp) als den Drehmoment-Bereich, in welchem Motor und Bremssystem gegeneinander arbeiten können, wird die jeweils an das Bremssystem gesandte Drehmomentanforderung MBrems wie aus Tab. 1 ersichtlich, d.h. abhängig von dem jeweils aktuell vorliegenden Szenario hinsichtlich des aktuell vorliegenden Wertes der Abweichung Δ des geforderten Ausgangsdrehmoments Mreq von dem seitens des Motors bereitgestellten Drehmoment MMotor, bestimmt: Tabelle 1:
Δ = Mreq – MMotor MBrems Δ ≥ 2·MÜberlapp MBrems = 0 MÜberlapp ≤ Δ < 2·MÜberlapp MBrems = 2·MÜberlapp – Δ –MÜberlapp ≤ Δ < MÜberlapp MBrems = MÜberlapp Δ < –MÜberlapp MBrems = –Δ - Die (externe) Geschwindigkeitsregelung ist als PID-Regelung realisiert. Dabei ist die Geschwindigkeitsanforderung an den Regler sowohl hinsichtlich der Rate eines Geschwindigkeitsanstiegs als auch der Rate eines Geschwindigkeitsabfalls begrenzt. Als Minimalgeschwindigkeit kann beispielsweise ein Wert von 0,2 km/h zugelassen werden.
- Dabei wird dem Drehmomentmodell die Summe der drei im Weiteren beschriebenen Anteile der PID-Regelung (P-Anteil, I-Anteil und D-Anteil) zugeführt.
- Im Proportional-Anteil (P-Glied)
10 wird gemäß1 die Regelabweichung für die Geschwindigkeit mit einer geringen Verstärkung multipliziert, um ein stabiles Fahrverhalten aufrechtzuerhalten. Idealerweise sollte eine Geschwindigkeitsregelung, welche als Eingangsgröße das Drehmoment verwendet, keine Oszillation hervorrufen. Eine Oszillation wird jedoch dadurch verursacht, dass die Beschleunigung aufgrund von Latenzzeiten und Verzögerungen bei der Aktuierung eine Verzögerung in Bezug auf das geforderte Drehmoment aufweist. Folglich ist die Verstärkung bei der Proportional-Regelung gering zu wählen. - Der Integral-Anteil (I-Glied)
20 wird gemäß2 (trotz eines bereits eingebauten Integrators zur Geschwindigkeitsregelung auf Basis des Drehmomenteingangs) ebenfalls benötigt, da externe Drehmomentstörungen wie z. B. Getriebeverluste, Reibwertschwankungen der Bremsbeläge etc. auftreten. Die Integral-Regelung wird jedoch durch Nullsetzung der Eingangsgröße deaktiviert, indem das Eingangssignal für den Integrator auf null gesetzt wird, wenn sich die Regelabweichung für die Geschwindigkeit innerhalb eines kleinen Toleranzbereichs (z. B. ±0,1 km/h) befindet, wodurch Oszillationen der Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert werden können. - Bei einer größeren Regelabweichung für die Geschwindigkeit würde ein herkömmlicher Integral-Anteil die Regelausgangsgröße (d.h. das Drehmoment) zu schnell erhöhen bzw. – je nach Vorzeichen der Regelabweichung – verringern, wobei eine schnelle Drehmomentänderung wiederum eine rasche Änderung der Beschleunigung und somit ein ausgeprägtes Ruckverhalten zur Folge hätte.
- Um das Ruckverhalten unabhängig von der Regelabweichung für die Geschwindigkeit zu gestalten, wird im Integral-Anteil nicht die Regelabweichung für die Geschwindigkeit selbst, sondern das Vorzeichen der Regelabweichung multipliziert mit einer geeigneten Verstärkung verwendet, wodurch eine Kontrolle des Ruckverhaltens ermöglicht wird.
- Die Integratorgrenzen geben an, wie groß das geforderte resultierende Drehmoment (Regelungsausgangssignal) sein kann. In Ausführungsformen der Erfindung kann eine Beschränkung auf Werte erfolgen, die einer Fahrbahnneigung um 3–5° (in beliebiger Richtung) entsprechen. Da entsprechende Pitch-Oszillationen typischerweise ebenfalls in diesem Bereich liegen, kann bei entsprechender Wahl der Integratorgrenzen ein robustes Verhalten gewährleistet werden.
- Der Differential-Anteil (D-Glied)
30 gemäß3a –b wird derart implementiert, dass die Ableitung der Regelabweichung einem Integrator35 zugeführt wird, abzüglich eines Feedback-Verstärkungssignals dieses Integrators. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei Abwesenheit vergleichsweise schneller bzw. dynamischer Änderungen der Regelabweichung der stabilisierende (d. h. zu einem stabilen Geschwindigkeitsverhalten beitragende) Integrator in seinem Signal allmählich gegen Null geht. - Die Summe der drei vorstehend beschriebenen Anteile (P-Anteil, I-Anteil und D-Anteil) wie dem Drehmomentmodell zugeführt.
- Dieses Signal wird dem Integrator im I-Anteil
20 des Reglers zugeführt, summiert mit dem wie vorstehend beschriebenen mit einer geeigneten Verstärkung multiplizierten Vorzeichen der Regelabweichung der Geschwindigkeit. - Der logische Ablauf bei der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Startregelung erfolgt hierbei wie folgt:
Wenn die geforderte Geschwindigkeit 0,2 km/h übersteigt und die aktuelle Geschwindigkeit geringer als 0,1 km/h ist, wird ein Flip-Flop gesetzt. Der Ausgang dieses Flip-Flops wird mit einem abstimmbaren Parameter (Ruck) multipliziert und an das Integralglied der Regelung gesendet. Die unmittelbare Hinzufügung des Ruck-Signals zu dem Integralglied stellt sicher, dass nach Verschwinden des Rucks der Regler wieder zur Übernahme einer sanften Regelung in der Lage ist. - Die Realisierung eines sanften Stopp-Verhaltens kann unter Verwendung des Motors wie nachfolgend beschrieben erreicht werden: Wenn der Fahrer eine Geschwindigkeit Drehzahl von Null fordert, wird die minimale Drehzahl des Motors (Leerlaufdrehzahl) langsam von einem Wert von 700 Umdrehungen pro Minute auf einen Wert von 900 Umdrehungen pro Minute erhöht. Wenn die Motordrehzahl aufgrund einer vorherigen Regelungsaktion bereits mehr als 900 Umdrehungen pro Minute beträgt, erfolgt keine Änderung, anderenfalls wird die Motordrehzahl linear bzw. proportional mit der Zeit gesteigert.
- Die erhöhte Motordrehzahl entspricht einem höheren Antriebsdrehmoment. Das geforderte Drehmoment ändert sich aufgrund der sanften Regelungseingriffe eher langsam, was bedeutet, dass das aufgrund der erhöhten Motordrehzahl vergrößerte Antriebsdrehmoment durch das Bremssystem entsprechend der Verknüpfungs-Berechnung kompensiert wird (Phase 1).
- Nachdem die vorstehend beschriebene Phase 1 abgeschlossen ist, erfolgt dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb von 0,3 km/h liegt und die geforderte Geschwindigkeit (Geschwindigkeitssollwert) Null beträgt, die zweite Phase. Hierbei wird die Motordrehzahl langsam um 200 Umdrehungen pro Minute abgesenkt. Da dies außerhalb des Drehmomentmodells erfolgt und das Drehmomentmodell hiervon keine Kenntnis erlangt, erfolgt keine Änderung des geforderten Bremsmoments. In Phase 1 wurde bereits sichergestellt, dass das Antriebsmoment und das Bremsmoment gut ausgeglichen sind, so dass bei der Verringerung in Phase 2 der Bremsdruck groß genug ist, um das Fahrzeug zu stoppen, aber klein genug, um ein ruck- und schleuderfreies Anhalten sicherzustellen.
- Um zu gewährleisten, dass das Fahrzeug stehen bleibt, werden die Integratoren zurückgesetzt, wenn die Geschwindigkeitsanforderung Null beträgt und die Fahrzeuggeschwindigkeit für einen Zeitraum von 5 Sekunden unterhalb von 0,1 km/h liegt. Dies dient als Bestätigung dafür, dass das Fahrzeug angehalten wurde. Eine Änderung des Geschwindigkeitssollwertes um mehr als 0,2 km/h führt dazu, dass diese Rücksetzung des Integrators beendet wird und ein erneuter Start erfolgt. Auch wenn das Fahrzeug irgendeine sanfte Stopp-Phase durchläuft und die Stoppanforderung entfernt wird (entsprechend einem Geschwindigkeitssollwert von mehr als 0,2 km/h), werden die Motordrehzahlmodifikationen aus Phase 1 und/oder Phase 2 annulliert, was mit wesentlich höherer Rate erfolgen kann.
- Im Ergebnis kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein extrem ruckfreies Fahrverhalten erzielt werden.
Claims (7)
- Verfahren zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug einen Motor und ein Bremssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen einer Drehmomentanforderung von einem Regler zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit; und Bereitstellen eines Drehmoments auf Basis dieser Drehmomentanforderung, wobei in Abhängigkeit von dem Wert der Drehmomentanforderung eine Verknüpfung eines vom Motor bereitgestellten Drehmoments und eines vom Bremssystem bereitgestellten Drehmoments vorgenommen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verknüpfung zumindest zeitweise derart erfolgt, dass Motor und Bremssystem hinsichtlich der jeweils bereitgestellten Drehmomente gegeneinander arbeiten.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit als PID-Regler ausgestaltet ist.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integrator-Anteil (
20 ) des PID-Reglers deaktiviert wird, wenn der Wert der Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Integrator-Anteil (
20 ) des PID-Reglers, wenn der Wert der Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, das Vorzeichen dieser Regelabweichung multipliziert mit einer Verstärkung integriert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Differential-Anteil (
30 ) des PID-Reglers die Ableitung der Regelabweichung einem Integrator zugeführt wird, abzüglich eines Feedback-Verstärkungssignals dieses Integrators. - Vorrichtung zur Längsregelung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug einen Motor und ein Bremssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
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