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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Maßnahmen zur Drehzahlregelung von Verbrennungsmotoren.
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Technischer Hintergrund
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In der Regel werden Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen abhängig von einem durch eine Fahrpedalstellung vorgegebenen Fahrerwunsch angesteuert. Beispielsweise wird bei Dieselmotoren der Fahrerwunsch in eine einzuspritzende Kraftstoffmenge umgerechnet, wobei durch den Fahrerwunsch das Motormoment bestimmt ist und sich bei einem momentanen Lastmoment die Drehzahl des Verbrennungsmotors ergibt. Bei bestimmten Fahrzeugzuständen, insbesondere wenn die Kupplung im Antriebsstrang geöffnet ist und/oder kein Gang eingelegt und/oder das Fahrpedal in einem vorbestimmten niedrigen Drehzahlbereich nicht betätigt ist, ist eine Drehzahlregelung aktiv, die die Drehzahl des Verbrennungsmotors auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl einstellt.
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In der Regel weist die Drehzahlregelung eine PI- oder PID-Reglerstruktur auf, wobei die Regelungsparameter individuell für die einzelnen Fahrstufen, Fahrzeugzustände, Fahrsituationen und Umgebungsbedingungen ausgelegt und in entsprechenden Kennfeldern abgelegt sind. Dieser Ansatz führt jedoch zu einem hohen Applikationsaufwand, da die Kennfelder für jede Variante von Verbrennungsmotor und Fahrzeug individuell bestimmt werden müssen. Der Applikationsaufwand wird zusätzlich erhöht, wenn für das Auslegen der Drehzahlregelung weitere Maßnahmen vorgesehen werden, die zum Beispiel dazu dienen, das Führungsverhalten zu verbessern oder einen Umschaltvorgang zwischen gesteuertem und geregeltem Betrieb so zu beeinflussen, dass ein Über- oder Unterschwingen in der Drehzahl minimiert wird.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 039 758 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Drehzahl abhängig von einer Soll-Drehzahl geregelt wird und bei dem in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen der Drehzahl und der Soll-Drehzahl mittels eines Regelglieds ein Sollmoment zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Ein Störmoment, das insbesondere eine nicht messbare Störgröße repräsentiert, wird abgeschätzt und ein zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine verwendetes Stellmoment abhängig von dem Sollmoment und dem Störmoment ermittelt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Durchführen einer Drehzahlregelung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Durchführen einer Drehzahlregelung eines Antriebsmotors des Antriebssystems abhängig von einem oder mehreren Regelungsparametern;
- - Ermitteln mindestens eines momentanen ein Regelungsverhalten beeinflussenden Systemparameter des Antriebssystems;
- - Anpassen des einen oder der mehreren Regelungsparameter abhängig von dem mindestens einen Systemparameter.
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Bei der Dimensionierung der Drehzahlregelung basieren die Regelungsparameter, insbesondere die P- und I-Konstante, auf einem Kompromiss, der eine ausreichende Dynamik zum schnellen Erreichen der Soll-Drehzahl und einer ausreichenden Stabilität zur Vermeidung von Überschwingern darstellt. Insbesondere bei einem sich ändernden Lastmoment und/oder sich ändernder Massenträgheit des Antriebsstrangs können zuvor verwendete Regelungsparameter Nachteile hinsichtlich der Dynamik oder der Stabilität mit sich bringen. Daher sieht das obige Verfahren vor, die Drehzahlregelung mit variabel anpassbaren Regelungsparametern durchzuführen, die abhängig von dem Lastmoment und/oder der Massenträgheit gewählt werden. Durch den modellbasierten Ansatz hängt die Regelungsfunktion damit direkt von den Systemparametern Massenträgheit und Lastmoment ab. Ändern sich die Systemparameter im Fahrbetrieb durch andere Umgebungsbedingungen oder durch Alterung von Komponenten, so wird dies durch das obige Verfahren direkt in den Regelungsparametern berücksichtigt. Damit kann für jede Fahrsituation und auch bei alterungsbedingten Veränderungen des Antriebssystems eine gleichbleibende Regelgüte sichergestellt werden. Durch die Anpassung der Regelungsparameter an die aktuellen vorherrschenden Systemparameter des Antriebssystems lässt sich der Initialaufwand zur Applikation der Drehzahlregelung deutlich minimieren, da die individuellen Regelungsparameter durch das Adaptionsverfahren automatisiert bestimmt werden können.
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Durch die Erweiterung des modellbasierten Ansatzes zur Drehzahlregelung um eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen von Systemparametern des Antriebsstrangs ist es möglich, die Drehzahlregelung fahrzeugindividuell zu betreiben. Die Einstellung erfolgt in Echtzeit, so dass auch bei sich schnell ändernden Systemparametern, wie beispielsweise dem Lastmoment bei eingekoppelten Zusatzaggregaten, Wechsel der Fahrstufe oder dergleichen, eine Anpassung der Drehzahlregelung erfolgen kann. So lassen sich Systemparameter aufgrund von Einflüssen auf den Antriebsstrang und sich langsam ändernde Systemparameter, die sich bei zunehmender Alterung aufgrund von Verschleiß und Abnutzungseffekten ändern, gleichermaßen berücksichtigen. Auch können durch das obige Verfahren die Regelungsparameter nach einem Austausch von Bauteilen schnell und automatisch auf die veränderten Systemparameter angepasst werden, um eine gleichbleibende Regelgüte zu erreichen. Zudem ermöglicht die Schätzung der Systemparameter für die Drehzahlregelung auch eine Diagnose, da sprunghafte Änderungen der Regelungsparameter bzw. der Systemparameter auf ein Problem der Hardware des Antriebsstrangs hinweisen können.
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Weiterhin kann die Drehzahlregelung z. B. eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung umfassen, wobei der eine oder die mehreren Regelungsparameter eine Proportionalitätskonstante und/oder eine Integrationskonstante für die Drehzahlregelung umfassen. Alternativ können auch andere Reglerstukturen verwendet werden wie z. B strukturvariable Regler.
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Insbesondere können der eine oder die mehreren Regelungsparameter entsprechend einer Look-up-Tabelle oder einer Zuordnungsfunktion abhängig von dem mindestens einen Systemparameter bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Systemparameter ein Massenträgheitsmoment und/oder ein Lastmoment umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Ermitteln des mindestens einen Systemparameters regelmäßig, zu vorbestimmten Zeitpunkten und/oder bei einer Änderung eines Zustands einer Kupplung und/oder eines Schaltgetriebes des Antriebssystems durchgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- - eine Drehzahlregelung eines Antriebsmotors des Antriebssystems abhängig von einem oder mehreren Regelungsparametern durchzuführen;
- - mindestens einen momentanen, ein Regelungsverhalten beeinflussenden Systemparameter des Antriebssystems zu ermitteln;
- - den einen oder der mehreren Regelungsparameter abhängig von dem mindestens einen Systemparameter anzupassen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, einem Antriebsstrang und einem Steuergerät; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Drehzahlregelung mit einer Einheit zur Schätzung von Systemparametern.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 1 mit einem Antriebsmotor 2, der insbesondere als Verbrennungsmotor aber auch als Hybridantrieb ausgebildet sein kann. Das Antriebssystem 1 dient zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Der Antriebsmotor 2 kann als kraftstoffgeführter Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, oder als luftgeführter Verbrennungsmotor, z. B. ein Ottomotor, ausgeführt sein.
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Der Antriebsmotor 2 wird mithilfe eines Steuergeräts 3 in an sich bekannter Weise zum Bereitstellen eines Motormoments Mmot angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt durch Vorgabe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge oder durch Vorgabe eines in die Brennräume der Zylinder zuzuführenden Luftmassenstroms. Die Ansteuerung erfolgt durch Erfassung von Motorzustandsparametern und durch Stellen von geeigneten Aktuatoren, insbesondere einer Drosselklappe (nicht gezeigt) und Kraftstoffeinspritzventilen, in an sich bekannter Weise.
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Der Antriebsmotor 2 stellt das Motormoment über eine Kurbelwelle 4 zur Verfügung. Die Kurbelwelle 4 ist über eine Kupplung 5 mit einem Schaltgetriebe 6 verbunden, um ein Radantriebsmoment ausgangsseitig des Schaltgetriebes 6 bereitzustellen. Das Schaltgetriebe 6 kann je nach gewählter Fahrstufe verschiedene Übersetzungen aufweisen und in einen Leerlauf geschaltet werden, wobei in dem Leerlauf der Antriebsstrang zwischen dem Antriebsmotor 2 und den Rädern geöffnet ist.
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Das Steuergerät 3 kann den Antriebsmotor 2 abhängig von einer Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 7 ansteuern, um ein Motormoment bereitzustellen. In einem alternativen Betriebszustand kann das Steuergerät 3 eine Drehzahlregelung ausführen, die nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
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Die Drehzahlregelung wird bei Antriebssystemzuständen aktiviert, die durch eine geöffnete Kupplung 5 (angegeben durch ein Kupplungssignal KS) oder optional durch die Neutralstellung des Schaltgetriebes 6 (angegeben durch ein Getriebesignal GS) aktiviert werden kann. Weiterhin wird die Drehzahlregelung bei einer Nichtbetätigung des Fahrpedals 7 durch den Fahrer aktiviert, ungeachtet dessen, ob die Kupplung 5 geöffnet oder geschlossen und/oder die Neutralstellung oder eine Fahrstufe ausgewählt ist.
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Je nach Antriebssystemzustand wirken auf die Kurbelwelle 4 des Antriebsmotors 2 unterschiedliche Massenträgheitsmomente und Lastmomente, die einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität und die Dynamik der Drehzahlregelung haben. So können die gewählte Fahrstufe/Neutralstellung bei geöffneter/geschlossener Kupplung 5 und ggfs. angeschlossene Zusatzaggregate, wie z.B. Klimakompressor, Generator und dergleichen, zu unterschiedlichen Massenträgheitsmomente und Lastmomente des Antriebsstrangs führen. Die in dem Steuergerät 3 ausgeführte Drehzahlregelung entspricht dem Funktionsdiagramm der 2.
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Das zu regelnde Antriebssystem 1 weist ein Systemverhalten auf, das durch den Regelungsstreckenblock 21 dargestellt wird. Auf das Antriebssystem 1 wirkt ein Lastmoment MLast , das durch das von dem Antriebsmotor 2 bereitgestellte Motormoment Mmot kompensiert werden soll. Weiterhin entspricht einer der Systemparameter dem Massenträgheitsmoment JAntrieb , wodurch das Systemverhalten bestimmt ist. In einem Ermittlungsblock 22 wird basierend auf einem Drehzahlverlauf und dem momentanen Motormoment Mamet ein geschätztes Massenträgheitsmoment Jest und/oder ein geschätztes Lastmoment MLast_est ermittelt und in einem Regelungsparameter-Anpassungsblock 24 bereitgestellt.
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Die Art und Weise, wie schnell sich eine Änderung des Motormoments Mmot auf eine Drehzahländerung der aktuellen Ist-Drehzahl nist auswirkt, hängt dabei maßgeblich von der Massenträgheit JAntrieb des Antriebsstrangs ab. Ebenso reduziert das Lastmoment MLast natürlich das effektive Motormoment, das für die Beschleunigung des Verbrennungsmotors 2 zur Verfügung steht. Somit spielen diese Systemparameter maßgeblich eine Rolle für eine Adaption der Drehzahlregelung. Zusätzlich können als Systemparameter neben der Massenträgheit und dem Lastmoment noch weitere Parameter, wie beispielsweise Federkonstanten oder Dämpfungskonstanten, für den Antriebsstrang bestimmt werden.
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Der Regelungsparameter-Anpassungsblock 24 ordnet dem geschätzten Massenträgheitsmoment Jest und ggfs. dem geschätzten Lastmoment MLast_est Regelungsparameter für die Drehzahlregelung zu. Wird beispielsweise eine PI-Regelung verwendet sind die Regelungsparameter eine Proportionalitätskonstante kp und die Integrationskonstante kl.
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Die Regelungsparameter werden einem Regelungsblock 23 bereitgestellt. Der Regelungsblock 23 regelt abhängig von einer vorgegebenen Soll-Drehzahl nSoll und der aktuellen Ist-Drehzahl nist durch Bereitstellen eines Stellmoments Mstell , mit dem der Antriebsmotor 2 angesteuert wird. Durch die Ansteuerung ergibt sich ein Motormoment, das in der Regel dem Stellmoment Mstell entspricht. Die Drehzahlregelung 23 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als PI-Regelung ausgeführt. Alternativ kann die Drehzahlregelung auch als PID-Regelung oder mit einer anderen Regler-Struktur z. B. einer strukturvariablen Reglerstruktur ausgeführt sein.
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Die Drehzahlregelung basiert auf einer Drehzahldifferenz zwischen der Soll-Drehzahl nSoll und der Ist-Drehzahl nist , die in einem Subtraktionsglied 231 ermittelt wird. Diese wird einem Proportionalglied 232 zugeführt, wo die Drehzahldifferenz mit der Proportionalkonstante kp multipliziert wird und einem Summierglied 233 zugeführt wird. Weiterhin wird die Drehzahldifferenz einem zweiten Multiplizierglied 234 zur Multiplikation mit der Integrationskonstanten kl zugeführt und das Ergebnis in einem Integrationsglied 235 zeitlich integriert. Das Integrationsergebnis wird dem Summierglied 233 zugeführt. Das Summierergebnis stellt eine Angabe für ein Regelungsmoment MReg dar.
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In einem nachfolgenden Summierglied 236 werden das Regelungsmoment MReg und das geschätzte Lastmoment MLast_est addiert, um das Stellmoment Mstell zu erhalten.
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Die Wahl der Proportionalkonstanten und der Integrationskonstanten kP, kl ist variabel und wird in einem Regelungsparameter-Anpassungsblock 24 abhängig von dem geschätzten Trägheitsmoment Jest festgelegt.
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Um bei einer Änderung der Systemparameter weiterhin eine gleichbleibende Regelgüte zu erreichen, werden die Regelungsparameter mithilfe des Regelungsparameter-Anpassungsblocks 24 angepasst. Die Anpassung der Regelungsparameter erfolgt mithilfe einer Zuordnungsfunktion oder einer Look-up-Tabelle oder dergleichen, die die Regelungsparameter, d. h. z. B. die Proportionalitätskonstante kP und die Integrationskonstante kl, werden abhängig von dem geschätzten Massenträgheitsmoment Jest bestimmt. Mögliche Zuordnungsfunktionen können beispielsweise lauten: kp = kp,0 · Jest bzw. k1 = ki,0 · Jest, wobei kp,0 und ki = ki,0 empirisch ermittelt oder vorgegeben sein können.
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Die Schätzung des Massenträgheitsmoments
Jest und des Lastmoments
MLast_est erfolgt basierend auf dem mathematischen Modell wie folgt:
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Der Ermittlungsblock 22 ermöglicht es, das Massenträgheitsmoment Jest und das Lastmoment MLast_est in Echtzeit oder zumindest in festgelegten Betriebssituationen nachzuführen. Hierzu kann ein rekursiver Parameterschätzer verwendet werden, der aus dem MotormomentMmot , der Ist-Drehzahl N und der berechneten Beschleunigung die Modellparameter für das mathematische Modell berechnen kann.
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Hierzu werden das Motormoment und die Ist-Drehzahl z.B. mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung geglättet, um Rauscheffekte zu minimieren. Die Beschleunigung wird z.B. über ein Hochpassfilter erster Ordnung berechnet:
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Eine mögliche Implementierung des Algorithmus für das ParameterSchätzverfahren wird nachstehend beschrieben. Hierzu lässt sich das mathematische Modell wie folgt umformulieren:
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Initialisierung
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Die Kovarianz-Matrix P wird als eine diagonale Matrix mit den beiden diagonalen Elementen gleich trP/2 initialisiert, wobei trP ein Parameter ist, der die anfängliche Konvergenz-Geschwindigkeit regelt. Wenn die nominalen Parameter θnom bekannt sind, kann durch die Initialisierung des Parametervektors auf diesen Wert, ebenfalls die anfängliche Konvergenz des Online-Parameter-Identifikationsalgorithmus beschleunigt werden.
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Algorithmus:
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Speicher-Aktualisierung
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In einem ersten Schritt des Algorithmus wird der Vektor der Eingänge ψ(k), der für die Online-Identifikation erforderlich ist, berechnet. Der Modellwert der Stellgröße Mmot,mod (k) wird aus der Multiplikation des Vektors der Eingänge ψ(k) und des transponierten alten Parametervektors θ(k-1) des Modells berechnet. Der Modellfehler ε(k) wird aus der Differenz zwischen der Stellgröße Mmot(k) und dem Modellwert der Stellgröße Mmot,mod(k) berechnet. Der Rest des Algorithmus basiert auf dem klassischen RLS-Verfahren mit Vergessensfaktor.
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Der Vergessensfaktor λ wird verwendet, um die alten Messwerte zu vergessen, womit zeitveränderliche Parameter nachverfolgt werden können.
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Anstelle des verwendeten RLS-Algorithmus mit Vergessensfaktor können andere Parameterschätzverfahren oder Modifikationen davon zum Einsatz kommen bspw. ein Gradientenverfahren oder ein Verfahren des steilsten Abstiegs.
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Die Schätzung der Systemparameter in dem Ermittlungsblock 22 kann immer dann aktiviert werden, wenn eine ausreichende Drehzahländerung erfolgt ist. Anderenfalls werden das geschätzte Massenträgheitsmoment Jest und das geschätzte Lastmoment MLast_est konstant gehalten, um keine Änderung der Regelungsparameter kp, ki zu bewirken.
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Alternativ können Modellabgleichsverfahren eingesetzt werden, um die Systemparameter Jest , MLast_est zu ermitteln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005039758 A1 [0004]