DE102019204294B4 - Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung sowie Anordnung, aufweisend ein Getriebe und einen Zahnradaktuator - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung (8.1, 8.2) durch einen DC-Motor (15), der ausgelegt ist zum Bewegen der Klauenkupplung (8.1, 8.2) über einen Aktuatorarm (20), der eine Winkelbewegung in eine lineare Bewegung ändert, wobei das Verfahren Anlegen einer pulsweitenmodulierten Spannung an den DC-Motor (15) mit einem Tastverhältnis aufweist, wobei das Tastverhältnis durch einen Regelalgorithmus (10) geliefert wird, wobei der Regelalgorithmus (10) Folgendes aufweist: einen Trajektorienplaner (11), der eine auf einem Trajektorienplanungsalgorithmus 4ter Ordnung basierende gewünschte Position des Aktuatorarms (20) erzeugt, und einen Bewegungsregler zum Verfolgen einer gewünschten Position des Aktuatorarms (20), wobei der Bewegungsregler auf der Sliding-Mode-Theorie basiert, wobei der Bewegungsregler eine Sliding-Mode-Regelung anwendet, wobei die Sliding-Mode-Regelung eine Sliding-Oberfläche definiert, und wobei der Sliding-Mode-Regler einen Super-Twisting-Algorithmus aufweist, der auf einem Sliding-Mode-Regler zweiter Ordnung basiert.

Description

• In einem dedizierten Hybridgetriebe (Dedicated Hybrid Transmission - DHT) ist eine Sekundärleistungsquelle, wie etwa ein Elektromotor, mit einer Brennkraftmaschine integriert, um Kraftstoffverbrauch, Effizienz und Fahrleistungen zu verbessern. Ein automatisiertes Schaltgetriebe (Automated Manual Transmission - AMT) ist eine kostengünstige Lösung in Antriebssträngen zum Übertragen eines abgeforderten Drehmoments, während die Winkelgeschwindigkeit der Wellen, die verschiedene Leistungsquellen integrieren, synchronisiert wird.
• Automatisierte Eingriffe von Trockenkupplungen in Autos und Lastwagen werden typischerweise für die Aktivierung von Energieflussmanagement verwendet. Sie bieten hinsichtlich einer Verbesserung von Sicherheit, Komfort, Zuverlässigkeit, Schaltqualität und Fahrleistungen zusammen mit Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen viele Vorteile. Einige Regelalgorithmen für ein Eingreifen sind in der Literatur vorgeschlagen worden, basierend auf Techniken wie etwa Fuzzy Logic, optimale Regelung, Rückkopplungslinearisierung und PI-Regelung.
• Bei der mechanischen Hybridkraftübertragung besteht eine Alternative beim Gangwechsel in einem Klauenkupplungssystem, welches den Vorteil aufweist, es beiden Wellen zu ermöglichen, sich ohne Schlupf und mit weniger Verschleiß als bei einer Trockenkupplung mit derselben Drehzahl zu drehen. Die automatische Steuerung wird in einem Klauenkupplungssystem angewandt, um einen schnellen und weichen Eingriff zu realisieren. Diese zwei Leistungsfähigkeitsziele sind widersprüchlich. Um einen weichen Gangwechsel zu ermöglichen, sollte die Zahnradeingriffsdauer lang sein, was die Beanspruchung des Zahnrads verringert. Andererseits wird ein schneller Eingriff die Klauenkupplungsstoßkraft erhöhen und der Eingriff wird nicht weich sein.
• Unterschiedliche Steuerungsvorrichtungen für Klauenkupplungseingriff sind vorgeschlagen worden. Eine Steuerungsvorrichtung bewegt das Klauenkupplungsglied aufgrund einer Magnetkraft einer elektromagnetischen Spule aus der nicht verbindenden Position zu der verbindenden Position und ein Kupplungsring hilft den Klauen beim Eingreifen. Eine in der Literatur vorgeschlagene zweite Option besteht darin, die Zahnräder einer automatisierten Kraftübertragung mit einem Linearaktuator und einem Regler unter Verwendung der Rückmeldung eines Hubpositionssensors zu bewegen.
• In einem kostengünstigen System weist eine Klauenkupplung keine Synchronkegel oder -ringe auf, was das System einfach und klein macht. Auch ist der Regelalgorithmus auf die Verwendung von ausschließlich Standardsensoren, um die Kosten niedrig zu halten, und eines Mikrocontrollers mit beschränkten Ressourcen für eine Implementation eingeschränkt. Diese Bedingungen erfordern einen robusten und einfachen Positionsregelalgorithmus für den Eingriff und die Trennung eines Klauenkupplungssystems.
• In Kraftübertragungen mit einer Trockenkupplung sind die Hauptprobleme die Folgenden:
• - Schlupf der Trockenkupplung, was die Leistungsfähigkeit des Systems beeinträchtigt,
• - Reibungsverschleiß, welcher zu hohen Kosten beim Ersetzen führt.
• In Klauenkupplung-Kraftübertragungsmechanismen gibt es die folgenden Hauptschwierigkeiten:
• - ein schneller und weicher Eingriffsprozess aufgrund eines weichen Eingriffs erfordert eine lange Zeit, und ein schneller Eingriff erhöht die Stoßkräfte in den Klauen,
• - die Synchronkegel oder -ringe unterstützen den Eingriffsprozess, wobei mehr Komponenten allerdings die Kosten erhöhen.
• Es gibt einen Bedarf für einen Regelalgorithmus für einen schnellen und weichen Eingriff ohne Verwendung von Synchronkegeln oder -ringen.
• In der Literatur sind verschiedene Regelstrategien für das Eingreifen und Trennen von Kupplungssystemen entwickelt worden, die die folgenden Schwierigkeiten berücksichtigen:
• - Die Eingriffszeit für Trockenkupplungen beträgt um die 0,4 s und 0,8 s, was nicht sehr kurz ist, und der Wechsel kann von dem Fahrer wahrgenommen werden.
• - Hohe Komplexität in den Regelstrategien zum Implementieren auf einem kostengünstigen Mikrocontroller.
• - Regelalgorithmen mit hoher Abhängigkeit von Systemparametern.
• Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus US 2016 / 0 258 530 A1 , US 2002 / 0 005 077 A1 , DE 10 2015 113 130 A1 und WO 2018/ 098 515 A1 bekannt.
• Es bleibt ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung.
• Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung durch einen Elektromotor, der ausgelegt ist zum Bewegen der Klauenkupplung über einen Aktuatorarm, vorgesehen, wobei das Verfahren Anlegen einer pulsweitenmodulierten Spannung an den Elektromotor mit einem Tastverhältnis, welches durch einen Regelalgorithmus geliefert wird, aufweist, wobei der Regelalgorithmus Folgendes aufweist: einen Trajektorienplaner, der eine auf einem Trajektorienplanungsalgorithmus 4ter Ordnung basierende gewünschte Position des Aktuatorarms erzeugt, und einen Bewegungsregler, der auf der Sliding-Mode-Theorie basiert, zum Verfolgen einer gewünschten Position des Aktuatorarms.
• In einem Ausführungsbeispiel definiert der Trajektorienplaner eine gewünschte Position des Aktuatorarms für den Bewegungsregler.
• In einem Ausführungsbeispiel wird die gewünschte Position des Aktuatorarms auf abgeleiteten Ruckprofilen basierend vorgeschlagen.
• In einem Ausführungsbeispiel ist die gewünschte Position des Aktuatorarms für einen Eingriffsprozess der Klauenkupplung durch drei Phasen definiert: Annäherung, Kontakt und Einsatz.
• In einem Ausführungsbeispiel wird der dreiphasige Eingriffsprozess in 150 ms oder weniger ausgeführt.
• Erfindungsgemäß wendet der Bewegungsregler eine Sliding-Mode-Regelung an, die eine Sliding-Oberfläche definiert.
• Erfindungsgemäß weist der Sliding-Mode-Regler einen Super-Twisting-Algorithmus auf, der auf einem Sliding-Mode-Regler zweiter Ordnung basiert.
  In einem Ausführungsbeispiel ist der Sliding-Mode-Regler unabhängig von einem Motorstrom des Elektromotors, um Drehmomentwelligkeit und Chattering der Regelvariable zu vermeiden.
• In einem Ausführungsbeispiel wird eine reduzierte Sliding-Oberfläche als eine Funktion einer einzigen Verfolgungsfehlervariablen für die Position des Aktuatorarms für den Sliding-Mode-Regler definiert.
• In einem Ausführungsbeispiel basiert die reduzierte Sliding-Oberfläche auf einem Stabilisierungsterm zum asymptotischen Erreichen der Sliding-Oberfläche und zum Vermeiden einer Regelung mit hoher Schleifenverstärkung und basiert auf einem Integralterm zum Verwerfen nichtmodellierter Dynamik und zum Verringern des Stationärzustandsfehlers.
• In einem Ausführungsbeispiel ist die reduzierte Sliding-Oberfläche unabhängig von Systemparametern, beispielsweise R, L, k_t, k_e, J, und Zahnradgeometrien.
• In einem Ausführungsbeispiel wird der Super-Twisting-Algorithmus zum Berechnen einer Regelvariablen verwendet, die zum Schätzen des Tastverhältnisses verwendet wird.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Anordnung vorgesehen, die ein Getriebe und einen Zahnradaktuator aufweist, wobei das Getriebe eine Reihe von Zahnrädern und eine Klauenkupplung aufweist, die ausgelegt ist zum Eingreifen an mindestens einem der Zahnräder, wobei der Zahnradaktuator einen Elektromotor aufweist, der ausgelegt ist zum Bewegen der Klauenkupplung über einen Aktuatorarm und ausgelegt ist zum Steuern der Klauenkupplung durch das oben beschriebene Verfahren.
• In einem Ausführungsbeispiel ist das Getriebe ein dediziertes Hybridgetriebe.
• Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung durch einen Trajektorienplanungsregelalgorithmus für einen Gleichstrommotor (DC-Motor) zum Übertragen einer Kraft durch einen Zahnradaktuator, um ein Klauenkupplungssystem zum Eingriff zu bringen und dieses zu trennen. Darüber hinaus kann der vorgeschlagene Regelalgorithmus die folgenden Vorteile aufweisen:
• - schneller Eingriffsprozess, z. B. 150 ms oder weniger,
• - schneller Trennprozess, z. B. 150 ms oder weniger,
• - Folgen von weichen Bewegungsprofilen zum Verringern der Stöße auf die Klauen,
• - robuster und einfacher Regelalgorithmus, der in einem kostengünstigen Mikrocontroller implementiert werden soll,
• - keine Abhängigkeit von Systemparametern,
• - Anwendbarkeit in einem Klauenkupplungssystem ohne Synchronkegel oder -ringe.
• Figurenliste
• Die vorliegende Erfindung erschließt sich vollständiger aus der weiter unten angegebenen ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit die vorliegende Erfindung nicht einschränken, und wobei Folgendes gilt:
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Getriebes mit Klauenkupplungen,
• 2 ist eine schematische Perspektivansicht des Getriebes,
• 3 ist eine schematische Ansicht einer Systemarchitektur für einen Trajektorienplanungsregelalgorithmus, einen Zahnradaktuator und eine Klauenkupplung,
• 4 ist eine schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einer getrennten Position,
• 5A - 5C zeigen schematische Ansichten der Klauenkupplung in verschiedenen Positionen,
• 6 ist ein schematisches Diagramm, das ein beispielhaftes Eingriffs- und Trennprofil veranschaulicht,
• 7 zeigt schematische Diagramme, die Erzeugung eines Bewegungsprofils auf Grundlage des abgeleiteten Ruckens veranschaulichen, und
• 8 ist eine schematische Ansicht eines zweistufigen Räderwerks mit verschränkten Zahnrädern, das mit einem Elektromotor und einer Rotationslast gekoppelt ist.
• Zunächst wird eine Einführung des Systems präsentiert, in dem der Regelalgorithmus implementiert ist. Eine schematische Ansicht eines Getriebes 1, insbesondere eines dedizierten Hybridgetriebes (DHT), ist in 1 präsentiert.
• Das Getriebe 1 weist eine erste Eingangswelle 2 auf, die mit einer Brennkraftmaschine 3 verbunden ist, welche ein kostengünstiges Multipoint-Einspritzsystem sein kann. Eine zweite Eingangswelle 4 des Getriebes 1 kann mit einem ersten Elektroantrieb 5, z. B. einem Elektrotraktionsantrieb, verbunden sein. Eine dritte Eingangswelle 6 des Getriebes 1 kann mit einem zweiten Elektroantrieb 7, z. B. einem Riemen-Anlasser-Generator, verbunden sein. Das Getriebe 1 kann eine Anwendung der Elektroantriebe 5, 7 mit hoher Drehzahl erlauben. Das Getriebe 1 kann ein sogenanntes dediziertes Hybridgetriebe (DHT) sein, welches eine vereinfachte Kraftübertragung, eine minimale Anzahl von Zahnrädern erlaubt und keine Einleitungs- oder Entkopplungselemente benötigt.
• Das Getriebe 1 weist eine Reihe von Klauenkupplungen 8.1, 8.2 auf, z. B. zwei Klauenkupplungen 8.1, 8.2 zum Antrieb einer Reihe von Gängen S1 - S4, z. B. vier Gänge S1 - S4. Eine elektrische Steuerungseinheit kann für einen Zahnradaktuator vorgesehen sein, um die Klauenkupplungen 8.1, 8.2 anzutreiben. Die elektrische Steuerungseinheit kann unter Verwendung eines im Folgenden präsentierten Regelalgorithmus betrieben werden.
• 2 ist eine schematische Perspektivansicht des Getriebes 1.
• Zwecks Vereinfachung wird der Regelalgorithmus für eine einzige Klauenkupplung 8.1 beschrieben, obgleich der Regelalgorithmus für beide Klauenkupplungen 8.1, 8.2 anwendbar ist. Ein Systemarchitekturschema für einen Zahnradaktuator und die Klauenkupplung 8.1, 8.2 ist in 3 präsentiert.
• In einem Ausführungsbeispiel weist die Systemarchitektur eine Hauptsteuerungseinheit 9 auf, welche eine externe Einheit sein kann, die Schaltsignale S bereitstellt, wie etwa:
• ◯ Eingriff Zahnrad 1,
• ◯ Eingriff Zahnrad 2,
• ◯ Trennung.
• Ein beispielhafter Regelalgorithmus 10 weist einen Trajektorienplaner 11 und einen Bewegungsregler 12 auf. Der Trajektorienplaner 11 erzeugt eine gewünschte Armposition für den Bewegungsregler 12.
• Eine beispielhafte elektrische Topologie 13 der Systemarchitektur weist eine Spannungsversorgung 14, einen DC-Motor 15, eine H-Brücke 16 und eine PWM-Schnittstelle 17 auf. Die Spannungsversorgung 14 liefert eine Spannung an die H-Brücke 16, welche den DC-Motor 15 mit Leistung versorgt. Die H-Brücke 16 wird durch von der PWM-Schnittstelle 17 erzeugte PWM-Signale angesteuert. Ein Tastverhältnis der PWM-Signale wird durch den Bewegungsregler 12 basierend auf der Sliding-Mode-Theorie berechnet.
• Die PWM-Schnittstelle 17 erzeugt die PWM-Signale für Leistungsschalter, z. B. MOSFETs oder IGBTs, in der H-Brücke 16, in Abhängigkeit von dem durch den Bewegungsregler 12 berechneten Tastverhältnis. Der DC-Motor 15 liefert Drehmoment an eine mechanische Topologie 18.
• Die mechanische Topologie 18 weist ein Zahnradwerk 19, einen Aktuatorarm 20 und eine Klauenkupplung 8.1 auf.
• Das Zahnradwerk 19 verstärkt Drehmoment von dem DC-Motor 15 und verringert die Drehzahl. Der Aktuatorarm 20 ändert eine Winkelbewegung in eine lineare Bewegung. Die Klauenkupplung 8.1 ist die durch den Aktuatorarm 20 bewegte Komponente. Deren Funktion besteht darin, die verschiedenen Zahnräder im Innern des Getriebes 1 mechanisch zum Eingriff zu bringen oder diese zu trennen.
• 4 ist eine schematische Ansicht einer Klauenkupplung 8.1 in einer getrennten Position (z. B. weist der Aktuatorarm 20 eine Position bei 0 mm auf) mit einer Einsatzdistanz ID und einer Freistelldistanz CD. Die Klauenkupplung 8.1 weist ein erstes Zahnrad 21 mit einer oder mehreren Klauen 21.1, ein zweites Zahnrad 22 mit einer oder mehreren Klauen 22.1 und eine Schiebehülse 23 auf, die zwischen dem ersten Zahnrad 21 und dem zweiten Zahnrad 22 angeordnet ist und eine oder mehrere Klauen 23.1 aufweist, um zwischen den Klauen 21.1 des ersten Zahnrads 21 einzugreifen, und eine oder mehrere Klauen 23.2 aufweist, um zwischen den Klauen 22.1 des zweiten Zahnrads 22 einzugreifen, wobei die Schiebehülse 23 in einer Neutralposition entweder mit keinem des ersten Zahnrads 21 und des zweiten Zahnrads 22 in Eingriff ist, wie in 4 gezeigt ist, oder nur mit einem von diesen in Eingriff steht. Die Einsatzdistanz ID ist die Tiefe, mit welcher die Klauen 21.1, 23.1 oder 22.1, 23.2 aneinander eingreifen können. Die Freistelldistanz CD ist der Abstand zwischen den Klauen 21.1, 23.1 und 22.1, 23.2, wenn sich die Schiebehülse 23 in der Neutralposition befindet.
• Das erste Zahnrad 21, das zweite Zahnrad 22 und die Schiebehülse 23 sind um eine Welle herum angeordnet, wobei die Schiebehülse 23 drehbar an die Welle gekoppelt ist und sich das erste Zahnrad 21 und das zweite Zahnrad 22 um die Welle herum drehen können.
• Die Position des Aktuatorarms 20 ist die gleiche wie die Position der Schiebehülse 23 und eine Kraft wird durch den Aktuatorarm 20 auf die Schiebehülse 23 ausgeübt. Der Eingriffsprozess für das erste Zahnrad 21 ist der gleiche wie für das zweite Zahnrad 22.
• Der Eingriffsprozess ist in 5A - 5C gezeigt und weist drei Phasen auf:
• In einer in 5A gezeigten ersten Phase P1, auf welche als die Annäherung Bezug genommen werden kann, wird die Schiebehülse 23 entlang der Welle auf die Klauen 21.1 des ersten Zahnrads 21 beschleunigt.
• In einer in 5B gezeigten zweiten Phase P2, auf welche als der Kontakt Bezug genommen werden kann, ist die Schiebehülse 23 dicht an einem sogenannten Kiss-Point (Kontaktpunkt), die Schiebehülse 23 verzögert, bis sie fast die Klauen 21.1 des ersten Zahnrads 21 kontaktiert. Nach Bewegung mit geringer Geschwindigkeit gibt es einen gewissen Kontakt zwischen der Schiebehülse 23 und den Klauen 21.1 des ersten Zahnrads 21 mit einer kleinen Kontaktkraftstärke.
• In einer in 5C gezeigten dritten Phase P3, auf welche als der Einsatz Bezug genommen werden kann, werden die ausgeübte Kraft und die resultierende Geschwindigkeit der Schiebehülse 23 zum ersten Zahnrad 21 hin graduell erhöht, um jede Klaue 21.1 des ersten Zahnrads 21 in die Freistellungen zwischen den Klauen 23.1 der Schiebehülse 23 einzusetzen. Schließlich drehen sich das erste Zahnrad 21 und die Schiebehülse 23 mit derselben Drehzahl.
• Der Trennprozess D ist einfacher, die Schiebehülse 23 wird bis zu einer Trennposition beschleunigt und wenn sich die Schiebehülse 23 von den Klauen 21.1 des ersten Zahnrads 21 trennt und sich dicht an der Trennposition befindet, verzögert sie, bis sie die Trennposition und Beschleunigung null erreicht. Der Trajektorienplaner 11 erzeugt die gewünschte Position des Aktuatorarms 20 auf der Grundlage eines Trajektorienplanungsalgorithmus 4ter Ordnung, wobei ein abgeleitetes Ruckprofil definiert und viermal integriert wird, um ein Bewegungsprofil zu erhalten.
• 6 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Eingriffs- und Trennprofil als eine gewünschte Trajektorie für die Position des Aktuatorarms 20 veranschaulicht. 7 zeigt Diagramme, die ein Beispiel dafür veranschaulichen, wie man ein auf dem abgeleiteten Ruck basierendes Bewegungsprofil erzeugt. Auf diese Weise werden schnelle und weiche Beschleunigungsprofile zum Verringern von Stoßkräften erzeugt.
• Um einen Bewegungsregler 12 zu entwerfen, präsentiert sich das Diskrete-Zeit-Modell eines DC-Motors 15 als: $$\begin{array}{l}{\theta }_{k+1}={\theta }_k+T_s\left({\omega }_k\right)\\ {\omega }_{k+1}={\omega }_k+T_s\left(\frac{k_t}{J}{i}_k-\frac{1}{J}{\tau }_{L,k}\right)\\ i_{k+1}=i_k+T_s\left(-\frac{R}{L}{i}_k-\frac{k_e}{L}{\omega }_k+\frac{1}{L}{u}_k\right)\\ {\tau }_{m,k}=k_t{i}_k\end{array}$$

  
• In diesen Gleichungen sind die Zustände x die Folgenden:

θ

Rotorposition

ω

Rotordrehzahl

i

Läuferstrom

τm

mechanisches Drehmoment

• Die Parameter sind:

R

Läuferwiderstand

L

Läuferinduktivität

kt

Drehmomentkonstante

ke

Konstante der elektromotorischen Gegenkraft (GEMK)

J

Motorträgheitsmoment

Ts

Abtastzeit

u

Läuferspannung

• τ_L wird als ein Lastdrehmoment und eine unbekannte Störung angenommen und der Index k ist der Abtastzeitpunkt. Ferner ist die Läuferspannung gleich u = DutyCycle· VDC, wobei VDC die Größe der Spannungsversorgung ist.
• Hinsichtlich des Zahnradwerks 19 und der Trägheitseffekte wurde ein äquivalentes Trägheitsmoment verwendet. Ein zweistufiges Zahnradwerk 19 mit verzahnten Zahnrädern G1, G2 und G3, G4, angekoppelt an einen DC-Motor 15 und eine Rotationslast 24, wie in 8 gezeigt, werden angenommen.
• Unter Bezugnahme auf 8 repräsentieren N1 - N4 die Anzahl der Zähne des jeweiligen Zahnrads G1, G2, G3, G4. Unter Verwendung der folgenden Gleichung ist es möglich, ein äquivalentes Trägheitsmoment zu schätzen: $$J_{eq}=J_{motor}+J_{gear1}+{\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2\left(J_{gear2}+J_{gear3}+{\left(\frac{N_3}{N_4}\right)}^2\left(J_{gear4}+J_{load}\right)\right)$$

  

  Wobei J_xx die Rotationsträgheitsmomente (kgm2) der verschiedenen Komponenten repräsentiert. Die Terme N1/N2 und N3/N4 sind die Inversen der Übersetzungsverhältnisse. Schließlich würde der Term J_load das transformierte Rotationsträgheitsmoment des Aktuatorarms 20 repräsentieren, welches in diesem Fall gleich null ist, da die lineare Trägheit des Aktuatorarms 20 bereits in dem Aktuatorarmmodell berücksichtigt ist.
• Betrachtet man das äquivalente Trägheitsmoment, so ist es offensichtlich, dass die Trägheitsmomente des Motors und des ersten Zahnrads vorherrschend sind, wohingegen die Auswirkungen der übrigen Zahnräder durch die Reduktionen vermindert werden. Die Terme (N1/N2)² und (N3/N4)² sind sehr klein, was wiederum die Auswirkung der diese multiplizierenden Trägheitsmomente minimiert. Daher wird das Motorträgheitsmoment J in dem mathematischen Modell des DC-Motors 15 durch das äquivalente Trägheitsmoment J_eq ersetzt.
• In diesem Falle kann ein Winkelpositionssensor zum Schätzen der Drehzahl verwendet werden. Der Winkelpositionssensor kann sich zwischen dem Getriebe 1 und dem Aktuatorarm 20 befinden. In diesem Falle muss die Reduktion des Getriebes 1 für das mathematische Modell des DC-Motors 15 berücksichtigt werden. Da die durch den DC-Motor 15 eingebrachte Leistung an dem Eingang und dem Ausgang des Getriebes 1 dieselbe ist, wobei τ'm und ω' das Drehmoment und die Drehzahl an dem Ausgang des Getriebes 1 sind, kann sie folgendermaßen geschrieben werden: $${\tau }_m^{\text{'}}\omega \text{'}={\tau }_m\omega$$

  

  wobei ω'=ω/n und τ'_m=n τ_m mit n als die Reduktion ist; auch wird die Winkelposition am Aktuatorarm 20 durch θ'=θ/n repräsentiert. Gemäß den für eine Messung zur Verfügung stehenden Variablen, die Position θ' des Aktuatorarms 20, ist das mathematische Modell des DC-Motors 15 definiert als: $$\begin{array}{l}\theta {\text{'}}_{k+1}=\theta {\text{'}}_k+T_s\left(\omega {\text{'}}_k\right)\\ \omega {\text{'}}_{k+1}=\omega {\text{'}}_k+T_s\left(\frac{k_t}{n{J}_{eq}}{i}_k-\frac{1}{n{J}_{eq}}{\tau }_{L,k}\right)\\ i_{k+1}=i_k+T_s\left(-\frac{R}{L}{i}_k-\frac{k_e}{L}n\omega \text{'}+\frac{1}{L}{u}_k\right)\\ {\tau }_{m,k}=k_t{i}_k\\ \tau {\text{'}}_{m,k}=n{k}_t{i}_k\end{array}$$

  
• Sliding-Mode-Regler mit einer reduzierten Sliding-Oberfläche
• Die Aufgabe dieses vorgeschlagenen Bewegungsreglers besteht darin, eine Abhängigkeit von den Systemparametern wie R, L, k_t, k_e, J zu vermeiden und Verwendung der Motorstromvariable zu vermeiden, um welliges Drehmoment und Chattering der Regelvariable abzumildern. Die Ausgabevariable des Bewegungsreglers ist das Tastverhältnis für die PWM-Schnittstelle 17, 9 veranschaulicht ein Regelschema. Um die Regelsynthese zu beschreiben, werden die Zustandsvariablen, die gemessenen Variablen und die zu regelnden Variablen jeweils als x = [θ',ω',i,τ_m,k],η = [θ',i] und y = θ' definiert.
• Zunächst wird der Verfolgungsfehler definiert als $$z_{\mathrm{1,}k}=\theta {\text{'}}_k-\theta {\text{'}}_{d,k}$$

  

  wobei θ'_d,k der gewünschte Wert für die Winkelposition des Aktuatorarms 20 ist, definiert durch den Trajektorienplaner, und ein angemessen beschränktes Signal mit beschränkten Inkrementen ist.
• Dann wird die reduzierte Sliding-Oberfläche nur als eine Funktion des Verfolgungsfehlers der Position des Aktuatorarms 20 folgendermaßen vorgeschlagen: $$s_k=c{z}_{\mathrm{1,}k}+c_d\frac{d}{dt}{z}_{\mathrm{1,}k}$$

  
• Ein Stabilisierungsterm c wird zum asymptotischen Erreichen der Sliding-Oberfläche und zum Vermeiden einer Regelung mit hoher Schleifenverstärkung hinzugefügt und ein Integralterm C_d wird zum Verwerfen nichtmodellierter Dynamik und zum Verringern des Stationärzustandsfehlers hinzugefügt.
• Dann wird die Regelvariable u mit einem Super-Twisting-Algorithmus berechnet, welcher auf einem Sliding-Mode-Regler zweiter Ordnung basiert und welcher definiert ist als $$\begin{array}{l}{u}_k=-K_{S{T}_1}\sqrt{\left|s_k\right|}sign\left(s_k\right)+{\gamma }_k\\ {\gamma }_{k+1}={\gamma }_k-T_s\left(K_{S{T}_2}\sqrt{\left|s_k\right|}sign\left(s_k\right)+K_{S{T}_3}{\gamma }_k\right)\end{array}$$

  

  mit Y als ein Zustand des Super - Twisting - Algorithmus und K_ST1 , K_ST2 K_ST3 als positive Reglerverstärkungen. Dann erreicht das geschlossene Regelungssystem die Sliding-Mannigfaltigkeit s=0 in endlicher Zeit und daher tendiert der Verfolgungsfehler der Position des Aktuatorarms 20 gegen null.
• Das gewünschte Trajektorienprofil in Grad ist in 6 präsentiert, wobei die Aufgabe darin besteht, unter Verwendung des vorgeschlagenen Sliding-Mode-Reglers in einer Zeit von 150 ms einzugreifen und zu trennen.
• Die Leistungsfähigkeit des Regelalgorithmus ist hinreichend und die Zeit für die Eingriffs- und Trennprozesse D ist geringer als 150 ms.
• Der vorgeschlagene Regler, d. h. der Sliding-Mode-Regler mit einer reduzierten Sliding-Oberfläche ist einfach zu implementieren. Darüber hinaus benötigt dieser Regler die Motorstromvariable nicht, welche in diesem Regler lediglich zum Schutz verwendet wird, und Kenntnis der Parameter ist ebenfalls nicht notwendig.
• Das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung, insbesondere der Sliding-Mode-Regler mit einer reduzierten Sliding-Oberfläche, erlaubt einen schnellen und weichen Eingriff und ebensolches Trennen eines Klauenkupplungssystems, z. B. mit den folgenden Eigenschaften:
• - Eingriffsprozess in 150 ms oder weniger,
• - Trennprozess D in 150 ms oder weniger,
• - Regeln eines DC-Motors 15 als ein Aktuator des Klauenkupplungssystems,
• - robuster und einfacher Regelalgorithmus zum Implementieren in einem kostengünstigen Mikrocontroller,
• - Folgen von weichen Bewegungsprofilen zum Verringern von Stößen auf die Klauen,
• - keine Abhängigkeit von Systemparametern.
• Das Klauenkupplungssystem muss nicht über Synchronkegel oder - ringe verfügen, was das System einfach und klein macht und gleichzeitig die Schwierigkeit des Eingriffs erhöht. Der Regelalgorithmus liefert eine Flexibilität zum Implementieren in verschiedenen Klauenkupplungsgeometrien.
• Der Regelalgorithmus kann in einem beliebigen System angewandt werden, in dem eine Position von einem DC-Motor 15 als ein Aktuator zum Verfolgen von schnellen und weichen Trajektorienprofilen geregelt werden soll. Andere Anwendungen bestehen möglicherweise bei kontinuierlich variablen Kraftübertragungen (CVT).
• Der vorgeschlagene Regelalgorithmus wurde auf einer Testbank implementiert. Die Testbank weist die folgenden mechanischen Komponenten auf:
• - ein Zahnradwerk 19, das zum Verstärken des Drehmoments und zum Verringern der Drehzahl des DC-Motors 15 verwendet wird,
• - einen Aktuatorarm 20 zum Umsetzen des Drehmoments in eine Kraft, um die Kraft auf eine Schaltgabel einer Klauenkupplung 8.1 anzuwenden,
• - eine Klauenkupplung 8.1 zum mechanischen Eingreifen oder Trennen verschiedener Zahnräder im Inneren des Getriebes 1. Die Klauenkupplung 8.1 weist zwei Zahnräder 21, 22, eine Schiebehülse 23, welche durch die an der Schaltgabel eingebrachte Kraft auf einer Nabe gleitet, auf.
• Darüber hinaus weist die Testbank verschiedene elektrische Komponenten auf:
• - einen DC-Motor 15 zum Liefern des Drehmoments an das Zahnradwerk 19,
• - einen Winkelsensor zum Messen der Position einer Welle zwischen dem Zahnradwerk 19 und dem Aktuatorarm 20,
• - eine Stromversorgungsspannung 14
• - eine elektrische Steuerungseinheit, welche durch die H-Brücke 16, die PWM-Schnittstelle 17 und einen Mikrocontroller integriert ist, wo der Trajektorienplaner 11 und der Bewegungsregler 12 implementiert sind.
• Das gewünschte Trajektorienprofil in Grad für den Armaktuator setzt die drei vorgeschlagenen Phasen, Annäherung, Kontakt und Einsatz, für den Eingriffsprozess in 150 ms ein und der Trennprozess D wird ebenfalls in 150 ms ausgeführt.
• Die Ergebnisse präsentieren zufriedenstellenden Eingriff und zufriedenstellendes Trennen innerhalb einer Zeit von 150 ms, trotz Störungen beim Einsatz, der mechanischen Toleranzen und des Rückschlags an den Zahnrädern. Weiterhin ist der Regelalgorithmus in der Lage zum Anpassen des Trajektorienprofils gemäß der unbekannten relativen Position der Zahnräder beim Einsatz, um mit unterschiedlichen Drehzahlen zwischen Zahnrädern einzugreifen und mit unterschiedlichen Drehmomentlasten zu trennen.
• Bezugszeichenliste

1

Getriebe

2

erste Eingangswelle

3

Brennkraftmaschine

4

zweite Eingangswelle

5

erster Elektroantrieb

6

dritte Eingangswelle

7

zweiter Elektroantrieb

8.1, 8.2

Klauenkupplung

9

Steuerungseinheit

10

Regelalgorithmus

11

Trajektorienplaner

12

Bewegungsregler

13

elektrische Topologie

14

Spannungsversorgung

15

DC-Motor

16

H-Brücke

17

PWM-Schnittstelle

18

mechanische Topologie

19

Zahnradwerk

20

Aktuatorarm

21

erstes Zahnrad

21.1

Klaue

22

zweites Zahnrad

22.1

Klaue

23

Schiebehülse

23.1

Klaue

23.2

Klaue

24

Rotationslast

CD

Freistelldistanz

D

Trennprozess

G1 - G4

Zahnrad

ID

Einsatzdistanz

N1 - N4

Anzahl der Zähne

P1

erste Phase

P2

zweite Phase

P3

dritte Phase

S

Schaltsignale

S1 - S4

Gang

Claims (12)

1. Verfahren zum Steuern einer Klauenkupplung (8.1, 8.2) durch einen DC-Motor (15), der ausgelegt ist zum Bewegen der Klauenkupplung (8.1, 8.2) über einen Aktuatorarm (20), der eine Winkelbewegung in eine lineare Bewegung ändert, wobei das Verfahren Anlegen einer pulsweitenmodulierten Spannung an den DC-Motor (15) mit einem Tastverhältnis aufweist, wobei das Tastverhältnis durch einen Regelalgorithmus (10) geliefert wird, wobei der Regelalgorithmus (10) Folgendes aufweist: einen Trajektorienplaner (11), der eine auf einem Trajektorienplanungsalgorithmus 4ter Ordnung basierende gewünschte Position des Aktuatorarms (20) erzeugt, und einen Bewegungsregler zum Verfolgen einer gewünschten Position des Aktuatorarms (20), wobei der Bewegungsregler auf der Sliding-Mode-Theorie basiert, wobei der Bewegungsregler eine Sliding-Mode-Regelung anwendet, wobei die Sliding-Mode-Regelung eine Sliding-Oberfläche definiert, und wobei der Sliding-Mode-Regler einen Super-Twisting-Algorithmus aufweist, der auf einem Sliding-Mode-Regler zweiter Ordnung basiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Trajektorienplaner (11) eine gewünschte Position des Aktuatorarms (20) für den Bewegungsregler definiert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gewünschte Position des Aktuatorarms (20) auf abgeleiteten Ruckprofilen basierend vorgeschlagen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die gewünschte Position des Aktuatorarms (20) für einen Eingriffsprozess der Klauenkupplung (8.1, 8.2) durch drei Phasen definiert wird: Annäherung, Kontakt und Einsatz.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der dreiphasige Eingriffsprozess in 150 ms oder weniger ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sliding-Mode-Regler unabhängig von einem Motorstrom des DC-Motors (15) ist, um Drehmomentwelligkeit und Chattering der Regelvariable zu vermeiden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine reduzierte Sliding-Oberfläche als eine Funktion einer einzigen Verfolgungsfehlervariablen für die Position des Aktuatorarms (20) für den Sliding-Mode-Regler definiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die reduzierte Sliding-Oberfläche auf einem Stabilisierungsterm basiert, zum asymptotischen Erreichen der Sliding-Oberfläche und zum Vermeiden einer Regelung mit hoher Schleifenverstärkung, und auf einem Integralterm basiert, zum Verwerfen nichtmodellierter Dynamik und zum Verringern des Stationärzustandsfehlers.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die reduzierte Sliding-Oberfläche unabhängig von Systemparametern (R, L, k_t, k_e, J) und Zahnradgeometrien ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Super-Twisting-Algorithmus zum Berechnen einer Regelvariable verwendet wird, welche zum Schätzen des Tastverhältnisses verwendet wird.
11. Anordnung, aufweisend ein Getriebe (1) und einen Zahnradaktuator, wobei das Getriebe (1) eine Reihe von Zahnrädern (21, 22) und eine Klauenkupplung (8.1, 8.2) aufweist, die ausgelegt ist zum Eingreifen an mindestens einem der Zahnräder (21, 22), wobei der Zahnradaktuator einen DC-Motor (15) aufweist, der ausgelegt ist zum Bewegen der Klauenkupplung (8.1, 8.2) über einen Aktuatorarm (20) und ausgelegt ist zum Steuern der Klauenkupplung (8.1, 8.2) mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das Getriebe (1) ein dediziertes Hybridgetriebe ist.

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