DE102020104314A1 - Test bench for testing a drive component with a shaft using a model to calculate a future value of a state variable of the shaft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Prüfstand (1) zum Prüfen einer Antriebskomponente (2) für ein Fahrzeug (3), der Prüfstand (1) aufweisend eine Welle (4), einen Elektromotor (5), der mit der Antriebskomponente (2) über die Welle (4) mechanisch koppelbar ist, und ein Steuergerät (6) mit einem kinematischen Modell (7) zur Modellierung eines kinematischen Systems (8), das zumindest die Antriebskomponente (2), den Elektromotor (5) und die Welle (4) aufweist, wobei das Steuergerät (6) eingerichtet und ausgebildet ist, mithilfe des kinematischen Modells (7) zumindest einen zukünftigen Wert einer Zustandsgröße der Welle (4) für einen zukünftigen Zeitraum zu berechnen und in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle (4) die Zustandsgröße der Welle (4) zu regeln.The invention relates to a test bench (1) for testing a drive component (2) for a vehicle (3), the test bench (1) has a shaft (4), an electric motor (5) which is connected to the drive component (2) via the shaft (4) can be coupled mechanically, and a control device (6) with a kinematic model (7) for modeling a kinematic system (8) which has at least the drive component (2), the electric motor (5) and the shaft (4), The control device (6) is set up and designed to use the kinematic model (7) to calculate at least one future value of a state variable of the shaft (4) for a future period of time and, depending on the future value of the state variable of the shaft (4), the state variable to regulate the shaft (4).
Description
Die Erfindung betrifft einen Prüfstand zum Prüfen einer Antriebskomponente für ein Fahrzeug aufweisend eine Welle und einen Elektromotor, der mit der Antriebskomponente über die Welle mechanisch koppelbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Prüfen einer Antriebskomponente für ein Fahrzeug.The invention relates to a test bench for testing a drive component for a vehicle having a shaft and an electric motor which can be mechanically coupled to the drive component via the shaft. The invention further relates to a drive system for a vehicle and a method for testing a drive component for a vehicle.
Die
Es wird ein Prüfstand zum Prüfen einer Antriebskomponente für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Der Prüfstand weist eine Welle, einen Elektromotor, der mit der Antriebskomponente über die Welle mechanisch koppelbar ist, und ein Steuergerät mit einem kinematischen Modell zur Modellierung eines kinematischen Systems auf. Das kinematische System weist zumindest die Antriebskomponente, den Elektromotor und die Welle auf. Das Steuergerät ist eingerichtet und ausgebildet, mithilfe des kinematischen Modells zumindest einen zukünftigen Wert einer Zustandsgröße der Welle für einen zukünftigen Zeitraum zu berechnen und in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle die Zustandsgröße der Welle zu regeln. Die Zustandsgröße der Welle ist bei einer derartigen Regelung bevorzugt eine Regelgröße.A test bench for testing a drive component for a vehicle is proposed. The test bench has a shaft, an electric motor that can be mechanically coupled to the drive component via the shaft, and a control unit with a kinematic model for modeling a kinematic system. The kinematic system has at least the drive component, the electric motor and the shaft. The control device is set up and designed to use the kinematic model to calculate at least one future value of a state variable of the shaft for a future period and to regulate the state variable of the shaft as a function of the future value of the state variable of the shaft. In the case of such a control, the state variable of the shaft is preferably a controlled variable.
Um die Zustandsgröße der Welle zu regeln, weist das Steuergerät vorteilhaft einen Regler auf, der in Abhängigkeit von einer Führungsgröße, die in Form eines Sollwertes der Zustandsgröße der Welle ausgeführt sein kann, und einem Wert der Zustandsgröße der Welle einen Wert einer Stellgröße zum Verstellen der Zustandsgröße der Welle berechnet. Das Steuergerät ist bevorzugt eingerichtet, den Wert der Stellgröße an die Antriebskomponente oder den Elektromotor zu senden. Die Antriebskomponente, die Welle und der Elektromotor bilden bevorzugt eine Regelstrecke aus, wenn die Antriebskomponente kinematisch mit dem Elektromotor über die Welle gekoppelt ist. Die Stellgröße wirkt auf die Regelstrecke zum Verstellen des Wertes der Zustandsgröße der Welle. Die Welle kann als eine Abtriebswelle des Elektromotors ausgebildet sein.In order to regulate the state variable of the shaft, the control unit advantageously has a controller which, depending on a reference variable, which can be implemented in the form of a setpoint of the state variable of the shaft, and a value of the state variable of the shaft, a value of a manipulated variable for adjusting the State variable of the wave calculated. The control device is preferably set up to send the value of the manipulated variable to the drive component or the electric motor. The drive component, the shaft and the electric motor preferably form a controlled system if the drive component is kinematically coupled to the electric motor via the shaft. The manipulated variable acts on the controlled system for adjusting the value of the state variable of the shaft. The shaft can be designed as an output shaft of the electric motor.
Anhand des mithilfe des kinematischen Modells berechneten zukünftigen Wertes der Zustandsgröße kann mit dem Steuergerät ein Verhalten des Prüfstandes in dem zukünftigen Zeitraum abgeschätzt werden. Dadurch, dass das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet ist, die Zustandsgröße in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße zu regeln, stellt das Steuergerät eine modellprädiktive Regelung bereit. Die modellprädiktive Regelung kann insbesondere eine Regelgüte einer Regelung der Zustandsgröße der Welle mithilfe des Steuergerätes erhöhen.Based on the future value of the state variable calculated using the kinematic model, the behavior of the test bench in the future period can be estimated with the control unit. Because the control device is set up and designed to regulate the state variable as a function of the future value of the state variable, the control unit provides model-predictive control. The model predictive control can in particular increase the control quality of a control of the state variable of the shaft with the aid of the control device.
Vorteilhafterweise ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, einen zukünftigen Wert der Stellgröße zum Regeln der Zustandsgröße der Welle für den zukünftigen Zeitraum, bevorzugt mithilfe des Reglers, zu berechnen. Das Steuergerät bestimmt den zukünftigen Wert der Stellgröße bevorzugt mithilfe eines Optimierungsverfahrens. Das Optimierungsverfahren umfasst vorteilhaft eine Minimierung einer Kostenfunktion. Die Kostenfunktion gewichtet bevorzugt zumindest den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle, bevorzugt mehrere zukünftige Werte von Zustandsgrößen des kinematischen Systems, gegenüber dem zukünftigen Wert der Stellgröße, bevorzugt gegenüber mehreren zukünftigen Werten der Stellgröße.The control unit is advantageously set up and designed to calculate a future value of the manipulated variable for regulating the state variable of the shaft for the future period, preferably with the aid of the controller. The control unit preferably determines the future value of the manipulated variable using an optimization process. The optimization method advantageously includes a minimization of a cost function. The cost function preferably weights at least the future value of the state variable of the shaft, preferably several future values of state variables of the kinematic system, compared to the future value of the manipulated variable, preferably compared to several future values of the manipulated variable.
Der Prüfstand weist vorteilhaft Befestigungselemente zum Befestigen der Antriebskomponente an dem Prüfstand, wie zum Beispiel Gewinde zum Anschrauben der Antriebskomponente, auf. Der Prüfstand kann einen Prüfzustand einnehmen, in dem die Antriebskomponente an dem Prüfstand befestigt ist und über die Welle mechanisch mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Mit einer mechanischen Koppelung ist eine Koppelung gemeint, bei welcher ein von der Antriebskomponente auf die Welle wirkendes Drehmoment ein Drehmoment verursacht, das von der Welle auf den Elektromotor wirkt und ein von dem Elektromotor auf die Welle wirkendes Drehmoment ein Drehmoment verursacht, das von der Welle auf die Antriebskomponente wirkt. Das kinematische Modell ist eingerichtet, das kinematische System in einem Zustand zu simulieren, bei dem die Antriebskomponente mechanisch mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Ist die Antriebskomponente nicht an dem Prüfstand befestigt, so befindet sich der Prüfstand in einem bestückbaren Zustand.The test stand advantageously has fastening elements for fastening the drive component to the test stand, such as threads for screwing on the drive component. The test stand can assume a test state in which the drive component is attached to the test stand and is mechanically coupled to the electric motor via the shaft. By mechanical coupling is meant a coupling in which a torque acting on the shaft from the drive component causes a torque acting on the electric motor from the shaft and a torque acting on the shaft by the electric motor causes a torque generated by the shaft acts on the drive component. The kinematic model is set up to simulate the kinematic system in a state in which the drive component is mechanically coupled to the electric motor. If the drive component is not attached to the test bench, the test bench is in an equipable state.
Das Fahrzeug kann in Form eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens, eines Schienenfahrzeugs, eines Schiffes oder eines beliebigen Fahrzeugs, welches mithilfe eines durch die Antriebskomponente erzeugten Drehmomentes antreibbar ist, ausgebildet sein. Die Antriebskomponente ist bevorzugt in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Der Elektromotor kann ein Dynamometer sein. Die Zustandsgröße der Welle kann beispielsweise eine Drehzahl oder ein auf die Welle wirkendes Drehmoment sein.The vehicle can be in the form of a passenger car, a truck, a rail vehicle, a ship or any vehicle that can be driven using a torque generated by the drive component. The drive component is preferably in the form of a Internal combustion engine trained. The electric motor can be a dynamometer. The state variable of the shaft can be, for example, a speed or a torque acting on the shaft.
Ist die Zustandsgröße der Welle die Drehzahl der Welle, ist das Steuergerät bevorzugt eingerichtet und ausgebildet, die Drehzahl der Welle mithilfe des zukünftigen Wertes der Drehzahl zu regeln. Dies kann es erleichtern, die Antriebskomponente mithilfe des Prüfstands bei vorgegebenen Solldrehzahlen zu betreiben, wobei ein jeweiliger aktueller Wert der Drehzahl der Welle eine geringere Abweichung von der entsprechenden Solldrehzahl im Vergleich zu einer Regelung ohne eine Berechnung des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße aufweisen kann. Dadurch kann ein Kennfeld der Antriebskomponente für ein Steuergerät eines Fahrzeugs mit einer vergleichsweise hohen Präzision erstellt werden.If the state variable of the shaft is the speed of the shaft, the control device is preferably set up and designed to regulate the speed of the shaft using the future value of the speed. This can make it easier to operate the drive component at the specified setpoint speeds using the test bench, with a respective current value of the shaft speed being able to have a smaller deviation from the corresponding setpoint speed compared to a control system without calculating the future value of the state variable. As a result, a map of the drive component for a control unit of a vehicle can be created with a comparatively high precision.
Der Prüfstand ist vorteilhaft ausgebildet, die Welle mithilfe des Elektromotors mit einem von dem Elektromotor auf die Welle wirkenden Drehmomentes, im Folgenden als Dynamometerdrehmoment bezeichnet, zu beaufschlagen. Bevorzugt ist das Dynamometerdrehmoment die Stellgröße zum Regeln der Zustandsgröße, insbesondere der Drehzahl, der Welle. Vorteilhafterweise ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, den Elektromotor derart zu steuern oder zu regeln, dass die Welle mit dem Dynamometerdrehmoment beaufschlagt wird. Das Prüfen der Antriebskomponente kann ein Betreiben der Antriebskomponente bei einer der vorgegebenen Solldrehzahlen umfassen.The test stand is advantageously designed to apply a torque acting on the shaft from the electric motor, hereinafter referred to as dynamometer torque, using the electric motor. The dynamometer torque is preferably the manipulated variable for regulating the state variable, in particular the speed, of the shaft. The control unit is advantageously set up and designed to control or regulate the electric motor in such a way that the dynamometer torque is applied to the shaft. The testing of the drive component can include operating the drive component at one of the predetermined target speeds.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, zumindest einen zukünftigen Wert einer Störgröße des kinematischen Systems für den zukünftigen Zeitraum zu berechnen und in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Störgröße die Zustandsgröße der Welle zu regeln. Die Störgröße kann auf die Regelstrecke derart wirken, dass sie den Wert der Zustandsgröße der Welle verändert.In a preferred embodiment, the control device is set up and designed to calculate at least one future value of a disturbance variable of the kinematic system for the future period and to regulate the state variable of the shaft as a function of the future value of the disturbance variable. The disturbance variable can act on the controlled system in such a way that it changes the value of the state variable of the shaft.
Wird die Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Störgröße geregelt, kann die Regelgüte der Regelung der Zustandsgröße der Welle mithilfe des Steuergerätes weiter erhöht werden.If the state variable of the shaft is controlled as a function of the future value of the disturbance variable, the control quality of the regulation of the state variable of the shaft can be increased further using the control unit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Prüfstand einen Sensor zum Erfassen eines Messwertes einer Zustandsgröße des kinematischen Systems aufweist. Im Rahmen dieser Ausgestaltung ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet ist, einen Wert der Zustandsgröße des kinematischen Systems zu schätzen und mithilfe des Messwertes der Zustandsgröße des kinematischen Systems eine Korrektur des geschätzten Wertes der Zustandsgröße des kinematischen Systems durchzuführen. Weiterhin ist bei dieser Ausgestaltung das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet ist, als Ergebnis der Korrektur einen korrigierten geschätzten Wert der Zustandsgröße des kinematischen Systems zu ermitteln und den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit des korrigierten geschätzten Wertes der Zustandsgröße des kinematischen Systems zu berechnen. Dadurch ist es möglich, aktuelle Sensordaten, wie zum Beispiel den Messwert der Zustandsgröße des kinematischen Systems, beim Regeln der Zustandsgröße der Welle zu berücksichtigen. Dies kann die Regelgüte weiter erhöhen.In an advantageous embodiment it is provided that the test stand has a sensor for detecting a measured value of a state variable of the kinematic system. As part of this configuration, the control device is set up and designed to estimate a value of the state variable of the kinematic system and to correct the estimated value of the state variable of the kinematic system with the aid of the measured value of the state variable of the kinematic system. Furthermore, in this embodiment, the control device is set up and designed to determine a corrected estimated value of the state variable of the kinematic system as a result of the correction and to calculate the future value of the state variable of the shaft as a function of the corrected estimated value of the state variable of the kinematic system. This makes it possible to take current sensor data, such as the measured value of the state variable of the kinematic system, into account when regulating the state variable of the shaft. This can further increase the control quality.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet ist, bei einer Durchführung der Korrektur des geschätzten Wertes der Zustandsgröße des kinematischen Systems einen Einfluss der Störgröße auf das kinematische System zu berücksichtigen. Wird die Korrektur derartig durchgeführt, stellt das Steuergerät einen Störgrößenbeobachter bereit, mit dem der stationäre Regelfehler kompensiert werden kann. Dies wirkt sich vor allem im Zusammenhang mit der modellprädiktiven Regelung besonders vorteilhaft aus, weil die modellprädiktive Regelung eine Entstehung von stationären Regelfehlern verursachen kann. Des Weiteren kann ein transienter Regelfehler reduziert werden, wenn bei der Durchführung der Korrektur der Einfluss der Störgröße berücksichtigt wird.An advantageous development provides that the control device is set up and designed to take into account an influence of the disturbance variable on the kinematic system when carrying out the correction of the estimated value of the state variable of the kinematic system. If the correction is carried out in this way, the control unit provides a disturbance variable observer with whom the stationary control error can be compensated. This is particularly advantageous in connection with the model predictive control, because the model predictive control can cause stationary control errors to occur. Furthermore, a transient control error can be reduced if the influence of the disturbance variable is taken into account when performing the correction.
Der stationäre Regelfehler kann somit kompensiert und der transiente Regelfehler reduziert werden, indem das Steuergerät die Zustandsgröße der Welle auch in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Störgröße regelt. Des Weiteren kann dadurch das Optimierungsverfahren zur Bestimmung des zukünftigen Wertes der Stellgröße verbessert werden.The stationary control error can thus be compensated and the transient control error can be reduced by the control device regulating the state variable of the shaft also as a function of the future value of the disturbance variable. Furthermore, the optimization method for determining the future value of the manipulated variable can thereby be improved.
Die Begriffe Störgröße, Stellgröße, Regelgröße, Führungsgröße, Regelstrecke und Regler bezeichnen jeweils den Begriff Störgröße, Stellgröße, Regelgröße, Führungsgröße, Regelstrecke beziehungsweise Regler, wie er auf dem Gebiet der Regelungstechnik standardmäßig verwendet wird und insbesondere nach DIN 19226 „Leittechnik, Regelungstechnik und Steuerungstechnik“ genormt ist. In den meisten Fällen ist ein Wert der Störgröße nicht modellierbar beziehungsweise kann nicht für den zukünftigen Zeitraum berechnet werden. Insbesondere unterscheidet sich die Störgröße von der Regelgröße dadurch, dass das kinematische Modell die Regelgröße aber nicht die Störgröße berücksichtigt.The terms disturbance variable, manipulated variable, controlled variable, command variable, controlled system and controller each denote the term interfering variable, manipulated variable, controlled variable, command variable, controlled system or controller as it is used as standard in the field of control technology and in particular according to DIN 19226 “Control technology, control technology and control technology “Is standardized. In most cases, a value of the disturbance variable cannot be modeled or cannot be calculated for the future period. In particular, the disturbance variable differs from the controlled variable in that the kinematic model considers the controlled variable but not the disturbance variable.
In einer Weiterbildung ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit zumindest einer Totzeit des Prüfstands zu berechnen. Die Totzeit kann durch Verzögerungen bei einer Kommunikation von Signalen, die an das Steuergerät gesendet werden, verursacht werden. Beispielsweise kann ein Drehzahlsensor Positionen der Welle abtasten und diese an das Steuergerät senden, wobei das Steuergerät diese mit einer Signalverzögerung empfangen kann. Des Weiteren kann die Totzeit bei einem Einstellen der Stellgröße, beispielsweise durch benötigte Rechenzeiten bei einer digitalen Datenverarbeitung, die beispielsweise in dem Steuergerät oder einem Frequenzumrichter stattfinden können, entstehen. Vorteilhafterweise berechnet das Steuergerät einen Wert der Kostenfunktion in Abhängigkeit der Totzeit. Dadurch kann das Optimierungsverfahren zur Bestimmung des zukünftigen Wertes der Stellgröße weiter verbessert werden.In one development, the control device is set up and designed to calculate the future value of the state variable of the shaft as a function of at least one dead time of the test bench. The dead time can be caused by delays in communication of signals that are sent to the control unit. For example, a speed sensor can scan positions of the shaft and send them to the control unit, the control unit being able to receive them with a signal delay. Furthermore, the dead time can occur when the manipulated variable is set, for example due to required computing times in digital data processing, which can take place, for example, in the control unit or a frequency converter. The control unit advantageously calculates a value of the cost function as a function of the dead time. As a result, the optimization method for determining the future value of the manipulated variable can be further improved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, mithilfe des kinematischen Modells die Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit des mithilfe des Elektromotors erzeugbaren auf die Welle wirkenden Drehmomentes, d.h. dem Dynamometerdrehmoment, zu regeln und das mithilfe des Elektromotors erzeugbare Drehmoment in Abhängigkeit einer Simulation zumindest einer Komponente eines Antriebsstranges des Fahrzeugs zu bestimmen. Bei dieser Ausführungsform kann das Steuergerät eine Recheneinheit zur Simulation zumindest der Komponente des Antriebsstranges umfassen. Beispielsweise kann das Steuergerät eingerichtet sein, eine Getriebedrehzahl oder einen zeitlichen Verlauf der Getriebedrehzahl anhand der Simulation der Komponente des Antriebsstranges zu bestimmen und in Abhängigkeit der Getriebedrehzahl oder des zeitlichen Verlaufes der Getriebedrehzahl das Dynamometerdrehmoment zu berechnen.In an advantageous embodiment, the control device is set up and designed to use the kinematic model to determine the state variable of the shaft as a function of the torque that can be generated on the shaft using the electric motor, i.e. regulating the dynamometer torque and determining the torque that can be generated with the aid of the electric motor as a function of a simulation of at least one component of a drive train of the vehicle. In this embodiment, the control unit can comprise a computing unit for simulating at least the component of the drive train. For example, the control unit can be set up to determine a transmission speed or a time course of the transmission speed using the simulation of the component of the drive train and to calculate the dynamometer torque as a function of the transmission speed or the time course of the transmission speed.
Vorteilhafterweise ist die Recheneinheit eingerichtet, die Komponente, mehrere Komponenten oder alle Komponenten des Antriebsstranges, bevorzugt unter Berücksichtigung von jeweiligen Massenträgheitsmomenten der Komponenten des Antriebsstranges und Dämpfungselementen des Antriebsstranges, zu simulieren.The computing unit is advantageously set up to simulate the component, several components or all components of the drive train, preferably taking into account the respective moments of inertia of the components of the drive train and damping elements of the drive train.
Dadurch, dass das Steuergerät das Dynamometerdrehmoment in Abhängigkeit der Simulation bestimmt, kann die Antriebskomponente in Form eines „Engine in the Loop“- Testverfahrens mit dem Prüfstand geprüft werden. Dies kann ein Hardwareaufwand dahingehend reduzieren, dass die Komponente des Antriebsstranges nicht in Form von Hardware bereitgestellt werden muss, um ein Zusammenwirken der Antriebskomponente mit der Komponente des Antriebsstranges zu testen oder zu optimieren. Die Komponente des Antriebsstranges kann beispielsweise ein Getriebe, ein Schwungrad, eine Kupplung, ein Differential oder ein Rad sein.Because the control unit determines the dynamometer torque as a function of the simulation, the drive component can be tested with the test bench in the form of an “engine in the loop” test procedure. This can reduce hardware expenditure to the extent that the component of the drive train does not have to be provided in the form of hardware in order to test or optimize the interaction of the drive component with the component of the drive train. The drive train component may be, for example, a transmission, a flywheel, a clutch, a differential, or a wheel.
Das kinematische Modell kann in Form eines Berechnungsmoduls in dem Steuergerät gespeichert sein. Das Berechnungsmodul ist bevorzugt eingerichtet, in Abhängigkeit von einem ersten Wert einer Zustandsgröße oder ersten Werten von Zustandsgrößen des kinematischen Systems den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle, bevorzugt in Abhängigkeit einer Massenträgheit der Antriebskomponente und einer Massenträgheit des Elektromotors, zu berechnen. Der erste Wert der Zustandsgröße beziehungsweise die ersten Werte der Zustandsgrößen des kinematischen Systems beziehen sich auf einen ersten Zeitraum, der zeitlich gesehen vor dem zukünftigen Zeitraum liegt. Der zukünftige Zeitraum und/oder der erste Zeitraum können infinitesimal klein sein und in Form eines zukünftigen Zeitpunktes beziehungsweise ersten Zeitpunktes ausgebildet sein.The kinematic model can be stored in the control unit in the form of a calculation module. The calculation module is preferably set up to calculate the future value of the state variable of the shaft, preferably as a function of a mass inertia of the drive component and a mass inertia of the electric motor, as a function of a first value of a state variable or first values of state variables of the kinematic system. The first value of the state variable or the first values of the state variables of the kinematic system relate to a first period of time that is temporally ahead of the future period. The future period and / or the first period can be infinitesimally small and be in the form of a future point in time or first point in time.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät eingerichtet und ausgebildet, den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit eines geschätzten Drehmomentes der Antriebskomponente zu bestimmen und das geschätzte Drehmoment der Antriebskomponente mithilfe eines Kennfeldes der Antriebskomponente zu ermitteln. Das geschätzte Drehmoment kann, wie unten beschrieben, in Form eines theoretischen Drehmomentes, bevorzugt in Abhängigkeit einer Fahrpedalstellung, mithilfe des Kennfeldes ermittelt werden. Das Kennfeld kann durch vorhergehende Prüfstandsversuche oder anhand einer Datenbank ermittelt werden. Die Datenbank umfasst vorteilhaft einen Satz von Kennfeldern von weiteren Antriebskomponenten, die mechanisch und thermisch ähnlich zu der Antriebskomponente sind.According to an advantageous embodiment, the control device is set up and designed to determine the future value of the state variable of the shaft as a function of an estimated torque of the drive component and to determine the estimated torque of the drive component using a characteristic diagram of the drive component. As described below, the estimated torque can be determined in the form of a theoretical torque, preferably as a function of an accelerator pedal position, using the characteristic diagram. The map can be determined by previous test bench tests or using a database. The database advantageously includes a set of characteristic maps of further drive components that are mechanically and thermally similar to the drive component.
Eine Berechnung des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle mithilfe des Kennfeldes hat den Vorteil, dass das Drehmoment der Antriebskomponente in Form des geschätzten Drehmomentes ermittelt werden kann, ohne eine Differentialgleichung wie beim Durchführen einer Simulation lösen zu müssen. Dadurch ist es möglich, den zukünftigen Wert der Zustandsgröße der Welle in Echtzeit zu ermitteln. Dies kann die Regelgüte der Regelung der Zustandsgröße der Welle mithilfe des Steuergerätes weiter erhöhen.A calculation of the future value of the state variable of the shaft using the characteristic diagram has the advantage that the torque of the drive component can be determined in the form of the estimated torque without having to solve a differential equation as when carrying out a simulation. This makes it possible to determine the future value of the state variable of the wave in real time. This can further increase the control quality of the control of the state variable of the shaft with the aid of the control device.
Das Kennfeld bildet vorteilhaft Werte von Zustandsgrößen der Antriebskomponente auf einen Wert des geschätzten Drehmomentes ab. Einer der Zustandsgrößen der Antriebskomponente kann eine Drehzahl der Antriebskomponente, insbesondere eine Drehzahl einer Kurbelwelle der Antriebskomponente, sein. Bevorzugt ist die Drehzahl der Antriebskomponente gleich der Drehzahl der Welle, wenn die Antriebskomponente mit dem Elektromotor über die Welle mechanisch gekoppelt ist. The characteristic diagram advantageously maps values of state variables of the drive component to a value of the estimated torque. One of the state variables of the drive component can be a rotational speed of the drive component, in particular a rotational speed of a crankshaft of the drive component. The speed of the drive component is preferably equal to the speed of the shaft if the drive component is mechanically coupled to the electric motor via the shaft.
Des Weiteren wird ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Antriebssystem weist eine Antriebskomponente, eine Welle, einen Elektromotor, der mit der Antriebskomponente über die Welle mechanisch gekoppelt ist, und ein Steuergerät mit einem kinematischen Modell zur Modellierung eines kinematischen Systems. Das kinematische System weist zumindest die Antriebskomponente, den Elektromotor und die Welle auf. Das Steuergerät des Antriebssystems ist eingerichtet und ausgebildet, mithilfe des kinematischen Modells zumindest einen zukünftigen Wert einer Zustandsgröße der Welle für einen zukünftigen Zeitraum zu berechnen und in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle die Zustandsgröße der Welle zu regeln. Dadurch, dass das Steuergerät des Antriebssystems eingerichtet ist, den zukünftigen Wertes der Zustandsgröße bei einer Regelung der Zustandsgröße der Welle zu berücksichtigen, kann ein Verhalten des Antriebssystems in dem zukünftigen Zeitraum abgeschätzt werden und dadurch eine Regelgüte erhöht werden. Das Steuergerät des Antriebssystems kann sich von dem Steuergerät des Prüfstandes unterscheiden. In einer davon verschiedenen Variante ist das Steuergerät des Antriebssystems gleich dem Steuergerät des Prüfstandes.A drive system for a vehicle is also proposed. The drive system has a drive component, a shaft, an electric motor that is mechanically coupled to the drive component via the shaft, and a control device with a kinematic model for modeling a kinematic system. The kinematic system has at least the drive component, the electric motor and the shaft. The control unit of the drive system is set up and designed to use the kinematic model to calculate at least one future value of a state variable of the shaft for a future period and to regulate the state variable of the shaft as a function of the future value of the state variable of the shaft. Because the control unit of the drive system is set up to take into account the future value of the state variable when regulating the state quantity of the shaft, a behavior of the drive system can be estimated in the future period and thereby a control quality can be increased. The control unit of the drive system can differ from the control unit of the test bench. In a different variant, the control unit of the drive system is the same as the control unit of the test bench.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Prüfen einer Antriebskomponente für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Die Antriebskomponente ist über eine Welle mechanisch mit einem Elektromotor koppelbar. Das Verfahren hat die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird ein zukünftiger Wert einer Zustandsgröße der Welle für einen zukünftigen Zeitraum mithilfe eines kinematischen Modells zur Modellierung eines kinematischen Systems berechnet. Das kinematische System weist zumindest die Antriebskomponente, den Elektromotor und die Welle auf.Furthermore, a method for testing a drive component for a vehicle is proposed. The drive component can be mechanically coupled to an electric motor via a shaft. The procedure has the following steps. In a first step, a future value of a state variable of the shaft for a future period is calculated using a kinematic model for modeling a kinematic system. The kinematic system has at least the drive component, the electric motor and the shaft.
In einem zweiten Schritt wird die Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle geregelt. Dadurch, dass bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Zustandsgröße der Welle in Abhängigkeit des zukünftigen Wertes der Zustandsgröße der Welle geregelt wird, können mit dem Verfahren die gleichen Vorteile wie mit dem vorgeschlagenen Prüfstand erzielt werden. Das Prüfen der Antriebskomponenten kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Drehzahl der Welle geregelt wird und bei einer erreichten Drehzahl Zustandsgrößen der Antriebskomponente gemessen und mit Grenzwerten verglichen werden. Die Zustandsgrößen können beispielsweise Konzentrationen von Schadstoffen in einem Abgas der Antriebskomponente sein.In a second step, the state variable of the shaft is regulated depending on the future value of the state variable of the shaft. Because the state variable of the shaft is regulated as a function of the future value of the state variable of the shaft in the proposed method, the method can achieve the same advantages as with the proposed test bench. The drive components can be checked, for example, in such a way that the rotational speed of the shaft is regulated and, when the rotational speed is reached, state variables of the drive component are measured and compared with limit values. The state variables can be concentrations of pollutants in an exhaust gas of the drive component, for example.
Sowohl das kinematische Modell des Steuergerätes des Antriebssystems als auch das kinematische Modell, wie es bei dem vorgeschlagenen Verfahren verwendet wird, können nach einer der oben oder im Folgenden beschriebenen Varianten des kinematischen Modells des Steuergerätes des Prüfstandes ausgebildet sein.Both the kinematic model of the control unit of the drive system and the kinematic model as used in the proposed method can be designed according to one of the variants of the kinematic model of the control unit of the test bench described above or below.
Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen. Das Computerprogrammprodukt umfasst ein Programm, das, wenn es von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlasst, ein Verfahren nach einer der oben oder im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen.A computer program product is also proposed. The computer program product comprises a program which, when executed by a computer, causes the computer to carry out a method according to one of the configurations described above or below.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt schematisch
-
1 ein Fahrzeug mit einer Antriebskomponente, -
2 einen Prüfstand zum Prüfen der in1 gezeigten Antriebskomponente mit einem Elektromotor, einer Welle und einem Steuergerät mit einem kinematischen Modell, -
3 eine schematische Skizze einer ersten Ausführungsform des in2 gezeigten kinematischen Modells, -
4 einen Regelkreis mit einem Regler zur Regelung einer Zustandsgröße der in2 gezeigten Welle, -
5 Schritte eines Verfahrens zum Prüfen der in1 gezeigten Antriebskomponente, -
6 ein Antriebssystem für ein weiteres Fahrzeug.
-
1 a vehicle with a drive component, -
2nd a test bench for testing the in1 shown drive component with an electric motor, a shaft and a control unit with a kinematic model, -
3rd is a schematic sketch of a first embodiment of the in2nd shown kinematic model, -
4th a control loop with a controller for regulating a state variable in2nd shown wave, -
5 Steps of a procedure for checking the in1 drive component shown, -
6 a drive system for another vehicle.
Bei der in
Eine dritte Berechnungseinheit
Eine fünfte Berechnungseinheit
Das kinematische System
Im Folgenden soll eine zweite Variante des kinematischen Modells
Die Einträge des Zustandsvektors x nehmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Werte an. Im Folgenden werden Werte des Zustandsvektors x, die sich auf einen ersten Zeitpunkt k beziehen, mit k referenziert und Werte des Zustandsvektors x, die sich auf einen zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt liegenden zweiten, d.h. zukünftigen, Zeitpunkt k+1 beziehen, mit k+1 referenziert. In gleicher Weise werden Werte des Zustandsvektors x, die sich auf einen zukünftigen Zeitpunkt k + n beziehen, der zeitlich gesehen n Zeitschritte hinter dem ersten Zeitschritt k liegt, mit k+n referenziert. Entsprechend ist mit x(k) der Zustandsvektor mit seinen Werten zum ersten Zeitpunkt k und mit x(k+1) der Zustandsvektor mit seinen Werten zum zweiten Zeitpunkt k+1 gemeint. Eine analoge Referenzierung durch die Terme k, k+1, k+n gilt für die Stellgröße u.The entries of the state vector x assume different values at different times. In the following, values of the state vector x which relate to a first point in time k are referenced with k and values of the state vector x which relate to a second point in time after the first point in time, i.e. future, refer to time k + 1, referenced with k + 1. In the same way, values of the state vector x which relate to a future point in time k + n, which is temporally seen n time steps behind the first time step k, are referenced with k + n. Accordingly, x (k) means the state vector with its values at the first point in time k and x (k + 1) means the state vector with its values at the second point in time k + 1. An analog referencing using the terms k, k + 1, k + n applies to the manipulated variable u.
Das Steuergerät
Mit TA ist eine Zeitschrittweite des Steuergerätes
Vorteilhafterweise bestimmt das Steuergerät
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät
Zwischenzeitschritte können mithilfe des Steuergerätes
Die Gleichung (7) kann durch ein iteratives Einsetzen der Zustandsraumgleichungen (1), (2) in die Gleichung (3) zur Prädiktion des zeitlich nach dem Zustandsvektor x(k + 1|k) folgenden Zustandsvektors x(k + 2|k) erstellt werden.Equation (7) can be iteratively substituted by state space equations (1), (2) in equation (3) to predict the state vector x (k + 2 | k) following the state vector x (k + 1 | k). to be created.
In vorteilhafterweise weist das Steuergerät
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuergerät
Weiterhin ist das Steuergerät
Dadurch, dass das Steuergerät
Vorteilhafterweise ist das Steuergerät eingerichtet, die Stellgröße
Um die Werte des Zustandsvektors x(k) zum ersten Zeitpunkt k ermitteln zu können, ist das Steuergerät
Vorteilhafterweise ist das Steuergerät
Bei einer Durchführung des Korrekturschrittes berechnet das Steuergerät
Liegt bei einer ersten Durchführung des Prädiktionsschrittes noch keine korrigierte geschätzte Kovarianzmatrix P(k) vor, so wird anstatt der korrigierten geschätzten Kovarianzmatrix P(k) eine initiale Kovarianzmatrix P0 verwendet. Entsprechend kann ein initialer korrigierter geschätzter Zustandsvektor x0 bei der ersten Durchführung des Prädiktionsschrittes verwendet werden.If a corrected estimated covariance matrix P (k) is not yet available when the prediction step is carried out for the first time, an initial covariance matrix P 0 is used instead of the corrected estimated covariance matrix P (k). Accordingly, an initial corrected estimated state vector x 0 can be used when the prediction step is carried out for the first time.
Bei einer Berechnung des Zustandsvektors x(k) entsprechend der Gleichung (13) und (14) werden die Einträge des Zustandsvektors x als Zufallsvariablen betrachtet, die normalverteilt um einzelne Einträge des geschätzten Zustandsvektors x̂(k) schwanken. Daher kann der Zustandsvektor x durch den korrigierten geschätzten Zustandsvektor x̂(k) und die korrigierte geschätzte Kovarianzmatrix P(k) beschrieben werden. Analog kann der Zustandsvektor x durch den geschätzten Zustandsvektor x̂(k)S1 und die geschätzte Kovarianzmatrix P(k)S1 beschrieben werden.When the state vector x (k) is calculated in accordance with equations (13) and (14), the entries of the state vector x are regarded as random variables which fluctuate normally distributed around individual entries of the estimated state vector x̂ (k). Therefore, the state vector x can be described by the corrected estimated state vector x̂ (k) and the corrected estimated covariance matrix P (k). Analogously, the state vector x can be described by the estimated state vector x̂ (k) S1 and the estimated covariance matrix P (k) S1 .
Vorteilhafterweise setzt das Steuergerät
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuergerät
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät
Das Steuergerät
Mit dem bisher beschriebenen Prüfstand
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2011038429 A1 [0002]WO 2011038429 A1 [0002]
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AT524780A4 (en) * | 2021-05-25 | 2022-09-15 | Avl List Gmbh | Procedure for controlling a test bench arrangement |
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2020
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