Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer
Antriebseinheit.
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Aus der deutschen Patentanmeldung 100 48 015 ist eine Vorgehensweise zur Steuerung
einer Antriebseinheit bekannt, bei welcher Vorgabengrößen, vorzugsweise
Sollmomentenwerte für die Antriebseinheit, aus verschiedenen Quellen zu einem
resultierenden Sollmoment koordiniert werden. In Abhängigkeit eines aus diesen
verschiedenen Sollgrößen resultierender Sollgröße wird die Antriebseinheit gesteuert.
Diese bekannte Koordination ist dezentral, d. h. die Koordination findet in mehreren,
unabhängigen Stufen statt, wobei die Resultierende der ersten Stufe Eingangsgröße der
zweiten Stufe ist, etc.. In der gezeigten Ausführung werden Sollgrößen, die unabhängig
von der Art der Antriebseinheit sind, in einer ersten Koordinationsstufe, Sollgrößen, die
antriebseinheitsspezifisch sind, in einer zweiten Koordinationsstufe koordiniert, wobei
die Resultierende der ersten Stufe Eingangsgröße der zweiten Stufe ist.
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Dabei werden diverse physikalische Größen innerhalb eines Kraftfahrzeugs, wie
beispielsweise der Fahrerwunsch, eine Drehzahlbegrenzung, eine
Geschwindigkeitsbegrenzung, eine Fahrgeschwindigkeitsregelung, ein Getriebe-
und/oder Bauteileschutz, der Eingriff eines Stabilitätsprogramms, einer
Antriebsschlupfregelung und/oder einer Motorschleppmomentenregelung, etc. als
Anforderung, insbesondere Momentenanforderung an die Antriebseinheit formuliert.
Daher kann die Antriebseinheit als Komponente des Fahrzeugs als intelligentes Stellglied
zur Umsetzung von solchen Anforderungen betrachtet werden. Die Anforderungen selbst
können dabei verschiedenen funktionalen Einheiten innerhalb des Fahrzeugs zugeordnet
werden. Oft sind diese funktionalen Einheiten durch eigene Steuergeräte gekennzeichnet,
wie beispielsweise ein Stabilitätsprogramm oder eine Getriebesteuerung, wobei diese
Hardware-Partitionierung in der Regel historisch gewachsen ist, also nicht zwingend ist.
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In heutigen Motorsteuerungen werden diese Anforderungen (Momentenanforderungen),
erhöhende sowie reduzierende, in einem zentralen Funktionsmodul koordiniert. Ein
Beispiel hierfür zeigt die DE-A 197 39 567. Dort sind neben den
Momentenanforderungen auch sämtliche Momentenbegrenzungen bekannt, so dass
sichergestellt ist, dass für Motor- und Gesamtfahrzeug zulässige Betriebsgrenzen nicht
überschritten werden. So wird durch gezielte Abfolge von Minimal- und
Maximalauswahlfunktionsblöcken ein Motorsollmoment gebildet, welches die zulässigen
Betriebsgrenzen nicht überschreitet. In einem Minimalauswahlblock findet dabei eine
Minimalauswahl der Eingangsgrößen und somit eine Begrenzung der
momentenreduzierenden Eingriffe statt, während in einem Maximalwertauswahlblock
eine Maximalauswahl der Eingangsgrößen stattfindet und somit erhöhende Eingriffe
begrenzt werden.
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Bei dem oben genannten Ansatz einer Auftrennung werden durch die funktionale
Strukturierung im Fahrzeugverbund Momentenanforderungen auch dezentral ausgewertet
und koordiniert. Das Ergebnis dieser dezentralen Koordination ist dann eine
Momentenanforderung an die Antriebseinheit. Nachgeordnete Momentenkoordinationen
erhalten dabei keine Information über die Quelle der Momentenanforderung. Werden
jedoch lediglich koordinierte Sollmomenten ohne Zusatzinformation an nachfolgende
Koordinationstufen übertragen, so entsteht das Problem, dass in der nachfolgenden
Koordination ein Sollmoment vorgegeben wird, welches die Momentengrenze einer
vorherigen Koordination verletzt.
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Es ist somit wünschenswert, dass bei einer dezentralen Momentenkoordination
sichergestellt ist, dass keine Betriebsgrenze eines Teilsystems und keine Betriebsgrenze
des Gesamtsystems verletzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Dadurch, dass bei einer dezentralen Momentenkoordination neben den resultierenden
Sollmoment auch die zu beachtenden Momentengrenzen übertragen und in
nachfolgenden Koordinationsstufen berücksichtigt werden, wird wirksam vermieden,
dass Betriebsgrenzen von Teilsystemen und Betriebsgrenzen des Gesamtsystems verletzt
werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschaltbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer
Antriebseinheit.
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Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer dezentralen Koordination von Anforderungen an
eine Antriebseinheit, an deren Beispiel die obengenannte Problematik dargestellt ist.
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In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm skizziert, welches eine dezentrale Koordination von
Vorgabegrößen, insbesondere von Sollmomentenwerten darstellt, bei welchem neben
resultierenden Vorgabegrößen jeder Koordinationsstufe auch Grenzwerte übertragen
werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer
Antriebseinheit, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Es ist eine Steuereinheit 10
vorgesehen, welche als Komponenten eine Eingangsschaltung 14, wenigstens eine
Rechnereinheit 16 und eine Ausgangsschaltung 18 aufweist. Ein Kommunikationssystem
20 verbindet diese Komponenten zum gegenseitigen Datenaustausch. Der
Eingangsschaltung 14 der Steuereinheit 10 werden Eingangsleitungen 22 bis 26
zugeführt, welche in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Bussystem ausgeführt
sind und über die der Steuereinheit 10 Signale zugeführt werden, welche zur Steuerung
der Antriebseinheit auszuwertende Betriebsgrößen repräsentieren. Diese Signale werden
von Meßeinrichtungen 28 bis 32 erfaßt. Derartige Betriebsgrößen sind Fahrpedalstellung,
Motordrehzahl, Motorlast, Abgaszusammensetzung, Motortemperatur, etc. Über die
Ausgangsschaltung 18 steuert die Steuereinheit 10 die Leistung der Antriebseinheit. Dies
ist in Fig. 1 anhand der Ausgangsleitungen 34, 36 und 38 symbolisiert, über welche die
einzuspritzende Kraftstoffmasse, den Zündwinkel der Brennkraftmaschine sowie
wenigstens eine elektrisch betätigbare Drosselklappe zur Einstellung der Luftzufuhr zur
Brennkraftmaschine betätigt werden. Neben den geschilderten Eingangsgrößen sind
weitere Steuersysteme des Fahrzeugs vorgesehen, die der Eingangsschaltung 14
Vorgabegrößen, beispielsweise Drehmomentensollwerte, übermitteln. Derartige
Steuersysteme sind beispielsweise Antriebsschlupfregelungen, Fahrdynamikregelungen,
Getriebesteuerungen, Motorschleppmomentenregelungen, Geschwindigkeitsregler,
Geschwindigkeitsbegrenzer, etc. Über die dargestellten Stellpfade werden die Luftzufuhr
zur Brennkraftmaschine, der Zündwinkel der einzelnen Zylinder, die einzuspritzende
Kraftstoffmasse, der Einspritzzeitpunkt und/oder das Luft-/Kraftstoffverhältnis, etc.
eingestellt. Neben den dargestellten Sollwertvorgaben, den externen Sollwertvorgaben,
zu denen auch eine Sollwertvorgabe durch den Fahrer in Form eines Fahrwunsches und
einer Maximalgeschwindigkeitsbegrenzung gehören, sind interne Vorgabengrößen zur
Steuerung der Antriebseinheit vorhanden, beispielsweise eine Drehmomentenänderung
einer Leerlaufregelung, eine Drehzahlbegrenzung, die eine entsprechende
Sollvorgabengröße ausgibt, eine Drehmomentenbegrenzung, eine Funktion zum
Bauteileschutz, ein Abwürgeschutz, etc.
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Die beschriebene Vorgehensweise ist nicht nur in Verbindung mit Brennkraftmaschinen
anwendbar, sondern auch bei anderen Antriebskonzepten, z. B. Elektromotoren. In diesem
Fall sind die Stellgrößen entsprechend anzupassen.
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Als Sollwertvorgabegröße werden im bevorzugten Ausführungsbeispiel
Drehmomentengrößen verwendet. In anderen Ausführungen werden unter entsprechender
Anpassung andere, sich auf Ausgangsgrößen der Antriebseinheit beziehende Größen wie
Leistung, Drehzahl, etc., als Sollwerte vorgegeben.
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Die Koordination dieser unterschiedlichen Anforderungen ist dabei dezentral. In einer
Ausführung werden erste Sollgrößen in einer ersten Koordinationsstufe z. B. im Rahmen
von Minimal- und Maximalwertauswahlschritten miteinander verglichen. Als Ergebnis
wird ein resultierende Sollgröße weitergegeben. In der eingangsgenannten bekannten
Ausführung stellen diese Sollgrößen motorunabhängige Eingriffsgrößen dar, wie
Fahrerwunschmoment, das Sollmoment eines Fahrgeschwindigkeitsreglers oder eines
adaptiven Fahrgeschwindigkeitsreglers (ACC), einer Geschwindigkeitsbegrenzung, einer
Fahrstabilitätsregelung, einer Motorschleppmomentenregelung und/oder einer
Antriebsschlupfregelung. Diese motorunabhängigen Vorgabegrößen, die dem Abtrieb
zuzurechnen sind, stellen Abtriebsmomente bzw. Getriebeausgangsmomente dar und
werden auf dieser Ebene koordiniert.
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Die resultierende Sollgröße der ersten Koordinationsstufe wird zusammen mit zweiten
Sollgrößen einer zweiten Koordinationsstufe zugeführt. Im bekannten
Ausführungsbeispiel sind diese zweiten Sollgrößen motorabhängige Größen,
insbesondere Sollwerte interner Momentenbegrenzungen, beispielsweise aus
Bauteileschutzgründen, aus Ausmagerschutzgründen bei Vollast, ein Sollwert für eine
Maximaldrehzahlbegrenzung, etc. Die Resultierende der zweiten Koordinationsstufe ist
ein Sollwert für die Einstellung der Antriebseinheit, der im Falle einer
Brennkraftmaschine in Sollwerte für die motorspezifischen Stellpfade umgesetzt wird.
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Die beschriebene Aufteilung ist ein bevorzugtes Beispiel. In anderen Ausführungen
werden andere dezentrale Aufteilungen vorgenommen.
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Fig. 2 zeigt an einem Beispiel eine solche dezentrale Momentenkoordination. Fig. 2
stellt dabei ein Ablaufdiagramm dar, wobei die einzelnen Blöcke Programme oder
Programmteile beschreiben, die Verbindungspfeile den Informationsfluss darstellen. Die
dezentrale Momentenkoordination besteht aus einem ersten Koordinator 1 (erste
Koordinationsstufe) und einem nachfolgenden zweiten Koordinator 2 (zweite
Koordinationsstufe). Dabei wird dem Koordinator 1 eine Vorgabegröße MD1,
beispielsweise ein Fahrerwunschsollmoment, zugeführt. Dieses wird in einer
Maximalwertauswahlstufe 11 mit einem vorgegebenen, ggf. gespeicherten Minimalwert
MD1MIN, beispielsweise einem Minimalmoment vorgegeben von einem elektronischen
Stabilitätsprogramm, verknüpft. Der größere der beiden Werte wird dann einer
Minimalauswahlstufe 12 zugeführt, in der der resultierende Wert der Stufe 11 mit einem
Maximalwert MD1MAX, beispielsweise einem Maximalwert, der aus einer
Geschwindigkeitsbegrenzung vorgegeben wird, verknüpft. Dann wird der kleinere der
beiden Werte als resultierender Wert MD1RES an den zweiten Koordinator 2 überragen.
Dort wird der resultierende Wert des Koordinators 1 einer Maximalwertauswahlstufe 21
zugeführt. Dieser wird ferner eine weitere Vorgabegröße MD2, beispielsweise dem
Sollmoment eines Motorschleppmomentenreglers zugeführt. Ferner wird der
Maximalwertauswahlstufe 21 ein Minimalwert MD2MIN, beispielsweise ein von einem
Leerlaufregler abgeleiteter Minimalwert, zugeführt. Der größte dieser Werte wird als
Resultierende einer Minimalwertauswahlstufe 22 zugeführt, der ferner ein Maximalwert
MD2MAX zugeführt wird, der beispielsweise aus einer Maximaldrehzahlbegrenzung
abgeleitet ist. Die Ausgangsgröße MD2OUT wird als kleinerer der beiden Werte der
Minimalwertauswahlstufe 22 gebildet und ausgegeben. In Abhängigkeit des
Ausgangswertes wird die Antriebseinheit eingestellt, bzw. der Ausgangswert wird einer
weiteren Koordinationstufe als Eingangsgröße zugeführt.
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Bei einer wie oben dargestellten dezentralen Momentenkoordination kann die folgende
unbefriedigende Situation auftreten. Folgendes Zahlenbeispiel macht die Problematik
deutlich. Ist beispielsweise MD1MIN 100 Nm, MD1MAX 200 Nm und MD1 250 Nm, so
ist die Ausgangsgröße des Koordinators 1 200 Nm, nämlich der größere der Werte aus
MD1 und MDIMIN und der kleinere aus Resulterienden (MD1, MDIMIN) und
MD1MAX. Im Koordinator 2 werden dann die 200 Nm (Resultierende der ersten
Koordination) mit MD2MIN, im Beispiel 100 Nm und der Eingangsgröße MD2 (250
Nm) in der Maximalwertauswahlstufe 21 verknüpft. Ausgangsgröße ist 250 Nm, die mit
dem Maximalwert MD2MAX, der als 300 Nm angenommen ist, in der
Minimalwertauswahlstufe 22 bewertet wird. Der kleinere Wert, nämlich 250 Nm wird
ausgegeben. Man sieht deutlich, dass der Ausgabewert der zweiten Koordination den
Maximalwert der ersten Koordination verletzt. War dieser beispielsweise für einen
Bauteileschutz verantwortlich, so ist dieser Bauteileschutz nicht mehr gewährleistet.
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Aus diesen Gründen ist wie nachstehend anhand des Ablaufdiagramms der Fig. 3
skizziert bei einer dezentralen Momentenkoordination vorgesehen, neben dem Sollgrößen
(Wunschmomenten) als Ergebnis einer Koordinationsstufe auch die Momentengrenzen zu
übertragen und in nachfolgenden Koordinatoren zu berücksichtigen. Ein Funktionsblock
für eine Koordination (Koordinator, Koordinationsstufe) besteht demnach aus den
folgenden Einzelteilen: Koordination der Vorgabegrößen (Momentenanforderungen,
Sollmomentenwerte), Koordination der unteren Begrenzungen (Momentenbegrenzungen,
Begrenzungsmomentenwerte) und Koordination der oberen Begrenzungen
(Momentenbegrenzungen, Begrenzungsmomentenwerte).
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In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, bei welchem diese Forderungen umgesetzt
sind. Auch hier sind wieder Koordinatoren 1 und 2 vorgesehen, wobei die einzelnen
Blöcke Programme oder Programmteile beschreiben, die Verbindungspfeile den
Informationsfluss darstellen. Dem Koordinator 1 wird wie anhand des Beispiels in Fig.
2 dargestellt eine Vorgabegröße (Sollmomentenwert) MD1 zugeführt. Ferner liegen
intern Minimal- und Maximalwerte MD1MIN und MD1MAX vor. Neben der bereits in
Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise der Maximalwertauswahl zwischen
Eingangsgröße MD1 und Minimalgröße MD1MIN in der Maximalwertauswahlstufe 11
sowie der Minimalwertauswahl zwischen der Resultierenden der Maximalwertauswahl 11
und dem Maximalwertmoment MD1MAX in der Minimalwertauswahlstufe 12 sind
folgende Besonderheiten vorgesehen. Das Ergebnis der Minimalwertauswahl in 12 wird
als MD1OUT an den zweiten Koordinator abgegebenen. Neben diesem resultierenden
Sollmoment MD1OUT wird an den Koordinator 2 ferner ein Minimalwert
MD1MINOUT und ein Maximalwert MD1MAXOUT übergeben. Diese Ausgangsgrößen
entsprechen bei nur jeweils einer Begrenzungsgröße der vorliegenden Größe. In einem
Ausführungsbeispiel liegen in einem Koordinator mehrere Minimal- und/oder
Maximalwerte vor. In diesem Fall ist der übertragene Minimal- und/oder Maximalwert
sowie die den Auswahlen 11 und 12 zugrundeliegenden Werte im Falle von
Minimalwerten das Ergebnis einer Maximalwertauswahl 13 aus mehreren
Minimalwerten, im Falle von Maximalwerten das Ergebnis einer Minimalwertauswahl 14
aus mehreren Maximalwerten.
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Liegt nur ein oder mehrere Maximalwerte vor oder nur ein oder mehrere Minimalwerte,
wird in dieser Ausführung auch nur ein Begrenzungswert übertragen.
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Im Koordinator 2 wird der übertragene Minimalwert MD1MINOUT in einer
Maximalwertauswahlstufe 23 mit dem im Koordinator vorliegenden Minimalwert
MD2MIN (ggf. auch mit mehreren) verknüpft. Der größte der Werte wird der
Maximalwertauswahlstufe 21 zugeführt und gegebenenfalls als Ausgabegröße
MD2MINOUT an den nächsten Koordinator übergeben. In der Maximalwertauswahlstufe
21 wird der größte der zugeführten Werte als resultierender Momentensollwert
weitergegeben. Die zugeführten Größen sind neben dem ermittelten Minimalwert
MD2MINOUT die Eingangsgröße MD2IN des zweiten Koordinators und die übertragene
resultierende Größe MD1OUT des ersten Koordinators. Ferner ist eine
Minimalwertauswahlstufe 24 vorgesehen, in welchem die Maximalwerte koordiniert
werden. Zum einen wird dieser Stufe 24 der übertragene resultierende Maximalwert
MD1MAXOUT des ersten Koordinators sowie ein oder mehrere vorliegende
Maximalgrößen im zweiten Koordinator MD2MAX zugeführt. Der resultierende
Maximalwert MD2MAXOUT wird an die Minimalwertauswahlstufe 22 geführt und
gegebenenfalls an einen nachfolgenden Koordinator ausgegeben. Der
Minimalwertauswahlstufe 22 wird ferner auch die resultierende Größe der
Maximalwertauswahlstufe 21 zugeführt. Der kleinste der beiden zugeführte Werte wird
als Ausgabegröße MD2OUT an einen weiteren Koordinator und/oder zur Einstellung der
Antriebseinheit und/oder zur weiteren Verarbeitung ausgegeben.
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Ein Zahlenbeispiel zeigt, dass durch diese Vorgehensweise die Ausgabegröße MD2OUT
die Grenzwerte auch der ersten Koordinationsstufe nicht verletzt. Ist MD1MIN 100 Nm,
MD1MAX 200 Nm und MD1 250 Nm, so werden an den zweiten Koordinator MD1OUT
200 Nm, MD1MAXOUT 200 Nm und MD1MINOUT 100 Nm übergeben. Ist dann
MD2MIN 100 Nm, MD2MAX 300 Nm und MD2 250 Nm, so ergeben sich als
Ausgangsgrößen MD2OUT 200 Nm, MD2MAXOUT 200 Nm und MD2MINOUT 100
Nm. Man sieht hier, das MD2OUT mit 200 Nm weder den Minimalwert MD1MIN noch
den Maximalwert MD1MAX übersteigt.
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Das dargestellt Ausführungsbeispiel zeigt lediglich eine mögliche Realisierung. In
anderen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise im Koordinator 1 auf eine
Minimalwertkoordination verzichtet sein oder in den Auswahlstufen mehrere Größen
verknüpft werden, insbesondere mehrere Eingangsgrößen, oder zwischen den
Koordinatoren findet entsprechend dem eingangsgenannten Stand der Technik eine
Transformation der übertragenen Werte auf eine andere Momentenebene, beispielsweise
vom einem Getriebeausgangsmoment in ein Motorausgangsmoment oder von einem
Motorausgangsmoment in ein indiziertes Moment, statt.