DE10235432A1

DE10235432A1 - Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems

Info

Publication number: DE10235432A1
Application number: DE10235432A
Authority: DE
Inventors: Robert Ingenbleek; Harry Nolzen; Walter Kill; Christian Popp; Hubert Remmlinger; Jochen Fischer; Torsten Buechner; Markus Ulbricht
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: DE10235432B4; DE10235433A1; DE10235433B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems (1), insbesondere eines elektrischen Aktuators, mit einer Spule und einem über ein magnetisches Feld der Spule längsbeweglich betätigbaren Anker beschrieben. Ein Istwert (i_ist) eines Spulenstromes, ein theoretischer Wert (i_theo) eines Spulenstromes und eine Spulenstromdifferenz (i_res) zwischen dem Istwert (i_ist) und dem theoretischen Wert werden ermittelt. Ein theoretischer Widerstandswert der Spule, der zur Ermittlung des theoretischen Wertes (i_theo) des Spulenstromes verwendet wird, wird in Abhängigkeit der Spulenstromdifferenz (i_res) derart adaptiert, daß die Differenz (i_res) minimiert wird. Abweichungen von diesem Nominalverhalten werden erkannt und zur Fehlerdiagnose herangezogen. Aus der Kenntnis der zugeführten elektrischen Leistung und der Spuleninnentemperatur wird eine Öltemperatur ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Praxis sind elektromagnetische Antriebssysteme wie beispielsweise als Proportionaldruckregelventile ausgebildete elektrohydraulische Stellglieder bekannt, mittels welchen aus einem generierten elektrischen Strom ein dazu proportionaler hydraulischer Druck an hydraulischen Verbrauchern einstellbar ist. Derartige Proportionaldruckregelventile sind mit einer Spule und einem über ein magnetisches Feld der Spule längsbeweglich betätigbaren Anker ausgebildet, wobei das Verfahren in gleicher Weise auch für elektromechanische Stellglieder anwendbar ist.
Wird an der Spule eine Spannung angelegt, bildet sich im Eisenkreis der Spule ein magnetischer Fluß aus, welcher sich über den Anker und einen zwischen der Spule und dem Anker ausgebildeten Arbeitsluftspalt schließt. Auf den Anker wirkt dabei eine elektromagnetische Kraft in Axialrichtung, die bei Proportionalmagneten in weiten Teilen proportional zum anliegenden Erregerstrom und unabhängig von der Ankerposition ist. Durch die Stellung des Ankers wird die Größe des variablen Blendenquerschnitts, welche dem Spalt zwischen Ventilsitz und Anker entspricht und die Verbindung zum Tank bildet, variiert und damit die Durchflußmenge von Hydrauliköl eingestellt.
Elektrohydraulische sowie elektromechanische Stellglieder werden zur Steuerung von Automatgetrieben als Schnittstelle zwischen einem elektrischen Signalkreis und einem hydraulischen Leitungskreis von elektrohydraulischen Systemen eingesetzt. Dabei ist üblicherweise für jeden zu schaltenden Gang zur Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt eine Kupplungs- oder Bremseinheit vorgesehen, die in der Regel hydraulisch betätigt wird.
Zur Realisierung der Gangwechsel hat ein elektrohydraulisches System eines Automatikgetriebes nun die Aufgabe, in Abhängigkeit eines Fahrzustandes und einer Vorgabe eines Fahrers die Kupplungen und Bremsen des Automatgetriebes den Anforderungen entsprechend anzusteuern, so daß ein gewünschter Gang eingelegt wird.
Bei in der Fahrzeugtechnik eingesetzten hydraulischen Komponenten steigen die Anforderungen bezüglich der Schmutzölresistenz ständig an, wobei diese Anforderungen aus zunehmenden Getriebelaufzeiten und immer länger werdenden Ölwechselzyklen bis hin zum Entfall des Ölwechsels resultieren. Mit zunehmender Verschmutzung des Hydrauliköls tritt bei elektromagnetischen Stellgliedern eine sogenannte Hystereseverbreiterung sowie ein sogenanntes "Stick-Slip"- Verhalten bis hin zu einem Ventilklemmen auf. Aus diesen Fehlfunktionen der Stellglieder resultiert ein schlechter Schaltkomfort, was bis hin zu einem Übergang in ein Notprogramm führen kann.
Um derartige Funktionsstörungen zu diagnostizieren bzw. ein Ankerklemmen vor einem Totalausfall einer elektromagnetischen Stelleinrichtung erkennen zu können, werden Verfahren vorgeschlagen, mittels welchen Fehler in der Elektrik und in der Mechanik erkannt werden können.

Ein solches Verfahren zur modellgestützten Fehlererkennung an elektromagnetischen Proportionalventilen mit Microcontrollern ist beispielsweise auch in der deutschen Zeitschrift "O+P, Ölhydraulik und Pneumatik", 44 (Jahrgang 2000), Nr. 7, Seiten 449 bis 453 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Ankerhub eines Proportionaldruckregelventils durch Messung von Strom und Spannung geschätzt, und daran anschließend wird eine Fehleranalyse durchgeführt. Dabei werden zahlreiche Merkmale erzeugt, die dazu verwendet werden, Fehler in der Elektrik und in der Mechanik zu erkennen.

Derartige Verfahren weisen den Nachteil auf, daß Messungen und die zeitlich sich daran anschließenden Auswertungen bzw. Diagnosen aufgrund ihrer Komplexität nicht in Echtzeit durchführbar sind. Des weiteren ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens aufgrund der aufwendigen Diagnose ein sehr hoher Speichereinsatz sowie eine hohe Rechnerleistung erforderlich, die im Bereich der Fahrzeugtechnik eingesetzte Steuergeräte üblicherweise nicht zur Verfügung stellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung mechanischer Fehlfunktionen von elektromagnetischen Antriebssystemen zur Verfügung zu stellen, das nur einen geringen Ressourcenbedarf aufweist und in Echtzeit durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Adaption eines theoretisch ermittelten Widerstandswertes der Spule eines elektromagnetischen Antriebssystems wird erreicht, daß ein Verlauf des Istwertes des Spulenstromes nahezu identisch über ein Modell in Echtzeit nachgebildet wird, und Abweichungen des Istwertes des Spulenstromes vom theoretisch ermittelten Wert des Spulenstromes vorteilhafterweise zur Diagnose von Funktionsstörungen des elektromagnetischen Antriebssystems verwendet werden können. Insbesondere mechanische Funktionsstörungen, wie beispielsweise das Klemmen oder Los reißen eines Ankers in einem Ventil oder auch eine erhöhte Reibung bei einer Ankerbewegung in einem Ventil können in vorteilhafter Weise diagnostiziert werden.

Bei der Verwendung eines elektromagnetischen Antriebssystems in einem Automatgetriebe in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Schaltqualität deutlich verbesserbar. Dies wird dadurch erreicht, daß mit der Adaption des theoretischen Widerstandswertes der Spule und der hohen Genauigkeit der Nachbildung des Verlaufs des Istwertes des Spulenstromes eine exakte Ansteuerung, zum Beispiel durch eine auf den jeweiligen Spulenwiderstand optimierte Stromregelung, der Schaltelemente möglich ist.

Wenn eine maximale Spannung an dem elektromagnetischen Antriebssystem bzw. an dessen Spule anliegt, besteht die Gefahr, eine kritische Spuleninnentemperatur, welche zu einer Zerstörung der Wicklungen der Spule führen kann, zu überschreiten. Derartige Spuleninnentemperaturen ergeben sich unter anderem aus einem stark erhöhten Spulenstrom in Zusammenhang mit einer hohen Umgebungstemperatur des elektromagnetischen Antriebssystems, die bei einem elektrohydraulischen Steuersystem eines Automatgetriebes im wesentlichen von der Temperatur des Hydrauliköls beeinflußt wird.

Mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem der theoretische Widerstandswert der Spule mittels der Adaption in Abhängigkeit des jeweilig aktuell vorliegenden Betriebszustandes genau bestimmt wird, kann auf einfache Art und Weise aus dem adaptierten theoretischen Widerstandswert der Spule die Spuleninnentemperatur ermittelt werden und somit die Verfügbarkeit des elektromagnetischen Antriebssystems erhöht werden.

Darüber hinaus läßt sich aus der Kenntnis der zugeführten elektrischen Leistung und der Spuleninnentemperatur die Öltemperatur ermitteln, da sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt.

Ein Notprogramm, welches zum Schutz des elektromagnetischen Antriebssystems vorgesehen ist und über das eine Betätigung des elektromagnetischen Antriebssystems ab einer kritischen Spuleninnentemperatur verhindert wird, wird somit nur noch gestartet, um tatsächliche Schädigungen zu vermeiden. Ein aus der Praxis bekanntes gleichsam prophylaktisches Starten eines Notprogrammes, wenn eine Hydrauliköltemperatur ermittelt wird, die eine kritische Spuleninnentemperatur verursachen könnte, wobei ein elektromagnetisches Antriebssystem nachteilhafterweise bereits vor Erreichen einer kritischen Spuleninnentemperatur deaktiviert wird, kann hier vermieden werden. Aufgrund der exakten Kenntnis der Spuleninnentemperatur wird die Verfügbarkeit der Aktuatoren dahingehend erhöht, daß diese bis an ihre thermischen Auslegungsgrenzen betrieben werden können.

Darüber hinaus ist von Vorteil, daß elektromagnetische Antriebssysteme, deren Betriebszustände mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diagnostiziert werden, problemlos auch an schwer zugänglichen Stellen eines Automatgetriebes angeordnet sein können, d. h. direkt in das Getriebe implementiert werden können, da eine Fehlerursache genau lokalisierbar ist und ein Austausch von defekten Bauteilen gezielt und somit auch kostensparend durchgeführt werden kann. Das bedeutet, daß der Ausbau eines elektromagnetischen Antriebssystems bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur bei Kenntnis eines wirklich gegebenen Defektes erfolgen muß.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

In der Zeichnung sind mehrere Blockschaltbilder eines Verfahrens zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems sowie mehrere Strom-Zeit-Diagramme dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines elektromagnetischen Antriebssystems zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes des elektromagnetischen Antriebssystems;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Rechnereinheit mit dessen Ein- und Ausgangsgrößen;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Teiles eines Detektors;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Teiles des Detektors gemäß Fig. 3;
Fig. 5a und 5b einen Verlauf eines Spulenstromes über der Zeit bei einer normalen Ankerbewegung und einen damit korrespondierenden Verlauf einer Differenz zwischen einem Istwert und einem theoretisch ermittelten Wert eines Spulenstromes;
Fig. 6a und 6b einen Verlauf eines Spulenstromes über der Zeit bei einem mechanischen Ankerklemmen sowie einem anschließenden Losreißen des Ankers und einen damit korrespondierenden Verlauf einer Differenz zwischen einem Istwert und einem theoretisch ermittelten Wert eines Spulenstromes;
Fig. 7a und 7b einen Verlauf des Spulenstromes über der Zeit bei einem mechanischem Ankerklemmen und einen damit korrespondierenden Verlauf einer Differenz zwischen einem Istwert und einem theoretisch ermittelten Wert eines Spulenstromes und
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines elektromagnetischen Antriebssystems mit einer Adaption eines Spulenwiderstandes sowie einer in Abhängigkeit des adaptierten Spulenwiderstandes stehenden Stromregelung des Spulenstromes.
Die Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines elektromagnetischen Antriebssystems 1, an welchem eine Spannung u_ist angelegt ist. Dabei fließt ein Istwert eines Spulenstromes i_ist durch eine nicht näher dargestellte Spule des als Proportionaldruckregelventil ausgebildeten elektromagnetischen Antriebssystems 1.
Parallel zu dem realen elektromagnetischen Antriebssystem 1 ist eine Rechnereinheit 2 geschaltet, über welche anhand der an dem realen elektromagnetischen Antriebssystem 1 anliegenden Spannung u_ist ein theoretischer Wert i_theo des Spulenstromes berechnet wird. Die Berechnung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes erfolgt über ein lineares Modell. Bei der Berechnung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes werden im Gegensatz zum realen System des elektromagnetischen Antriebssystems 1 Bewegungen eines Ankers im Inneren der Spule, die Störungen im Verlauf des Istwertes i_ist des Spulenstromes durch eine von der Ankerbewegung erzeugte Gegeninduktion L_g bewirken, zunächst nicht berücksichtigt, wodurch das Normalverhalten exakt abgebildet wird.
Beide Systeme, d. h. das reale Antriebssystem 1 und das lineare Modell, bestimmen in Abhängigkeit der Spannung u_ist den Spulenstrom i_ist bzw. i_theo, wobei sich die ermittelten Stromstärken in der Hinsicht unterscheiden, daß bei dem gemessenen Istwert i_ist des elektromagnetischen Antriebssystems 1 die Gegeninduktion L_g als Störung auf dessen Verlauf auswirkt.
Beim Vergleich der beiden Stromstärken bzw. bei dem Vergleich zwischen dem Istwert i_ist des Spulenstromes und dem theoretischen Wert i_theo des Spulenstromes tritt somit eine Differenz bzw. ein Residuum i_res auf, das durch den durch die Gegeninduktion gestörten Stromaufbau beim realen System verursacht wird, wobei diese Abweichung der Ankerbewegung eindeutig zugeordnet ist.
In der Rechnereinheit 2 wird über die Systemgleichung des elektrischen Teilsystems eine Spannung u nach der Formel

berechnet. Dabei setzt sich die Spannung u aus der am Widerstand der Spule abfallenden Spannung, die sich aus dem Produkt des Widerstandes R_sp(T) und der Stromstärke i_theo ergibt, der induzierten Spannung, die sich aus zeitlicher Änderung des magnetischen Flusses ergibt, und der geschwindigkeitsabhängigen Störgröße z, die in Abhängigkeit der Ankergeschwindigkeit steht, zusammen. In der Systemgleichung des elektrischen Teilsystems sind nur die sehr vereinfachten partiellen Ableitungen nach der Stromstärke I und der Ankerposition x dargestellt. Die Ableitung des magnetischen Flusses nach der Stromstärke ist hierbei durch eine konstante Induktivität L ersetzt, die für die jeweils eingesetzten Komponenten des elektromagnetischen Antriebssystems bekannt ist. Die partielle Ableitung nach der Ankerposition wird zusammen mit der Geschwindigkeit als geschwindigkeitsabhängige Störgröße interpretiert, welche hier die induzierte Spannung aufgrund der Gegeninduktion L_g darstellt.
Bei dem gezeigten Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems werden die physikalischen Zusammenhänge ausgewertet. Das Ohmsche Gesetz beschreibt einen linearen Zusammenhang zwischen der Spannung u und der Stromstärke i. Aus dem Verhältnis der Spannung u zu der Stromstärke i_ist für einen Anfangswert der Widerstandsbestimmung eine grobe Schätzung des aktuellen Wertes des Widerstandes ableitbar. Darüber hinaus ist der Widerstand R der Spule temperaturabhängig, und es besteht ebenso ein linearer Zusammenhang zwischen dem Widerstand der Spule und der Temperatur der Spule.
Dabei ergibt sich ein temperaturabhängiger Wert R_sp(T) des Spulenwiderstandes gemäß der Formel
R_sp(T) = R_sp_0.(1 + α.(T_sp_T_sp_0))
mit R_sp_0 als ein bekannter Bezugswiderstand bei der Bezugstemperatur T_sp_0. Mit α ist der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes im Rechnungsansatz enthalten, wobei dieser das Verhältnis der relativen Änderung des Widerstandes in Bezug zur Temperaturänderung wiedergibt.
Anhand des Residuums i_res wird die Diagnose des Betriebszustandes des realen elektromagnetischen Antriebssystems 1 und auch die Adaption bzw. Anpassung des linearen Modells an das reale elektromagnetische Antriebssystem 1 durchgeführt.
Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild der Rechnereinheit 2 dar, wobei die verschiedenen Eingangs- und Ausgangsgrößen näher bezeichnet sind. Insbesondere wird aus dem theoretisch ermittelten Widerstandswert R_sp der Spule die Spulentemperatur T_sp bestimmt, und der Widerstandswert R_sp wird an ein nicht näher dargestelltes Diagnosemodul weitergeleitet.
In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Detektors 3 der Rechnereinheit 2 dargestellt, mittels welchem anhand des Istwertes i_ist des Spulenstromes, des Istwertes u_ist der Spulenspannung sowie einer Spannung einer Stromquelle u_bat das Residuum i_res des Spulenstromes, der theoretische Wert i_theo des Spulenstromes sowie der Widerstandswert R_sp der Spule bestimmt wird.
Durch die anliegende Spannung u_bat der Spannungsquelle bzw. einer Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges und dem Tastverhältnis u_ist, welches mit einem Filter 4 gefiltert wird, wird die effektive Spannung u_theo für das lineare Modell berechnet.
Nach der Ermittlung der theoretischen Spannung u_theo wird in einem Funktionsblock 5 über ein empirisch ermitteltes Kennfeld ein Abgleich des theoretischen Wertes u_theo durchgeführt. Der sich daraus ergebende Wert der Spannung u_anp wird zur Bestimmung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes verwendet, wobei der theoretische Wert i_theo der Spulenspannung über die Systemgleichung des elektrischen Teilsystems bestimmt wird, die in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 3 in dem mit dem Bezugszeichen 6 näher bezeichneten Bereich grafisch dargestellt ist.
Der theoretische Wert i_theo des Spulenstromes wird in dem Funktionsblock 7 des Blockschaltbildes mit dem Istwert i_ist des Spulenstromes verglichen, und gleichzeitig wird das Residuum i_res bestimmt, welches einen Ausgangswert des Detektors 3 darstellt. Des weiteren wird das Residuum i_res einem Schalter 8 als Eingangssignal zugeführt. Der Schalter 8 wird in Abhängigkeit einer vorgegebenen Schwelle, die vorzugsweise ca. 50 mA betragen kann, in Abhängigkeit vom Istwert i_ist des Spulenstromes geschaltet. Dabei wird das Residuum i_res bei Überschreiten der Schwelle des Schalters 8 auf einen Funktionsblock 9 durchgeleitet. Unterschreitet der Wert des Istwerts i_ist des Spulenstromes die vorgegebene Schwelle des Schalters 8, wird dem Funktionsblock 9 die Konstante "Null", welche in einem Funktionsblock 10 abgelegt ist, durchgeleitet.
Der Schalter 8 hat somit nur zwei Stellungen, die in Abhängigkeit der Schwelle des Schalters geschaltet werden. Somit erfolgt in Abhängigkeit des Residuums i_res bzw. der Differenz zwischen dem Istwert i_ist des Spulenstromes und dem theoretischen Wert i_theo des Spulenstromes eine Änderung des zur Ermittlung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes verwendeten theoretisch ermittelten Widerstandswertes R_sp der Spule. Diese Verfahrensschritte sind in dem unter dem Bezugszeichen 11 näher gekennzeichneten Bereich des Blockschaltbildes der Fig. 3 näher dargestellt.
Der Funktionsblock 9 ist vorliegend als ein Beobachterregler ausgebildet, über den der theoretische Widerstandswert R_sp der Spule in Form eines I-Reglers dem realen elektromagnetischen Antriebssystem 1 angepaßt wird. Mit dieser Vorgehensweise wird insbesondere dem Phänomen Rechnung getragen, daß sich der ohmsche Spulenwiderstand während des Betriebes mit der Zunahme der Spuleninnentemperatur T_sp und der Dauer der Bestromung ändert. Ohne Anpassung würde sich eine Abweichung des Istwertes i_ist des Spulenstromes und des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes ergeben, was mit zunehmender Betriebsdauer des elektromagnetischen Antriebssystems 1 eine Diagnose des Betriebszustandes des elektromagnetischen Antriebssystems 1 verzerren bzw. unmöglich machen würde.
Der Beobachterregler 9 ist dabei derart ausgestaltet, daß Einflüsse der Gegeninduktion L_g, welche durch die Bewegung des Ankers verursacht werden, bei der Anpassung des theoretisch ermittelten Widerstandswertes der Spule nicht berücksichtigt werden. Das bedeutet, daß über den Beobachterregler 9 nur langsame anhaltende Abweichungen zwischen dem Istwert i_ist des Spulenstromes und des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes, welche über das Residuum i_res erkannt werden, Berücksichtigung finden, während die schnellen Änderungen in Folge der Gegeninduktion für die Diagnose Verwendung finden.
Der Beobachterregler 9 in Kombination mit dem Schalter 8 bewirkt, daß bei nur geringen Istwerten i_ist des Spulenstromes eine Regelung des theoretischen Widerstandswertes R_sp der Spule unterbleibt. Werden jedoch Ströme beobachtet, welche größer als die Schwelle des Schalters 8 sind, wird der Widerstandswert R_sp über den Beobachterregler 9 nachgeregelt. Dies erlaubt einen entsprechend feinfühligen Beobachterregler zu schaffen, da insbesondere bei einem Abfallen des Spulenstromes i_ist der Beobachterregler 9 abgeschaltet wird und der Wert des Residuums i_res bei Erreichen eines Minimalwertes des Istwertes i_ist des Spulenstromes auf Null gesetzt wird. Damit wird erreicht, daß der Beobachterregler 9 jederzeit den richtigen Anfangswert hat und im unbestromten Zustand bzw. bei niedrigen Spulenströmen keine Regelung des theoretischen Widerstandes der Spule durchführt, womit die Regelstrecke wesentlich stabiler wird.
Um eine Anpassung des theoretischen Widerstandswertes R_sp der Spule in Abhängigkeit des jeweilig vorliegenden Betriebszustandes des elektromagnetischen Antriebssystems 1 in der entsprechenden Art und Weise vorzunehmen, erfolgt bei der Bestimmung des Residuums i_res in dem Funktionsblock 7 eine Vorzeichenumkehr des Residuums i_res, so daß das lineare Modell jederzeit in die "richtige" Richtung, d. h. durch Erhöhung oder Erniedrigung des theoretischen Widerstandswertes R_sp der Spule, angepaßt wird.
Ein weiterer Funktionsblock 12 repräsentiert den Startwert bzw. den Bezugswiderstand R_sp_0, der bei einer Inbetriebnahme des elektromagnetischen Antriebssystems 1 als Startwert des theoretischen Widerstandswertes R_sp der Spule zur Ermittlung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes verwendet wird. Mit zunehmender Regelung durch den Beobachterregler 9 wird in dem Funktionsblock 13 die Anpassung des Bezugswiderstandes R_sp_0 über die Ausgangswerte des Beobachterreglers 9 durchgeführt.
Der angepaßte theoretische Widerstandswert R_sp der Spule wird einem Funktionsblock 14 als Eingangssignal zugeführt, welcher als weiteres Eingangssignal den theoretischen Wert i_theo des Spulenstromes erhält. Aus diesen beiden Eingangssignalen wird eine Regelspannung u_regel ermittelt, die wiederum einem Funktionsblock 15 als Eingangssignal zugeführt wird. Die Regelspannung u_regel wird wiederum zur Anpassung der zur Bestimmung des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes verwendeten angepaßten Spannung u_anp verwendet.
Der in dem Funktionsblock 13 ermittelte bzw. nachgeregelte theoretische Widerstandswert R_sp der Spule stellt zusätzlich ein weiteres Ausgangssignal des Detektors 3 dar. Der theoretische Widerstandswert R_sp der Spule wird zur Berechnung der Spuleninnentemperatur T_sp verwendet, welche über den vorbeschriebenen linearen Zusammenhang zwischen dem theoretischen Widerstandswert R_sp_(T) der Spule und der Temperatur T_sp der Spule auf einfache Art und Weise bestimmt werden kann.
Mit der vorbeschriebenen Vorgehensweise der Nachführung des theoretischen Widerstandswertes R_sp der Spule ist eine kontinuierliche Bestimmung des Widerstandes R_sp sowie der Temperatur T_sp der Spule im Gegensatz zu stationären Auswertemethoden möglich, da über den Beobachterregler 8 nur langsame Änderungen in dem elektromagnetischen Antriebssystem 1, wie beispielsweise die Temperatureinflüsse, ausgeregelt werden.
Dazu kann vorzugsweise durch die Auswertung des nachgeführten Widerstandswertes R_sp und mit Hilfe eines gleitenden Mittelwertes, welcher auf Schwankungen des Beobachterreglers 9 abgestimmt ist, ein geglätteter kontinuierlicher Widerstandswert der Spule zur Verfügung gestellt werden. Anhand dieses Wertes oder auch des nicht geglätteten theoretisch ermittelten Widerstandswertes R_sp der Spule kann somit auch die Spuleninnentemperatur T_sp mit der Gleichung für den Warmwiderstand berechnet werden.
In Fig. 4 ist ein weiteres Blockschaltbild dargestellt, welches einen zweiten Teil des Detektors 3 zeigt. Über diesen Teil des Detektors 3 werden eine untere Schwelle i_schw_u und eine obere Schwelle i_schw_o dynamisch in Abhängigkeit eines Erregerstromes i_anreg bestimmt, der einen vorgegebenen Sollwert darstellt und vorzugsweise von einer elektronischen Getriebesteuerung (EGS) generiert wird.
Überschreitet das in dem Funktionsblock 7 bestimmte Residuum i_res des Spulenstromes eine der beiden Schwellen i_schw_u, i_schw_o, wird eine Störung des elektromagnetischen Antriebssystems 1 erkannt. Bei Werten des Residuums i_res, die kleiner als die obere Schwelle bzw. größer als die untere Schwelle sind, wird ein "normales" Betriebsverhalten des realen elektromagnetischen Antriebssystems 1 erkannt.
In den Funktionsblöcken 16, 17 wird jeweils ein unterer Offsetwert i_offs_u bzw. ein oberer Offsetwert i_offs_o generiert und als Eingangssignal weiteren Funktionsblöcken 18, 19 zugeführt. Des weiteren wird der Erregerstrom i_anreg zwei als Tiefpassfiltern, beispielsweise DT1- Filter ausgebildeten Funktionsblöcken 20, 21 zugeführt, wobei die Ausgangswerte der Funktionsblöcke 20, 21 weiteren Funktionsblöcken 22, 23 als Eingangswerte zugeführt werden. In den Funktionsblöcken 22, 23 wird der Betrag der gefilterten Ausgangswerte der Funktionsblöcke 20, 21 gebildet und nach einer anschließenden Verstärkung mit den Offsetwerten i_offs_u bzw. i_offs_o beaufschlagt, womit die obere Schwelle i_schw_o und die untere Schwelle i_schw_u in Abhängigkeit des Erregerstromes i_anreg bestimmt sind. Die Auswertung des in Fig. 3 bestimmten Residuums i_res zusammen mit den dynamisch angepassten Schwellen aus Fig. 4 ermöglicht die Diagnose der mechanischen Funktionsstörungen.
In den Fig. 5a, Fig. 6a, Fig. 7a ist jeweils ein Verlauf des Istwertes i_ist des Spulenstromes und ein Verlauf des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes über der Zeit t aufgetragen, wobei unter der grafischen Darstellung des Spulenstromes in den Fig. 5b, Fig. 6b, Fig. 7b jeweils eine damit korrespondierende Darstellung des Residuums i_res mit den dynamisch angepaßten Schwellen i_schw_u bzw. i_schw_o gezeigt ist.
Der in Fig. 5a dargestellte Verlauf des Istwertes i_ist des Spulenstromes repräsentiert einen Stromverlauf bei einem "normalen" Verhalten des elektromagnetischen Antriebssystems 1, wie es bei Anlegen eines Erregerstromes i_anreg, der eine Bewegung des Ankers zur Folge hat, auftritt.
Die im Anfangsbereich des Verlaufes des in Fig. 5b dargestellten Residuums i_res auftretenden Schwankungen sind auf ein typisches Verhalten des Stromreglers zurückzuführen, die richtigerweise durch den entsprechend dynamisiert geführten Verlauf der Schwellen ohne eine entsprechende Fehlermeldung des Detektors bzw. des dem Detektor nachgeschalteten Diagnosemoduls unberücksichtigt bleibt.
Ein eine Gutfunktion des elektromagnetischen Antriebssystems 1 charakterisierendes Merkmal stellt eine negative Abweichung des Verlaufs des Istwertes i_ist des Spulenstromes von dem Verlauf des theoretischen Wertes i_theo im Anstiegbereich der beiden Kurven dar, da eine derartige Abweichung die von der Bewegung des Ankers ausgelöste Gegeninduktion L_g zu Beginn der Bestromung mit dem Erregerstrom i_anreg anzeigt. Dieser negative Stromausschlag ist in Fig. 5a und 5b mit dem unter I näher gekennzeichneten Bereich erkennbar.
Der in Fig. 6a dargestellte Verlauf des Istwertes i_ist des Spulenstromes weist in einem mit II näher bezeichneten Bereich einen positiven Ausschlag gegenüber dem theoretischen Wert i_theo des Spulenstromes auf. Die Verläufe des Istwertes i_ist und des theoretischen Wertes i_theo gleichen sich anschließend nach kurzer Zeit wieder aneinander an. Der Verlauf des Istwertes i_ist des Spulenstromes korrespondiert mit dem in Fig. 6b dargestellten Verlauf des Residuums i_res, der im Bereich des Ausschlages des Istwertes i_ist des Spulenstromes ebenfalls einen positiven Ausschlag aufweist.
In diesem Bereich II überschreitet der Verlauf des Residuums i_res die obere Schwelle i_schw_o. Mit zunehmender Zeit t kehrt der Verlauf des Residuums i_res des Spulenstromes wieder in das von der oberen Schwelle i_schw_o und der unteren Schwelle i_schw_u aufgespannte Band zurück. Anhand der zunächst im wesentlichen gleich verlaufenden Kurve des Istwertes i_ist des Spulenstromes und des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes im Anstiegbereich der Kurven und dem späteren positiven Ausschlag des Istwertes i_ist und dem anschließenden Wiederangleichen der beiden Kurven wird ein mechanisches Ankerklemmen zu Beginn der Bestromung der Spule mit dem Erregerstrom i_anreg mit einem späteren Losreißen des Ankers detektiert.
Der in Fig. 5a im Anstiegbereich der Kurven des Istwertes i_ist und des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes im Bereich I erkennbare negative Stromausschlag ist im Anstiegbereich der Kurven des Istwertes i_ist und i_theo hier nicht erkennbar. Dies lässt auf einen festsitzenden Anker schließen. Erst anhand der Abweichung des Verlaufes des Istwertes i_ist von dem Verlauf des theoretischen Wert i_theo im Bereich II in Fig. 6a, welche durch das Losreißen des Ankers ausgelöst wird, wird eine Bewegung des Ankers detektiert.
Die in Fig. 7a dargestellten Stromverläufe des Istwertes i_ist und des theoretischen Wertes i_theo des Spulenstromes repräsentieren ein sogenanntes mechanisches Ankerklemmen ohne Losreißen des Ankers. Das bedeutet, daß der Anker trotz des angelegten Erregerstromes i_anreg über die gesamte betrachtete Zeit keine Bewegung ausführt. Eine derartige Störung kann beispielsweise durch eine zu hohe Verschmutzung des Hydrauliköls und eine daraus resultierende hohe Reibung des Ankers in seiner Führung verursacht sein.
Das Ankerklemmen ist auf einfache Art und Weise dadurch detektierbar, daß weder im Anstiegbereich noch im weiteren Verlauf des Stromverlaufes des Istwertes i_ist eine Abweichung von dem Verlauf des theoretisch ermittelten Wertes i_theo des Spulenstromes erkennbar ist, die als Ereignis ein Überschreiten der oberen oder der unteren Schwelle i_schw_o, i_schw_u durch den in Fig. 7b gezeigten Verlauf des Residuums i_res zur Folge hat. Das Ausbleiben eines derartigen Ereignisses zeigt an, daß eine Bewegung des Ankers ausgeblieben ist, was auf ein Ankerklemmen schließen läßt.
Mit dem beschriebenen Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems ist eine Online-Adaption des theoretisch ermittelten Widerstandswertes des Spulenstromes durch den Beobachterregler dahingehend möglich, daß anhand einer permanenten in Echtzeit durchgeführten Rückführung der Differenz i_res aus dem gemessenen Istwert i_ist des Spulenstromes und des theoretisch ermittelten bzw. des simulierten Ausgangssignals i_theo des Spulenstromes eine Anpassung an die realen Systemparameter vorgenommen wird.
Dabei stellt eine Auswertung der durch Ankerbewegungen im Spuleninneren induzierten Spannung eine Basis für das Verfahren dar, bei welchem in einer Rechnereinheit ein über ein Modell berechneter, idealer Stromverlauf mit einem gemessenen Stromsignal verglichen wird und eine Abweichung in Echtzeit detektiert wird. Zusätzlich wird eine dynamische Anpassung von Detektionsschwellen durchgeführt, da das Verhalten des realen elektromagnetischen Antriebssystems über das lineare Modell nur in gewissen Grenzen abbildbar ist. Dieser Unterschied führt insbesondere bei schnellen Sollwertänderungen zu erheblichen Differenzen bzw. Abweichungen zwischen dem Modell und dem realen System bzw. zwischen dem Istwert i_ist des Spulenstromes und dem theoretischen Wert i_theo des Spulenstromes.
Damit in Betriebszuständen, die große gewollte Abweichungen der Verläufe des Istwertes i_ist und des theoretischen Wertes i_theo aufweisen, ein Fehlalarm vermieden wird, ist es über die Dynamisierung der Detektionsschwellen vorgesehen, die untere Schwelle i_schw_u kurzzeitig abzusenken und die obere Schwelle i_schw_o kurzzeitig anzuheben. Dies erfolgt vorzugsweise durch die Benutzung von Tiefpassfilter, beispielsweise der DT1-Filter 17, 18.
Des weiteren können aus dem über den Beobachterregler 9 adaptierten Widerstandswert R_sp die Spuleriinnentemperatur T_sp sowie eine Temperatur T des in der Umgebung des elektromagnetischen Antriebssystems vorhandenen Hydrauliköls eines Automatgetriebes auf einfache Art und Weise bestimmt werden, wobei die Temperaturermittlung in Fig. 8 stark schematisiert durch einen Funktionsblock 26 dargestellt ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund von beengten Bauräumen eine Anordnung eines separaten Temperatursensors nicht möglich ist.
Bezug nehmend auf Fig. 8 ist ein gegenüber Fig. 1 erweitertes Blockschaltbild des elektromagnetischen Antriebssystems 1 gezeigt. Der Istwert des Spulenstromes i_ist stellt dabei eine Eingangsgröße für die Rechnereinheit 2 und eine empirisch ermittelte Größe zur Bestimmung einer Regelabweichung i_ab in Bezug zu dem Erregerstrom i_anreg dar, der eine Sollwertvorgabe einer nicht näher dargestellten elektrischen Getriebesteuereinrichtung ist.
Eine Abweichung bzw. eine Regelabweichung i_ab kann sich beispielsweise durch eine von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges abgegebene Versorgungsspannung ergeben, wenn diese zu niedrig ist, um die Sollwertvorgabe i_anreg zu erreichen. Die Regelabweichung i_ab stellt wiederum eine Eingangsgröße eines Stromreglers 24 dar, der in Abhängigkeit der Regelabweichung i_ab einen entsprechenden Istwert der Spulenspannung u_ist zum Ausgleichen der Regelabweichung i_ab einstellt.
Der Stromregler 24 ist vorliegend ein Softwarebaustein, wobei es selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes liegt, den Stromregler in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles alternativ auch als ein separates elektronisches Bauteil auszuführen.
Das elektromagnetische Antriebssystem 1 bzw. der elektromagnetische Aktuator wird mit einem korrigierten bzw. adaptierten Istwert der Spulenspannung u_ist angesteuert, woraufhin sich in der Spule ein Spulenstrom i_ist einstellt, der in etwa der Sollwertvorgabe i_anreg entspricht. Die Sollwertvorgabe i_anreg entspricht einem Wert, der mit einem gewünschten Ereignis korrespondiert, welches von dem elektromagnetischen Antriebssystem 1 in dem Getriebe eingestellt werden soll. Dies kann beispielsweise ein Schließvorgang einer mit einem Hydrauliksystem eines Getriebes hydraulischen angesteuerten Kupplung eines automatisierten Getriebes oder eines Automatikgetriebes sein, wenn der elektromagnetische Aktuator ein elektrohydraulisches Stellglied ist, mittels dem ein gewünschter Druckverlauf eingestellt wird.
Eine Reglereinstellung des Stromreglers 24 erfolgt in Abhängigkeit verschiedener Parameter, wobei einer dieser Parameter der Widerstand der Spule R_sp des elektromagnetischen Antriebssystems 1 ist.
Mit dem vorbeschriebenen Adaptionsverfahren zur theoretischen Abbildung des realen Spulenwiderstandes R_sp wird vorteilhafterweise über die in Fig. 8 dargestellte Kopplung des Stromreglers 24 mit der Rechnereinheit 2 ein gleichbleibendes Sollverhalten des Stromreglers 24 während sich ändernder Betriebszustände des elektromagnetischen Antriebssystems 1 erzielt. Der Parameter "Spulenwiderstand" des Stromreglers 24 wird dem realen System des elektromagnetischen Antriebssystems 1 betriebszustandsabhängig angeglichen, so daß eine optimale Stromregelung der Spule durch den Stromregler 24 gewährleistet ist.
Diese Vorgehensweise ist in Fig. 8 durch einen Funktionsblock 25 dargestellt, in welchem in Abhängigkeit des theoretischen Widerstandswertes der Spule R_sp, der an den jeweilig aktuellen Betriebszustand des elektromagnetischen Antriebssystems 1 adaptiv angepaßt ist, die optimalen Stromreglerparameter für den Stromregler 24 bestimmt werden.
Damit ist gewährleistet, daß die Sollwertvorgabe i_anreg der Getriebesteuereinrichtung, die beispielsweise zur Einstellung eines gewünschten Druckverlaufes von der Getriebesteuereinrichtung ausgegeben wird, exakt umgesetzt wird und bei Abweichungen innerhalb sehr kurzer Regelzeiten nachgeregelt werden kann. Bezugszeichen 1 elektromagnetisches Antriebssystem
2 Rechnereinheit
3 Detektor
4 Filter
5 Funktionsblock
6 Bereich
7 Funktionsblock
8 Schalter
9, 10 Funktionsblock
11 Bereich
12-19 Funktionsblock
20 Funktionsblock, DT1-Filter
21 Funktionsblock, DT1-Filter
22, 23 Funktionsblock
24 Stromregler
25, 26 Funktionsblock
I Bereich
II Bereich
i Stromstärke
i_ab Regelabweichung
i_anreg Erregerstrom, Sollwertvorgabe
i_ist Istwert des Spulenstromes
i_offs_u unterer Offsetwert
i_offs_o oberer Offsetwert
i_res Residuum, Differenz des Spulenstromes
i_schw_u untere Schwelle
i_schw_o obere Schwelle
i_theo theoretischer Wert des Spulenstromes
L Induktivität
L_g Gegeninduktion
R Widerstand
R_sp theoretischer Widerstandswert der Spule
R_sp_0 Bezugswiderstandswert
R_sp(T) temperaturabhängiger Widerstandswert der Spule
u Spannung
u_anp angepaßte Spannung
u_bat Bordnetzspannung
u_ist Istwert der Spulenspannung
u_regel Regelspannung
u_theo theoretisch ermittelte Spannung
t Zeit
T Temperatur eines Getriebeöls
T_sp Spuleninnentemperatur
T_sp_0 Bezugstemperatur
α Temperaturkoeffizient

Claims

1. Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems (1), insbesondere eines elektrischen Aktuators, mit einer Spule und einem über ein magnetisches Feld der Spule längsbeweglich betätigbaren Anker, wobei ein Istwert (i_ist) eines Spulenstromes, ein theoretischer Wert (i_theo) eines Spulenstromes und eine Spulenstromdifferenz (i_res) zwischen dem Istwert (i_ist) und dem theoretischen Wert (i_theo) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
Änderungen des theoretischen Wertes (i_theo), die beispielsweise in Folge einer Gegeninduktion (L_g) im elektrischen Aktuator auftreten, einem Detektor (3) zugeführt werden und/oder
Änderungen des theoretischen Wertes (i_theo), die insbesondere durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden, mittels einem Beobachterregler (8) ausgeglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnose in Echtzeit durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein theoretisch ermittelter Widerstandswert (R_sp) der Spule, der zur Ermittlung des theoretischen Wertes (i_theo) des Spulenstromes verwendet wird, derart in Abhängigkeit der Spulenstromdifferenz (i_res) adaptiert wird, daß diese minimiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption des theoretisch ermittelten Widerstandswertes (R_sp) oberhalb eines Betrages eines Schwellwertes (i_schw_u, i_schw_o) der Spulenstromdifferenz (i_res) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ermittelten Spulenstromdifferenz (i_res), die größer als eine obere Detektionsschwelle (i_schw_o) oder kleiner als eine untere Detektionsschwelle (i_schw_u) ist, eine Fehlererkennung ausgelöst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsschwellen (i_schw_o, i_schw_u) dynamisch angepaßt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsschwellen (i_schw_o, i_schw_u) in Abhängigkeit eines vorgegebenen Erregerstromes (i_anreg) verändert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Wert des Spulenstromes (i_theo) in Abhängigkeit einer Induktivität (L) der Spule bestimmt wird, wobei eine durch eine Bewegung des Ankers erzeugte Gegeninduktion (L_g) unberücksichtigt bleibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Startwert des theoretischen Widerstandswertes (R_sp) der Spule ein Bezugswiderstandswert (R_sp_0) bei einer Bezugstemperatufeingesetzt wird, der in einem Kennfeld einer elektrischen Steuereinrichtung abgelegt ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption des theoretischen Widerstandswertes (R_sp) der Spule über den Beobachterregler (8) erfolgt, welcher den Widerstandswert (R_sp) in Form eines I-Reglers einem realen Widerstandswert der Spule anpaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildung von Einflüssen einer Gegeninduktion auf den Istwert (i_ist) des Spulenstromes auf den theoretischen Wert (i_theo) des Spulenstromes durch den Beobachterregler (8) unterbleibt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Istwert (u_ist) einer pulsweitengenerierten Spulenspannung gefiltert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus der gefilterten Spulenspannung (u_ist) und einer an der Spule angelegten Spannung (u_bat) einer Spannungsquelle in Abhängigkeit einer Einschaltzeit und einer Periodenzeit eine gemittelte, effektiv an der Spule anliegende Spannung ermittelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung der ermittelten effektiven Spulenspannung an eine meßbare effektive Spulenspannung erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Wert des Spulenstromes (i_theo) in Abhängigkeit der angepaßten effektiven Spulenspannung (u_anp) ermittelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Spulenspannung mit Werten aus einem Kennfeld angepasst wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur (T_sp) der Spule aus dem adaptierten theoretisch ermittelten Widerstandswert (R_sp) der Spule bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenstrom (i_ist) über eine von einem Stromregler (24) der Getriebesteuereinrichtung geregelte Spulenspannung (u_ist) eingestellt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz aus der Sollwertvorgabe (i_anreg) für den Spulenstrom der Getriebesteuereinrichtung und dem Istwert (i_ist) des Spulenstromes eine Regelabweichung (i_ab) für den Stromregler (24) darstellt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (24) abhängig von dem in Echtzeit ermittelten Widerstandswert (R_sp) der Spule adaptiv einstellbar ist.