DE10302515A1

DE10302515A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10302515A1
Application number: DE2003102515
Authority: DE
Inventors: Chi-Thuan Cao; Matthias Kranich; Peter Blessing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: DE10302515B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kraftregler und/oder einem Motorregler, wobei die Vorrichtung (1) einen robusten Positionsregler (4) und/oder einen robusten Kraftregler (5) aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems (Brake-by-Wire) für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kraftregler und/oder einem Motorregler bzw. auf ein Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs mit einer zuvor erwähnten Vorrichtung.

Den prinzipiellen Aufbau eines dezentralen elektrischen Bremssystems zeigt l. Das System ist durch eine dezentrale Struktur charakterisiert, die sich aus vier Radmodulen, einem Verarbeitungsmodul VM, einem Kommunikationssystem K und Sensorsystemen zur Erfassung des Betriebsbremswunsches SB und des Feststellbremswunsches SF ergibt. Der Datenaustausch zwischen den einzelnen Modulen des Bremssystems geschieht mittels des redundant ausgeführten Kommunikationssystems K, vorzugsweise realisiert als serielles Bussystem, z.B. CAN. Die Versorgung der Komponenten des elektrischen Bremssystems erfolgt über eine redundant ausgeführte Energiequelle.

Der Fahrerwunsch zur Ausführung einer Betriebs- bzw. Feststellbremsfunktion wird durch eine Weg-, Winkel- oder Kraftmessung in den Sensorsystemen SB bzw. SF redundant erfasst. Die dabei auftretenden Signale werden den dezentral an den Rädern angeordneten Radmodulen über die Verbindungsleitungen V zugeführt. In den Radmodulen wird daraus zunächst die vom Fahrerwunsch resultierende Führungsgröße für die Kraftregelung eines individuellen Rades VR, VL, HR und HL unter Berücksichtigung einer geeigneten Bremskraftaufteilung gebildet. Über das Verarbeitungsmodul werden zudem übergeordnete Bremskraftanforderungen für ein individuelles Rad, z.B. ausgelöst durch eine ABS-, ESP-, RCC- oder Hill-Holder-Funktion, bereitgestellt. Daraus wird in jedem Radmodul eine Gesamtführungsgröße F_soll des zugeordneten Rades berechnet. Diese Führungsgröße wird durch die Kraftregelung, die ein Teil des Gegenstandes dieser Erfindung ist, in eine individuelle Bremskraft umgesetzt.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Radmoduls. Es besteht aus einem Mikrorechnersystem MR mit fail-silent-Verhalten, einem elektrischen Aktuator A und einer Getriebeeinheit G. Das Mikrorechnersystem MR beinhaltet die erforderlichen Speicher- und Peripheriekomponenten inklusive der Leistungselektronik (Umrichter) zur Ansteuerung des Aktuators A. Der elektrische Aktuator A wirkt über eine geeignete Getriebestufe auf den Zuspannweg einer Spindel, die über die Bremsbeläge B bzw. die Bremszange Z die Zuspannkraft in einer Scheiben- bzw. Trommelbremse ohne eine hydraulische Zwischenstufe erzeugt. Innerhalb dieses Radmoduls wird die Zuspannkraft F_ist durch einen Sensor, der im Kraftfluss zwischen Aktuator A und Bremsscheibe BS angeordnet ist, gemessen. Zudem wird im Radmodul der Aktuatorwinkel δ_M gemessen. Alternativ kann auch eine Drehwinkelmessung am Getriebe bzw. eine Positionsmessung des Spindelweges erfolgen.

3 gibt eine übersichtliche Struktur einer bekannten Kraft- und Positionsregelung wieder. Die Regelkreisstruktur wirkt beim Einsatz in elektrischen Bremssystemen (Brake-by-Wire-Systemen) in zwei unterschiedlichen Betriebsarten. In der Betriebsart Kraftregelung ist die Aufgabe der Regelung die Gesamtführungsgröße für die Kraft F_soll auszuregeln. Diese Betriebsart wird angewandt während des Zeitintervalls einer Bremsung, in dem die Bremsbeläge an der Bremsscheibe anliegen und damit eine Bremskraft F_ist > 0 gemessen wird. In der Betriebsart Positionsregelung hat die Regelung die Aufgabe, ein gefordertes Lüftspiel zwischen Bremsscheibe und den Bremsbelägen einzustellen. Diese Betriebsart wird eingesetzt, wenn die Bedingungen F_soll = 0 und F_ist ≈ 0 gegeben sind. Die Betriebsart Positionsregelung wird zudem als Rückfallebene bei Ausfall des Kraftsensors angewandt, um einen Bremskraftwunsch durch Vorgabe einer Führungsgröße δ_M _, _P ansteuern zu können. Hierbei wird der in einer Kennlinie abgelegte Funktionszusammenhang zwischen dem Aktuatorwinkel δ_M und der Zuspannkraft F_ist genutzt.

Die Regelkreisstruktur besteht aus einem externen Kraftregler 2 und einem internen Motorregler 3. Der Kraftregler 2 selbst enthält wiederum zwei Anteile, nämlich einen Kompensator 14 und einen Regler 15. Der Kompensator 14 ist eine Steuerungseinrichtung und hat die Aufgabe, die statischen unerwünschten nichtlinearen Effekte der Bremszange, wie Reibung, Erwärmungs- bzw. Alterungseffekte über z.B. nichtlineare Kennlinien zu kompensieren. Der Regler 15 ist eine dynamische Abgleicheinrichtung und sorgt dafür, dass die Bremskraft F_ist der Kraftführungsgröße F_soll folgt. Beide Anteile wirken additiv und bilden die aus der Betriebsart Kraftregelung resultierende Führungsgröße δ_M,P für den Motorregler 3. In der Betriebsart Positionsregelung wird die Führungsgröße für den Motorregler 3 durch δ_M,P vorgegeben. Der Wechsel zwischen den Betriebsarten erfolgt durch den Schalter 12.

Der Motorregler 3 hat eine Kaskadenstruktur, die aus einem Positionsregler 16, einem Drehzahlregler 17 und einem Stromregler 19 besteht. Zwischen Drehzahl- und Stromregler 17, 19 kann optional auch ein Momentregler 18 eingesetzt werden, wenn zusätzlich ein Momentsensor am Bremsmotor vorhanden ist. Der Positionsregler 16 hat die Aufgabe, den am Bremsmotor gemessenen Winkel δ_M so zu regeln, dass δ_M der Führungsgröße δ^* _M,soll ohne Überschwingung folgt. Hierbei wird der Führungsgröße δ^* _M,soll in Abhängigkeit von der Betriebsart der Regelkreisstruktur entweder δ_M,K oder δ_M,P zugeordnet. Der Ausgang der Positionsregelung ist der entsprechende Sollwert n_soll für den nachfolgenden Drehzahlregler 17. Der Drehzahlregler 17 bewertet die Abweichung zwischen der Solldrehzahl n_soll und der Istdrehzahl n, die z.B. aus δ_M abgeleitet werden kann, und liefert den Momentsollwert M_soll. Im Fall einer Momentregelung wird ein Stromsollwert i_soll aus der Abweichung zwischen dem Momentsollwert M_soll und einem Momentistwert M mit einem Momentregler 18 ermittelt. Im Fall einer Momentsteuerung wird der Sollstrom i_soll mit Hilfe einer Moment-Strom-Kennlinie gewonnen. Anschließend folgt die Stromregelung mit einem Stromregler 19, der die Abweichung zwischen Sollwert i_soll und Istwert i vergleicht und das Ansteuersignal an den Umrichter 6 liefert.

Die Kraft- und Positionsregelung des Standes der Technik weist verschiedene Nachteile auf. So ist bei der bekannten Positionsregelung bzw. Motorregelung mit Kaskadenstruktur in Verbindung mit einer Stromregelung nachteilig, dass Strommessungen und Stromregelung notwendig sind, eine digitale Realisierung von Stromregelungen nur mit sehr kleinen Abtastzeiten oder durch digitale Signalprozessoren möglich ist sowie zur Realisierung von Drehzahlreglern entweder Drehzahlsensoren oder Winkelsensoren mit hoher Auflösung erforderlich sind.

Die Motorregelung nach oben beschriebener Kaskadenstruktur ist kostenintensiv, da neben einem Positionsregler ein Drehzahlregler, ein Stromregler und zum Teil auch ein Momentregler benötigt wird. Bei den Kraftreglern des Standes der Technik ist eine aufwendige Steuereinrichtung, ein sog. Kompensator, notwendig, der die statischen unerwünschten nichtlinearen Effekte der Bremszange, wie Reibung, Erwärmungs- und Alterungseffekte, über z.B. nichtlineare Kennlinien kompensieren muss.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung sowie ein einfaches, applikationsfreundliches und kostengünstiges Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 und 12 erreicht.

Vorteil der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass die Vorrichtung einen robusten Positionsregler und/oder einen robusten Kraftregler aufweist, wird eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kraftregler und/oder einem Motorregler, geschaffen.

Eine derartige Vorrichtung erfordert keinen Stromregler, so dass auch keine Strommessungen durchgeführt werden müssen. Ferner wird kein Drehzahlregler erforderlich. Die Motorregelung kann nur mit einem robusten Positionsregler realisiert werden, wodurch die Abmaße und die Kosten des Motorreglers gering gehalten werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der Motorregler einen robusten Positionsregler zur Erzeugung einer Ansteuerspannung u für einen Umrichter, der einen elektrischen Aktuator ansteuert, aufweist. Der Umrichter stellt die Leistungselektronik zur Ansteuerung des elektrischen Aktuators dar. Der robuste Positionsregler erzeugt die Ansteuerspannung u für den Umrichter, ohne dass weitere Regler zwischengeschaltet werden müssen.

Besonders vorteilhaft ist es, dass der Motorregler ein Positionsreferenzmodell zur Vorgabe einer Referenzgröße für die Motorposition δ_M,ref des elektrischen Aktuators aufweist. Das Positionsreferenzmodell dient als Vorgabe eines gewünschten Führungsverhaltens des geschlossenen Regelsystems.

Ferner ist von Vorteil, dass der Motorregler eine Koordinatentransformationseinheit zur Bestimmung der Ansteuerspannung u des Umrichters aufweist. Der robuste Positionsregler gibt einen momentenbildenden Spannungsanteil u_sq aus, der durch die Koordinatentransformationseinheit in eine Ansteuerspannung u transformiert wird. Auf diese Art und Weise kann der Umrichter einfach mit den entsprechenden Ansteuerungssignalen beliefert werden.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Kraftregler einen robusten Kraftregler zur Bestimmung eines Sollwinkels δ^* _M,soll für den Motorregler aufweist. Der robuste Kraftregler gibt direkt, ohne den aufwendigen Kompensator einsetzen zu müssen, den Sollwinkel δ^* _M,soll an den Motorregler weiter. Hierdurch ist die Kraftregelung schnell und präzis in Bezug auf das Führungsverhalten und das Ausregeln von Störungen.

Ein Kraftregler, der ein Kraftreferenzmodell zur Vorgabe einer Referenzkraft für die Zuspannung der Bremszange des elektrischen Bremssystems aufweist, realisiert einen Kraftregler, der ohne einen Kompensator auskommt. Durch das Kraftreferenzmodell kann eine Referenzkraft F_ref ausgegeben werden, die direkt mit der Istkraft der Bremszange verglichen werden kann.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, dass die Vorrichtung einen Schalter aufweist, der den Motorregler mit dem Kraftregler oder mit einer Einheit, die eine Führungsgröße für den Motorregler vorgibt, verbindet. Durch den Schalter kann zwischen den Betriebsarten Kraftregelung und Positionsregelung gewechselt. werden, wie es bei dem oben beschriebenen Stand der Technik bereits bekannt ist.

Weiterhin wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs mit einer oben beschriebenen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der robuste Positionsregler die Motorposition δ_M des Aktuators regelt, bis sie einem mit Hilfe des Positionsreferenzmodells vorgewählten Positionsverhalten δ_M,ref folgt. Eine Drehzahl- und Stromregelung ist bei diesem Verfahren nicht notwendig. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Motorregelung ist dieses Verfahren auch bei großen Abtastzeiten ausführbar.

Vorteilhaft ist es, wenn der robuste Positionsregler aus einem Sollwert für die Motorposition des Aktuators δ^* _M,soll und einem Fehlersignal e, dessen Wert zwischen der Referenzposition des Aktuators δ_M,ref und der Motorposition des Aktuators δ_M liegt, die Ansteuerspannungen u für den Umrichter erzeugt. Je nach gewünschter Betriebsart, Kraftregelung oder Positionsregelung wird der Sollwert für die Motorposition des Aktuators δ^* _M,soll entweder durch den Kraftregler oder durch eine externe Einheit vorgegeben. Dies erfolgt, wie beim Stand der Technik, durch Umlegung des oben erwähnten Schalters.

Ferner ist vorteilhaft, dass das Fehlersignal e zu jedem Zeitpunkt aus der Differenz zwischen dem jeweiligen Referenzwert für die Motorposition des Aktuators δ_M,ref und der jeweiligen Motorposition des Aktuators δ_M gebildet wird. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion hinsichtlich des Führungsverhaltens und des Ausregelns von Störungen. Die Motorposition δ_M des Aktuators wird mit Hilfe des Fehlersignals e so lang geregelt, bis sie dem durch das Positionsreferenzmodell vorgewählten Positionsverhalten δ_M,ref folgt.

Zweckmäßigerweise bestimmt die Koordinatentransformationseinheit die Ansteuerspannung des Umrichters durch Raumzeigermodulation. Die vom robusten Positionsregler ausgegebenen momentenbildenden Spannungsanteile werden durch die Koordinatentransformationseinheit in eine Ansteuerspannung für den Umrichter transformiert.

Als Alternative wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs mit einer oben beschriebenen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der Kraftregler mit Hilfe des robusten Kraftreglers und des Kraftreferenzmodells einen Sollwinkel δ_M,K für den Motorregler ermittelt. Hierdurch kann das oben beschriebene Ziel ebenfalls realisiert werden. Ein Kompensator ist überflüssig bei diesem Kraftregler. Die Ermittlung des Sollwinkels δ_M,K erfolgt dynamisch. D.h. das dynamische Verhalten des geschlossenen Regelkreises wird bei allen Situationen durch ein vorwählbares Kraftreferenzmodell bestimmt.

Vorteilhafterweise gibt das Kraftreferenzmodell eine zeitabhängige Referenzkraft F_ref für die Zuspannung der Bremszange des elektrischen Bremssystems vor. Die Parameter des Kraftreglers können einfach und schnell durch Vorgabe eines veränderten Referenzmodells angepasst werden.

Ferner ist von Vorteil, dass der robuste Kraftregler den Sollwinkel δ_M,K für den Motorregler aus der Gesamtführungsgröße F_soll und einem Fehlersignal e_F berechnet, und dass das Fehlersignal e_F zu jedem Zeitpunkt aus der Differenz zwischen der jeweiligen Referenzkraft F_re _f und der jeweiligen Zuspannkraft F_ist der Bremszange gebildet wird. Durch die vorgewählte zeitabhängige Referenzkraft F_ref wird ein dynamisches Verhalten des geschlossenen Regelkreises erhalten.

Eine optimale Kraft- und Positionsregelung wird erhalten, wenn sowohl der robuste Kraftregler, als auch der robuste Positionsregler bei einem elektrischen Bremssystem für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs werden anhand der beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
1 den Aufbau eines dezentralen elektrischen Bremssystems,
2 ein schematische Darstellung eines Radmoduls,
3 die Struktur einer aus dem Stand der Technik bekannten Kraft- und Positionsregelung,
4 die Struktur der Kraft- und Positionsregelung mit erfindungsgemäßer robuster Positionsregelung,
5 die Struktur der Kraft- und Positionsregelung mit erfindungsgemäßer robuster Positionsregelung und robuster Kraftregelung.
Bevorzugte Ausführungsformen
1 bis 3 sind in der Einleitung der Anmeldung näher beschrieben und stellen den Stand der Technik dar.
4 zeigt die Struktur der Kraft- und Positionsregelung mit erfindungsgemäßer robuster Positionsregelung. Der Motorregler 3 umfasst den robusten Positionsregler 4, das Positionsreferenzmodell 8 sowie eine Koordinatentransformationseinheit 9.
Charakteristisch an dem erfindungsgemäßen Motorregler 3 ist, dass Strom-, Drehzahl- und Momentregler nicht mehr vorhanden sind. Daher ist eine Strommessung nicht mehr notwendig. Mit Hilfe eines robusten Positionsreglers 4, der aus dem Sollwert δ^* _M,soll und einem Fehlersignal e, welches einen Wert zwischen δ_M,ref und δ_M annimmt, einen momentenbildenden Spannungsanteil u_sq für den Umrichter 6 erzeugt, wird die Motorposition δ_M so lang geregelt, bis sie einem mit Hilfe des Positionsreferenzmodells 8 vorgewählten Positionsverhalten δ_M,ref folgt. Die Koordinatentransformationseinheit 9 wandelt den momentenbildenden Spannungsanteil u_sq in die Ansteuerspannung u um.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf eine Realisierungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Motorsteuerung mittels eines Permanent-Magneten-erregten Synchron-Motors (PMSM). In einer alternativen Realisierung kann das robuste Regelverfahren auch bei Einsatz eines Asynchron- oder Switched Reluctance Antriebes eingesetzt werden.
Für den mechanischen Anteil einer PMSM gilt im Allgemeinen das folgende kontinuierliche Modell:
Hierin sind:
δ_M: der Positionswinkel des elektrischen Aktuators
ω_Mech: die mechanische Winkelgeschwindigkeit
K_t: die Momentenkonstante
z_p: die Polpaarzahl
Ψ_p: magnetische Polradfluss
R_S: Statorwiderstand
J: Trägheitsmoment
u_sq: momentenbildende Spannungsanteil
a_i, b_i: Koeffizienten (i = 1,2)
Nach der Überführung in den zeitdiskreten Bereich ergibt sich aus Gl. (1) und (2) folgendes diskrete Motormodell: δM(k + 1) = –a1 δM (k) –a2 δM(k – 1) + b1 usq(k) + b2 usq(k – 1) + z(k + 1) (3)
Der Term z(k + 1) berücksichtigt in dieser Darstellung die Störung und die Parameterunsicherheiten des Modells.
Das Referenzmodell dient als Vorgabe eines gewünschten Führungsverhaltens des geschlossenen Regelsystemes. Es wird in dieser Realisierungsvariante als System 2. Ordnung in diskreter Form wie folgt gewählt:
Der robuste Positionsregler wird jetzt so entworfen, dass das Fehlersignal e(k + 1) = δM ref(k + 1) –δM(k + 1) (5)asymptotisch gegen Null konvergiert.
Dies erhält man durch eine geschickte Wahl von k_e in der folgenden Ausführung der Stellgröße:
Damit- der Algorithmus Gl. (6) realisiert werden kann, wird die unbekannte Störung z zum Zeitkunkt k + 1 mit Hilfe der um L Zeitschritte zurückliegenden Messwerte bestimmt. Die Stellgröße lautet nun in der endgültigen Form:
Aus der mit Gl. (7) ermittelten Stellgröße werden im Block Koordinatentransformation in 4 die Ansteuerspannungen u des Umrichters durch Raumzeigermodulation bestimmt.
Da der Regler von vornherein auf der Basis eines diskreten Modells entworfen wurde, kann der so entstandene Regleralgorithmus direkt mit einem Mikrorechner ohne Rücksicht auf den Einfluss der Abtastzeit realisiert werden. Bei der Realisierung des Regelalgorithmus wird lediglich die Winkelinformation verwendet. Insofern ist kein Drehzahlsensor notwendig.
Die Kraftregelung ist bei der in 4 dargestellten Struktur unverändert zum Stand der Technik. Die Kraftregelung erfolgt mit einem Regler 15 sowie einem Kompensator 14.
Anhand der 5 soll die Struktur eines robusten Gesamtregelungskonzeptes, welches sich aus einem robusten Kraft- und Positionsregler 5, 4 zusammensetzt, für die Anwendung bei einem elektrischen Bremssystem für ein Kraftfahrzeug erläutert werden. Vergleicht man 5 mit der 4 so ist zu erkennen, dass lediglich der Kraftregler 2 neu gestaltet wurde. Der Kraftregler 2 umfasst in dieser Ausführungsform einen robusten Kraftregler 5 sowie ein Kraftreferenzmodell 10.
Die Möglichkeit zur Vorgabe eines externen Sollwinkels δ_M _, _P zur Lüftspieleinstellung aus einer nicht näher erläuterten Einheit 11 durch Umlegen des Schalters 12 sowie die Struktur des Motorreglers 3 bleiben unverändert.
Der neue robuste Kraftregler besitzt dieselbe regelungstechnische Struktur wie der robuste Positionsregler, wobei das Referenzmodell statt eines Referenzwinkels eine Referenzkraft ausgibt, das Fehlersignal e_F aus der Differenz der Referenzkraft und der Istkraft gebildet wird und der robuste Kraftregler nicht die Stellspannung u bzw. den momentenbildenden Spannungsanteil u_sq, sondern den Sollwinkel δ_M _, _K ausgibt.
Zunächst ist das Positionsreferenzmodell 8 des Motorreglers 3 zu modifizieren. Bisher ist hier ein PT2 System hinterlegt. Um jedoch die Dynamik zu erhöhen, ist es empfehlenswert dieses PT2 System durch ein PDT2 System zu ersetzen. Damit wird die maximale Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal von –180° auf –90° verringert.
Beim robusten Positionsregler 4 ist die Eingangsgröße des Streckenmodells u und die Ausgangsgröße der Istwinkel δ_M. Überträgt man diese Gedanken auf das Streckenmodell des robusten Kraftreglers 5, so ist in diesem Fall die Eingangsgröße der Sollwinkel δ^* _M,soll und die Ausgangsgröße die Istkraft F_ist. Setzt man die ideale Bedingung voraus, dass beim Motorregler 3 der Istwinkel sich genauso wie der Referenzwinkel verhält, d.h. δ_M ≈ δ_Ref und somit das Fehlersignal e ≈ 0 ist, dann kann das Verhalten von Istwinkel δ_M zu Sollwinkel δ^* _M,soll mit Hilfe des als Positionsreferenzmodells hinterlegten PDT2 Systems beschrieben werden. Der Zusammenhang zwischen dem Istwinkel δ_M und der Istkraft F_ist kann hingegen im Idealfall mittels eines Proportional-Gliedes mit veränderbarem Verstärkungsfaktor modelliert werden.
Insgesamt setzt sich dann das Streckenmodell des Kraftreglers 2 aus einem PDT2-System mit veränderbarem Verstärkungsfaktor zusammen. Für den ersten Ansatz kann durchaus auch ein PDT2 System mit einem konstanten mittleren Verstärkungsfaktor verwendet werden. Führt man das System in den zeitdiskreten Bereich über, so erhält man folgende Differenzgleichung für das robuste Kraftregler-Streckenmodell.
Analog zum robusten Positionsregler 4 berücksichtigt der Term z(k + 1) die Störung und die Parameterunsicherheiten des Modells.
Das Kraftreferenzmodell 10, welches als Vorgabe eines gewünschten Führungsverhaltens des geschlossenen Regelkreises dient, kann als PT2 oder PDT2 System ausgeführt werden. In diskreter Form ändern sich dabei lediglich die Koeffizienten a_i, b_i, die prinzipielle Struktur der Gleichung (9) bleibt jedoch erhalten. Fref(k + 1) = –a1rFref(k) –a2rFref(k – 1) + b1r FSoll(k) + b2rFSoll(k – 1) (9)
Das Fehlersignal e_F berechnet sich dann beim robusten Kraftregler gemäß Gleichung (10). eF (k + 1) = Fref (k + 1) – Fist (k + 1) (10)
Setzt man die Gleichung (8) und (9) in die Gleichung (10) ein und berücksichtigt noch die unbekannte Störung z analog zu Gleichung (7), so erhält man die Stellgröße δ^* _M,soll in der endgültigen Form.
Der in Gleichung (11) ermittelten Sollwinkel δ^* _M,soll dient, wie in 5 gezeigt, als Eingangsgröße für den Motorregler 3.
Die robuste Kraftregelung sowie die robuste Positionsregelung sind direkt mit einem Mikroprozessor realisierbar.
Im folgenden sollen anhand der 6 bis 8 konkrete Ergebnisse der kaskadierten RFC (robuste Kraftregelung)-RPC (robuste Positionsregelung) vorgestellt werden.
Als Manöver dient ein ABS-Stimulus, wobei zusätzlich die Steigung der Bremszangenkennlinie um +/– 50% variiert wurde. Die Reglerparameter blieben jeweils unverändert.
6 zeigt zum einen die im Normalfall wirksame mittlere Bremszangenkennlinie 60 sowie die um 50% erhöhte Kennlinie 61 bzw. erniedrigte Kennlinie 62. Eine Veränderung der Bremszangensteifigkeit und damit eine Variation der Bremszangenkennlinie kann z. B. durch Temperatureinfluss und/oder Alterungseffekte auftreten.
Zunächst wurde eine Messung mit der oben vorgestellten Regelung, nämlich der Standardkraftregelung und der robusten Positionsregelung, durchgeführt. 7 zeigt die Soll- und Istkraft 70 bzw. 71 aufgetragen gegen die Zeit bei unterschiedlichen Zangenkennlinien.
Als Referenz ist in 7a der Soll- und Istkraftverlauf bei normaler Steigung der Bremszangenkennlinie (vgl. 6) wiedergegeben. Wie aus 7a ersichtlich, folgt die Istkraft 71 im wesentlichen dem Sollkraftverlauf, obwohl in der Regelung keine separate Hysteresekompensation implementiert ist.
Nimmt die Steigung der Bremszangenkennlinie, wie in 7b dargestellt, jedoch um 50% ab, so ist die Regelqualität nicht mehr zufriedenstellend. Die Istkraft 71 kann in keinster Weise der Sollkraft 70 folgen.
Bei einer Erhöhung der Bremszangenkennlinie um 50%, wie in 7c dargestellt, neigt die Istkraft 71 sehr stark zum Überschwingen. Eine Verbesserung der dargestellten Ergebnisse wird mit einer Kombination aus robuster Kraft- und Positionsregelung, wie im folgenden dargestellt, erzielt. Das Messergebnis ist in 8 dargestellt.
In 8a ist der Soll- und Istkraftverlauf 80 bzw. 81 bei normaler Steigung der Bremszangenkennlinie wiedergeben. Von der Regelqualität ist der Kraftverlauf mit dem in 7a wiedergegebenen vergleichbar.
Wird nun die Steigung der Bremszangenkennlinie um 50% erniedrigt (vgl. 6), so erhält man den in 8b gezeigten Kraftverlauf. Es ist zu erkennen, dass die Dynamik zwar etwas abgenommen hat, die Regelqualität jedoch sehr gut ist, wie ein Vergleich mit den mit dem Standardkraftregler erzielten Ergebnissen der 7b ergibt.
Bei Erhöhung der Bremszangensteifigkeit um 50% (vgl. 6) erhält man dagegen den in 8c aufgezeigten Kraftverlauf. Deutlich erkennbar ist, dass sich keinerlei Anzeichen von Instabilität oder Neigungen zum Schwingen ergeben. Die Regelqualität ist nahezu unverändert zu derjenigen bei normaler Bremszangensteifigkeit.
Die dargestellten Messergebnisse zeigen eindeutig, dass mit dem erfindungsgemäßen robusten Regelungskonzept trotz extremer Schwankungen der Bremszangensteifigkeit eine sehr gute Regelqualität erreicht wird.
Ein weiterer Aspekt ist die notwendige Rechnerperformance: So wurde im ersten Fall der Standardkraftregler und der robuste Positionsregler (RPC) im 2,5 ms-Takt betrieben, während im zweiten Fall der robuste Kraftregler (RFC) im 5 ms-Takt und der RPC im 2,5 ms-Takt betrieben wurden. So konnte trotz einer Verdoppelung der Abtastzeit bei der Kraftregelung die Regelqualität deutlich verbessert werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Kraft- und/oder Positionsregelung eines elektrischen Bremssystems für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kraftregler (2) und/oder einem Motorregler (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen robusten Positionsregler (4) und/oder einen robusten Kraftregler (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorregler (3) einen robusten Positionsregler (4) zur Erzeugung einer Ansteuerspannung u für einen Umrichter (6), der einen elektrischen Aktuator (7) ansteuert, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorregler (3) ein Positionsreferenzmodell (8) zur Vorgabe einer Referenzgröße δ_M,ref für die Motorposition des elektrischen Aktuators (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorregler (3) eine Koordinatentransformationseinheit (9) zur Bestimmung der Ansteuerspannung u des Umrichters (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftregler (2) einen robusten Kraftregler (5) zur Bestimmung eines Sollwinkels
für den Motorregler (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftregler (2) ein Kraftreferenzmodell (10) zur Vorgabe einer Referenzkraft F_ref für die Zuspannung der Bremszange (13) des elektrischen Bremssystems aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Schalter (12) aufweist, der den Motorregler (3) mit dem Kraftregler (2) oder mit einer Einheit (11), die eine Führungsgröße für den Motorregler (3) vorgibt, verbindet.
Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche der robuste Positionsregler (4) die Motorposition δ_M des Aktuators (7) regelt, bis sie einem mit Hilfe des Positionsreferenzmodells (8) vorgewählten Positionsverhalten δ_M,ref folgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der robuste Positionsregler (4) aus einem Sollwert für die Motorposition des Aktuators
und einem Fehlersignal e, dessen Wert zwischen der Referenzposition des Aktuators (7) δ_M,ref und Motorposition des Aktuators (7) δ_M liegt, die Ansteuerspannungen u für den Umrichter (6) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal e zu jedem Zeitpunkt aus der Differenz zwischen dem jeweiligen Referenzwert für die Motorposition des Aktuators (7) δ_M,ref und der jeweiligen Motorposition des Aktuators (7) δ_M gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformationseinheit (9) die Ansteuerspannung des Umrichters (6), insbesondere durch Raumzeigermodulation, bestimmt.
Verfahren zur Kraft- und/oder Positionsregelung für ein elektrisches Bremssystem für die Betriebs- und/oder Feststellbremsfunktion eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche der Kraftregler (2) mit Hilfe des robusten Kraftreglers (5) und des Kraftreferenzmodells (10) einen Sollwinkel δ_M _, _K für den Motorregler (3) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftreferenzmodell (10) eine zeitabhängige Referenzkraft F_ref für die Zuspannung der Bremszange (13) des elektrischen Bremssystems vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der robuste Kraftregler (5) den Sollwinkel δ_M,_K für den Motorregler (3) aus der Gesamtführungsgröße F_soll und einem Fehlersignal e_F berechnet.
Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal e_F zu jedem Zeitpunkt aus der Differenz zwischen der jeweiligen Referenzkraft F_ref und der jeweiligen Zuspannkraft F_ist der Bremszange gebildet wird.