DE10311019A1

DE10311019A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments

Info

Publication number: DE10311019A1
Application number: DE2003111019
Authority: DE
Inventors: Norbert Pelz; Matthias Schultalbers; Peter Dr. Dünow; Jan Peter Dr. Blath; Ralf Schilling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments einer Antriebseinrichtung vorgeschlagen, wobei aus einem momentanen Solldrehmoment (w) der Antriebseinrichtung und einem nach einem bestimmten Zeitpunkt zu erreichenden Zieldrehmoment (u) der Antriebseinrichtung (4) ein Stellsignal (s) erzeugt wird. Die Antriebseinrichtung (4) wird dann zur Erzeugung des Drehmoments (y) mit dem Stellsignal (s) angesteuert. Durch die zusätzliche Verwendung des Zieldrehmoments (u) wird ein schnelleres Folgeverhalten der Steuerung erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments eines Verbrennungsmotors über eine Drosseleinrichtung.
In modernen Motorsteuergeräten koordiniert eine Momentenstruktur gewünschte Motordrehmomente aus internen und externen Anforderungen, beispielsweise von einer Getriebesteuerung. Entsprechend dem aus dieser Koordination resultierenden Solldrehmoment des Motors wird das Drehmoment des Motors gesteuert bzw. geregelt.
Dies ist schematisch in 3 dargestellt. Dabei wird das gewünschte Solldrehmoment einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 zugeführt. Diese erzeugt aus dem Solldrehmoment w ein Stellsignal sb. Mit diesem Stellsignal sb wird eine Antriebseinrichtung 11, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, angesteuert, welche das Motordrehmoment beeinflusst. Dies resultiert in der Erzeugung eines Istdrehmoments y. Die Vorrichtung kann auch als Regelkreis ausgebildet sein. Als Eingangsgröße für die Steuereinheit 10 dient dann die Differenz aus Solldrehmoment w und Istdrehmoment y. Diese Differenz wird von einem Subtrahieren 5 gebildet.
Ein Element der Antriebseinrichtung 11, mit der das Motordrehmoment gesteuert wird, kann z. B eine Drosselklappe sein. Die entsprechende Stellgröße, welche von dem Stellsignal sb gesteuert wird, ist dann der Öffnungswinkel der Drosselklappe. Weitere Möglichkeiten für Stellgrößen sind beispielsweise der Zündzeitpunkt eines Luft-/Benzingemisches in einem Zylinder der Antriebseinrichtung oder das Luftverhältnis (Lambda).
Beispielsweise öffnet eine Momentenerhöhung auf Füllungsebene die Drosselklappe bzw. Drosselvorrichtung. Die Öffnung der Drosselvorrichtung führt zu einer Erhöhung der Zylinderfüllung und damit zu einem steigenden Motordrehmoment.
In 4 ist ein derartiges Verhalten graphisch dargestellt. Dabei zeigt Kurve 12 den Sollverlauf des Öffnungswinkels der Drosselvorrichtung und Kurve 13 den zeitlichen Verlauf des Motordrehmoments. Der tatsächliche Verlauf des Öffnungswinkels ist gegenüber dem Sollverlauf verzögert. Das Motordrehmoment steigt im Vergleich mit steigendem Öffnungswinkel der Drosselvorrichtung nochmals verzögert und gefiltert. Verzögerung und Filterwirkung sind im Fahrbetrieb deutlich spürbar.
Ein schnelleres Folgeverhalten ergibt sich bei Verwendung des Zündzeitpunkts als Stellgröße. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich dabei ein erhöhter Kraftstoffverbrauch ergibt, da der Zündzeitpunkt für das im Zylinder vorhandene Benzin-/Luftgemisch nicht optimal ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments einer Antriebseinrichtung bereit zu stellen, wobei das Drehmoment einem Solldrehmoment möglichst schnell folgt und andererseits auch eine Stellgröße, der das Drehmoment nur relativ langsam folgt, zur Steuerung verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens bzw. der Vorrichtung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass aus einem momentanen Solldrehmoment der Antriebseinrichtung und einem nach einem bestimmten Zeitraum zu erreichenden Zieldrehmoment ein Stellsignal erzeugt wird, und dass die Antriebseinrichtung zur Erzeugung des Drehmoments mit dem Stellsignal angesteuert wird.
Durch die zusätzliche Verwendung des nach einem bestimmten Zeitraum zu erreichenden Zieldrehmoments als Eingangsgröße für die Steuerung kann ein deutlich schnelleres Folgeverhalten eines Istdrehmoments auf das Solldrehmoment erzielt werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass aus dem Solldrehmoment ein erstes Teilstellsignal und aus dem Zieldrehmoment ein zweites Teilstellsignal erzeugt wird und dass das erste Teilstellsignal und das zweite Teilstellsignal zu dem Stellsignal kombiniert wird.
Dabei kann das zweite Teilstellsignal vorteilhaft derart gebildet werden, dass eine Totzeit und/oder eine das Folgeverhalten der Antriebseinrichtung auf das erste Teilstellsignal charakterisierende Zeitkonstante, welche bei einer Ansteuerung der Antriebseinrichtung allein mit dem ersten Teilstellsignal auftreten würden, kompensiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei als reine Steuerung oder auch als Regelung ausgelegt sein, bei der als zusätzliche Eingangsgröße für die Regelung ein momentanes Istdrehmoment der Antriebseinheit dient.
Beispielsweise kann im Fall eines Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Drosseleinheit des Verbrennungsmotors zur Steuerung bzw. Regelung des Drehmoments angesteuert werden. Dies führt gegenüber einer Steuerung beispielsweise des Zündzeitpunkts zu einem verminderten Treibstoffverbrauch und ermöglicht durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dennoch eine schnelle Steuerung.
Zusätzlich zur Ansteuerung der Drosseleinheit kann auch weiterhin der Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel verändert werden, um verbleibende Abweichungen zwischen dem Solldrehmoment und dem Istdrehmoment auszugleichen. Die Abweichung des Zündzeitpunktes von dem optimalen Zündzeitpunkt ist dabei jedoch deutlich geringer als bei der herkömmlichen Steuerung, so dass auch der Kraftstoffverbrauch kaum negativ beeinflusst wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 simulierte Drehmomentsverläufe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, und
4 ein Folgeverhalten eines Motordrehmoments auf einen Öffnungswinkel einer Drosselvorrichtung.
1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments einer Antriebseinrichtung. Als Eingangsgrößen für die Steuerung dienen ein Solldrehmoment w und ein nach einem bestimmten Zeitraum zu erreichendes Zieldrehmoment u. Es kann beispielsweise vorkommen, dass eine Getriebesteuerung der Antriebseinheit für einen bestimmten Zeitpunkt ein niedrigeres Drehmoment von der Antriebseinheit anfordert. Die Dauer dieser Drehmomentsverminderung ist im vornherein bekannt. Die Größe w zeigt dann das momentan gewünschte Solldrehmoment an, während die Größe u das zu erreichende Zieldrehmoment nach einem bestimmten Zeitraum anzeigt. Da das Ende der Drehmomentsverminderung bekannt ist, springt die Größe u dementsprechend schon früher auf das höhere Ursprungsdrehmoment zurück als die Größe w.
Eine erste Auswerteeinheit 1 erzeugt aus dem Solldrehmoment w bzw. aus einem ihr zugeführten Solldrehmomentsignal ein erstes Teilstellsignal s1. Weiterhin erzeugt eine zweite Auswerteeinheit 2 aus dem Zieldrehmoment u bzw. aus einem ihr zugeführten Zieldrehmomentsignal ein zweites Teilstellsignal s2. Eine Zusammenfassungseinrichtung 3, beispielsweise eine Additionseinrichtung, fasst die Teilstellsignale s1 und s2 zu einem Stellsignal s zusammen, mit dem die Antriebseinrichtung 4 angesteuert wird. Dabei kann insbesondere durch das Stellsignal s ein Öffnungswinkel einer Drosselklappe, ein Zündzeitpunkt einer Zündkerze oder eine Luftmischung als Stellgröße beeinflusst werden. Die Antriebseinheit 4 erzeugt dann ein Istdrehmoment y.
Die Vorrichtung kann sowohl als reine Steuerung als auch als Regelung ausgeführt sein. Im Falle einer Regelung wird bevorzugt das Solldrehmoment w und das Istdrehmoment y einem Subtrahieren 5 zugeführt, so dass die Differenz aus dem Solldrehmoment w und dem Istdrehmoment y als Eingangsgröße für die erste Auswerteeinheit 1 dient. Die erste Auswerteeinheit 1 ist in diesem Fall als Regler ausgeführt. Dies kann prinzipiell jeder geeignete Regler sein. Es können auch verschiedene Reglertypen für eine Erhöhung und eine Erniedrigung des Drehmoments verwendet werden, beispielsweise ein differenzierendes Übertragungsglied (D-Glied) für eine Erhöhung und ein Verzögerungsglied erster Ordnung (PT₁-Glied) für eine Erniedrigung des Drehmoments.
Im Folgenden soll nun die Funktion der Auswerteeinrichtungen 1 und 2 und die Funktionsweise der Steuerung anhand eines Beispiels genauer erläutert werden. Die im Folgenden dargestellten mathematischen Funktionen werden dabei in Form der so genannten z-Transformierten angegeben.
Die Ansteuerung einer Drosselvorrichtung, beispielsweise einer Drosselklappe, zur Steuerung des Drehmoments kann beispielsweise durch den Prozess
dargestellt werden. Dies stellt ein System mit einer Totzeit und einem Verzögerungsglied erster Ordnung dar. Die Verzögerung ist dabei im Wesentlichen durch ein mit der Drosselklappe verbundenes Saugrohr bestimmt. In Wirklichkeit stellt dies ein Verzögerungsglied höherer Ordnung dar, zur Veranschaulichung eignet sich der in Gleichung (1) dargestellte Prozess jedoch gut.
Das Zieldrehmoment u eile dem Solldrehmoment um acht Abtast- bzw. Zeitschritte voraus: w(z) = z-8u(z) (2)
Gewünscht ist beispielsweise eine Umsetzung des Solldrehmoments w(z) auf das Istdrehmoment y(z) gemäß einem Führungsübertragungsverhaltens T(z), wobei
Die Übertragungsfunktion der ersten Auswerteeinrichtung 1 sei nun mit R(z) und die Übertragungsfunktion der zweiten Auswerteeinrichtung 2 mit S(z) bezeichnet. Dann gilt für die in 1 dargestellte Vorrichtung im Falle einer reinen Steuerung: Y(z) = R(z)P(z)w(z) + S(z)P(z)u(z) (4)
Für die erste Auswerteeinrichtung 1 wird beispielhaft ein einfacher proportionaler (P)-Regler verwendet, also
Aus den Gleichungen (1) bis (4) ergibt sich dann für die Übertragungsfunktion der durch die zweite Auswerteeinrichtung 2 bewirkten Vorsteuerung:
Für andere Übertragungsfunktionen der ersten Auswerteeinheit muss die Übertragungsfunktion S(z) dementsprechend anders gewählt werden.
2 zeigt beispielhafte Drehmomentverläufe in Abhängigkeit von der Zeit für dieses Ausführungsbeispiel. Dabei stellt die Kurve 6 den Verlauf des Zieldrehmoments u und die Kurve 7 den Verlauf des Solldrehmoments w dar. Die Kurve 8 zeigt den Verlauf des Istdrehmoments ohne die zweite Auswerteeinheit 2 und die damit verbundene zusätzliche Vorsteuerung, die Kurve 9 zeigt den Verlauf des Istdrehmoments mit zusätzlicher Vorsteuerung. Damit wird deutlich, dass mit der zusätzlichen Vorsteuerung das Istdrehmoment wesentlich schneller und genauer im Solldrehmoment folgt. Die Totzeit und die dominierende Zeitkonstante, die sich bei einer Steuerung ohne Vorsteuerung ergibt, wird durch die Vorsteuerung kompensiert.

1: erste Auswerteeinheit
2: zweite Auswerteeinheit
3: Zusammenfassungseinrichtung
4: Antriebseinheit
5: Subtrahieren
6: Verlauf des Zieldrehmoments
7: Verlauf des Solldrehmoments
8: Verlauf des Istdrehmoments ohne Vorsteuerung
9: Verlauf des Istdrehmoments mit Vorsteuerung
10: Regler
11: Antriebseinheit
12: Verlauf des Öffnungswinkels einer Drosselklappe
13: Verlauf des Istdrehmoments
w: Solldrehmoment
u: Zieldrehmoment
y: Istdrehmoment
s1: erstes Teilstellsignal
s2: zweites Teilstellsignal
s: Stellsignal
sb: Stellsignal
t: Zeit

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Drehmoments (y) einer Antriebseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass aus einem momentanen Solldrehmoment (w) der Antriebseinrichtung (4) und einem nach einem bestimmten Zeitraum zu erreichenden Zieldrehmoment (u) ein Stellsignal (s) erzeugt wird und dass die Antriebseinrichtung (4) zur Erzeugung des Drehmoments (y) mit dem Stellsignal (s) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Solldrehmoment (w) der Antriebseinrichtung ein erstes Teilstellsignal (s1) erzeugt wird, dass aus dem Zieldrehmoment (u) ein zweites Teilstellsignal (s2) erzeugt wird, und dass das erste Teilstellsignal (s1) und das zweite Teilstellsignal (s2) zu dem Stellsignal (s) kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teilstellsignal (s2) derart gebildet wird, dass eine Totzeit und/oder eine das Folgeverhalten der Antriebseinrichtung (4) auf das erste Teilstellsignal (s1) charakterisierende Zeitkonstante, welche bei einer Ansteuerung der Antriebseinrichtung allein mit dem ersten Teilstellsignal (s1) auftreten würden, kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal (s) aus einem momentanen Istdrehmoment (y) der Antriebseinheit (4), dem Solldrehmoment (w) und dem Zieldrehmoment (u) erzeugt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilstellsignal (s1) aus der Differenz zwischen dem Istdrehmoment (y) und dem Solldrehmoment (w) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Steuerung des Drehmoments eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug dient.
Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments (y) einer Antriebseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (1,2,3) vorgesehen sind, welchen ein Solldrehmomentsignal, welches ein momentanes Solldrehmoment (w) beschreibt, und ein Zieldrehmomentsignal, welches ein nach einem bestimmten Zeitraum zu erreichendes Zieldrehmoment (u) beschreibt, zuführbar sind, und dass die Steuermittel (1,2,3) derart ausgestaltet sind, dass sie aus dem Solldrehmomentsignal und dem Zieldrehmomentsignal ein Stellsignal (s) zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (4) zur Erzeugung des Drehmoments (y) erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Steuermitteln (1,2,3,5) zusätzlich ein Istdrehmomentsignal, welches ein momentanes Istdrehmoment (y) der Antriebseinrichtung (4) beschreibt, zuführbar ist, und dass die Steuermittel (1,2,3,5) derart ausgestaltet sind, dass sie das Stellsignal (s) zusätzlich aus dem Istdrehmomentsignal erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (1,2,3,5) eine erste Auswerteeinrichtung (1) mit einer ersten Übertragungsfunktion zur Erzeugung eines ersten Teilstellsignals (s1) aus dem Solldrehmomentsignal, eine zweite Auswerteeinrichtung (2) mit einer zweiten Übertragungsfunktion zur Erzeugung eines zweiten Teilstellsignals (s2) aus dem Zieldrehmomentsignal und eine Zusammenfassungseinrichtung (3) zur Erzeugung des Stellsignals (s) aus dem ersten (s1) und zweiten (s2) Teilstellsignal umfasst, und dass die Ansteuerung der Antriebseinheit (4) zur Erzeugung des Drehmoments (y) eine dritte Übertragungsfunktion aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung ein Verbrennungsmotor mit einer Drosseleinheit ist, und dass das Stellsignal (s) ein Signal zur Steuerung des Öffnungsgrades der Drosseleinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel derart ausgestaltet sind, dass sie den Verbrennungsmotor zusätzlich zur Veränderung eines Zündwinkels ansteuern, um einen Unterschied zwischen dem Solldrehmoment und dem Istdrehmoment auszugleichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 ausgestaltet ist.