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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Einspritzdruckes in einem Hochdruckspeicher (Rail) eines Benzindirekteinspritzsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung dieses Druckes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Die
DE 197 42 993 A1 zeigt insbesondere ein Verfahren zum Steuern des Kraftstoffdrucks in einem Einspritzsystem, dass eine elektrische Kraftstoffpumpe und einen Druckspeicher in Form eines Kraftstoffverteilers 4 aufweist. Zur Regelung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher wird der Kraftstoffdruck mit einem Beobachterblock 13 (vergleiche
3) berechnet. Dem Beobachterblock 13 werden als Eingangsgrößen ein Sollstroms I
S des elektrischen Stroms durch den Elektromotor der Kraftstoffpumpe (Pfeil 15) sowie eine Soll-Einspritzleistung (Pfeil 14) zugeführt.
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Die
DE 44 46 277 A1 zeigt ein Kraftstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kraftstoffdruck und der Kraftstoffdurchfluß mit Hilfe eines regelungstechnischen Beobachters aus gemessenen Größen laufend ermittelt wird. Dabei bestimmt ein in die Ansteuerelektronik integrierter regelungstechnischer Beobachter 22 durch Messen der Klemmenspannung U und des Stroms I der Elektrokraftstoffpumpe den jeweiligen Betriebspunkt des Motors und er rechnet sich die momentanen Werte für Drehzahl n der Elektrokraftstoffpumpe und des Drehmoments M (vergleiche
DE 44 46 277 A1 ,
3a).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit denen der Druck in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher eines Benzindirekteinspritzsystems ohne einen Drucksensor geregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Unterschied zum Stand der Technik besteht demnach darin, dass die neben dem Stromfluß als weitere Eingangsgröße für den Messvektor des Beobachtersystems vorgesehene Eingangsgröße eine Drehwinkelposition des Elektromotors ist.
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Der Stromfluss durch den Elektromotor ist eine der entscheidenden Zustandsgrößen des Systems und ist außerdem messtechnisch leicht zu erfassen. Als Folge ergibt sich ein mit einfachem Mitteln erzielbarer großer Aussagegehalt für die nachfolgende Modellbildung.
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Durch das Auswerten der Drehwinkelposition wird eine Totzeit, wie sie bei einer Winkelgeschwindigkeitsmessung auftritt, vermieden. Dadurch werden die dynamischen Eigenschaften der Modellbildung in dem Beobachtersystem wesentlich verbessert.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Erfindung eine drucksensorlose Druckregelung für einen Hochdruckspeicher mit entsprechenden Kostenvorteilen und einer verbesserten Modellierung des Druckes bereitgestellt. Ferner ist bevorzugt, dass die Drehwinkelposition über wenigstens drei Hallsensoren erfasst wird.
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Bei einem dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor sind in der Regel bereits drei Hallsensoren für die Steuerung der Kommutierung des elektrischen Feldes vorhanden. Durch die Mehrfachnutzung dieser Hallsensoren für die Positionsbestimmung kann auf die Anordnung zusätzlicher Positionssensoren verzichtet werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Beobachtersystem als Kalman-Filter realisiert ist.
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Ein Kalman-Filter erlaubt eine Bestimmung einer Rückführmatrix L in einem Beobachtermodell durch Optimierung eines quadratischen Gütemaßes nach bekannten Methoden, wie sie zum Beispiel in Lehrbüchern der Regelungstechnik erläutert werden. Weiter erlaubt ein Kalmanfilter eine Berücksichtigung von Gewichtungsmatrizen, die ein Systemrauschen (Parameterschwankungen, Toleranzen etc.) und/oder ein Messrauschen (Störeinflüsse, Unzulänglichkeiten der Sensorik etc.) repräsentieren. Dadurch wird die Genauigkeit, mit der das Modell das reale System abbildet, verbessert.
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Bevorzugt ist auch, dass der Elektromotor so betrieben wird, dass seine Drehzahl eine Mindestdrehzahl nicht unterschreitet.
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Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass der Regelkreis nur bis zu einer bestimmter Minimaldrehzahl stabil ist, weil unterhalb dieser Drehzahl die Aktualisierungsrate der Winkelinformation durch die diskret abgetasteten Hallsensoren zu gering ist und damit die Totzeit der Regelstrecke zu groß wird. Die Einführung einer Mindestdrehzahl verbessert auch die dynamischen Eigenschaften sowie die Lebensdauer des Hochdruckpumpeneinheit.
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Ferner ist bevorzugt, dass das Nicht-Unterschreiten durch einen Ablöseregler erzielt wird, der Stellgrößen eines Druckreglers und eines Drehzahlreglers miteinander verknüpft.
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Ein Ablöseregler hat gegenüber einer einem Druckregelkreis unterlagerten Drehzahlregelung den Vorteil, dass die dynamischen Eigenschaften des Druckregelkreises nicht verschlechtert werden.
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Die Mindestdrehzahl ist bevorzugt so vorbestimmt, dass sie unterhalb der Nullförder-Drehzahl der Pumpe liegt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zeichnet sich durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor als Elektromotor aus, wobei eine Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors auf der Basis von Signalen einer Anordnung aus Hallsensoren und Gebermagnetpolen gesteuert wird und wobei doppelt soviele Gebermagnetpole vorhanden sind wie zur Kommutierung benötigt werden.
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Durch diese Ausgestaltung kann eine hohe Dynamik der Positionserfassung auch bei niedrigen Drehzahlen gewährleistet werden, was die Genauigkeit der drucksensorlosen Regelung bei niedrigen Drehzahlen der Hochdruckpumpe wesentlich verbessert.
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Mit Blick auf Ausgestaltungen der Vorrichtung ist bevorzugt, dass die Vorrichtung wenigstens eine der oben genannten Ausgestaltungen steuert oder ausführt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch ein Benzindirekteinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor;
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2 eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe und eines Elektromotors zum Antrieb der Pumpe;
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3 schematisch einen Regelkreis zur Regelung des Druckes im Kraftstoff-Hochdruckspeicher mit einem regelungstechnischen Beobachtersystem, das einen modellierten Istwert bereitstellt;
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4 eine Struktur des Beobachter-Systems in schematischer Form; und
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5 eine Ausgestaltung des Regelkreises mit einem Ablöseglied.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist die Gesamtheit eines Benzindirekteinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor mit der Ziffer 10 bezeichnet. Das Benzindirekteinspritzsystem 10 weist einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 12 auf, in dem ein Einspritzdruck p_rail gleich p_soll einzustellen ist. Über Einspritzventile 14, 16, 18, und 20 wird der Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 12 in Brennräume eines Verbrennungsmotors eingespritzt, wobei die Einspritzventile 14, 16, 18 und 20 von einem Steuergerät 22 gesteuert werden.
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Für den Aufbau und die Aufrechterhaltung des Einspritzdrucks im Hochdruckspeicher 12 sorgt eine Hochdruckpumpeneinheit 24, die eine Hochdruckpumpe 26, einen die Hochdruckpumpe 26 antreibenden Elektromotor 28 und eine Steuerelektronik 30 aufweist. Die Hochdruckpumpe 26 erhöht den Druck eines Kraftstoffs 32, der ihr aus einem Vorratstank 34 über ein Tankeinbaumodul 36 mit einem Niederdruck zugeführt wird, der in der Regel kleiner als 10 bar ist, auf einen Einspritzdruck p_soll in der Größenordnung von über 10 bar bis über 100 bar. Dazu weist das Tankeinbaumodul 36 eine Niederdruckpumpe 38 auf, die von einem Elektromotor 40 angetrieben wird. Zwischen der Niederdruckpumpe 38 und der Hochdruckpumpe 26 ist in dem Tankeinbaumodul 36 ein Kraftstofffilter 42 angeordnet.
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Beim Stand der Technik ist ein Drucksensor 44 vorgesehen, der den Druck im Hochdruckspeicher 12 erfasst und ein entsprechendes Signal an das Motorsteuergerät 22 liefert. Bei zu hohem Druck öffnet das Motorsteuergerät 22 bei bekannten Systemen ein Drucksteuerventil oder Druckbegrenzungsventil 46 in einer Verbindung des Hochdruckspeichers 12 zur Niederdruckseite des Benzindirekteinspritzsystems 10, beispielsweise zum Vorratstank 34, und löst so einen Druckabbau aus.
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Im Rahmen der hier vorgestellten Erfindung wird dagegen zumindest auf den Drucksensor 44 verzichtet und ein Istwert für den Druck im Hochdruckspeicher 12 durch ein Beobachtersystem modelliert. Das Steuergerät 22 liefert einen Sollwert für eine Regelung des Druckes im Hochdruckspeicher 12. Die Regelung läuft, je nach Aufteilung der Rechenleistung, entweder im Steuergerät 22 oder in der Steuerelektronik 30 der Hochdruckpumpeneinheit 24 ab.
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Bevor weiter unten ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird, erfolgt zunächst unter Bezug auf die 2 eine nähere Erläuterung der Hochdruckpumpeneinheit 24, die eine Hochdruckpumpe 26, einen Elektromotor 28 und eine Steuerelektronik 30 bevorzugt als integrale bauliche Einheit vereint.
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Die Hochdruckpumpe 26 ist zum Beispiel als Radialkolbenpumpe realisiert, bei der wenigstens ein, bevorzugt jedoch drei, Pumpvolumen 48 in einem oder mehreren Pumpelementen 50 von einem oder mehreren Radialkolben 52 beweglich abgedichtet werden. Jedes Pumpvolumen 48 ist über ein Niederdruckeinlassventil 54 mit einem Niederduckausgang des Tankeinbaumoduls 36 und über ein Hochdruckauslassventil 56 mit dem Hochdruckspeicher 12 hydraulisch verbunden.
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Bei der Pumpe kann es sich beispielsweise um eine 3-Zylinder-Radialkolbenpumpe mit einem Fördervolumen von 0.33 cm3/Umdrehung handeln, die ein 70 cm3-Rail 12 versorgt. Jeder Radialkolben 52 wird von einer Excenterwelle 58 betätigt, die drehfest mit einem Rotor 60 des antreibenden Elektromotors 28 verbunden ist.
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Der Elektromotor 28 ist bevorzugt als bürstenloser Gleichstrommotor realisiert. Kollektorlose oder bürstenlose Gleichstrommotoren sind per se bekannt. Sie zeichnen sich durch feststehende Statorspulen 62, 64 und einen sich drehenden Rotor 60 aus, der mit Permantentmagneten 66, 68 versehen ist. Die Statorspulen 62, 64 werden mit elektronischen Schaltern periodisch umgepolt, so dass der Rotor 60 nie eine Gleichgewichtslage erreicht und permanent durch ein Drehmoment weitergedreht wird. Vom Rotor 60 werden für die Steuerung einer solchen Kommutierung Signale abgeleitet, welche die entsprechenden Schalter ansteuern.
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Als Quellen solcher Signale kommen bspw. Hallsensoren 70 in Frage, die auf dem festen Stator 72 angeordnet sind und mit Gebermagnetpolen 73 zusammenwirken, die drehfest mit dem Rotor 60 verbunden sind. In Abhängigkeit vom Signal der Hallsensoren 70 werden die genannten Schalter für eine Kommutierung periodisch umgeschaltet, so dass Anschlüsse 74, 76 der Statorspulen 62, 64 jeweils wechselweise mit einem Pluspol oder einem Minuspol einer Gleichspannungsquelle mit variabler Spannung (aber festem Vorzeichen) verbunden werden. Die Umschaltung der Schalter erfolgt, wie auch die Steuerung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle, durch die Steuerelektronik 28 und/oder durch das Steuergerät 30. Die Hochdruckpumpe 26, der Elektromotor 28 und die Steuerelektronik 30 sind bevorzugt zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse 78 als bauliche Einheit untergebracht.
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In der 3 ist der Regelkreis 80 einer Druckregelung dargestellt, die ohne einen Drucksensor erfolgt. Je nach Ansteuerung des Elektromotors 28 liefert die Hochdruckpumpe 26 eine größere oder eine kleinere Fördermenge an den Hochdruckspeicher 12. Die letztlich zum Hochdruckspeicher 12 gelangende Kraftstoffmenge (positiv oder negativ) ergibt sich als Summe des Zustroms von der Pumpe 26 und des über die Einspritzventile 14, 16, 18 und 20 entnommenen Kraftstoffstroms. In der 3 wird diese Summenbildung oder Bilanzierung durch die Verknüpfung 82 repräsentiert.
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Um den Istdruck im Hochdruckspeicher 12 nachzubilden, werden Größen der Regelstrecke 84 über eine Messwerterfassung 86 zu einem Messvektor y zusammengefasst und in ein Beobachtersystem 88 eingespeist. Im Beispiel der 3 sind dies bevorzugt ein Strom i_motor durch den Elektromotor 28 und ein Drehwinkel phi des Rotors 60. Aus diesen Größen bildet das Beobachtersystem 88 einen modellierten Istwert p_B für den Istwert des Druckes im Hochdruckspeicher 12. Der modellierte Istwert p_B wird in einer Verknüpfung 90 von einem Sollwert p_soll subtrahiert. Die aus der Subtraktion resultierende Regelabweichung P-soll minus p_B wird einem Regler 90 zugeführt, der daraufhin die am an den Wicklungen 62 und 64 des Stators 72 anliegende Spannung u_motor als Stellgröße für die Druckregelung einstellt.
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4 zeigt ein per se bekanntes Beobachtersystem 88 der Regelungstechnik zur Erklärung von Begriffen, die in dieser Anmeldung verwendet werden.
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Ein Beobachtersystem 88 als solches ist dem Regelungstechniker vertraut und wird zum Beispiel in Otto Föllinger, Regelungstechnik, B. Auflage, ISBN 3-7785-2336-8, Seiten 501 ff beschrieben.
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Bei einem Beobachtersystem 88 wird die Regelstrecke 84 rechnerisch modelliert, wobei dem Rechenmodell der Eingangsvektor u(t) der Regelstrecke 84 zugeführt wird. Der Eingangsvektor u(t) repräsentiert sämtliche auf das System wirkenden Einflüsse. Dabei darf es sich sowohl um Stellgrößen als auch um Störgrößen handeln. Die Regelstrecke 84 stellt ein dynamisches System dar, das den Eingangsvektor u(t) besitzt. Der Ausgangsvektor y(t) wird durch die Systemgrößen gebildet, für deren Zeitverlauf man sich interessiert.
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Unter dem Zustandsvektor x versteht man den Vektor der Größen, die das Verhalten des Systems bei gegebenem Eingangsvektor u(t) festlegen. Unter bestimmten Voraussetzungen ist die Änderung der Zustandsgrößen mit ihrem momentanen Wert über eine lineare Differentialgleichung (dx/dt = A·x + B·u) erster Ordnung verknüpft. Ein Anfangswert des Zustandsvektors x wird durch den Vektor x0 repräsentiert.
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Aus dem Zustandsvektor x ergibt sich durch einen Messprozess C 92 der Messvektor y. Ein Schätzwert yB (t) für den Vektor y der Messgrößen wird in dem Beobachtersystem 88 durch eine Modellbildung 94, 96 für die Regelstrecke 84 einschließlich des Messprozesses 92 ermittelt und in einer Verknüpfung 98 von dem tatsächlichen Messvektor y(t) der Regelstrecke 88 subtrahiert. Die Differenz y – yB wird über eine Rückführmatrix L 100 zur Korrektur des Modells 96 verwendet, wobei die Korrektur zum Beispiel über einen additiven Versatz r = L·(y – yB) erfolgen kann. Bei richtiger Wahl der Rückführmatrix L 100 stellt sich beim Modell 96 ein Schätzwert für den Zustandsvektor xB ein, der sich auf den tatsächlichen Zustandsvektor x der Strecke 84 einschwingt. Das Modell 96 entspricht dann der Strecke 84. Im eingeschwungenen Zustand liefert das Modell 96, 98 einen modellierten Messvektor yB, der dem tatsächlichen Messvektor y(t) mit hinreichender Genauigkeit entspricht.
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Für die Bestimmung der Matrix L 100 geht man von der Vorstellung aus, dass der Systemzustand nach einer Anfangsstörung rekonstruiert werden soll. L 100 lässt sich durch Eigenwertvorgabe bestimmen, wobei die Eigenwertvorgabe bei einer Polvorgabe unmittelbar erfolgt und bei einem Riccati-Entwurf mittelbar erfolgt. Für Einzelheiten wird auf das genannte Buch von Föllinger verwiesen.
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Alternativ zu einer durch Polvorgabe oder durch einen Riccati-Entwurf ermittelten Korrekturmatrix L 100 kann auch ein Kalman-Filter für die Rückführung verwendet werden. Es ist bekannt, dass ein Kalman-Filter die gleiche Zustandsdifferentialgleichung besitzt wie ein Luenberger-Beobachtersystem (Föllinger, Seite 512). Der Unterschied zwischen Luenberger-Beobachter und Kaiman-Filter besteht lediglich in der Bestimmung der Matrix L 100. Während diese beim Luenberger-Beobachter z. B. durch Polvorgabe berechnet wird, entspringt sie beim Kalman-Filter aus der Optimierung eines quadratischen Gütemaßes.
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4 stellt lediglich ein Beobachtersystem 88 vor, das ein Verhalten der Regelstrecke 84 nachbildet. Ein Eingriff des Beobachtersystems 88 in die Regelstrecke 84 ist erst in der 5 dargestellt, die mit einem Regelkreis 102 zur drucksensorlosen Regelung des Druckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 12 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
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Beim Regelkreis 102 nach der 5 repräsentiert Block 104 einen Druckregler, mit einem Sollwerteingang 106 und einem Istwerteingang 108. Aus diesen Größen bildet der Druckregler 104 eine Stellgröße stell_p, die über einen Ausgang 110 an einen Block 112 übergeben wird, der daraus eine Stellspannung u_motor für den Elektromotor 26 erzeugt. Der Sollwert p_soll wird zum Beispiel aus einer Speicherzelle 114 des Steuergeräts 22 oder der Steuerelektronik 30 ausgelesen. Unter dem Einfluss der Stellspannung u_motor und einer Drehmomentbelastung m_last stellt sich eine zugehörige Winkelgeschwindigkeit omega und ein zugehöriger Motorstrom i_motor durch die Statorspulen 62, 64 des Elektromotors 26 ein. Dabei wird der Wert der Drehmomentbelastung m_last im Wesentlichen durch die Winkelgeschwindigkeit omega und Förderleistung Q der Hochdruckpumpe 26 bestimmt, die zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes im Hochdruckspeicher 12 aufgebracht werden muss. Die Winkelgeschwindigkeit omega wird von Hallsensoren 70 erfasst.
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Im Hochdruckspeicher 12 stellt sich ein Druck P_ist gleich p_rail ein, der im Wesentlichen durch die Bilanz aus einem über Einspritzventile 14, 16, 18 und 20 oder ein Drucksteuerventil 46 abfließenden Kraftstoffmenge und einer von der Hochdruckpumpe 26 zufließenden Kraftstoffmenge bestimmt wird. Bei in der Summe positivem Zufluss steigt der Druck, und bei in der Summe negativem Zufluss sinkt der Druck. Der Druck p-rail bestimmt einen Widerstand, gegen den die Pumpe 26 fördern muss und beeinflusst damit das für die Förderung notwendige Drehmoment, das am Elektromotor 28 als Lastmoment m_last anliegt. Diese Rückwirkung wird in der 5 durch den Pfeil 116 repräsentiert.
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Das Beobachtersystem 88 formt unter Berücksichtigung des Motorstroms i_motor als Beispiel einer elektrischen Größe des Elektromotors 26 einen Schätzwert p_B für den Druck im Hochdruckspeicher 12 und stellt diesen Schätzwert p_B für den Eingang 108 des Druckreglers 104 bereit. Dadurch wird der Regelkreis 102 geschlossen.
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Der Druckregler 104 ist bevorzugt als PI-Regler mit unterschiedlichen Reglerparametern für Druckaufbau und Druckabbau realisiert. Ein Druckaufbau erfolgt über eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 26. Ein Druckabbau kann über ein optional vorhandenes Drucksteuerventil 46 oder aber über wenigstens eines der Einspritzventile 14, 16, 18 und 20 erfolgen.
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Zur Verbesserung der Dynamik des Regelvorganges kommt bevorzugt eine Vorsteuerung zum Einsatz. Dabei wird einem Kennfeld ein Basiswert für eine Stellgröße entnommen, die im stationären Zustand für den durch Drehzahl und Lastmoment des Verbrennungsmotors definierten momentanen Arbeitspunkt an den Hochdruckpumpenantrieb durch den Elektromotor 26 ausgegeben werden müsste. Diese Stellgröße wird zur Stellgröße des Druckreglers addiert.
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Zusammengefasst kann man sagen, dass der Istdruck p_rail im Hochdruckspeicher 12 durch ein Beobachtersystem 88 nachgebildet wird, das wenigstens eine elektrische Größe des Elektromotors 28 zur Nachbildung verwendet. In der Ausgestaltung der Erfindung nach der 5 wird als elektrische Größe ein Strom i_motor durch eine oder mehrere Statorwicklungen 62, 64 als Eingangsgröße für die Druckmodellierung verwendet.
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Bei der Messung des Motorstroms i_motor werden bevorzugt die Ströme von zwei Phasen gemessen. Daraus kann sowohl das Antriebsmoment des bürstenlosen Gleichstrommotors 28 als auch der zur Strombegrenzung benötigte Gesamtstrom des Motors 28 berechnet werden.
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Bei Einsatz von rechenintensiven Algorithmen (Extended Kalman Filter) kann der Sensoraufwand für die Strommessung reduziert werden.
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Die Bestimmung der Rückführmatrix L 100 erfolgt bevorzugt durch Minimierung des Grenzwertes des quadratischen Gütemaßes (x – xB)·(x – xB)T für große Zeiten.
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Über Gewichtungsmatrizen können Einflüsse eines Systemrauschens (Parameterschwankungen, Toleranzen etc.) und eines Messrauschens (Störeinflüsse, Unzulänglichkeiten der Sensorik, etc.) berücksichtigt werden.
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Bevorzugt wird neben dem Motorstrom i_motor noch der Rotorwinkel phi als Bestandteil des Messvektors y verwendet. Die Messung des Rotorwinkels erfolgt bevorzugt über die in der Regel drei vorhandenen Hallsensoren, mit denen die Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors 26 gesteuert wird. In der 5 wird die Gewinnung des Rotorwinkel phi aus Signalen von Hallsensoren 70 durch den Block 116 repräsentiert.
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Die relevanten Zustandsgrößen des Systems sind das wirkende Antriebsmoment der Hochdruckpumpe 26, also das Lastmoment m_last des Elektromotors 28, die Winkelgeschwindigkeit omega der Hochdruckpumpe 26 und der Druck p_rail im Hochdruckspeicher 12.
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Die Winkelgeschwindigkeit omega kann über eine Auswertung der Hallsensorsignale durch Messen der Zeit zwischen zwei Impulsen bestimmt werden. Diese Auswertung ergibt jedoch einen zeitverzögerten Wert der mittleren Winkelgeschwindigkeit in diesem Zeitraum, der nur bei stationärem Systemzustand korrekt ist und der zur Beobachtung schneller Systemänderungen nicht nutzbar ist. Dieser Mangel kann durch Einführung der zusätzlichen Zustandsgröße des Rotorwinkels phi beseitigt werden: Dieser kann zu diskreten Zeitpunkten korrekt gemessen werden.
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Zur Berechnung des Beobachters wird ein lineares System zugrunde gelegt: Im Einzelnen wird angenommen, dass der elektrische Antrieb durch einen Gleichstrommotor mit entsprechenden Kennwerten (Motorkonstante, Massenträgheitsmoment etc.) erfolgt, wobei eine Motorendstufe ein Ansteuersignal linear in eine Steuerspannung u_motor am Elektromotor 28 umsetzt.
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Für die Hochdruckpumpe 26 wird ein linearer Zusammenhang von Winkelgeschwindigkeit omega und Fördermenge Q angenommen.
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Da das Beobachtersystem 88 als Abtastsystem ausgelegt wird (diskretes Kalman-Filter) werden die Eingangsgrößen über Antialiasing-Filter 118, 120 zugeführt.
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Der Regelkreis 102 ist nur oberhalb einer bestimmten Minimaldrehzahl stabil, weil unterhalb dieser Drehzahl die Aktualisierungsrate der Winkelinformation durch die diskret abgetasteten Hallsensoren 70 zu gering ist und damit die Totzeit der Regelstrecke 102 zu groß wird.
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Es wird daher bevorzugt eine Mindestdrehzahl eingeführt. Die Einführung einer Mindestdrehzahl verbessert auch dynamischen Eigenschaften sowie die Lebensdauer des Hochdruckpumpeneinheit 24.
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Bei einem Druckabbau über ein Drucksteuerventil 46 kann die Mindestdrehzahl auf ein relativ hohes Niveau gelegt werden. Im Überschuss bereitgestellter Kraftstoff wird dann gegebenenfalls über das Drucksteuerventil 46 abgeführt. Bei einem Druckabbau über Einspritzventile 14, 16, 18, 20 muss die Mindestdrehzahl unter dem Wert für ein Nullförderung der Hochdruckpumpe 26 liegen.
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Die Reglerparameter müssen an die gewählte Minimaldrehzahl angepasst werden. Eine geringere Drehzahl hat jedoch auch Einbußen bei der Systemdynamik als Folge. Die Totzeit der Regelung und die Trägheit des Systems vergrößern sich.
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Zur Abhilfe wird bevorzugt die Winkelmessung angepasst. Um mit der gewählten Mindestdrehzahl die geforderte Dynamik der Druckregelung zu erreichen muss die Aktualisierungsrate der Winkelinformation um einen Faktor Zwei erhöht werden.
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Dies geschieht im konkreten Fall der Hochdruckpumpeneinheit 24 durch einen Gebermagneten 73 mit der doppelten Anzahl von Polen. Zur Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors 26 wird dann entsprechend nur jede zweite Winkelinformation ausgewertet.
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Im Einzelnen kann ein Nicht-Unterschreiten einer Mindestdrehzahl durch einen als Ablöseregler ausgestalteten Block 112 gewährleistet werden. Eine dem Druckregelkreis 102 unterlagerte Drehzahlregelung ist dagegen nicht zielführend, da nur die Drehzahlinformation des Hallsensorsystems zur Verfügung steht (s. o.) und damit die Eigenschaften des Druckregelkreises 102 verschlechtert werden würden.
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Dabei erhält der Drehzahlregler einen Sollwert aus einer Speicherzelle 124 und eine Istdrehzahl-Information von den Hallsensoren 70. n einer vorteilhaften Ausgestaltung führt ein Ablöseregler 112 die Stellgrößen des Druckreglers 104 und eines Drehzahlreglers 122 zu einer Stellgröße zusammen. Der jeweils größere Wert wird dann für die weitere Ansteuerung ausgewählt.
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Der Drehzahlregler 112 wirkt damit nur in eine Richtung als Begrenzer. Für die dabei geringeren Dynamikanforderungen ist die Drehzahlinformation des Hallsensorsystems ausreichend.
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Bei dem vorgestellten Konzept einer drucksensorlosen Regelung des Druckes in einem Hochdruckspeicher 12 ines Benzindirekteinspritzsystems 10 für einen Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein 70 cm3-Rail mit einer 3-Zyl.-Radialkolbenpumpe mit einem Fördervolumen 0.33 cm3/Umdrehung mit einem dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor verwendet werden. Eine Rotorwinkelerfasssung erfolgt mit einem 6-poligen Gebermagneten 73 und drei digitalen Hallsensoren 70, die damit 18 Positionswerte pro mechanischer Umdrehung liefern.
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Bei der hier vorgestellten Regelung folgt der Istdruck dem Solldruck mit einer Verzögerung von weniger als 150 Millisekunden. Überschwinger und Unterschwinger im Druckverlauf betragen max. 10%.
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Bevorzugt werden zwei der drei Phasenströme gemessen. Die im Vergleich zu einer einfachen Messung des Gesamtstroms zusätzlich erforderliche Strommessung kann durch Rechnerleistung ersetzt werden, beispielsweise, in dem ein Binärer Beobachter und/oder ein Extended Kalman Filter eingesetzt wird.
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Der Beobachter arbeitet bevorzugt im 1 ms-Raster. Der zusätzliche Rechenaufwand für eine Steuerelektronik in der Hochdruckpumpeneinheit 24 ist gering.
