DE112008000822B4

DE112008000822B4 - Verfahren und System zum Steuern einer Ventilanordnung

Info

Publication number: DE112008000822B4
Application number: DE112008000822.1T
Authority: DE
Inventors: Ashish S. Krupadanam
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: US20080237517A1; WO2008118598A1; DE112008000822T5; US7549407B2; CN101688478A; CN101688478B

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Drosselklappenventils (18), das eine Drosselklappenplatte (34) besitzt, die durch einen Elektromotor (36) positioniert wird, um das Drosselklappenventil (18) zu öffnen und zu schließen, wobei die Schritte des Verfahrens umfassen: Erhalten eines Soll-Positionssignals von einem Fahrpedalsensor (28), wobei die Soll-Position eine Soll-Position für die Drosselklappenplatte (34) angibt; Erhalten eines Ist-Positionssignals von einem Drosselklappenventil-Positionssensor (42), wobei das Ist-Positionssignal eine Ist-Position für die Drosselklappenplatte (34) angibt; Konfigurieren einer Steuereinheit (14), um das Soll-Positionssignal und das Ist-Positionssignal zu empfangen und um die folgenden Schritte auszuführen: (a) Erzeugen eines Simulations-Positionssignals und eines Simulations-Geschwindigkeitssignals anhand eines Simulations-Motorsteuersignals, wobei das Simulations-Positionssignal bzw. das Simulations-Geschwindigkeitssignal eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für die Drosselklappenplatte (34) repräsentieren, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal ergäben, das eingegeben wird, um den Elektromotor (36) anzutreiben; (b) Erzeugen eines Vorwärtskopplungs-Steuersignals mittels eines Optimalannäherungszeit-Controllers (200) und anhand des Soll-Positionssignals, des Simulations-Positionssignals und des Simulations-Geschwindigkeitssignals, wobei das simulierte Motorsteuersignal das Vorwärtskopplungs-Steuersignal enthält; (c) Erzeugen eines Rückkopplungs-Steuersignals mittels eines PID-Controllers (204) und anhand einer Differenz zwischen dem Simulations-Positionssignal und dem Ist-Positionssignal für die Drosselklappenplatte (34); (d) Kombinieren des Vorwärtskopplungs-Steuersignals und des Rückkopplungs-Steuersignals, um ein Motorsteuersignal zu erzeugen; ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Drosselklappenventils.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren sind verschiedene Steuertechniken für die Positionierung beweglicher Ventilelemente von Ventilvorrichtungen, die Elektromotoren verwenden, eingesetzt worden. Im Allgemeinen sind die Geschwindigkeit und die Genauigkeit, mit denen solche Ventilelemente positioniert werden können, von Bedeutung. Eine solche Anwendung, in der die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der Positionierung des beweglichen Ventilelements wichtige funktionelle Vorteile schaffen, ist der Bereich der Steuerung einer elektronischen Drosselklappe (ETC).
Moderne Fahrzeuge verwenden im Allgemeinen irgendeinen Typ eines Systems zur Steuerung der elektronischen Drosselklappe (ETC), um das Maschineneinlassluft-Drosselklappenventil zu positionieren, um die Vorteile verringerter Emissionen, erhöhter Kraftstoffeinsparung und verbessertem Fahrzeugantriebsverhalten zu erzielen. Solche Systeme verwenden ein elektronisches Drosselklappenventil, das ein elektrisches Stellglied wie etwa einen bürstenlosen Gleichstrommotor besitzt, der mit einer beweglichen Drosselklappenplatte in der Bohrung der elektronischen Drosselklappe gekoppelt ist, wodurch eine Ventilklappe zum Einstellen der in den Motor strömenden Luftmenge gebildet wird. Eine schnelle und genaue Positionierung der Drosselklappenplatte ist erforderlich, um die oben beschriebenen Vorteile vollständig zu nutzen. Weiterhin muss die Positionierung der Drosselklappenplatte in Antwort auf eine Solländerung der Drosselklappenventil-Position gedämpft bei minimalen Übergangswelligkeiten während des Aufsetzens erfolgen, um einen übermäßigen Systemkomponentenverschleiß und erhöhte Motorverluste zu vermeiden.
Bei den meisten Fahrzeugen, die eine ETC verwenden, ist im Fall eines ETC-Fehlers eine Heimschlepp-Betriebsart vorgesehen. Dies wird typischerweise durch Verwenden entgegengesetzter Federn in dem elektronischen Drosselklappenventil erreicht, die die Drosselplatte in eine vorgegebene offene Position vorbelasten, falls der Elektromotor aufgrund einer Fehlfunktion nicht mit Energie versorgt wird. Dies ermöglicht der Maschine, in einem Zustand mit hoher Leerlaufdrehzahl zu arbeiten, um eine langsame Bewegung des Fahrzeugs bei fortgesetztem Betrieb der Servobremsen, der Servolenkung und des elektrischen Systems zu ermöglichen. Die Verwendung der vorbelasteten Federn in dem elektronischen Drosselklappenventil führt im Allgemeinen erhebliche nichtlineare Federkräfte ein, die zusammen mit anderen Reibungskräften die Positionierung der Drosselklappenplatte kompliziert machen können.
In der Vergangenheit haben ETC-Systeme Proportional-Integral-Differential-Controller (PID-Controller) mit Kompensation der nichtlinearen Rückkopplung und/oder Vorwärtskopplung verwendet, um die Reibungskräfte und Nichtlinearitäten der doppelten, entgegengesetzten Vorbelastungsfedern zu berücksichtigen (siehe z. B. Druckschrift US 6 523 522 B1 ). In solchen ETC-Systemen ist die PID-Verstärkung gewöhnlich so eingestellt, dass ein Motorsteuersignal für den Elektromotor bereitgestellt wird, das die schnellstmögliche Drosselklappenantwort von Endposition zu Endposition (von der geschlossenen in die geöffnete Stellung oder von der geöffneten in die geschlossene Stellung der Drosselklappenplatte) ohne Sättigung der Motorsteuerspannung, die typischerweise durch definierte Spannungsgrenzen (typischerweise +12 Volt und –12 Volt für Kraftfahrzeuganwendungen, die 12-Volt-Batterien verwenden) begrenzt ist, erzielt.
Wie oben erwähnt, muss die Drosselklappenantwort gedämpft sein, wobei sie keine großen Übergangswelligkeiten beim Aufsetzen haben darf, wenn die Drosselklappenplatte neu positioniert wird. Dies erfordert im Allgemeinen, dass der Elektromotor in einem ETC-System eine verhältnismäßig große Drehmomentkonstante und große Motoransteuerungsströme besitzt. Aufgrund dieser Beschränkungen verwenden Controller in ETC-Systemen kaum die maximal verfügbaren Motorsteuerspannungen, wenn sie Motorsteuersignale zum Steuern der Elektromotoren erzeugen. Folglich neigt die Antwortzeit, die zum Positionieren des Drosselklappenventils in solchen ETC-Systemen erforderlich ist, dazu, deutlich schlechter als optimal zu sein.
Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren und an einer Vorrichtung zum Steuern von motorbetätigten Ventilvorrichtungen wie etwa von elektronischen Drosselklappenventilen, bei denen ein erheblich größerer Anteil der verfügbaren Stellgliedsteuerspannung verwendet werden kann, wenn die beweglichen Ventilelemente solcher Ventilvorrichtungen positioniert werden, um eine bessere Steuerung zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Drosselklappenventils zu schaffen, welche die Antwortzeit von Stellgliedern in dem Drosselklappenventil verbessern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Druckschrift Lunze: ”Regelungstechnik 2”, Springer, 4. Auflage, 2006 beschreibt einen herkömmlichen Luenberger-Beobachter. Die Druckschrift Hwa Soo Kim, San Lim et al.: ”A robust, discrete, near time-optimal controller for hard disk drives”; Elsevier; Precision Engineering 28 (2004) 459–468 beschreibt ein Regelkonzept für Festplatten. Herkömmliche Regelkonzepte zum Regeln und Steuern von Drosselklappenstellmotoren unter Berücksichtigung des mit Federn vorgespannten Ventilplättchens sind in den Druckschriften US 6 523 522 B1 und DE 100 54 534 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Steuern eines Drosselklappenventils, das eine Drosselklappenplatte besitzt, die durch einen Elektromotor positioniert wird, um das Drosselklappenventil zu öffnen und zu schließen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erhalten eines Soll-Positionssignals von einem Fahrpedalsensor, wobei die Soll-Position eine Soll-Position für die Drosselklappenplatte angibt; Erhalten eines Ist-Positionssignals von einem Drosselklappenventil-Positionssensor, wobei das Ist-Positionssignal eine Ist-Position für die Drosselklappenplatte angibt; Konfigurieren einer Steuereinheit, um das Soll-Positionssignal und das Ist-Positionssignal zu empfangen und um die folgenden Schritte auszuführen:

(a) Erzeugen eines Simulations-Positionssignals und eines Simulations-Geschwindigkeitssignals anhand eines Simulations-Motorsteuersignals, wobei das Simulations-Positionssignal bzw. das Simulations-Geschwindigkeitssignal eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für die Drosselklappenplatte repräsentieren, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal ergäben, das eingegeben wird, um den Elektromotor anzutreiben;
(b) Erzeugen eines Vorwärtskopplungs-Steuersignals mittels eines Optimalannäherungszeit-Controllers und anhand des Soll-Positionssignals, des Simulations-Positionssignals und des Simulations-Geschwindigkeitssignals, wobei das simulierte Motorsteuersignal das Vorwärtskopplungs-Steuersignal enthält;
(c) Erzeugen eines Rückkopplungs-Steuersignals mittels eines PID-Controllers und anhand einer Differenz zwischen dem Simulations-Positionssignal und dem Ist-Positionssignal für die Drosselklappenplatte;
(d) Kombinieren des Vorwärtskopplungs-Steuersignals und des Rückkopplungs-Steuersignals, um ein Motorsteuersignal zu erzeugen;
(e) Eingeben des Motorsteuersignals, um den Elektromotor anzutreiben, wodurch die Drosselklappenplatte so gesteuert wird, dass sie sich aus der Ist-Position in die Soll-Position bewegt;
(f) Erzeugen eines Kompensationssteuersignals mittels eines ersten nichtlinearen Kompensators und anhand des Ist-Positionssignals;
(g) Erzeugen eines Simulations-Kompensationssteuersignals mittels eines zweiten nichtlinearen Kompensators und anhand des Simulations-Positionssignals;
(h) Kombinieren des Kompensationssteuersignals mit den Rückkopplungs- und Vorwärtskopplungs-Steuersignalen, wenn das Motorsteuersignal erzeugt wird; und
(i) Kombinieren des Simulations-Kompensationssteuersignals mit dem Vorwärtskopplungs-Steuersignal, um das Simulations-Motorsteuersignal zu erzeugen; wodurch das Motorsteuersignal und das Simulations-Motorsteuersignal kompensiert werden, um ein Drehmoment, das der Bewegung der Drosselklappenplatte durch den Elektromotor entgegenwirkt, auszugleichen.

Die Erfindung schafft eine bessere Nutzung der verfügbaren Stellgliedsteuerspannung bei der Steuerung von Ventilvorrichtungen, wodurch die Antwortzeit solcher Ventilvorrichtungen erheblich verringert wird, ohne zusätzliche Überschwing- und Aufsetzzeiten einzuführen.
Es wird eine beispielhafte Ausführungsform angegeben, in der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, um die Steuerung eines elektronischen Drosselklappenventils zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun in der folgenden genauen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente in allen Zeichnungen, in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines Maschinensteuersystems ist, in dem die Erfindung implementiert sein kann;
2A ein funktionaler Blockschaltplan ist, der ein System zur Steuerung einer elektronischen Drosselklappe (ETC) des Standes der Technik darstellt, das einen herkömmlichen PID-Rückkopplungs-Controller mit einem nichtlinearen Kompensator für einen Ausgleich der Reibungs- und/oder Federvorbelastungskräfte, die dem elektronischen Drosselklappenventil zugeordnet sind, verwendet;
2B einen funktionalen Blockschaltplan zeigt, der die Operationen darstellt, die durch den in 2A gezeigten nichtlinearen Kompensator ausgeführt werden;
3A–3B simulierte graphische Darstellungen der Drosselklappenventil-Antwort bzw. des Motorsteuersignals zeigen, die sich aus einer Stufenänderung der Solldrosselklappenposition in dem in 2A gezeigten ETC-System ergeben;
4 einen funktionalen Blockschaltplan einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein funktionales Blockdiagramm für das Anlagenmodell zeigt, das verwendet wird, um ein elektronisches Drosselklappenventil in der in 4 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zu repräsentieren;
6 einen Ablaufplan zeigt, der die Operation der in 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
7 einen Ablaufplan zeigt, der die Operation des Optimalannäherungszeit-Controllers veranschaulicht, der in der in 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
8 eine graphische Darstellung einer definierten Bahn der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit für die Drosselklappenplatte ist, die sich als Funktion der Differenz zwischen der Soll-Drosselklappenposition und der geschätzten Drosselklappenplattenposition ändert;
9A–9B simulierte graphische Darstellungen der Drosselklappenventil-Antwort bzw. des Motorsteuersignals zeigen, die sich aus einer Stufenänderung der Soll-Drosselklappenposition für die in 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ergeben. 9A–9B simulierte graphische Darstellungen der Drosselklappenventil-Antwort bzw. des Motorsteuersignals zeigen, die sich aus einer Stufenänderung der Soll-Drosselklappenposition für die in 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ergeben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 ist ein beispielhaftes Maschinensteuersystem gezeigt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und in dem die vorliegende Erfindung durch eine Anwendung auf eine elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) implementiert sein kann. Die grundlegenden Komponenten für die ETC in dem Maschinensteuersystem 10 umfassen eine Fahrpedalanordnung, die allgemein mit 12 bezeichnet ist, eine Steuereinheit, die hier als eine Maschinensteuereinheit (ECU) 14 bezeichnet ist, einen Motortreiber 16 und ein elektronisches Drosselklappenventil, das allgemein mit 18 bezeichnet ist, um die Menge der in eine Maschine 20 strömenden Luft einzustellen. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass das Maschinensteuersystem 10 im Allgemeinen zusätzliche Komponenten enthält, die nicht gezeigt worden sind und die typischerweise vorhanden sind, um funktionale Aspekte der Maschine 20, die von der ETC verschieden sind, zu steuern. Die Steuereinheit 14 kann in Abhängigkeit von der in die Steuereinheit 14 integrierten Funktionalität auch als Maschinensteuermodul (ECM) oder als Antriebsstrangsteuermodul (PCM) bezeichnet werden.
Die Fahrpedalanordnung 12 umfasst ein Fahrpedal 22, das in Übereinstimmung mit dem gewünschten Betrag der Ausgangsleistung, der durch die Maschine 20 erzeugt werden soll, niedergedrückt wird. Wie gezeigt, schwenkt das Fahrpedal 22 um einen Schwenkpunkt 24 und ist durch einen Pedalfedermechanismus 26 vorbelastet, um bei Abwesenheit einer auf das Pedal 22 ausgeübten Kraft in eine dem Maschinenleerlauf entsprechende Position zurückzukehren. Typischerweise wird ein Pedalpositionssensor 28 wie etwa ein Gleitpotentiometer verwendet, um den Niederdrückungsbetrag des Pedals 22 zu messen und um ein Pedalpositionssignal bereitzustellen, das an die ECU 14 übermittelt und von dieser empfangen wird, wie durch die Pfeillinie 30 gezeigt ist.
Außerdem erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, obwohl nicht gezeigt, dass in der Praxis der Pedalpositionssensor 28 typischerweise mehrere Potentiometer verwendet, um die Niederdrückung des Pedals 22 zu erfassen, um die ECU 14 mit redundanten Pedalpositionssignalen zu versorgen. Diese redundanten Pedalpositionssignale können im Fall eines Potentiometerfehlers und außerdem für die Ausführung eines Diagnosetests der Fahrpedalanordnung 12 verwendet werden.
Obwohl alternative Anordnungen möglich sind, zeigt 1 ein Maschinensteuersystem 10, das eine Steuereinheit ECU 14 besitzt, die eine Zentraleinheit (CPU), die typischerweise durch einen Mikroprozessor gebildet ist, einen Speicher (MEM) und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (E/A) umfasst. Die Steuereinheit ECU 14 enthält außerdem andere bekannte Schaltungsanordnungen, die zum Steuern des Betriebs der Maschine 20 erforderlich sind und in 1 nicht spezifisch gezeigt sind.
Selbstverständlich führt die CPU der Maschinensteuereinheit 14 bei der Ausführung von Steueroperationen Programme aus, die im Speicher MEM gespeichert sind, um anhand gemessener Maschinenbetriebssignale, die durch Eingeben in die E/A übermittelt werden, Maschinensteuersignale zu erzeugen, die durch die E/A ausgegeben werden.
Das elektronische Drosselklappenventil 18 umfasst eine Einlassluftbohrung 32, in der eine Drosselklappenplatte 34 schwenkbar montiert ist, um eine Ventilklappe oder ein Drosselventil zu bilden, um die in die Maschine 20 strömende Luft einzustellen. Ein elektrisches Stellglied 36 ist über einen Getriebemechanismus 38 mechanisch gekoppelt, um die Drosselklappenplatte 34 in der Einlassluftbohrung 32 zu drehen. In dieser Anwendung wird als elektrisches Stellglied 36 ein Elektromotor wie etwa ein bürstenloser Gleichstromservomotor verwendet, es könnte jedoch irgendein anderer Typ eines bekannten elektrischen Stellglieds verwendet werden, das die Drosselklappenplatte 34 geeignet positionieren kann.
Wenn der Elektromotor 36 geeignet mit Energie versorgt wird, treibt der (nicht gezeigte) Rotor den Getriebemechanismus 38 an, um die Drosselklappenplatte 34 entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu drehen, um dadurch den Öffnungsgrad der Drosselklappenplatte 34 in der Einlassluftbohrung 32 einzustellen. Das elektronische Drosselklappenventil 18 enthält außerdem typischerweise einen Drosselklappenfedermechanismus 40, um die Drosselklappenplatte 34 in eine vorgegebene Position vorzubelasten, die einer hohen Maschinenleerlaufdrehzahl entspricht, wenn der Elektromotor 36 nicht mit Energie versorgt wird (siehe die obige Diskussion in Bezug auf die Heimschlepp-Betriebsart).
Die Drosselklappenplatte 34 ist außerdem mit einem Drosselklappenpositionssensor 42 gekoppelt, der mittels eines Gleitpotentiometers implementiert sein kann, um die Drehposition der Drosselklappenplatte 34 zu erfassen und um ein entsprechendes Ist-Positionssignal für die Drosselklappenplatte 34 zu schaffen, das von der ECU 14 empfangen wird, wie durch die Pfeillinie 44 angegeben ist. Daher stellt das Ist-Positionssignal für die ECU 14 eine Angabe der Ist-Position der Drosselklappenplatte 34 in der Einlassluftbohrung 32 bereit.
Obwohl nicht gezeigt, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, dass in der Praxis der Drosselklappenpositionssensor 42 ebenfalls typischerweise mehrere Potentiometer verwendet, um die Drehposition der Drosselklappenplatte 34 zu erfassen, um für die ECU 14 redundante Drosselklappenpositionssignale bereitzustellen. Diese redundanten Drosselklappenpositionssignale werden im Fall eines Potentiometerfehlers und für die Ausführung eines Diagnosetests des elektronischen Drosselklappenventils 18 verwendet.
Um der Einfachheit willen ist das elektronische Drosselklappenventil 18 in 1 schematisch gezeigt worden. Die mechanische Implementierung solcher Drosselklappenventilanordnungen ist auf dem Gebiet wohl bekannt (siehe beispielsweise die oben erwähnte Druckschrift US 6 523 522 B1 ). Daher werden in der vorliegenden Beschreibung weitere Einzelheiten des Aufbaus des elektronischen Drosselklappenventils 18 nicht diskutiert.
Bei der Steuerung der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 führt die CPU der ECU 14 ein im MEM gespeichertes Drosselklappensteuerungs-Softwareprogramm aus, um ein geeignetes Motorsteuersignal für die Steuerung des Betriebs des Elektromotors 36 zu erzeugen. Dieses Motorsteuersignal wird in Motortreiber-Eingangssignale umgewandelt, die von der E/A der ECU 14 an die Motortreiber 16 übermittelt werden, wie durch die Pfeillinie 46 angegeben ist. Wie später beschrieben wird, werden Signale, die die Positionen des Fahrpedals 22 und der Drosselklappenplatte 34 des elektronischen Drosselklappenventils 18 angeben, von einem gespeicherten Drosselklappensteuerungs-Softwareprogramm für die Erzeugung des geeigneten Motorsteuersignals und entsprechender Motortreiber-Eingangssignale verwendet.
Der Motortreiber 16 umfasst im Allgemeinen eine herkömmliche H-Brücke mit einer geeigneten Schalt-Schaltungsanordnung, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Was die Unterbringung betrifft, könnte die Motortreiber-Schaltungsanordnung in der ECU 14 oder selbst in dem elektronischen Drosselklappensteuerventil 18 enthalten sein. Anhand der Motortreiber-Eingangsignale, die durch die ECU 14 bereitgestellt werden, gibt der Motortreiber 16 die Leistungsversorgungsspannung V_B, die durch die Batterie 50 bereitgestellt wird, auf geeignete Weise in die Statorfeldwicklungen (nicht gezeigt) des Elektromotors 36 ein, wie durch die Pfeillinie 48 angegeben ist. Auf diese Weise steuert dann die ECU 14 den Betrieb des Elektromotors 36 und die Position oder den Öffnungsgrad der Drosselklappenplatte 34 in dem elektronischen Drosselklappenventil 18. Die Motortreiber-Eingangssignale umfassen im Allgemeinen ein impulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) mit einem Tastgrad, der die in die Feldwicklungen des Elektromotors 36 einzugebende Durchschnittsspannung repräsentiert, und ein Motordrehrichtungssignal, das die Polarität der in die Feldwicklungen eingegebenen Durchschnittsspannung repräsentiert. Anhand dieser Motortreiber-Eingangssignale kann selbstverständlich die über die Statorfeldwicklungen des Elektromotors 36 angelegte Durchschnittsspannung zwischen Spannungsgrenzen von +V_B bis –V_B, die als die Spannungsgrenzen für das Motorsteuersignal (typischerweise +12 Volt und –12 Volt in Kraftfahrzeuganwendungen) definiert sind, geändert werden.
In der folgenden Diskussion wird auf ein Motorsteuersignal Bezug genommen, das eine Spannung besitzt, die sich zwischen den Motorsteuerspannungsgrenzen von +V_B bis –V_B ändert. Das Motorsteuersignal entspricht selbstverständlich den Motortreiber-Eingangssignalen, die in den Motortreiber 16 eingegeben werden, oder ist hierzu äquivalent. Wenn das Motorsteuersignal eine positive Amplitude hat, wird der Elektromotor 36 in einer Richtung angetrieben, in der die Drosselklappenplatte 34 geöffnet wird. Wenn das Motorsteuersignal eine negative Amplitude hat, wird der Elektromotor 36 in einer Richtung angetrieben, in der die Drosselklappenplatte 34 geschlossen wird. Die Größe des Motorsteuersignals repräsentiert dann die Durchschnittsspannung, die an die Statorfeldwicklungen des Elektromotors 36 mittels des durch die ECU 14 in den Motortreiber 16 eingegebenen PWM-Motortreibersignals angelegt wird. Selbstverständlich sind die Richtung und die Größe der Motoransteuerungsströme, die in den Statorfeldwicklungen des Elektromotors 36 erzeugt werden, auch durch die Polarität und die Größe der Spannung des Motorsteuersignals bestimmt.
In 2A ist ein funktionales Blockdiagramm des ETC-Systems des Standes der Technik gezeigt, das eine herkömmliche Rückkopplungssteuerung für die Positionierung der Drosselklappenplatte 34 des elektronischen Drosselklappenventils 18, das in 1 gezeigt ist, verwendet. Dieses funktionale Diagramm enthält eine Anlage 100, die Komponenten des elektronischen Drosselklappenventils 18, eines herkömmlichen PID-Controllers 102, der die Rückkopplungssteuerung der Anlage 100 schafft, eines nichtlinearen Kompensators 104 für den Ausgleich eines Drehmoments, das durch Reibungs- und/oder Federvorbelastungskräfte (typischerweise nichtlinear), die der Anlage 100 (d. h. dem elektronischen Drosselklappenventil 18) zugeordnet sind, hervorgerufen wird, und Summierungsverbindungspunkten 106 und 108, die verwendet werden, um Signale in Übereinstimmung mit dem angegebenen Vorzeichen in der Umgebung der Signaleingänge geeignet zu kombinieren, umfasst.
Das Signal θ_A (das Ist-Positionssignal) repräsentiert die tatsächliche oder gemessene Drehposition der Drosselklappenplatte 34 in dem elektronischen Drosselklappenventil 18, während das Signal θ_D (das Soll-Positionssignal) eine angestrebte oder erwünschte Drehposition der Drosselklappenplatte 34 repräsentiert. Das Ist-Positionssignal θ_A wird anhand des von der ECU 14 auf der Pfeillinie 44 vom Drosselklappenpositionssensor 42 erhaltenen Eingangs bestimmt. Im Allgemeinen wird das Soll-Positionssignal θ_D anhand des Niederdrückungsbetrags des Fahrpedals 22 auf der Grundlage des von der ECU 14 auf der Pfeillinie 30 vom Pedalpositionssensor 28 erhaltenen Eingangs bestimmt. Um die in 1 gezeigte Struktur zu vereinfachen, sind andere Eingangssignale in die ECU 14, die ebenfalls für die Bestimmung oder die Beeinflussung des Soll-Positionssignals θ_D für die Drosselklappenplatte 34 verwendet werden können, nicht dargestellt worden. Diese anderen Eingangssignale könnten beispielsweise durch ein Traktionssteuerungssystem, ein Leerlaufsteuerungssystem, ein Geschwindigkeitssteuerungssystem und/oder durch andere Maschinensteuerungssysteme, die in Abhängigkeit von der Betriebsart der Maschine 20 aktiviert sein können, bereitgestellt werden.
Im Betrieb arbeitet das ETC-Steuersystem des Standes der Technik, um ein Motorsteuersignal *V_C zu erzeugen, das in die Anlage 100, die das elektronische Drosselklappenventil 18 repräsentiert, eingegeben wird. Irgendwelche Verzerrungen, die durch die Umwandlung des Motorsteuersignals *V_C in die geeigneten Motortreiber-Eingangssignale hervorgerufen werden, und die Wirkung der Motortreiber 16 bei der Versorgung des Elektromotors 36 mit Energie sind im Allgemeinen nicht von Bedeutung und werden daher typischerweise bei der Darstellung von ETC-Systemen in Form eines funktionalen Blockdiagramms wie in 2A gezeigt vernachlässigt. Wie oben beschrieben worden ist, bestimmen die Polarität und die Amplitude des Motorsteuersignals *V_C die Polarität und die Durchschnittsspannung, die an die Statorfeldwicklungen des Elektromotors 36 angelegt wird, wenn die Position der Drosselklappenplatte 34 eingestellt wird.
Wie gezeigt, umfasst das Motorsteuersignal *V_C die Summe aus zwei zusammengesetzten Steuersignalen *V_N und *V_PID, die durch den Summationsverbindungspunkt 108 kombiniert werden. In diesem Fall ist *V_PID ein Rückkopplungs-Steuersignal, das durch den PID-Controller 102 anhand eines eingegebenen Drosselklappenpositions-Fehlersignals *θ_E erzeugt wird, während *V_N ein Kompensationssteuersignal ist, das durch den nichtlinearen Kompensator 104 anhand des Ist-Positionssignals θ_A für die Drosselklappenplatte 34 erzeugt wird.
Das obige Drosselklappenpositions-Fehlersignal *θ_E wird durch den Summationsverbindungspunkt 106 ausgegeben und wird durch Subtrahieren des Ist-Positionssignals θ_A von dem Soll-Positionssignal θ_D bestimmt, um eine Differenz zu bilden, die durch *θ_E (d. h. *θ_E = θ_D – θ_A) repräsentiert wird. Im herkömmlichen ETC-System ist der PID-Controller 102 so eingestellt, dass er das Rückkopplungs-Steuersignal *V_PID erzeugt, so dass die Drosselklappenplatte 34 aus der Ist- in die Soll-Position durch Verringern der durch das Drosselklappenposition-Fehlersignal *θ_E repräsentierten Differenz auf Null als Antwort auf die Eingabe von *V_PID, um den Elektromotor 36 in der Anlage 100 anzusteuern, bewegt wird.
Im Stand der Technik sind verschiedene Typen nichtlinearer Kompensatoren verwendet worden, um Drehmomentwirkungen aufgrund von Reibungs- und/oder Federvorbelastungskräften (typischerweise nichtlinear), die den gesteuerten Mechanismen in der Anlage 100 zugeordnet sind, auszugleichen. Für die in 2A gezeigte ETC-Implementierung des Standes der Technik erzeugt der nichtlineare Kompensator 104 das Kompensationssteuersignal *V_N anhand der Ist-Position der Drosselklappenplatte 34, die durch das Ist-Positionssignal θ_A übermittelt wird.
2B stellt ein genaues funktionales Blockdiagramm bereit, das die von dem in 2A dargestellten beispielhaften nichtlinearen Kompensator 104 ausgeführten Operationen zeigt. Diese Ausführungsform des nichtlinearen Kompensators 104 hat zwei getrennte Arbeitswege, um verschiedene parallele Operationen an dem Ist-Positionssignal θ_A für die Drosselklappenplatte 34 auszuführen.
In einem der Arbeitswege wird das Ist-Positionssignal θ_A zunächst durch den Block 120 (worin s den Laplace-Operator bezeichnet) differenziert, um das Signal ω_A zu schaffen, das die Ist-Winkelgeschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 repräsentiert. Dieses Ist-Geschwindigkeitssignal ω_A wird in eine durch den Block 122 repräsentierte Nachschlagtabelle eingegeben, die ein Ausgangssignal T_C bereitstellt, das das Reibungsdrehmoment repräsentiert, das der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 entgegenwirkt.
In dieser Implementierung ist die Nachschlagtabelle im Block 122 im Wesentlichen eine Vorzeichenfunktion (sgn-Funktion), derart, dass T_C = F_Csgn(ω_A) ist, wobei die Konstante F_C den Coulomb-Reibungskräften zugeordnet ist, die der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 entgegenwirken. Das Reibungsdrehmomentsignal T_C wird dann zum Block 124 geschickt, der die inverse Übertragungsfunktion der Spannung in Abhängigkeit vom Drehmoment für den Elektromotor 36, dem das Reibungsdrehmoment zugeordnet ist, repräsentiert. Da der Elektromotor 36 eine Bandbreite besitzt, die viel größer ist als die wichtigen Frequenzkomponenten im Reibungsdrehmomentsignal T_C, kann die inverse Übertragungsfunktion der Spannung in Abhängigkeit vom Drehmoment einfach durch eine empirisch bestimmte Verstärkung oder durch einen Skalierungsfaktor G₁ repräsentiert werden. Bei geeigneter Wahl des Wertes G₁ repräsentiert dann das Ausgangssignal V_F des Blocks 124 ein Steuersignal, das in den Eingang der Anlage 100 eingegeben werden kann, um das Coulomb-Reibungsdrehmoment, das der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 in dem elektronischen Steuerventil 18 entgegenwirkt, ungefähr auszugleichen.
In dem anderen Arbeitsweg des nichtlinearen Kompensators 104 wird das Ist-Positionssignal θ_A in eine durch den Block 126 repräsentierte Nachschlagtabelle, die ein Ausgangssignal T_S bereitstellt, eingegeben. Das Ausgangssignal T_S repräsentiert das Federvorbelastungsdrehmoment, das der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 entgegenwirkt. In dieser Implementierung repräsentiert die Nachschlagtabelle eine stückweise lineare Approximation an das nichtlineare Federvorbelastungsdrehmoment, das durch den Drosselklappenfedermechanismus 40 erzeugt wird und das sich als Funktion der Ist-Position der Drosselklappenplatte 34, die durch das Signal θA bereitgestellt wird, ändert. Das Federvorbelastungs-Drehmomentsignal T_S wird dann durch den Block 128 geschickt, der die inverse Übertragungsfunktion der Spannung in Abhängigkeit vom Drehmoment des Elektromotors 36 für das Federvorbelastungsdrehmoment repräsentiert. Da wiederum der Elektromotor 36 eine Bandbreite besitzt, die viel größer ist als die wichtigen Frequenzkomponenten in dem Federvorbelastungs-Drehmomentsignal T_S, kann die inverse Übertragungsfunktion der Spannung in Abhängigkeit vom Drehmoment des Blocks 128 einfach durch eine empirisch bestimmte Verstärkung oder einen empirisch bestimmten Skalierungsfaktor G₂ repräsentiert werden. Bei geeigneter Wahl des Wertes G₂ repräsentiert dann das Ausgangssignal V_S des Blocks 128 ein Steuersignal, das in den Eingang der Anlage 100 eingegeben werden kann, um einen Ausgleich für Federvorbelastungskräfte, die der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 entgegenwirken, zu schaffen.
Die Steuersignale V_F und V_S werden durch einen Summationsverbindungspunkt 130 kombiniert oder addiert, um ein endgültiges Kompensationssteuersignal *V_N zu schaffen, das durch den nichtlinearen Kompensator 104 ausgegeben wird.
Unter gewissen Umständen könnte der Federvorbelastungsmechanismus 40 in der besonderen Ventilvorrichtung, die gesteuert wird, nicht vorhanden sein, könnten die Reibungskräfte nicht von Bedeutung sein oder könnten solche Kräfte um der Einfachheit willen absichtlich vernachlässigt werden. In diesen Fällen wäre der nichtlineare Kompensator 104 in der in 2A gezeigten funktionalen Steuerstruktur nicht erforderlich.
In anderen Anwendungen könnte der nichtlineare Kompensator 104 implementiert sein, um nur Reibungskräfte (hier durch V_F gegeben) oder nur Federvorbelastungskräfte (hier durch V_S gegeben) in Abhängigkeit von der Bedeutung dieser Kräfte und von der Leistungsfähigkeit der Kompensationstechniken zu kompensieren. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass andere bekannte nichtlineare Kompensationstechniken verwendet werden können, um verschiedene funktionale Strukturen für den nichtlinearen Kompensator 104 zu implementieren.
Die 3A und 3B zeigen simulierte graphische Darstellungen der Antwort des Drosselklappenventils (auch als Drosselklappenantwort bezeichnet) anhand des Ist-Positionssignals θ_A bzw. des Motorsteuersignals *V_C, die sich aus einer Stufenfunktionszunahme der Soll-Drosselklappenposition θ_D des ETC-Systems des Standes der Technik von 2A ergeben. Die graphischen Ergebnisse wurden unter Verwendung der im Handel erhältlichen MATLAB^®-Simulationssoftware erhalten.
Die Drosselklappenantwort von 3A ist als Änderung des Ist-Positionssignals θ_A für die Drosselklappenplatte 34 als Funktion der Zeit für eine Stufenfunktionszunahme der Öffnung der Drosselklappenplatte 34 aus der Soll-Position θ_D = 30° in die Soll-Position θ_D = 80°, die zum Zeitpunkt 0 Sekunden erfolgt, gezeigt. Das entsprechende Motorsteuersignal *V_C ist in 3B als Funktion der Zeit für dieselbe Stufenzunahme der Soll-Position für die Drosselklappenplatte 34 gezeigt.
Aus 3B geht hervor, dass das Motorsteuersignal *V_C einen anfänglichen Beitrag aufgrund des Rückkopplungs-Steuersignals *V_PID hat, der sich schnell an Null annähert, gefolgt von dem Beitrag des Kompensationssignals *V_N, das eine Abweichungsspannung von etwa 2,0 Volt bereitstellt, um die federvorbelastete Drosselklappenplatte 34 in der gewünschten offenen Position zu halten. Für die spätere Bezugnahme sei erwähnt, dass aus 3A hervorgeht, dass die Anstiegszeit der Drosselklappenantwort der Drosselklappenplatte 34, um die gewünschte offene Position von 80° zu erreichen, etwa 60,6 Millisekunden beträgt, wenn auf die oben beschriebene Stufenzunahme der Ist-Drosselklappenposition geantwortet wird.
Die ETC-Systeme des Standes der Technik verwenden im Allgemeinen nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil der verfügbaren Motorsteuerspannung (von –V_B bis +V_B), weil die Verstärkungen der PID-Controller so eingestellt sein müssen, dass eine Sättigung des Motorsteuersignals für die größten erwarteten Änderungen im Drosselklappenpositions-Fehlersignal *θ_E vermieden wird und dass andere Beschränkungen bezüglich der Drosselklappenantwort bei der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 erfüllt werden. Folglich sind diese ETC-Systeme des Standes der Technik hinsichtlich der Zeit, die für die Neupositionierung der Drosselklappenplatte 34 aus einer Ist- in eine Soll-Position erforderlich ist, nicht optimal.
In der Vergangenheit ist eine Technik, die als Optimalannäherungszeit-Servomechanismussteuerung (proximate time optimal servomechanism control, PTOS-Steuerung) bekannt ist, verwendet worden, um die Positionierung von Plattenlaufwerken zu steuern. Grundsätzlich schaltet ein PTOS-Controller von einem Ein-Aus-Controller zu einem linearen Proportional-Differential-Controller (PD-Controller), wenn der Kopfpositionsfehler (d. h. die Differenz zwischen der Soll-Kopfposition und der tatsächlich gemessenen Kopfposition) kleiner ist als ein im Voraus definierter Schwellenwert. Der PTOS ist dafür bekannt, dass er die Antwortzeit für die Positionierung des Kopfes eines Plattenlaufwerks über einer gewünschten Spur zum Lesen und Schreiben von Daten verbessert.
Der Anmelder hat festgestellt, dass bestimmte Konzepte der PTOS-Steuerung in neuer Weise angewendet werden können, um erhebliche Verbesserungen bei Positionierungsantwortzeiten von Ventilvorrichtungen, die bewegliche Ventilelemente besitzen, die durch elektrische Stellglieder positioniert werden, beispielsweise Drosselklappenplatten von elektronischen Drosselklappenventilen, zu erzielen. Insbesondere hat der Anmelder festgestellt, dass durch Bereitstellen eines Stellgliedsteuersignals für eine Vorwärtskopplungs-Signalkomponente des modifizierten Ein-Aus-Typs ein verhältnismäßig größerer Anteil der verfügbaren Stellgliedsteuerspannung verwendet werden kann, um die Positionierung des beweglichen Ventilelements zu steuern. Daher kann die Antwort der Ventilvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen PID-Steuertechniken verbessert werden, ohne ein erhebliches Antwortüberschwingen oder eine erhebliche Aufsetzzeit einzuführen. Die Implementierung dieses Steuerungstyps wird hier mit Bezug auf die vorliegende Erfindung als Optimalannäherungszeitsteuerung (proximate time optimal control, PTO-Steuerung) bezeichnet.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben, in der die Ventilvorrichtung das früher beschriebene elektronische Drosselklappenventil 18 ist, das als das bewegliche Ventilelement die Drosselklappenplatte 34 besitzt, die durch einen als elektrisches Stellglied wirkenden Elektromotor 36 positioniert wird. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese besondere Anwendung eingeschränkt, sondern kann verwendet werden, um irgendeine Ventilvorrichtung zu steuern, die ein durch ein elektrisches Stellglied positioniertes bewegliches Element besitzt.
In der folgenden Ausführungsform hat jede Bezugnahme auf die Position der Drosselklappenplatte 34 die Bedeutung einer Winkelposition der Drosselklappenplatte 34 in der Bohrung 32, ferner hat jede Bezugnahme auf die Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte oder des Drosselklappenventils die Bedeutung der Winkelgeschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 in der Bohrung 32.
In 4 ist ein funktionales Blockdiagramm für eine beispielhafte Implementierung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das funktionale Blockdiagramm enthält einen Optimalannäherungszeit-Controller 200, einen ersten nichtlinearen Kompensator 202, einen zweiten nichtlinearen Kompensator 216, einen PID-Controller 204, eine Anlage 206, ein Anlagenmodell 208 und Summationsverbindungspunkte 210, 212 und 214.
Die Anlage 206 repräsentiert die gesteuerte Ventilvorrichtung, die ein durch ein elektrisches Stellglied positioniertes bewegliches Ventilelement enthält. In dieser Ausführungsform repräsentiert das Stellgliedsteuersignal V_C das Motorsteuersignal, das in die Anlage 206 eingegeben wird, um die Drosselklappenplatte 34 zu positionieren. Das Ist-Positionssignal θ_A repräsentiert die Ist-Position des beweglichen Ventilelements, das in diesem Fall die Drosselklappenplatte 34 ist.
Das Anlagenmodell 208 repräsentiert ein mathematisches Modell, das elektromechanische Funktionen repräsentiert, die durch die tatsächlichen physikalischen Komponenten der Ventilvorrichtung und des elektrischen Stellglieds in der Anlage 206 ausgeführt werden. Das Anlagemodell 208 erzeugt ein Simulations-Positionssignal θ_PTO und ein Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO, die eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für das bewegliche Ventilelement repräsentieren, die sich ergeben, wenn ein Simulations-Stellgliedsteuersignal V_CS eingegeben wird, um das elektrische Stellglied anzusteuern, das in der Anlage 208 als Modell dargestellt ist. Eine genauere Beschreibung des Anlagenmodells 208 wird im Folgenden in der Diskussion in Verbindung mit 5 gegeben.
Der erste nichtlineare Kompensator 202 arbeitet auf ähnliche Weise wie der früher beschriebene nichtlineare Kompensator 104 von 2A, wenn er anhand des eingegebenen Ist-Positionssignals θ_A ein Ausgangskompensations-Steuersignal, das mit V_N bezeichnet ist, erzeugt. In der bevorzugten Ausführungsform verwendet der erste nichtlineare Kompensator 202 nur den Anteil des Kompensators 104 von 2B, der das nichtlineare Federvorbelastungsdrehmoment kompensiert (d. h. V_N = V_S). Das ausgegebene Kompensationssteuersignal V_N wird als ein Eingang für einen Summationsverbindungspunkt 212 bereitgestellt.
Der zweite nichtlineare Kompensator 216 arbeitet ebenfalls auf die gleiche Weise wie der oben beschriebene nichtlineare Kompensator 104 von 2A, wenn er anhand des eingegebenen Simulations-Positionssignals θ_PTO ein ausgegebenes Simulations-Kompensationssteuersignal, das mit V_NS bezeichnet wird, erzeugt. Wiederum verwendet in der bevorzugten Ausführungsform der zweite nichtlineare Kompensator 216 nur den Anteil des Kompensators 104 von 2B, der das nichtlineare Federvorbelastungsdrehmoment kompensiert (d. h. V_NS = V_S). Dieses SimulationsKompensationssteuersignal V_NS wird als ein Eingang in den Summationsverbindungspunkt 214 geleitet, wo es mit einem Vorwärtskopplungs-Steuersignal (dem Optimalannäherungszeit-Signal) V_PTO kombiniert wird, um das Simulations-Stellgliedsteuersignal V_CS (d. h. V_CS = V_PTO + V_NS) bereitzustellen.
Der erste nichtlineare Kompensator 202 ist in dieser beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein Kompensator des Rückkopplungstyps, weil er das Ist-Positionssignal θ_A bei der Bestimmung des Kompensationssteuersignals V_N verwendet. Der zweite nichtlineare Kompensator 216 ist ein Kompensator des Vorwärtskopplungstyps, weil er das Ist-Positionssignal θ_A bei der Bestimmung des simulierten Kompensationssteuersignals V_NS nicht verwendet, sondern stattdessen das Simulations-Positionssignal θ_PTO verwendet. Selbstverständlich können andere bekannte Typen nichtlinearer Kompensationstechniken bei der Implementierung des ersten und des zweiten nichtlinearen Kompensators 202 bzw. 216 verwendet werden.
Obwohl nicht unbedingt notwendig, wird eine bessere Leistung erzielt, wenn sowohl der erste als auch der zweite nichtlineare Kompensator 202 und 216 die gleichen Funktionen bei der Erzeugung des Kompensationssteuersignals V_N und des Simulations-Kompensationssteuersignals V_NS ausführen. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung ohne Kompensation irgendwelcher entgegenwirkender Drehmomentkräfte in der Anlage 206 und in dem Anlagenmodell 208 implementiert sein; dies wird jedoch die Steuerleistung in Abhängigkeit von der Bedeutung der entgegengesetzten Drehmomentkräfte verschlechtern. Eine Ausführungsform der Erfindung ohne eine solche Kompensation würde durch Weglassen sowohl des ersten als auch des zweiten nichtlinearen Kompensators 202 bzw. 216 und durch den Beitrag ihrer jeweiligen Kompensationssteuersignale V_N und V_NS zu den Stellgliedsteuersignalen V_C und zu dem Simulations-Stellgliedsteuersignal V_CS implementiert werden.
Der PID-Controller 204 arbeitet auf herkömmliche Weise, um ein Rückkopplungs-Steuersignal V_PID anhand eines eingegebenen Positionsfehlersignals, das durch θ_E repräsentiert wird, zu erzeugen. Das Positionsfehlersignal θ_E wird durch den Summationsverbindungspunkt 210 ausgegeben und repräsentiert eine Differenz, die durch Subtrahieren des Ist-Positionssignals θ_A von dem Simulations-Positionssignal θ_PTO erhalten wird (d. h. θ_E = θ_PTO – θ_A). Der PID-Controller 204 ist so eingestellt, dass er ein Rückkopplungs-Steuersignal V_PID erzeugt, das die Differenz zwischen dem Simulations- und dem Ist-Positionssignal auf Null reduziert, wenn es in die Anlage 206 eingegeben wird, um das elektrische Stellglied bei der Positionierung des beweglichen Ventilelements (d. h. der Drosselklappenplatte 34) anzusteuern.
Der Optimalannäherungszeit-Controller 200 empfängt das oben beschriebene Soll-Positionssignal θ_D und das Simulations-Positionssignal θ_PTO sowie das Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO. Anhand dieser Eingangssignale erzeugt der Optimalannäherungszeit-Controller 200 ein Vorwärtskopplungs-Steuersignal, das mit V_PTO bezeichnet ist. Das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO wird als ein Eingang für Summationsverbindungspunkte 212 und 214 bereitgestellt. Eine genaue Beschreibung des Betriebs des Optimalannäherungszeit-Controllers wird im Folgenden in der Diskussion in Verbindung mit den 7A–7B gegeben.
Das Rückkopplungs-Steuersignal V_PID, das Kompensationssteuersignal V_N und das Rückkopplungs-Steuersignal V_PTO werden durch den Summationsverbindungspunkt 212 kombiniert, um das Stellgliedsteuersignal V_C zu erzeugen, das in die Anlage 206 eingegeben wird, um das elektrische Stellglied bei der Positionierung des beweglichen Ventilelements (d. h. des Elektromotors 36 bei der Positionierung der Drosselklappenplatte 34) anzusteuern.
5 zeigt ein Funktionsblockdiagramm für das Anlagenmodell 208, das in 4 dargestellt ist. Das Anlagenmodell 208 stellt eine mathematische Darstellung der elektromagnetischen Funktionen bereit, die durch die Ventilvorrichtung und das elektrische Stellglied ausgeführt werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Anlagenmodell 208 implementiert, um das elektronische Drosselklappenventil 18 zu modellieren, ferner wird der Elektromotor 36 bei der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 verwendet. Wie oben angegeben worden ist, sind Signalverzerrungen, die mit der Schaltungsanordnung der Motortreiber 16 (siehe 1) einhergehen, nicht von Bedeutung und werden im Anlagenmodell 208 vernachlässigt. Das Modellieren der elektrisch betätigten Ventilvorrichtungen wie etwa des elektronischen Drosselklappenventils 18 ist auf dem Gebiet wohlbekannt und kann unter Verwendung von Software wie etwa MATLAB^® und durch andere bekannte Modellierungs- und Simulationstechniken erzielt werden.
Um die Diskussion zu vereinfachen, ist das Blockdiagramm von 5 entsprechend den verschiedenen Funktionen und Operationen, die in dem Anlagenmodell 208 ausgeführt werden, bezeichnet worden. Quadratische oder rechtwinklige Blöcke repräsentieren Übertragungsfunktionen. Die dreieckig geformten Blöcke repräsentieren Verstärkungs- oder Skalierungsfaktoren, mit denen ein Eingangssignal multipliziert wird, um ein skaliertes Ausgangssignal zu schaffen. Selbstverständlich sind die Werte für Konstanten, die den verschiedenen Skalierungsfaktoren und Übertragungsfunktionen in den Blöcken zugeordnet sind, durch die tatsächlichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Komponenten des elektronischen Drosselklappenventils 18 oder von Vorrichtungen anderen Typs, die modelliert werden, bestimmt.
Für die beispielhafte Ausführungsform erzeugt das Anlagenmodell 208 das Simulations-Positionssignal θ_PTO und das Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO, die die geschätzte Position bzw. die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 repräsentieren, die sich ergeben, wenn das Simulations-Motorsteuersignal V_CS eingegeben wird, um den Elektromotor 36 anzusteuern, wie mathematisch durch das Anlagemodell 208 repräsentiert wird. Daher repräsentieren das Simulations-Positionssignal θ_PTO und das Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für die Drosselklappenplatte 34, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal V_CS, das eingegeben wird, um den Elektromotor 36 anzusteuern, ergäben.
Der erste Abschnitt des Anlagenmodells 208, das in 5 gezeigt ist, repräsentiert eine Spannungs-/Drehmomentumsetzung, die durch den Elektromotor 36 ausgeführt wird, und umfasst einen Summationsverbindungspunkt 300, eine Übertragungsfunktion 304 und eine Skalierungsfunktion 306. Der Summationsverbindungspunkt 300 reduziert die Spannung, die dem eingegebenen simulierten Motorsteuersignal V_CS zugeordnet ist, um die modellierte Motorgegenspannung EMK, die in der Gegen-EMK-Schleife durch die Pfeillinie 302 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Summationsverbindungspunkts 300 repräsentiert dann die resultierende Spannung, die über die Statorfeldwicklungen des Elektromotors 36 angelegt wird. Die Übertragungsfunktion des Blocks 304 setzt diese Motorfeldwicklungsspannung in ein Ausgangssignal um, das dem Feldwicklungsstrom entspricht, wobei A₀ = 1/L und a = R/L, wobei R und L den Widerstand bzw. die Induktivität jeder der Statorfeldwicklungen im Elektromotor 36 repräsentieren. Das Feldwicklungsstromsignal, das vom Block 304 ausgegeben wird, wird in den Skalierungsblock 306 eingegeben, wo es mit A₁ multipliziert wird, um ein Signal auf der Pfeillinie 308 bereitzustellen, das das von dem Elektromotor 36 erzeugte elektromagnetische Drehmoment repräsentiert. Der Skalierungsfaktor A₁ = Kt ist die Motordrehmomentkonstante.
Das elektromagnetische Drehmomentsignal des Motors auf der Pfeillinie 308 wird in den Summierungsverbindungspunkt 310 eingegeben, wo es um ein Drehmomentverlustsignal auf der Pfeillinie 312 verringert wird, um dadurch ein Ausgangssignal des Summierungsverbindungspunkts 310 zu erzeugen, das das Ist-Motordrehmoment repräsentiert, das durch den Rotor des Elektromotors 36 als Antwort auf das eingegebene Simulations-Motorsteuersignal V_CS erzeugt wird. Wie später beschrieben wird, repräsentiert das Drehmomentverlustsignal auf der Pfeillinie 312 eine Näherung des Drehmoments, das der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 entgegenwirkt und den Reibungs- und Federvorbelastungskräften zugeordnet ist, die dem elektronischen Drosselklappenventil 18 eigentümlich sind.
Der nächste Abschnitt des Anlagenmodells 208 setzt das Ist-Motordrehmomentsignal in ein Geschwindigkeitssignal um, das die simulierte Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors 36 repräsentiert (in Radian/Sekunde). Dieser Abschnitt des Modells enthält einen Skalierungsblock 314 und einen Integratorblock 316. Das Ist-Motordrehmomentsignal, das von dem Summierungsverbindungspunkt 310 ausgegeben wird, wird in den Skalierungsblock 314 eingegeben, wo es mit A₂ multipliziert wird und daraufhin durch den Integrator des Blocks 316 integriert wird, um das Simulations-Motorgeschwindigkeitssignal auf der Pfeillinie 318 zu erzeugen. Der Skalierungsfaktor ist A₂ = 1/Jeq, wobei Jeq das Gesamtträgheitsmoment von Komponenten des elektronischen Drosselklappenventils 18 repräsentiert, das an der Welle des Rotors des Elektromotors 36 auftritt.
Das Signal, das das simulierte Motorgeschwindigkeitssignal auf der Pfeillinie 318 repräsentiert, wird in den Skalierungsblock 320 in der Gegen-EMK-Schleife eingegeben, wo es mit A₃ multipliziert wird, um das Motorgegen-EMK-Spannungssignal auf der Pfeillinie 302 bereitzustellen. Der Skalierungsfaktor ist A₃ = Kv, wobei Kv die Gegen-EMK-Spannungs-/Geschwindigkeits-Konstante des Elektromotors 36 ist.
Der nächste Abschnitt des Anlagenmodells 208 setzt das Motorgeschwindigkeitssignal auf der Pfeillinie 318 in das ausgegebene Simulations-Positionssignal θ_PTO um, das eine Schätzung der Position der Drosselklappenplatte 34 repräsentiert, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal (Stellgliedsteuersignal) V_CS ergäbe, das eingegeben wird, um den Elektromotor 36 anzusteuern. Das Simulations-Motorgeschwindigkeitssignal auf der Pfeillinie 318 wird im Block 324 integriert und dann mit dem Skalierungsfaktor A₄ des Blocks 326 multipliziert, um das ausgegebene Simulations-Positionssignal θ_PTO (in Grad) zu erzeugen. Der Skalierungsfaktor A₄ = 180/(n·π) wird verwendet, um die richtige Umsetzung aus Radian in Grad zu schaffen, wobei n das Übersetzungsverhältnis des Getriebemechanismus 40 in dem elektronischen Drosselklappenventil 18 repräsentiert.
Wie gezeigt, schafft das Anlagenmodell 208 das ausgegebene Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO (in Grad/Sekunde) durch Multiplizieren des Motorgeschwindigkeitssignals auf der Pfeillinie 318 mit dem Skalierungsfaktor A₈ im Skalierungsblock 346, um die richtige Umsetzung von Radian in Grad zu schaffen und um das Übersetzungsverhältnis n des Getriebemechanismus 40 zu berücksichtigen (A₈ = A₄ = 180/(n·π)).
Wie oben erwähnt, repräsentiert das Motordrehmomentverlustsignal auf der Linie 312 den Drehmomentverlust aufgrund der Reibungskräfte, die der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 in dem elektronischen Drosselklappenventil 18 zugeordnet sind, und aufgrund der Federvorbelastungskräfte, die dem Drosselklappenfedermechanismus 40 zugeordnet sind. Wie gezeigt, wird das Drehmomentverlustsignal auf der Pfeillinie 312 als ein Ausgang durch den Summationsverbindungspunkt 328 bereitgestellt, der ein Reibungsdrehmomentsignal auf der Pfeillinie 330 zu einem Federvorbelastungsdrehmomentsignal auf der Pfeillinie 332 addiert.
Das Reibungsdrehmomentsignal auf der Pfeillinie 330 wird als Ausgang der Reibungsdrehmomentschleife bereitgestellt, die die Nachschlagtabelle 336 und Skalierungsblöcke 334 und 338 enthält. Der Skalierungsblock 334 multipliziert das Motorwinkelgeschwindigkeitssignal auf der Linie 318 mit dem Skalierungsfaktor A₅ = 180/π, um das Motorwinkelgeschwindigkeitssignal von Radian/Sekunde in Grad/Sekunde umzusetzen. Dieses umgesetzte Motorgeschwindigkeitssignal wird dann als Eingang in die Nachschlagtabelle 336 eingegeben. Die Nachschlagtabelle 336 ist im Wesentlichen eine Vorzeichenfunktion (sgn-Funktion), die vom Wert des umgesetzten Motorgeschwindigkeitssignals abhängt und typischerweise verwendet wird, wenn die Coulomb-Reibungskraft approximiert wird. Der Ausgang der Nachschlagtabelle 336 wird dann mit dem Skalierungsfaktor A₆ des Blocks 338 multipliziert, um das endgültige Reibungsdrehmomentsignal auf der Pfeillinie 330 bereitzustellen. Es wird erkannt werden, dass die Sättigungswerte der Vorzeichenfunktion in der Nachschlagtabelle 336 und der Wert der Skalierungsfunktion A₆ geeignet gewählt werden, damit das Reibungsdrehmomentsignal das Coulomb-Reibungsdrehmoment approximiert, das der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 und anderer Komponenten des elektronischen Drosselklappenventils 18, auf die an der Rotorwelle des Elektromotors 36 Bezug genommen wird, entgegenwirkt.
Das Federdrehmomentsignal auf der Pfeillinie 332 wird als Ausgang der Federdrehmomentschleife bereitgestellt, die die Nachschlagtabelle 340 und den Skalierungsblock 342 enthält. Das Simulations-Positionssignal θ_PTO wird in die Nachschlagtabelle 340 eingegeben. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Nachschlagtabelle 340 eine stückweise lineare Approximation für die Federvorbelastungskräfte, die der Bewegung der Drosselklappenplatte 34 aufgrund des Drosselklappenfedermechanismus 40 entgegenwirken. Der Ausgang der Nachschlagtabelle 336 wird dann mit dem Skalierungsfaktor A₇ des Blocks 342 multipliziert, um auf der Pfeillinie 332 das Federvorbelastungsdrehmomentsignal bereitzustellen. Die Werte in der Nachschlagtabelle 340 und der Skalierungsfaktor A₇ sind geeignet gewählt, damit das Federvorbelastungs-Drehmomentsignal auf der Pfeillinie 332 den Federdrehmomentverlust aufgrund der Wirkung des Federmechanismus 40 approximiert, der sich als Funktion des Simulations-Positionssignals θ_PTO für die Drosselklappenplatte 34 ändert.
Selbstverständlich ist die Steuereinheit ECU 14 konfiguriert, um die Steuerfunktionen, die in dem Blockdiagramm von 4 veranschaulicht sind, mittels eines im Speicher MEM gespeicherten Computerprogramms auszuführen. Die ECU 14 ist konfiguriert, um die Steuerfunktionen, die in dem Blockdiagramm von 4 veranschaulicht sind, mittels eines im Speicher MEM gespeicherten Computerprogramms auszuführen. Dieses Computerprogramm wird nun anhand beispielhafter Programmablaufpläne beschrieben. 6 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan für die allgemeinen Operationen, die von der ECU 14 bei der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 des elektronischen Drosselklappenventils 18 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. 7 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan, der die Schritte, die durch den Controller 200 zur Optimierung der Annäherungszeit von 4 ausgeführt werden, im Einzelnen angibt. Die Programmierung der ECU 14, anhand der sie die veranschaulichten Schritte der Computerablaufpläne ausführt, liegt ohne weiteres im Wissen des Fachmanns auf dem Gebiet.
In 6 wird im Schritt 400 in die Optimalannäherungszeit-Drosselklappensteuerroutine (PTO-Drosselklappensteuerroutine) eingetreten. Diese PTO-Drosselklappensteuerroutine ist eine von vielen verschiedenen Routinen, die von der ECU 14 in einer Hintergrund-Maschinensteuerschleife nach dem Starten der Maschine und dem Initialisieren aller Maschinensteuervariablen, die in den Maschinensteuerroutinen verwendet werden, kontinuierlich ausgeführt wird.
Nach dem Eintritt im Schritt 400 geht die Routine weiter zum Schritt 402, wo die ECU 14 momentane Werte der Ist-Position der Drosselklappe, die durch das Ist-Positionssignal θ_A bereitgestellt wird, und für die simulierte Position der Drosselklappe, die durch das Simulations-Positionssignal θ_PTO bereitgestellt wird, erhalten werden. Der momentane Wert für θ_A wird durch Abtasten des Ausgangs des Drosselklappenpositionssensors 42 und durch Speichern dieses neuen Wertes für θ_A im Speicher MEM der CPU 14 erhalten. Der momentane Wert für θ_PTO ist jener Wert, die während des vorhergehenden Durchgangs durch die PTO-Controller-Routine 500 (siehe 7) bestimmt wird, die im Schritt 410 in der vorliegenden PTO-Drosselklappensteuerroutine 400 aufgerufen wird.
Die Routine geht dann weiter zum nächsten Schritt 404, wo ein Wert für das Kompensationssteuersignal V_N anhand des momentanen Werts des Ist-Positionssignals θ_A, der im Speicher MEM gespeichert ist, erzeugt wird. Dies wird durch Ausführen von Berechnungen erreicht, die den funktionalen Blöcken entsprechen, die bei der Kompensation des Federvorbelastungsdrehmoments in 2B verwendet werden und die in dem ersten nichtlinearen Kompensator 202 in der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung vorhanden sind, wie in 4 gezeigt ist.
Dann geht die Routine weiter zum Schritt 406, wo ein momentaner Wert für das Positionsfehlersignal θ_E durch Subtrahieren des momentan gespeicherten Werts für das Ist-Positionssignal θ_A von dem momentanen gespeicherten Wert für das Signal θ_PTO der simulierten Position bestimmt wird (d. h. θ_E = θ_PTO – θ_A).
Vom Schritt 406 geht die Routine weiter zum Schritt 408, wo ein Wert für das Rückkopplungs-Steuersignal V_PID anhand des momentanen Werts des Positionsfehlersignals θ_E, der oben im Schritt 406 bestimmt wurde, erzeugt wird. Dies wird in Übereinstimmung mit der Operation des herkömmlichen PID-Controllers 204, der in 4 gezeigt ist, durch Ausführen der bekannten Proportional-, Integral- und Differentialberechnungen an dem momentanen Wert für θ_E (und der Werte, die während früherer Durchläufe durch die Routine berechnet und gespeichert wurden) erreicht.
Dann geht die momentane Routine weiter zum Schritt 410, wo die PTO-Controller-Routine 500 aufgerufen wird, um einen Wert für das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO (dem Signal für die Steuerung der optimierten Annäherungszeit) zu erzeugen. Eine Beschreibung der in der PTO-Controller-Routine 500 ausgeführten Schritte wird später in der auf 7 bezogenen Diskussion gegeben.
Nach der Rückkehr von der PTO-Controller-Routine 500, die im Schritt 410 aufgerufen wurde, geht die momentane Routine weiter zum Schritt 412, wo ein Wert für das Motorsteuersignal (oder Stellgliedsteuersignal) V_C durch Summieren (Kombinieren) der Werte des Rückkopplungs-Steuersignals V_PID, des Kompensationssteuersignals V_N und des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO, die in den obigen Schritten 408 bzw. 404 bzw. 410 erzeugt worden sind, erzeugt wird.
Vom Schritt 412 geht die Routine weiter zum nächsten Schritt 414, wo der Wert für das Motorsteuersignal V_C eingegeben wird (wie oben beschrieben), um den Elektromotor 36 anzusteuern, damit er die Drosselklappenplatte 34 positioniert.
Bei Abschluss des Schrittes 414 geht die Routine weiter zum Schritt 416, wo die PTO-Drosselklappensteuerroutine 400 für diesen besonderen Durchgang durch die Hintergrund-Maschinensteuerschleife verlassen wird.
Nun werden mit Bezug auf 7 die Schritte beschrieben, die von der PTO-Controller-Routine ausgeführt werden, die im Schritt 410 in der obigen PTO-Drosselklappensteuerroutine ausgeführt wird.
In die PTO-Controller-Routine wird im Schritt 500 eingetreten, woraufhin zum Schritt 502 weitergegangen wird, wo momentane Werte für das Soll-Positionssignal θ_D, das Simulations-Positionssignal θ_PTO und das Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO erhalten werden. Der momentane Wert für das Ist-Positionssignal θ_D wird typischerweise durch Abtasten des Ausgangs des Pedalpositionssensors 28 erhalten und dann im Speicher MEM der ECU 14 gespeichert. Wie oben erwähnt, kann der momentane Wert von θ_D auch anhand des Abtastens anderer Eingänge in die ECU 14 bestimmt werden, die durch Traktionssteuerungs-, Leerlaufsteuerungs-, Geschwindigkeitssteuerungs- und/oder andere Maschinensteuersysteme bereitgestellt werden, die Modifikationen der Einstellung der Position der Drosselklappenplatte 34 erfordern. Die momentanen Werte für das Simulations-Positionssignal θ_PTO und das Simulations-Geschwindigkeitssignal ω_PTO werden aus früher im Speicher MEM der ECU 14 gespeicherten Werten erhalten, die während früherer Durchgänge durch die momentane Routine 500 erzeugt wurden (siehe den Schritt 532 weiter unten).
Vom Schritt 502 geht die momentane Routine weiter zum Schritt 504, wo ein momentaner Wert für ein Fehlersignal θ_SE der simulierten Position durch Subtrahieren des momentanen Wertes des Signals θ_PTO der simulierten Position von dem momentanen Wert des Soll-Positionssignals θ_D bestimmt wird (d. h. θ_SE = θ_D – θ_PTO).
Die Routine geht dann weiter zum Schritt 506, wo ein momentaner Wert für eine Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX der Drosselklappenplatte 34 anhand des momentanen Werts von θ_SE, der im Schritt 504 berechnet wird, bestimmt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist im Speicher MEM eine Nachschlagtabelle gespeichert, um Werte von ω_MAX, die verschiedenen Werten von θ_SE entsprechen, zu bestimmen. Die funktionale Beziehung ω_MAX = f(θ_SE), die verwendet wird, um Werte für die Nachschlagtabelle zu erhalten, ist durch den in 8 gezeigten Graphen definiert, der später diskutiert wird.
Nach der Bestimmung des momentanen Wertes für die Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX im Schritt 506 geht die Routine weiter zum Schritt 508, wo anhand der Absolutwerte (ABS) des Simulations-Positionsfehlersignals θ_SE und des Simulations-Geschwindigkeitssignals ω_PT eine Entscheidung getroffen wird. Falls die Größe der Differenz zwischen den Werten der Soll-Position θ_D und der Simulations-Position θ_PTO kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert TH (d. h. ABS(θ_SE < TH), ist die Größe des Simulations-Geschwindigkeitssignals ω_PTO kleiner als ein vorgegebener Geschwindigkeitsschwellenwert TH_ω (d. h. ABS(ω_PTO) < TH_ω), woraufhin die momentane Routine 500 zum Schritt 526 weitergeht. Andernfalls geht die Routine weiter zum Schritt 510.
Der Schwellenwert TH kann ein vorgegebener fester Wert sein oder er könnte in Abhängigkeit vom Anfangswert von θ_SE verschiedene Werte haben, wenn eine Änderung der Soll-Position für die Drosselklappenplatte 34 eingeleitet wird. Falls beispielsweise eine Änderung in dem Soll-Drosselklappenpositionssignal θ_D vorgenommen wird, derart, dass ABS(θ_SE) zunächst im Bereich von 0° bis 10° liegt, könnte TH so bestimmt werden, dass er einen ersten vorgegebenen Wert TH1 hat. Falls ABS(θ_SE) zunächst im Bereich von 10° bis 40° liegt, könnte TH so bestimmt sein, dass er einen zweiten vorgegebenen Wert TH2 hat. Gleiches gilt für andere Anfangswertebereiche von ABS(θ_SE). Für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung wurde der vorgegebene Schwellenwert TH auf einen festen Wert von 0,01 Grad festgelegt, selbstverständlich kann dieser Wert jedoch in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung der elektronischen Drosselklappe geändert werden. Ebenso kann der vorgegebene Geschwindigkeitsschwellenwert TH_ω auf einen Wert von 0,01 Grad/Sekunde festgelegt sein, der ebenfalls in Abhängigkeit von der Anwendung der elektronischen Drosselklappe geändert werden kann.
Wie oben erwähnt, geht die Routine 500 weiter zum Schritt 526, falls im Schritt 508 ABS(θ_SE) < TH und ABS(ω_PTO) < TH_ω, woraufhin das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO, das eine Spannung repräsentiert oder hierdurch ausgezeichnet ist, auf einen Wert von null Volt festgelegt wird. Selbstverständlich sind die Schritte 508 und 526 nur implementiert, um zu verhindern, dass die ECU 14 auf kleine Größen und/oder auf Rundungsfehler in den Werten von θ_SE und ω_PTO reagiert, wenn sich diese Werte Null annähern. Die Schritte 508 und 526 sind nicht notwendig, wenn solche Fehler als nicht erheblich angesehen werden oder wenn die ECU 14 in Bezug auf die Erfassungs- und Berechnungsfunktionen, die ausgeführt werden, eine erhöhte Präzision hat. Nach dem abschließenden Schritt 526 geht die Routine weiter zum Schritt 528.
Wenn im Schritt 508 entweder ABS(θ_SE) ≥ TH oder ABS(ω_PTO) ≥ TH_ω, geht die Routine weiter zum Schritt 510, wo die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO gemäß der Gleichung V_PTO = V_MAX·sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) bestimmt oder berechnet wird, wobei V_MAX die maximale vorgegebene Spannung ist, sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) eine Sättigungsfunktion mit einem Argument K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) ist, wobei K_SAT ein vorgegebener Sättigungsverstärkungswert ist, ω_MAX die Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ist und ω_PTO die geschätzte Geschwindigkeit des beweglichen Ventilelements (Drosselklappenplatte 34) ist. Somit wird die Spannung, die das Vorwärtskopplungs-Steuersignal kennzeichnet, auf eine vorgegebene maximale Spannung gesetzt, die durch V_MAX repräsentiert wird, und dann in Übereinstimmung mit der definierten Sättigungsfunktion sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) eingestellt. Daher wird die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO gesetzt auf: (i) die maximale vorgegebene Spannung, die durch V_MAX repräsentiert wird, wenn K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) > 1 ist; (ii) eine minimale vorgegebene Spannung, die durch V_MIN = –V_MAX repräsentiert wird, wenn K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) < –1 ist; und (iii) einen Wert K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO), wenn –1 < K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) < 1. In der bevorzugten Ausführungsform war die Sättigungsverstärkung K_SAT als der Wert 4,7763 gegeben; dieser Wert ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der besonderen elektronischen Drosselklappe, die gesteuert wird. Obwohl der Schritt 510 als eine Berechnung dargestellt ist, wird erkannt werden, dass der Spannungswert, der V_PTO zugewiesen ist, auch aus einer Nachschlagtabellen-Implementierung bestimmt werden kann. Nachdem der geeignete Spannungswert dem Vorwärtskopplungs-Steuersignal im Schritt 510 zugewiesen worden ist, geht die Routine weiter zum Schritt 528.
Im Schritt 528 wird ein Wert für das simulierte Kompensationssteuersignal V_NS anhand des momentanen Werts des Signals θ_PTO der simulierten Drosselklappenwinkelposition, der im Speicher MEM gespeichert ist, erzeugt. Dies wird erzielt durch Ausführen von Berechnungen, die den funktionalen Blöcken entsprechen, die verwendet werden, um das Federvorbelastungsdrehmoment in 2B zu kompensieren, die auch in dem zweiten nichtlinearen Kompensator 216 von 4 vorhanden sind.
Dann geht die Routine 500 weiter zum Schritt 530, wo ein Wert für das simulierte Motorsteuersignal V_CS durch Summieren oder Kombinieren der Werte des simulierte Kompensationssteuersignals V_NS und des Vorwärtskopplungssteuersignals V_PTO, die in den vorhergehenden Schritten erzeugt werden, bestimmt wird.
Ausgehend vom Schritt 530 geht die Routine weiter zum Schritt 532, wo neue Werte für das Simulations-Positionssignal θ_PTO und das Simulations-Geschwindigkeitssignals ω_PTO erzeugt werden. Dies wird durch Eingeben des momentanen Werts des Simulations-Motorsteuersignals V_CS, der im Schritt 530 oben bestimmt wird, in das Anlagenmodell 208 von 4 und durch Ausführen von Berechnungen, die den funktionalen Blöcken entsprechen, die in 5 gezeigt sind und die die Operation des modellierten elektronischen Drosselklappenventils 18 repräsentieren, erreicht. Die neuen Werte für θ_PTO und ω_PTO, die als Ausgänge der modellierten Anlage 208 erzeugt werden, werden dann im Speicher MEM gespeichert, um während des nächsten Durchgangs durch die Routinen 400 und 500 verwendet zu werden.
Bei Abschluss des Schrittes 532 geht die Routine 500 weiter zum Schritt 534, wo sie zur PTO-Drosselklappensteuerroutine zurückkehrt.
8 zeigt eine graphische Darstellung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX und der Differenz θ_SE zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position der Drosselklappenplatte 34 definiert. Die Werte für ω_MAX repräsentieren angenähert die maximale Geschwindigkeit, auf die die Drosselklappenplatte 34 für eine gegebene Differenz zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position beschleunigt werden kann, bevor eine maximale Verzögerung ausgeführt werden muss, um die Geschwindigkeit auf Null zu senken, wenn die Ist-Position sich der Soll-Position annähert, wenn die Spannung des Motorsteuersignals zwischen V_MAX und V_MIN = –V_MAX geschaltet wird, um die maximale Beschleunigung und die maximale Verzögerung der Drosselklappenplatte 34 zu erzielen. Da der PTO-Controller 200 ein Controller des Vorwärtskopplungstyps ist, wird statt der Ist-Position die geschätzte Position ω_PTO für die Drosselklappenplatte 34 verwendet, wenn Werte für die Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX für die Verwendung im PTO-Controller 200 bestimmt werden.
Für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung wurde die funktionale Beziehung zwischen ω_MAX und θ_SE, die in 8 gezeigt ist, zunächst durch Ausführen von Simulationen unter Verwendung des Anlagenmodells 208, das das elektronische Drosselklappenventil 18 repräsentiert, bestimmt. Dabei wurden ω_PTO verschiedene Anfangsgeschwindigkeiten zugewiesen, um die Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 bei ihrer Bewegung aus der vollständig geschlossenen Position in die vollständig geöffnete Position (oder umgekehrt) zu simulieren. Anschließend wurde (in Abhängigkeit davon, ob die Drosselklappe 34 geöffnet oder geschlossen wurde) eine Motorsteuerspannung von entweder V_MAX oder V_MIN = –V_MAX eingegeben, um den Elektromotor 36 anzusteuern, um die maximale Verzögerung bei der Verringerung der Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 vorzusehen, wobei Werte für die Simulations-Drosselklappenposition θ_PTO und die Simulations-Geschwindigkeit ω_PTO aufgezeichnet wurden. Durch Wiederholen dieser Simulationen mit verschiedenen Anfangsgeschwindigkeiten, die ω_PTO zugewiesen wurden, wurden Werte für ω_MAX ermittelt, wobei die Anwendung der Motorsteuerspannungen V_MAX oder V_MIN bewirkten, dass die geschätzte Geschwindigkeit ω_PTO sich Null annäherte, wenn sich die geschätzte Position der Drosselklappenplatte 34 der Soll-Position annäherte, d. h. wenn θ_SE = (θ_D – θ_PTO) sich an Null annäherte.
Für die Kurve, die Ist-Werte von ω_MAX als Funktion von θ_SE repräsentiert, die wie oben beschrieben erhalten wurde, wurde ermittelt, dass sie eine im Wesentlichen unendliche Steigung hat, wenn sie, wie in 8 gezeigt, durch den Ursprung des Koordinatensystems verläuft. Es hat sich gezeigt, dass dies eine Begrenzung der zyklischen Durchgänge zur Folge hat, wenn die Positionierung der Drosselklappenplatte 34 gesteuert wird. Um diese Begrenzung der zyklischen Durchgänge zu beseitigen, wurden die positiven Ist-Werte von ω_MAX, die oben erhalten wurden, geringfügig reduziert, während die negativen Ist-Werte von ω_MAX geringfügig erhöht wurden (in beiden Fällen der vorliegenden Ausführungsform angenähert 17 Grad/Sekunde). Dies hatte eine geringfügige Verschiebung nach unten jenes Teils der tatsächlichen Kurve, die ω_MAX für positive Werte von θ_SE repräsentiert, und eine geringfügige Verschiebung nach oben jenes Teils der tatsächlichen Kurve, die ω_MAX, die verwendet wird, um die in 8 gezeigte Kurve zu erhalten, zur Folge. Diese verschobenen Kurven wurden dann verwendet, um die Basis für die graphische Darstellung von ω_MAX wie in 8 gezeigt mit Werten von ω_MAX in der Nähe des Ursprungs zu bilden, die so eingestellt waren, dass sie sich als lineare Funktionen von θ_SE in Übereinstimmung mit einer Linie ändern, die durch den Ursprung verläuft und zu beiden Abschnitten der oben beschriebenen verschobenen Kurven tangential sind. 8 zeigt diese Modifikation der Ist-Kurve, die Werte von ω_MAX repräsentiert, für die festgestellt wurde, dass sie die Begrenzung der zyklischen Durchgänge in der obigen Steuerung, die durch die vorliegende Erfindung geschaffen wird, beseitigt. Im Folgenden wird die in 8 gezeigte Kurve als die definierte Bahn der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit bezeichnet, die verwendet wird, um Werte für die Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung bereitzustellen.
Obwohl nicht ratsam, weil Beschädigungen resultieren könnten, wird erkannt, dass statt der Simulationen das tatsächliche elektronische Drosselklappenventil 18 verwendet werden könnte, wenn tatsächlich gemessene Werte für die Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX bestimmt werden, die ihrerseits verwendet wird, wenn die in 8 gezeigte Kurve erhalten wird.
Die verfügbaren maximalen Motorsteuerspannungsgrenzen von –V_B und +V_B können nicht verwendet werden, um die oben beschriebene maximale Beschleunigung und maximale Verzögerung, die V_MAX und V_MIN zugeordnet sind, zu erzielen, weil die Verwendung dieser Spannungsgrenzen bei der tatsächlichen Steuerung der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 eine Sättigung des Motorsteuersignals V_C zur Folge hätte. Daher werden die vorgegebene maximale Spannung und die vorgegebene minimale Spannung V_MIN = –V_MAX so gewählt, dass eine verbesserte Beschleunigung bzw. Verzögerung bei der Steuerung der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 geschaffen wird, ohne eine Sättigung des Motorsteuersignals V_C hervorzurufen.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass der PTO-Controller 200 als ein Vorwärtskopplungs-Controller arbeitet, wenn er das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO als eine Komponente des Motorsteuersignals V_C bereitstellt. Statt der Verwendung der tatsächlichen Werte für die Position und die Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34 verwendet der PTO-Controller 200 das Signal PTO der geschätzten Position bzw. das Signal ω_PTO der geschätzten Geschwindigkeit, wenn er das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO erzeugt. Daher arbeitet der PTO-Controller 200 vollständig in der Weise einer Vorwärtskopplung ohne Verwendung irgendeiner Rückkopplung irgendwelcher Informationen bezüglich der Ist-Position oder der Ist-Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte 34.
Selbstverständlich arbeitet der PTO-Controller 200 als ein modifizierter Ein-Aus-Controller, indem die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO auf eine vorgegebene maximale Spannung V_MAX gesetzt wird, die mit der Sättigungsfunktion sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) eingestellt oder multipliziert wird.
Wenn die Größe der Differenz zwischen der simulierten Drosselklappengeschwindigkeit ω_PTO und der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX signifikant groß ist, so dass K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) > 1 oder K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) < –1, wird die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO auf einen Wert V_MAX bzw. V_MIN = –V_MAX gesetzt. Beim Schalten der Spannung V_PTO zwischen diesen vorgegebenen maximalen und minimalen Spannungen arbeitet der PTO-Controller 200 als ein Controller des Ein-Aus-Typs. Wenn jedoch die Größe der Differenz zwischen der Simulations-Drosselklappengeschwindigkeit ω_PTO und der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ω_MAX weniger signifikant ist, derart, dass –1 < (K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) < 1 ist, wird das Vorwärtskopplungs-Steuersignal θ_PTO so eingestellt oder modifiziert, dass seine Spannung V_MAX·K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) ist, was in den Bereich zwischen der vorgegebenen maximalen und der vorgegebenen minimalen Spannung V_MAX bzw. V_MIN fällt. Als Folge dieser Einstellung schafft der PTO-Controller 200 eine modifizierte Steuerung des Ein-Aus-Typs.
Bei der Einstellung der Spannung V_PTO auf die oben beschriebene Weise wird die Drosselklappenplatte 34 beschleunigt und verzögert, um die geschätzte Geschwindigkeit ω_PTO dazu zu veranlassen, ungefähr der Bahn der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit zu folgen, die durch die Werte ω_MAX (die in 8 gezeigte Kurve) definiert ist, wenn sich die geschätzte Position der Drosselklappenplatte 34 in die Soll-Position bewegt.
Die 9A und 9B zeigen simulierte graphische Darstellungen der Drosselklappenventil-Antwort anhand von θ_A bzw. des Motorsteuersignals V_C, die sich aus einer Stufenfunktionszunahme der Soll-Drosselklappenposition θ_D für die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, die in 4 dargestellt ist, ergeben. Die Drosselklappenantwort von 9A ist als Änderung der tatsächlichen Winkelposition θ_A der Drosselklappenplatte 34 als Funktion der Zeit für eine Stufenfunktionszunahme bei der Sollöffnung der Drosselklappenplatte 34 von θ_D = 30° nach θ_D = 80°, die zum Zeitpunkt = null Sekunden erfolgt, gezeigt. Das entsprechende Motorsteuersignal V_C ist in 9B als Funktion der Zeit für die gleiche Stufenzunahme der Soll-Drosselklappenposition θ_D gezeigt.
Aus 9A geht hervor, dass die Anstiegszeit für die Drosselklappenplatte 34, um die geöffnete Soll-Position von 80° zu erreichen, ungefähr 12,3 Millisekunden beträgt, wenn auf die oben beschriebene Stufenzunahme der Soll-Position der Drosselklappenplatte 34 geantwortet wird. Somit ist die Anstiegszeit für die Drosselklappe gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den 60,6 Millisekunden der Anstiegszeit für die Drosselklappenantwort des elektronischen Drosselklappensteuersystems des Standes der Technik von 2A für die gleiche Stufenzunahme der Ist-Drosselklappenposition deutlich verringert.
Diese Verringerung der Anstiegszeit der Drosselklappenantwort ergibt sich aus der Verwendung eines erheblich größeren Anteils der verfügbaren maximalen Motorsteuerspannung (–V_B bis +V_B) bei der Steuerung der Positionierung der Drosselklappenplatte 34. In der vorliegenden Ausführungsform wurden der Maximalwert und der Minimalwert für das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO auf V_MAX = +9 Volt bzw. auf V_MIN = –9 Volt gesetzt, wie in 9B gezeigt ist.
Sofort nach der Stufenzunahme des Soll-Drosselklappenpositionssignals θ_D wie oben beschrieben setzt der Optimalannäherungszeit-Controller 200 V_PTO auf V_MAX = +9 Volt, um die Bewegung der Drosselklappenplatte 34 in die Soll-Position schnell zu beschleunigen. Der PTO-Controller 200 stellt dann die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO wie oben beschrieben ein, um die geschätzte Geschwindigkeit ω_PTO der Drosselklappenplatte 34 zu steuern, damit sie sich der Bahn der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit, die durch Werte ω_MAX in 8 definiert ist, annähert und dieser ungefähr folgt, da die simulierte Position θ_PTO der Drosselklappenplatte 34 so gesteuert wird, dass sie sich der Soll-Position θ_D annähert. Dies trägt zu der signifikanten Zunahme der Amplitude des Motorsteuersignals V_C bei, die direkt nach dem Zeitpunkt = null in 9B auftritt, da V_PTO eine der Komponenten von V_C ist.
Wenn die Größen des Fehlers zwischen der Soll-Position und der Simulations-Position θ_SE bzw. der Simulations-Geschwindigkeit ω_PTO jeweils ausreichend klein sind, wird die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals V_PTO auf Null gesetzt (ausgeschaltet). Die Amplitude des Motorsteuersignals V_C wird dann lediglich durch das Kompensationssteuersignal V_N und das PID-Steuersignal V_PID bestimmt, die anschließend verwendet werden, um die Steuerung der Bewegung der Ist-Position θ_A der Drosselklappenplatte 34 in die geschätzte Position θ_PTO abzuschließen.
Aus 9B geht hervor, dass sich, sobald das Vorwärtskopplungs-Steuersignal V_PTO auf einen Wert Null gesetzt ist, die Amplitude des Motorsteuersignals V_C etwa 2,0 Volt annähert und die notwendige Ausgleichsspannung für den Elektromotor 36 schafft, um die federvorbelastete Drosselklappenplatte 34 an der gewünschten geöffneten Position von θ_D = 80 Grad zu halten.
Es wird auch erkannt, dass die Größe der Spannungen, die für V_MAX und V_MIN = –V_MAX gewählt wird, die Rate bestimmt, mit der die Drosselklappenplatte 34 in die Soll-Drosselklappenposition θ_D beschleunigt bzw. verzögert wird. Je größer diese Werte sind, desto stärker werden die Beschleunigung und die Verzögerung der Drosselklappenplatte 34 bei der Bewegung in die Soll-Drosselklappenposition θ_D erhöht. Die Größe von V_MAX und V_MIN kann jedoch nicht so groß gewählt werden, dass sie eine Sättigung der Motorsteuerspannung bei der maximalen bzw. der minimalen Motorsteuerspannungsgrenze (d. h. +V_B = 12 Volt und –V_B = –12 Volt), wie in 9B gezeigt ist, hervorrufen. Daher kann die Größe der Werte von und V_MAX und V_MIN so groß gewählt werden, wie es praktisch sinnvoll ist, ohne zu bewirken, dass die Spannung des Motorsteuersignals V_C die Motorsteuerspannungsgrenzen von +V_B und –V_B übersteigt.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde der maximale Beitrag von V_N und V_PID zu dem Motorsteuersignal V_C auf einen Wert im Bereich von etwa +3,0 Volt bis –3,0 Volt geschätzt. Daher wurden V_MAX bzw. V_MIN so gewählt, dass sie etwa +9 Volt bzw. etwa –9 Volt betrugen, um eine mögliche Sättigung der Motorsteuerspannung V_C zu vermeiden. Es wird erkannt, dass die relativen Beiträge der verschiedenen Steuersignalkomponenten von V_C entweder durch Simulation oder durch experimentelle Messungen, die vorgenommen werden, wenn der Drosselklappenplatte 34 befohlen wird, sich in verschiedene Positionen zu bewegen, bestimmt werden können.
Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass der Optimalannäherungszeit-Controller 200 spezifisch entworfen ist, um einen wesentlichen Anteil der maximal verfügbaren Spannung zu nutzen, die durch Motorsteuerspannungsgrenzen gegeben ist, um die Beschleunigung und die Verzögerung bei der Positionierung der Drosselklappenplatte 34 zu verbessern, ohne eine Sättigung der Motorsteuerspannung V_C hervorzurufen. Für die Operation des PID-Controllers 204 und des nichtlinearen Kompensators 202 muss eine ausreichende Spannung vorgesehen sein.
Es ist auch festgestellt worden, dass mit der vorliegenden Erfindung der PID-Controller 204 so entworfen werden kann, dass er aggressiver als herkömmliche PID-Controller ist, da das Positionsfehlersignal θ_E = θ_PTO – θ_A, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zu kleineren Werten strebt als das Drosselpositions-Fehlersignal *θ_E = θ_D – θ_A, das typischerweise von herkömmlichen PID-Controllern verwendet wird.
Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, um eine erhebliche Verbesserung der Antwortzeit von Ventilvorrichtungen wie etwa elektronischen Drosselklappenventilen, die bewegliche Ventilelemente besitzen, die durch elektrische Stellglieder positioniert werden, zu erzielen. Es ist deutlich, dass die verbesserte Antwortzeit für Stellglieder, die kostengünstiger sind, ein geringeres Drehmoment erzeugen und weniger Leistung verbrauchen, genutzt werden könnte.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben worden ist, könnten selbstverständlich zahlreiche Änderungen innerhalb des Erfindungsgedankens und des Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen werden. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung verwendet werden, um Ventilvorrichtungen mit geradlinig betätigten sowie mit rotatorisch betätigten beweglichen Ventilelementen zu steuern. Es ist auch klar, dass die vorliegende Erfindung an die Steuerung der Positionierung anderer Typen beweglicher Elemente, die durch elektrische Stellglieder positioniert werden, angepasst werden kann, etwa für AGR-Ventile und dergleichen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Drosselklappenventils (18), das eine Drosselklappenplatte (34) besitzt, die durch einen Elektromotor (36) positioniert wird, um das Drosselklappenventil (18) zu öffnen und zu schließen, wobei die Schritte des Verfahrens umfassen: Erhalten eines Soll-Positionssignals von einem Fahrpedalsensor (28), wobei die Soll-Position eine Soll-Position für die Drosselklappenplatte (34) angibt; Erhalten eines Ist-Positionssignals von einem Drosselklappenventil-Positionssensor (42), wobei das Ist-Positionssignal eine Ist-Position für die Drosselklappenplatte (34) angibt; Konfigurieren einer Steuereinheit (14), um das Soll-Positionssignal und das Ist-Positionssignal zu empfangen und um die folgenden Schritte auszuführen: (a) Erzeugen eines Simulations-Positionssignals und eines Simulations-Geschwindigkeitssignals anhand eines Simulations-Motorsteuersignals, wobei das Simulations-Positionssignal bzw. das Simulations-Geschwindigkeitssignal eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für die Drosselklappenplatte (34) repräsentieren, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal ergäben, das eingegeben wird, um den Elektromotor (36) anzutreiben; (b) Erzeugen eines Vorwärtskopplungs-Steuersignals mittels eines Optimalannäherungszeit-Controllers (200) und anhand des Soll-Positionssignals, des Simulations-Positionssignals und des Simulations-Geschwindigkeitssignals, wobei das simulierte Motorsteuersignal das Vorwärtskopplungs-Steuersignal enthält; (c) Erzeugen eines Rückkopplungs-Steuersignals mittels eines PID-Controllers (204) und anhand einer Differenz zwischen dem Simulations-Positionssignal und dem Ist-Positionssignal für die Drosselklappenplatte (34); (d) Kombinieren des Vorwärtskopplungs-Steuersignals und des Rückkopplungs-Steuersignals, um ein Motorsteuersignal zu erzeugen; (e) Eingeben des Motorsteuersignals, um den Elektromotor (36) anzutreiben, wodurch die Drosselklappenplatte (34) so gesteuert wird, dass sie sich aus der Ist-Position in die Soll-Position bewegt; (f) Erzeugen eines Kompensationssteuersignals mittels eines ersten nichtlinearen Kompensators (202) und anhand des Ist-Positionssignals; (g) Erzeugen eines Simulations-Kompensationssteuersignals mittels eines zweiten nichtlinearen Kompensators (216) und anhand des Simulations-Positionssignals; (h) Kombinieren des Kompensationssteuersignals mit den Rückkopplungs- und Vorwärtskopplungs-Steuersignalen, wenn das Motorsteuersignal erzeugt wird; und (i) Kombinieren des Simulations-Kompensationssteuersignals mit dem Vorwärtskopplungs-Steuersignal, um das Simulations-Motorsteuersignal zu erzeugen; wodurch das Motorsteuersignal und das Simulations-Motorsteuersignal kompensiert werden, um ein Drehmoment, das der Bewegung der Drosselklappenplatte (34) durch den Elektromotor (36) entgegenwirkt, auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (14) ferner konfiguriert ist, um ein mathematisches Modell bereitzustellen, das elektromechanische Funktionen repräsentiert, die durch das Drosselklappenventil (18) und den Elektromotor (36) ausgeführt werden, und das Simulations-Positionssignal und das Simulations-Geschwindigkeitssignal für die Drosselklappenplatte (34) erzeugt werden, indem das Simulations-Motorsteuersignal eingegeben wird, um den Elektromotor (36) wie durch das mathematische Modell repräsentiert anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Drosselklappenventil (18) einen Federmechanismus (40) enthält und das entgegenwirkende Drehmoment ein Federvorbelastungsdrehmoment, das durch den Federmechanismus (40) erzeugt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorwärtskopplungs-Steuersignal durch eine Spannung ausgezeichnet ist, die so eingestellt wird, dass die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte (34) ungefähr einer definierten Bahn der Maximalverzögerungsgeschwindigkeit folgt, wenn die geschätzte Position der Drosselklappe (34) in die Soll-Position bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorwärtskopplungs-Steuersignal durch eine Spannung ausgezeichnet ist und der Schritt des Erzeugens des Vorwärtskopplungs-Steuersignals ferner die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position für die Drosselklappenplatte (34); und Setzen der Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals auf Null, wenn die Differenz zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position der Drosselklappenplatte einen Absolutwert hat, der kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte (34) einen Absolutwert hat, der kleiner als ein vorgegebener Geschwindigkeitsschwellenwert ist, und andernfalls Setzen der das Vorwärtskopplungs-Steuersignal auszeichnenden Spannung auf einen Wert, der gemäß der folgenden Gleichung bestimmt ist: V_MAX·sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)), wobei V_MAX eine maximale vorgegebene Spannung ist, sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) eine Sättigungsfunktion ist, die ein Argument K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO) besitzt, K_SAT ein vorgegebener Sättigungsverstärkungswert ist, ω_MAX eine Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ist und ω_PTO die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte (34) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorwärtskopplungs-Steuersignal durch eine Spannung ausgezeichnet ist und der Schritt des Erzeugens des Vorwärtskopplungs-Steuersignals ferner den Schritt des Setzens der das Vorwärtskopplungs-Steuersignal auszeichnenden Spannung auf eine vorgegebene maximale Spannung, die in Übereinstimmung mit einer definierten Sättigungsfunktion eingestellt wird, die sich anhand der Differenz zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position der Drosselklappenplatte (34) und des Simulations-Geschwindigkeitssignals ändert, umfasst, um dadurch die Bewegung der Drosselklappenplatte (34) aus der Ist-Position in die Soll-Position wahlweise zu beschleunigen oder zu verzögern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: die Spannung des Vorwärtskopplungs-Steuersignals gleich V_MAX·sat(K_SAT·(ω_MAX – ω_PTO)) gesetzt wird, wobei V_MAX die vorgegebene maximale Spannung ist, sat eine definierte Sättigungsfunktion repräsentiert, K_SAT ein vorgegebener Sättigungsverstärkungswert ist, ω_MAX eine Maximalverzögerungsgeschwindigkeit ist, die anhand der Differenz zwischen der Soll-Position und der geschätzten Position der Drosselklappenplatte (34) bestimmt wird, und ω_PTO die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte (34) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Motorsteuersignal durch eine Spannung ausgezeichnet ist, die durch definierte maximale und minimale Motorsteuerspannungsgrenzen begrenzt ist, um eine Sättigung des Motorsteuersignals zu vermeiden, und wobei die vorgegebene maximale Spannung so gewählt ist, dass eine verbesserte Beschleunigung und eine verbesserte Verzögerung der Drosselklappenplatte (34) geschaffen werden, ohne eine Sättigung des Motorsteuersignals hervorzurufen, wenn das Drosselklappenventil (18) gesteuert wird.
System zum Steuern eines Drosselklappenventils (18), wobei das Drosselklappenventil (18) eine Drosselklappenplatte (34) besitzt, die durch einen Elektromotor (36) positioniert wird, um das Drosselklappenventil (18) zu öffnen und zu schließen, wobei das System umfasst: einen Fahrpedal-Positionssensor (28), der ein Soll-Positionssignal bereitstellt, das eine Soll-Position der Drosselklappenplatte (34) angibt; einen Drosselklappenventil-Positionssensor (42), der ein Ist-Positionssignal bereitstellt, das eine Ist-Position für die Drosselklappenplatte (34) angibt; eine Steuereinheit (14), die das Ist-Positionssignal und das Soll-Positionssignal empfängt und programmiert ist, um: (a) ein Simulations-Positionssignal und ein Simulations-Geschwindigkeitssignal anhand eines Simulations-Motorsteuersignals zu erzeugen, wobei das Simulations-Positionssignal und das Simulations-Geschwindigkeitssignal eine geschätzte Position bzw. eine geschätzte Geschwindigkeit für die Drosselklappenplatte (34) repräsentieren, die sich aus dem Simulations-Motorsteuersignal ergäben, das eingegeben wird, um den Elektromotor (36) anzutreiben; (b) Erzeugen eines Vorwärtskopplungs-Steuersignals mittels eines Optimalannäherungszeit-Controllers (200) und anhand des Soll-Positionssignals, des Simulations-Positionssignals und des Simulations-Geschwindigkeitssignals, wobei das Simulations-Motorsteuersignal das Vorwärtskopplungs-Steuersignal umfasst; (c) Erzeugen eines Rückkopplungs-Steuersignals mittels eines PID-Controllers (204) und anhand einer Differenz zwischen dem Simulations-Positionssignal und dem Ist-Positionssignal für die Drosselklappenplatte (34); (d) Kombinieren des Vorwärtskopplungs-Steuersignals und des Rückkopplungs-Steuersignals, um ein Motorsteuersignal zu erzeugen; (e) Eingeben des Motorsteuersignals, um den Elektromotor (36) anzutreiben, wobei die Drosselklappenplatte (34) gesteuert wird, um sich aus der Ist-Position in die Soll-Position zu bewegen; (f) ein Kompensationssteuersignal mittels eines ersten nichtlinearen Kompensators (202) und anhand des Ist-Positionssignals zu erzeugen; (g) ein Simulations-Kompensationssteuersignal mittels eines zweiten nichtlinearen Kompensators (216) und anhand des Simulations-Positionssignals zu erzeugen; (h) das Kompensationssteuersignal mit dem Rückkopplungs-Steuersignal und dem Vorwärtskopplungs-Steuersignal zu kombinieren, wenn das Motorsteuersignal erzeugt wird; und (i) das Simulations-Kompensationssteuersignal und das Vorwärtskopplungs-Steuersignal zu kombinieren, um das Simulations-Motorsteuersignal zu erzeugen; wodurch das Motorsteuersignal und das Simulations-Motorsteuersignal kompensiert werden, um ein Drehmoment, das der Bewegung der Drosselklappenplatte (34) durch den Elektromotor (36) entgegenwirkt, auszugleichen.
System nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit (14) ferner konfiguriert ist, um ein mathematisches Modell bereitzustellen, das elektromechanische Funktionen repräsentiert, die durch das Drosselklappenventil (18) und den Elektromotor (36) ausgeführt werden, und das Simulations-Positionssignal und das Simulations-Geschwindigkeitssignal für die Drosselklappenplatte (34) durch Eingabe des Simulations-Motorsteuersignals erzeugt werden, um den Elektromotor (36), wie durch das mathematische Modell repräsentiert, anzutreiben.
System nach Anspruch 9, wobei das Vorwärtskopplungs-Steuersignal durch eine Spannung ausgezeichnet ist, die so eingestellt wird, dass die geschätzte Geschwindigkeit der Drosselklappenplatte (34) ungefähr einer definierten Bahn einer Maximalverzögerungsgeschwindigkeit folgt, wenn sich die geschätzte Position der Drosselklappenplatte (34) in die Soll-Position bewegt.