DE19610210A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung des Stellelements einer Brennkraftmaschine
gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Aus der DE-OS 36 31 283 (US-Patent 4 947 815) ist ein
Stellelement für eine Drosselklappe einer Brennkraftmaschine
bekannt, welches, vorzugsweise im Rahmen einer Lageregelung,
auf der Basis des von einer Pedalbetätigung des Fahrers
abgeleiteten Fahrerwunsches elektrisch über einen Stellmotor
eingestellt wird. Das Stellelement weist dabei die
Besonderheit auf, daß durch entgegenwirkende Federn bei
stromlosem Stellmotor eine vorbestimmte Lage eingenommen
wird. Diese Ruhelage oder Notluftlage des Stellelements
stellt sicher, daß bei stromlosem Steller die mit dem
Stellelement verknüpfte Drosselklappe nicht vollständig
schließt, sondern daß die Brennkraftmaschine wenigstens im
Leerlaufbetrieb weiter laufen kann. Nachteilig daran ist,
daß sich an diesem Punkt das auf den Stellmotor wirkende
Moment infolge des sich ändernden resultierenden
Federmoments sprungförmig ändert und sein Vorzeichen ändert.
Das Federmoment ist dabei unterhalb der Ruhelage öffnend,
oberhalb schließend (siehe Fig. 5). Dieses Verhalten des
Stellelements stellt für die Lageregelung ein erhebliches
Erschwernis dar und führt zu einem ungünstigen
Regelverhalten, insbesondere zu Stellzeitverlängerungen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, welche
das Regelverhalten einer Lageregelung bei einem Stellglied
mit einer durch Momentenänderung kennzeichnender Ruhelage
verbessert.
Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der
unabhängigen Patentansprüche erreicht.
Aus der DE-OS 44 26 971 ist für ein derartiges Stellelement,
welches im Rahmen einer Steuerung mittels eines
Schrittmotors betätigt wird, bekannt, bei Bewegungen über
die Ruhelage den zur Bildung des Ansteuersignals verwendeten
Schrittzählerstand im Sinne einer Linearisierung der
Stellelementebewegung zu korrigieren.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird das Verhalten des
Regelkreises, insbesondere der Regelstrecke (Stellelement)
linearisiert. Stellzeitverlängerungen bei Bewegungen über
die Ruhelage des Stellelements werden wirksam verhindert.
Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Lösung
dann nicht angewendet wird, wenn das Stellelement in der
unmittelbaren Umgebung der Ruhelage des Stellelements
eingestellt werden soll. Dadurch werden instabile Zustände
vermieden.
Besonders vorteilhaft ist, daß die erzeugte Änderung des
Antriebsmoments des Stellmotors den durch die Ruhelage
entstehende Momentenänderung in etwa kompensiert.
Besonders vorteilhaft ist, daß die Genauigkeit der
erfindungsgemäßen Lösung durch Lernen des der Ruhelage des
Stellelements zugeordneten Stellungswert durch die
Steuereinheit erhöht wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den
abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild einer
Steuervorrichtung für ein Stellelement einer
Brennkraftmaschine, während in Fig. 2 und 3 Flußdiagramme
dargestellt sind, welche die Realisierung der Regelung des
Stellelements sowie die Erfassung der Stellung der Ruhelage
des Stellelements als Rechnerprogramme darstellen. In Fig.
4 ist der zeitliche Verlauf der Stellung des Stellelements
sowie des Stromes durch den Stellmotor als Zeitdiagramm
dargestellt, während in Fig. 5 die bekannte
Momentencharakteristik des Stellelements über seiner
Stellung aufgetragen ist.
In Fig. 1 ist eine elektronische Steuereinheit 10
dargestellt, welcher eine Eingangsleitung 12 von einem
Meßelement 14 zur Erfassung der Stellung eines vom Fahrer
betätigbaren Bedienelements 16 zugeführt ist. Ferner sind
der Steuereinheit 10 Eingagsleitungen 18 bis 20 von
Meßeinrichtungen 22 bis 24 zur Erfassung weiterer
Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs
zugeführt. Derartige Betriebsgrößen sind beispielsweise eine
Größe für die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine, die
Drehzahl der Brennkraftmaschine, deren Temperatur, etc. Eine
Ausgangsleitung 26 der Steuereinheit 10 führt auf eine
Endstufe 28, vorzugsweise eine Vollbrückenendstufe. An diese
ist über Leitungen 30 und 32 ein elektrischer Motor 34,
vorzugsweise ein Gleichstrommotor) eines Stellelements 36
angeschlossen. Das Stellelement 36 dient zur Verstellung
einer im Ansaugsystem 38 der Brennkraftmaschine angeordneten
Drosselklappe 40, die über die mechanische Verbindung 42 mit
dem Motor 34 verbunden ist. Das Stellelement 36 umfaßt
ferner wenigstens zwei Federn 44 und 46, die zur Einstellung
des Stellelements in eine vorbestimmte Ruhelage
gegeneinander wirkende Kräfte F1 und F2 erzeugen.
Das Stellelement 36 weist daher eine Momentencharakteristik
auf, die in Fig. 5 dargestellt ist. Dort ist das auf den
Stellmotor 34 wirkende Moment M über der Stellung α des
Stellelements (der Drosselklappe) aufgetragen. Das
Stellelement ist von der Stellung 0 (vollständig
geschlossene Drosselklappe) bis zu einer Maximalstellung
(vollständig geöffnete Drosselklappe) verstellbar. Im
Stellungsbereich von der Stellung 0 bis zur Ruhelage αNLP
wirkt die Feder 44 im Sinne einer Öffnung der Drosselklappe.
Das auf den Motor ausgeübte Öffnungsmoment ist daher in
diesem Bereich positiv. Zwischen der Ruhelage αNLP und der
Maximalstellung wirkt die Kraft der Feder 46 im Sinne einer
Rückstellung des Stellelements in die geschlossene Position
der Drosselklappe. Daher ist in diesem Bereich das auf das
Stellelement ausgeübte Moment negativ.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die elektronische
Steuereinheit 10 aus wenigstens einem Mikrocomputer, in dem
Programmteile installiert sind, die das Stellelement in
Abhängigkeit des von der Bedienelementebetätigung
abgeleiteten Fahrerwunsches einstellen. Dazu ist ein
Sollwertbilder 48 vorgesehen, dem das Betätigungssignal des
Bedienelements über die Leitung 12 sowie ausgewählte
Betriebsgrößen über die Leitungen 18 bis 20 zugeführt
werden. Die Ausgangsleitung 50 des Sollwertbilders 48 führt
auf einen Lageregler 52, dem wenigstens eine von wenigstens
einer der Leitungen 18 bis 20 abzweigende Leitung 54 und
damit ein Maß für die Stellung des Stellelements 36
zugeführt wird. Ausgangsleitung des Lagereglers 52 ist die
Ausgangsleitung 26 der Steuereinheit 10.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erfaßt das Meßelement 14
den Betätigungsgrad des Bedienelements 16 (Fahrpedal).
Dieser wird dem Sollwertbilder 48 zugeführt. Ferner werden
diesem von den Meßeinrichtungen 22 bis 24 Betriebsgrößen wie
Motortemperatur, Motordrehzahl, Gangstellung,
Abgaszusammensetzung, Luftmasse, etc. zugeführt. Der
Sollwertbilder bildet auf der Basis von vorbestimmten
Kennlinien, Kennfeldern, Tabellen oder im Rahmen eines
Drehmomenten- oder Leistungsregelkreises einen
Solleinstellwert αSoll für das Stellelement 36. Dieser wird
über die Leitung 50 dem Lageregler 52 zugeführt. Der
Lageregler 52 bildet die Differenz zwischen dem
Solleinstellwert αSoll und der von einem Stellungsgeber
erfaßten Iststellung αist des Stellelements 36, die über die
Leitung 54 zugeführt wird. Der Lageregler 52 bildet dann auf
der Basis der Differenz nach Maßgabe der vorgegebenen
Regelstrategie ein Ausgangssignal. Der Lageregler 52 umfaßt
dabei wenigstens einen Integralanteil, im bevorzugten
Ausführungsbeispiel ferner Proportional- und
Differentialanteile. Der Regler bildet sein Ausgangssignal
im Sinne einer Einstellung des Stellelements 36 auf den
vorgegebenen Sollwert. Das Ansteuersignal für die
Endstufenschaltung 28 ist dabei im bevorzugten
Ausführungsbeispiel ein pulsweitenmoduliertes Signal, dessen
veränderliches Tastverhältnis den mittleren Stromfluß durch
den elektrischen Motor 34 und damit das Antriebsmoment des
Stellelements repräsentiert. In anderen vorteilhaften
Ausführungsbeispielen kann die Ansteuersignalgröße ein
Stromwert, ein Spannungswert, eine Pulslänge oder die
Pausenzeit zwischen zwei Pulsen sein.
Zur Verbesserung des Regelverhaltens im Bereich des
sogenannten Momentenumkehrpunktes in der Ruhelage des
Stellelements 36 wird bei Bewegungen des Stellelements 36
ständig der Stellungsistwert kontrolliert. Bewegt sich das
Stellelement über den Momentenumkehrpunkt hinweg, wird das
Antriebsmoment des Stellmotors bzw. der Motorstrom quasi
sprungförmige geändert. Eine exakt sprungförmige Änderung
ist wegen der Induktivität des Elektromotors nicht möglich.
Der Betrag dieser sprungförmigen Änderung wird so gewählt,
daß die dabei entstehende Änderung des Antriebsdrehmoments
den im Momentenumkehrpunkt entstehenden Sprung im
Federmoment in etwa kompensiert. Die Stromänderung wird im
bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erzeugt, daß der
Integralanteil des Reglers um einen definierten,
vorgegebenen Betrag verändert wird, oder daß das
Tastverhältnis, mit dem die Endstufe angesteuert wird,
sprungförmig verändert wird. Dieser Betrag wird dabei dem
Integralanteil bzw. der Ansteuersignalgröße bei
Überschreiten der Ruhelage einmal aufgeschaltet und nicht
ständig beibehalten. Befindet sich der Einstellsollwert für
das Stellelement sehr nahe am Momentenumkehrpunkt, könnte
durch die erfindungsgemäße Lösung aufgrund einer ständigen
Stromänderung ein instabiler Zustand entstehen. Dies wird
wirksam vermieden, indem die erfindungsgemäße Kompensation
nur dann angewendet wird, wenn der Einstellsollwert nicht in
der unmittelbaren Umgebung des Momentenumkehrpunktes liegt.
Da der Momentenumkehrpunkt (Ruhelage) von Stellelement zu
Stellelement gewisse Toleranzen aufweist, wird zur Erhöhung
der Genauigkeit seine Lage von der elektronischen
Steuereinheit bei stromlosem Stellelement gelernt.
Die beschriebenen Maßnahmen laufen im Bereich des
Lagereglers 52 ab. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Realisierung dieser Maßnahmen als Rechnerprogramm ist anhand
der Flußdiagramme nach Fig. 2 und 3 dargestellt.
Nach Start des in Fig. 2 beschriebenen Programmteils zu
vorgegebenen Zeitpunkten (beispielsweise in Intervallen von
einigen msec) wird im ersten Schritt 100 der berechnete
Einstellsollwert αSoll sowie der gemessene Stellungsistwert αIst
des Stellelements eingelesen. Daraufhin wird im Schritt 102
überprüft, ob sich das Stellelement im Bereich des
Momentenumkehrpunkts befindet. Dies wird im bevorzugten
Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, daß der gemessene
Stellungsistwert αIst mit einem um den gespeicherten
Stellungswert für den Momentenumkehrpunkt αNLP gebildeten
Toleranzbereich ΔI verglichen wird. Befindet sich der
Stellungsistwert innerhalb des Toleranzbereichs, so wird eine
"JA"-Antwort gebildet, im anderen Fall eine "NEIN"-Antwort. Ist
die Antwort "NEIN", wird gemäß Schritt 104 die Differenz dα aus
Solleinstellwert und Iststellung gebildet und im darauffolgenden
Schritt 106 nach Maßgabe der eingesetzten Reglergleichung die
Ansteuersignalgröße τ auf der Basis der Regeldifferenz dα
gebildet. Nach Schritt 106 wird der Programmteil beendet und zu
gegebener Zeit wiederholt.
Hat Schritt 102 ergeben, daß sich der Iststellungswert im
Bereich des Momentenumkehrpunkts befindet, wird gemäß
Schritt 108 überprüft, ob dies auch für den Einstellsollwert
gilt. Die dabei verglichenen Bereiche um den
Momentenumkehrpunkt (Δ1 und Δ2) sind im bevorzugten
Ausführungsbeispiel unterschiedlich, können aber auch gleich
sein. Befindet sich der Einstellsollwert im Bereich des
Momentenumkehrpunkts, wird mit Schritt 104 und der Regelung
fortgefahren, andernfalls wird gemäß Schritt 110 die
Ansteuersignalgröße τ, die im vorherigen Programmdurchlauf
aufgrund der Regelfunktion gebildet wurde, um einen
vorgegebenen Wert τ0 erhöht. Nach der Veränderung wird die
Ansteuersignalgröße wieder vom Regler (Schritt 106)
gebildet.
In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird im
Schritt 110 anstelle der Ansteuersignalgröße der diese im
stationären Fall bildende Integralanteil I des Reglers
entsprechend verändert. Nach Schritt 110 wird der
Programmteil beendet und zu gegebener Zeit wiederholt.
Die in Fig. 2 beschriebene Vorgehensweise führt bei einer
Bewegung des Stellelements über den Momentenumkehrpunkt
hinweg zu einer gezielten Erhöhung des Antriebsmoments des
Stellelements, so daß die Bewegung des Stellelements über
den Momentenumkehrpunkt hinweg im wesentlichen linear ist.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt daher in bezug auf den
Regler eine Vorsteuerung dar.
Der Änderungsbetrag τ0 bzw. I0 ist in einem
Ausführungsbeispiel fest vorgegeben. In einem anderen
vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist dieser Betrag
betriebsgrößenabhängig, beispielsweise abhängig von der
Temperatur der Brennkraftmaschine oder des Stellelements.
Zur Bestimmung des gespeicherten Wertes αNLP für die
Stellung des Momentenumkehrpunkts ist der Programmteil nach
Fig. 3 vorgesehen. Auch dieser Programmteil wird, zumindest
in vorbestimmten Betriebszuständen wie Nachlauf oder
Schubbetrieb zu vorbestimmten Zeitpunkten eingeleitet. Im
ersten Schritt 200 wird überprüft, ob ein stromloser Zustand
des Stellelements vorhanden ist, das heißt, ob kein Strom
durch den Stellmotor des Stellelements fließt. Ist dies
nicht der Fall, wird der Programmteil beendet, andernfalls
gemäß Schritt 202 der in diesem Zustand gemessene Istwert
(nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit) eingelesen
und gemäß Schritt 204 der gespeicherte Momentenumkehrpunkt
αNLP auf dem gemessenen Istwert αIst gesetzt. Nach
Schritt 204 wird der Programmteil beendet.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuerung ist anhand
der Zeitdiagramme nach Fig. 4 dargestellt. Dabei zeigt
Fig. 4a den Zeitverlauf der Stellelementestellung über der
Zeit, während in Fig. 4b der Stromverlauf durch den
Stellmotor aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie zeigt
dabei die Situation bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Steuerung, während die strichliert dargestellte Kurve die
Situation ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerung
zeigt. Es wird von einer Situation ausgegangen, in welcher
sich die Drosselklappe im Bereich unterhalb des
Momentenumkehrpunkts αNLP befindet (α0). Durch Betätigen des
Fahrpedals gibt der Fahrer einen Stellungswert vor, der
oberhalb des Momentenumkehrpunkts liegt (α1). Durch die
Reglerfunktion wird also der infolge des öffnenden
Federmoments negative Strom leicht erhöht. Zum Zeitpunkt T0
befindet sich das Stellelement am Momentenumkehrpunkt. Dies
führt dazu, daß gemäß der erfindungsgemäßen Steuerung eine
sprungförmige Veränderung des Stromes infolge der
entsprechenden Steuerung des Integralanteils des Reglers
oder der Ansteuersignalgröße stattfindet. Danach wird der
Strom im Rahmen der Regelung verändert und schließlich bei
Erreichen des Sollwerts auf einen wegen des schließenden
Federmoments positiven Haltestrom abgesenkt. Würde die
erfindungsgemäße Steuerung nicht verwendet, so ergebe sich
zum Zeitpunkt T0 keine Veränderung des Stromes, der vielmehr
im Rahmen der Lageregelung verändert wird. Dies würde gemäß
Fig. 4a zu einer Verzögerung der Stellelementeeinstellung
und somit zu einem unbefriedigenden Regelverhalten führen.
Claims (9)
1. Verfahren zur Steuerung eines Stellelements einer
Brennkraftmaschine, wobei über einen elektrischen Motor ein
Stellelement betätigt wird, bei dem über den
Stellungsbereich das auf den Motor ausgeübte Moment sein
Vorzeichen ändert, wobei ein Ansteuersignal für den Motor im
Rahmen einer Lageregelung erzeugt wird, welches den Strom
durch den Motor steuert, dadurch gekennzeichnet, daß im
Bereich der Momentenumkehr das Ansteuersignal im Sinne einer
möglichst sprungförmigen Stromänderung verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Änderung des Stromes derart bemessen ist, daß der im
Umkehrpunkt entstehende Sprung in dem vom Stellelement
ausgeübten Moment in etwa kompensiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die sprungförmige Veränderung
des Stromes durch sprungförmige Veränderung der
Ansteuersignalgröße erreicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die vom Lageregler berechnete Ansteuersignalgröße mit einem
vorgegebenen, vorzugsweise betriebsgrößenabhängigen Wert
beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler wenigstens einen
Integralanteil aufweist, der zur Erzeugung der
sprungförmigen Veränderung des Stromes beeinflußt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Integralanteil mit einem vorgegebenen, vorzugsweise
betriebsgrößenabhängigen Wert beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die sprungförmige Veränderung
nicht stattfindet, wenn sich das Stellelement in einem
vorgegebenen Bereich um den Momentenumkehrpunkt befindet und
der Einstellsollwert der Lageregelung ebenfalls in einem
vorgegebenen Bereich um den Momentenumkehrpunkt sich
befindet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Momentenumkehrpunkt
zugeordnete Stellung bei stromlosem Stellmotor erfaßt und
abgespeichert wird.
9. Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements einer
Brennkraftmaschine, mit einer elektronischen Steuereinheit,
die einen Lageregler umfaßt, der abhängig von einem
Vorgabewert und einer Istlage des Stellelements ein
Ansteuersignal erzeugt, welches den Stellmotor eines
Stellelements ansteuert, bei dem über den Stellungsbereich
das auf den Motor ausgeübte Moment sein Vorzeichen ändert,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Bewegung des
Stellelements in diesem Bereich dieser Momentenumkehr das
Ansteuersignal im Sinne einer möglichst sprungförmigen
Stromänderung verändert wird.
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