DE19647219C2 - Verfahren zur Reibungskompensation an einem reibungsbehafteten, lagegeregelten System - Google Patents

Verfahren zur Reibungskompensation an einem reibungsbehafteten, lagegeregelten System

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reibungskompensation an einem reibungsbehafteten, lagegeregelten System, insbesondere einer durch einen motorischen Stellantrieb betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug, beinhaltend eine Lageregelung und eine Reibungskompensation.
Als wichtiges Beispiel für ein System mit einer Lageregelung sei hier die durch einen motorischen Stellantrieb betätigte Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug angeführt, an welcher im folgenden die der Erfindung zugrundeliegende Problematik erläutert werden soll. Bei der motorischen Betätigung der Drosselklappe ist es wesentlich, daß die durch einen Fahrpedalgeber und eventuell eine Motorelektronik vorgegebene Drosselklappenposition jeweils schnell und präzise erreicht wird.
Die Lageregelung wird dabei durch den Umstand erschwert, daß an dem mechanischen System Drosselklappe an vielen Stellen Reibung auftritt, zum Beispiel in den Lagern, dem/den Potentiometer(n) und der Rückstellfeder. Auch ist es möglich, daß in der annähernd geschlossenen Position der Drosselklappe diese auch an der Innenwandung des Drosselklappengehäuses reibt.
Der Einfluß der Reibung, speziell der Haftreibung, wenn zum Beispiel eine sich in Ruhe befindende Drosselklappe bewegt werden soll, kann prinzipiell durch einen zusätzlichen Kraftanteil kompensiert werden, welcher durch einen dem Betätigungsmotor zugeführten zusätzlichen Spannungsanteil realisiert wird.
In "Christof Maron: Methoden zur Identifikation und Lageregelung mechanischer Prozesse mit Reibung, VDI-Verlag Düsseldorf 1991" wird hierzu auf Seite 77 zunächst als einfachste "Kompensationsidee" vorgeschlagen, einen vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängigen konstanten Kraftanteil zu addieren oder zu subtrahieren.
Zur Realisierung dieses als "trivial" bezeichneten Ansatzes (Seite 78 Absatz 1) heißt es auf Seite 78 in den Absätzen 2 und 3: "Der zur Kompensation geeignete Wert ist direkt durch die für jeden Arbeitspunkt definierte Hysteresebreite gegeben. Deshalb können gute Regelungsergebnisse erwartet werden, falls die Reibungshysterese genau bekannt ist.
Eine direkte Messung . . . der Reibungshysterese liefert in der Regel die besten Ergebnisse bei der Kompensation. Hierfür wird die Hysteresebreite punktweise im Rechner abgespeichert . . .. Allerdings ist eine Adaption der Kompensation an sich verändernde Reibung nicht mehr ohne weiteres möglich."
Hierbei ergibt sich das Problem, daß im Fall einer motorisch betätigten Drosselklappe jedes einzelne Drosselklappenexemplar eine "individuelle" Reibungshysterese aufweist.
Diese Reibungshysterese bei einem Massenprodukt wie einem Drosselklappenstutzen jeweils einzeln auszumessen und abzuspeichern ist aber bereits aus Kostengründen nicht möglich. Hinzu kommt, daß sich die Reibung auch unter verschiedenen Einflüssen verändert, zum Beispiel durch Temperaturänderung oder durch Alterung des Drosselklappenstutzens. Daher würde auch ein aufwendiges Ausmessen der Reibungshysterese keine bzw. keine dauerhaft gute Abschätzung der erforderlichen Reibungskompensation ermöglichen.
Eine einfache Abschätzung der erforderlichen Kompensation bringt aber ein weiteres Problem mit sich, welches ebenfalls bereits im zitierten Stand der Technik angeführt wird (a. a. O.; Seite 79, letzter Absatz, bis Seite 80, erster Absatz): "Die explizite Reibungskompensation reagiert allerdings empfindlich auf falsche Schätzwerte. Wird die Hysteresebreite zu groß geschätzt oder gemessen, kommt es wegen der Überkompensation sofort zu Dauerschwingungen mit großer Amplitude."
Zu ergänzen bleibt, daß im Gegenzug eine Unterkompensation zu einem nicht erlaubten Haften des lagegeregelten Systems führt.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 37 31 984 A1 ist ein Verfahren zur adaptiven Regelung eines reibungsbehafteten, lagegeregelten Systems bekannt, das eine Lageregelung und eine Reibungskompensation enthält. Dabei wird zur Reibungskompensation ein von der Regeldifferenz abhängiger Kompensationswert zu dem vom Regler abgegebenen Stellwert addiert. Der Kompensationswert wird von einem nicht-linearen Zustands- und Störgrößenbeobachter geliefert.
Um die Positionsgenauigkeit des angetriebenen Gliedes auch bei kleinen Auslenkungen (Kleinsignalverhalten) zu gewährleisten, wird anstelle eines zeitabhängigen Kompensationswertes nur noch der Betrag des Kompensationswertes verwendet, der dann vorzeichenrichtig zum Stellwert des Reglers addiert wird.
Damit wird ein Einschwingen des nicht-linearen Beobachters bei kleinen Auslenkungen vermieden und es wird eine schnelle und genaue Lageregelung erreicht.
Eine Unterscheidung zwischen einem "Haften" und einem "Schwingen" des lagegeregelten Gesamtsystems durch den nicht-linearen Beobachter, basierend aus der zeitlichen Abfolge der Regelabweichung, und eine daraus folgende Erhöhung oder Verkleinerung des Kompensationswertes zur Reibungskompensation können dieser Schrift nicht entnommen werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Reibungskompensation eines reibungsbehafteten, lagegeregelten Systems zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und bei der der Betrag der Reibungskompensation auf einfache Weise möglichst genau abgeschätzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Reibungskompensation zu dem vom Regler abgegebenen Stellwert ein von der Regeldifferenz abhängiger Kompensationswert addiert wird, daß aus der zeitlichen Abfolge der Regeldifferenzwerte der Zustand "Haften" bzw. der Zustand "Schwingen" des lagegeregelten Systems erkannt werden kann, daß beim erkannten Zustand "Haften" der Kompensationswert vergrößert oder inkrementiert wird und daß beim erkannten Zustand "Schwingen" der Kompensationswert verkleinert oder dekrementiert wird.
Das erfindungsgemäße System adaptiert die zur Reibungskompensation erforderliche Größe somit selbst. Das Verfahren erkennt durch Auswertung der zeitlichen Positionsdaten des lagegeregelten Elementes, ab es zu einem Haften oder Schwingen kommt, und verändert die Kompensationsgröße, zum Beispiel die dem Stellmotor zugeführte Spannung, derart, daß der aufgetretene, unerwünschte Grenzzustand schnell beendet wird.
Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das System selbstadaptierend ist und damit auch zeitlich veränderliche, die Reibung beeinflussende Größen kompensiert.
Ebenfalls vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemäße Verfahren überraschend einfach ist. Insbesondere in einen digitalen Regler ist es in Form eines relativ kurzen Programmtextes leicht integrierbar.
Eine besonders vorteilhafte Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß im Falle des Schwingens zunächst eine Prüfung durchgeführt wird, ob dieses aufgrund einer Überkompensation zustande kommt, da für ein Schwingen des Systems auch andere Ursachen denkbar sind. Hierzu wird die Reibungskompensation für eine kurze Zeit gänzlich abgeschaltet. Beruhigt sich die Schwingung, so wird sicher angenommen, daß die zuvor aufgetretene Schwingung aufgrund einer Überkompensation zustande kam. Nur in diesem Fall erfolgt eine Adaption der Reibungskompensation.
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung näher dargestellt und erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Datenflußdiagramm;
Fig. 2 ein Zustandsdiagramm.
Die Fig. 1 zeigt schematisch vereinfacht den Regelkreis eines lagegeregelten Systems. Dieses besteht aus einem, vorzugsweise digitalen, Regler (R), der als PID-Regler ausgeführt ist oder eine PID-ähnliche Charakteristik aufweist.
Der Regler (R) erzeugt einen Stellwert für einen motorischen Steilantrieb (M), zum Beispiel für die Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug. Mit dem motorischen Stellantrieb (M) verbunden ist ein Rückmeldepotentiometer (P), welches dem Regler (R) den Istwert der momentanen Positionierung des motorischen Stellantriebes (M) zurückmeldet.
Der dem Regler zugeführte Sollwert stammt von einem in der Figur nicht dargestellten Sollwertgeber, zum Beispiel einem Fahrpedalgeber, oder ist der Ausgangswert eines ebenfalls nicht dargestellten Steuergerätes.
Dem vom Regler (R) abgegebenen Stellwert aufgeprägt wird ein Kompensationswert (RK) zur Reibungskompensation. Die Reibungskompensation addiert hierzu einen bestimmten Spannungsbetrag in Abhängigkeit von der Regeldifferenz, also der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Reglers (R), um den Übergang des lagegeregelten Elementes zwischen Haft- und Gleitreibung zu verbessern. Der Kompensationswert (RK) sollte so bemessen sein, daß er die Haftreibung eben gerade überwindet, womit eine ideale Unterstützung des linearen Reglers erzielt wird. Selbstverständlich ist der Betrag der Reibungskompensation nicht als konstant annehmbar. Die Reibung selbst ändert sich über Temperatur, Lebensdauer etc. Aber auch der Wirkungsgrad des motorischen Stellantriebs ändert sich temperaturabhängig.
Das im folgenden beschriebene Verfahren ermöglicht auf einfache Weise eine gute Anpassung des Kompensationswertes (RK).
Die besondere Schwierigkeit, eine gute Abschätzung für den Kompensationswert (RK) zu finden, ist durch zwei mögliche Grenzfälle charakterisierbar: Betrachtet man das Verhalten der Regelung bei einer Überkompensation der Reibung, so erkennt man ein Schwingen bei der Eigenresonanzfrequenz des Regelkreises. Im Gegenzug führt eine Unterkompensation zu einem nicht erlaubten Haften der Regelung.
Um diese zu verhindern, sind zwei Beobachter eingeführt, die das Regelverhalten beurteilen, und zwar eine Schwingungserkennung und eine Haftungserkennung. Die Schwingungserkennung tastet die Regeldifferenz nach Maximal- und Minimalwerten ab. Treten zyklisch abwechselnd Maximal- und Minimalwerte auf, geht man von einem schwingenden System aus. Die Spanne zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert ergibt ein Maß der Schwingungsamplitude.
Die Haftungserkennung wertet den I-Anteil des linearen Reglers (R) aus. Zur Erkennung des Zustandes "Haften" werden Übergänge zwischen erkennbarer Bewegung und Ruhe des Systems genutzt.
Entsprechend den Ausgangswerten der Schwingungserkennung bzw. der Haftungserkennung, wird im nächsten Verfahrensschritt der Wert für die Reibungskompensation adaptiert. Der adaptierte Kompensationswert (RK) wird nun dem vom Regler (R) erzeugten Stellwert hinzuaddiert, wobei der Kompensationswert zuvor mit einem Vorzeichen versehen wird, welches von dem Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt.
Dies ist in der Fig. 1 symbolisch dadurch dargestellt, daß der Kompensationswert (RK), einmal direkt und einmal über einen Inverter (I) geführt, mit invertiertem Vorzeichen (-RK) an dem Schalter (S) anliegt, dessen Schaltposition vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt. Ist die Regeldifferenz, also die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Reglers (R), positiv, so befindet sich der Schalter (S) in der Schaltposition 3, und der Kompensationswert (RK) wird mit unverändertem Vorzeichen zu dem Stellwert addiert, bei einer Regeldifferenz mit negativem Vorzeichen (Schaltposition 1) entsprechend mit invertiertem Vorzeichen. Ist die Regeldifferenz gleich Null, so wird auch der Kompensationswert zu Null (Schaltposition 2), da in diesem Fall keine Bewegung des Steilantriebes (M) erfolgt.
Das ursprüngliche Vorzeichen des Kompensationswertes direkt nach dessen Adaption hängt natürlich davon ab, ob ein "haftendes" oder ein "schwingendes" System erkannt wurde, da verständlicherweise zur Überwindung des "Haftens" der Kompensationswert (RK) den Stellwert betragsmäßig vergrößern und zum Verhindern des "Schwingens" entsprechend betragsmäßig verkleinern muß.
Das in der Fig. 2 dargestellte Zustandsdiagramm verdeutlicht den zeitlichen Ablauf des beschriebenen Verfahrens.
Wird zum Beispiel ein Haften der Regelung erkannt, was einer Unterkompensation der Reibung entspricht, so wird der Kompensationswert vergrößert bzw. bei einem bevorzugten digitalen Regelsystem dessen digitaler Wert inkrementiert.
Ist das System danach immer noch unterkompensiert, erfolgt die Inkrementierung auch mehrfach, und zwar so lange, bis das System wieder regelungstechnisch einwandfrei, das heißt ohne Schwingen und Haften, erfolgt.
Ein durch Überkompensation der Reibung bewirktes Schwingen des Systems wird entsprechend durch eine Dekrementierung des Kompensationswertes beseitigt.
Das Verfahren kann darüber hinaus (in der Figur nicht dargestellt) auch so ausgestaltet sein, daß die Meldung "Schwingen" nicht automatisch zu einer Dekrementierung herangezogen wird. Da diverse Fehler im System zum Schwingen führen können, wird zunächst ein Test durchgeführt, der Gewißheit darüber liefert, daß die Ursache der Schwingung tatsächlich in einer Überkompensation der Reibung zu finden ist. Hierzu wird die Reibungskompensation für eine kurze Zeit gänzlich abgeschaltet. Beruhigt sich die Schwingung, so wird sicher angenommen, daß die zuvor aufgetretene Schwingung aufgrund einer Überkompensation gemessen wurde. Nur in diesem Fall erfolgt eine Adaption des Betrages des Kompensationswertes.

Claims (5)

1. Verfahren zur Reibungskompensation an einem reibungsbehafteten, lagegeregelten System, insbesondere einer durch einen motorischen Stellantrieb betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug, beinhaltend eine Lageregelung und eine Reibungskompensation, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reibungskompensation zu dem vom Regler (R) abgegebenen Stellwert ein von der Regeldifferenz abhängiger Kompensationswert (RK) addiert wird, daß aus der zeitlichen Abfolge der Regeldifferenzwerte der Zustand "Haften" bzw. der Zustand "Schwingen" des lagegeregelten Systems erkannt werden kann, daß beim erkannten Zustand "Haften" der Kompensationswert (RK) vergrößert oder inkrementiert wird und daß beim erkannten Zustand "Schwingen" der Kompensationswert (RK) verkleinert oder dekrementiert wird.
2. Verfahren zur Reibungskompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (R) ein PID-Regler ist oder eine PID-ähnliche Charakteristik aufweist.
3. Verfahren zur Reibungskompensation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "Haften" durch Auswertung des I-Anteiles des Lagereglers (R) erkannt wird.
4. Verfahren zur Reibungskompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "Schwingen" dadurch erkannt wird, daß sich die Regeldifferenzen in ihrer zeitlichen Abfolge zyklisch zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert bewegen.
5. Verfahren zur Reibungskompensation nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall des Auftretens des Zustandes "Schwingen" der Kompensationswert (RK) zur Überprüfung des Vorliegens einer Überkompensation zunächst für eine vorbestimmte kurze Zeit auf Null gesetzt wird und nach Ablauf Zeit das System erneut auf das Vorliegen des Zustandes "Schwingen" geprüft wird und daß nur in dem Fall, daß die Schwingungsamplitude verschwunden oder verringert ist, eine Adaption des Kompensationswertes (RK) vorgenommen wird.
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