DE19700210A1 - Verfahren zur Adaption des Sollwertes zur Regelung der Position eines motorisch betätigten Stellelementes - Google Patents

Verfahren zur Adaption des Sollwertes zur Regelung der Position eines motorisch betätigten Stellelementes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption des Sollwertes zur Regelung der Position eines motorisch betätigten Stellelementes, insbesondere einer motorisch betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug.
Der Stellbereich motorisch betätigter Stellelemente ist zumeist durch Endanschläge begrenzt. Diese Endanschläge stellen ein besonderes Problem dar, da die bisher lineare Regelstrecke hier abrupt abgebrochen wird. Ohne Berücksichtigung dieser Anschläge kann es bei der Regelung an diesen zu Klemm-, Schwing-, bzw. Prelleffekten des Stellelementes kommen.
Man ist daher bemüht, die Positionen dieser Anschläge zu kennen, um gegebenenfalls geeignete Maßnahmen zur Vermeidung dieser Effekte zu unternehmen. Mögliche Maßnahmen sind z. B. Ausmessen beim End-of-line Test, Ausmessen oder Adaption im Betrieb des Stellelementes oder die Anbringung von Endschaltern im Bereich der Endanschläge.
Die Positionen der Endanschläge können sich allerdings während des Betriebs des Stellelementes verändern, z. B. durch Drift des die Position des Stellelementes detektierenden Sensors, mechanischen Veränderungen, nach Austausch des Stellelementes, durch Alterung oder durch in den Stellbereich eingedrungene Fremdkörper. Wird in einem solchen Fall das Stellelement gegen einen Endanschlag bestromt, kann es je nach Krafteinwirkung zu mechanischen Beschädigungen des Stellelementes oder der Endanschläge kommen.
Bei als besonders sicherheitsrelevant eingestuften Stellelementen (wie z. B. einer motorisch betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug) kann ein nicht erkanntes Anschlagen des Stellelementes an einem Endanschlag als sicherheitskritisch betrachtet werden (Fehlermeldung "Drosselklappe kann nicht geschlossen werden"), was schwerwiegende Konsequenzen für den Fahrer mit sich bringen kann, und zwar angefangen bei der Einschaltung der Warnlampe, über die Einschaltung des Notlaufes bis hin zur Stillsetzung der Motorsteuerung.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, das die Robustheit von Regelsystemen bezüglich derartiger Fehler erhöht. Insbesondere soll die uneingeschränkte Verfügbarkeit des Systems auch beim Auftreten solcher Fehler erhalten bleiben, und zwar ohne daß dabei die Sicherheit des Betreibers beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch die die Erfindung kennzeichnenden Verfahrensschritte gelöst.
Die dem Verfahren zugrundeliegende Idee besteht darin, daß sobald ein die Ansteuerung des Stellelementes kennzeichnender Wert (Motorstrom, Pulsweitenmodulation der Motoransteuerung oder der Integralanteil der Regelgröße) einen vorgegebenen, über dem normalen Niveau liegenden Grenzwert überschreitet, der Sollwert der Stellelementposition auf deren aktuellen Istwert (mit einem kleinen Abstand) gesetzt wird, so daß die Stellelementansteuerung begrenzt wird. Das Stellelement wird dabei unverzüglich auf eine Position, die vor der Blockierposition liegt, zurückgefahren, wodurch das Anschlagen des Stellelementes gegen einen Endanschlag bzw. das Blockieren unverzüglich aufgehoben wird. Damit kann eine Beschädigung der Mechanik sowie eine Überlastung der Ansteuerelektronik durch einen andauernden hohen Motorstrom wirkungsvoll vermieden werden.
Durch diese Korrekturmaßnahme kann zudem ein Abschalten der Ansteuerung des Stellelementes vermieden werden, so daß die Funktionsfähigkeit des Regelsystems vorteilhafterweise weitgehend erhalten bleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere je nach Anwendungsgebiet durch weitere Maßnahmen noch vorteilhaft ergänzt werden. So kann z. B. auch der Betrag des Offsetwertes für den Sollwert von der Bestromungsrichtung des Motors abhängig gemacht werden, so daß die Weite des Zurücksetzens des Stellelementes von einem Anschlag davon abhängt, ob ein oberer oder ein unterer Endanschlag angefahren wurde.
Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße Sollwertadaption zusätzlich von der Bedingung abhängig zu machen, daß das Blockieren des Stellelementes in einem vorgegebenen Bereich um die vom Regelsystem erwarteten Positionen der Endanschläge herum erfolgt. Diese erwarteten Positionen der Endanschläge können in dem System entweder fest gespeichert sein oder zum Beispiel auch jeweils bei der Inbetriebnahme ausgemessen oder auch aus den Daten des mit dem Stellelement verbundenen Positionsgebers über vorgegebene Toleranzketten berechnet werden.
Der Vorteil dieser zusätzlichen Bedingung liegt darin, daß eine Sollwertanpassung nur am Anfang und Ende des Stellbereiches erfolgt, nicht dagegen im mittleren Stellbereich. Ein Blockieren des Stellelementes im mittleren Stellbereich hängt sicherlich nicht mit der Positionierung der Endanschläge zusammen, so daß in einem solch ungewöhnlichen Fall eine andere Fehlerbehandlung, insbesondere ein Abschalten des gesamten Regelsystems, angebrachter sein kann.
Vorteilhaft ist auch, wenn der adaptierte Sollwert als neue Position des Endanschlages für die jeweilige Bestromungsrichtung gespeichert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt zunächst ein Zurücksetzen des Stellelementes bei jedem Anschlagen an ein Hindernis, wobei ein andauerndes Blockieren jedesmal vermieden wird. Allerdings speichert das Regelsystem nicht die Position des Stellelementes im Moment des Anschlagens, so daß das Stellelement immer mal wieder gegen einen z. B. verstellten Endanschlag anlaufen kann, wodurch dann jedesmal die Adaptionsfunktion den Sollwert erneut anpaßt.
Durch diese ergänzende Maßnahme wird nun der adaptierte Sollwert als neue Position des Endanschlages in der jeweiligen Bestromungsrichtung des Stellelementes gespeichert, so daß ein mehrfaches Anschlagen des Stellelementes gegen den Endanschlag vermieden wird, es sei denn, daß sich der Endanschlag zwischenzeitlich weiter verstellt hätte oder verstellt worden wäre.
Ebenfalls vorteilhaft ist, abhängig von der Bestromungsrichtung unterschiedliche Grenzwerte für das Wirksamwerden der Adaptionsfunktion vorzusehen, um so ein Schwingen des Eingreifens der Sollwertadaption zu verhindern.
Um zudem ein mehrfaches schwingendes Umschalten zwischen dem adaptierten Sollwert und dem externen Sollwert am Sollwerteingang des Reglers zu verhindern, ist es darüber hinaus vorteilhaft, die Umschaltung vom adaptierten Sollwert auf den externen Sollwert erst nach Ablauf einer vorgegebenen Entprellzeit vorzunehmen bzw. explizit zu prüfen, ob der durch das externe System vorgegebene Sollwert das Stellelement weiter weg von der Blockierstellung führt, als der adaptierte Sollwert.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.
Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Regelung eines motorisch betätigten Stellelementes, welche das erfindungsgemäße Verfahren zur Sollwertadaption ausführt.
Die Figur zeigt ein System zur Regelung eines durch einen Motor (M) betätigten Stellelementes (S), wobei beispielhaft angenommen werden kann, daß es sich hierbei um eine Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug handelt.
Das Stellelement (S) ist zwischen einem unteren und einem oberen Endanschlag (U, O) beweglich. Die Position (IW) des Stellelementes (S) wird durch einen Istwertgeber (P), ausführbar und hier dargestellt als Potentiometer, erfaßt und an den Eingang eines Reglers (R) gegeben, welcher anhand der Differenz zwischen einem ebenfalls am Eingang des Reglers (R) anliegenden Sollwert (SW) und dem Positionsistwert (IW) ein Ansteuersignal für den Motor (M) erzeugt. Dieses Ansteuersignal kann ein analoges oder wie hier ein digitales Signal sein, welches die Informationen über die Pulsweitenmodulation (PWM) und die Bestromungsrichtung (DIR) beeinhaltet. Dem Regler (R) zugeordnet ist eine Adaptionsfunktion (A), die hier symbolisch als Baugruppe dargestellt ist, tatsächlich aber vorzugsweise durch eine Softwarefunktion realisiert wird.
Die Adaptionsfunktion (A) erhält Signale über die Ansteuerung des Motors (M), durch den Regler (R) (Betrag des Motorstroms bzw. Pulsweite der Motoransteuerung (PWM) bzw. den Integralanteil der Regelgröße) sowie auch eine Information über die Bestromungsrichtung des Motors (M), zum Beispiel über ein logisches Richtungssignal (DIR), sowie auch den Istwert (IW) der Position des Stellelementes (S) zugeführt. Die Adaptionsfunktion berechnet einen sogenannten "adaptierten Sollwert" (ASW), welcher sich aus dem Istwert (IW) der Position des Stellelementes (5) zuzüglich eines Offsetwertes (OS_SW) in Richtung auf das Innere der Regelstrecke, ergibt.
Der Regler (R) erhält seinen Sollwert (SW) überlicherweise von einem externen System (ES) zum Beispiel einem Motorsteuersystem als externen Sollwert (ESW) vorgegeben. Auch dieser externe Sollwert (ESW) wird der Adaptionsfunktion (A) zugeführt.
Unter vorgegebenen Bedingungen, nämlich wenn die Pulsweite der Motoransteuerung (PWM) einen für die jeweilige Bestromungsrichtung (DIR) vorgegebenen Grenzwert überschreitet, erhält der Eingang des Reglers (R) als Sollwert (SW) den adaptierten Sollwert (ASW) zugeführt. Dieses wird in der Figur durch den symbolischen Umschalter (US) dargestellt, welcher durch die Ansteuerungsfunktion (A) betätigt wird. Die Realisierung dieses Umschalters (US) besteht vorzugsweise aus einem logischen Entscheidungsschritt im Adaptionsalgorithmus.
Das dargestellte Regelsystem funktioniert nun folgendermaßen:
Die Lage der Endanschläge (U, O) ist in dem Regler (R) gespeichert. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann zudem vorgesehen werden, daß die Endpositionen (U, O) bei jeder Inbetriebnahme des Regelsystems angefahren werden und die zugeordneten Positionswerte gespeichert werden. Im ungestörten Betrieb erhält der Regler (R) als Sollwert (SW) den externen Sollwert (ESW) des externen Systems (ES) zugeführt und steuert das Stellelement (S) in diese Sollposition, wobei der Eingang des Reglers (R) ebenfalls ein Signal vom Istwertgeber (P) über die aktuelle Position (IW) des Stellelementes (S) zugeführt bekommt.
Es sei nun angenommen, daß sich die Position zumindest eines Endanschlages (U bzw. O) während des Betriebs des Regelsystems verändert oder daß ein Fremdkörper in den Stellbereich des Stellelementes (S) eingedrungen ist. Hierdurch kommt es zu einem Anschlagen des Stellelementes (S) an den Endanschlag (U bzw. O) oder gegen den Fremdkörper und zu einem Blockieren des Motors (M). Überschreitet dabei eine für die Motoransteuerung charakteristische Größe (hier die Pulsweite der Motoransteuerung (PWM)) einen vorgegebenen Grenzwert, so setzt die Adaptionsfunktion (A) über den Umschalter (US) den Sollwert (SW) am Reglereingang vom externen Sollwert (ESW) auf einen adaptierten Sollwert (ASW), welcher dem derzeitigen Istwert der Position des Stellelementes (S) zuzüglich eines von der Bestromungsrichtung (DIR) des Motors (M) abhängigen Offsetwertes (OS_SW) entspricht.
Hierdurch wird also die Betätigung des Stellelementes (S) nun auf die erkannte Blockierposition begrenzt und durch den Offsetwert (OS_SW) wird das Stellelement (S) darüber hinaus noch von dem Endanschlag (U bzw. O) oder dem Hindernis, welches zum Blockieren führte, zurückgesetzt.
Entsprechend besitzt der Offsetwert (OS_SW) ein negatives Vorzeichen, wenn die Bewegung des Stellelementes (S) vor dem Blockieren in Richtung zu einem größerem Sollwert (SW) führte und ein positives Vorzeichen, wenn Bewegung des Stellelementes (S) in Richtung zu einem kleineren Sollwert (SW) führte.
Das Umschalten auf den adaptierten Sollwert (ASW) beendet damit das Blockieren sofort nach dem Erkennen desselben, wodurch ein den Motor (M) und das Stellelement (S) schädigendes Dauerblockieren einfach und wirkungsvoll vermieden wird. Das Regelsystem gibt damit sozusagen einem erkannten Hindernis nach, so daß eine Notabschaltung im allgemeinen nicht erforderlich wird und das System weiterhin verfügbar bleibt.
Das System verbleibt dabei nicht bei der Ansteuerung mittels eines adaptierten Sollwertes (ASW), sondern schaltet, allerdings frühestens nach einer vorgegebenen Endprellzeit, die Sollwertvorgabe auf das externe System (ES) zurück, sobald dieses einen Sollwert (ESW) vorgibt, welcher das Stellelement (S) in eine Position steuert, die weiter von der Blockierposition entfernt ist, als die durch den adaptierten Sollwert (ASW) vorgegebene Position.
Bei einem erneuten Anschlagen des Stellelementes (S) gegen den "unerwarteten" Endanschlag (U bzw. O) oder das Hindernis wiederholt sich die Umschaltung auf den adaptierten Sollwert.
Es kann überdies vorgesehen werden, die erkannte Blockierposition, d. h. die Position (IW) des Stellelementes (S) im Moment des Blockierens als neuen Wert des oberen bzw. unteren Endanschlages (U bzw. O) zu speichern, so daß während des weiteren Betriebes des Regelsystems ein erneutes Anschlagen des Stellelementes (S) gegen das Hindernis vermieden wird. Allerdings bleibt in diesem Fall der Stellbereich des Stellelementes (S) auch nach einem eventuellen Fortfall des Hindernisses während des weiteren Betriebs des Regelsystems eingeschränkt.
Verfahren zur Adaption des Sollwerts zur Regelung der Position eines motorisch betätigten Stellelementes, insbesondere einer motorisch betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug.
Bezugszeichenliste
A
Adaptionsfunktion
ASW adaptierter Sollwert
DIR Bestromungsrichtung (Richtungssignal)
ES externes System
ESW externer Sollwert
IW Position des Stellelementes (Istwert)
M Motor
O oberer Endanschlag
P Istwertgeber (Potentiometer)
PWM pulsweitenmoduliertes Signal (Reglerausgangsgröße)
R Regler
S Stellelement
SW Sollwert
U unterer Endanschlag
US Umschalter.

Claims (7)

1. Verfahren zur Adaption des Sollwertes (SW) zur Regelung der Position eines motorisch betätigten Stellelementes (S), insbesondere einer motorisch betätigten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch die sich wiederholende Abfolge folgender Verfahrensschritte
  • - Erfassung des Motorstromes oder der Pulsweite der Motoransteuerung (PWM) oder des Integralanteils der Reglerausgangsgröße.
  • - Erfassung der Bestromungsrichtung (DIR) des Motors (M),
  • - Erfassung der Position (IW) des Stellelementes (S),
  • - Vergleich, ob der Betrag des Motorstromes oder der Pulsweite der Motoransteuerung (PWM) oder der Integralanteil der Reglerausgangsgröße einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet
  • - wobei im Falle eines zutreffenden Vergleichsergebnisses der Sollwert (SW) für die Regelung von einem externen Sollwert (ESW) auf einen adaptierten Sollwert (ASW) gesetzt wird, welcher dem aktuellen Istwert (IW) der Position des Stellelementes (S) zuzüglich eines Offsetwertes für den Sollwert (OS_SW), entspricht, wobei das Vorzeichen des Offsetwertes (OS_SW) von der Bestromungsrichtung (DIR) des Motors (M) abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Betrag des Offset-Wertes für den Sollwert (OS_SW) von der Bestromungsrichtung (DIR) des Motors (M) abhängt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Setzen des Sollwertes (SW) auf dem adaptierten Sollwert (ASW) nur unter der zusätzlichen Bedingung erfolgt, daß die Abweichung der Position (IW) des Stellelementes (S) von einem gespeicherten oder berechnetem Wert für die Position des Endanschlages (U bzw. O) von der jeweiligen Bestromungsrichtung (DIR) betragsmäßig kleiner ist als ein vorgegebener Wert.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptierte Sollwert (ASW) als neue Position des Endanschlages (U bzw. O) für die jeweilige Bestromungsrichtung (DIR) gespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Bestromungsrichtung (DIR) für den Motorstrom bzw. die Pulsweite der Motoransteuerung (PWM) der vorgegebene Grenzwert eine Hysterese aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Regler (R) zugeführte Sollwert (SW) vom adaptierten Sollwert (ASW) nach Ablauf einer vorgegebenen Entprellzeit auf den externen Sollwert (ESW) zurückgesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Regler (R) zugeführte Sollwert (SW) vom adaptierten Sollwert (ASW) auf den externen Sollwert (ESW) zurückgesetzt wird, wenn der externe Sollwert (ESW) einer Position des Stellelementes (S) entspricht, die für die aktuelle Bestromungsrichtung weiter von dem Endanschlag (U bzw. O) entfernt ist, als die dem Stellelement (S) durch den adaptierten Sollwert (ASW) vorgegebene Position.
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