DE19847205B4

DE19847205B4 - Verfahren zur Ermittlung eines Schnittmomentes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe

Info

Publication number: DE19847205B4
Application number: DE19847205A
Authority: DE
Inventors: Andreas Piepenbrink; Thomas Rossmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: DE19847205A1; US6219607B1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Schnittmomentes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe, wobei das Automatgetriebe von einer einen Mikroprozessor mit mehreren Programmodulen aufweisenden Elektronischen Getriebesteuereinrichtung angesteuert wird, welche das zu ermittelnde Schnittmoment, welches ein Motormoment (M_mot), ein Getriebeausgangsmoment (M_aus) oder ein Lastmoment (M_Last) ist, als Signal an wenigstens eine informationsverarbeitende Einrichtung ausgibt, wobei das zu ermittelnde Schnittmoment in einem der Programmodule der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung durch eine Zustandsbeschreibung einer einachsigen Getriebedynamik mit einer Modellrückrechnung näherungsweise bestimmt wird, und wobei von Drehzahlsensoren gemessene Drehzahlen (ω_1, ω_2, ω_AB) und vorgegebene Trägheitsmomente (J_1, J_2, J_Fahr) für einen Motor, das Getriebe und/oder das Fahrzeug als Zustandsvariablen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsbeschreibung mit einem Störgrößenbeobachter oder einem Extended-Kalman-Filter durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Schnittmomentes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Moderne Automatgetriebe werden von einer Elektronischen Getriebesteuerung (EGS) angesteuert, das zur selbsttätigen Auswahl eines in der Elektronischen Getriebesteuerung abgelegten Schaltprogrammes, welches z.B. eine aus der Veröffentlichung "ATZ Automobiltechnische Zeitschrift" 94 (1992) bekannte Fahrertyp-Erkennung, eine Umwelterkennung, eine Fahrsituationserkennung oder eine Erkennung eines manuellen Eingriffs beschreibt, und zur situationsabhängigen Gangwahl stetig mit Sensoren und weiteren Steuergeräten und Rechnern verschiedener Aggregate über einen CAN-(Controller Area Network)-Datenbus kommuniziert.

Bei der Fahrsituationserkennung, wie z.B. dem Erkennen einer Berganfahrt oder einer Gefällefahrt, kommt einer präzisen Auswertung der Antriebsstrangdynamik eine große Bedeutung zu. Wichtige Werte stellen Schnittmomente wie Motormoment, Getriebeausgangsmoment oder Fahrwiderstandsmoment dar, da aus ihnen von der Elektronischen Getriebesteuerung weitere Werte, wie z.B. ein Steigungswinkel der Fahrbahn, abgeleitet werden.

Aus der DE 197 08 528 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeug-Automatikge triebes bekannt, wobei das Automatikgetriebe von einer ein Mikroprozessor mit mehreren Programmodulen aufweisenden elektronischen Getriebesteuereinrichtung angesteuert wird, wobei als Schnittmoment ein Fahrzeugantriebsdrehmoment in einem Fahrzeugantriebsdrehmoment-Berechnungsteil der elektronischen Getriebesteuerung ermittelt wird. Die näherungsweise Bestimmung des Fahrzeugantriebsdrehmoments erfolgt dabei durch eine Zustandsbeschreibung einer einachsigen Getriebedynamik mit einer Modellrückrechnung. Hierbei werden eine von einem Primärdrehzahlsensor gemessene Primärdrehzahl, eine von einem Sekundärdrehzahlsensor gemessene Sekundärdrehzahl, ein von einem Kurbelwinkelsensor gemessener Kurbelwinkel und eine Motordrehzahl sowie vorgegebene Trägheitsmomente für einen Motor, das Getriebe oder das Fahrzeug als Zustandsvariable verwendet.

Eine solche Ermittlung von Schnittmomenten in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges ist jedoch hinsichtlich der Genauigkeit verbesserungsbedürftig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung eines Schnittmomentes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe zur Verfügung zu stellen, mit dem die Schnittmomente sehr präzise und dynamisch berechnet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung nutzt eine aus der Regelungstechnik an sich bekannte sogenannte Zustandsbeschreibung, mit der sich auch Systeme mit mehreren Eingangs- und Ausgangsvariablen untersuchen lassen. Derartige Zustandsregelungen werden bei Arbeitsmaschinen eingesetzt, wenn hohe Anforderungen an die dynamische Regelgüte gestellt werden.

Zustandsvariablen tragen die Information über das dynamische Verhalten einer Regelstrecke oder eines Prozesses. Die Zustandsregelung nutzt diese Information, indem alle Zustandsvariablen gemessen und auf den Eingang des Regelungssystems zurückgeführt werden.

Aus physikalischen Gründen oder Kostengründen sind einzelne Zustandsvariablen häufig nicht meßbar, weshalb diese Zustandsvariablen dann aus den gemessenen Zustandsvariablen berechnet werden müssen. Dies wird von Zustandsbeobachtern, welche selbst Regelungssysteme darstellen, durchgeführt. Dies setzt voraus, daß die Regelstrecke oder das Übertragungssystem beobachtbar ist, d.h. daß durch Messung der Ausgangsvariablen der Anfangszustand der Zustandsvariablen bestimmt werden kann. Dabei muß die Eingangsvariable bekannt und die Beobachtungszeit endlich sein.

Zur Durchführung der Beobachtung wird von der Regelstrecke ein mathematisches Modell in Form der Zustandsgleichung des Beobachters gebildet. Das Streckenmodell ist der Regelstrecke parallelgeschaltet, wobei die Eingangsvariable auf beide Systeme wirkt. Das Streckenmodell wird durch eine Regelung ergänzt, bei der die Ausgangsvariablen von Regelstrecke und Beobachter miteinander verglichen werden. Die Differenz wirkt über einen Beobachtungsvektor auf das Streckenmodell zurück.

Eine auf die Regelstrecke wirkende Störgröße kann ebenfalls die Bedeutung eines Anfangswertes haben. Störun gen beeinträchtigen die Güte der Zustandsregelung und der Zustandsbeobachtung. Unter Verwendung von Störgrößenbeobachtern lassen sich aber auch Störgrößen ermitteln und kompensieren. Für die Berechnung des Störgrößenbeobachters wird ein Störgrößenmodell benötigt. Mit Hilfe des beobachteten Störsignals soll die Störgröße, die auf die Regelstrecke wirkt, kompensiert werden. Die bleibende Regeldifferenz wird mit der Störgrößenaufschaltung zu Null geregelt.

Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Zustandsregelung mit Störgrößenbeobachter die beste Regelgüte aufweist.

Besonders vorteilhaft ist daher die erfindungsgemäße Auffindung eines Schnittmomentes aus gemessenen Drehzahlen und vorgegebenen Trägheitsmomenten mit einer Modellrückrechnung nach dem Verfahren des Störgrößenbeobachters. Bei diesem Verfahren wird ein unbekanntes zu bestimmendes Schnittmoment als Zustandsgröße eingeführt und regelungstechnisch mitgeschätzt bzw. beobachtet.

Alternativ zu dem Zustandsschätzverfahren mit einem Störgrößenbeobachter kann erfindungsgemäß auch der Einsatz eines Extended-Kalman-Filters vorgesehen sein, bei dem ebenfalls zu bestimmende Größen als Zustandsgrößen eingeführt und sehr genau berechnet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mithin die Bestimmung der Schnittmomente des Antriebsstranges auf Grundlage der einachsigen Getriebedynamik durch Messung von Drehzahlsensoren und durch Modellrückrechnung basierend auf der Technik eines Zustandsschätzverfahrens, das es zuläßt, unbekannte Eingangsgrößen oder Parameter als Zustände mitzuschätzen.

Vorteilhafterweise ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei entsprechender Qualität der Rückrechnung eine sehr gute dynamische Auswertung der einachsigen Antriebsstrangdynamik möglich, die ohne weiteren Abstimmaufwand zuverlässige Werte für die Schnittmomente und daraus abgeleitete Größen liefert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine zusätzliche Hardware erforderlich ist. Man benötigt nur Informationen, die durch bereits vorhandene Sensoren ohnehin gemessen und in der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung oder damit verbundenen Rechnersystemen verfügbar sind, wie z.B. Drehzahlen und eine daraus berechnete Übersetzung sowie deren Gradienten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit als Programmmodul der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung einfach zu realisieren.

In einer sehr vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, als Schnittmoment ein Fahrwiderstandsmoment zu ermitteln, aus dem der Steigungswinkel einer Fahrbahn viel genauer als durch herkömmlich Neigesensoren oder durch eine stationäre Berechnung zu ermitteln ist.

Mehr Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

1 ein stark schematisiertes Antriebsstrangmodell eines Automatgetriebes mit erfindungsgemäß ermittelbaren Schnittmomenten

2 eine schematisiere Darstellung einer Zustandsschätzung mit einem Störgrößenbeobachter und

3 eine schematisiere Darstellung einer Zustandsschätzung mit einer Mehrfachanwendung der Methode des Störgrößenbeobachters.

Bezug nehmend auf 1 ist ein einfaches Antriebsstrangmodell eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe dargestellt.
Als Getriebe ist ein nicht näher dargestelltes CVT-(Continuously Variable Transmission)-Automatgetriebe vorgesehen, das einen Variator mit einem ersten Kegelscheibenpaar auf einer Antriebswelle als Primärscheibensatz und mit einem zweiten Kegelscheibenpaar auf einer Abtriebswelle als Sekundärscheibensatz zur stufenlosen Einstellung eines Übersetzungsverhältnisses i_V zwischen einer kürzest möglichen Übersetzung und einer längsten möglichen Übersetzung aufweist.
Das CVT-Automatgetriebe wird von einer einen Mikroprozessor mit mehreren Programmodulen aufweisenden Elektronischen Getriebesteuereinrichtung angesteuert, welche stetig mit Sensoren und Rechnersystemen weiterer Aggregate, wie z. B. einer Digitalen Motorelektronik, über einen CAN-(Controller Area Network)-Datenbus kommuniziert.
Dabei wird von der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung ein zu ermittelndes Schnittmoment des Antriebsstranges als Signal ausgegeben.
In dem in 1 ersichtlichen Antriebsstrangmodell ist symbolisch eine Motorträgheit 1 mit einem Motorträgheitsmoment J_1 und einer Motordrehzahl ω_1, eine Getriebeträgheit 2 mit einem Getriebeträgheitsmoment J_2, einer Drehzahl ω_2 der Abtriebswelle des Variators am Sekundärsatz, einer Achsübersetzung i_A und der Variatorübersetzung i_V und eine Fahrzeugträgheit 3 mit einem Fahrzeugträgheitsmoment J_Fahr und einer Achsdrehzahl ω_AB dargestellt.
Als Schnittmoment kann ein Motormoment M_mot, ein Getriebeausgangsmoment M_aus oder ein Lastmoment M_Last, welches vorliegend ein Fahrwiderstandsmoment ist, ermittelt werden.
Die Bestimmung des zu ermittelnden Schnittmomentes erfolgt in einem Programmodul der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung auf der Grundlage der einachsigen Getriebedynamik durch Messung der Drehzahlen ω_1, ω_2, ω_AB mittels Drehzahlsensoren und durch Modellrückrechnung basierend auf der Technik des Störgrößenbeobachters.
Der Störgrößenbeobachter ist ein regelungstechnisches Verfahren, das auf einer Modellbeschreibung im Zustandsraum basiert. Die gemessenen Drehzahlen ω_1, ω_2, ω_AB und die vorgegebenen Trägheitsmomente J_1, J_2, J_Fahr für den Motor, das Getriebe und das Fahrzeug werden dabei als Zustandsvariablen verwendet.
Um das mit Differentialgleichungen beschriebene Modell zu bearbeiten, z. B. um das System zu simulieren, benötigt man Eingangsgrößen, wobei das zu ermittelnde Schnittmoment M_mot, M_aus oder M_Last eine unbekannte Eingangsgröße ist, welche berechnet werden muß.
Bezug nehmend auf 2 ist eine hierfür durchgeführte Zustandsschätzung mit einem Störgrößenbeobachter schematisch dargestellt, wobei das Getriebeausgangsmoment M_aus ermittelt wird. Die Antriebsstrangdynamik wird dabei derart ausgewertet, daß aus den Drehzahlen ω_1, ω_2 und aus der Vorgabe der Trägheitsmomente J_1, J_2 für den Motor und das Getriebe und unter Vorgabe des Motormomentes M_mot als bekanntes Moment, das von der Digitalen Motorelektronik geliefert wird, ein Wert M ^_aus für das Getriebeausgangsmoment M_aus durch Störgrößenbeobachtung geschätzt wird. Die benötigte Übersetzung und deren Gradient werden ebenfalls aus den gemessenen Drehzahlen berechnet.
Die dargestellte Ausführung steht für einen „reduzierten" Störgrößenbeobachter, d. h. daß Größen, die gemessen werden, nicht noch zusätzlich mitgeschätzt werden, wodurch der Rechenaufwand reduziert wird.
Selbstverständlich kann alternativ hierzu auch ein „nichtreduzierter" Störgrößenbeobachter angewendet werden, mit dem man zusätzlich eine Kontrolle über die Abweichung der geschätzten Werte und damit eine höhere Zuverlässigkeit erhält.
Bezug nehmend auf 3 ist eine von der in 2 gezeigten Ausführungsvariante abweichende Zustandsschätzung dargestellt, bei der ein zu ermittelndes Schnittmoment, vorliegend das Motormoment M_mot, ohne Vorgabe eines anderen Momentes bestimmt wird.
Dies erfolgt durch Mehrfachanwendung der Methode des Störgrößenbeobachters auf linear unabhängige Beschreibungsgleichungen des Antriebsstranges, wobei ein geschätzes Moment M ^_Last eines ersten Störbeobachters als Eingangsgröße M_Last in einen weiteren Störbeobachter eingeht, der dann einen Schätzwert M ^_mot für das Motormoment M_mot ausgibt.
Um zu verdeutlichen, wie aus den ermittelten Antriebsstrangschnittmomenten weitere für die Getriebesteuerung wichtige Werte gewonnen werden, wird nachfolgend die Berechnung eines Steigungswinkels α einer Fahrbahn mit Hilfe des in 1 ersichtlichen Fahrwiderstandsmoments M_Last, welches das Fahrzeug auf die Straße bei einer Steigung ausübt, erläutert.
Das Fahrwiderstandsmoment M_Last wird aus dem in 1 ersichtlichen Antriebsstrangmodell rekonstruiert und von dem Mikroprozessor der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung gemäß der Funktion
mit einem Drehzahlgradienten der Motorwelle dω_1/dt, den Trägheitsmomenten J_1, J_2, J_Fahr des Motors, des Getriebes und des Fahrzeugs, den Übersetzungen i_V, i_A des Variators und der Achse, dem Motormoment M_mot und einem Wirkungsgrad η bzw. η_2 berechnet.
Mit dem dadurch geschätzten Fahrwiderstandsmoment M_last als Eingangsgröße läßt sich der Steigungswinkel α errechnen, der näherungsweise die Beziehung M_Last = r_dyn (0.5 cwρAν2 + mg(sin(α) + μ cos(α))) (Formel 2)erfüllt, wobei r_dyn ein dynamischer Reifenradius, cw ein Luftwiderstandwert, A eine Stirnfläche des Fahrzeugs, v eine Fahrzeuggeschwindigkeit, m eine Masse des Fahrzeugs und g eine Fallbeschleunigung ist.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit v wird darin mit der Drehzahl der Abtriebswelle des Variators ω_2 und der Achsübersetzung i_A bestimmt.
Unter der Winkelnäherung sin(α) = α und cos(α) = 1 liefert das Verfahren somit aus dem Fahrwiderstandsmoment M_Last einen zuverlässigen Schätzwert für den Steigungswinkel α, wobei eine Bremskraft vernachlässigt wird.
Die Geschwindigkeit der Schätzung ist grundsätzlich über ein gängiges Verfahren der Polvorgabe des Störgrößenbeobachters einstellbar.

1: Motorträgheit
2: Getriebeträgheit
3: Fahrzeugträgheit
i_A: Achsübersetzung
i_V: Übersetzung des Variators
J_1: Trägheitsmoment des Motors
J_2: Trägheitsmoment des Getriebes
J_Fahr: Trägheitsmoment des Fahrzeugs
M_aus: Getriebeausgangsmoment
M ^_aus: geschätztes Getriebeausgangsmoment
M_Last: Lastmoment, Fahrwiderstandsmoment
M ^_Last: geschätztes Lastmoment, Fahrwiderstandsmoment
M_mot: Motormoment
M ^_mot: geschätztes Motormoment
ω_1: Drehzahl der Motorwelle
ω_2: Drehzahl der Abtriebswelle des Variators
ω_AB: Drehzahl der Achse
η: Wirkungsgrad
η_2: Wirkungsgrad

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Schnittmomentes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Automatgetriebe, wobei das Automatgetriebe von einer einen Mikroprozessor mit mehreren Programmodulen aufweisenden Elektronischen Getriebesteuereinrichtung angesteuert wird, welche das zu ermittelnde Schnittmoment, welches ein Motormoment (M_mot), ein Getriebeausgangsmoment (M_aus) oder ein Lastmoment (M_Last) ist, als Signal an wenigstens eine informationsverarbeitende Einrichtung ausgibt, wobei das zu ermittelnde Schnittmoment in einem der Programmodule der Elektronischen Getriebesteuereinrichtung durch eine Zustandsbeschreibung einer einachsigen Getriebedynamik mit einer Modellrückrechnung näherungsweise bestimmt wird, und wobei von Drehzahlsensoren gemessene Drehzahlen (ω_1, ω_2, ω_AB) und vorgegebene Trägheitsmomente (J_1, J_2, J_Fahr) für einen Motor, das Getriebe und/oder das Fahrzeug als Zustandsvariablen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsbeschreibung mit einem Störgrößenbeobachter oder einem Extended-Kalman-Filter durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des zu ermittelnden Schnittmomentes mit dem Störgrößenbeobachter zu den gemessenen Drehzahlen (ω_1, ω_2, ω_AB) und den vorgegebenen Trägheitsmomenten (J_1, J_2, J_Fahr) ein Momentenwert für das Motormoment (M_mot) oder das Getriebeausgangsmoment (M_aus) oder das Lastmoment (M_Last) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß als vorgegebener Momentenwert das von einer Digitalen Motorelektronik ermittelte Motormoment (M_mot) an die Elekronische Getriebesteuereinrichtung ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu ermittelnde Moment durch Mehrfachanwendung der Zustandsbeschreibung mit dem Störgrößenbeobachter auf linear unabhängige Beschreibungsgleichungen des Antriebsstranges errechnet wird, wobei das von dem Störgrößenbeobachter geschätzte Moment (M ^_aus, M ^_Last, M ^_mot) als Eingangsgröße einem weiteren Störgrößenbeobachter zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Modellrückrechnung ein Antriebsstrangmodell eines CVT-Automatgetriebes verwendet wird, in dem eine Getriebeträgheit (2) mit dem Getriebeträgheitsmoment (J_2), mit einer Variatorübersetzung (i_V), mit der Drehzahl (ω_AB) einer Abtriebswelle des Variators als gemessener Drehzahl und mit einer Achsübersetzung (i_A) beschrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schnittmoment das ein Fahrwiderstandsmoment darstellende Lastmoment (M_Last) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem näherungsweise bestimmten Fahrwiderstandsmoment (M_Last) ein Steigungswinkel (α) einer Fahrbahn errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrwiderstandsmoment (M_Last) gemäß der Funktion
mit einem Drehzahlgradienten einer Motorwelle (dω_1/dt), dem Trägheitsmoment des Motors (J_1), dem Trägheitsmoment des Getriebes (J_2), dem Trägheitsmoment des Fahrzeugs (J_Fahr), der Übersetzung des Variators (i_V), einem Wirkungsgrad (η, η_2), dem Motormoment (M_mot) und der Achsübersetzung (i_A) berechnet wird; und daß der Steigungswinkel (α) mit dem näherungsweise bestimmten Fahrwiderstandsmoment (M_Last) gemäß der Funktion M_Last = r_dyn (0.5 cwρAν2 + mg(sin(α) + μ cos(α)))mit einem dynamischen Reifenradius (r_dyn), einem Luftwiderstandswert (cw), einer Stirnfläche des Fahrzeugs (A), einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v), einer Masse des Fahrzeugs (m) und einer Fallbeschleunigung (g) berechnet wird, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) mit der Drehzahl einer Abtriebswelle des Variators (ω_2) und der Achsübersetzung (i_A) bestimmt wird.