DE2458387A1

DE2458387A1 - Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem

Info

Publication number: DE2458387A1
Application number: DE19742458387
Authority: DE
Inventors: Helmut G Swidler; James T Walker
Original assignee: Philco Ford Corp
Current assignee: Space Systems Loral LLC
Priority date: 1973-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-19
Also published as: BR7409925A; US3885644A; CA1023036A; JPS5089787A; JPS537593B2

Description

Pstsntanwäfte
Dipl. Ing. O. Wallach "

Dipl. In₀. G. Koch ?Sⁿ;5^e2*_/M ^{den 10}* ^{De8# 197}*

Dr. T. Kübach ^1H917 ^a/m

Kaüfinp?.rrtr.8, T Philco-Pord Corporation, Philadelphia, Pennsylvania, USA

Fahrzeuggeschwlndigkeitssteuer- bzw. -regelsystem

Die Erfindung betrifft ein automatisches Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem durch eine Drosselklappe gesteuerten Motor sowie mit einem Meßfühler für die Fahrzeuggeschwindigkeit.

Automatische Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw« -regelvorrichtungen haben sich von einfachen Strömungsmitte1-servomechanismen zu elektronisch verstärkten elektromechanischen Systemen mit ausgefeilten Regel- und Steuercharakteristiken und hoher Zuverlässigkeit entwickelt. Bei einem typischen elektronischen System nach dem Stande der Technik wird ein hochwertiger verlustarmer Kondensator als Speicherelement verwendet. Die Kondensatoraufladung dient als Analogdarstellung der gewünschten oder Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Ein mit der Fahrzeugtächometerwelle

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gekoppelter Analogspannungsgenerator erzeugt eine der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionale Spannung. Diese beiden Analoggrößen werden miteinander verglichen und ihr Unterschied nach Verstärkung zur Betätigung einer elektromechanischen Vorrichtung verwendet, welche mit der Drosselklappe des Fahrzeugmotörs verbunden ist. Die Analogspannungsgeneratoren nach dem Stande der Technik sind für ihre Nicht-Linearität bekannt. Ihre Ausgangsgröße nimmt bei hohen Ausgangsgrößen weniger zu als die Ausgangsgröße für die gleiche Eingangsänderung bei niedrigen Ausgangsgrößen zunehmen würde. Zur Kompensation bezüglich dieses Effekts wird bei den bekannten Systemen typischerweise die Systemverstärkung verändert, und zwar durch Erhöhung der Verstärkung bei hohen Geschwindigkeiten, derart, daß das gesamte System ein lineares Ansprechverhalten zeigt. Die Natur der Stellantriebsteuerung in diesen bekannten Systemen läßt es erwünscht erscheinen, daß der Servomechanismus mit einer Droseelklappenetellungsrückführung arbeitet, welche eine mit zunehmender Drosselklappenöffnung abnehmende Spannung erzeugt. Die Systemverstärkung wird durch Änderung der Drosselklappenstellungsrückführung in solchem Sinne verändert, daß das Gesamtansprechverhalten des Geschwindigkeitssteuer- bzw. -rege!servomechanismus bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten konstant ist. Leider wird durch diese Kombination der Dynamikbereich bei den höheren Geschwindigkeiten erheblich verringert. *

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines elektronischen Fahrzeuggeechwindigkeitseteuer- bzw. -regelsystems zugrunde, dessen Arbeitsweise und Ansprechverhalten besser dem von einem Benutzer gewünschten Verhalten angepaßt sind; insbesondere soll in einem derartigen System eine variable Systemverstärkungsfunktion verwirklicht werden, welche eine für den Benutzer annehmbarere Steuer- bzw. Regeloharakteristik ergibt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäü durch, folgende Änderungen bei einem typischen Geschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem nach dem Stande der Technik erreicht: Anstelle der üblichen nicht-linearen Vorrichtung wird ein Istgeschwindigkeits-Analogspannungsgenerator mit linearer Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Spannung verwendet; der Generator zur Erzeugung einer der Drosselklappenstellung entsprechenden Analogspannung erzeugt eine der Drosselklappenverstellung direkt proportionale Gleichspannung. Durch diese erfindungsgemäJien Maunahmen wird ein großer Dynamikbereich des Systems bei allen Geschwindigkeiten gewährleistet. Die Drosselklappenstellungsspannung wird durch die Istgeschwindigkeits-Analogspannung so modifiziert, daß bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ein geringfügig reduzierter Drosselklappenstellungspannungsbereich auftritt. Dies hat eine größere Regelverstärkung der Geschwindigkeitssteuerung- bzw. -regelung bei höheren Geschwindigkeiten zur Folge, was ein psychologisch zufriedenstellenderes Systemansprechverhalten gewährleistet.

Im folgenden werden AusführungsbeispieIe der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Geschwindigkeitsregelbzw. -Steuersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 das detaillierte Schaltbild der elektronischen und elektromechanischen Teile des Geschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystems aus Fig. 1.

Fig, 1 zeigt in einem Blockschaltbild die verschiedenen Steuer- bzw, Regelglieder bzw. Zweige des vollständigen Geschwindigkeit ssteuer- bzw. -regelsystems. Das Fahrzeug 1 wird von einem Motor 2 angetrieben, der mittels einer Drosselklappe 3 gesteuert wird. Der Geschwindigkeitsmesser bzw.

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Tachometer 4 des Fahrzeuge wird in typischer Weise von einer Drehwelle angetrieben. Die von der Tachometerwelle gelieferte Information wird in einem Geschwindigkeitsanalogspannungsgenerator 5 in eine Analogspannung umgewandelt. Diese Schaltung erzeugt eine der tatsächlichen oder Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs linear proportionale Gleichspannung. Die gewünschte oder Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird als Analogspannung in eine Gedächtnis- oder Speichervorrichtung 6 eingegeben. Hierbei handelt es sich gewöhnlich um einen hochwertigen verlustarmen Kondensator, welcher durch Geschwindigkeits-Einstellschaltungen 7 auf die der gewünschten Sollgeschwindigkeit entsprechende Analogspannung aufgeladen wird. Diese Geschwindigkeitseinstellechaltungen weisen auch Einrichtungen für die Steuerfunktionen entsprechend Betriebsarten Freilauf und Beschleunigung auf. In einer Vergleichsvorrichtung bzw. einem Komparator 8 wird die Beziehung zwischen der Istgeschwindigkeits-Analogspannung und der Sollgeschwindigkeits-Analogspannung festgestellt und in Abhängigkeit hiervon eine Differenzausgangsgröße erzeugt, die positiv ist, wenn die Istgeschwindigkeit8-Analogspannung überwiegt. Praktisch wird die Sollgeechwindigkeits-Analogspannung von der Istgeschwindigkeit s-Analogspannung subtrahiert. Die Komparator-Ausgangsgröße wird in einem Differenzverstärker 16 und in einem Begelverstärker 9 verstärkt, der seinerseits einen Stellantrieb 10 für die Drosselklappe beaufschlagt. Der Drosselklappenstellantrieb 10 ist mechanisch mit der Drosselklappe 3 gekoppelt. Auf diese Weise kommt eine geschlossene Regelschleife für die Fahrzeuggeschwindigkeit zustande .

Ist die Istgeschwindigkeits-Analogspannung zu hoch, so veranlaßt das System über die Wirkung des Drosselklappenstellantriebs 10 eine Verringerung der Drosselklappenstellung und damit eine Verlangsamung des Fahrzeugs. Ist umgekehrt

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die Istgeschwindigkeits-Analogspannung zu niedrig, so veranlaßt das System über den Drosselklappenstellantrieb 10 eine öffnung der Drosselklappe und damit eine Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Somit wird gegenüber änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit durch Straßen- und Windbedingungen und andere variable Einfluügröüen, welche im Sinne einer änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit wirken, durch das Syβtem die Drosselklappe im Sinne der Aufrechterhaltung einer kpnstanten Geschwindigkeit betätigt.

Die Fahrzeugdrosselklappe muli um eine Stellung herum arbeiten, die eine Funktion der Spulgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Ein Anfangsgeschwindigkeitsregelglied ("initial speed control link") liefert diese Anfangsgeschwindigkeitsspannung, bei der es eich einfach um einen Bruchteil der Istgeschwindigkeit sanalogspannung handelt. Die Istgeschwindigkeits-Analogspannung wird über ein (zur Einstellung des gewünschten Bruchteils dienendes) Dämpfungs- bzw. Schwächungsglied 11 dem nicht-invertierenden Eingang des Pifferenzverstärkers 16 zugeführt. Diese Spannung wird in das System eingeführt, damit die Drosselklappenstellung, wie sie durch das Drosselklappenstellglied bewirkt wird, direkt proportional der Fahrzeugistgeschwindigkeit ist.

Zur Stabilisierung des Systems muli die Anfangsgeschwindigkeitsspannung durch eine die Iststellung der Drosselklappe wiedergebende Spannung ausgeglichen werden. Hierfür ist eine die Drosselklappenstellung wiedergebende Spannungssteuerung 12 vorgesehen, welche von dem Drosselklappenstellantrieb10 betätigt wird. Diese Vorrichtung erzeugt eine dem Drosselklappenvorschub direkt proportionale Gleichspannung, Ein Bruchteil dieser Spannung wird über ein Dämpfungs- bzw. Schwächungsglied 13 dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 16 zugeführt. Auf diese Weise kommt eine zweite vollständige Begelschleife zustande,

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welche die Drosselklappe in einer solcnen Stellung stabilisiert > welche die jeweilige Istgeschwindigkeit aes Fahrzeugs ergibt, Ia Übertragung aur Betrieb mit einem Fahrer würde dem entsprecnan» aaa aer Fahrer den Besehleunigungs- oder Gashebel ia der Stellung festhält♦ welche aer FahrzeugistgescuwinaigKelt entspricht.

Ua ein schnelleres Ansprechen dee Systems una Anpassung an Faferzeuggeschwindigkeitsänaerungen zu gewährleisten, ist parallel asu dem Dämpfungs- bzw. Schwächungsglied 1j5 eine Differenziervorrichtung 14 vorgesehen. Hierdurch wird die Droeeelklappenstellungeregelachlelfe empfindlicher gegenüber Änderungen der Drosseltelappenstellung als gegenüDsr einer festen Drosselklappenstellung. Hierauren ernäit aas Regelsystem ein schnelles Ansprechveroalten gegenüber sich ändernden Bedingungen, während gleichzeitig das gewünschte stabile Anaprechverhalten gegenüber festen gleichbleibenden Bedingungen aufrechterhalten wird.

Schließlich 1st zwischen den Istgesohwindigkeits-Analogspannungsgenerator 5 und der die Droseelklappenstellung wiedergebenden Spannungssteuerung 12 ein Geschwlndigkeitsverstärkungesteuer- bzw. -regelzweig 15 vorgesehen. Dieser Zweig ist im Hinblick auf folgenden eich beim Betrieb eines Fahrzeuge bemerkbar machenden psychologischen Faktor vorgesehen. Falle das System ein konstantes festes Geschwindigkeit sregelansprechverhalten besitzt, so hat es den Anschein, als wäre die Regelung bei hohen Geschwindigkeiten träger. Man führt dies auf die Beobachtung zurück, daß bei hohen Geschwindigkeiten der Fahrzeugfahrer weniger empfindlich für eine gegebene Geschwindigkeitsänderung 1st. Um daher eine zufriedenstellendere Geschwindigkeitsregelcharakteristik zu erhalten, ist vorgesehen, daii die Verstärkung des Systems alt der Geschwindigkeit ansteigt. Das bedeutet, daß bei höheren Geschwindigkeiten nur eine kleinere

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^geschwindigkeitsänderung erforderlich ist, um die Drosselklappe von der Leerlaufstellung in Maximalstellung zu verschieben. Bei dem im nachfolgenden im einzelnen beschriebenen System ändert sich die zur Verstellung der Drosselklappe aus der Leerlaufstellung in Maximalstellung erforderliche Fahrzeuggeschwindigkeitsänderung von 3,8 m.p.H, bei 30 m. p. h. auf 3,2 m. p. h. bei 85 m. p. h. In bekannten Systemen mit konstanter Systemverstärkung ergab sich, falls das System für zufriedenstellendes Ansprechverhalten bei hohen Geschwindigkeiten ausgelegt war, ein scheinbar sprunghaftes Ansprechverhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten. Wurde die Verstärkung bei diesen bekannten Systemen für den niedrigen Geschwindigkeitsbereich optimiert, so erschien das System bei hoher Geschwindigkeit träge.

Fig. 2 ist ein Schaltbild der elektronischen und elektromechanischen Teile aus Fig. 1. Der Drosselklappenstellantrieb. 10 ist mit der Drosselklappe mittels eines Beschleunigungsoder Gaspedals 20 und den üblichen mechanischen Gestängeteilen verbunden. Sine Bückstellfeder 21 liefert die übliche Bückstellkraft zur Bückführung des Fahrzeugmotors in den Leerlaufzustand, falls auf das Beschleunigungsorgan (Gashebel) bzw. dessen Gestänge keine kraft ausgeübt wird.

Der Stellantrieb 10 weist eine Ausgangswelle 22 auf, die im eingezogenen Zustand den Gashebel 20 in Sichtung auf den Fahrzeugboden zieht und die Drosselklappe in.Öffnungsrichtuhg verschiebt. Die Welle 22 ist an einem flexiblen Diaphragma 23 befestigt, das als dicht schließender Abschluß einer Kammer 24 wirkt. Eine Kammer 25 auf der anderen Seite des Diaphragma 23 befindet sich mittels einer Belüifeingsöffnung 26 auf Atmosphärendruck. Bine Druckfeder 27 bewirkt in Abwesenheit anderer Kräfte eine Verschiebung des Diaphragmas 23 in einer solchen Sichtung, daß hierbei die Welle 22 in ihre maximal ausgefahrene Stellung gelangt.

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Diese Stellung ist so gewählt, daß sie die Leerlaufstellung der Drosselklappe geringfügig überschreitet.

Die Kammer 24 weist zwei kolbenbetätigte Belü&ingsöffnungen auf. Eine mit Atmosphäre verbundene Öffnung 30 ist normalerweise geöffnet. Sie kann mittels eines Kolbens 31, der durch eine Wicklung 33 betätigt wird, geschlossen werden. Der Kolben 31 wird normalerweise durch eine Feder 32 in von der Belüftungsöffnung 30 abgehobener Stellung gehalten. Solange die Belüftungsöffnung 30 geöffnet ist, überwiegt die Wirkung der Feder 27, derart, daß die Welle 22 in ihrer maximalen Ausfahrstellung gehalten wirdo Eine weitere Belüftungsöffnung 34 ist über eine biegsame Leitung herkömmlicher Art mit einem (nicht dargestellten) ebenfalls herkömmlichen Vakuumreservoir verbunden. Diese Öffnung ist normalerweise durch einen Kolben 35 infolge der Wirkung einer Feder 36 verschlossen. Bei Beaufschlagung einer Wicklung 37 wird der Kolben 35 entgegen der Federkraftwirkung 36 verstellt und hierbei die Belüftungsöffnung 34 geöffnet.

Wenn durch Erregung der Wicklung 33 die Öffnung 30 geschlossen und durch Erregung der Wicklung 37 die Öffnung geöffnet wird, so wird die Kammer 24 evakuiert und auf das biegsame Diaphragma 23 wirkt der -Luftdruck in der Kammer ein, derart, daß das Diaphragma im Sinne einer Zusammendrückung der Feder 27 und einer Einziehung der Welle 22 verstellt wird. Bei Vollvakuum in der Kammer 24 ist die Welle 22 so weit eingezogen, daß die Drosselklappe in ihrer Maximalstellung geöffnet ist. Da der Stellantrieb 10 eine verhältnismäßig große Kammer 24 aufweist, welche über verhältnismäßig kleine Öffnungen beaufschlagt wird, erhält man eine zwar rasche, aber doch nicht unerwünscht schnelle Verstellung der Welle 22. Die Wirkungsgeschwindigkeit dieser Welle wird durch entsprechende Querschnittwahl der Belüftungsöffnungen so eingestellt, daß man eine glatte,

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stoßfreie Drosseiklappenverstellung, die in jedem gewünschten Funkt angehalten werden kann, erhält.

Wird bei geschlossener Öffnung 30 die Öffnung 34 so lange geöffnet, daß die Welle 22 nur.teilweise eingezogen wird, und sodann wieder geschlossen, so wird die Welle 22 durch den konstanten reduzierten Druck in der Kammer 24 in dieser festen Stellung gehalten.

Sie Wirkung des Stellantriebs 10 kann daher dahingehend zusammengefaßt werden, daß bei Stromlosigkeit beider Erregungswicklungen die Welle 22 in die Leerlaufstellung verstellt wird. Bei Strombeaufschlagung beider Wicklungen wird die Welle 22 in Richtung auf maximale Drosselklappenöffnung verstellt. Bei Beaufschlagung nur der Wicklung 33 wird die Welle 22 jeweils in der Stellung gehalten, die sie in dem Zeitpunkt einnahm, in dem die Wicklung 37 stromlos wurde.

Die Strombeaufschlagung der Wicklungen 33 und 34 erfolgt über Transistoren 40 und 41 in der folgenden Weise. Die Wicklung 33 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 40 und der Speisebatterie. Die Wicklung 37 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 41 und der Speisebatterie. Sobald daher einer der Transistoren in den "EIN"-Zustand gelangt, bewirkt die entsprechende Wicklung die Betätigung des zugehörigen Kolbens. Der Emitter des Transistors 40 liegt an Masse; der Emitter des Transistors 41 ist über eine Diode 43 mit dem Kollektor des Transistors 40 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 40 und 41 sind über einen Basisstrombegrenzerwiderstand 42 miteinander verbunden. Diese Schaltungskonfiguration bedeutet, daß der Transistor 40 leiten kann, ohne daß sich der Transistor 41 im Leitungszustand befindet, während jedoch der Transistor 41 nur leiten kann, wenn auch der Transistor 40 sich im Leitungszustand befindet.

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Im folgenden wird nun die Wirkungsweise dieser (Transistor-Schaltungen unter Bezugnahme auf den Schaltungspunkt 46 beschrieben. Befindet sich der Schaltungspunkt 46 auf Massepotential, so leitet weder der Transistor 40 noch der !Transistor 41 und die Wicklungen 33 und 37 sind daher stromlos· Die Welle 22 befindet sich daher in ihrer maximal ausgefahrenen oder Leerlaufstellung. Wenn die Spannung im Funkt 46 in positiver Richtung auf etwa 0,7 V ansteigt, so beginnt der Transistor 40 zu leiten; bei einem Pegel etwas oberhalb ca. 0,7 Y wird die Wicklung 33 strombeaufschlagt und bewirkt die Schließung der Beiüftungsöffnung 30. Sobald der Transistor 40 seinen Sättigungszustand erreicht, beträgt die Spannung an seinem Kollektor etwa 0,2 V. Bei noch weiterem Anstieg der Spannung im Punkt 46 wird schließlich ein Zustand erreicht, in dem der Transistor 41 zu leiten beginnt. Dies tritt bei etwa 1,5 V ein. Dieser Spannungswert umfaßt die 0,2 V über dem Transistor 40, die zur Vorspannung der Diode 43 in Durchlaßrichtung benötigte Spannung von 0,6 Y sowie die zur Einschaltung der Basis des Transistors 41 benötigte Spannung von 0,7 V. In einem geringfügig über diesem Spannungswert liegenden Punkt wird die Wicklung 37 mit Strom beaufschlagt und die Belüftungsöffnung 34 geöffnet, wodurch die Welle 22 in Einziehrichtung betätigt wird.

Somit stehen drei Zustände in Abhängigkeit von der Spannung im Schaltungspunkt 46 zur Verfügung. In dem ersten Zustand im Spanmingsbereich unter etwa 0,7 V ist die Öffnung 30 offen, die öffnung 34 geschlossen und die Welle 22 wird in Richtung Leerlaufstellung verstellt·. Im zweiten Zustand im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1,5 V sind beide öffnungen und 34 geschlossen und wird die Welle 22 jeweils in der Stellung gehalten, die sie bei Eintritt dieses Zustande inne haltte. Oberhalb 1,5 V sind beide Wicklungen mit Strom, beaufschlagt, wodurch die öffnung 34 geöffnet wird, während

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die Öffnung 30 geschlossen bleibt. Das hierdurch in der Kammer 24 erzeugte Vakuum bewirkt eine Einziehung der Welle 22 und entsprechend eine Verstellung der Drosselklappe in Richtung auf ihre volle Öffnungsstellung.

Über den Betätigungswicklungen 33, 37 liegen Dioden 44 bzw. 45. Diese Dioden sind so gepolt, daß sie im Erregungszustand der Wicklungen in Sperrichtung vorgespannt sind und daher keine Wirkung auf die Wicklungen in ihrem Erregungszustand haben» Sobald entweder der Transistor 40 oder der Transistor 41 gesperrt wird, wird die betreffende Diode durch die in der zugehörigen Wicklung erzeugte induktive Gegenspannung in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch diese induktive Gegenspannung absorbiert wird. Die Dioden dienen daher als Schutz gegen das Auftreten übermäßiger Kollektorspannungen an den Kollektoren der Transistoren.

Die Spannung im Schaltungspunkt 46 wird mittels eines zweistufigen Kaskadenverstärkers gesteuert, der seinerseits von einem Differenzverstärker in Abhängigkeit von der Spannung in einem Schalt.ungsbezugspunkt 47 angetrieben wird. Diese Verstärker sind sämtlich direkt gekoppelt und so ausgebildet, daß der Schaltungspunkt 46 entgegengesetzt gerichtet gegenüber dem Schaltungspunkt 47 betrieben wird. Das heißt, falls der Schaltungspunkt 47 sich auf einem hohen positiven Potential befindet, liegt der Punkt 46 auf einem niedrigen positiven Potential. Im folgenden wird die Wirkungsweise der direkt gekoppelten Verstärker beschrieben.

Mit 50 ist eine mit gemeinsamem Emitter geschaltete Transistorstufe bezeichnet, deren Ausgang direkt mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden ist. Ein Widerstand 51 dient als Kollektorlastwiderstand und ist mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Zwei Widerstände 52 bzw. 53 liefern einerseits die Basisvorspannung für den Transistor 50 und dienen

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andererseits als negative Rückführung zur Stabilisierung der Stufenverstärkung und des Arbeitspunkts. Ein Kondensator 54· dient als Tiefpaßelement zur Begrenzung der maximalen Arbeitsfrequenz der Schaltung; er kann auch als Element zur Einstellung der für die Servoregelung gewünschten Kachführgeschwindigkeit bezeichnet werden.

Ein Widerstand 55 verbindet die Basis des !Transistors 50 mit dem Bremslichtstromkreis des Fahrzeugs. Im stromlosen Zustand des Bremslichts, d. h. im Normalzustand, liegt der Widerstand 55 in Reihe mit dem Bremslichtstromkreis, wobei diese Reihenkombination jederzeit parallel zu dem Widerstand 53 liegt. Die Schaltungswerte sind so eingestellt, daß der Transistor 50 als herkömmlicher Verstärker in Schaltkonfiguration mit gemeinsamem Emitter arbeitet. Sobald jedoch das Bremslicht durch niedertreten des Fahrzeug-= bremspedals betätigt wird, tritt am unteren Ende des Widerstands 55 eine positive Spannung von etwa 12 bis 14 V auf« Der Betrag des Widerstands 55 1st in Abstimmung mit den Basisvorspannungswiderständen so gewählt, daß der Transistor 50 in den Sättigungszustand gelangt« sobald das Bremslicht betätigt wird» Hierdurch nimmt der Schaltungspunkt 46 eine Spannung von etwa 0,2 V an, wodurch beide Wicklungen 35 und 37 stromlos werden und die Welle 22 ihre volle Ausfahrstellung einnehmen kann und dem entsprechend die Drosselklappe in Leerlaufstellung zurückgestellt wird. Diese Schaltung gewährleistet somit, daß bei einer Betätigung der Fahrzeug-= bremsanlage die Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung sofort wirkungslos gemacht wird. In (nicht dargestellten) verwandten Schaltungen wird durch die gleiche, vom Bremspedal erzeugte Spannung die gesamte Geschwindigkeitssteuerbzw, -regelschaltung stromlos gemacht. Um die Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung wieder wirksam zu machen, müßte die Schaltung bewußt eingeschaltet oder strombeaufschlagt werden.

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Bin Transistor 56 bildet einen direkt mit dem Transistor 50 gekoppelten Verstärker in Schaltkonfiguration mit gemeinsamem Emitter. (Emitterbasisschaltung). Ein Widerstand 57 bildet zusammen.mit dem Basiskreis des Transistors 50 die Kollektorlast des Transistors 56. Mittels Basiswiderständen 58, 69 ist der Eingang des Transistors 56 direkt mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers gekoppelt.

Des weiteren ist ein Differenzverstärker 16 herkömmlicher

Art mit zwei Transistoren 59 und 60 vorgesehen. Ein Widerstand 61 dient als gemeinsames Emitterkopplungselement, ein Widerstand 62 als Ausgangslastwiderstand und ein Widerstand 63 als Neutralisierungslastwiderstand für die Schaltung» Zwei Widerstände 64 und 65 bilden einen Spannungsteiler, der ein/Teil der Basisvorspannung des Transistors 60 erzeugt. Zwei Widerstände 66 und 6? bilden einen Spannungsteiler, welcher einen Teil der Basisvorspannung des Transistors 59 erzeugt. Der Widerstand 66 ist mit Kollektor und Basis verbunden und bildet eine negative Rückführung zur Stabilisierung des DifferenzVerstärkers 16. Über einen Widerstand 68 ist der Eingang des Differenzverstärkers 16 mit dem Schaltungspunkt 4-7 direkt gekoppelt.

Ein Potentiometer 70 liefert eine veränderliche Spannung aü den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 16; der Schleifarm des Potentiometers 70 ist mechanisch mit der Welle 22 des Stellantriebs 10 verbunden, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Die mechanischen Gestänge sind so ausgebildet, daIi In der maximal ausgefahrenen oder Leerlaufstellung der Welle 22 der Potentiometerschleifarm sich in seiner unteren Endstellung befindet. Mit zunehmender Einziehung der Welle 22 wird der Potentiometerschleifarm aufwärts in Richtung auf das obere Ende des Potentiometers 70 verschoben. Das Potentiometer 70 bildet zusammen mit Widerständen 71 und 72 einen zwischen der 8,2 V-Leitung und

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Masse liegenden Spannungsteiler. Die 8,2 V-Leitung wird über eine Zenerdiode 73 und einen Widerstand 7A- aus der Autobatterie gespeist* Beim Einziehen der Welle 22 steigt somit die positive Spannung am Sohleifarmgriff des Potentiometers 70 direkt proportional an, d. h. die Abgriffspannung ist direkt proportional der Drosselklappenbetätigung.

Die Spannung am Sohleifabgriff des Potentiometers 70 wird über zwei gesonderte Elemente an die Basis des Transistors 59 angekoppelt. Ein Widerstand 80 dient als direkte Kopplung und wirkt, zusammen mit den Widerständen im Basiskreis des Transistors 59 als Festdämpfung bzw. -Schwächung (vergleiche Element 13 in dem Blockschaltbild von Fig. 1). Ein Widerstand 81 in Verbindung mit einem Kondensator 82 dient zusammen mit den Widerständen im Basiskreis des Transistors 59 als zunehmende Wechselstromkopplung und wirkt als Differenz iervorrichtung zwischen dem Sohleifabgriff des Potentiometers 70 und der Basis des Transistors 59 (vergleiche Element 14 im Blockschaltbild aus Fig. 1). Diese Kombination einer Dämpfungs- und einer Differenzierkopplung verleiht der Kopplung einen Verstärkungswert für den stationären Zustand und einen höheren Verstärkungswert für Übergangs· oder Änderungszustände.

Der Differentialveretärker und die beiden in Emitterbasis betriebenen Kaskaden-Verstärkerstufen, die sämtlich direkt gekoppelt sind, ergeben zusammen eine Verstärkung mit einer 180°-Phasenverschiebung {oder einer Inversion) zwischen den Schaltungspunkten 47 und 46. Auiserdem ändert sich der Gleichstromarbeitspunkt des Verstärkersystems nach Maßgabe der Verschiebung des Potentiometers 70.

Die Spannung im Schaltungspunkt 47 wird in erster Linie durch die Leitung eines Feldeffekttransistors mit isolierter Torelektrode (IGFET) 85 bestimmt. Ein Widerstand 86

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dient als Lastwiderstand in einer Tor-Folgeschaltung. Die tatsächliche Spannung im Punkt 47 hängt von den Kenngrößen des jeweiligen speziellen verwendeten IGFET und von der Spannung an deren Torelektrode ab. Die Torspannung ihrerseits wird durch die Aufladung eines Kondensators 87 und die Spannung in einem Schaltungspunkt 88 bestimmt. Pie Kondensatorladung wird anfangs mit Hilfe einer (in Fig. 2 nicht gezeigten, in Fig. 1 jedoch durch den Schaltungsblock 7 wiedergegeben) Steuerschaltung so eingestellt, daß sie einer der gewünschten oder Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs proportionalen Analogspannung entspricht. Die Spannung im Funkt 88, die durch eine nachfolgend noch beschriebene Schaltung bestimmt wird, ist eine Analoggröße der tatsächlichen oder Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Sie Art der Vergleichsschaltung einschließlich des Kondensators 87« der Steuerschaltungen und des IGFEQ? sind im einzelnen in der US-Anmeldung Ser. JJr. 414 199 vom 9. November 1975 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Die den Transistoren 90, 91 und 92 zugeordneten Schaltungen sind im einzelnen in der US-Patentschrift 3 613 820 beschrieben. Deshalb wird dieser Teil der Schaltung hier nicht bis ins einzelne gehend erläutert. Ein mechanisch von der Fahrzeugtachometerwelle angetriebener Meßwertgeber 93 erzeugt ein Wechselstromsignal, dessen Frequenz direkt proportional der Fahrzeuggeschwinaigkeit ist. Ein Transistor 90 mit Basiswiderstand 94, Kollektorlastwiderstand 95 und Rückführkondensator 96 erzeugt eine konstante Ausgangsamplitude in Form einer Rechteckwelle mit einer der Frequenz des Meßwertgebers 93 entsprechenden Frequenz. Kondensatoren 97 und 98 mit einer Diode 99 bilden einen Frequenzmesser, wobei die Ladung des Kondensators 98 proportional der Frequenz wird. Mittels eines Transistors 91 wird die Spannung auf dem Kondensator 98 so gesteuert, daß sie eine lineare Funktion der Frequenz darstellt. Zwei Widerstände

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101 und 102 bewirken zusammeα mit einer Diode 100 und einem Thermistor 103 eine Temperaturkompensation der Fahrzeugistgeschwindigkeits-Analogspannung im Funkt 88. Ein Kondensator 104- und ein Widerstand 103 dienen zum Ausfiltern einer eventuellen Welligkeit in der Spannung über dem Kondensator 98. Ein Transistor 92 arbeitet als Emitterfolger, wobei Widerstände 106 und 72 die Gleichstromlast bilden. Ein Kondensator 107 dient als Wechselstromlastnebenschluß. Ein Teil der Spannung im Funkt 88 wird mittels eines Ohmseheη Spannungsteilers (aus Widerständen 108 und 65) an den nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers, d. ha an die Basis des Transistors 60 gekoppelt. Infolge der Wirkungsweise der Transistoren 90, 91 und 92 ergibt sich als Spannung im Funkt 88 eine positive Gleichspannung mit einem Inkrement von etwa 75 mV je m. p. h. Diese Istgeschwindigkeit s-Analogspannung wird an den linken Belag des Kondensators 87 angelegt. Die Aufladung des Kondensators 87, d. h. die Sollgeschwindigkeits-Analogspannung wird durch die Steuerschaltungen bestimmt, wie in der bereits erwähnten US-Anmeldung Ser. Nr. 414 199 im näheren beschrieben. Die Kondensatoraufladung wird von dem Potential im Punkt 88 subtrahiert und die Differenz tritt an der Torelektrode des IGFET 85 auf. Gemäß der charakteristischen Wirkungsweise des IGFET 85 tritt die Torspannung als positives Potential im Funkt 47 auf. Die Steuerschaltungen werden bei der Herstellung so ausgelegt und eingestellt, daß die Spannung im Schaltungspunkt 47 bei Übertragung durch die Verstärker in den Schaltungspunkt 46 eine Spannung im Bereich von 0,7 bis 1,5 ergibt, solange die Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs gleich der Sollgeschwindigkeit ist. Wie oben erwähnt, hält in diesem Zustand der Stellantrieb 10 die Welle 22 fest. Die jeweiligeAusfahrstellung der Welle 22 wird daher eine Funktion der Spannung im Punkt 88.

Falls sich die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht, beispielsweise

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infolge Abschüssigkeit der Fahrbahn* so wird die Spannung im Funkt 88 und damit auch die Spannung im Funkt 47 positiver und die Spannung im Funkt 46 weniger positiv. Falls infolge einer entsprechend großen Geschwindigkeitsänderung die Spannung im Punkt 46 unterhalb etwa 0,7 V absinkt, bewirkt der Stellantrieb 10 eine Ausfahrbewegung der Welle und damit eine Verringerung der Drosselklappenöffnung und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Ist die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht, und die Spannung im Funkt 46 wieder auf einen Wert im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1,4 V zurückgekehrt, so hält der Stellantrieb 10 die Welle 22 wiederum fest.

Falls die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt, beispielsweise infolge eines Fahrbahnanstiegs, so sinkt die Spannung im Funkt 88 und damit die Spannung bei 47 ab. Infolge der Verstärker steigt die Spannung im Punkt 46 an. Falls der Anstieg etwa 1,5 V übersteigt, bewirkt der Stellantrieb 10 eine Einziehung der Welle 22, wodurch die Drosselklappe in Öffnungsrichtung verstellt wird, bis die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht ist.

Die Systemverstärkung kann in Form einer Angabe darüber veranschaulicht werden, eine wie große Fahrzeuggeschwindigkeitsänderung erforderlich ist, um die Drosselklappe auf volle öffnung zu verstellen. Dieser Wert beträgt in m.p.h. typischerweise etwa 3»5. Bezogen auf die Geschwindigkeitsanalogspannung würde dieser Wert etwa 260 mV betragen. Da die Spannung im Funkt 46 sich um wenigstens etwa 0,7 V ändert, um den Stellantrieb 10 vom Zustand der Geschwindigkeitshaltung auf den Zustand Beschleunigung zu bringen, besitzt die Gesamtspannungsverstärkung der Verstärker zwischen dem Punkt 88 und dem Punkt 46 einen Wert von wenigstens größenordnungsmäßig 3.

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Sin Widerstand 108 zwischen dem Punkt 88 und der Basis des Transistors 60 stellt den in Verbindung mit Fig. 1 erwähnten Anfangsgeschwindigkeitsregelzweig dar. Er koppelt einen Teil der Spannung im Punkt 88 an den nicht-invertierenden Eingang dee DifferenzVerstärkers 16, (vergleiche Komponente 11 in Fig. 1). Für eine gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit (und eine gegebene Spannung im Punkt 88) veranlaßt das System eine Betätigung des Stellantriebs 10 zur Verstellung der Welle 22, bis die Spannung am Schleifabgriff des Potentiometers 70 am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 16 eine Abgleichspannung einspeist. Durch diesen Zweig wird daher die Fahrzeugdrosselklappe in einer Stellung gehalten, welche die Sollgeschwindigkeits-Analogspannung im Punkt 88 hervorruft.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein Bruchteil der Spannung im Punkt 88 an das untere Ende des Potentiometers 70 gelegt ist. Der Bruchteil wird durch das Verhältnis der Widerstände 106 und 72 bestimmt. In einer typischen Schaltungsausführung beträgt das Verhältnis des Widerstands 72 zur Summe der Widerstände 72 und 106 etwa 0,3 oder 30 %. Offensichtlich hat dieser Bruchteil eine größere proportionale Wirkung in der Leerlaufstellung der Drosselklappe als bei höheren Geschwindigkeiten. Dies hat eine änderung der Systemverstärkung mit der Geschwindigkeit zur Folge. Die Systemparameter waren in der bevorzugten Ausführungsform so gewählt, daß die für eine Verstellung der Drosselklappe auf volle Öffnung erforderliche Geschwindigkeitsänderung 3»8 m.p.h. bei 30 m.p.h., 3*5 m.p.h. bei 60 m.p.h. und 3,2 m.p.h. bei 85 m.p.h. betrug. Auf diese Weise wird die gewünschte Charakteristik mit größerer Empfindlichkeit bei hoher Geschwindigkeit erzielt. Und zwar erfolgt dies bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines großen verfügbaren dynamischen Bereichs selbst bei höheren Geschwindigkeiten. Beispielsweise beträgt die Spannung über dem Potentiometer

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etwa 5,6 V bei der Geschwindigkeit Null, und diese Spannung fällt nur auf etwa 5 V bei Geschwindigkeiten oberhalb 85 m,p.h. ab· *

In der folgenden Bauteilliste sind für die einzelnen Bauteile Werte angegeben, mit welchen die beschriebene Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 erzielt wurde.

Transistor	40	- .2K3019
Transistor	41	- 2K3019
Widerstand	42	100 0hm
Diode	45	1N4002
Diode	44	- 1H4002
Diode	45	1N4002
Transistor	50	2H3O19
Widerstand	51	680 0hm
Widerstand	5²	1,5 kOhm
Widerstand	53	33 kOhm
Kondensator	54	0,1 Mikrofarad
Widerstand	55	22 kOhm
Transistor	56	- 2N2904A
Widerstand	57	6,8 kOhm
Widerstand	58	12 kOhm
Transistor	59	- 2N3019
Transistor	60	2N3019
Widerstand	61	2,7 kOhm
Widerstand	62	12 kOhm
Widerstand	63	1 kOhm
Widerstand	64	8,2 kOhm
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	65 -	2458387	3,2 kOhm
Widerstand	66 -	150 kOhm
Widerstand	67 -	100 kOhm
Widerstand	68 -	15 kOhm
Wideretand	69 -	27 kOhm
Widerstand	70 -	5 kOhm
Potentiometer	71 -	820 0hm
Widerstand	72 -	1,5 kOhm
Widerstand	73 -	1N4659
Diode	74 -	120 Ohm
Widerstand	80 -	100 kOhm
Widerstand	81 -	82 kOhm
Widerstand	82 -	20 Mikrofarad
Kondensator	85 -	MPE3004 (Motorola)
IGFBT	86 -	2,2 kOhm
Widerstand	87 -	0,01 Mikrofarad(Polystyro
Kondensator	90 -	2N3O19
Transistor	91 -	2N3019
Transistor	92 -	2N3019
Transistor	93 -	2,2 Hz/m.p.h.
Meßwertgeber	94 -	8,2 kOhm
Widerstand	95 -	2,7 kOhm
Widerstand	96 -	220 Pikofarad
Kondensator	97 -	0,15 Mikrofarad
Kondensator	98 -	5 Mikrofarad
Kondensator	99 -	1N4002
Diode	100 -	1K4002
Diode

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	101	2458387	27 kOhm
Wideretand	102 -	20 kOhm
Widerstand	105 -	10 kOhm bei 25⁰C
Thermistor	104· -	5 Mikrofarad
Kondensator	105 -	12 kOhm
Widerstand	106	5,5 kOhm
Widerstand	107 -	0,1 Mikrofarad .
Kondensator

Vorstehend wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystems beschrieben und Werte für die Bauteile dieses speziellen AusführungsbeispieIs angegeben. Selbstverständlich sind das beschriebene Ausführungsbeispiel und die angegebenen Bauteilewerte in mannigfacher Weise abwandelbar, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist. Dem beschriebenen Ausführungsbeispiel soll daher keinerlei einschränkende Bedeutung zukommen.

Zusammenfassung

Kraftfahrzeug-Geschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem unter Verwendung eines Istgeschwindigkeits-Analogepannungsgenerators mit linearer Geschwindigkeits-Spannungscharakteristik. Die zur Schließung der Regelschleife für die Drosselklappensteuerung verwendete Drosselklappenstellungssteuerspannung dient zur Erzeugung einer der Drosselklappenverstellung direkt proportionalen Gleichspannung. Diese Anordnung ergibt einen großen dynamischen Steuer- bzw. Regelbereich bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Die System-

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Claims

Patentansprüche

Automatisches Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem mittels einer Drosselklappe gesteuerten Motor und einem Meßfühler für die Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei das System einen mit der Drosselklappe verbundenen elektromechanischen Stellantrieb (10) zur Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit vermittels der Motorwirkung, eine Vorrichtung (12) zur Erzeugung einer ersten elektrischen Größe in Abhängigkeit von der Jeweiligen Stellung des Stellantriebs (10), einen mit dem elektromechanischen Stellantrieb verbundenen elektronischen Verstärker (16, 9), Schaltmittel (13» 14) zum Anlegen eines Teils der ersten elektrischen Größe an den Verstärker, eine Vorrichtung (5) zur Erzeugung einer der Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs proportionalen zweiten elektrischen Größe, Vorrichtungen (7» 6) zur Erzeugung und Speicherung einer die gewünschte oder Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs wiedergebenden dritten elektrischen Größe, eine Vorrichtung (8) zum Vergleich der zweiten und der dritten elektrischen Größe zur Erzeugung einer den Unterschied zwischen der Soll* und der Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs wiedergebenden Fehlergröße, sowie Schaltmittel zur Zufuhr der Fehlergröße in Kombination mit der ersten elektrischen Größe an den Verstärker, derart, daß der Stellantrieb zur Betätigung der Drosselklappe im Sinne einer Verringerung der Fehlergröße auf ein Minimum und Erreichung der Sollgeschwindigkeit veranlaßt fl zelehnet durch eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten elektrischen Größe als lineare Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, sowie durch eine Vorrichtung zur Erzeugung der ersten elektrischen Größe direkt proportional der Stellung des Stellantriebs bei Wirkung in

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Richtung einer Verstellung der Drosselklappe in üffnungsrichtung.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zur Änderung der ersten elektrischen Größe als Funktion der zweiten elektrischen Größe.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die änderung der ersten elektrischen Größe eine größere Funktion der zweiten elektrischen Größe bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten als bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ist.
4. Fahrzeuggeschwindigkeitssteuer- bzw. -regelsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem mittels einer Drosselklappe gesteuerten Motor und einem Meßfühler für die Fahrzeuggeschwindigkeit, gekennzeichnet durch einen elektromechanischen Stellantrieb (10) zur Betätigung der Drosselklappe (3) zur änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit über den Motor, eine Vorrichtung (12) zur Erzeugung einer ersten elektrischen Größe in Abhängigkeit von der Stellung des Stellantriebs (10) und direkt proportional der eine Drosselklappenöffnung bewirkenden Stellbewegung, einen den Stellantrieb beaufschlagenden Verstärker (9), Schaltmittel (13» 14) zur Zufuhr wenigstens eines Teils der ersten elektrischen Größe an den Verstärker (9„ 16), Schaltverbindungen des Verstärkers (9) mit dem Stellantrieb (10) in solcher Polarität, daß der Stellantrieb einen Zustand anstrebt, in welchem die Drosselklappe in einer Richtung verändert wird, bei welcher sich die erste elektrische Größe einer änderung widersetzt, eine Vorrichtung (5) zur Erzeugung einer der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen zweiten elektrischen Größe, wobei diese Vorrichtung eine linear mit der Fahrzeuggeschwindigkeit veränderliche Spannung erzeugt, eine Vorrichtung

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—5 -

is'

(7, 6) zur Erzeugung und Speicherung einer eine Fahrzeugsollgeschwindigkeit wiedergebenden dritten elektrischen Größe, eine Vorrichtung (8) zum Vergleich der zweiten und der dritten elektrischen Größe zur Erzeugung einer den Unterschied zwischen der Soll- und der Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs wiedergebenden Fehlergröße, Schaltmittel zur Zufuhr der Fehlergröße an den Verstärker in solcher Polarität, daß das System im Sinne einer Verringerung der Fehlergröße wirkt, sowie eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Teils der zweiten elektrischen Größe an den Verstärker mit einer aar Polarität des ersten elektrischen Signals entgegengesetzten Polarität.

5· System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Größe als Funktion der zweiten elektrischen Größe veränderbar ist, wobei diese Funktion bei niedrigen Geschwindigkeiten größer als bei hohen Geschwindigkeiten ist.

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