DE3916513A1 - Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerung - Google Patents
Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 35 30 280 ist ein Verfahren zum
blockiergeschützten Abbremsen eines Kraftfahrzeuges
bekannt. Dabei wird beim Überschreiten einer ersten
Drehverzögerungsschwelle von 12 m/s² ein Signal zum
Absenken des Bremsdruckes abgegeben und sodann beim
Unterschreiten einr Drehverzögerungsschwelle von 10
m/s² ein Signal zum Beenden der Bremsdruck-Absenkung
gegeben.
Bei einem solchen System treten jedoch auch bei
homogen beschaffener Fahrbahn Druckschwankungen auf,
die den Fahrkomfort vermindern und das Fahrwerk
belasten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile
zu vermeiden und ein Verfahren aufzuzeigen, das
zu einer optimalen mittleren Bremsverzögerung bei
verbesserter Fahrstabilität und geringeren Fahrwerkbelastungen
führt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen enthalten die
Ansprüche 2 und 3.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend
näher erläutert werden:
1. Es umfaßt drei neuartige Mechanismen, die zu
einer gegenüber konventionellen Systemen erhöht
mittleren Bremsverzögerung bei verbesserter
Fahrstabilität führen:
- 1. Permanente Ermittlung der Haftreibungskoeffizienten zwischen den Reifen und dem Boden während der Regelung und die daraus abgeleitete Grobberechnung einer Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
- 2. Einstellung und laufende Nachregelung idealer Schlupfwerte für alle Räder und Ermittlung idealer Radgeschwindigkeiten mit Hilfe der o. g. Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
- 3. Ausregelung von Radgeschwindigkeitseinbrüchen mit Hilfe eines Proportionalreglers (Analogregelung), der die o. g. idealen Radgeschwindigkeiten als Regelungs-Sollwerte ausnutzt.
Die während der Bremsung auftretende Fahrzeuggeschwindigkeit
beträgt zum Zeitpunkt
t+delta_t:
v_fahrzeug(t+delta_t)=v_fahrzeug(t)-a_mitt(delta_t) * delta_t (1)
Dabei bedeuten
t = beliebiger Zeitpunkt
während der Bremsung
delta_t = Zeitintervall für einen Regelungszyklus
v_fahrzeug(t+delta_t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t+delta_t
v_fahrzeug(t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t
a_mitt(delta_t) = mittlere Fahrzeugverzögerung während des Zeitintervalls t, t+delta_t)
delta_t = Zeitintervall für einen Regelungszyklus
v_fahrzeug(t+delta_t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t+delta_t
v_fahrzeug(t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t
a_mitt(delta_t) = mittlere Fahrzeugverzögerung während des Zeitintervalls t, t+delta_t)
Geht man davon aus, daß man zum Zeitpunkt der
Panikbremsung (t=t_0) die Fahrzeuggeschwindigkeit
aus den Radgeschwindigkeiten ableiten
kann und daß während der Bremsung die mittlere
Verzögerung a_mitt für jeden Regelungszyklus
berechnet werden kann, so ist auch die jeweils
aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_fahrzeug
nach Gleichung (1) zu jedem Zeitpunkt bekannt.
Die Berechnung vom a_mitt kann annähernd aus
den an den Rädern des Fahrzeugs anliegenden
Bremskräften bestimmt werden:
Dabei bedeuten
p_mitt_rad(i,delta_t) = mittlerer Bremsdruck des i-ten
Rades im Zeitintervall (t,t+delta_t),
für den das Rad stabil läuft
(konstanter Schlupf)
K = Proportionalitätskonstante, in der fahrzeugspezifische Parameter berücksichtigt sind (im wesentlichen Durchmesser der Räder und der Bremsscheiben sowie die Fahrzeugmasse)
K = Proportionalitätskonstante, in der fahrzeugspezifische Parameter berücksichtigt sind (im wesentlichen Durchmesser der Räder und der Bremsscheiben sowie die Fahrzeugmasse)
K ist eine Konstante, die nach dem hier vorgestellten
Konzept für einen bestimmten Fahrzeugtyp
fest eingestellt wird. Da K aber durch unterschiedliche
Beladungs- und Bremszustände stark
variieren kann, dürfen alle aus (2) abgeleiteten
Größen nur als Grobreferenz dienen.
Die Summierung in Gleichung (2) ist dann zulässig,
wenn man davon ausgeht, daß das Fahrzeuggewicht
seitengleich verteilt ist und für jede
Seite gilt, daß das jeweilige Vorderrad im zeitlichen
Mittel denselben Haftreibungsbeiwert zur
Fahrzbahn wie das dazugehörige Hinterrad:
G (0) + G (2) = G (1) + G (3) (3)
und
µ_mitt(0) = µ_mitt(2) (4)
µ_mitt(1) = µ_mitt(3) (5)
Dabei bedeuten
G(i) = Aufstandskraft des i-ten Rades
µ_mitt(i) = mittlerer Haftreibungsbeiwert zwischen Fahrbahn und i-tem Rad in (t, t+delta_t) mit
i = 0 ⇒ linkes Vorderrad
i = 1 ⇒ rechtes Vorderrad
i = 2 ⇒ linkes Hinterrad
i = 3 ⇒ rechts Hinterrad
µ_mitt(i) = mittlerer Haftreibungsbeiwert zwischen Fahrbahn und i-tem Rad in (t, t+delta_t) mit
i = 0 ⇒ linkes Vorderrad
i = 1 ⇒ rechtes Vorderrad
i = 2 ⇒ linkes Hinterrad
i = 3 ⇒ rechts Hinterrad
Mit den genannten Einschränkungen erlaubt Gleichung
(2) eine angenäherte Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit,
"Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit"
genannt, die eine Basis für das hier
beschriebene analoge ABS-Regelungskonzept bildet.
Das Problem liegt aber nun darin, daß die jeweilige
Berechnung von Gleichung (2) Kenntnisse über
die vorhandenen Bremsdrücke erfordert.
Die dazu normalerweise notwendigen Bremsdruckgeber
müßten für relativ hohe Drücke (bis 200 bar)
ausgelegt sein sowie möglichst schnell und exakt
messen. Aus Kostengründen sind derartige Bremsdruckgeber
in einem Standard-ABS-System nicht
einsetzbar. Das hier vorgestellte System geht
daher davon aus, daß als Druckstellglied ein
Plunger-System verwendet wird, bei dem ein eindeutiger
Zusammenhang besteht zwischen der aus
der Regelung resultierenden Ansteuerung des
Druckkolbens (nachfolgend als "Stellgröße U"
bezeichnet) und dem in System vorhandenen Druck.
Bei der analogen ABS-Regelung (s. Abschnitt
2.3) haben die Radgeschwindigkeiten die
Bedeutung der Regelgrößen. Um diese tatsächlich
analog regeln zu können, benötigt man
als Sollgrößen "ideale Radgeschwindigkeiten".
Diese erhält man, indem man die Referenz-
Fahrzeuggeschwindigkeit v_fahrzeug nach
Abschnitt 2.1 berechnet und darauf bezogen
den für jedes Rad idealen Schlupf ermittelt.
Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich
aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf ein
Rad, lassen sich aber ohne Probleme auf die
anderen Räder übertragen. Die für die Hinterräder
u. U. vorzusehenden Low-Select-Mechanismen
sind trivial und werden nicht näher
betrachtet.
v_ideal = (1 - schlupf_ideal) * v_fahrzeug (6)
Dabei bedeuten
v_ideal = ideale Radumfangsgeschwindigkeit
v_fahrzeug = Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
schlupf_ideal = idealer Schlupfwert bezogen auf die Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit (diese muß nicht notwendig die wahre Fahrzeuggeschwindigkeit sein, da gemäß 2.1 Berechnungsfehler möglich sind).
v_fahrzeug = Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
schlupf_ideal = idealer Schlupfwert bezogen auf die Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit (diese muß nicht notwendig die wahre Fahrzeuggeschwindigkeit sein, da gemäß 2.1 Berechnungsfehler möglich sind).
Gleichung (6) liegt folgende Schlupfdefinition
zugrunde:
Um Gleichung (6) zu lösen, benötigt man den
Idealschlupf, der sich relativ leicht während
der ABS-Regelung ausmessen läßt. Es handelt
sich nämlich um den Schlupfwert, für den bei
maximal möglichem Bremsdruck ein Momentengleichgewicht
am Rad vorliegt, d. h. das antreibende
Momente durch die Reibungskraft
zwischen Reifen und Fahrbahn ist annähernd
identisch mit dem Bremsmoment. Dazu betrachte
man folgende Differentialgleichung, die die
Rotationsdynamik des Rades beschreibt (s. auch
Abb. 1):
Dabei bedeuten:
= Winkelbeschleunigung des Rades
= Winkelgeschwindigkeit des Rades
theta = Massenträgheitsmoment des Rades
r = Raddurchmesser
F_Reibung = Effektive Reibungskraft zwischen Rad und Fahrbahn
M_Brems = Bremsdruckbedingtes Bremsmoment
K = Rollreibungskonstante
= Winkelgeschwindigkeit des Rades
theta = Massenträgheitsmoment des Rades
r = Raddurchmesser
F_Reibung = Effektive Reibungskraft zwischen Rad und Fahrbahn
M_Brems = Bremsdruckbedingtes Bremsmoment
K = Rollreibungskonstante
Einzustellen ist also derjenige Schlupf, für
den gilt:
Anmerkung:
Die Forderung ≈ 0 besagt, daß im Hinblick auf
eine gewünschte Fahrzeugverzögerung selbstverständlich
auch eine Winkelverzögerung des Rades angestrebt
wird. Diese sollte aber betragsmäß klein
sein ( 1.6 g/r), so daß sichergestellt ist,
daß kein überbremsungsbedingter Radgeschwindigkeitseinbruch
vorliegt.
Bei der Auffindung des Idealschlupfs nach Gleichung
(8) macht man sich die Tatsache zunutze, daß die
µ-Schlupf-Kennlinie i. a. ein Maximum aufweist, das
man idealerweise bei der Schlupfeinstellung des
Rades "anfahren" sollte. Existiert kein µ-Maximum im
fahrstabilen Schlupfbereich (dies ist z. B. auf
Schnee und Schotter der Fall), so wird der minimale
eingestellt, für den die µ-Werte noch nicht
gravierend abnehmen.
Nachfolgend wird gezeigt, wie sich der ideale
Schlupf nach (8) finden läßt.
Eine Realisierung der gewünschten Schlupfregelung
läßt sich mit Hilfe eines Plunger-Druckmodulators
deshalb realisieren, da anhand der Stellgröße U (s.
2.1) der jeweils eingestellte Bremsdruck bekannt
ist, so daß die Bedingung (9) erfüllt werden kann,
die besagt, daß das Momentengleichgewicht für das
maximale Bremsmoment (also für den maximalen Bremsdruck)
gesucht wird.
Algorithmus zur Auffindung des idealen Schlupfes:
- 1) Anfangs wird ein relativ geringer Schlupfwert
S_START voreingestellt und der zugehörige Bremsdruck
P als P_ALT zwischengespeichert. Danach
wird der Schlupf um einen Betrag S_DELTA erhöht
und der sich stabil einstellende P-Wert mit P_Alt
verglichen. Falls P < P_ALT gilt, so war die
Schlupfvergrößerung berechtigt, da der Bremsdruck
zum Halten des Rades erhöht werden konnte, die
Bremswirkung des neuen Schlupfes S_START +
S_DELTA also vergrößert werden konnte (s. Abb.
2).
(Dabei wird - wie bereits in 2.1 erwähnt - davon ausgegangen, daß der Bremsdruck direkt aus der Stellgröße U abgeleitet werden kann. - 2) Das Hochfahren des Schlupfes S endet, wenn eine
der beiden nachfolgend aufgeführten Situationen
vorliegt:
- a) Durch den Vergleich von P_ALT wurde
festgestellt, daß die µ-Kuppe erreicht ist: P
< =P_ALT (s. Abb. 3.a).
Beim Überschreiten der µ-Kuppe kann ein mitkopplungsbedingter Radgeschwindigkeitseinbruch auftreten, den die analoge ABS-Regelung (s. Abschnitt 2.3) möglichst ganz vermeiden oder sehr schnell ausregeln muß. Bei einer notwendigen Ausregelung wird ein Schlupf angefahren, der um 2 * S_DELTA unter dem Abbruchschlupf liegt. - b) Es wurde bereits ein Schlupf eingestellt, der
oberhalb einer für die Stabilitätserhaltung
festgesetzten Grenze liegt und die Änderung der
P-Werte ist nur noch gering:
S < S_MAX & P_DELTA/S_DELTA < Grenzwert (s. Abb. 3.b).
Dies ist allgemein der Fall bei losem Untergrund (Schotter, Schnee etc.)
- a) Durch den Vergleich von P_ALT wurde
festgestellt, daß die µ-Kuppe erreicht ist: P
< =P_ALT (s. Abb. 3.a).
- 3) Sobald der "Idealpunkt" für den Schlupf eingestellt
wurde, erfolgt nur noch eine schwache
Nachregelung mit S_DELTA/4. Tritt ein gravierender
µ-Sprung ein (i. a. erkennbar an den sich
sprungartig um große Beträge ändernden P-Werten),
so beginnt die Schlupfregelung nach der Stabilisierung
wieder bei Punkt 1, da sich außer dem
Wert µ_max auch die Form der µ-Kennlinie geändert
haben kann.
Durch die Schlupfregelung kann immer der ideale Schlupf zwischen Reifen und Fahrbahn gefunden werden. Um diesen regelungstechnisch auch schnell einstellen zu können, benötigt man die nachfolgend beschriebene analoge ABS-Regelung.
Unter dem Betriff "analoge Regelung" soll hier
nicht eine Regelung mit analogen Schaltkreiskomponenten
verstanden werden, sondern die
anschließend beschriebenen Mechanismen lassen
sich auch mit üblichen µ-Controllern realisieren.
Vielmehr ist hier gemeint, daß nicht
die herkömmliche ABS-Strategie zur Anwendung
kommt, nach der ein stufenweise über Magnetventile
erzielter Druckab- und -aufbau erfolgt, um
die Radbeschleunigung in einem gewünschten Band
zu halten. Das hier vorgestellte Konzept sieht
vor, analoge (nicht quantisierte) Druckwerte
einzustellen, die sich aus der jeweils existierenden
Regeldifferenz zwischen der Idealgeschwindigkeit
und der tatsächlichen Radgeschwindigkeit
errechnen. Die durch eine endliche
Regelzykluszeit und die Auflösung der
Controller-Arithmetik bedingte Zeit- und
Wertediskretisierung kann bei der Leistung
heutiger µ-Controller im Vergleich zu den
relativ hohen Verzugszeiten der zu steuernden
Mechanik vernachlässigt werden, so daß die
eigentlich nur "quasi-analoge" Regelung hier im
weiteren als "analoge" Regelung bezeichnet
wird.
Für einen analogen ABS-Regler existieren folgende
Größen:
v_ideal = ideale Radgeschwindigkeit
(Sollwert)
v_rad = tatsächliche Radgeschwindigkeit (Istwert)
X = v_ideal-v_rad = Differenz zwischen idealer und tatsächlicher Radgeschwindigkeit (Regelabweichung)
p = Bremsdruck (Stellgröße)
v_rad = tatsächliche Radgeschwindigkeit (Istwert)
X = v_ideal-v_rad = Differenz zwischen idealer und tatsächlicher Radgeschwindigkeit (Regelabweichung)
p = Bremsdruck (Stellgröße)
Damit läßt sich beispielsweise ein PID-Regler
aufbauen:
Dabei bedeuten
K_R = Regelverstärkung
T_a = Abtastzeit = Regelzykluszeit
T_n = Nachstellzeit des Integralanteils
T_v = Vorhaltezeit des Differentialanteils
p_fahrer = Fahrerbremsdruck, der zur Radblockierung geführt hatte
p(i) = Einzustellender Bremsdruck zum Zeitpunkt i
x(i) = Regelabweichung zum Zeitpunkt i
T_a = Abtastzeit = Regelzykluszeit
T_n = Nachstellzeit des Integralanteils
T_v = Vorhaltezeit des Differentialanteils
p_fahrer = Fahrerbremsdruck, der zur Radblockierung geführt hatte
p(i) = Einzustellender Bremsdruck zum Zeitpunkt i
x(i) = Regelabweichung zum Zeitpunkt i
Abb. 4 zeigt den funktionalen Aufbau einer derartigen
Regelschleife. Als direkte Stellgröße dient
das Signal U, das auch zur Berechnung der Fahrzeug-
Referenzgeschwindigkeit und als druckproportionale
Entscheidungsgröße für die Schlupfregelung herangezogen
wird.
Claims (3)
1. Verfahren zum Ermitteln und Einstellen einer
optimalen mittleren Bremsverzögerung bei blockiergeschützten
Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Haftreibungskoeffizient zwischen dem Reifen und der Fahrbahn während des Regelvorgangs permanent ermittelt und daraus die Fahrzeug- Referenzgeschwindigkeit grob berechnet wird,
- - daß die Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit zur Ermittlung idealer Radgeschwindigkeiten dient und zur Einstellung und laufenden Nachregelung der idealen Schlupfwerte aller Räder herangezogen wird.
- - und daß die idealen Radgeschwindigkeiten als Sollwerte für einen Proportionalregler verwendet werden, der Radgeschwindigkeitseinbrüche ausregelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst ein relativ geringer Schlupfwert
vorgegeben und der zugehörige Bremsdruck
zwischengespeichert und danach der Schlupf erhöht
und der sich stabil einstellende Druckwert mit
dem Zwischengespeicherten verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Druckstellglied ein Plunger-System
verwendet wird, das einen eindeutigen Zusammenhang
zwischen der aus der Regelung resultierenden
Ansteuerung des Druckkolbens und dem im System
vorhandenen Druck aufweist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893916513 DE3916513A1 (de) | 1989-05-20 | 1989-05-20 | Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerung |
PCT/DE1990/000355 WO1990014255A1 (de) | 1989-05-20 | 1990-05-14 | Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzögerung |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893916513 DE3916513A1 (de) | 1989-05-20 | 1989-05-20 | Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3916513A1 true DE3916513A1 (de) | 1990-11-22 |
DE3916513C2 DE3916513C2 (de) | 1993-03-04 |
Family
ID=6381083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893916513 Granted DE3916513A1 (de) | 1989-05-20 | 1989-05-20 | Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerung |
Country Status (2)
Country | Link |
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DE (1) | DE3916513A1 (de) |
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