DE3937102A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektronischen steuerung der drosselklappenoeffnung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur elektronischen steuerung der drosselklappenoeffnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur elektronischen Steuerung der Drosselklappenöffnung in
einem Verbrennungsmotor, die dazu geeignet sind, die Drosselklappenöffnung
entsprechend der Stellung eines Gaspedals
unter Verwendung eines Gleichstrommotors einzustellen.
Anläßlich der in den letzten Jahren eingetretenen Verbesserung
der Betriebseigenschaften und der Leistungssteigerung
von Kraftfahrzeugen ist die Verwendung eines sogenannten
"Traktionsregelsystems (TRS)" bekannt geworden, in
dem ein vorgegebenes Betätigungselement wie etwa ein Elektromotor
zum Öffnen und Schließen einer Drosselklappe verwendet
wird, so daß der Öffnungsgrad der Drosselklappe zum
einen durch Zuführung von dem Öffnungsgrad eines Gaspedals
entsprechenden Daten an eine Steuereinheit, z. B.
einen Mikrokomputer, die die Daten einer vorgegebenen Rechenoperation
unterzieht, und zum anderen durch Zuführung
des Öffnungsgrades des Gaspedals an das Betätigungselement
gesteuert werden kann.
Das TRS erfordert ein Betätigungselement, um den Öffnungsgrad
der Drosselklappe wie eben beschrieben zu steuern.
Ein solches Betätigungselement ist an sich bekannt und
kann z. B. von einem Gleichstrommotor gebildet werden,
wie es aus JP 61-93 251-A bekannt ist.
Das einen Gleichstrommotor verwendende Betätigungselement
ist vorteilhaft in bezug auf sein Ansprechvermögen, seine
Kosten und seine Größe, so daß die Neigung besteht, es in
großem Umfang einzusetzen.
Beim obigen Stand der Technik ist jedoch den Einflüssen
der Betriebsbedingungsänderungen bei den bewegten Teilen
wie etwa der Drosselklappe des Betätigungselements keine
Beachtung geschenkt worden, so daß für die hohe Genauigkeit
der Drosselöffnungssteuerung ein Problem entsteht.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung der Drosselklappenöffnung
mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen
Steuerung der Drosselklappenöffnung zu schaffen, mit denen
die Drosselklappenöffnung ohne Beeinflussung durch Betriebsbedingungsänderungen
oder durch eine Alterungsverschlechterung
genau gesteuert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
zu schaffen, die durch Ausschaltung
des Einflusses durch die Reibung, die zwischen den bewegten
Teilen des Betätigungselementes auftritt, eine hinreichend
hohe Genauigkeit des Drosselklappenöffnungsgrades
gewährleistet.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung
der Drosselklappenöffnung, die zum Lernen der Ursachen
derjenigen Veränderungen, die die Betriebseigenschaften
des Gleichstrombetätigungsmotors beeinflussen, in der
Lage sind und die die Steuervariablen ändern können. Wenn
die Drosselklappe in einem stabilen, unbewegten Zustand
wie etwa dem vollständig geöffneten Zustand oder dem vollständig
geschlossenen Zustand ist, ermittelt die Vorrichtung
die Federkonstante und verarbeitet diese in einem
Lernprozeß.
Zusätzlich zur Federkonstanten, die eine Ursache für die
Schwankungen der Betriebseigenschaften darstellt, treten
auch Schwankungen der Reibungskraft im Drossellagerbereich
und im Motorlagerbereich auf. Da die Reibungskraftänderung
auf die Steuervorrichtung so wirkt, daß sie den beobachteten
Federkraftwert ändert, ist es möglich, verschiedene
Änderungsursachen durch eine den Einfluß durch die Reibung
und die Trägheit berücksichtigende lernende Steuerung der
beobachteten Federkonstanten zu kompensieren.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Regelkreissystem
so aufgebaut, daß es sowohl diejenige Steuervariable,
die proportional zur Differenz zwischen einem
Zielwert und einem tatsächlichen Wert des Öffnungsgrades
ist, d. h. einen Proportionalterm (P-gesteuerte Komponente),
als auch eine Steuervariable, die dem differenzierten
Wert des Öffnungsgrades, d. h. einem Differentialterm
(D-gesteuerte Komponente), entspricht, verwendet.
Diese Komponenten wären für die gewünschte Genauigkeit
unzureichend, falls in dem zu steuernden Gegenstand Reibungen
auftreten. Diese Abnahme der Steuerungsgenauigkeit
kann jedoch durch Addition der Steuerungskorrekturgröße,
die die Reibungskraft berücksichtigt, vermieden werden, so
daß ein Steuerergebnis mit hoher Genauigkeit leicht erzielt
werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines
Antriebssystems, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
Anwendung findet;
Fig. 2 eine Detailansicht der in Fig. 1 gezeigten Drosselklappe;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Drosselsteuerung;
Fig. 4 das Schaltbild einer Ausführungsform der Motorantriebsschaltung;
Fig. 5 ein Steuerungsblockschaltbild einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der
Drosselklappenöffnung;
Fig. 6 einen die Beziehung zwischen der tatsächlichen Drehwinkelposition
der Drosselklappe und dem tatsächlichen
Gleichstrommotor-Strom darstellenden Graphen;
Fig. 7 einen die Ansprechcharakteristik bei sich veränderndem
Parameter b darstellenden Graphen;
Fig. 8 einen die Beziehung zwischen den Parametern a und
b darstellenden Graphen;
Fig. 9 ein Steuerblockschaltbild einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Steuerung der Drosselklappenöffnung;
Fig. 10 einen die Veränderung der Drosselklappenöffnung
darstellenden Graphen, wenn der Gleichstrommotor-
Strom allmählich gesenkt wird;
Fig. 11 einen die Ansprechcharakteristik der Drosselklappenposition
darstellenden Graphen; und
Fig. 12 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Rechenprogramms.
Nun wird mit Bezug auf die Figuren eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der Drosselklappenöffnung
im einzelnen beschrieben. Fig. 1 stellt
eine erläuternde Ansicht eines Traktionsregelsystems eines
Kraftfahrzeugs dar, in dem eine Ausführungsform der Erfindung
Anwendung findet. Das in Fig. 1 gezeigte Traktionsregelsystem
ist von einer sogenannten "Tandembauart", in der
zwei Drosselklappen vorgesehen sind. Das System ist mit
einer ersten Drosselklappe 2, die direkt durch ein Gaspedal
4 betätigt wird, und mit einer zweiten Drosselklappe
6, die durch einen als Drosselbetätigungselement wirkenden
Gleichstrommotor 8 geöffnet und geschlossen wird, ausgerüstet,
so daß die Traktionsregelung durch Steuerung der
Öffnung der zweiten Drosselklappe 6 geführt wird. Wie
in Fig. 2 gezeigt, ist bei der zweiten Drosselklappe 6
eine Feder oder Rückholfeder 10 vorgesehen, die die Drosselklappe
6 aus Gründen der Störungssicherheit in die
vollständig geöffnete Position vorspannt, so daß diese von
selbst in die vollständig geöffnete Position zurückgestellt
wird, wenn die Stromzuführung an den Gleichstrommotor
8 unterbrochen ist. Der Gleichstrommotor 8 ist über
eine Übersetzung 12 mit der zweiten Drosselklappe 6 verbunden,
um die Klappe 6 gegen die Feder 10 zu öffnen und
zu schließen.
Wenn in einem von einem leistungsstarken Motor angetriebenen
Kraftfahrzeug das Gaspedal 4 unangemessen betätigt
wird, kann das Fahrzeug durch das übermäßige Drehmoment an
den Antriebsrädern 14 und 16 ins Schleudern geraten. Daher
empfängt eine Traktionssteuerung 18 von einzelnen Radgeschwindigkeitssensoren
20, 22, 24 und 26 Signale, um anhand
der Differenzen zwischen den Geschwindigkeiten der Antriebsräder
14 und 16 und der Geschwindigkeit der bewegten
Räder 28 und 30 das Auftreten eines Schlupfs zu ermitteln
und um an eine Drosselsteuerung 32 einen Befehl zur Steuerung
des Gleichstrommotors 8 entsprechend dem Öffnungsgrad
der zweiten Drosselklappe 6 zu liefern, um dadurch die
Ausgangsleistung eines Motors 34 so anzupassen, daß der
Schlupf in einem vorgegebenen Bereich unterdrückt wird.
Die Öffnung der zweiten Drosselklappe 6 wird zu diesem
Zeitpunkt mittels eines Drosselsensors 36 ermittelt und
der Traktionssteuerung 18 zugeführt, wodurch ein Rückkopplungssystem
gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung wird mit bezug auf Fig. 3, in
der eine Ausführungsform der Drosselsteuerung 32 gezeigt
ist, beschrieben. Die ermittelten Signale der Radgeschwindigkeitssensoren
20, 22, 24 und 26 werden an eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung
40 und weiterhin an
eine Schlupfverhältnisberechnungseinrichtung 42 geliefert,
um ein den Schlupfgrad angebendes Schlupfverhältnis S zu
berechnen.
Wie oben beschrieben, wird der Öffnungsgrad der zweiten
Drosselklappe 6 so gesteuert, daß das Schlupfverhältnis S
in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird. In einer
Zielöffnungsgradberechnungseinrichtung 44 wird der Öffnungsgrad
zu diesem Zeitpunkt, d. h. ein Zielöffnungsgrad
R t , berechnet.
Der so berechnete Zielöffnungsgrad R t wird in die Drosselsteuerung
32 eingegeben, an die andererseits vom Drosselsensor
36 der tatsächliche Öffnungsgrad R r der zweiten
Drosselklappe 6 zugeführt wird.
Der Zielöffnungsgrad R t und der tatsächliche Öffnungsgrad
R r werden in eine Differenzsteuersignalberechnungseinrichtung
46 eingegeben, die ein zur Differenz dieser Signale
proportionales Steuersignal, also ein Differenzsteuersignal
berechnet.
Außerdem wird der tatsächliche Öffnungsgrad R r vom Drosselsensor
36 in eine Öffnungsgradsignalberechnungseinrichtung
48 eingegeben, in der ein zum Öffnungsgrad proportionales
Signal erzeugt wird.
Der tatsächliche Öffnungsgrad R r vom Drosselsensor 36 wird
zudem einer Differenziereinrichtung 50 zugeführt, die einen
die Bewegungsgeschwindigkeit der zweiten Drosselklappe
6 angebenden differenzierten Öffnungswert R v ausgibt.
Dieser differenzierte Öffnungswert R v wird an eine Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52 und an eine
Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung 54 geliefert.
Die Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52 liefert ein dem differenzierten Öffnungswert R v entsprechendes
Differentialsteuersignal, während die Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung
54 ein Reibungskorrektursignal
ausgibt.
Sämtliche auf vier Leitungen geführte Signale werden einer
Addier-/Subtrahiereinrichtung 56 zugeführt, die die Signale
dreier Leitungen, d. h. das Differenzsteuersignal
von der Differenzsteuersignalberechnungseinrichtung 46,
das Differentialsteuersignal von der Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52 und das Öffnungsgradsteuersignal
von der Öffnungsgradsignalberechnungseinrichtung
48 einer Rechenoperation unterzieht. Das von der Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung
54 gelieferte Reibungskorrektursignal
wird später beschrieben.
Das Rechenergebnis wird durch eine Spannungskorrektureinrichtung
58 korrigiert und dann in eine Arbeitssteuersignalberechnungseinrichtung
60 eingegeben. Das korrigierte
Signal wird durch die Berechnungseinrichtung 60 in ein
Arbeitssteuersignal für die Steuerung des Gleichstrommotors
umgewandelt und an die Motorantriebseinrichtung 62
geliefert, um den Gleichstrommotor 8 anzutreiben und dadurch
die zweite Drosselklappe 6 zu öffnen und zu schließen.
In Fig. 4 sind Einzelheiten der Motorantriebseinrichtung
62 gezeigt. Die Motorantriebseinrichtung 62 wird von einer
sogenannten "H-Typ-Transistorbrückenschaltung" gebildet
und ist aus vier FETs 70, 72, 74 und 76 aufgebaut. Durch
paarweise Steuerung der Leitfähigkeit diagonal angeordneter
FETs, z. B. der FETs 70 und 76 bzw. der FETs 72
und 74, wird der Gleichstrommotor 8 vorwärts und rückwärts
gedreht. Insbesondere wird die Stromsteuerung des Gleichstrommotors
8 durch Steuerung der Leitfähigkeiten der einzelnen
FETs anhand von Impulssignalen und durch die Änderung
des Pegelverhältnisses der Impulssignale bewerkstelligt.
Wenn in diesem Moment der Strom des Gleichstrommotors 8
auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird, d. h. wenn
die erwähnte Belastung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt
wird, wird der Wert des tatsächlich durch den
Gleichstrommotor 8 fließenden Stroms anhand der Klemmenspannung
geändert.
Daher wird die Spannung durch Ermittlung der Spannung des
Gleichstrommotors 8 mittels einer Spannungsermittlungseinrichtung
80 und durch Lieferung des ermittelten Wertes an
die oben erwähnte Spannungskorrektureinrichtung 58 korrigiert.
Ein Mikrocomputer 82 weist einen Nur-Leser-Speicher (ROM),
in dem ein Programm gespeichert ist, einen Schreib-Lese-
Speicher (RAM) und einen A/D-Wandler auf und steuert über
Schaltelemente 84, 86, 88 und 90 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
des Drosselsensors 36 und eines Gaspedalpositionssensors
91 wahlweise die vier FETs 70, 72, 74 und 76,
um den Gleichstrommotor-Strom einzustellen. Dieser
Gleichstrommotor-Strom wird durch Ermittlung der Spannung
über einen Widerstand 92 gemessen. Ein Verstärker 94 versorgt
den Mikrocomputer 82 mit dem ermittelten Motorstromsignal,
um die Amplitude des Gleichstrommotor-Stroms kontinuierlich
zu steuern.
Diese Funktionen der Drosselsteuerung 32 sind in dem in
Fig. 5 gezeigten Steuerungsblockschaltbild dargestellt.
In Fig. 5 entspricht ein die Federkonstante K s′ einer
Rückstellfeder 10 enthaltender Block100 der Öffnungsgradsignalberechnungseinrichtung
48; ein Block 102, der das
Trägheitsmoment I s′ der gesamten Betätigungsvorrichtung
der zweiten Drosselklappe enthält, die aus dem Gleichstrommotor
8 und der Drosselklappe 6 aufgebaut ist, entspricht
der Differenzsteuersignalberechnungseinrichtung 46;
ein Block 104, der ebenfalls das Trägheitsmoment I s′ enthält
und mit dem differenzierten Öffnungsgradwert R v versorgt
wird, entspricht der Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52; ein Block 106 schließlich entspricht
der Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung 54.
Ferner stellt ein Block 108 den Gesamtaufbau eines Drosselklappenbetätigungsmechanismus
dar, der aus dem Gleichstrommotor
8 und der Drosselklappe 6 aufgebaut ist. In
diesem Block 108 wirkt ein Block 110 als Korrekturterm für
eine Reibungsdrehmomentkonstante T f.
Die Parameter sind wie folgt definiert:
T m: Gleichstrommotordrehmoment
T fm: Reibungsdrehmoment der Motorwelle
I m: Trägheitsmoment des Gleichstrommotors
R m : Drehwinkel des Gleichstrommotors
G: Übersetzungsverhältnisse eines zwischen dem Gleichstrommotor 8 und der Drosselklappe 6 dazwischengeschalteten Reduktionsgetriebemechanismus
I g: Trägheitsmoment des Getriebes
R r : Drosselklappenöffnungsposition
R₀: von der Feder 10 bewirkte Einstellposition
K s: Federkonstante
T f: Reibungsdrehmoment der Drosselwelle
T v: Luftwiderstand der Drosselklappe
I: Motorstrom
K m: Drehmomentkonstante, die das Ausgangsdrehmoment pro Einheitsstromwert des Gleichstrommotors 8 angibt
K s′: tatsächliche Federkonstante
I s′: tatsächliches Trägheitsmoment
a,b: Polzuordnungsparameter, die die Ansprechzeit beherrschen, die durch das Intervall zwischen dem Moment, in dem der Befehl zum Öffnen der Drosselklappe 6 ausgegeben wird und dem Moment, in dem die Drosselklappe 6 den dem Öffnungsbefehl entsprechenden Öffnungsgrad erreicht, gegeben ist.
T fm: Reibungsdrehmoment der Motorwelle
I m: Trägheitsmoment des Gleichstrommotors
R m : Drehwinkel des Gleichstrommotors
G: Übersetzungsverhältnisse eines zwischen dem Gleichstrommotor 8 und der Drosselklappe 6 dazwischengeschalteten Reduktionsgetriebemechanismus
I g: Trägheitsmoment des Getriebes
R r : Drosselklappenöffnungsposition
R₀: von der Feder 10 bewirkte Einstellposition
K s: Federkonstante
T f: Reibungsdrehmoment der Drosselwelle
T v: Luftwiderstand der Drosselklappe
I: Motorstrom
K m: Drehmomentkonstante, die das Ausgangsdrehmoment pro Einheitsstromwert des Gleichstrommotors 8 angibt
K s′: tatsächliche Federkonstante
I s′: tatsächliches Trägheitsmoment
a,b: Polzuordnungsparameter, die die Ansprechzeit beherrschen, die durch das Intervall zwischen dem Moment, in dem der Befehl zum Öffnen der Drosselklappe 6 ausgegeben wird und dem Moment, in dem die Drosselklappe 6 den dem Öffnungsbefehl entsprechenden Öffnungsgrad erreicht, gegeben ist.
Wenn der Gleichstrommotor 8 so betätigt wird, daß er die
vollständig geschlossene Drosselklappe 6 öffnet, ist das
Trägheitsmoment I s′ durch die folgende Gleichung gegeben:
Is′=ImG²+Ig
Die Zustandsgleichung ist durch
gegeben,
wobei
X₁= r
X₂= r
U=R t
y=X₁ .
X₂= r
U=R t
y=X₁ .
Wenn die Zustandsrückkopplung
angewendet wird, um eine beliebige Ansprechempfindlichkeit
zu erhalten, wird das Blockschaltbild in die in Fig. 5 gezeigte
Darstellung geändert.
Nun wird angenommen, daß K s=K s′ und I s=I s′ ist; damit wird
die detaillierte Erläuterung fortgesetzt.
Wenn K m=K m′ ist, kann das gesamte Regelsystem anhand der
folgenden, vereinfachten Zustandsgleichungen (4) und (5)
behandelt werden:
Wenn die Parameter a und b festgesetzt werden, stimmt die
Ansprechempfindlichkeit des Regelsystems mit der folgenden
Übertragungsfunktion (6) überein:
Der Wert des an den Gleichstrommotor 8 gelieferten Stroms
hat jedoch einen Grenzwert, so daß es schwierig ist, die
Ansprechempfindlichkeit des Systems mit der obigen Zustandsgleichung
oder Übertragungsfunktion in Übereinstimmung
zu bringen. Ein kleiner Unterschied zwischen ihnen
hat keinen Einfluß auf die Stabilität des Gesamtsystems.
In Fig. 6 ist ein Graph gezeigt, der die Beziehung zwischen
der tatsächlichen Drehwinkelposition der Drosselklappe
6 und dem tatsächlichen Gleichstrommotor-Stromwert
darstellt. Der maximale Gleichstrommotor-Strom ist begrenzt,
so daß beim Starten des Gleichstrommotors kein
Überstrom durch diesen Motor fließt. Wenn die Grenze 0.08
Sekunden nach dem Startzeitpunkt freigegeben wird, stimmt
die Ansprechempfindlichkeit mit der oben erwähnten Übertragungsfunktion
überein.
Wenn die durch den Gleichstrommotor ausgeführte, oben
erwähnte Drehpositionssteuerung auf die Drosselklappenpositionssteuerung
angewendet wird, ist die Vermeidung
eines Überschwingens in der Drosselklappensteuerung erforderlich.
Wenn die Drosselklappe aufgrund eines Überschwingens
auf eine Sperre trifft, verursacht dies eine Fehlerhaftigkeit,
ein Geräusch und eine kurze Lebensdauer
des Systems.
Durch eine geeignete Wahl der oben genannten Parameter a
und b kann mit der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung
eine Ansprechempfindlichkeit, die frei von jeglichem
Überschwingen ist, erzielt werden.
In Fig. 7 sind Ansprechcharakteristiken gezeigt, bei denen
der Parameter a auf einem konstanten Wert gehalten und der
Parameter b variiert wird. Wie aus Fig. 7 ersichtlich,
kann mit einem geeigneten Wert b einerseits die Einstellzeit
minimiert und andererseits ein Überschwingen verhindert
werden.
In Fig. 8 ist für einen vorgegebenen Wert des Parameters a
der optimale Wert des Parameters b angegeben. Dieser Graph
eignet sich für die Feststellung der Parameter a und b.
In der obigen Erläuterung wurde der dritte Ausdruck der
Formel (1) vernachlässigt, andererseits wurden das Reibungsdrehmoment,
die Hysterese der Feder 10 und die anfängliche
Einstellast der Feder 10 hinzuaddiert.
In Fig. 5 werden das Reibungsdrehmoment und die Federhysterese
mit T f′ bzw. durch die Geschwindigkeitsfunktion
bezeichnet, während die anfängliche Einstellposition der
Feder 10 mit R₀ bezeichnet wird. Die anfängliche Einstellast
der Feder K sxR₀ wird durch den Ausdruck
(K m/K m′)xK s′xR₀′ in der Steuerschaltung kompensiert.
Das Reibungsdrehmoment und die Hysterese der Feder 10 werden
mittels der Gleichung T f=(K m/K m′)xT f′ kompensiert.
Die anfängliche Einstellposition R₀ der Feder 10 und das
Reibungsdrehmoment und die Federhysterese T f variieren beträchtlich
mit der Produktstreuung, der Umgebungsänderung
und der Alterungsverschlechterung, so daß eine einheitliche
Festlegung der Werte R₀ und T f in der Steuerschaltung
unmöglich ist.
Wenn der Wert R₀′ den Wert R₀ nicht kompensieren kann und
das Regelsystem in einem stabilen Zustand ist (vollständig
geöffnet oder vollständig geschlossene Position), so gilt
die folgende Gleichung:
Is′ (a²+b²) ( R t-R r) = Ks′( R₀′-R₀)
wobei K s=K s′ und K m=K m′ ist.
Diese Gleichung kann wie folgt umgeformt werden:
Hierbei ist T f eine mit der Geschwindigkeit sich ändernde
Funktion.
Am Beginn der Bewegung der Drosselklappe erzeugt die durch
T f-T f′ gegebene Reibung eine gegen die Bewegung der
Drosselklappe 6 gerichtete Kraft.
Für die Drosselklappenbetriebscharakteristik ist die Erfüllung
der Gleichung T f-T f′ = 0 erstrebenswert; die
Verringerung von T f-T f′ auf Null ist jedoch sehr schwierig.
Falls T f-T f′<0, wird das Regelsystem instabil. Daher
ist es ratsam, T f-T f′ <0 zu setzen und die Differenz
T f-T f′ als Reibung zu behandeln.
Der positive Wert T f-T f′ bewirkt eine Abweichung R t-R r,
die durch die Gleichung
gegeben ist.
In Fig. 10 ist die Bewegung der Drosselklappe gezeigt,
wenn der Gleichstrommotor-Strom allmählich erhöht oder
gesenkt wird. In Fig. 10 wird nur der Gleichstrommotor-
Strom verändert. Wenn i₁ einen Stromwert zum Zeitpunkt t₁,
zu dem die Drosselklappe die Bewegung in einer Richtung
beginnt, und i₂ einen Stromwert zu einem Zeitpunkt t₂, zu
dem die Drosselklappe die Bewegung in der Gegenrichtung
beginnt, darstellt, gelten die folgenden Gleichungen:
Kmi₁ = Ks R₀ + T f
Kmi₂ = Ks R₀ - T f
Wegen der letzten dieser drei Gleichungen wird R₀ durch
R₀′ geschätzt und kompensiert.
In Fig. 11 ist ein Beispiel der Ansprechcharakteristik
gezeigt, wenn T f-T f′<R₀ und die Zielposition R t=20° ist.
Wegen T f-T f′<R₀ bleibt eine nicht kompensierte Abweichung
R t-R r.
Falls T f-T f′=0 ist, wird die Abweichung auf Null verringert;
da es jedoch schwierig ist, in einem praktischen
System T f-T f′ auf den Wert Null einzuregeln, werden
statt dessen die Parameter a und b so geändert, daß
ein Überschwingen bewirkt und die Abweichung T f-T f′
durch dieses Überschwingen kompensiert wird. Folglich
weist das Regelsystem eine genaue und stabile Regelungscharakteristik
auf, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist.
In Fig. 12 ist ein Flußdiagramm des in der Mikroprozessoreinheit
82 bereitgestellten Rechenprogramms gezeigt. Das
Flußdiagramm wird in jedem vorgegebenen Zeitintervall mittels
eines Zeitablaufplanes gestartet.
Im Schritt 120 nimmt das Programm die Drosselklappenposition
R r und im Schritt 121 die Gaspedalposition R t auf und
berechnet im Schritt 122 die Abweichung R r-R t.
Dann geht das Programm weiter zum Schritt 124, dem der
Motorstromwert i berechnet wird, sofern die folgenden Bedingungen
nicht erfüllt sind:
- (1) im Schritt 123 wird die Zielposition R t=0 ermittelt; oder
- (2) im Schritt 127 wird ermittelt, daß die Zielposition R t angenähert gleich der wirklichen Position R r ist.
Der Wert des Stroms i ist durch die Gleichung
i = A( R t- R r) - BΔR r + C( R r - R₀′),
gegeben.
Im Schritt 125 setzt das Programm ein Zustandsbit auf den
Wert "1" und gibt den Stromwert i im Schritt 126 aus.
Wenn andererseits der Zielwert R t=0 und die tatsächliche
Position R r angenähert gleich R t ist, wird im Schritt 128
beurteilt, ob ΔR Null ist oder nicht. Wenn im Schritt 128
geurteilt wird, dasß ΔR Null ist und im Schritt 129 festgestellt
wird, daß das Zustandsbit den Wert "1" besitzt,
geht das Programm weiter zum Schritt 130, um i₁=i₁+Δ i zu
berechnen. Dann berechnet das Programm in den Schritten
131 und 132 die Stromwerte i₂ bzw. i, um den Stromwert i
ausgegeben.
Falls im Schritt 129 das Zustandsbit den Wert "-1" besitzt,
berechnet das Programm im Schritt 136 i₂=i₂-Δ i und
im Schritt 137 den Stromwert i, und denselben auszugeben.
Wenn im Schritt 129 das Zustandsbit den Wert "0" besitzt,
werden im Schritt 135 die Stromwerte i und i₁ auf den Wert
0 (Anfangseinstellung) gesetzt.
Wenn im Schritt 128 ΔR<0 ist, geht das Programm zum
Schritt 139 weiter, löscht das Zustandsbit und bestimmt im
Schritt 140 einen gelernten Wert R₀′. Wie oben erwähnt,
ist der gelernte Wert R₀′, der durch einen Lernprozeß
bestimmt wurde, durch die folgende Gleichung gegeben.
Die Steuerung wird anschließend unter Verwendung des gelernten
Wertes R₀′ ausgeführt.
Wenn in dem obigen System die Einflüsse der Drehmomentkonstanten
T f des Blocks 110 in dem aus dem Gleichstrommotor
8, der Drosselklappe 6 und der Rückstellfeder 10 aufgebauten
Betätigungssystem hinreichend klein sind, um vernachlässigt
werden zu können, entsteht bei den oben erwähnten
drei Arten von Steuersignalen kein ernsthaftes Problem.
Die Einflüsse aufgrund der Reibungsdrehmomentkonstanten
T f können jedoch nicht vernachlässigt werden, so daß eine
hohe Genauigkeit nicht erhalten werden kann. Wenn im Betätigungssystem
ein nicht vernachlässigbares Drehmoment vorliegt,
wird es durch die durch den Block 110 dargestellte
Reibungsdrehmomentkonstante T f so beeinflußt, daß es als
die Differenz zwischen dem Zielöffnungsgrad R t und dem
tatsächlichen Öffnungsgrad R r erscheint.
In der vorliegenden Ausführungsform wird daher für die
oben erwähnte Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung
54 der Block 106 hinzugefügt, der in dem Steuerblock
als Korrekturterm für die Reibungsdrehmomentkonstante T f
wirkt.
Durch den Block 106 werden alle im Drosselklappenbetätigungsmechanismus
108 enthaltene Elemente bei der Steuerung
berücksichtigt, so daß die Steuerung so ausgeführt
werden kann, daß keine Differenz bestehen bleibt.
Die Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung 54, das
heißt der Block 106, ist mit einer Tabelle versehen, die
das Reibungsdrehmoment, das durch im voraus ausgeführte
tatsächliche Messungen bestimmt wird, enthält, so daß das
der Reibungsdrehmomentkonstanten T f entsprechende Reibungskorrektursignal
erzeugt und in die Addier-/Subtrahiereinrichtung
56 eingegeben wird.
Zu diesem Zeitpunkt entsteht jedoch das Problem, daß der
Wert der Reibungsdrehmomentkonstanten T f durch die Öffnungs-
oder Schließungsrate der Drosselklappe 6 geändert
wird. Insbesondere zeigt die Reibungskraft bei statischer
bzw. dynamischer Reibung so weitgehend verschiedene Werte,
daß die erstere im allgemeinen als beträchtlich höher angesehen
werden muß. Wenn für die Reibungsdrehmomentkonstante
T f ein der Bewegung der Drosselklappe 6 entsprechender
geschätzter Wert verwendet wird, ist die Korrektur
durch die Reibungsdrehmomentkonstante T f dann, wenn die
ruhende Drosselklappe 6 geöffnet oder geschlossen werden
soll, so unzureichend, daß die Drosselklappe 6 wahrscheinlich
unbewegt bleibt. Wenn der geschätzte Wert zum Anhalten
der Drosselklappe 6 verwendet wird, kann die Korrektur
durch die Reibungsdrehmomentkonstante T f ein so hohes
Ausmaß annehmen, daß in der Steuerung ein Überschwingen
hervorgerufen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Block 106 mit
zwei Arten von Tabellen versehen, die dem Betrieb bei ruhender
Drosselklappe 6 und bei bewegter Drosselklappe 6
entsprechen. Diese Tabellen werden entsprechend dem differenzierten
Öffnungsgradwert R v gewählt.
Die Reibungskorrektur kann stets ungeachtet dem Steuerzustand
der zweiten Drosselklappe 6 genau ausgeführt werden,
so daß die TRS-Steuerung mit hinreichend hoher Genauigkeit
ausgeführt werden kann.
Den Einflüssen der Temperatur und der Feuchtigkeit auf die
Reibungskraft wurde in der vorliegenden Ausführungsform
keine besondere Beachtung geschenkt. Wenn die Reibungsdrehmomentkonstante
T f unter Beachtung dieser Einflüsse
geschätzt wird, kann die Steuerung selbstverständlich mit
noch höherer Genauigkeit ausgeführt werden.
Die beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist auf die Anwendung in einer Steuerung des Öffnungsgrades
der Drosselklappe in einem Traktionsregelsystem
eines Kraftfahrzeugs gerichtet. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt, sie
kann vielmehr auf irgendeinen Ventil- oder Klappenmechanismus
angewendet werden, falls das Ventil oder die Klappe
mittels eines Betätigungselementes geöffnet oder geschlossen
wird. Es bedarf keiner besonderen Erwähnung, daß
die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in jedem dieser
Fälle erwartet werden können. Erfindungsgemäß können ausreichend
viele im Betätigungssystem für die Drosselklappe
eines Verbrennungsmotors vorhandene Steuerfaktoren berücksichtigt
werden, so daß der Klappenöffnungsgrad ohne
Schwierigkeit mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann,
womit hochgenaue Steuerungseigenschaften des Traktionsregelsystems
des Kraftfahrzeugs erzielt werden.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Öffnungsgrades
der Drosselklappe eines Verbrennungsmotors
(34), in der ein Gleichstrommotor (8) als Klappenöffnungs-
oder Schließungsbetätigungselement so verwendet
wird, daß dessen Steuervariable (i) entsprechend
der Differenz zwischen einem ermittelten Wert ( R r) und
einem Zielwert ( R t) des Klappenöffnungsgrades gesetzt
wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste Berechnungseinrichtung (48) zum Setzen einer ersten Steuerkorrekturgröße entsprechend der ständigen Veränderung des ermittelten Wertes ( R r) des Klappenöffnungsgrades und
eine zweite Berechnungseinrichtung (52) zum Setzen einer zweiten Steuerkorrekturgröße ( R v) entsprechend der im Gleichstrommotor-Betätigungsmechanismus zur Steuerung des Klappenöffnungsgrades vorhandenen Reibungskraft
vorgesehen sind und daß
der Gleichstrommotor (8) mittels der ersten und zweiten ( R v) Steuerkorrekturgrößen und mittels der Steuervariablen (i) gesteuert wird.
eine erste Berechnungseinrichtung (48) zum Setzen einer ersten Steuerkorrekturgröße entsprechend der ständigen Veränderung des ermittelten Wertes ( R r) des Klappenöffnungsgrades und
eine zweite Berechnungseinrichtung (52) zum Setzen einer zweiten Steuerkorrekturgröße ( R v) entsprechend der im Gleichstrommotor-Betätigungsmechanismus zur Steuerung des Klappenöffnungsgrades vorhandenen Reibungskraft
vorgesehen sind und daß
der Gleichstrommotor (8) mittels der ersten und zweiten ( R v) Steuerkorrekturgrößen und mittels der Steuervariablen (i) gesteuert wird.
2. Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drosselklappe (6) einen Federmechanismus
(10) zum Rückstellen des Öffnungsgrades der
Drosselklappe (6) in eine vorgegebene Anfangsposition
( R₀) aufweist und daß ferner eine dritte Berechnungseinrichtung
(54) zum Setzen einer dritten Steuerkorrekturgröße,
die der Drosselklappenöffnungs- oder
Schließungskraft des Federmechanismus (10) entspricht,
vorgesehen ist und die dritte Steuerkorrekturgröße zur
Steuervariablen (i) addiert wird.
3. Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerkorrekturgröße ( R v) der
zweiten Berechnungseinrichtung (52) in Abhängigkeit davon,
ob der Drosselklappenöffnungsgrad verändert wird
oder nicht, verschiedene Werte annimmt.
4. Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuervariable (i) des Gleichstrommotors
(8) über die Versorgungsspannung des
Gleichstrommotors (8) korrigiert wird.
5. Verfahren zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades,
in dem ein Gleichstrommotor (8) als
Drosselklappenöffnungs- oder Schließungsbetätigungselement
so verwendet wird, daß dessen Steuervariable
(i) entsprechend der Differenz zwischen dem ermittelten
Wert ( R r) und dem Zielwert ( R t) des Drosselklappenöffnungsgrades
gesetzt wird,
gekennzeichnet durch die Schritte
des Berechnens einer ersten Steuerkorrekturgröße entsprechend der ständigen Veränderung des ermittelten Wertes ( R r) des Drosselklappenöffnungsgrades;
des Berechnens einer zweiten Steuerkorrekturgröße ( R v) entsprechend der in dem Gleichstrommotor-Betätigungsmechanismus zur Drosselklappenöffnungssteuerung vorhandenen Reibungskraft; und
der Steuerung des Gleichstrommotors (8) mittels der ersten und der zweiten ( R v) Steuerkorrekturgrößen und mittels der Steuervariablen (i).
des Berechnens einer ersten Steuerkorrekturgröße entsprechend der ständigen Veränderung des ermittelten Wertes ( R r) des Drosselklappenöffnungsgrades;
des Berechnens einer zweiten Steuerkorrekturgröße ( R v) entsprechend der in dem Gleichstrommotor-Betätigungsmechanismus zur Drosselklappenöffnungssteuerung vorhandenen Reibungskraft; und
der Steuerung des Gleichstrommotors (8) mittels der ersten und der zweiten ( R v) Steuerkorrekturgrößen und mittels der Steuervariablen (i).
6. Verfahren zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß entsprechend der Drosselklappenöffnungs-
oder Schließungskraft eines Federmechanismus (10) eine
dritte Steuerkorrekturgröße berechnet wird und daß
diese dritte Steuerkorrekturgröße zur Steuervariablen
(i) addiert wird.
7. Verfahren zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Steuerkorrekturgröße ( R v) in
Abhängigkeit davon, ob der Drosselklappenöffnungsgrad
geändert wird oder nicht, verschiedene Werte annimmt.
8. Verfahren zur elektronischen Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuervariable (i) des Gleichstrommotors
(8) über die Versorgungsspannung des Gleichstrommotors
(8) korrigiert wird.
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