DE3937102C2 - Vorrichtung zur elektronischen Steuerung der Drosselklappenöffnung - Google Patents
Vorrichtung zur elektronischen Steuerung der DrosselklappenöffnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektronischen
Steuerung der Drosselklappenstellung einer Brennkraftma
schine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebe
nen Gattung. Eine derartige Steuervorrichtung ist bei
spielsweise aus der US 4 508 078 bekannt.
Dort ist der Drosselklappe und dem
Fahrpedal je ein Sensor zugeordnet, deren Ausgangs
signale in einer elektronischen Steuereinheit verarbeitet
werden. Die Verstellgeschwindigkeit der Fahrpedalverstel
lung wird in der Steuereinheit durch Differentiation der
Ausgangssignale des Fahrpedalsensors erfaßt und von der
Steuereinheit zu Stellsignalen für den Gleichstrommotor
verarbeitet. Wenn die Verstellgeschwindigkeit des Fahrpe
dals unter einem Bezugswert liegt, entspricht das Stell
signal für den Gleichstrommotor dem Ausgangssignal des
Fahrpedalsensors. Bei Verstellgeschwindigkeiten oberhalb
dieses Bezugswertes werden die Werte des Stellsignals
vergrößert.
In der US 4 601 271 ist eine Drosselklappenanordnung be
schrieben, bei welcher der scheibenförmige Rotor eines
Elektromotors direkt auf der Drosselklappenwelle befestigt
ist und in einem Gehäuse beidseitig neben dem Rotor Perma
nentmagnete angeordnet sind. Die Stromzufuhr zu der Rotor
spule erfolgt über eine Steuereinrichtung und einen Kom
mutator, in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines
Fahrpedalsensors und eines Drosselklappensensors.
In der DE-A-34 15 183 ist eine Vorrichtung zur Adaption
des Kennlinienverlaufs eines Stellglieds bekannt, mit der
unerwünschte Einflußgrößen eliminiert werden können. Zur
Adaption z. B. der Stellglied-Kennlinie bei der Leerlauf-
Füllungsregelung einer Brennkraftmaschine wird ein in ei
nem Regler erzeugter Sollwert für den versellbaren Öff
nungsquerschnitt eines Kraftstoff führenden Bypasskanals
durch multiplikative und/oder additive Einwirkung korri
giert. Als Integratoren ausgebildete Rechenglieder erhal
ten ein aus einem Luftmengen-Sollwert und einem Luftmen
gen-Istwert bestimmtes Eingangsdifferenzsignal.
In der Zeitschrift "Regelungstechnische Praxis", 23.
Jahrg., 1981, H. 12, S. 428-436, ist von D. Ahrens und H.
Günter ein Aufsatz "Verfahren der Positionierung und La
geregelung" veröffentlicht worden, in dem allgemein die in
der Antriebstechnik bei der Lageregelung von Bauteilen be
stehende Problematik diskutiert wird. Als die Lagegenauig
keit beeinträchtigende Einflüsse werden die Reibung in den
bewegten Systemen und auch die durch Induktion verursach
ten Anlaufverzögerungen von Elektromotoren angegeben, die
durch Berechnung von entsprechenden Verstärkungsfaktoren
in ausreichendem Maße kompensiert werden.
In der JP-A-61-93 251 ist eine Betätigungsvorrichtung für
die Drosselklappe einer Brennkraftmaschine für ein mit ei
nem Traktions-Regelsystem (TRS) bzw. Anti-Schlupf-System
ausgerüstetes Kraftfahrzeug beschrieben. Bei diesen Anti-
Schlupf-Regelsystemen wird eine zusätzliche Drosselklappe
von einem Gleichstrommotor gegen die Kraft einer Rückhol
feder aus ihrer normalen Offen-Stellung in Schließrichtung
bewegt, sobald die elektronische Steuereinrichtung durch
Vergleich der Ausgangssignale von Rad-Sensoren einen merk
baren Schlupf zwischen einem der Antriebsräder und der
Aufstandsfläche festgestellt hat.
Bei den bekannten Betätigungsvorrichtungen für eine Dros
selklappe unter Verwendung eines Gleichstrommotors ergeben
sich Ungenauigkeiten der Drosselklappenpositionierung, die
beispielsweise auf veränderliche Betriebsparameter, wie
Reibung der bewegten Einzelteile, und auf Alterung zurück
zuführen sind. Da das gesamte Management der Brennkraftma
schine und ggf. auch des Getriebes von der angesaugten
Luftmenge in entscheidendem Maße mitbestimmt wird, kommt
der genauen Positionierung bzw. Einstellung der Drossel
klappe eine wesentliche Bedeutung zu,
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Steue
rung der Drosselklappenstellung einer Brennkraftmaschine
zu schaffen, welche von veränderlichen Betriebsbedingungen
unbeeinflußt eine ausreichend genaue Einstellung eines
gewünschten Öffnungsgrades gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angege
benen Merkmale gelöst. Die erfindungsgemäße Steuereinrich
tung kann die Ursachen für die Veränderungen der Betriebs
eigenschaften erkennen und bei der Bestimmung der Steuer
signale für den Gleichstrommotor mit berücksichtigen. So
wird die jeweilige Federkonstante der dem Gleichstrommotor
entgegenwirkenden Rückstellfeder bei voll geöffneter oder
voll geschlossener Drosselklappe ermittelt. Zusätzlich
wird auch die Reibung der Drosselklappenteile und des
Gleichstrommotors bestimmt und zusammen mit den Werten der
Federkonstanten bei der Erzeugung der Steuersignale für
den Gleichstrommotor mit berücksichtigt. Da Änderungen der
Reibungskräfte auch die Rückstellkraft der Feder beein
flussen, können verschiedene Änderungen von Betriebspa
rametern durch die lernende Steuerung der erfaßten Feder
konstanten mit ausreichender Genauigkeit kompensiert wer
den, beispielsweise der Einfluß der Reibungs- und Träg
heitskräfte.
Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung wird einmal
die Differenz zwischen einem Ist-Wert und einem Soll-Wert
des Drosselklappen-Öffnungsgrades als Proportionalterm
(P-gesteuerte Komponente), und zum anderen der differen
zierte Wert des Öffnungsgrades als Differentialterm (D-
gesteuerte Komponente) verwendet, wobei diese Komponenten
noch durch Addition der Reibungskorrekturwerte korrigiert
werden, um ein genaues Steuerergebnis zu erhalten.
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 ausgeführt 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 Differenz 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
Rt, berechnet.
Der so berechnete Zielöffnungsgrad Rt wird in die Drosselsteuerung
32 eingegeben, an die andererseits vom Drosselsensor
36 der tatsächliche Öffnungsgrad Rr der zweiten
Drosselklappe 6 zugeführt wird.
Der Zielöffnungsgrad Rt und der tatsächliche Öffnungsgrad
Rr werden in eine Differenzsteuersignalberechnungseinrichtung
46 eingegeben, die ein zur Differenz dieser Signale
proportionales Steuersignal, also ein Differenzsteuersignal
berechnet.
Außerdem wird der tatsächliche Öffnungsgrad Rr vom Drosselsensor
36 in eine Öffnungsgradsignalberechnungseinrichtung
48 eingegeben, in der ein zum Öffnungsgrad proportionales
Signal erzeugt wird.
Der tatsächliche Öffnungsgrad Rr vom Drosselsensor 36 wird
zudem einer Differenziereinrichtung 50 zugeführt, die einen
die Bewegungsgeschwindigkeit der zweiten Drosselklappe
6 angebenden differenzierten Öffnungswert Rv ausgibt.
Dieser differenzierte Öffnungswert Rv wird an eine Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52 und an eine
Reibungskorrektursignalberechnungseinrichtung 54 geliefert.
Die Differentialsteuersignalberechnungseinrichtung
52 liefert ein dem differenzierten Öffnungswert Rv 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 Ks′ einer
Rückstellfeder 10 enthaltender Block 100 der Öffnungsgradsignalberechnungseinrichtung
48; ein Block 102, der das
Trägheitsmoment Is′ 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 Is′ enthält
und mit dem differenzierten Öffnungsgradwert Rv 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 Tf.
Die Parameter sind wie folgt definiert:
Tm: Gleichstrommotordrehmoment
Tfm: Reibungsdrehmoment der Motorwelle
Im: Trägheitsmoment des Gleichstrommotors
Rm: Drehwinkel des Gleichstrommotors
G: Übersetzungsverhältnisse eines zwischen dem Gleichstrommotor 8 und der Drosselklappe 6 dazwischengeschalteten Reduktionsgetriebemechanismus
Ig: Trägheitsmoment des Getriebes
Rr: Drosselklappenöffnungsposition
R₀: von der Feder 10 bewirkte Einstellposition
Ks: Federkonstante
Tf: Reibungsdrehmoment der Drosselwelle
Tv: Luftwiderstand der Drosselklappe
I: Motorstrom
Km: Drehmomentkonstante, die das Ausgangsdrehmoment pro Einheitsstromwert des Gleichstrommotors 8 angibt
Ks′: tatsächliche Federkonstante
Is′: 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.
Tfm: Reibungsdrehmoment der Motorwelle
Im: Trägheitsmoment des Gleichstrommotors
Rm: Drehwinkel des Gleichstrommotors
G: Übersetzungsverhältnisse eines zwischen dem Gleichstrommotor 8 und der Drosselklappe 6 dazwischengeschalteten Reduktionsgetriebemechanismus
Ig: Trägheitsmoment des Getriebes
Rr: Drosselklappenöffnungsposition
R₀: von der Feder 10 bewirkte Einstellposition
Ks: Federkonstante
Tf: Reibungsdrehmoment der Drosselwelle
Tv: Luftwiderstand der Drosselklappe
I: Motorstrom
Km: Drehmomentkonstante, die das Ausgangsdrehmoment pro Einheitsstromwert des Gleichstrommotors 8 angibt
Ks′: tatsächliche Federkonstante
Is′: 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 Is′ durch die folgende Gleichung gegeben:
Is′=ImG²+Ig
Die Zustandsgleichung ist durch
gegeben,
wobei
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 Ks=Ks′ und Is=Is′ ist; damit wird
die detaillierte Erläuterung fortgesetzt.
Wenn Km=Km′ 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 Festlegung 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 Tf′ bzw. durch die Geschwindigkeitsfunktion
bezeichnet, während die anfängliche Einstellposition der
Feder 10 mit R₀ bezeichnet wird. Die anfängliche Einstellast
der Feder KsxR₀ wird durch den Ausdruck
(Km/Km′)xKs′xR₀′ in der Steuerschaltung kompensiert.
Das Reibungsdrehmoment und die Hysterese der Feder 10 werden
mittels der Gleichung Tf=(Km/Km′)xTf′ kompensiert.
Die anfängliche Einstellposition R₀ der Feder 10 und das
Reibungsdrehmoment und die Federhysterese Tf variieren beträchtlich
mit der Produktstreuung, der Umgebungsänderung
und der Alterungsverschlechterung, so daß eine einheitliche
Festlegung der Werte R₀ und Tf 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) (Rt-Rr) = Ks′(R₀′-R₀)
wobei Ks=Ks′ und Km=Km′ ist.
Diese Gleichung kann wie folgt umgeformt werden:
Hierbei ist Tf eine mit der Geschwindigkeit sich ändernde
Funktion.
Am Beginn der Bewegung der Drosselklappe erzeugt die durch
Tf-Tf′ gegebene Reibung eine gegen die Bewegung der
Drosselklappe 6 gerichtete Kraft.
Für die Drosselklappenbetriebscharakteristik ist die Erfüllung
der Gleichung Tf-Tf′ = 0 erstrebenswert; die
Verringerung von Tf-Tf′ auf Null ist jedoch sehr schwierig.
Falls Tf-Tf′<0, wird das Regelsystem instabil. Daher
ist es ratsam, Tf-Tf′ <0 zu setzen und die Differenz
Tf-Tf′ als Reibung zu behandeln.
Der positive Wert Tf-Tf′ bewirkt eine Abweichung Rt-Rr,
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 = KsR₀ + Tf
Kmi₂ = KsR₀ - Tf
Wegen der letzten dieser drei Gleichungen wird R₀ durch
R₀′ geschätzt und kompensiert.
In Fig. 11 ist ein Beispiel der Ansprechcharakteristik
gezeigt, wenn Tf-Tf′<R₀ und die Zielposition Rt=20° ist.
Wegen Tf-Tf′<R₀ bleibt eine nicht kompensierte Abweichung
Rt-Rr.
Falls Tf-Tf′=0 ist, wird die Abweichung auf Null verringert;
da es jedoch schwierig ist, in einem praktischen
System Tf-Tf′ auf den Wert Null einzuregeln, werden
statt dessen die Parameter a und b so geändert, daß
ein Überschwingen bewirkt und die Abweichung Tf-Tf′
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
Rr und im Schritt 121 die Gaspedalposition Rt auf und
berechnet im Schritt 122 die Abweichung Rr-Rt.
Dann geht das Programm weiter zum Schritt 124, in dem der
Motorstromwert i berechnet wird, sofern die folgenden Bedingungen
nicht erfüllt sind:
- (1) im Schritt 123 wird die Zielposition Rt=0 ermittelt; oder
- (2) im Schritt 127 wird ermittelt, daß die Zielposition Rt angenähert gleich der wirklichen Position Rr ist.
Der Wert des Stroms i ist durch die Gleichung
i = A(Rt-Rr) - BΔRr + C(Rr -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 Rt=0 und die tatsächliche
Position Rr angenähert gleich Rt ist, wird im Schritt 128
beurteilt, ob ΔR Null ist oder nicht. Wenn im Schritt 128
beurteilt wird, daß 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+Δi 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-Δi 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
Tf 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
Tf 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 Tf so beeinflußt, daß es als
die Differenz zwischen dem Zielöffnungsgrad Rt und dem
tatsächlichen Öffnungsgrad Rr 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 Tf
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 Tf entsprechende Reibungskorrektursignal
erzeugt und in die Addier-/Subtrahiereinrichtung
56 eingegeben wird.
Zu diesem Zeitpunkt entsteht jedoch das Problem, daß der
Wert der Reibungsdrehmomentkonstanten Tf 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
Tf ein der Bewegung der Drosselklappe 6 entsprechender
geschätzter Wert verwendet wird, ist die Korrektur
durch die Reibungsdrehmomentkonstante Tf 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 Tf 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 Rv 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
Tf 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 (5)
1. Vorrichtung zur Steuerung der Drosselklappenstellung
einer Brennkraftmaschine, bestehend aus
- - einem Gleichstrommotor (8) mit einem Getriebe zum Verstellen der im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe (6),
- - einem dem Gleichstrommotor (8) zugeordneten Dros selklappensensor (36) zum Erfassen der Ist-Stellung (Rr) der Drosselklappe (6),
- - einer Einrichtung (44) zum Bestimmen einer Soll-Stellung (Rt) der Drosselklappe (6) und
- - einer elektronischen Steuereinheit (32), die zumindest
ein Rechenglied (46) zum Bestimmen der Differenz zwi
schen der Soll-Stellung (Rt) und der vom Drosselklap
pensensor (36) erfaßten Ist-Stellung (Rr) der Drossel
klappe (6) enthält und ein die Stromstärke des Gleich
strommotors (8) steuerndes Ausgangssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß - - die Steuereinheit (32) ein Differenzierglied (50) zum Differenzieren der Ausgangssignale des Drosselklappen sensors (36) nach der Zeit zum Erhalt eines die Ver stellgeschwindigkeit der Drosselklappe (6) kennzeichnenden Wertes (Rv), eine Einrichtung (54) zum Bestimmen eines Reibungskorrekturwertes entsprechend dem Ausgangswert (Rv) des Differenziergliedes (50) sowie eine Recheneinheit (56) aufweist, die aus der im Re chenglied (46) bestimmten Differenz und dem in der Einrichtung (54) bestimmten Reibungskorrekturwert ein korrigiertes Ausgangssignal erzeugt, und
- - ein Spannungsmesser (80) zum Erfassen der Betriebs spannung des Gleichstrommotors (8) mit einem Korrek turglied (58) der Steuereinheit (32) gekoppelt ist, in dem das Ausgangssignal der Recheneinheit (56) auf der Grundlage der erfaßten Motorspannung korrigiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine zweite Drosselklappe (2), die direkt durch ein Gas
pedal (4) betätigt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (54) zum Bestimmen des Reibungskorrek
turwertes der Recheneinheit (56) das Reibungskorrektur
signal zum Ausgleich von Änderungen der Reibung und der
Massenträgheit des Gleichstrommotors (8) und der Dros
selklappe (6) zuführt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (54) zum Bestimmen des Reibungskorrek
turwertes der Recheneinheit ein Datenfeld mit korrigier
ten Werten für differenzierte Ist-Stellungen (Rv) enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (54) zum Bestimmen des Reibungskorrek
turwertes der Recheneinheit erste und zweite Datenfelder
enthält, die Korrekturwerte für differenzierte Ist-Stel
lungen (Rv) aufweisen, so daß Reibungskorrektursignale er
zeugt werden, die dem Betrieb bei ruhender und bei
bewegter Drosselklappe (6) entsprechen.
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