DE60026661T2

DE60026661T2 - Verfahren zur adaptiven Steuerung des Sperrzustandes

Info

Publication number: DE60026661T2
Application number: DE60026661T
Authority: DE
Inventors: Douglas E. Cary Ivers; Kenneth A. Cary St. Clair
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: DE60026661D1; EP1060916A2; EP1060916A3; EP1060916B1; CA2311981A1; US6311110B1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein halbaktive Federungssteuersysteme und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Steuerung des adaptiven Sperrzustandes solcher Federungssysteme.
Hintergrund der Erfindung
Die Verringerung von übertragener mechanischer Energie in Form von Stößen und Schwingungen zwischen einer Masse und einem Träger, beispielsweise einem Fahrzeugkörper (eine abgefederte Masse) und einem Fahrzeugrad (eine nicht abgefederte Masse), ist ein Problem von erheblicher Bedeutung bei Federungssystemen, Kabinenaufhängungen, Sitzaufhängungen und auch bei der Abstützung empfindlicher Ausrüstungen und Nutzlasten. Derartige Isoliersysteme zur Verringerung der Übertragung von Stoß- und Schwingungsenergie zwischen einer Masse und einem Träger werden gewöhnlich zwischen einer Masse und dem Träger angeordnet.
Im Hinblick auf diese Erfindung werden bekannte Isoliersysteme als passive, aktive und halbaktive Systeme angesehen. Passive Isoliervorrichtungen, beispielsweise Federn oder Feder-Dämpfer-Kombinationen, wie sie in den meisten Kraftfahrzeugen Verwendung finden, besitzen eine Arbeitsweise, die eine genaue Funktion der ihnen innewohnenden konstruktiven Eigenschaften ist. Obgleich derartige passive Vorrichtungen in einem gewissen Frequenzbereich eine effektive Isolierung schaffen, sind sie beim Durchgang durch ihren natürlichen oder Resonanzfrequenzbereich einer verstärkten Erregung ausgesetzt. Dieser Frequenzbereich wird durch die Federkonstante der Feder und die isolierte Masse bestimmt. Da eine passive Einrichtung bei ihrer Resonanzfrequenz einer verstärkten Erregung unterworfen ist, können sich für die isolierte Masse oder die passive Einrichtung schädliche Wirkungen, beispielsweise Zerstörung, ergeben. Darüber hinaus bieten einige passive Isoliersysteme eine adäquate Steuerung der abgefederten Masse bei Eigenfrequenz der Aufhängung, während eine viel zu starke Dämpfungskraft zwischen den miteinander verbundenen Körpern bei höheren Frequen zen auftritt. Somit ist die Auswahl der Dämpfung und die Dämpfungsstärke bei der Benutzung einer passiven Einrichtung ein Gestaltungskompromiß.
Aktive Isoliersysteme verwenden eine externe Kraftquelle, die Energie in gesteuerter Weise zuführt, um den Schwingungskräften entgegenzuwirken und ihre Übertragung zu verringern. Derartige aktive Isoliersysteme sind insofern vorteilhaft, als sie Kräfte als Funktion der zu steuernden Schwingungsbedingung erzeugen. Solche aktiven Systeme erfordern jedoch eine große Hilfskraftquelle und typischerweise zusätzliche Gerätschaften wie Pumpen, Motoren und Servoventile, die bei hohen Betriebsfrequenzen aufgrund der Beschränkung solcher Ausrüstungen auf rasche Reaktion auf Steuersignale nicht empfindlich genug sein können. Darüber hinaus sind derartige aktive Systeme nicht selten kostspielig und erfordern für ihren Betrieb große Energiemengen.
Ein halbaktives System ist insofern beschränkt, als es im allgemeinen nur Kräfte erzeugt, die der Bewegung der getragenen Masse entgegenstehen. Es kann also keine Kraft in Richtung der Bewegung erzeugen. Somit bezieht sich der Begriff "halbaktiv" auf Steuersysteme, die auf die Wegnahme von Energie aus einem System begrenzt sind. Halbaktive Systeme sind jedoch in der Lage, nahezu äquivalent zu denjenigen aktiven Systemen zu arbeiten, wenn sie mit einem geeigneten primären Steuerverfahren betrieben werden und insbesondere mit solchen Steuerverfahren, die mit einem sogenannten "Skyhook"-Dämpfer wetteifern, wie beispielsweise bei Karnopp, D. C. et al., "Vibration Control Using Semi-active Force Generators", ASME Paper Nr. 73-DET-122 (Juni 1974) beschrieben. Semiaktive Dämpfer und dafür vorhandene verschiedene Steuersysteme sind bei Karnopp, US-Patent 3 807 678; Miller et al., US-Patent 4 821 849, 4 838 392 und 4 898 264; Boone, US-Patent 4 936 425 und Ivers, US-Patent 4 887 699 beschrieben, die alle dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
Halbaktive Dämpfer können entweder dem "Ein/Aus"-Typ, dem "Öffnung-Einstell"-Typ oder dem "kraftgesteuerten" Typ entsprechen. Ein "Ein/Aus"-halbaktiver Dämpfer wird gemäß einem geeigneten Steuerverfahren zwischen dem "Aus"- und "Ein"-Dämpfungszustand geschaltet. In dem "Ein-Zustand" wird der sogenannte Dämpfungskoeffizient des Dämpfers in Bezug auf einen relativ hohen Betrag vorher ausgewählt. Für die Zwecke dieser Erfindung bedeutet der Begriff "Dämpfungskoeffizient" den Zusammenhang der von dem Dämpfer erzeugten Dämpfungskraft mit der relativen Geschwindigkeit im Dämpfer. Dieser Zusam menhang ist nicht notwendigerweise linear. In seinem "Aus-Zustand" beträgt der Dämpfungskoeffizient des Dämpfers annähernd Null oder ist von relativ geringer Größe.
Ein halbaktiver Dämpfer des Öffnungs-Einstell-Typs wird auch während des Betriebs zwischen einem "Aus-Zustand", in dem der Dämpfungskoeffizient annähernd Null ist oder von vergleichsweise geringer Höhe ist, und einem "Ein-Zustand" geschaltet. Wenn jedoch der halbaktive Dämpfer des Öffnungs-Einstell-Typs sich in seinem "Ein-Zustand" befindet, ändert sich sein Dämpfungskoeffizient normalerweise zwischen einer großen Anzahl (theoretisch unbegrenzt) verschiedener Größen. Die Größe des Dämpfungskoeffizienten wird gewöhnlich durch eine Durchmessereinstellung der Ventilöffnung des Dämpfers bestimmt.
Ein "kraftgesteuerter" Dämpfer ist theoretisch in der Lage, im "Ein-Zustand" jede gewünschte Dämpfungskraft zu erzeugen, und zwar unabhängig von der Relativgeschwindigkeit im Dämpfer. Dies steht im Gegensatz zu den oben beschriebenen "Ein/Aus"- und "Öffnungs-Einstell"-Dämpfer, bei denen die Dämpfungskraft im "Ein-Zustand" von der Relativgeschwindigkeit am Dämpfer abhängt. Ein kraftgesteuerter Dämpfer läßt sich entweder durch Verwendung einer Rückkopplungssteuerung oder durch Verwendung von druckgesteuerten Ventilen realisieren. Im "Aus-Zustand" führt der Dämpfer das Ventil in die vollständig geöffnete Stellung, in der der Dämpfungskoeffizient annähernd Null ist oder einen vergleichsweise geringen Wert hat.
Obgleich halbaktive Federungssysteme gegenüber den anderen Arten von Systemen erhebliche Leistungsvorteile bieten, sind sie dennoch bekanntermaßen problematisch, wenn sie großen, abrupten Eingangsstörungen ausgesetzt sind, d. h. solchen, wie sie auf rauhem Terrain auftreten. Besonders starke Federungsbewegungen und Ausschläge können zu unkomfortablen oder beschädigenden Krafteinwirkungen in das Federungssystem führen, sobald die Federung das Ende ihrer Bewegung erreicht (entweder im zusammengepreßten oder gedehnten Zustand), so daß an den mechanischen Endstopps der Federung angeschlagen wird. Die Endstopp-Kollisionen führen zu verschlechterter Isolierung durch die Federung infolge ihrer erheblich steigenden effektiven (RMS) Beschleunigungen. Es ist daher einleuchtend, daß derartige Endstopp-Kollisionen dem Fahrkomfort abträglich sind und die Systemkomponenten unangemessen belasten, so daß ihre Lebensdauer verkürzt wird.
Halbaktive Isolationssysteme, die mit einem oben erwähnten "Skyhook"-Steuerverfahren oder einem von ihm abgeleiteten Verfahren arbeiten, wie dies im folgenden im Detail beschrieben wird, neigen dazu, den durchschnittlichen Federungsauslenkungsbereich zu vergrößern, um dadurch "sanftere" Fahreigenschaften zu schaffen, können jedoch unter bestimmten Bedingungen das Auftreten von Federungsendstopp-Kollisionen tatsächlich vermehren. Diese Tendenz wird bei Miller, "Tuning Passive, Semi-active and Fully Active Suspension Systems", Proceedings of the 27th CDC of IEEE, Vol. 3, 1988 und bei Ivers et al., "Experimental Comparison of Passive, On/Off Semi-active and Continuous Semiactive Suspensions", SAE Paper Nr. 892 484, 7. Dezember 1989, diskutiert.
Natürlich läßt sich das Auftreten von Federungsendstopp-Kollisionen verringern und sogar ganz vermeiden, indem ein Dämpfer mit einem ausreichend hohen Dämpfungskoeffizienten benutzt wird. Dies würde jedoch die Arbeitsvorteile der halbaktiven Steuerung durch unnötige Beschränkung des Federungsauslenkungsbereiches für den gegebenen Bewegungsbereich der Federung beeinträchtigen und die Isolierung der Fahrzeuge verschlechtern.
Eine technische Lösung zur Verringerung des Auftretens und der Stärke von Federungsendstopp-Kollisionen in halbaktiven Isoliersystemen ohne Beeinträchtigung ihrer Leistung ist in Miller et al., US-Patent 5 276 622 beschrieben. In dem genannten Patent steuern ein Verfahren sowie eine Vorrichtung den Betrieb eines Isoliersystems, das mit einem einstellbaren Dämpfer versehen ist, der die relativ zueinander beweglichen Körper verbindet. Verfahren und Vorrichtung schwächen die Übertragung von Kräften zwischen ihnen, wobei die Relativbewegung der Körper, die eine bestimmte Grenze überschreitet, durch einen oder mehrere Endstopps beschränkt wird. Die Betriebsbedingungen des Isolationssystems werden von Sensoren überwacht, um Daten zu erzeugen, die die Relativbewegung, die relative Geschwindigkeit, die Beschleunigung oder andere Bedingungen anzeigen. Dämpfersteuersignale werden für den Dämpfer vorgesehen, um seine Dämpfungseigenschaften einzustellen, bestimmt durch die Daten gemäß sowohl eines primären Steuerungsverfahrens als auch eines Übersteuerungsverfahrens. Das Übersteuerungsverfahren ändert die Dämpferbefehlssignale in der notwendigen Weise, um die Dämpfungseigenschaften des Dämpfers dann zu vergrößern, wenn das Federungssystem wahrscheinlich die Endstopps trifft oder sie möglicherweise überschreitet. Dadurch werden Endstopp-Kollisionen auf ein Mindestmaß beschränkt.
In dem US-Patent 5 276 622 empfängt das Hauptsteuerverfahren Daten von dem Sensor oder den Sensoren und erzeugt ein oder mehrere primäre Steuersignale, die zur Dämpfung der Kräfte zwischen den Körpern in Übereinstimmung mit den ausgewählten Instruktionen benutzt werden. Vorzugsweise wird ein semiaktives Steuerverfahren verwendet, das einen hypothetischen "Skyhook"-Dämpfer simuliert. Das Endstopp-Übersteuerungsverfahren empfängt auch Daten von den Sensoren, um Übersteuerungs-Befehlssignale zu erzeugen, die zur Verringerung der Enstopp-Kollisionen gemäß den Vorschriften des Übersteuerungsverfahrens dienen. Somit erzeugt das Endstopp-Übersteuerungsverfahren (im folgenden "ESO"), das in dem US-Patent 5 276 622 beschrieben ist, nur dann eine Kraft, wenn sich der Endstopp nähert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Endstopp-Übersteuerungsverfahrens (ESO), das unter Bezug auf 1 beschrieben ist, ist die erzeugte Kraft vorzugsweise eine Funktion der momentanen Näherungsgeschwindigkeit und des Abstandes zum Endstopp. Zwei verblockte Körper 42 und 44 sind mit den Körpern 12 bzw. 14 verbunden und stellen schematisch die Bewegungsgrenzen für das System 10 dar. Das Bezugszeichen "A" repräsentiert den Ausdehnungs-Endstopp des Systems 10, der dann erreicht ist, wenn die Körper 12 und 14 den größten Abstand voneinander haben. Das Bezugszeichen "B" repräsentiert den Kompressions-Endstopp des Systems 10, der dann erreicht ist, wenn die Körper 12 und 14 sich in einer vollständig zusammengedrückten Position befinden. Sogenannte Nasen 43 und 45 sind an den Endstopps B bzw. A angeordnet. Die Nasen 43 und 45 sind typisch elastische, verformbare Körper aus Elastomermaterial und dienen dazu, den Stoß der Körper 42 und 44 zu dämpfen, sobald diese mit den Endstopps A und B in Berührung treten.
Die Bezeichnungen "X" und "Vabs" bezeichnen die absolute senkrechte Verschiebung bzw. die Absolutgeschwindigkeit des getragenen Körpers 12, wobei willkürlich angezeigt ist, daß diese positiv sind, wenn sie in einer Richtung nach oben weisen und negativ, wenn sie in eine Abwärtsrichtung weisen. Dieselbe Zeichenabsprache besteht für die Buchstaben "Y" und "Vin", die in gleicher Weise die absolute senkrechte Verschiebung bzw. die Absolutgeschwindigkeit des tragenden Körpers 14 angeben. Wenn das System 10 sich in Ruhe befindet, sind die Werte für X, Vabs, Y und Vin alle Null. Die Bezeichnung "Xr" bedeutet die relative Verschiebung zwischen den Körpers 12 und 14 des Systems 10 und wird durch die Differenz X–Y angegeben. Wenn das System 10 sich in Ruhe befindet, ist die relative Verschiebung Xr Null. Die Bezeichnung "+Xes" stellt die relative Verschiebung des Systems 10 bei voller Kompression dar. Die Bezeichnung "–Xes" stellt die relative Verschiebung des Systems 10 bei voller Ausdehnung dar. Aus Vereinfachungsgründen der Darstellung wird angenommen, daß die Gleichgewichtslage sich in der Mitte zwischen den Endstopps befindet. Die Bezeichnung "Vr" stellt die Relativgeschwindigkeit des Systems dar und wird durch die Differenz Vabs – Vin angegeben.
Ein auf der Basis eines Mikroprozessors arbeitender Regler 46 erzeugt elektronische Steuersignale für die Steuerung des Ventils 38 der Dämpferanordnung 22, um den Zustandsdämpfungskoeffizienten für die optimale Federung bzw. Isolierung des getragenen Körpers 12 auszuwählen. Der Regler 46 arbeitet nach einem Steuerverfahren und empfängt Daten von einem oder mehreren Bewegungssensoren 48, 50, 52 und 54, die den Körpern 12 und 14 zugeordnet sind. Die Sensoren 48 und 50 ermitteln direkt die augenblickliche -Relativverschiebung Xr bzw. die momentane Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14.
Bei dem Endstopp-Übersteuerungssystem (EESO) werden die Daten von den Sensoren 48 und 50 über die Leitungen 56 und 58 an den Regler 46 geschickt. Der Sensor 52 ermittelt die absolute senkrechte Beschleunigung "a" des Körpers 12 und schickt diese Daten über die Leitung 60 an den Regler 46. Die Beschleunigungsdaten von dem Sensor 52 können zur Herleitung der Verschiebung, der Absolutgeschwindigkeit und/oder der Relativgeschwindigkeitsdaten Verwendung finden. Da die von den Sensoren 48 und 50 erzeugten Daten auch von den Daten abgeleitet werden können, die von den Beschleunigungssensoren 52 und 54 erzeugt werden, versteht es sich für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann, daß nicht alle dargestellten Sensoren in Verbindung mit dem System 10 zu einem beliebigen Zeitpunkt benutzt werden müssen.
Wie aus 2 ersichtlich, wird dort ein Funktionsblockdiagramm des (ESO)-Systems 10, bezeichnet mit STAND DER TECHNIK, dargestellt, das Details des Reglers 46 zeigt. Der Federungsblock 64 stellt die dynamischen Elemente des Systems 10 dar, einschließlich der Körper 12 und 14, der Feder 20, der Dämpferanordnung 22 und der Sensoren 48, 50, 52 und 54. Der Regler 46 empfängt elekt rische Signale von den Sensoren in dem Federungsblock 64, die die Verschiebung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Körper 12 und 14 anzeigen, wie oben erläutert. Der Regler 46 verarbeitet die Sensordaten in Realzeit unter Verwendung bekannter semiaktiver Steuerungsverfahren, um an den Dämpfer 22 Dämpferbefehlskraft-Signale Fc abzugeben. Die Signale Fc werden dazu verwendet, die Größe der Dämpfung des Dämpfers 22 zu verändern, um eine verbesserte Isolation des Tragkörpers 12 zu erreichen. Obgleich nicht dargestellt, versteht es sich jedoch, daß der Regler 46 auch Teil eines analogen Schaltkreises oder eines digitalen Computersystems sein kann.
Bei dem bevorzugten Endstopp-Übersteuerungssystem (ESO), wie in 2 gezeigt, weist der Regler 46 einen primären Steuerblock 66, einen Übersteuerungsblock 68 und eine Summierungseinrichtung 70 auf. Der primäre Steuerungsblock 66 bietet eine primäre Steuerung, wie im folgenden weiter erläutert, um die primären Steuerungsbefehls-Kraftsignale Fc an die Summierungseinrichtung 70 zu liefern, und zwar auf der Grundlage der von dem Federungsblock 64 in einer oder mehreren Sensorleitungen 56, 58, 60 und 62 empfangenen Signale. Der Übersteuerungsblock 68 empfängt von dem Federungsblock 64 Signale über die Sensorleitungen 56 und 58, die die Relativgeschwindigkeit Vr und die Relativverschiebung Xr der Körper 12 und 14 anzeigen. Der Übersteuerungsblock arbeitet mit einem besonderen Übersteuerungsverfahren, um Endstopp-Übersteuerungsbefehls-Kraftsignale (Fes) an die Summierungseinrichtung 70 zu liefern. Die Summierungseinrichtung 70 kombiniert das Fp-Signal und das Fes-Signal und liefert unter Verwendung geeigneter Verstärkungseinrichtung und/oder anderer Schaltungselemente (nicht gezeigt) das Dämpfersteuerungs-Kraftsignal Fc an den Dämpfer 22.
Das Endstopp-Übersteuerungsbefehls-Kraftsignal Fes trägt nur dann zu dem Dämpfersteuerungs-Kraftsignal Fc bei, wenn das primäre Steuerungsbefehls-Kraftsignal Fp nicht in der Lage ist, den Dämpfer zu veranlassen, eine Kraft zu erzeugen, die ausreicht, um eine drohende Endstopp-Kollision zu vermeiden. Der Übersteuerungsblock 68 tritt nur dann in Tätigkeit, wenn es nötig ist, Endstopp-Kollisionen zu verhindern, ermöglicht aber sonst, daß der primäre Steuerungsblock den Betrieb des Systems steuert. Es versteht sich, daß dann, wenn die ESO-Steuerung eingesetzt wird, sie nur eine Änderung der Zustandskraft bewirkt.
Der primäre Steuerungsblock 66 ist so vorprogrammiert, daß er nach einer Standardversion irgendeines mehrerer semiaktiver Dämpfungssteuerungsverfahren arbeitet und insbesondere mit solchen Verfahren und deren Ableitungen, die mit dem sogenannten Skyhook-Dämpfer konkurrieren, wie bei Karnopp, D. C. et al. Beschrieben und im obigen erläutert.
Das sogenannte Skyhook-Steuerungsverfahren begründet sich auf das Vorzeichen des Produktes aus der Relativgeschwindigkeit Vr zwischen den getragenen und tragenden Körpern 12 und 14 und der Absolutgeschwindigkeit Vabs des getragenen Körpers 12. Im einzelnen schreibt die Standardversion des Skyhook-Steuerungsverfahrens vor, daß der Dämpfungskoeffizient des Dämpfers annähernd Null ist, wenn das Produkt Vabs·Vr kleiner Null ist. Dies ist bekannt als der "Aus-Zustand" und tritt ein, wenn entweder (1) die Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14 positiv ist, d. h. wenn die Körper 12 und 14 sich trennen und die Geschwindigkeit Vabs des Körpers 12 negativ ist, d. h. abnimmt, oder (2) wenn die Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14 negativ ist, d. h. die Körper 12 und 14 zusammenkommen und die Geschwindigkeit Vabs des Körpers 12 positiv ist, d. h. ansteigt.
Andererseits schreibt das übliche Skyhook-Steuerungsverfahren vor, daß der Dämpfungskoeffizient des Dämpfers 22 proportional der Absolutgeschwindigkeit Vabs ist, wenn das Produkt Vabs·Vr größer als Null ist. Dies ist bekannt als "Ein-Zustand" und findet statt, wenn (1) entweder die Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14 positiv ist und die Geschwindigkeit Vabs des Körpers 12 positiv ist oder (2), wenn die Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14 negativ ist, d. h. die Körper 12 und 14 zusammenkommen, und die Geschwindigkeit Vabs des Körpers 12 negativ ist.
3 ist ein Blockdiagramm, das ebenfalls das Skyhook-Steuerungsverfahren bekannter Art beschreibt. Dieses Skyhook-Steuerungsverfahren erfordert zwei Systemeingänge und erzeugt ein einziges Steuerungsausgangssignal, um den steuerbaren Dämpfer 22 zu betreiben. Der erste Eingang betrifft die Relativlage Xr, die durch einen Sensor 48 erhalten wird. Das Xr-Signal wird an einen Betriebsblock 101 abgegeben, der den Differenzierungsprozeß des Relativlagensignals, dargestellt durch das Symbol dXr/dt, besorgt, und dadurch eine Relativgeschwindigkeitsannahme Vr erzeugt.
Der zweite Eingang ist die Absolutbeschleunigung al, die von einem Sensor 52 erhalten wird. Danach führt ein Betriebsblock 100 eine Integration der absoluten Beschleunigung al durch, dargestellt durch das Integral der al dt Benennung im Block. Dadurch wird die absolute Geschwindigkeitsannahme Vabs erhalten.
Das Vabs-Signal wird dann an den Betriebsblock 102 abgegeben. Der Betriebsblock 102 multipliziert die Absolutgeschwindigkeit Vabs mit der Relativgeschwindigkeit Vr und erzeugt dadurch ein Signal, das den Wert Vabs·Vr bildet. Das Signal wird dann an den Skyhook-Schaltblock 105 abgegeben.
Wie ferner aus 3 ersichtlich, stellt der Betriebsblock 99 das "Aus-Zustand"-Dämpfersignal dar und erzeugt jederzeit ein Nullwert-Signal. Dieses Nullwert-Signal wird an den Skyhook-Schaltblock 105 übermittelt. Der Schaltblock 105 führt das primäre Skyhook-Steuerungsverfahren aus. Wenn das Produkt Vabs·Vr positiv ist, schließt der Schaltblock 105 den Schalter bei 112, wodurch das Vabs, das mit einem positiven Verstärkungsfaktor G versehen wird, wie in dem Betriebsblock 106 gezeigt, veranlaßt wird, den Schalter zu durchlaufen, um dadurch den "Ein-Zustand" des Skyhook-Steuerungsverfahrens zu aktivieren.
Andererseits schließt, wenn das Produkt Vabs·Vr negativ ist, der Skyhook-Schalterblock 105 den Schalter, wie bei 114 gezeigt, um dadurch das Nullwert-Signal zu veranlassen, durch den Schalter zu laufen und den "Aus-Zustand" des Skyhook-Steuerungsverfahren zu aktivieren. Somit wird entweder das Ein-Zustands- oder das Nullwert-Aus-Zustandssignal (je nachdem, welches zu einem gegebenen Zeitpunkt anwendbar ist) als primäres Befehlssteuersignal Fp des primären Skyhook-Steuerungsverfahrens zum Ausgang 107 gesendet.
Wie wiederum aus 2 ersichtlich, versteht es sich, daß das Ausgangssteuerungssignal Vp, wie bei 107 gezeigt, dann von dem primären Steuerungsblock 66 an die Summierungseinrichtung 70 übermittelt wird, und zwar auf der Grundlage der von dem Federungsblock 74 erhaltenen Signale. Bei dieser Anwendung des Skyhook-Steuerungsverfahrens kann der primäre Steuerungsblock 66 die notwendigen Daten in Bezug auf die Relativgeschwindigkeit Vr von dem Sensor 50 erhalten oder alle notwendigen Daten aus den von den Sensoren 52 und 54 oder aus einer anderen Quelle übermittelten Signalen herleiten.
Des weiteren ergibt sich aus 2, daß der Steuerungsblock 68 ein Endstopp-Übersteuerungsverfahren verwendet, das das oben erwähnte primäre Skyhook-Steuerungsverfahren effektiv übergeht, um, wenn notwendig, eine vergrößerte Dämpfungskraft zu erzeugen und dadurch Endstopp-Kollisionen zu verhindern. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform stellt der Endstopp-Berechnungsblock 72 folgerichtig fest, wenn die momentane Relativgeschwindigkeit Vr der Körper 12 und 14 einen bestimmten maximalen Relativgeschwindigkeitswert "Vr^m" übersteigt, jenseits dessen eine Endstopp-Kollision auftreten kann. Der Endstopp-Berechnungsblock 72 erzeugt einen Fehlerwert "e", der die Differenz zwischen der momentanen Relativgeschwindigkeit Vr und der maximal zulässigen Relativgeschwindigkeit Vr^m darstellt und an einen Rückkopplungs-Steuerungsblock 74 übermittelt. Der Fehlerwert "e" kann dann dazu benutzt werden, um eine Kraft zu erzeugen, die eine Funktion des Fehlerwertes für die Rückkopplung zu der Summierungseinrichtung 70 ist, die die Endstopp-Übersteuerungsbefehlskraft Fes erzeugt.
Somit scheint die Kombination aus dem Skyhook-Steuerungsverfahren und dem Endstopp-Übersteuerungs(ESO)-Verfahren das beste zu sein, das für semiaktive Federungssysteme in Hinblick auf niedrige Beschleunigung und weniger Endstopp-Anschläge zur Verfügung steht. Wenn jedoch das Federungssystem sehr starken Eingangskräften ausgesetzt ist, und vorhandene Zwänge keine adäquate Kraft ermöglichen, die von dem Dämpfer zur Verfügung gestellt wird, können rüttelnde Endstopp-Kollisionen selbst dann noch auftreten, wenn das ESO-Steuerungsverfahren arbeitet. Es besteht deshalb ein Bedarf an einem verbesserten Steuerungssystem, durch das solche extremen Eingangskräfte in derartigen Systemen aufgenommen werden können, bei denen die erreichbare Dämpfungskraft beschränkt ist (wie in den meisten, wenn nicht in allen realen Dämpfersystemen) und derartige Endstopp-Kollisionen vermieden werden.
In der US-A-5 390 121 ist ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Federungssystems beschrieben, das einen steuerbaren semiaktiven Dämpfer aufweist, der zwischen den getragenen und den tragenden Körpern geschaltet ist und der in Realzeit schwingt (mit Eingangsfrequenz des getragenen Körpers oder größeren Frequenz), und zwar zwischen einem hochdämpfenden "Ein-Zustand" und einem niedrigdämpfenden "Aus-Zustand". Ein Regler empfängt von einem Relativgeschwindigkeitssensor, der die Relativgeschwindigkeit zwischen den getragenen und den tragenden Körpern ermittelt, ein Eingangssignal, das von dem Regler als Parameter benutzt wird, um die Steuerung (beispielsweise Skyhook-Steuerung) des semiaktiven Dämpfers zu ermöglichen. Der Regler empfängt außerdem wenigstens zwei andere Absolutgeschwindigkeitssignale von den beiden anderen Sensoren und ein Eingangssignal von einem durch einen Fahrer auswählbaren Schalter, der es dem Fahrer ermöglicht, zwischen drei bevorzugten Fahreinstellungen zu wählen, so beispielsweise Komfort (geringe Dämpfung), Touring (mittlere Dämpfung) oder Sport (hohe Dämpfung). Der Regler stellt die Dämpfungshöhe-Einstellungen sowohl für den "Ein-Zustand" als auch den "Aus-Zustand" des semiaktiven Dämpferzyklus ein, und zwar auf der Grundlage der Stellung des vom Fahrer auswählbaren Schalters und des Relativgeschwindigkeitssignals sowie des Absolutgeschwindigkeitssignals. Dies führt dazu, daß der "Aus-Zustand"-Dämpfungspegel von Hand zwischen drei unterschiedlichen Pegeln eingestellt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es das Steuerungsverfahren, diese Einstellungen unter gewissen Bedingungen zu übergehen, so beispielsweise dann, wenn die Differenz der Absolutgeschwindigkeit zweier benachbarter Beschleunigungssensoren einen eingestellten Grenzwert überschreitet (d. h. basierend auf mehreren von den Sensoren empfangenen Eingangssignalen und unabhängig von dem "Ein-Zustand"-Dämpfungsniveau). Dann stellt das Steuerungsverfahren den Dämpfer auf einen höheren Dämpfungswert ein als durch die vom Benutzer ausgewählte Einstellung vorschreibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Federungssystems gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung ein adaptives "Aus-Zustand"(AO)-Steuerungsverfahren, das eine Aus-Zustandskraft erzeugt, die eine Funktion der Stärke der Eingangsstörungen ist, die auf das Federungssystem eine Zeitlang einwirken. Somit bietet das vorliegende adaptive Aus-Zustand(AO)-Verfahren eine neue und ergänzende Funktion im Hinblick auf die bekannten Federungssysteme, die mit einem primären Steuerungsverfahren (beispielsweise Skyhook-Steuerung) und/oder einem Endstopp-Überbrückungs(ESO)-Steuerungsverfahren gesteuert werden.
Bei der verbesserten Anwendung der semiaktiven Steuerung für derartige Federungssysteme wird die Aus-Zustand-Dämpfung des steuerbaren Dämpfers über die Zeit moduliert, indem die Aus-Zustand-Dämpfung zur Funktion eines Eingangssignals in das System gemacht wird. Die Modulation kann eine Funktion der Realzeit oder des Energieeintrags in das System in einer durchschnittlichen Zeit sein. Durch Anpassung der Aus-Zustands-Dämpfung des Dämpfers an die Eingangsstörungen in das Federungssystem werden große Eingänge besser gesteuert, und die effektive Isolierung der relativ kleineren Eingänge wird aufrechterhalten.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Federungssystem sich besser an erhebliche Änderungen im Eingangsniveau anpassen kann. Dazu kommt, daß, wie beobachtet wurde, die Vergrößerung der Aus-Zustand-Dämpfung in Verbindung mit einem Endstopp-Überbrückungs(ESO)-Steuerungsverfahren die Endstopp-Schläge reduziert, wenn die zur Verfügung stehende Dämpfungskraft beschränkt ist, beispielsweise aufgrund der Größe oder Kraft möglicherer Beschränkungen des Dämpfers.
Die vorliegende Erfindung kann zur Verstärkung eines Federungssystems Verwendung finden, das mit einem kombinierten primären Steuerungsverfahren (beispielsweise Skyhook) und Endstopp-Überbrückungs(ESO)-Steuerungsverfahren arbeitet, wie im obigen beschrieben. Alternativ dazu läßt sich die vorliegende Erfindung anstelle eines Endstopp-Überbrückungs(ESO)-Steuerungsverfahrens zur Beseitigung der relativen Sensorkomponente verwenden, die bei ihrer bevorzugten Ausführungsform erforderlich ist. Demzufolge wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung semiaktiver Federungssysteme geschaffen, bei dem die Aus-Zustands-Dämpfung eines einstellbaren Dämpfers, der durch ein primäres Steuerungsverfahren gesteuert wird, über die Zeit moduliert wird, um eine solche Aus-Zustands-Dämpfung von den Systemeingängen abhängig zu machen. Im wesentlichen bedeutet dies, daß dann, wenn hohe Eingangsbedingungen auftreten, die Aus-Zustands-Dämpfung momentan auf ein höheres Niveau gestellt wird, um dadurch Endstopp-Kollisionen auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Weitere Merkmale und technische Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt. Die Erfindung selbst wird jedoch wie auch ihre anderen Merkmale und anderen Vorteile am besten unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels verstanden, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird. In der Zeichnung sind:
1 eine schematische Ansicht eines Federungssystems oder gleichartigen Isolationssystems mit einer semiaktiven Dämpferanordnung, die gemäß der Erfindung steuerbar ist und als Stand der Technik bezeichnet ist;
2 ein funktionelles Blockdiagramm des Systems von 1, das Details des Reglers zeigt und als Stand der Technik bezeichnet ist;
3 ein funktionelles Blockdiagramm eines primären Steuerungsverfahrens (beispielsweise des hypothetischen Skyhook-Verfahrens), das in Verbindung der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann und als Stand der Technik bezeichnet ist;
4 eine grafische Darstellung der Arbeitsweise einer passiven Dämpfungsvorrichtung im Vergleich mit einem Skyhook-gesteuerten Dämpfer in Hinblick auf den zur Verfügung stehenden Federungsweg bei kleinen Eingangspegeln;
5 eine grafische Darstellung der Arbeitsweise einer passiven Dämpfungseinrichtung im Vergleich zu einem Skyhook-gesteuerten Dämpfer in Bezug auf den zur Verfügung stehenden Federungsweg bei großen Eingangspegeln;
6 eine grafische Darstellung der Arbeitsweise eines Skyhook-gesteuerten Dämpfers, wobei das adaptive Aus-Zustand-Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung bei hohen Eingangspegeln Anwendung findet;
7 eine Diagrammansicht eines Federungssystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird;
8 ein funktionelles Blockdiagramm eines primären Steuerungsverfahrens, das in Verbindung mit einem von einem Benutzer auswählbaren Aus-Zustand-Verstärkungsverfahren verwendet wird;
9 ein funktionelles Blockdiagramm eines primären Steuerungsverfahrens, das in Verbindung mit einem vollständig adaptiven Aus-Zustand-Verstärkungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
10 ein funktionelles Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines vollständig adaptiven Aus-Zustand-Verstärkungsverfahrens der vorliegenden Erfindung;
11 ein funktionelles Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines vollständig adaptiven Aus-Zustand-Verstärkungsverfahrens der vorliegenden Erfindung; und
12 ein funktionelles Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines vollständig adaptiven Aus-Zustand-Verstärkungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Vor Beschreibung der Funktion des adaptiven Aus-Zustand(AO)-Steuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung im Detail kann es vorteilhaft sein, den Aufbau und die Funktionsweise eines semiaktiven Federungssystems zu betrachten, das bei der vorliegenden Erfindung angewendet wird. In 7 ist ein semiaktives Federungssystem 10 mit einem Freiheitsgrad dargestellt oder ein anderes ähnliches Isolationssystem eines Typs, bei dem das adaptive Aus-Zustand-Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. Das System 10 verbindet die senkrecht beabstandeten und relativ zueinander beweglichen Körper 12 und 14. Zu Darstellungszwecken können die Körper 12 und 14 eine Masse (beispielsweise einen aufgehängten Sitz oder Operator) und eine tragende Basis (beispielsweise ein Fahrzeug-Chassis) des Federungssystems sein. Alternativ dazu können die Masse 12 eine Fahrzeugkörperkonstruktion und die Masse 14 eine Federungskomponente bilden. Das Federungssystem 10 funktioniert in der Weise, daß es den getragenen Körper 12 gegen Schwingungskräfte isoliert, die von dem Tragkörper 14 durch eintretende Störungen, beispielsweise Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche und abrupte Stöße, übertragen werden.
Eine primäre Feder 20 des Federungssystems (beispielsweise eine Schrauben- oder Luftfeder) sowie ein steuerbarer Dämpfer 22 erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander zwischen den Körpern 12 und 14 und sind mit diesen verbunden. Der Dämpfer 22 entspricht vorzugsweise dem Kolben- und -Zylindertyp, indem er einen Hydraulikzylinder 24 aufweist, der einen Kolben 26 umschließt. Eine Kolbenstange 28 ist mechanisch mit dem Kolben 26 gekuppelt und an dem getragenen Körper 12 durch geeignete Befestigungsmittel befestigt. Der Zylinder 24 ist in ähnlicher Weise mit dem tragenden Körper 14 durch geeignete Befestigungsmittel fest verbunden. Der Dämpfer 22 kann einem beliebigen geeigneten Typ entsprechen, so beispielsweise einem magnetorheologischen Fluiddämpfer, wie er in der US-Patentschrift 5 878 851 beschrieben ist, einem steuerbaren Öffnungsdämpfer, wie in der US-Patentschrift 5 207 774 beschrieben, oder irgendeinem anderen geeigneten steuerbaren Dämpfer, so beispielsweise einem elektrorheologischen oder elektrophoretischen Dämpfer.
Die relative senkrechte Bewegung zwischen den Körpern 12 und 14 bewirkt eine relative senkrechte Bewegung zwischen dem Zylinder 24 und dem Kolben 26, die wiederum zwischen den oberen und unteren, ein variables Volumen aufweisenden Fluidkammern 34, 36 des Zylinders 24 über ein elektrisch oder auf andere Weise einstellbares Steuerventil 38, das die beiden Kammern miteinander verbindet, ein Hydraulikmittel verschiebt.
Der Dämpfer 22 entspricht vorzugsweise dem eine kontinuierliche Kraft erzeugenden Typ, wie er bei Ivers et al. "Experimental Comparison of Passive, Semi-Active On/Oft, and Semi-active Continuous Suspensions", SAE Technical Paper Series Nr. 892 484, November 1989, beschrieben ist. Der Dämpfer 22 ist schnell zwischen einem "Aus-Zustand" und einem "Ein-Zustand" schaltbar, wobei eine gewünschte Kraft erzeugt wird, und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit des Dämpfers. Änderungen im Dämpfungszustand der Dämpferanordnung 22 ergeben sich aus Steuersignalen, die dem Steuerventil 38 erteilt werden und das Ventil veranlassen, den Fluidstrom durch das Ventil zu drosseln oder auf andere Weise zu beschränken. Das Ventil 38 kann ein mechanisches Ventil sein oder dem steuerbaren Fluidtyp entsprechen, so beispielsweise einem magnetorheologischen, e lektrorheologischen oder beliebig anderem Typ, der für schnelle Betriebsweisen geeignet ist.
Ein geeigneter elektronischer Regler 46 empfängt die von den Sensoren 48, 52 abgegebenen Eingangssignale, verarbeitet sie in einem Eingangssignal-Verarbeitungsteil 51 und erzeugt für die primäre Steuerung 53, die optionale ESO-Steuerung 59 und die adaptive Aus-Zustand(AO)-Steuerung 55 Eingangssignale. Das von der primären Steuerung 107 kommende Ausgangssignal wird an eine Summenbildungsverbindung 117 gelenkt, in der es mit dem Ausgangssignal der ESO-Steuerung 59, falls vorhanden, summiert wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die AO-Steuerung 55 adaptiv den Wert des Aus-Zustand-Befehlssignals 109 der primären Steuerung 53 einstellt, der schnell zwischen Ein- und Aus-Zuständen wechselt. Das summierte Signal wird dann an den Verstärker 63 geliefert, der den geeigneten Strom oder die geeignete Spannung für das Ventil 38 erzeugt, um die Dämpfung des Dämpfers 22 zu justieren.
Bei dem adaptiven Aus-Zustand(AO)-Steuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist das Aus-Zustand-Befehlssignal 109 eines Dämpfers Eingangssignal für ein geeignetes primäres (beispielsweise Skyhook-) Steuerungsverfahren 53, wobei dieses Signal über die Zeit moduliert wird, um die Aus-Zustands-Dämpfung mit dem Dämpfer 22 als Funktion der Eingangstörungen des Federungssystems 10 zu liefern. Durch Anpassung des Aus-Zustandes an die Systemeingänge werden große Eingänge besser gesteuert und eine wirksame Isolierung relativ kleiner Eingänge wird aufrechterhalten, wie dies im folgenden im einzelnen erläutert werden wird.
In 4 ist ein grafischer Vergleich der Relativverschiebung (X-Y) der Körper 12 und 14 über die Zeit dargestellt, wenn der Tragkörper 14 geringen Eingangspegeln ausgesetzt ist, und zwar unter einem Skyhook-kontrollierten Dämpfer gegenüber einer passiven Dämpfungseinrichtung. Die oberen und unteren Grenzkurven stellen die Bewegungsgrenzen des Federungssystems 10 dar. Unter diesen Bedingungen ist die relative Verschiebung X-Y im Vergleich zu dem zur Verfügung stehenden Federungsweg klein, und der Skyhook-gesteuerte Dämpfer arbeitet besser als die passive Einrichtung, wie aus der Zeichnung ersichtlich.
Bei hohen Eingangspegeln kann die relative Verschiebung (X-Y) die zur Verfügung stehenden Federweggrenzen überschreiten, wie in 5 dargestellt. In die ser Situation neigt das Skyhook-Steuerungsverfahren dazu, in der Verschiebungskurve abgeflachte Bereiche zu erzeugen, die oftmals zu Endstopp-Anschlägen führen, wenn die Eingangsstörungen auf einem ausreichend hohen Pegel liegen.
6 zeigt das Ergebnis eines sich vergrößernden Aus-Zustandes des Skyhookgesteurten Dämpfers für große Eingänge bei dem erfindungsgemäßen adaptiven Aus-Zustand-Steuerungsverfahren. Das sich einstellende Ergebnis ist eine größere Fluidbewegung, die Endstopp-Anschläge verhindert und eine Verbesserung gegenüber der passiven Dämpfung beibehält.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das ein adaptives Aus-Zustand(AO)-Steuerungsverfahrens 55 beschreibt, das Gegenstand der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist. Die Blockdiagramme der 8 bis 12 beschreiben auch die Komponenten des in 7 gezeigten Systems 10. Dieses (AO)-Steuerungsverfahren 55 arbeitet in Verbindung mit einem primären Steuerungsverfahren 53, und jedes Verfahren erfordert Dateneingänge, die die Betriebsbedingungen des Systems 10 betreffen. Der Ausgang 107 ist ein einzelner Steuerungsausgang, der dazu dient, einen Verstärker 63 und den steuerbaren Dämpfer 22 anzutreiben. Eine Ausgangskonditionierung 65 ist ebenfalls vorhanden, und zwar in Form eines Wiederherstellungsfilters oder eines Digital-zu-Analog-Filters. Der erste Eingang betrifft die Relativlage Xr und wird von einem Sensor 48 erhalten (beispielsweise einem Relatiwerschiebungssensor). Das Xr-Signal wird an einen Betriebsblock 101 innerhalb des Bearbeitungsblocks 51 des Reglers 46 geliefert, der den Differenzierungsprozeß des Relativstellungssignals Xr durchführt, dargestellt durch das Symbol dXr/dt, und dadurch ein Relativgeschwindigkeitssignal Vr erzeugt. Natürlich könnte Vr wahlweise auch direkt von einem Relativgeschwindigkeitssensor geliefert werden. Darüber hinaus können auch Gegeneinrichtungen und/oder Analog-zu-Digital-Wandler bei der Eingangssignalverarbeitung 51 vorhanden sein, wie dies dem auf diesem Gebiet tätigen Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Der zweite Eingang betrifft die absolute Beschleunigung a1 der aufgehängten Masse 12, die von einem Sensor 52 (beispielsweise einem Beschleunigungsmesser) erhalten werden kann. Daraufhin führt ein Betriebsblock 100 in der Eingangsverarbeitung 51 eine Integration der absoluten Beschleunigung a1 durch, dargestellt durch das Integral der a1 dt-Bezeichnung. Dadurch wird das Absolutgeschwindigkeitssignal Vabs erzeugt. Das Vabs-Signal wird dann an den Betriebs block 102 und einen Verstärkungsblock 106 er primären Steuerung 53 geschickt. Wahlweise kann das Vabs-Signal auf der Basis einer anderen Sensorinformation geschätzt werden.
Was nun den Ausgang des Betriebsblocks 101 in 8 anbelangt, so wird die Relativgeschwindigkeit Vr an den Betriebsblock 102 der primären Steuerung 53 und den Aus-Zustand-Verstärkungs(OSG)-Block 103 der adaptiven Aus-Zustand(AO)-Steuerung 55 übermittelt. Der Betriebsblock 103 ist ein Verstärkungsblock, der den Schritt der Bemessung der relativen Geschwindigkeit Vr durch ein von einem Benutzerschalter 57 kommendes Eingangssignal 61a durchführt. Zur Steuerung des Aus-Zustand-Verstärkungswertes OSG des Blocks 103 können beispielsweise schwache, mittlere und feste Einstellungen dienen. Darüber hinaus kann der Benutzerschalter 57 beispielsweise über die Leitungen 61b, 61c Eingangssignale liefern, um die Ein-Zustand-Verstärkung G des Blocks 106 der primären Steuerung 53 sowie die Steuerungsverstärkungen (nicht gezeigt) der ESO-Steuerung 59 zu steuern. Der OSG-Block 103 multipliziert einen vom Benutzer gewählten Verstärkungswert mit dem Signal Vr. Daraufhin nimmt der Betriebsblock 103, ein Betriebsblock 104 den Absolutwert der ermittelten Relativgeschwindigkeit und sendet das entstehende Aus-Zustand-Befehlssignal 109 an das obere Schalterelement 114 des Skyhook-Schaltblocks 105 der primären Steuerung 53.
In 8 ist ein Betriebsblock 102 dargestellt, der den Schritt der Multiplizierung der Absolutgeschwindigkeit Vabs mit der Relativgeschwindigkeit Vr durchführt und dadurch ein Signal erzeugt, das den Wert Vabs·Vr darstellt. Dieses Signal wird dann dem zentralen Schaltelement des Skyhook-Schaltblocks 105 übermittelt. Der Schaltblock 105 führt das primäre Skyhook-Steuerungsverfahrens durch, das in Verbindung mit dem (AO)-Steuerungsverfahren 55 verwendet wird. Wenn das Produkt Vabs·Vr positiv ist, trennt der Betriebsblock 105 den Verbinder 113 und schließt den Skyhook-Schalter 105 an dem Schalterelement 112 (wie punktiert gezeigt), wodurch das Vabs-Signal veranlaßt wird, durch die Verstärkung G des Blocks 106 geschwächt oder verstärkt durch den Schalter 105 zu laufen, um dadurch ein Ausgangssignal 107 zu erzeugen, das für den Verstärker 63 und danach den Dämpfer 22 das Ein-Zustand-Befehlssignal 116 bildet. Dieses Ausgangssignal 107 ist proportional der Vabs gemäß dem primären Steuerungsverfahren 53.
Wenn jedoch das Produkt Vabs·Vr negativ ist, schließt der Schaltblock 105 den Verbinder 113 des Skyhook-Schalters, wie bei 114 gezeigt (durchgezogene Linie) und bewirkt dadurch, daß der Absolutwert des gemessenen Relativgeschwindigkeitssignals (Aus-Zustand-Befehlssignal 109) durch den Schalter 105 läuft, um dadurch den Aus-Zustand des primären Skyhook-Steuerungsverfahrens 53 zu aktivieren. Das Aus-Zustand-Ausgangssginal 109 wird durch die AO-Steuerung 55 hergeleitet und durch die Gleichung 1 definiert: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs (OSG·Vr) (1)
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das Aus-Zustand-Befehlssignal des vorliegenden (AO)-Steuerungsverfahrens 55 ein veränderbarer oder anpaßbarer Wert. Somit dient entweder der Ein-Zustandswert bei 112 oder das adaptive Aus-Zustandssignal bei 114 (je nachdem, was zu einem gegebenen Zeitpunkt anwendbar ist) als Ausgang 107. Es versteht sich, daß das Signal bei 114 das Aus-Zustands-Dämpfungsbefehlssignal 109 ist, wie es von dem Benutzerschalter 57 der vorhandenen adaptiven Aus-Zustand(AO)-Steuerung 55 geliefert wird. Demzufolge ist ebenfalls erkennbar, daß dann, wenn der Benutzer Bedingungen vorfindet, die zu großen Eingängen führen, der Benutzer den Aus-Zustand-Gewinn OSG am Block 103 über den Schalter 57 auf einen höheren Wert einstellen kann, um dadurch das Aus-Zustand-Befehlssignal 109 des primären Steuerungsverfahrens 53 über eine Zeitspanne anzupassen und zu verändern. Dies unterstützt die Verhinderung von Endstopp-Kollisionen. Darüber hinaus ist zu erkennen, daß das AO-Steuerungsverfahren zusätzlich zu der Endstopp-Überbrückungs(ESO)-Steuerung 59 verwendet werden kann, wobei dann, wenn die ESO-Steuerung benutzt wird, der Ausgang an einer Summierungsverbindung 116 summiert wird.
9 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen adaptiven Aus-Zustand(AO)-Steuerungsverfahrens 55 beschreibt. Dieses System 10 erfordert ebenfalls zwei Systemeingänge und erzeugt ein einzelnes Steuerungsausgangssignal 107, um einen semiaktiven Dämpfer 22 anzutreiben. Der erste Eingang betrifft die Relativlage Xr, die vorzugsweise durch einen Relativlagensensor 48 erhalten wird. Das Xr-Signal wird dann an den Betriebsblock 101 des Eingangsverarbeitungsteils 51 und den Berechnungsblock 108 der (AO)-Steuerung 55 gesendet. Der Betriebsblock 101 führt den Prozeß der Differenzierung des Relativlagesignals Xr aus, der durch das Symbol dXr/dt dargestellt wird, und erzeugt dadurch ein Relativgeschwindigkeitssignal Vr, das an den Produktblock 102 der primären Steuerung 53 und den Exponentenblock 111 der (AO)-Steuerung 55 gesendet wird.
Das zweite Eingangssignal betrifft die absolute Beschleunigung a1, das durch einen Beschleunigungssensor 52 in 7 erhalten wird. Daraufhin führt ein Betriebsblock 100 eine Integration der absoluten Beschleunigung a1 durch, die durch das Integral a1 dt dargestellt wird. Dadurch wird das Absolutgeschwindigkeitssignal Vabs erzeugt. Gegebenenfalls kann Vabs aus anderen Parametern geschätzt werden. Das Vabs-Signal wird dann an den arbeitenden Produktblock 102 und den primären Verstärkungsblock 106 gesendet.
Was nun den oberen Teil des Blockdiagramms in 9 anbelangt, so empfängt der Betriebsblock 108 das Relativlagensignal Xr und führt mit diesem eine Berechnung durch. Bei dieser Ausführungsform erhebt die Berechnung Xr zu dem Exponenten n, wobei n vorzugsweise 1 ist, gegebenenfalls aber auch 2, 3 usw. sein kann. Der Betriebsblock 103 hat die Aufgabe, das Signal von dem Block 108 zu empfangen und einen Ausgangswert (beispielsweise OSG) zu erzeugen, der beispielsweise von einer Übersichtstabelle erhalten wird, die in dem Regler 46 programmiert ist. Die Übersichtstabelle weist mehrere Werte für die Ausstattungs-Verstärkung (OSG) auf, welche beispielsweise mit mehreren Werten der Eingänge korrespondieren. Natürlich werden die Tabellenwerte auf der Grundlage einer gewissen Kenntnis des jeweiligen Systems und der erwarteten Eingänge ausgewählt. Der Betriebsblock 110 führt die Funktion der Multiplikation des Ausgangssignals des Betriebsblocks 103 (welches ein OSG-Wert ist) mit dem Relativgeschwindigkeitssignal Vr auf, zum Exponenten m im Block 111 erhoben, wobei m vorzugsweise 1 beträgt, jedoch wahlweise 2, 3 usw. sein kann. Der Ausgang des Produktblocks 110, der OSG·Vr^m ist, wird dann im Block 115 mit Xrⁿ multipliziert, wobei n vorzugsweise 2 ist, jedoch auch 1, 3 usw. sein kann. Der Betriebsblock 104 hat dann die Aufgabe, den Absolutwert des Produktes des Betriebsblocks 115 zu übernehmen und das resultierende Aus-Zustand-Signal 109 an das Schaltelement 114 des Skyhook-Schaltblocks 105 der primären Steuerung 53 zu senden.
Um wieder auf den zentralen Teil von 9 zurückzukommen, ist festzustellen, daß der Betriebsblock 102 den Schritt der Multiplikation der absoluten Geschwindigkeit Vabs mit der Relativgeschwindigkeit Vr ausführt und dadurch ein Signal erzeugt, das den Wert Vabs·Vr darstellt. Dieses Signal wird dann dem zentralen Schaltelement des Schaltblocks 105 zugeführt. Der Schaltblock 105 führt das primäre Skyhook-Steuerungsverfahren 53 durch. Wenn das Produkt Vabs·Vr positiv ist, schließt der Block 105 den Verbinder 113 des Schalters bei 112 (gestrichelt dargestellt) und bewirkt dadurch, daß das Vabs-Signal, multipliziert mit der Verstärkung G des primären Verstärkungsblocks 106 (zusammengefaßt das Ein-Zustands-Dämpfungssignal 116) durch den Schalter 105 läuft, um dadurch den Ein-Zustand des primären (beispielsweise Skyhook-) Steuerungsverfahrens 53 zu aktivieren und bei 107 einen Ausgang zu bilden.
Andererseits schließt der Schaltblock 105 dann, wenn das Produkt Vabs·Vr negativ ist, den Verbinder 113 des Schalters bei 114 (durchgehend dargestellt) und bewirkt dadurch, daß das Aus-Zustand-Befehlssignal, das von der AO-Steuerung 55 berechnet wird, durch den Schalter läuft, um dadurch den Aus-Zustand des primären (beispielsweise Skyhook-) Steuerungsverfahrens 53 zu aktivieren. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das adaptive Aus-Zustand-Verfahren der vorliegenden Erfindung ein adaptiver Wert (im allgemeinen ein Wert außer Null oder ein Nicht-Minimalwert, beispielsweise dann, wenn Vr nicht Null ist). Somit wird sowohl das Ein-Zustand-Signal 116 am Schalter 112, das Vabs durch die Verstärkung G des Blocks 106 bildet, oder das Aus-Zustand-Signal 109 am Schalter 114 (was auch immer zu einem gegebenen Zeitpunkt anwendbar ist) bei 107 das Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal bei 107 wird für die Ausgangsbearbeitung 64 und den Verstärker 63 bereitgestellt, um dadurch für das für den Dämpfer 22 vorgesehene Signal die richtige Konditionierung (beispielsweise Verwandlung in analog) und Verstärkung zu schaffen.
Die in den beiden 8 und 9 beschriebenen Steuerungsverfahren können, obgleich sie als mechanischer Schalter dargestellt sind, mit Hilfe von Computerprogramminstruktionen, die in dem Regler 46 gespeichert sind, logische Operationen durchführen. Der tatsächliche Programmcode zur Durchführung dieser Funktionen kann unter Verwendung herkömmlicher Programmiertechniken hergestellt werden und ist aus Gründen der Klarheit weggelassen.
Aus dem obigen ergibt sich, daß das vorliegende AO-Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Aus-Zustand-Befehlssignal erzeugt, das eine Funktion der Stärke der Eingangsstörungen ist, die während der letzten verschiedenen Zyklen aufgetreten sind und vorzugsweise während eines Zeitfensters, das von etwa 1 bis etwa 50 Sekunden und vorzugsweise etwa 10 Sekunden reicht. Es versteht sich, daß dann, wenn ein solcher vergrößerter Aus-Zustand vorliegt, sobald der Eingang zu einem niedrigen Pegel zurückkehrt, der "Weg" der Federung unnötigerweise abgebaut wird. Somit wird erfindungsgemäß das für die Konditio nierung 65, den Verstärker 63 und den gesteuerten Dämpfer 22 geschaffene Aus-Zustand-Dämpfungssignal 109 über die Zeit moduliert, um die Leistungsfähigkeit des vorliegenden Verfahrens zu verbessern, wie dies im folgenden beschrieben wird.
Die Abhängigkeit zwischen dem Aus-Zustand-Befehlssignal und dem Eingangspegel kann entweder in Realzeit, Durchschnittszeit oder einer Kombination von beiden gemessen werden. Ein Beispiel für eine bevorzugte Realzeitabhängigkeit ist in der Gleichung (2) wie folgt definiert: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs (OSG·Vrm·Xrn) (2)wobei m und n positiv sind und OSG die Gesamtverstärkung bildet. Diese Gleichung (2) ist in 9 ausgeführt. Gleichung (2) schreibt vor, daß dann, wenn die relative Verschiebung Xr und die Relativgeschwindigkeit Vr beide große sind, das Aus-Zustand-Befehlssignal 109 vergrößert wird, weil in dem System beträchtliche Eingänge vorhanden sein müssen.
Ein Beispiel einer Durchschnittszeit-Abhängigkeit ist in der Gleichung (3) zum Ausdruck gebracht: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs (OSG·Vrm·Avg [Xrn]) (3)wobei Avg eine Funktion ist, die den Durchschnitt über die Zeit bildet, beispielsweise durch einen Indikationsfilter, einen expotentiellen, beweglichen Durchschnitt oder eine Spitzenanzeige mit Abfall. Eine Umsetzung der Gleichung (3) läßt sich dadurch erreichen, daß Xrⁿ des Blocks 115 in 9 durch Avg Xrⁿ ersetzt wird. Es versteht sich, daß jede beliebige Funktion, die sich auf die obigen Gleichungen (2) und (3) stützen, und die rechnerisch uneffizient ist, in einer eindimensionalen Übersichtstabelle enthalten sein kann. Dazu kommt, daß ein von einem Beschleunigungsmesser (nicht gezeigt), der an der Eingangsseite der Federung angebracht ist, kommendes Signal als Eingang für die Übersichtstabelle 103 von 9 benutzt werden könnte, und zwar anstelle des Ausgangs des Blockes 108. Dadurch könnte die Arbeit verbessert werden, ohne daß für die meisten Anwendungsfälle zu hohe Kosten entstehen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der OS-Steuerung 55, das in 10 dargestellt ist, wird das Aus-Zustand-Befehlssignal auf der Grundlage einer Energieschätzung hergeleitet. Die unten beschriebenen 10 und 11 zeigen nur die AO-Steuerung 55 im Zustand der Isolierung. Es versteht sich jedoch, daß der Ausgang das Aus-Zustand-Befehlssignal 109 ist, das der primären Steuerung 53 zur Verfügung steht, wie dies in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Die Aus-Zustand-Verstärkung (OSG) vom Block 103 wird mit Vr^m multipliziert (wobei m vorzugsweise 1 ist), und dann wird der absolute Wert bei 104 genommen. OSG im Block 103 ist eine Konstante, die mit dem Ausgang des Energieschätzblocks 122 multipliziert wird, wie dies im folgenden im Detail beschrieben wird. Der Eingang des Energieschätzblocks 122 ist der Ausgang des Blocks 108, der bei einer bevorzugten Ausführungsform die Relativgeschwindigkeit Xrⁿ ist, d. h. n ist vorzugsweise 1. Somit wird diese Ausführungsform durch die Gleichung (4) dargestellt: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs [OSG·Energieschätzung·Vrm] (4)
Das speziellere in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel erzeugt ein Aus-Zustands-Befehlssignal 109, das wie folgt beschrieben werden kann: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs [OSG·Vr·LPF [(Xr – LPF Xr)2] (5)wobei die Energieschätzung des Blockes 122 durch die Gleichung gegeben ist: Energieschätzung = LPF [(Xr – LPF Xr)2] (6)
Die relative Verschiebung Xr ist für einen Filter 118 mit geringem Durchlaß vorgesehen, und sein Ausgang wird von Xr in der Summiereinrichtung 119 subtrahiert. Der Ausgang der Summiereinrichtung 119 wird im Operatorblock 120 quadriert und dessen Ausgang wird wiederum in dem einen geringen Durchgang aufweisenden Filter (LPF) 121 gefiltert. Der Ausgang des LPF 121 ist eine Schätzung der Energie im System 10, d. h. ein Anzeichen für die Stärke des Eingangs. Diese Energieschätzung, die durch die Energieschätzeinrichtung 122 erfolgt, wird mit einer Aus-Zustandsverstärkung OSG vom Block 103 multipliziert. Der Ausgang des Block 103 wird dann bei 110 mit Vr multipliziert und schließlich wird sein Absolut wert beim Operatorblock 104 der primären Steuerung als Aus-Zustand-Befehlssignal 109 übermittelt.
Noch eine andere Ausführungsform des AO-Steuerungsverfahrens 55 zur Anpassung an den Aus-Zustand eines primären, schaltbaren Steuerungsverfahrens 53 ist in 12 dargestellt. Diese Ausführungsform verwendet den oben erwähnten Endstopp-Übersteuerungs(ESO)-Fehler "e" als Eingang für die AO-Steuerung 55. Der Fehler "e" trat bereits als berechneter, zeitvariabler Wert in der Endstopp-Übersteuerungs(ESO)-Steuerung 59 auf. Das Aus-Zustand-Befehlssignal läßt sich wie folgt beschreiben: Aus-Zustand-Befehlssignal = Abs [OSG·Vrm·Avg [Einheitsschritt (e)]] (7)wobei der Avg [Einheitsschritt [ ]] vorzugsweise einen Zähler mit Dämpfer betätigt. Der Einheitsschritt [ ] ist gleich einem Wert Null, sobald der Wert in der [ ] (beispielsweise der Fehler "e") negativ ist, und er hat einen Wert Eins, sobald der Wert in der [ ] positiv ist. Somit bildet die Avg-Funktion nur durchschnittliche positive Werte des Fehlers "e". Bemerkenswert ist, daß der Fehler "e" nur positiv ist, wenn die ESO-Steuerung 59 feststellt, daß wahrscheinlich eine Endstopp-Kollision erfolgt. Wie aus 12 ersichtlich, multipliziert die AO-Steuerung 55 im Block 110 die Ausgangs-Aus-Zustands-Zunahme (OSG), in diesem Fall ein konstanter Wert, vom Block 103 mit Vr^m vom Block 111, wobei m vorzugsweise 1 ist. Der Ausgang des Produktblockes wird mit dem Avg [Einheitsschritt (e)] im Block 123 multipliziert. Es sei darauf hingewiesen, daß der Fehler "e" als ein Ausgang von der ESO-Steuerung 59 vorliegt. Schließlich wird der absolute Wert des Gesamtprodukts an die primäre Steuerung 52 als Aus-Zustandswert 109 geleitet. Wesentlich ist, daß diese Ausführungsform das Ergebnis hat, daß die Aus-Zustands-Dämpfung vergrößert wird, wenn das Federungssystem 10 in dem (ESO)-Zustand gearbeitet hat. Die primäre Steuerung 53 und die sekundäre Steuerung 59 arbeiten wie im obigen beschrieben.
Bei der praktischen Anwendung des vorliegenden adaptiven Aus-Zustands(AO)-Verfahrens ist die Aus-Zustands-Dämpfung in einem steuerbaren Dämpfer 22 eine Sache der Einstellung einer besonderen Federung auf einen vorliegenden Anwendungsfall und auf erwartete Eingänge. Zunächst werden die Parameter des Systems 10 in Ansatz gebracht und variieren in Abhängigkeit von den Abmessungen, der Dämpferkonfiguration und der betrieblichen Umgebung des Systems.
Obgleich in der Zeichnung nicht speziell dargestellt, versteht es sich, daß zusätzliche Ausstattung und strukturelle Komponenten vorgesehen werden, falls erforderlich, und daß alle Komponenten, die oben beschrieben wurden, in geeigneter Weise angeordnet und getragen werden, um ein vollständiges und operatives System 10 zu bilden, das die Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
Es versteht sich außerdem, daß Abänderungen an der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne vom Schutzumfang abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. So kann beispielsweise das System 10 in Fahrzeugen aller Typen eingesetzt werden oder in der Luftfahrt oder Raumfahrt Anwendung finden. Das System 10 kann auch zur Verbesserung der Isolierung in stationären Systemen dienen. Man kann sich vorstellen, daß irgendein beliebiges einer Vielfalt von schaltbaren primären Steuerverfahren in Verbindung mit dem AO-Steuerungsverfahren zur Steuerung des Dämpfers 22 eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus sind eine große Zahl von Modifikationen, Änderungen und Ergänzungen der obigen Erfindungsoffenbarung möglich, obgleich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, und in bestimmten Fällen werden gewisse Merkmale der Erfindung ohne entsprechende Verwendung anderer Merkmale verwendet werden können. Demzufolge erscheint es angemessen, die beigefügten Ansprüche breit und in einer Weise abzufassen, die mit dem Schutzumfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird, in Einklang steht.

Claims

Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Federungssystems (10) mit einem steuerbaren Dämpfer (22), der zwischen einer Abstützung (14) und abgestützten Körpern (12) ein einstellbares Einschalt-Dämpfungsniveau und ein einstellbares Ausschalt-Dämpfungsniveau aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Überwachen der Betriebsbedingungen des Federungssystems (14) mit mehreren Sensoren (48, 50, 52, 54) und Erzeugung von diese Bedingungen anzeigenden Daten; Erzeugen eines relativen Verschiebesignals (Xr) und eines relativen Geschwindigkeitssignals (Vr) aus den Daten sowie eines absoluten Geschwindigkeitssignal (Vabs); Verarbeiten wenigstens eines der Signale (Vabs) zur Schaffung und Dämpfung von Steuersignalen für den steuerbaren Dämpfer (22), um dessen Dämpfung in Übereinstimmung mit einem primären Steuerungsverfahren im Einschaltzustand einzustellen; und Einstellen des einstellbaren Ausschalt-Dämpfungsniveaus als Funktion der erzeugten relativen Verschiebungs-(Xr) und relativen Geschwindigkeits-(Vr) Signale.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einstellbare Ausschalt-Dämpfungsniveau auf einen höheren Wert eingestellt wird, wenn der Sensor hohe Eingangsbetriebsbedingungen des Federungssystems ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Abänderns der Dämpfungsbefehlsignale für den steuerbaren Dämpfer während eines Einschaltzustandes, die in Übereinstimmung mit einem zweiten Steuerungsverfahren bestimmt werden, um die Dämpfung dann zu ändern, wenn das System allein unter Steuerung des primären Steuerungsverfahrens einen Endstopp überschreitet, um dadurch Endstoppkollisionen auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abänderns in Übereinstimmung mit einem Endstoppüberfahr-Steuerungsverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens eine adaptive Außerbetriebverstärkung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens durch die Gleichung: Außerbetrieb-Steuersignal = Abs [OSG Vr^m·Xrⁿ] dargestellt wird, wobei (OSG) eine Außerbetriebverstärkung, (Vr) eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern und (m) ein Exponent sind, sowie (Xr) eine Relativverschiebung zwischen den Körpern und (n) ein Exponent sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung des weiteren einen Schritt der Erzeugung eines Ausschaltsignals beinhaltet, und zwar gestützt auf eine Bezugstabelle.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Dämpfer ein steuerbarer Fluiddämpfer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Dämpfer ein magnetorheologischer Fluiddämpfer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung eine Funktion einer Durchschnittszeit in Bezug auf die Verschiebung zwischen den Körpern ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung durch die Gleichung: Außenbetrieb-Steuersignal = Abs [OSG Vr^m·Ave [Xrⁿ]] dargestellt wird, wobei (OSG) eine Abschaltverstärkung, (Vr) eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern und (n) ein Exponent sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung eine Funktion einer Leistungsschätzung ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschätzung eine Funktion einer relativen Verschiebung zwischen den Körpern ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung eine Funktion einer konstanten Außerbetriebsverstärkung und wenigstens einer Bewegung ist, die aus einer Gruppe folgender Bewegungen ausgewählt wird: a) eine Relativbewegung zwischen den Körpern und b) eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung durch die Gleichung Ausschalt-Steuersignal = Abs [OSG·Vr^m Ave Unit Step [e]] ausgedrückt wird, wobei (OSG) eine Ausschaltverstärkung, (Vr) eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern und (m) ein Exponent sind sowie (e) ein durch ein zweites Steuerungsverfahren bewirkter Fehler.