DE602004002765T2

DE602004002765T2 - Verfahren zur steuerung eines stufenlosen getriebes

Info

Publication number: DE602004002765T2
Application number: DE602004002765T
Authority: DE
Inventors: Matthew Piers Clitheroe Lancashire BURKE; Matthew Gibson Longridge FIELD; Stephen William Murray
Original assignee: Torotrak Development Ltd
Current assignee: Torotrak Development Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: WO2004085190A1; MXPA05010360A; BRPI0408795A; KR20060017581A; EP1606135B1; JP4461219B2; KR101179284B1; US20120220425A1; US8108108B2; CA2520539A1; EP1606135A1; RU2005132989A; JP2006521241A; US20080027614A1; WO2004085190A8; DE602004002765D1; US8892315B2; ATE342187T1

Description

Die in Anspruch 1, 17 und 29 beanspruchte vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Getriebes der stufenlosen Art und eines zugehörigen Motors.
Der Begriff „Motor", wie er hierin verwendet wird, ist so zu verstehen, dass er jede geeignete Vorrichtung zur Bereistellung eines Rotationsantriebs umfasst, einschließlich Verbrennungsmotoren und Elektromotoren. Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit Getrieben für Kraftfahrzeuge entwickelt worden und ist für diese Anwendung besonders gut geeignet. Jedoch wird sie für Getriebe für die Verwendung in anderen Zusammenhängen als potenziell anwendbar angesehen.
In jedem stufenlosen Getriebe gibt es eine Vorrichtung, hierin als „Variator" bezeichnet, die ein stufenloses Antriebsverhältnis bereitstellt. Der Variator stellt durch Rotationsantriebs- und -abtriebselemente eine Kopplung mit anderen Teilen des Getriebes her – typischerweise mit einem Räderwerk, das auf einer Seite des Variators zum Motor und auf der anderen Seite zu angetriebenen Komponenten, wie beispielsweise den angetriebenen Rädern eines Kraftfahrzeugs führt. Die Drehzahl des Abtriebselements dividiert durch die Drehzahl des Antriebselements ist das „Variatorantriebsverhältnis".
Das Konzept der "Drehmomentsteuerung" ist auf diesem Gebiet bekannt, wird jedoch nun erläutert. Es ist von Nutzen, es von der Alternative der "Übersetzungsverhältnissteuerung" zu unterscheiden. Ein durch das Übersetzungsverhältnis gesteuerter Variator empfängt ein Steuersignal, das ein erforderliches Variatorantriebsverhältnis darstellt. Der Variator reagiert durch Einstellen seines Antriebsverhältnisses auf den geforderten Wert. Die Einstellung umfasst typischerweise das Erfassen der Position eines das Übersetzungsverhältnis bestimmenden Elements des Variators (z.B. die Trennung der Riemenscheiben in einem Riemen-Riemenscheiben-Variator oder die Position der Rollen in einem Toroidbahnvariator) und das Einstellen der tatsächlichen Position dieses Elements auf eine gewünschte Position (die von dem Steuersignal bestimmt wird) unter Verwendung einer Rückführschleife. Demgemäß entspricht das Übersetzungsverhältnis bei einem durch das Übersetzungsverhältnis gesteuerten Variator direkt dem Steuersignal.
Dies ist bei einem durch das Drehmoment gesteuerten Variator nicht der Fall. Vielmehr ist ein drehmomentgesteuerter Variator so konstruiert und ausgelegt, dass er Drehmomente auf seine Antriebs- und Abtriebselemente ausübt, die bei einem gegebenen Variatorantriebsverhältnis direkt dem Primärsteuersignal des Variators entsprechen. Die Steuervariable ist das Drehmoment und nicht das Antriebsverhältnis. Drehzahländerungen des Variatorantriebs und -abtriebs und daher Änderungn des Variatorantriebsverhältnisses, resultieren aus dem Anlegen dieser Drehmomente, und zwar zusätzlich zu extern angelegten Drehmomenten (z.B. von Motor und Rädern) und zu den Massen, die mit dem Variatorantrieb und -abtrieb gekoppelt sind. Das Variatorantriebsverhältnis darf sich entsprechend ändern.
Drehmomentsteuerung ist bisher hauptsächlich auf Variatoren des Typs, der eine Toroidbahn und Rollenantrieb aufweist, angewendet worden. Bei einer Anordnung, die beispielsweise in dem europäischen Patent EP444086 von der Torotrak (Development) Ltd. beschrieben ist, dienen Variatorrollen dazu, den Antrieb zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebsscheibe, die koaxial montiert sind, zu übertragen. Die Variatorrollen üben entsprechende Drehmomente T_An und T_Ab auf die Antriebs- und Abtriebsscheibe aus. Entsprechend erfahren die Rollen ein "Reaktionsdrehmoment" T_An + T_Ab um die Scheibenachse herum. Diesem Reaktionsdrehmoment wird ein gleiches und entgegengesetztes Drehmoment entgegengesetzt, das von einer Gruppe von Stellgliedern um die Achse herum auf die Rollen ausgeübt wird. Die Geometrie ist derart beschaffen, dass die Bewegung der Rollen um die Scheibenachse von einer "Präzession" der Rollen begleitet wird – eine Veränderung der Winkel der Rollenachsen zur Scheibenachse, wodurch eine entsprechende Veränderung des Variatorantriebsverhältnisses bewirkt wird. Durch Steuerung des Stellglieddrehmoments wird das Reaktionsdrehmoment T_An + T_Ab direkt gesteuert. Das Steuersignal entspricht bei dieser Art von Variator direkt dem Reaktionsdrehmoment.
Die tatsächlichen Drehmomente, die von dem Variator auf seinen Antrieb und seinen Abtrieb ausgeübt werden, hängen nicht nur von dem Steuersignal, sondern auch von dem aktuellen Antriebsverhältnis ab, denn, obwohl die Summe T_An + T_Ab eindeutig vom Steuersignal bestimmt wird, entspricht die Größe des Verhältnisses T_An/T_Ab dem Kehrwert des Variatorantriebsverhältnisses und ändert sich somit mit dem Variatorantriebsverhältnis. Jedoch ist ersichtlich, dass sowohl T_An als auch T_Ab für ein gegebenes Antriebsverhältnis eindeutig durch das Steuersignal bestimmt werden.
US-A-5,521,819 offenbart ein drehmomentgesteuertes stufenloses Getriebe und dessen Steuerverfahren und stellt den nächstgelegensten Stand der Technik für diese Anmeldung dar.
Die direkte Entsprechung von Reaktionsdrehmoment und Steuersignal wird nicht von allen drehmomentgesteuerten Variatoren bereitgestellt. Ein Beispiel für einen drehmomentgesteuerten Variator einer ganz anderen Art, der eine Riemen-Riemenscheiben-Konstruktion verwendet, ist in dem eigenen früheren europäischen Patent 736153 und seinem amerikanischen Gegenstück US5766105 des Anmelders bereitgestellt, bei dem eine einzelne Riemenscheibe derart an ihrer Antriebswelle befestigt ist, dass eine Bewegung der Riemenscheibe im Verhältnis zur Welle entlang eines spiralförmigen Pfades ermöglicht wird. Wenn daher Drehmoment an die Riemenscheibe angelegt wird, wird eine entsprechende Kraft entlang der Achse der Welle erzeugt. Dieser Axialkraft wird eine Kraft entgegengesetzt, die von einem Stellglied auf die Riemenscheibe ausgeübt wird. Wiederum wird ein Gleichgewicht zwischen den beiden Kräften erzeugt. Über dieses Beispiel lässt sich wiederum sagen, dass das Drehmoment T_An, das von den Riemenscheiben auf die Welle ausgeübt wird, für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis eindeutig von dem Steuersignal bestimmt wird, das der Kraft entspricht, die von dem Stellglied angelegt wird.
Ein Merkanal, das beiden Anordnungen gemein ist, besteht darin, dass der Variator eine Komponente – die bewegliche Riemenscheibe oder Variatorrolle – umfasst, deren Position dem aktuellen Variatorantriebsverhältnis entspricht, und dass diese Komponente einem Vorspanndrehmoment (oder einer Vorspannkraft) unterliegt, das (die) von dem Steuersignal bestimmt wird und von den Drehmomenten ausgeglichen wird, die am Variatorantrieb/-abtrieb erzeugt werden.
Eine effektive Verwendung von drehmomentgesteuerten Getrieben hängt von der synchronen Regelung des Motors und des Getriebes durch Elektronik ab. Frühere Veröffentlichungen zur elektronischen Steuerung eines derartigen Antriebsstrangs stammen von Stubbs – "The Development of a Perbury Traction Transmission for Motor Car Applications", ASME (The American Society of Mechanical Engineers), Veröffentlichung Nr. 80-GT-22, März 1980, und ebenfalls von Ironside und Stubbs – "Microcomputer Control of an Automotive Perbury Transmssion", IMechE Veröffentlichung Nr. C200/81, 1981. Beide Veröffentlichungen beschreiben ein Projekt, das sich mit der elektronischen Steuerung eines Getriebes auf der Grundlage eines Variators des Typs, der eine Toroidbahn und Rollenantrieb aufweist, der in einem drehmomentgesteuerten Modus arbeitet, auseinandersetzt.
Beide Veröffentlichungen weisen auf einen wichtigen Vorteil im Zusammenhang mit stufenlosen Getrieben hin: dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit stark verbessert werden kann, wenn derartige Getriebe verwendet werden, indem der Motor auf oder nahezu auf dem Niveau der Motordrehzahl und des Motordrehmoments betrieben wird, auf dem der Kraftstoffverbrauch am effizientesten ist. Für jedes gegebene Motorleistungsniveau, das vom Fahrer verlangt wird, gibt es eine bestimmte Kombination von Motordrehzahl und Motordrehmoment, die die beste Kraftstoffeffizienz bereitstellt. Stubbs zeichnete die Stelle dieser Punkte von "optimaler Effizienz" auf einem Diagramm auf, das eine Linie bildet, welche die optimale Motoreffizienz darstellt. Die von Ironside und Stubbs vorgeschlagenen Steuerungsstrategien beruhten darauf, den Motor nach Möglichkeit auf dieser Linie zu betreiben.
Bei den in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Steuerungsplänen wurde der Befehl des Fahrers als Erfordernis für das Raddrehmoment gedeutet, was daraufhin durch Multiplikation mit der Drehzahl der Fahrzeugräder in eine Erfordernis für Motorleistung umgewandelt wurde. Ausgehend von dieser Leistung wurde ein eindeutiger Punkt auf der Linie der optimalen Effizienz ausgewählt, der Sollwerte für das Motordrehmoment und die Motordrehzahl bereitstellte. Der Motor wurde so eingestellt, dass er das Solldrehmoment erzeugte, und die von dem Variator auf den Motor ausgeübte Belastung wurde so eingestellt, dass die Motordrehzahl unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises, der auf der Motordrehzahl basierte, auf den Sollwert gebracht wurde.
Die einfache Lösung von Stubbs erweist sich für ein Serienkraftfahrzeug in mehrfacher Hinsicht als unangemessen, und zwar hinsichtlich der Stabilität des Getriebeübersetzungsverhältnisses und des Fahrverhaltens des Fahrzeugs.
Die mit der Steuerung eines drehmomentgesteuerten Getriebes verbundenen Herausforderungen unterscheiden sich stark von jenen, die mit der Steuerung eines übersetzungsverhältnisgesteuerten Getriebes verbunden sind. Beim Letzteren steht das Drehmoment an den angetriebenen Rädern in direktem Verhältnis zum Motordrehmoment, da der Variator ein gewähltes Antriebsverhältnis beibehält. Die Motordrehzahlsteuerung ist eine relativ einfache Angelegenheit, da das Getriebe durch die Beibehaltung eines eingestellten Antriebsverhältnisses eine direktes Verhältnis zwischen der Motordrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit bereitstellt. Bei einem drehmomentgesteuerten Getriebe, bei dem das Antriebsverhältnis nicht die Steuervariable ist und variieren kann, können der Motor und die Räder als effektiv voneinander entkoppelt angesehen werden. Das Raddrehmoment wird vom Variator anstatt vom Motordrehmoment gesteuert. Die Motordrehzahl ist nicht darauf beschränkt, der Fahrzeuggeschwindigkeit zu folgen. Stattdessen bestimmt das an den Variator angelegte Steuersignal ein Belastungsdrehmoment, das von dem Variator an den Motor angelegt wird. Die Verbrennung im Motor erzeugt ein Motordrehmoment. Die Summe aus Belastungsdrehmoment und Motordrehmoment wirkt auf die Masse, die auf den Motor übertragen wird (und zu der die Massen sowohl im Motor als auch im Getriebe beitragen) und so die Motorbeschleunigung bestimmt. Während das Belastungsdrehmoment und das Motordrehmoment gleich und entgegengesetzt sind, ist die Motordrehzahl konstant. Veränderungen der Motordrehzahl ergeben sich aus einem Ungleichgewicht zwischen diesen Drehmomenten. Die dynamische Abstimmung von Motordrehmoment und Belastungsdrehmoment ist daher fundamental für die Handhabung der Antriebswelle als Ganzes und insbesondere der Motordrehzahl. Ein Versäumnis, das Gleichgewicht zu regeln, würde unerwünschte Veränderungen der Motordrehzahl ermöglichen.
Auf einige Probleme im Zusammenhang mit der Motordrehzahlregelung wird in US 649 7636 (Schleicher et al.) eingegangen, das sich, soweit der vorliegende Amnelder die Sprache dieses Dokuments verstehen konnte, mit Getriebe- und Motoreinstellungen beschäftigt, die nötig sind, um den Motor auf den gewünschten Betriebspunkt (Motordrehzahl und Motordrehmoment) zu bringen.
Das Profil der Veränderungen der Motordrehzahl ist wichtig für das „Fahrverhalten" des Fahrzeugs. Die Tatsache, dass der Motor bei einem CVT-Antriebsstrang typischerweise mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment betrieben wird (um eine gute Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitzustellen), verleiht der Motordrehzahlregelung eine besondere Bedeutung. Wenn der Fahrer einen Anstieg der Leistung fordert, muss der Motor, der bereits fast auf seinem Höchstdrehmoment arbeitet, typischerweise in geregelter Weise beschleunigt werden, um die erforderliche Leistung bereitstellen zu können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effektive Steuerung einer Antriebswelle unter Verwendung eines drehmomentgesteuerten Getriebes zu ermöglichen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in Anspruch 1 beansprucht ist, wird ein Verfahren zur Steuerung eines stufenlosen Getriebes des Typs geschaffen, der eine Einheit mit stufenlosem Übersetzungsverhältnis („Variator"), der Rotationsantriebs- und -abtriebselemente aufweist, umfasst, mit deren Hilfe der Variator zwischen einem Motor und einer angetriebenen Komponente gekoppelt ist, wobei der Variator ein primäres Steuersignal empfängt und so konstruiert und angeordnet ist, dass auf seine Antriebs- und Abtriebselemente Drehmomente ausgeübt werden, die für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis direkt dem Steuersignal entsprechen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Ermitteln einer Sollmotorbeschleunigung,
Ermitteln von Einstellungen des primären Steuersignals des Variators und einer Motordrehmomentsteuerung zur Bereitstellung der erforderlichen Motorbeschleunigung und zur Einstellung des Steuersignals und/oder der Motordrehmomentsteuerung basierend auf diesen Einstellungen,
Vorhersage einer folglichen Motordrehzahländerung,
Korrigieren der Einstellungen des Steuersignals und des Motordrehmoments basierend auf einem Vergleich der tatsächlichen und der vorhergesagten Motordrehzahl.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in Anspruch 17 beansprucht ist, wird ein Verfahren zur Steuerung eines stufenlosen Getriebes des Typs geschaffen, der eine Einheit mit stufenlosem Übersetzungsverhältnis („Variator") umfasst, der Rotationsantriebs- und -abtriebselemente aufweist, mit deren Hilfe der Variator zwischen einem Motor und einer angetriebenen Komponente gekoppelt ist, wobei der Variator ein primäres Steuersignal empfängt und so konstruiert und angeordnet ist, das auf seine Antriebs- und Abtriebselemente Drehmomente ausgeübt werden, die für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis direkt dem Steuersignal entsprechen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Ermitteln einer Sollmotorbeschleunigung,
Ermitteln eines übermäßigen Drehmoments TrqAcc, das zur Beschleunigung der Masse des Antriebsstrangs erforderlich ist, um die Sollmotorbeschleunigung zu erreichen, und
Einstellen des Steuersignals zum Variator und/oder Einstellen eines Drehmomentsteuergeräts des Motors, so dass das Motordrehmoment dem Belastungsdrehmoment, das von dem Getriebe an den Motor angelegt wird, plus dem übermäßigen Drehmoment TrqAcc entspricht.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in Anspruch 29 beansprucht ist, wird ein Verfahren zur Steuerung eines Motordrehzahlfehlers in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang geschaffen, welcher einen Motor umfasst, der mindestens ein Fahrzeugrad über ein Getriebe antreibt, das ein stufenloses Übersetzungsverhältnis bereitstellt, wobei das Getriebe so konstruiert und angeordnet ist, dass es auf den Motor ein gesteuertes Belastungsdrehmoment ausübt und ermöglicht wird, dass das Übersetzungsverhältnis gemäß den Änderungen der Motordrehzahl variiert wird, so dass aus dem Anlegen eines Effektivdrehmoments an die Massen, die den Motor betreffen, eine Motorbeschleunigung resultiert, wobei das Effektivdrehmoment die Summe des Belastungsdrehmoments und eines Motordrehmoments ist, das von dem Motor erzeugt wird, wobei das Verfahren in einer Rückführschleife folgende Schritte umfasst:
Ermitteln des Motordrehzahlfehlers,
Zuführen des Motordrehzahlfehlers zu einer Steuerung mit geschlossenen Regelkreis, die einen Steuervorgang ausführt, der eine Korrektur des Effektivdrehmoments ist, die zur Verringerung des Motordrehzahlfehlers erforderlich ist,
Bestimmen einer Zuordnung des Steuervorgangs zu (i) einer Einstellung des Motordrehmoments und (ii) einer Einstellung des Belastungsdrehmoments unter Berücksichtigung des Steuervorgangs und
und Durchführen der Einstellung.
Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine vereinfachte Veranschaulichung eines Variators des Typs, der eine Toroidbahn und Rollenantrieb aufweist, von einer an sich bekannten Art ist, der zur Verwendung bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
2 eine hochschematische Darstellung eines Antriebsstrangs der drehmomentgesteuerten Art ist, der für die Implementierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
3 eine schematische Darstellung der Hardware ist, die zur Steuerung des Antriebsstrangs verwendet wird;
4a und 4b Diagramme sind, die die Interpretation einer Steuereingabe des Fahrers in einem Steuersystem darstellen, das die vorliegende Erfindung verwirklicht;
5 ein Beispiel einer Abbildung des Motordrehmoments im Verhältnis zur Motordrehzahl für einen Verbrennungsmotor ist;
6 ein Ablaufplan ist, der einen „Aufschalt"-Teil einer Antriebsstrangsteuerstrategievorrichtung darstellt, die die vorliegende Erfindung verwirklicht;
7 eine hochschematische Darstellung eines Getriebes ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;
8 ein Diagramm der Motordrehzahländerung und verwandter Variablen im Verhältnis zur Zeit beim Betrieb eines Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
9 ein Ablaufplan ist, der einen Überblick über einen „Rückführ"-Teil der Antriebsstrangsteuerungsstrategievorrichtung bereitstellt, die die vorliegende Erfindung verwirklicht;
10-13 Ablaufpläne sind, die entsprechende Teile aus 9 ausführlicher zeigen.
Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit einem Fahrzeuggetriebe entwickelt worden, das einen drehmomentgesteuerten Variator des Typs, der eine Toroidbahn und Rollenantrieb aufweist, verwendet. Die Erfindung wird als potenziell auf andere Arten von drehmomentgesteuertem Getriebe anwendbar angesehen. Dennoch wird der betreffende Toroidbahnvariator nun sehr kurz beschrieben, um bestimmte relevante Prinzipien zu veranschaulichen. Weitere Einzelheiten bezüglich der Konstruktion und Funktion dieser Art von Variator finden sich in verschiedenen Patenten und veröffentlichten Anmeldungen, die im Besitz der Torotrak (Development) Ltd. sind, einschließlich des europäischen Patents EP444086 .
1 veranschaulicht einige der Hauptkomponenten des Variators 10 und 2 veranschaulicht in stark schematischem Format Hauptteile einer Antriebswelle, in die der Variator integriert ist. In 1 ist der Variator zu sehen, der die koaxial befestigte Antriebs- und Abtriebsscheibe 12, 14 umfasst, die zusammen einen toroidalen Hohlraum 22 abgrenzen, der eine Variatorrolle 20 umfasst. Die Rolle läuft auf entsprechenden Seiten der Antriebs- und Abtriebsscheibe, um eine Antriebskraft von der einen zu der anderen zu übertragen. Die Rolle ist auf eine Weise befestigt, die ermöglicht, dass sie sich entlang einer Umfangsrichtung um die Achse 24 der Scheiben 12, 14 bewegt. Die Rolle ist ebenfalls in der Lage, eine "Präzession" auszuführen. Das heißt, die Achse der Rolle kann sich drehen, wobei die Neigung der Rolle zur Scheibenachse verändert wird. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die Rolle in einem Wagen 26 befestigt, der mit Hilfe eines Schaftes 28 mit einem Kolben 30 eines Stellglieds 32 gekoppelt ist. Eine Linie von der Mitte des Kolbens 30 zur Mitte der Rolle 20 stellt eine „Präzessionsachse" dar, um die sich die gesamte Baugruppe drehen kann. Veränderungen der Neigung der Rolle führen zu Veränderungen der Radien der Pfade, die von der Rolle auf der Antriebs- und Abtriebsscheibe 12, 14 beschrieben werden. Folglich wird eine Veränderung der Rollenneigung von einer Veränderung des Variatorantriebsverhältnisses begleitet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Präzessionsachse nicht exakt in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Scheibenachse verläuft, sondern vielmehr zu dieser Ebene abgewinkelt ist. Dieser Winkel, in 1 mit CA bezeichnet, wird hierin als „Rollenwinkel" bezeichnet. Wenn sich die Rolle hin und her bewegt, folgt sie einem kreisförmigen Pfad, der um die Scheibenachse herum zentriert ist. Des Weiteren neigt die Wirkung der Scheiben 12, 14 auf die Rollen dazu, die Rollen in einer solchen Neigung zu halten, dass die Rollenachse die Scheibenachse schneidet. Dieses Schneiden der Achsen kann trotz der Bewegung der Rolle entlang ihres kreisförmigen Pfades mit Hilfe des Rollenwinkels aufrecht erhalten werden. Das Ergebnis ist, dass die Translationsbewegung der Rolle um die Scheibenachse herum von einer Präzession der Rolle und so von einer Veränderung des Variatorantriebsverhältnisses begleitet wird. Wenn der Schlupf zwischen der Rolle und den Scheiben vernachlässigt wird, entspricht die Position der Variatorrolle dem Variatorantriebsverhältnis und damit dem Drehzahlverhältnis zwischen dem Motor und den angetriebenen Rädern.
Das Stellglied 32 empfangt entgegengesetzte Hydraulikfluiddrücke durch die Leitungen 34, 36 und die vom Stellglied auf die Rolle ausgeübte Kraft entspricht dem Druckunterschied in den Leitungen. Dieser Druckunterschied ist das primäre Steuersignal, das in diesem Beispiel an den Variator angelegt wird. Die Wirkung dieser Kraft besteht darin, die Rolle zu zwingen, sich entlang ihres kreisförmigen Pfades um die Scheibenachse herum zu bewegen. Gleichermaßen kann gesagt werden, dass das Stellglied ein Drehmoment um die Scheibenachse herum auf die Rolle ausübt. Das Stellglieddrehmoment wird von einem Drehmoment ausgeglichen, das durch die Wechselwirkung zwischen der Rolle und den Scheiben erzeugt wird. Die Rolle übt ein Drehmoment T_An auf die Antriebsscheibe 12 und ein Drehmoment T_Ab auf die Abtriebsscheibe 14 aus. Dementsprechend üben die Scheiben zusammen ein Drehmoment T_An + T_Ab um die Scheibenachse herum auf die Rolle aus. Die Quantität T_An + T_Ab (das Reaktionsdrehmoment) entspricht dem Stellglieddrehmoment und ist damit direkt proportional zu dem Steuersignal, das von der zuvor genannten Druckdifferenz gebildet wird. Daher bestimmt dieses Steuersignal das Reaktionsdrehmoment, das von dem Variator erzeugt wird.
2 soll bestimmte Prinzipien zur Steuerung des Antriebsstrangs veranschaulichen. Ein Motor wird durch den Kasten 16 dargestellt und ist mit der Antriebsscheibe 12 des Variators gekoppelt. In dieser stark vereinfachten Zeichung ist eine direkte Kopplung gezeigt. In der Praxis ist natürlich ein eingreifendes Räderwerk vorhanden. Die Massen, die mit der Antriebsscheibe des Variators gekoppelt sind, einschließlich der Masse des Motors selbst, stellen eine Masse J_e auf der Seite des Motors bereit. Die Massen, die durch einen Kasten 18 dargestellt sind und auf die Abtriebsscheibe 14 des Variators wirken, stellen eine Masse J_v, auf der Seite des Fahrzeugs bereit. Während die Traktion zwischen den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs und der Straße aufrecht erhalten wird, trägt die Masse des Fahrzeugs selbst zur effektiven Abtriebsmasse J_v, bei.
Das Steuersignal des Variators bestimmt bei dem aktuellen Variatorantriebsverhältnis das Drehmoment T_An, das von der Rolle an die Variatorantriebsscheibe 12 angelegt wird. Die in 2 veranschaulichte vereinfachte Anordnung, bei der die Variatorantriebsscheibe 12 direkt mit dem Motor gekoppelt ist, würde dazu führen, dass das an den Motor angelegte Belastungsdrehmoment gleich dem Drehmoment T_An wäre, das auf die Variatorantriebsscheibe 12 ausgeübt wird, und der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Erörterung angenommen, dass beide einander entsprechen. Da das Räderwerk in einem praktischen Getriebe zwischen der Antriebsscheibe 12 und dem Motor 16 angeordnet ist, entspricht das vom Motor erfahrene Belastungsdrehmoment dem Variatorantriebsdrehmoment T_An dividiert durch das Übersetzungsverhältnis des eingreifenden Räderwerks (unter Vernachlässigung von Reibungsverlusten).
Während der Motor das Fahrzeug antreibt, ist dem Belastungsdrehmoment T_An das Motordrehmoment T_M entgegengesetzt, welches das Drehmoment ist, das durch die Verbrennung im Motor erzeugt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass dies nicht notwendigerweise dasselbe ist wie das Drehmoment, das an der Antriebswelle des Motors zur Verfügung steht, da ein Teil des Motordrehmoments T_M zur Überwindung der motorseitigen Masse Je verwendet wird, während sich die Motordrehzahl ändert. Die Summe aus dem Motordrehmoment T_M und dem Belastungsdrehmoment T_An wirkt auf die motorseitige Masse Je (die die Motormasse umfasst), so dass ein Ungleichgewicht zwischen dem Belastungsdrehmoment T_An und dem Motordrehmoment T_M eine Veränderung der Motordrehzahl ω_e verursacht. Der Variator passt sich automatisch an die resultierende Veränderung des Getriebeübersetzungsverhältnisses an. Ebenso bestimmt das Steuersignal das Variatorabtriebsdrehmoment T_Ab. Dies wird durch das Übersetzungsverhältnis von Zahrädern geteilt, die zwischen dem Variator und den Fahrzeugrädern angeordnet sind, und bei der Bestimmung des Effektivdrehmoments, das zur Beschleunigung der abtriebsseitigen Masse J_v, zur Verfügung steht, zu den extern angelegten Drehmomenten T_v, (z.B. von den Fahrzeugrädern) addiert. Wiederum werden Reibungsverluste im Räderwerk zugunsten der Einfachheit in dieser Erörterung vernachlässigt. Auf diese Weise werden Veränderungen der Getriebeabtriebsdrehzahl ω_v, erzeugt, und wiederum passt sich der Variator automatisch an die resultierende Änderung des Übersetzungsverhältnisses an.
Der veranschaulichte Variator 10 ist natürlich der Klarheit halber stark vereinfacht. Zum Beispiel weist ein praktischer Variator typischerweise zwei Paar Antriebs-/Abtriebsscheiben auf, die zwei toroidale Hohlräume abgrenzen, die jeweils einen Gruppe von Rollen enthalten. Bei einer derartigen Anordnung ist das Reaktionsdrehmoment die Summe der Drehmomente, die auf alle Variatorrollen ausgeübt werden. Die oben aufgestellten Betriebsprinzipien sind jedoch bei einem praktischen Getriebe im Wesentlichen unverändert.
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass es zur Steuerung der Motordrehzahl notwendig ist, das dynamische Gleichgewicht zwischen dem im Motor erzeugten Drehmoment (dem „Motordrehmoment") und dem Belastungsdrehmoment, das vom Getriebe auf den Motor ausgeübt wird (dem „Belastungsdrehmoment") zu steuern. Dies muss erfolgen, während gleichzeitig dem Fahrer an den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs Drehmoment bereitgestellt wird („Raddrehmoment"), das innerhalb einer akzeptablen Toleranz dem Bedarf des Fahrers entspricht, wie er durch die Gaspedalsteuerung kommuniziert wird. Das dynamische Gleichgewicht kann von dem Steuersystem des Antriebsstrangs durch Einstellung von Folgendem eingestellt werden:

i. Des Motordrehmoments (über die Kraftstoffversorgung der Motorsteuerung usw.). Als Mittel zur Steuerung der Motordrehzahl hat dies den Vorteil, dass (bei einem drehmomentgesteuerten Getriebe) Veränderungen des Motordrehmoments nicht direkt eine Veränderung des Raddrehmoments erzeugen. Jedoch sind Einstellungen, die mit der Drosselklappe des Motors vorgenommen werden, relativ langsam. Das heißt, es gibt eine merkliche Verzögerung zwischen einer Einstellung der Drosselklappe und der entsprechenden Veränderung des Drehmoments, das tatsächlich vom Motor bereitgestellt wird. Dies ist auf Faktoren zurückzuführen, die die Dynamik des Ansaugkrümmers des Motors umfassen. Einstellungen des Motordrehmoments beeinträchtigen ebenfalls die Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
ii. Des Variatorreaktionsdrehmoments, das das Belastungsdrehmoment bestimmt, das an den Motor angelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass es relativ schnell ist. Jedoch führen Veränderungen des Reaktionsdrehmoments zu Veränderungen des Raddrehmoments, was das Problem mit sich bringt, dass der Fahrer, falls Reaktionsdrehmomenteinstellungen zur Steuerung der Motordrehzahl verwendet -werden, das durch die Gaspedalsteuerung angeforderte Raddrehmoment möglicherweise nicht wahrnimmt. Das Problem ist bei einem kleinen Übersetzungsverhältnis von großer Bedeutung, wenn eine große Veränderung des Raddrehmoments nötig ist, um eine kleine Veränderung des Motorbelastungsdrehmoments zu bewirken.

Es ist eine koordinierte Strategie zur Steuerung des Reaktionsdrehmoments und des Motordrehmoments erforderlich.
Ein breiter Überblick über die Hauptkomponenten eines Steuersystems, das die vorliegende Erfindung verwirklicht, ist in 3 bereitgestellt, in der bei 300 der Motor zu sehen ist, der ein Getriebe der stufenlosen drehmomentgesteuerten Art 302 antreibt. Das Diagramm zeigt schematisch sowohl den Variator 304 als auch das epizyklische Räderwerk 306 an, durch das der Variator zwischen dem Getriebeantrieb und -abtrieb entweder in einem kleinen Gang, bei dem der Bereich der von dem Variator verfügbaren Übersetzungsverhältnisse auf einen niedrigen Bereich von Gesamtgetriebeübersetzungsverhältnissen abgebildet wird, oder einem großen Gang, bei dem der Bereich der Variatorübersetzungsverhältnisse auf einen höheren Bereich von Gesamtgetriebeübersetzungsverhältnissen abgebildet wird, gekoppelt ist. Der Getriebeabtrieb ist mit einer Last – typischerweise den angetriebenen Rädern eines Kraftfahrzeugs – gekoppelt, die in der Zeichnung durch Block 308 dargestellt wird.
Die Steuerung sowohl des Motors als auch des Getriebes wird elektronisch durchgeführt, abhängig vom Befehl des Fahrers. Bei aktuellen Ausführungsformen werden herkömmliche digitale Mikroprozessoren für diese Aufgabe programmiert. Die veranschaulichte Architektur dient nur als Beispiel und kann in Serienversionen weiter vereinfacht werden, umfasst jedoch eine elektronische Antriebsstrang-Steuereinheit („PCU"), die Daten von Instrumenten, die zum Motor und Getriebe gehören, und ebenfalls von der Steuerung 309 des Fahrers empfangt (die z.B. vom Gaspedal eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs gebildet wird). Als Reaktion darauf stellt die PCU Ausgaben bereit, die das Verhalten sowohl des Motors als auch des Getriebes steuern. Die Motorsteuerung wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 310 ausgeführt. Die Getriebesteuerung wird bei dieser beispielhaften Ausführungsform durch die Steuerung von Hydraulikdrücken ausgeführt, die auf den Variator 304 und zur Steuerung des Getriebegangs auf Kupplungen seines zugehörigen Räderwerks 306 ausgeübt werden.
Bei der Steuerung eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist es notwendig, zuerst die Eingabe des Fahrers zu deuten, die natürlich typischerweise durch die Position einer Gassteuerung, wie beispielsweise eines Pedals, kommuniziert wird. Das aktuelle Steuersystem bildet die Pedalposition auf einen Fahrerbedarf für Raddrehmoment und Motordrehzahl ab, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt wird. 4a ist eine Diagramm, das die vom Fahrer angeforderte Motordrehzahl (SpdEngDr) im Verhältnis zur Fahrzeuggeschwindigkeit (SpdVeh) und zu den Pedalpositionen (PosPedal) zeigt. 4b zeigt das vom Fahrer angeforderte Raddrehmoment (TrqWheelDr) noch einmal im Verhältnis zur Fahrzeuggeschwindigkeit und Pedalposition. Die beiden Diagramme sind in Form von Nachschlagtabellen im Steuersystem aufgezeichnet.
Auf der Grundlage des vom Fahrer angeforderten Raddrehmoments – TrqWheelDr – wird ein mathematisches Modell des Getriebes (unter Berücksichtigung von Faktoren, die die Getriebeeffizienz umfassen) verwendet, um das vom Fahrer angeforderte Motordrehmoment zu erhalten, das zusammen mit der vom Fahrer angeforderten Motordrehzahl ermöglicht, dass die vom Fahrer angeforderte Motorleistung bestimmt wird. Das vom Fahrer angeforderte Motordrehmoment und die vom Fahrer angeforderte Motordrehzahl können unmodifiziert verwendet werden, oder alternativ kann die vom Fahrer angeforderte Motorleistung zusammen mit einer Motorabbildung oder einem Satz von Motorabbildungen verwendet werden, um die optimale Motordrehzahl und das optimale Motordrehmoment zur Bereitstellung der angeforderten Motorleistung zu bestimmen. Rein beispielhaft zur Veranschaulichung, wie eine Optimierung hinsichtlich der Motoreffizienz erreicht werden kann, ist 5 eine Motorabbildung mit Motordrehzahlen entlang der horizontalen Achse und Motordrehmoment auf der vertikalen Achse. Die Linie 500 zeigt, wie die vom Fahrer angeforderte Motordrehzahl und das Drehmoment variieren, wenn die Pedalposition verändert wird. Die Linie 502 stellt das Verhältnis zwischen der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment dar, was eine optimale Motoreffizienz bereitstellt. Sternchen auf den beiden Linien entsprechen demselben Niveau an Motorleistung und das System kann zwischen den beiden Betriebspunkten wählen.
Das Verfahren der Deutung des Fahrerbedarfs führt zu einem Basissollmotordrehmoment, TrqEngBaseReq, und einer Basissollmotordrehzahl, SpdEngBaseReq.
Die Aufgabe des in Erwägung gezogenen Systems besteht in der Steuerung des Motors und des Getriebes in einer solchen Weise, dass diese Werte erreicht werden oder in einer dynamischen Situation mindestens in Richtung dieser Werte eingestellt werden, während an den angetriebenen Fahrzeugrädern ein Drehmoment bereitgestellt wird, das den Bedarf des Fahrers wiederspiegelt. Das Steuerungsverfahren wird im Folgenden ausführlich beschrieben, zusammenfassend kann jedoch gesagt werden, dass es folgende Schritte umfasst, die in einer Schleife wiederholt werden.

1. Bestimmen der Differenz zwischen tatsächlicher und Basissollmotordrehzahl.
2. Ausgehend von dieser Differenz, Berechnen einer Sollmotorbeschleunigung – d.h. der Geschwindigkeit, mit der der Motor in Richtung der Basissollmotordrehzahl beschleunigt werden soll (erwünscht ist ein gesteuertes Motordrehzahlprofil), und daraufhin Berechnen des Drehmoments, das für die Überwindung der Masse benötigt wird, um die Sollmotorbeschleunigung bereitzustellen (basierend auf dem Moment der Masse J_e, das auf den Motor übertragen wird).
3. Einstellen des Motordrehmomentsteuergeräts in entsprechender Weise, um das erforderliche Motordrehmoment bereitzustellen, um sowohl (1) ein geeignetes Raddrehmoment zu erzeugen und (2) den Motor zu beschleunigen und dabei die Masse Je zu überwinden. Wo es möglich ist, entspricht das Raddrehmoment der Anforderung des Fahres. Da jedoch das verfügbare Motordrehmoment finit ist, ist es in manchen Situationen notwendig, ein geringeres Raddrehmoment zu akzeptieren, um das Drehmoment bereitzustellen, das zur Beschleunigung des Motors erforderlich ist.
4. Berechnen, welches momentane Drehmoment der Motor bei dieser gegebenen Motordrehmomentsteuergeräteinstellung tatsächlich bereitstellen wird, da die Reaktion des Motors auf sein Steuergerät nicht unmittelbar erfolgt. Faktoren, einschließlich der Dynamik des Ansaugkrümmers des Motors, erzeugen eine Verzögerung zwischen der Einstellung und den resultierenden Veränderungen des Motordrehmoments. Verfahren zur Modellierung des momentanen Abtriebsdrehmoments sind in der Technik bekannt und werden hier angewendet.
5. Einstellen des Steuersignals, das an den Variator angelegt wird, um den Motor mit einem Drehmoment zu belasten, das dem berechneten momentanen Motordrehmoment entspricht, das von dem zuvor erwähnten Modell hergeleitet wird, minus dem Drehmoment, das erforderlich ist, um den Motor zu beschleunigen und das in Schritt 2 berechnet wurde. Das Signal kann ebenfalls durch eine Einraststrategievorrichtung, die unten erläutert wird, eingestellt werden.
6. Berechnen, welche Motorbeschleunigung tatsächlich erwartet wird. Dieser erwartete Wert entspricht nicht exakt der Sollbeschleunigung, da die Berechnung des erwarteten Wertes Folgendes berücksichtigt: (a) das oben berechnete momentane Motordrehmoment und (b) ein weiteres Modell, das die Reaktion des Getriebes auf die Steuerung darstellt, die in Schritt 5 oben angewendet wurde, wobei das Getriebe ebenfalls eine zeitlich verzögerte Reaktion auf die Steuereingabe aufweist. Die Berechnung beruht ebenfalls auf dem Moment der Masse Je des Motors und des Getriebes, das auf den Motor übertragen wird.
7. Integrieren der in Schritt 6 erreichten Motorbeschleunigung zum Erhalten einer vorhergesagten Motordrehzahl und daraufhin Anwenden einer Korrektur des geschlossenen Regelkreises der tatsächlichen Motordrehzahl, wobei sie in Richtung des vorhergesagten Wertes korrigiert wird.

Schritt 1 bis 6 können als „Aufschalt"-Strategie bezeichnet werden. Schritt 7 ist eine „Rückführ"-Strategie, die zur Korrektur von Abweichungen von der vorhergesagten Motordrehzahl verwendet wird. Da die Rückführmotordrehzahlkorrektur mit geschlossenem Regelkreis nur dazu verwendet wird, die Motordrehzahl in Richtung eines erwarteten Wertes basierend auf Modellen der Motor- und Getriebedynamik einzustellen, wird das Ausmaß dieser Korrektur minimiert. Das Verfahren ermöglicht, dass die Motorbeschleunigung in hocheffektiver Weise gesteuert und „profiliert" wird (wobei die Geschwindigkeit der Motorbeschleunigung eine gesteuerte Funktion der Diskrepanz zwischen der Ist- und der Sollmotordrehzahl ist).
Der Aufschaltteil des Steuerverfahrens wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, wobei das Sollmotordrehmoment durch die Antriebsvariable TrqEngBaseReq und die Sollmotordrehzahl durch die Antriebsvariable SpdEngBaseReq dargestellt ist.
Unter Betrachtung zuerst des oberen linken Teils des Diagramms wird das Basissollmotordrehmoment TrqEngBaseReq bei 200 zu einem Drehmoment TrqAcc addiert, das so berechnet ist, dass eine Sollmotorbeschleunigung bereitgestellt wird. Die Ermittlung von TrqAcc wird unten betrachtet. Natürlich ist das vom Motor verfügbare Drehmoment finit und ein Begrenzer 202 stellt sicher, dass das Drehmoment, falls die Eingabe in den Begrenzer ein Drehmoment ist, das größer oder negativer ist als der Motor bereitstellen kann, so modifiziert wird, dass es in den verfügbaren Drehmomentbereich fällt. Die Ausgabe vom Begrenzer 202 wird zu einer Nebenschlussstrategievorrichtung 203 geleitet, die das Profil der Veränderungen des Motordrehmoments leicht modifiziert, wodurch sehr abrupte Veränderungen des Motordrehmoments verhindert werden (wie sie z.B. auftreten können, wenn die Gaspedalsteuerung schnell vom Fahrer getreten wird), die sonst unerwünschte Stöße im Antriebsstrang erzeugen könnten. Die Nebenschlussstrategievorrichtung nimmt die Form eines Integrators (im Verhältnis zur Zeit) an, der normalerweise gesättigt ist, so dass seine Ausgabe seiner Eingabe folgt. Im Fall von abrupten Eingabeveränderungen nimmt die Ausgabe des Integrators jedoch eine finite Zeit in Anspruch, um die Eingabe „einzuholen", so dass sich die Ausgabe der Strategievorrichtung langsamer verändert als ihre Eingabe. Der resultierende erforderliche Drehmomentwert, TrqEngReq, wird zur Steuerung des Motordrehmomentbedarfs, der an den Motor angelegt wird, verwendet, wie unten unter Bezugnahme auf auf 13 erläutert wird. Falls möglich wird daher der Motor so eingestellt, dass er ein Motordrehmoment bereitstellt, das der Summe aus dem Basissollmotordrehmoment, TrqEngBaseReq, und dem Drehmoment TrqAcc entspricht, das benötigt wird, um den Motor in Richtung der Sollmotordrehzahl zu beschleunigen (abhängig von einer Einstellung auf der Grundlage der Rückführung der Motordrehzahl, wie unten erläutert wird).
Wie oben erwähnt, erfolgt die Reaktion des Motors auf das Motordrehmomentsteuergerät nicht unmittelbar. Selbst unter Vernachlässigung der Wirkungen der Motormasse liegt das Drehmoment, das vom Motor erzeugt wird, etwas hinter den Drosseleinstellungen zurück, wie Fachleuten bekannt ist. Eine solche Zeitverzögerung ist bei einem drehmomentgesteuerten Getriebe potenziell problematisch, bei dem selbst eine kurze Fehlanpassung zwischen dem Motordrehmoment und dem Variatorreaktionsdrehmoment (und dementsprechend im Belastungsdrehmoment, das vom Getriebe an den Motor angelegt wird) zu einer dramatischen Abweichung der Motordrehzahl führen kann, wie oben erläutert. Um derartige Probleme zu vermeiden, ist ein Motormodell 204 in das veranschaulichte Steuersystem integriert, das auf der Grundlage der Drehmomentanforderungseingabe in das Motorsteuergerät und eines Modells des Motorverhaltens eine Schätzung TrqEngEst des momentanen Drehmoments ausgibt, das vom Motor erzeugt wird, wodurch die zeitliche Verzögerung der Reaktion des Motors auf sein Drehmomentsteuergerät ermöglicht wird.
Bei 206 wird das Drehmoment TrqAcc, das zur Beschleunigung der Masse J_e, die auf den Motor und das Getriebe übertragen wird, nötig ist, von dem momentanen Motordrehmoment TrqEngEst subtrahiert, um das Belastungsdrehmoment zu ergeben, das vom Getriebe an den Motor angelegt werden soll, woraus daraufhin das vom Variator geforderte Reaktionsdrehmoment erhalten wird. Jedoch wird das Reaktionsdrehmoment mit Hilfe einer Einraststrategievorrichtung 208 modifiziert, um unerwünschte Variationen des Raddrehmoments unter bestimmten Bedingungen zu verhindern. Die Einraststrategievorrichtung dient dazu, die Abweichung des Raddrehmoments von dem vom Fahrer geforderten Pegel zu begrenzen. Die Ausgabe von der Einraststrategievorrichtung stellt das Motorbelastungsdrehmoment dar, das mit Hilfe des Variators bereitzustellen ist, und dies wird bei 210 in eine Druckdifferenz zum Anlegen an den Variator (das primäre Steuersignal des Variators) umgewandet, welche als Ausgabevariable TrqReacVarReq zur einer Logik geleitet wird, die die Fluiddrücke steuert, die an den Variator selbst angelegt werden, was unten unter Bezugnahme auf 13 beschrieben wird.
Das Steuersystem, soweit es bisher beschrieben wurde, stellt Werte zur Steuerung sowohl des Motordrehmoments als auch der Getriebehydraulik bereit. Basierend auf diesen beiden Werten werden die nachfolgenden Veränderungen der Motordrehzahl geschätzt. Dabei ist es notwendig, nicht nur die zeitliche Verzögerung der Reaktion des Motors (bei 204 modelliert, wie oben erwähnt), sondern auch die zeitlichen Verzögerungen der Reaktion des Variators zu dessen Steuereingabe zu berücksichtigen. Wie bereits erläutert, wird das Steuersignal dem Variator im Form von zwei Öldrücken bereitgestellt, die von Ventilen in der zum Variator gehörenden Hydraulik gesteuert werden. Veränderungen der Ventileinstellungen benötigen eine finite Zeit, um eine Wirkung zu erzeugen, wobei diese Verzögerung bei 212 toleriert wird. Die Toleranz der Hydraulik erzeugt einen Beitrag zu der Verzögerung, ebenfalls bei 212 modelliert, um eine Ausgabe zu erzeugen, die eine Schätzung des momentanen Getriebereaktionsdrehmoments ist.
Das Drehmoment, das zur Verfügung steht, um die Antriebsstrangmasse zu überwinden und so den Motor zu beschleunigen, ist die Differenz zwischen dem momentanen Belastungsdrehmoment, das an den Motor angelegt wird (und in der Erörterung von 2 als T_An bezeichnet wird, jedoch äquivalent als Drehmomenteingabe in das Getriebe bezeichnet werden könnte), und dem momentanen Motordrehmoment (das oben als T_e bezeichnet wird). In 6 zieht ein Vergleicher 216 das geschätzte momentane Motordrehmoment, die Ausgabe vom Motormodell 204, von dem geschätzten momentanen Belastungsdrehmoment ab. Durch Dividieren des Ergebnisses durch die Masse J_e, die bei 218 auf den Motor übertragen wird, wird eine Schätzung der Motorbeschleunigung erhalten, und eine Integration bei 221 stellt eine Vorhersage der Motordrehzahl bereit. Da die Masse Je nicht konstant ist, ist diese Berechnung in der Praxis etwas komplizierter, wie unten erläutert wird. Der Integrator empfängt ebenfalls die Basissollmotordrehzahl SpdEngBaseReq, die dazu dient, den Integrator zu sättigen, wodurch verhindert wird, dass die vorhergesagte Motordrehzahl die Sollmotordrehzahl übersteigt.
Es muss noch erläutert werden, wie die Sollmotorbeschleunigung ermittelt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass sie Basissollmotordrehzahl SpdEngBaseReq über einen Begrenzer 219 dem Subtraktionsblock 220 zugeführt wird, der die vorhergesagte Motordrehzahl SpdEngReq von der begrenzten Sollmotordrehzahl SpdEngBaseReqLimit abzieht, wodurch eine Vorhersage der Differenz zwischen der tatsächlichen Motordrehzahl und der Sollmotordrehzahl erhalten wird. Das System steuert die Motorbeschleunigung als Funktion dieser Differenz. Bei dem veranschaulichten Beispiel wird die Sollmotorbeschleunigung so gewählt, dass sie proportional zur Differenz SpdEngBaseReqLimit minus SpdEngReq ist, eine Konstante der Proportionalität GainAccEng, die bei 222 eingeführt wird. Dieses Verfahren stellt ein geeignetes Profil für die Motorbeschleunigung bereit, die groß ist, wenn die Motordrehzahl weit vom Sollwert entfernt ist, und abnimmt, wenn sich die Motordrehzahl dem Sollwert nähert. Jedoch ist deutlich ersichtlich, dass eine andere Funktion zur Einstellung der Sollmotorbeschleunigung AccEng gewählt werden könnte.
Ein weiterer Begrenzer 224 stellt sicher, dass die gewünschte Motorbeschleunigung nicht die akzeptablen Grenzwerte überschreitet. Es ist daraufhin notwendig, TrqAcc zu berechnen, das übermäßige Drehmoment, das erforderlich ist, um die Motorbeschleunigung AccEng zu erreichen. Im Prinzip und unter Vernachlässigung von Energieverlusten ist TrqAcc gleich AccEng, multipliziert mit der Antriebswellenmasse J_e, die auf den Motor übertragen wird. Jedoch ist J_e bei einem praktischen Getriebe nicht konstant, wie oben erwähnt. Es wird nun eine Erläuterung bereitgestellt, wie das Verhältnis von TrqAcc und Motorbeschleunigung berechnet werden kann.
Dieses Verhältnis ergibt sich aus der speziellen Form des Räderwerks, das verwendet wird, um den Variator mit dem Motor und den Rädern zu koppeln, und 7 stellt eine schematische Veranschaulichung einer geeigneten Anordnung bereit. Diese ist vom Zweigang-Leistungsrezirkulationstyp, der in der Technik bereits beispielsweise aus den früheren Patenten von Torotrak (Development) Limited, einschließlich EP933284 , bekannt ist. In 7 ist der Motor mit 700, der Variator mit 702 und eine Ausgabe des Getriebes an die angetriebenen Fahrzeugräder mit 704 bezeichnet. Eine epizyklische "Nebenschlussräderwerkanordnung" ist mit 706 bezeichnet und die Kästen R₁–R₄ stellen Zahnradübersetzungsverhältnisse an verschiedenen Punkten im Getriebe dar.
Das epizyklische Getriebe umfasst in der gewohnten Weise einen Planetenträger CAR, ein Sonnenrad SUN und ein äußeres Ringrad ANN. Der Planetenträger CAR wird über das Räderwerk R₁, R₃ vom Motor angetrieben. Das Sonnenrad wird über R₁, R₂ und den Variator 702 selbst angetrieben. Das momentane Variatorübersetzungsverhältnis wird als R_v, bezeichnet.
Um einen kleinen Gang einzulegen (bei dem der verfügbare Bereich des Variatorantriebsverhältnisses auf einen niedrigen Bereich von Getriebeübersetzungsverhältnissen abgebildet wird), wird eine Kupplung LC für einen kleinen Gang eingekuppelt, die das Ringrad ANN über das Räderwerk mit einem Übersetzungsverhältnis R₄ mit dem Abtrieb 704 koppelt. Bei einem kleinen Gang wird die Leistung in einer Weise, die Fachleuten bekannt ist, durch den Variator rezirkuliert.
Um einen großen Gang einzulegen (bei dem der verfügbare Bereich des Variatorantriebsverhältnisses auf einen höheren Bereich von Getriebeübersetzungsverhältnissen abgebildet wird), wird eine Kupplung HC für einen großen Gang eingekuppelt, die einen Antriebspfad von der Variatorabtrieb durch die Kupplung HC zum Räderwerk R₄ und damit zur Getriebeabtrieb bildet.
Die Massen des Motors und des Getriebes sind durch J₁ dargestellt, was die Masse des Motors umfasst; J₂ ist eine Masse, die mit dem Sonnenrad SUN gekoppelt ist; und J₃ ist eine Masse, die mit dem Ringrad ANN gekoppelt ist. Die Drehzahlen der drei Massen werden jeweils als ω₁, ω₂ und ω₃ bezeichnet. ω₁ ist daher in diesem Diagramm die Motordrehzahl.
Das Verhältnis zwischen TrqAcc und der Motorbeschleunigung (dω₁/dt) wird unter Verwendung von Energieerhaltung erhalten. Eine Antriebskraft ω₁×TrqAcc verändert die kinetische Energie des Getriebes und hat Veränderungen der Drehzahl zur Folge.
Zuerst, unter Betrachtung des Falls eines kleinen Gangs wird die Masse J₃ mit den Fahrzeugrädern gekoppelt und hängt von dem Getriebeabtriebsdrehmoment ab, das selbstverständlich getrennt von TrqAcc behandelt wurde. Daher ist nur die Berücksichtung der kinetischen Energien Q₁ und Q₂ von J₁ und J₂ notwendig. Q1 = ½J1ω1 2 und Q2 = ½J2ω2 2 und die kinetische Gesamtenergie QGES = ½(J1ω1 2 + J2ω2 2) (Gl. 1)und da das Steuersystem das Variatorübersetzungsverhältnis R_v überwacht, kann ω₂ abhängig von ω₁ angegeben werden. ω2 = R1R2Rvω1 (Gl. 2)Durch Ersetzen von Gleichung 1 in Gleichung 2 ergibt sich: QGES = (J1 + J2(R1R2Rv)2)ω1 2 und die Änderungsgeschwindigkeit dieser kinetischen Energie entspricht der Antriebskraft, daher gilt: dQGES/dt = TrqAcc x1 = (J1+J2(R1R2Rv)2)ω1dω1/dt + (2J2R1 2R2 2RvdRv/dt)ω1 2/2
Daher ist es möglich, das überschüssige Drehmoment TrqAcc zu ermitteln, das zur Beschleunigung des Motors erforderlich ist, wobei dieser Wert bei 200 zum Sollmotordrehmoment TrqEngBaseReq addiert wird, wie bereits oben erläutert.
Das unter Bezugnahme auf 6 beschriebene Verfahren kann als "Aufschalt"-Strategie beschrieben werden. Es stellt Werte für zwei wichtige Steuervariablen bereit -TrqEngReq und TrqReacVarReq, den Drehmomentbedarf, der zur Steuerung des Motors zu verwenden ist, und den Reaktionsdrehmomentbedarf, der zur Steuerung des Getriebes zu verwenden ist. Diese werden auf der Grundlage von Vorhersagen der Reaktionen des Systems erhalten (daher der Begriff "Aufschaltung"). Jedoch werden diese Werte nicht direkt den Vorrichtungen zugeführt, die den Motor und das Getriebe steuern. Vielmehr werden sie basierend auf der Rückführung, die die Motordrehzahl betrifft, modifiziert (Schritt 7 in der oben angegebenen Zusammenfassung). Die Rückführstrategievorrichtung verwendet die vorhergesagte Motordrehzahl SpdEngReq, die eine dritte wichtige Ausgabe von der Aufschaltstrategievorrichtung ist.
Um zu erkennen, wie die Aufschalt- und Rückführstrategievorrichtung zusammenwirken, wird Bezug auf 8 genommen, die ein Diagramm der Motordrehzahl (in Radianten pro Sekunde auf der vertikalen Achse) im Verhältnis zur Zeit (in Sekunden auf der horizontalen Achse) ist. Die Linie 800 stellt die Basissollmotordrehzahl SpdEngBaseReq dar, die von der Deutung des Bedarfs des Fahrers hergeleitet ist. Zwischen 12,5 und 13 Sekunden wird das Gaspedal des Fahrers abrupt getreten und die Basissollmotordrehzahl steigt, entsprechend der erhöhten Anforderung für Motorleistung, sofort von unter 100 auf über 250 Radianten pro Sekunde. Die Linie 802 stellt die vorhergesagte Motordrehzahl SpdEngReq von der Aufschaltstrategievorrichtung dar. Natürlich liegt diese hinter der Basissollmotordrehzahl zurück, da die Motorbeschleunigung physikalisch beschränkt ist. Sie zeigt ebenfalls ein gesteuertes Profil. Die Linie 804 stellt die tatsächliche Motordrehzahl dar und es ist ersichtlich, dass sie etwas von der Vorhersage abweicht. Die Rückführstrategievorrichtung stellt den an den Motor und das Getriebe angelegten Bedarf ein, um die Abweichung der tatsächlichen Motordrehzahl 804 von der Vorhersage 802, die von der Aufschaltstrategievorrichtung bereitgestellt wird, zu reduzieren.
Bei dem Aufschaltteil der Steuerstrategievorrichtung ist es das Motordrehmoment, das vorzugsweise so eingestellt wird, dass es das überschüssige Drehmoment erzeugt, das zur Beschleunigung des Motors benötigt wird (oder natürlich das Drehmomentdefizit, das zum Verzögern des Motors benötigt wird). Einstellungen am Getriebe (mit dem Ergebnis der Abweichung des Raddrehmoments von dem vom Fahrer geforderten Wert) werden nur vorgenommen, wenn der Motor nicht in der Lage ist, das notwendige Drehmoment bereitzustellen. Bei dem Rückführteil der Strategievorrichtung werden Einstellungen jedoch vorzugsweise am Getriebe vorgenommen, um das Belastungsdrehmoment zu variieren, das an den Motor angelegt wird. Das Motordrehmoment wird nur dann von der Rückführstrategievorrichtung eingestellt, wenn der von diesem Teil der Strategievorrichtung geforderte "Steueraufwand", falls er durch eine Einstellung nur am Getriebe implementiert würde, zu einer nicht akzeptablen Abweichung des Raddrehmoments von dem vom Fahrer geforderten Drehmoment führen würde. Da Einstellungen am Belastungsdrehmoment, die vom Getriebe ausgeübt werden, relativ schnell vorgenommen werden können, ist die Rückführstrategievorrichtung in der Lage, schnell auf Abweichungen der Motordrehzahl vom gewünschten Wert zu reagieren.
9 stellt einen Überblick über die Rückführstrategievorrichtung bereit, die dazu dient, das erforderliche Variatorreaktionsdrehmoment TrqReacVarReq und falls nötig auch das erforderliche Motordrehmoment TrqEngReq zu modifizieren, um Abweichungen der Motordrehzahl SpdEng von dem vorhergesagten Wert SpdEngReq zu minimieren. Die meisten variablen Etiketten etc. sind aufgrund von räumlichen Beschränkungen aus 9 ausgelassen und stattdessen sind die vier Hauptteile dieser Zeichnung in 10, 11, 12 und 13 vergrößert gezeigt.
Elemente der Rückführstrategievorrichtung, die in der gestrichelten Schleife 900 in 9 und ausführlicher in 10 gezeigt sind, dienen dazu, einen "Steueraufwand" TrqEngCtrl zu erzeugen, der die Verschiebung des dynamischen Drehmomentgleichgewichts zwischen dem Motordrehmoment und dem Belastungsdrehmoment darstellt, das von der Rückführstrategievorrichtung gefordert wird, um die Abweichung der Motordrehzahl SpdEng von dem vorhergesagten Wert SpdEngReq zu korrigieren. Dieser Teil der Strategievorrichtung empfangt sowohl SpdEngReq als auch Daten, die den aktuellen Getriebebetriebspunkt darstellen – die aktuelle Motordrehzahl SpdEng und den aktuellen Getriebegang CurrRegime. Der Steueraufwand wird auf der Basis des Motordrehzahlfehlers SpdEngErrTRV erstellt, der bei 1000 durch Subtrahieren von SpdEng von SpdEngReq erstellt wird. SpdEngErrTRV wird an einen Proportionalintegraldifferenzialkontroller (PID) 1002 eines herkömlichen Typs angelegt. Die Rücksetzlogik 1004 empfängt sowohl den aktuellen Getriebegang CurrRegime als auch den Status StatusDriveFB der "Antriebssteuerung" (durch die der Fahrer vorwärts, rückwärts, Leerlauf etc. auswählt) und stellt, wenn es angemessen ist, ein Kennzeichen FlagPLSpdEngDr ein, um den PID-Kontroller 1002 rückzusetzen. Daher wird der PID-Kontroller zum Beispiel rückgesetzt, wenn der Fahrer "parken" oder "Leerlauf' wählt. Der PID wird ebenfalls rückgesetzt, wenn das Getriebe von einem Gang in den anderen schaltet. Dies liegt daran, dass die Gangänderung eine finite Zeitspanne umfasst, während der sowohl der niedrige als auch der hohe Gang eingelegt sind, wodurch der Variator effektiv beim Synchronübersetzungsverhältnis blockiert wird. In diesem Zustand kann der Variator nicht auf die Druckeingabe reagieren und der Motordrehzahlfehler kann vorn Getriebe nicht korrigiert werden, da die Motordrehzahl bei dem festen Synchronübersetzungsverhältnis einfach proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Der PID-Kontroller kann demnach in diesem Zustand "aufgewickelt" werden, daher die Notwendigkeit, ihn rückzusetzen.
Die Reaktion des PID-Kontrollers 1002 auf den Motordrehzahlfehler hängt in bekannter Weise von den beiden Werten Kp und Ki (Proportional- und Integralkoeffizient) ab. Es wird darauf hingewisen, dass es bei dieser Ausführungsform keine Differenzialkoeffizient-Eingabe gibt und das Differenzial des Motordrehzahlfehlers in der Tat nicht vom PID-Kontroller verwendet wird. Die Verwendung einer Differenzialbedingung stellt sich als unnötig heraus und ist aufgrund von Lärm potenziell problematisch. Die Koeffizienten Kp und Ki werden durch einen Verstärkungsplan 1006 ermittelt, der ein Kennzeichen FlagTrqReacVarLim empfängt, das, wie unten ersichtlicher wird, einen von zwei möglichen Zuständen anzeigt. Im ersten Zustand kann der Steueraufwand durch eine Einstellung am Getriebe allein implementiert werden, und der PID-Kontroller 1002 steuert diese Einstellung. Im zweiten Zustand ist die Getriebeeinstellung gesättigt – das heißt, die maximale akzeptable Einstellung am Getriebe ist vorgenommen und ist unzureichend, um den Steueraufwand zu implementieren, der zur Korrektur des Motordrehzahlfehlers notwendig ist. In diesem Zustand wird eine Einstellung zusätzlich am Motordrehmoment vorgenommen, und der PID-Kontroller wird dafür verwendet, den Wert dieser Motordrehmomenteinstellung zu ermitteln. Die vom PID-Kontroller 1002 geforderte Verstärkung ist in den zwei Zuständen aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften des Motors und des Getriebes und der zu ihrer Steuerung verwendeten Stellglieder verschieden und wird vom Verstärkungsplan 1006 bestimmt, der die Koeffizienten Kp und Ki auf der Grundlage von Folgendem einstellt:

i. dem Kennzeichen FlagTrqReacVarLim;
ii. einer Zeitkonstante TcMan des Ansaugkrümmers, die für die Ermittlung der Zeitverzögerung relevant ist, die Veränderungen des Motordrehmoments beinflusst;
iii. dem Motordrehzahlfehler SpdEngErrTRV selbst; und
iv. dem Restkennzeichen FlagPLSpdEngD.

Die Werte der Koeffizienten sind als mathematische Funktionen der Eingaben in den Verstärkungsplan oder wie im Fall der vorliegenden Ausführungsform in Nachschlagtabellen zu finden.
Auf der Grundlage des Motordrehzahlfehlers und in der von den Koeffizienten Kp und Ki bestimmten Weise ermittelt der PID-Kontroller den Steueraufwand TrqEngCtrl. Diese Größe ist ein Drehmoment und stellt die Verschiebung des dynamischen Drehmomentgleichgewichts zwischen dem Motordrehmoment und dem Belastungsdrehmoment dar, das von der Rückführstrategievorrichtung zur Korrektur des Motordrehzahlfehlers gefordert wird.
Es wird nun erläutert, wie der Steueraufwand implementiert wird – d.h. wie die Rückführstrategievorrichtung bestimmt, welche Modifikation der Getriebe- und Motordrehmomenteinstellungen zu verwenden ist, um die erforderliche Verschiebung des dynamischen Drehmomentgleichgewichts bereitzustellen.
Der erste Schritt besteht darin, festzulegen, ob der Steueraufwand nur durch Einstellung des Getriebes ohne Einstellung des Motordrehmoments implementiert werden kann. Es wird erneut darauf hingewiesen, dass durch Einstellung des vom Variator erzeugten Reaktionsdrehmoments das an den Motor angelegte Belastungsdrehmoment eingestellt wird, dass dies jedoch eine entsprechende Abweichung des Raddrehmoments erzeugt, die der Fahrer möglicherweise wahrnimmt – und die ihm unangenehm ist. Wenn sich das Getriebeantriebsübersetzungsverhältnis dem Neutralgang nähert, nimmt zudem das Übersetzungsverhältnis von Raddrehmoment zu Belastungsdrehmoment zu, so dass eine gegebene Einstellung am Belastungsdrehmoment eine erhöhte Raddrehmomentabweichung erzeugt. Daher ist es bei niedrigen Übersetzungsverhältnissen nicht angemessen, sich bei der Steuerung der Motordrehzahlabweichung nur auf das Getriebe zu verlassen, da dies dazu führen könnte, dass ein unangemessenes Raddrehmoment erzeugt würde. Die Lösung für dieses Problem besteht in drei Schritten:

i. Bestimmen eines Raddrehmomentbereichs (oberhalb und unterhalb des gewünschten Raddrehmoments TrqWhlDriverReq, das auf der Grundlage des Bedarfs des Fahrers festgelegt wird), der akzeptabel ist;
ii. Ermitteln des Bereichs des Motorbelastungsdrehmoments, das dem Raddrehmomentbereich entspricht; und
iii. daraufhin Feststellen, ob die erforderliche Verschiebung des dynamischen Gleichgewichts am Motor durch eine Einstellung nur des Getriebes bereitgestellt werden kann, ohne von dem Bereich des Motorbelastungsdrehmoments (und damit vom Bereich des Raddrehmoments) abzuweichen.

Der erste dieser Schritte ist in der gestrichelten Schleife 902 in 9 und ausführlicher in 11 dargestellt. Das Niveau DeltaTrqWhl der Abweichung des Raddrehmoments von dem gewünschten Wert TrqWhlReq, das akzeptiert werden kann, kann auf mehrere unterschiedliche Weisen berechnet werden. Welche die wünschenswerteste ist, ist zum Teil eine Angelegenheit der Wahrnehmung des Fahrers. In 11 wird die Berechnung dieses Werts bei 1104 ausgeführt. Am einfachsten kann DeltaTrqWhl so gewählt werden, dass er konstant ist. Es hat sich erwiesen, dass dies ein funktionierendes System bereitstellt. Alternativ kann DeltaTrqWhl als eine Funktion von Gaspedalsteuerungsposition und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Sollraddrehmoment berechnet werden. Daher kann zum Beispiel das Raddrehmoment enger eingeschränkt werden, um dem Bedarf des Fahrers zu folgen, wenn der vom Fahrer angezeigte Raddrehmomentbedarf niedrig ist oder die Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig ist oder das Sollraddrehmoment niedrig ist. Wenn der Fahrer ein großes Raddrehmoment anfordert, ist eine größere Divergenz zwischen dem angeforderten und dem tatsächlichen Wert tolerierbar.
Die Ausgabe DeltaTrqWhl des Blocks 1104 wird zu einem Begrenzer 1106 geleitet, der sicherstellt, dass der Raddrehmomentwert nicht über die Grenzwerte DELTATRQWHL_MAX und DELTATRQWHL_MIN hinausgeht. Am Addierer 1108 und am Subtrahierer 1110 wird er jeweils zu dem gewünschten Raddrehmoment TrqWhlReq addiert bzw. davon abgezogen, um einen akzeptablen Höchst- und Mindestwert des Gesamtraddrehmoments bereitzustellen. Die korrekte Reihenfolge dieser Werte hängt davon ab, ob die Fahrzeugsteuerungen auf vorwärts oder rückwärts eingestellt sind, da das Vorzeichen von TrqWhlReq im Rückwärtsbetrieb negativ und im Vorwärtsbetrieb positiv ist. Für diesen Gesichtspunkt ist ein Schalter 1112 vorgesehen, der auf der Grundlage eines Kennzeichens DriveSelected entweder direkte Ausgaben von dem Addierer und dem Subtrahierer 1108, 1110 oder Ausgaben, die durch einen Umkehrer 1114 geleitet werden, auswählt und seinerseits die Variablen TrqWhlMax und TrqWhlMin ausgibt, die den akzeptablen Raddrehmomentbereich darstellen. Da das Raddrehmoment und das Motorbelastungsdrehmoment in Beziehung zueinander stehen, entspricht der akzeptable Raddrehmomentbereich einem bestimmten Bereich des Motorbelastungsdrehmoments. Das vorliegende System verwendet ein mathematisches Modell des Getriebes, um den Motorbelastungsdrehmomentbereich zu ermitteln, der dem akzeptablen Raddrehmomentbereich TrqWhlMin bis TrqWhlMax entspricht (Schritt (ii) aus der obigen Zusammenfassung). Der relevante Funktionsblock ist mit 904 bezeichnet und in 12 werden mehr Einzelheiten bereitgestellt.
Die aktuelle Motordrehzahl SpdEng und die Fahrzeuggeschwindigkeit SpdVeh werden in Block 904 eingegeben und ermöglichen zusammen, dass das aktuelle Getriebeübersetzungsverhältnis ermittelt wird. Wenn das Getriebe 100% effizient wäre, dann würde einfach das Dividieren des Getriebeübersetzungsverhältnisses durch das Raddrehmoment das Motorbelastungsdrehmoment ergeben. Bei einem wirklichen Getriebe finden jedoch Energieverluste statt und das Raddrehmoment-Belastungsdrehmoment-Verhältnis ist komplexer. Unter Verwendung der oben genannten Eingaben und ebenfalls des aktuellen Getriebegangs Curr Regime, der einen Einfluss auf die Getriebeeffizienz hat, wird das physikalische Modell 1200 verwendet, um das Höchst-, Mindest- und Sollraddrehmoment TrqWhlMax, TrqWhlMin und TrqWhlReq jeweils in das Höchst-, Mindest- und erforderliche Motorbelastungsdrehmoment TrqLoad@TrqWhlMax, TrqLoad@TrqWhlMin und TrqLoad@TrqWhlReq umzuwandeln. Der Höchst- und Mindestwert stellen den Belastungsdrehmomentbereich dar, der von dem Getriebe an den Motor angelegt werden kann, ohne eine nicht akzeptable Abweichung des Raddrehmoments von dem Bedarf des Fahrers zu verursachen.
Das Höchst-, Mindest- und erforderliche Motorbelastungsdrehmoment werden zusammen mit dem Steueraufwand TrqEngCtrl zu dem Teil der Strategievorrichtung geleitet, der in der gestrichelten Schleife 906 in 9 enthalten ist und in größerem Maßstab in 13 dargestellt ist und der dazu dient, die Einstellungen an den Motor- und Getriebeeinstellungen zu ermitteln, die erforderlich sind, um den Steueraufwand zu implementieren. Bei 1300 und 1302 wird das erforderliche Motorbelastungsdrehmoment TrqLoad@TrqWhlReq (das dem erforderlichen Raddrehmoment entspricht) von dem akzeptablem Höchstmotorbelastungsdrehmoment TrqLoad@TrqWhlMax und dem akzeptablen Mindestmotorbelastungsdrehmoment TrqLoad@TrqWhlMin abgezogen, um entsprechend die Höchst- und Mindesteinstellung an dem dynamischen Gleichgewicht zwischen dem Motordrehmoment und dem Belastungsdrehmoment zu ergeben, die durch eine Getriebeeinstellung erzeugt werden können, ohne von dem akzeptablen Raddrehmomentbereich abzuweichen. Diesen werden die entsprechenden Variablennamen DeltaTrqEng4TrqReacVarMax und DeltaTrqEng4TrqReacVarMin in dem Diagramm gegeben und sie werden in einen Begrenzer 1304 eingegeben, der ebenfalls einen Wert des Steueraufwands TrqEngCtrl empfängt, der bei 1306 invertiert wurde (d.h. mit minus eins multipliziert wurde). Der Begrenzer ermittelt, ob der Steueraufwand zwischen DeltaTrqEng4ReacVarMax und DeltaTrqEng4TrqReacVarMin fällt – d.h. ob der erforderliche Steueraufwand allein durch eine Getriebeeinstellung implementiert werden kann, ohne von dem akzeptablen Raddrehmomentbereich abzuweichen. Falls ja – das heißt, wenn der Steueraufwand TrqEngCtrl in den relevanten Bereich fällt – dann wird die Ausgabe TrqEng4TrqReacVarClip des Begrenzers so eingestellt, das sie dem invertierten Wert des Steueraufwands TrqEngCtrl entspricht. Wenn der Steueraufwand außerhalb des Bereichs liegt, dann ist die Getriebeeinstellung gesättigt und die Ausgabe TrqEng4TrqReacVarClip des Begrenzers wird so begrenzt, dass sie entweder der akzeptablen Höchst- oder Mindesteinstellung des Belastungsdrehmoments entspricht – d.h. entweder DeltaTrqEng4TrqReacVarMax oder DeltaTrqEng4TrqReacVarMin. Ein Kennzeichen FlagTrqEng4TrqReacVarLim wird ebenfalls vom Begrenzer ausgegeben, um anzuzeigen, ob die Getriebeeinstellung gesättigt ist. Seine Funktion wird unten erläutert.
Ein Addierer 1308 und ein Motordrehmomentbegrenzer 1310 ermitteln zusammen die Drehmomentanfrage TrqEngDes, die an den Motor angelegt werden soll. Der Addierer empfängt das erforderliche Motordrehmoment TrqEngReq, das von der Aufschaltstrategievorrichtung erstellt ist, und addiert dieses zu (a) dem Steueraufwand TrqEngCtrl und (b) der Ausgabe TrqEng4TrqReacVarClip vom Begrenzer 1304. Es wird erneut darauf hingewiesen, dass TrqEngCtrl, während die Getriebeeinstellung nicht gesättigt ist (d.h. der Steueraufwand allein durch eine Getriebeeinstellung implementiert werden kann) TrqEng4TrqReacVarClip multipliziert mit minus eins entspricht. Daher heben unter diesen Umständen TrqEngCtrl und TrqEng4TrqReacVarClip einander auf und die Ausgabe TrqEngDesShunt vom Addierer 1308 entspricht dem erforderlichen Motordrehmoment TrqEngReq. Das heißt, die Rückführstrategievorrichtung modifiziert nicht das erforderliche Motordrehmoment. Wenn die Getriebeeinstellung jedoch gesättigt ist, dann ist die Summe von TrqEngCtrl und TrqEng4TrqReacVarClip nicht null und wird zu dem erforderlichen Motordrehmoment TrqEngReq addiert. Die Wirkung besteht darin, dass welcher Teil des Steueraufwands TrqEngCtrl auch immer nicht durch eine Einstellung des Getriebes implementiert werden kann, stattdessen zu dem Drehmoment addiert wird, das von dem Motor zu verlangen ist.
Natürlich bestehen physikalische Beschränkungen für das Höchst- und Mindestdrehmoment, das der Motor bereitstellen kann. Um diese zu berücksichtigen, begrenzt der Motordrehmomentbedarfbegrenzer 1310 TrqEngDesShunt, wenn es außerhalb des verfügbaren Bereichs TrqEngMin bis TrqEngMaxAvail fällt, und das Ergebnis ist der endgültige Motordrehmomentbedarf TrqEngDes, der an den Motordrehmomentkontroller weitergeleitet wird. FlagTrqEngLim zeigt an, ob der Begrenzer aktiv ist.
Ein physikalisches Modell 1312 des Getriebes wird zur Ermittlung des endgültigen Steuerwerts TrqReacVarDes verwendet, der bei der Steuerung des Getriebes verwendet werden soll. Es wird wiederum auf 6 Bezug genommen und erneut darauf hingewiesen, dass die Aufschaltstrategievorrichtung einen Wert TrqLoad (die Ausgabe von der Einraststrategie 208) für das Motorbelastungsdrehmoment bereitstellt, das von dem Variator anzulegen ist. Dies wird bei 1314 zu dem begrenzten Steueraufwand TrqEng4TrqReacVarClip addiert, wobei der resultierende Wert TrqLoad4TrqReacVarDes in das physikalische Modell 1312 eingegeben wird. Dieses Modell wandelt das Motorbelastungsdrehmoment in den Reaktionsdrehmomentbedarf des Variators um. Es tut dies auf der Basis des aktuellen Getriebegangs und Variatorübersetzungsverhältnisses. Die Ausgabe des Modells TrqReacVarDes wird von Software verwendet, die das Getriebe steuert, um den Bedarf für Drücke einzustellen, die an die Variatorkolben 30 angelegt werden (1).
Es gibt Umstände, unter denen die Rückführeinstellungen sowohl am Motor als auch am Getriebe gesättigt sind, wenn die gewünschte Korrektur der Motordrehzahl nicht ohne eine übermäßige Abweichung des Raddrehmoments von dem vom Fahrer geforderten Wert physikalisch bereitgestellt werden kann. Unter diesen Bedingungen könnte erwartet werden, dass die Größe der Ausgabe aus dem PID-Kontroller 1002 aufgrund der Integralbedingung mit der Zeit in unerwünschter Weise zunimmt (oder „aufgewickelt wird"). Um dies zu verhindern, empfängt eine UND-Verbindung 1316 sowohl FlagTrqEng4TrqReacVarLim als auch FlagTrqEngLim, wobei die Kennzeichen anzeigen, ob die Getriebe- und Motoreinstellungen ihren Grenzwert erreicht haben. Die Ausgabe der UND-Verbindung bildet ein Kennzeichen FlagAntiWindup, das in den PID-Kontroller 1002 eingegeben wird, um ein Aufwickeln zu verhindern.
Die vorangehende Ausführungsform dient nur als Beispiel und die praktische Implementierung der beanspruchten Erfindung kann natürlich andere Formen annehmen. Zum Beispiel könnte anstelle des PID-Kontrollers ein anderer Kontroller mit geschlossener Schleife verwendet werden, der auf einer fortgeschrittenen Steuertheorie beruht, wie beispielsweise ein Zustandsraum- oder „H-Unendlichkeits-" oder ein Gleitmodus-Kontroller.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines stufenlosen Getriebes des Typs, der eine Einheit mit stufenloser Übersetzung umfasst, die einen Variator bildet und Rotationsantriebs- und -abtriebselemente aufweist, mit deren Hilfe der Variator zwischen einem Motor und einer angetriebenen Komponente gekoppelt ist, wobei der Variator ein primäres Steuersignal empfängt und so konstruiert und angeordnet ist, das auf seine Antriebs- und Abtriebselemente Drehmomente ausgeübt werden, die für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis direkt dem Steuersignal entsprechen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ermitteln einer Sollmotorbeschleunigung, Ermitteln von Einstellungen des primären Steuersignals des Variators und einer Motordrehmomentsteuerung zur Bereitstellung der erforderlichen Motorbeschleunigung und zur Einstellung des Steuersignals und/oder der Motordrehmomentsteuerung basierend auf diesen Einstellungen, Vorhersage einer folglichen Motordrehzahländerung, Korrigieren der Einstellungen des Steuersignals und des Motordrehmoments basierend auf einem Vergleich der tatsächlichen und der vorhergesagten Motordrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Vorhersage der Motordrehzahländerung eine Toleranz für Motorkennlinien vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das Folgendes umfasst: Berechnen des momentanen Drehmoments, von dem erwartet wird, dass es vom Motor erzeugt wird, und Verwenden des berechneten Drehmomentwerts bei der Vorhersage der Motordrehzahländerung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Vorhersage der Motordrehzahländerung eine Toleranz für Getriebekennlinien vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konstruktion und Anordnung des Variators so beschaffen ist, dass Drehmomente, die von dem Variator auf seine Antriebs- und Abtriebselemente ausgeübt werden, für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis proportional zur Größe des primären Steuersignals sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konstruktion und Anordnung des Variators so beschaffen ist, dass die Summe der Drehmomente, die von dem Variator auf seine Rotationsantriebs- und – abtriebselemente ausgeübt werden, stets proportional zur Größe des primären Steuersignals sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersignal die Form einer Differenz zwischen zwei Hydraulikdrücken annimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollmotorbeschleunigung basierend auf einer Differenz zwischen Ist- und Sollmotordrehzahlen berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollmotordrehzahl abhängig von einer Benutzereingabe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Benutzereingabe als Anforderung nach einem Getriebeabtriebsdrehmoment und einer Motordrehzahl interpretiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Anforderungen des Fahrers nach Getriebeabtriebsdrehmoment und Motordrehzahl basierend auf Motoreffizienzerwägungen modifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das angeforderte Getriebeabtriebsdrehmoment unter Verwendung eines Modells der Getriebekennlinien in ein Sollmotordrehmoment umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Drehmomentanfrage an das Motordrehmomentsteuergerät abhängig von Beschränkungen des Motors auf die Summe des Sollmotordrehmoments und des übermäßigen Drehmoments TrqAcc, das zur Beschleunigung der Masse des Antriebsstrangs erforderlich ist, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansprechverhalten des Motors auf das Drehmomentsteuergerät so modelliert ist, dass eine Schätzung des momentanen Motordrehmoments bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das übermäßige Drehmoment TrqAcc, das zur Beschleunigung des Motors erforderlich ist, von dem geschätzten momentanen Motordrehmoment abgezogen wird, um ein erforderliches Belastungsdrehmoment zu erhalten, das von dem Getriebe an den Motor angelegt werden soll, wobei das Variatorsteuersignal so eingestellt wird, das das erforderliche Belastungsdrehmoment bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei momentane Werte des Motordrehmoments und des Belastungsdrehmoments, die von dem Getriebe an den Motor angelegt werden, geschätzt werden und zur Berechnung der Motorbeschleunigung verwendet werden, wobei die Motorbeschleunigung in Bezug auf die Zeit integriert wird, um eine Vorhersage der Motordrehzahl bereitzustellen, und eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis auf die Motordrehzahl angewendet wird, um sie in Richtung des vorhergesagten Werts zu korrigieren.
Verfahren zur Steuerung eines stufenlosen Getriebes des Typs, der eine Einheit mit stufenloser Übersetzung umfasst, die einen Variator bildet, der Rotationsantriebs- und -abtriebselemente aufweist, mit deren Hilfe der Variator zwischen einem Motor und einer angetriebenen Komponente gekoppelt ist, wobei der Variator ein primäres Steuersignal empfängt und so konstruiert und angeordnet ist, das auf seine Antriebs- und Abtriebselemente Drehmomente ausgeübt werden, die für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis direkt dem Steuersignal entsprechen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ermitteln einer Sollmotorbeschleunigung, Ermitteln eines übermäßigen Drehmoments TrqAcc, das zur Beschleunigung der Masse des Antriebsstrangs erforderlich ist, um die Sollmotorbeschleunigung zu erreichen, und Einstellen des Steuersignals zum Variator und/oder Einstellen eines Drehmomentsteuergeräts des Motors, so dass das Motordrehmoment dem Belastungsdrehmoment, das von dem Getriebe an den Motor angelegt wird, plus dem übermäßigen Drehmoment TrqAcc entspricht, so dass das übermäßige Drehmoment auf die betreffende Antriebsstrangmasse wirkt und eine Motorbeschleunigung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Konstruktion und Anordnung des Variators so beschaffen ist, dass Drehmomente, die von dem Variator auf seine Antriebs- und Abtriebselemente ausgeübt werden, für ein gegebenes Variatorantriebsverhältnis stets proportional zur Größe des primären Steuersignals sind.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Konstruktion und Anordnung des Variators so beschaffen ist, dass die Summe der Drehmomente, die von dem Variator auf seine Rotationsantriebs- und -abtriebselemente ausgeübt werden, stets proportional zur Größe des primären Steuersignals sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Steuersignal die Form einer Differenz zwischen zwei Hydraulikdrücken annimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Sollmotorbeschleunigung basierend auf einer Differenz zwischen Ist- und Sollmotordrehzahlen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Sollmotordrehzahl abhängig von einer Benutzereingabe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Benutzereingabe als Anforderung nach einem Getriebeabtriebsdrehmoment und einer Motordrehzahl interpretiert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Anforderungen des Fahrers nach Getriebeabtriebsdrehmoment und Motordrehzahl basierend auf Motoreffizienzerwägungen modifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das angeforderte Getriebeabtriebsdrehmoment unter Verwendung eines Modells der Getriebekennlinien in ein Sollmotordrehmoment umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei das Ansprechverhalten des Motors auf das Drehmomentsteuergerät so modelliert ist, dass eine Schätzung des momentanen Motordrehmoments bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das übermäßige Drehmoment TrqAcc, das zur Beschleunigung des Motors erforderlich ist, von dem geschätzten momentanen Motordrehmoment abgezogen wird, um ein erforderliches Belastungsdrehmoment zu erhalten, das von dem Getriebe an den Motor angelegt wird, wobei das Variatorsteuersignal so eingestellt wird, das es dem erforderlichen Belastungsdrehmoment entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, wobei momentane Werte des Motordrehmoments und des Belastungsdrehmoments, die von dem Getriebe an den Motor angelegt werden, unter Verwendung von Motor- und Getriebemodellen geschätzt werden und zur Berechnung der Motorbeschleunigung verwendet werden, wobei die Motorbeschleunigung in Bezug auf die Zeit integriert wird, um eine Vorhersage der Motordrehzahl bereitzustellen, und eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis auf die Motordrehzahl angewendet wird, um sie in Richtung des vorhergesagten Werts zu korrigieren.
Verfahren zur Steuerung eines Motordrehzahlfehlers in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, der einen Motor umfasst, der mindestens ein Fahrzeugrad über ein Getriebe antreibt, das ein stufenloses Übersetzungsverhältnis bereitstellt, wobei das Getriebe so konstruiert und angeordnet ist, dass es auf den Motor ein gesteuertes Belastungsdrehmoment ausübt und ermöglicht wird, dass das Übersetzungsverhältnis gemäß den resultierenden Änderungen der Motordrehzahl variiert wird, so dass aus dem Anlegen eines Effektivdrehmoments an die Massen, die den Motor betreffen, eine Motorbeschleunigung resultiert, wobei das Effektivdrehmoment die Summe des Belastungsdrehmoments und eines Motordrehmoments ist, das von dem Motor erzeugt wird, wobei das Verfahren in einer Rückführschleife folgende Schritte umfasst: Ermitteln des Motordrehzahlfehlers, Zuführen des Motordrehzahlfehlers zu einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis, die einen Steuervorgang ausführt, der eine Korrektur des Effektivdrehmoments ist, die zur Verringerung des Motordrehzahlfehlers erforderlich ist, Bestimmen einer Zuordnung des Steuervorgangs zu (i) einer Einstellung des Motordrehmoments oder (ii) einer Einstellung des Belastungsdrehmoments unter Berücksichtigung des Steuervorgangs und Durchführen der Einstellungen.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Steuervorgang vorzugsweise der Belastungsdrehmomenteinstellung zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Implementierung des Steuervorgangs die Einstellung des Motordrehmoments nur dann umfasst, wenn der Steuervorgang einen Grenzwert überschreitet, wobei der Steuervorgang andernfalls durch Einstellung des Belastungsdrehmoments allein implementiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, das des Weiteren die Beschränkung der Einstellung des Belastungsdrehmoments auf der Basis der Drehmomentabweichung am angetriebenen Rad umfasst, wobei ein Raddrehmoment gebildet und erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei eine zulässige Höchstabweichung des Raddrehmoments als Funktion von Folgendem eingestellt wird: Fahrergaspedalsteuerposition, Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Sollraddrehmoment.
Verfahren nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, das den weiteren Schritt der Berechnung einer Höchstbelastungsdrehmomenteinstellung ausgehend von einer zulässigen Höchstabweichung des Raddrehmoments umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29 bis 34, wobei die Einstellung des Motordrehmoments durch Abziehen der Belastungsdrehmomenteinstellung von dem Steuervorgang ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, wobei der Motordrehzahlfehler unter Verwendung einer vorhergesagten Motordrehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 36, wobei der Motordrehzahlfehler durch Vergleichen der Istmotordrehzahl mit einer vorhergesagten Motordrehzahl ermittelt wird, wobei die vorhergesagte Motordrehzahl durch Berechnen der Motorbeschleunigung auf der Basis der Motor- und Getriebeeinstellungen und der Integration der Motorbeschleunigung mit der Zeit ermittelt wird.
Verfahren zur Steuerung der Motordrehzahl, das Folgendes umfasst: Ermitteln der grundlegenden Anforderungen für Motor- und Getriebeeinstellungen, wobei die Fahrereingabe berücksichtigt wird, Vorhersagen der Motordrehzahl basierend auf tatsächlichen Motor- und Getriebeeinstellungen und Modifizieren der grundlegenden Anforderungen für Motor- und Getriebeeinstellungen durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 37, wobei der Motordrehzahlfehler durch Vergleichen von Istmotordrehzahlwerten mit vorhergesagten Motordrehzahlwerten erzielt wird.
Verfahren zur Motordrehzahlsteuerung, wobei grundlegende Anforderungen für Motor- und Getriebeeinstellungen durch ein Aufschaltungsverfahren ermittelt werden und durch ein Rückführungsverfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 38 eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Aufschaltungsverfahren die Motordrehzahl vorzugsweise unter Verwendung des Motors steuert und das Rückführungsverfahren den Motordrehzahlfehler vorzugsweise unter Verwendung des Getriebes steuert.
Verfahren nach Anspruch 39 oder Anspruch 40, wobei das Aufschaltungsverfahren vorzugsweise grundlegende Getriebeeinstellungen wählt, um ein Raddrehmoment bereitzustellen, das von dem Fahrer angefordert wird, und grundlegende Motoreinstellungen wählt, um eine gewünschte Motordrehzahl zu erreichen.
Vorrichtung, die zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 29 bis 41 ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Rückführungsverfahren vorzugsweise die Einstellung der Getriebeeinstellungen zur Steuerung des Motordrehzahlfehlers umfasst.