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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zur Korrektur des
Motordrehmoments bei automatisiertem Gangwechsel mechanischer Stufenschaltgetriebe.
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Stand der Technik
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Automatisierte Gangwechsel mechanischer Stufenschaltgetriebe
erfordern eine Regelung des vom Motor abgegebenen Drehmoments um
das im Zahneingriff des jeweiligen Ganges zu übertragende Drehmoment zu vermindern.
Beim Ausrücken
eines Ganges ist ein drehmomentfreier Zustand beim jeweiligen Zahneingriff
im Getriebe erwünscht.
Da sich das Drehmoment im Zahneingriff jedoch praktisch nicht messen
lässt,
muss eine Regelung des Drehmoments indirekt durch eine Regelung
des vom Motor abgegebenen Drehmoments erfolgen.
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SE,A,9401653-2 (und
DE 195 09 139 A ), worin
der Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart ist, bezieht sich auf
eine Lösung,
bei der Gangwechsel stattfinden, ohne dass die Scheibenkupplung
ausgerückt
wird. Hier wird das Motordrehmoment vor dem Gangwechsel auf ein
Nullmomentniveau heruntergeregelt, womit angestrebt wird, die Drehzahl
während des
Gangwechsels konstant zu halten. Das vom Motor abzugebende Drehmoment
wird dabei anhand verfügbarer
Kennwerte des Motors, wie Trägheitsmoment,
innere Reibung usw. berechnet. Das eingeregelte Drehmoment kann
auch davon abhängen,
ob ein Energieverbraucher in Betrieb ist oder nicht.
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Die vorgenannte Methode hat den Nachteil, dass
keine direkte Messung des Drehmoments erfolgt und, dass die Drehmomentregelung
für ein
erwartetes Verhalten des Motors ausgelegt ist; ob das eingeregelte
Drehmoment korrekt ist, bleibt ungewiss. Der Motor und die übrigen Komponenten
des Antriebsstrangs können
Fertigungstoleranzen aufweisen, die dazu führen können, dass jedes einzelne Fahrzeug
unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Selbst wenn sich das Verhalten
eines Motors im Neuzustand voraussagen lässt, werden sich seine Eigenschaften
mit der Zeit und durch Abnutzung verändern. Dies bedeutet, dass
das eingeregelte Drehmoment mit der Zeit wahrscheinlich nicht mehr
dem im Neuzustand des Motors entspricht. Dies wiederum kann in erschwertem
und/oder unter bestimrnten Bedin gungen inakzeptabel verzögertem Gangwechsel resultieren.
Schwingungen im Regelkreis können dazu
führen,
dass eine sehr lange Einmesszeit erforderlich wird, um auf korrekte
Weise die Kraftstoffmenge bestimmen zu können, die eine konstant synchrone
Drehzahl ergibt.
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Zweck der Erfindung
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Der Zweck der Erfindung besteht darin,
auf einfache und schnelle Weise in Abhängigkeit von Abnutzungen im
System und Abweichungen bei unterschiedlichen Teilsystemen ein vorgegebenes
Motordrehmoment ohne den Einsatr von Kraft- oder Drehmomentmessgebern
beim Gangwechsel so korrigieren zu können, dass ein drehmomentfreier
Zustand im Augenblick des Ausrückens
des Ganges herrscht. Diesen Zweck erfüllt die Erfindung durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.
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Weitere, die Erfindung kennzeichnende Merkmale
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren hervor.
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Verzeichnis
der Figuren
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1 zeigt
die grundlegende Gestaltung eines Schaltsystems für ein mechanisches
Stufenschaltgetriebe,
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2 zeigt
ein grundlegendes Ablaufschema für
die erfindungsgemäße Regelung
des Motor-Drehmoments
beim Ausrücken
eines Ganges,
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3, 4 und 5 zeigen die Veränderungen der Motordrehzahl
und des Motordrehmoments während
eines Gangwechsels, wenn beim Ausrücken des Ganges ein zu hohes
bzw. zu niedriges bzw. das korrekte Nullmoment eingeregelt wird.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Gangwechselsystem zum Überwachen
und Steuern des computergestützten Gangwechsels
eines mechanischen Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
Von der Bau- und Arbeitsweise her stimmt dieses System großenteils mit
dem in vorstehend genann ter SE,A,9401653-2 beschriebenen System überein,
und deshalb sind nur die Teile dargestellt, die zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung erforderlich sind.
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Das Fahrzeug wird angetrieben durch
einen Verbrennungsmotor 2, vorzugsweise einen Dieselmotor,
welcher über
eine Kupplung 4, ein mechanisches Stufengetriebe 6 und
eine Gelenkwelle 8 mit den Antriebsrädern 10 des Fahrzeugs
verbunden ist. In diesem Beispiel ist ein mechanisches Betätigen der
Kupplung 4 nur bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie beim
Anfahren und Anhalten des Fahrzeugs vorgesehen. Beim Gangwechsel
zwischen den verschiedenen Gängen
während
der Fahrt des Fahrzeugs ist weder ein mechanisches noch ein automatisches
Betätigen
der Kupplung 4 vorgesehen, so dass die Kupplung während der
Gangwechsel als kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Motor 2 und dem Getriebe 6 wirkt.
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Das Gangwechselsystem bewirkt Gangwechsel
teils durch Regeln der Motordrehzahl und des Motordrehmoments und
teils durch Ansteuern von Servogeräten am Getriebe zum Ausrücken des eingelegten
und Einlegen des nächsten
Ganges.
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Dadurch, dass die Kupplung 4 bei
Gangwechseln nicht ausgekuppelt wird, werden hohe Anforderungen
an die Motorregelung gestellt, damit die Gangwechsel mit kürzest möglicher
Drehmomentunterbrechung im mechanischen Stufengetriebe stattfinden
können,
und zwar sowohl um ein drehmomentfreies Ausrücken eines Ganges zu ermöglichen als
auch das Einlegen des nächsten
Ganges, wenn die Motorregelung dafür sorgen muss, dass der Motor
die Synchrondrehzahl für
den nächsten
Gang erreicht, bevor der Gang eingerückt wird.
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Das Gangwechselsystem umfasst ein
Steuergerät 12 mit
einem Mikrocomputer, das über
verschiedene Leitungen mit verschiedenen Teilen des Systems verbunden
ist. In den Verbindungen werden verschiedene Signale entsprechend
den Pfeilmarkierungen in 1 übertragen.
Das Steuergerät 12 hat auch
Zwei-Weg-Verbindungen und kann dadurch über verschiedene in 1 mit Doppelpfeilen dargestellte
Verbindungsglieder an zahlreiche Steuergeräte ausgeben bzw. von diesen
empfangen.
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Vom Steuergerät 15 der Kraftstoff-Einspritzanlage,
welches mit verschiedenen Gebern verbunden ist, bezieht das Steuergerät 12 via
Glied 14 Information über
die Motordrehzahl n, anhand der sich auch die Motor-Beschleunigung
a berechnen lässt. Aus
dem vom Steuer gerät 15 via
Glied 14 beigestellten Signal über die eingespritzte Kraftstoffmenge
berechnet das Steuergerät 12 das
eingeregelte Motordrehmoment M. Das Steuergerät 15 regelt via Glied 16 die
den Einspritzventilen des Motors zuzuführende Kraftstoffmenge. Beim
Gangwechsel gibt das Steuergerät 12 Signale
an das Steuergerät 15 aus, so
dass letzteres den Motor zur Abgabe eines bestimmten Drehmoments
M einregelt.
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Von einem Temperaturgeber erhält das Steuergerät 12 über eine
Leitung 17 ein Signal entsprechend der Motortemperatur
T, die in der Praxis der Kühlmitteltemperatur
im Motor entspricht. Von einem Geber 18 erhält das Steuergerät via Signalleitung 19 Information
darüber,
ob ein Energieverbraucher (PTO = Power Take-Off) in Betrieb ist.
In der Praxis kann als Geber 18 der Schalter zum Ein-/Ausschalten
des Energieverbrauchers dienen. Wenn mehrere anzutreibende Energieverbraucher
vorhanden sind, können
diese auf entsprechende Weise mit dem Steuergerät 12 verbunden sein.
Im vorliegenden Beispiel wird jedoch angenommen, es sei nur ein
Energieverbraucher vorhanden.
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Das Steuergerät 12 ist via Glied 7 mit
verschiedenen Magnetventilen im Getriebe 6 verbunden, welche
Servogeräte
zum Ein- und Ausrücken der
Gänge ansteuern. Über das
Glied 7 bezieht das Steuergerät 12 außerdem Signale
entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand im Getriebe 6,
d.h. über
den jeweils eingelegten Gang und über die einzelnen Phasen des
Gangwechsels.
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Ebenfalls mit dem Steuergerät 12 verbunden sind
andere, nicht dargestellte und für
den Betrieb des Fahrzeugs erforderliche Schalt- und Bedienungsorgane
wie Schaltwähler,
Fahrpedal, Bremspedal und Retarder. Da diese auf herkömmliche
Weise arbeiten und keinen Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren
haben, werden sie nicht näher
beschrieben.
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Gangwechsel werden entweder vollautomatisch
initiiert, wenn der Fahrer automatisch gewählt hat, oder manuell, wenn
der Fahrer manuell gewählt hat.
Unabhängig
von der gewählten
Gangwechselart, d. h. automatisch oder manuell, wird der Gangwechsel
durch das Steuergerät 12 gesteuert,
ohne dass die Kupplung 4 ausgekuppelt werden muß.
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Wie bereits einleitend betont, ist
es beim Ausrücken
eines Ganges wichtig, dass. der Zahneingriff der betreffenden Zahnräder nicht
durch ein Drehmoment belastet ist. Die Abregelung des Motordrehmoments
auf das sogenannte Nullmomentniveau vor dem Ausrücken eines Ganges wird nun
unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 2 beschrieben. Darin ist auch das erfindungsgemäße Verfahren in
einer Phase dargestellt, wenn nach dem Ausrücken eines Ganges der das Nullmomentniveau
bestimmende Faktor MG oder der das Nullmomentniveau
beeinflussende Faktor MG korrigiert werden. Dieser
Momentkorrekturvorgang wird im Mikrocomputer des Steuergeräts 12 gespeichert.
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Bei Schritt 20 wird ein Gangwechsel
eingeleitet, und danach beginnt das Steuergerät 12 das Motordrehmoment
auf das Nullmoment M0 herunterzuregeln.
Das Nullmoment ist abhängig
von der Drehzahl n und der Temperatur T des Motors. Aus diesem Grund
ist im Steuergerät 12 eine
Grundmatrix mit verschiedenen Werten für das Nullmoment MG in
Abhängigkeit
von verschiedenen Drehzahlen n und Temperaturen T gespeichert. Diese
Grundmatrix wird bei der Herstellung des Fahrzeugs aus empirisch
ermittelten Werten erstellt. Zur Kompensation des erhöhten Drehmomentbedanfes
bei eingeschaltetem Energieverbraucher muß genannter Grundwert MG um einen vom Betrieb des Energieverbrauchers
abhängigen
Faktur ergänzt
werden. Auch dieser Energieverbrauchsfaktor MPTO ist
wiederum von der Drehzahl n und der Temperatur T des Motors abhängig, und
aus diesem Grund ist im Steuergerät 12 auch eine entsprechende
Matrix für
verschiedene MPTO-Werte gespeichert.
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Im einleitenden Schritt 21 wird festgestellt, ob
der Energieverbraucher eingeschaltet ist oder nicht. Ist kein Energieverbraucher
eingeschaltet, läuft die
Regelung des Nullmoments gemäß dem linken Teil
der 2 ab, während sie
bei eingeschaltetem Energieverbraucher der Darstellung im rechten
Teil der 2 entspricht. Wenn kein Energieverbrauchei- eingeschaltet
ist, wird beim Schritt 22 das Motordrehmoments auf den in der Grundmatrix
gespeicherten Wertes für
das Nullmoment MG geregelt.
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Wenn im Schritt 23 festgestellt worden
ist, dass das anstehende Drehmoment gleich dem erwünschten
ist, wird der Gang im Schritt 24 ausgerückt, wobei angenommen uvird,
dass dieses Ausrücken
bei drehmomentfreiem Zahneingriff stattfindet. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung folgt unmittelbar auf das Ausrücken des
Ganges eine Messung der Änderung
der Motordrehzahl n während
einer begrenzten Messperiode mp. Diese Messperiode fällt in eine
Zeit, wenn kein Gang eingerückt ist
(Neutralstellung des Getriebes) und bevor beim Motor vor dem Einrücken des
nächsten
Ganges eine zweckmäßige Drehzahl
eingeregelt wird. Die Messperiode liegt somit in einem Zeitraum,
während
dem der Motor für
ein als korrekt angenommenes Nullmoment MG eingeregelt
wird. Die Ereignisse während der Messperiode
und im unmittelbaren Anschluss daran sind in dem gemeinsamen Schritt
25 dargestellt. Die Messung der Drehzahländerung Δn während der Messperiode mp kann
mit der Kenntnis der Dauer Δt der
Messperiode kombiniert werden, um die entsprechende Motordrehzahl-Beschleunigung
am zu berechnen. Hierdurch wiederum kann dann aufgrund des Motor-Trägheitsmoments
J mit Hilfe der Formel MERR = am·J das
die Drehzahländerung
verursachende Moment berechnet werden. Dieses Moment entspricht
dem Fehlwert des angenommenen Moments MG.
Der MERR-Wert gibt an, um wieviel das eingeregelte
Moment korrigiert werden muss. Im nachfolgenden Schritt 26 erfolgt
dann eine Aktualisierung des in der Matrix gespeicherten MG-Wertes, indem vom vorher gespeicherten
MG-Wert der Fehlwert MERR subtrahiert
wird, wonach ein neuer sowie für
die anschließende
Regelung günstigerer
und richtigerer MG-Wert gespeichert wird.
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Da diese Drehmomente nur für eine bestimmte
Drehzahl n und Temperatur T des Motors gelten, erfolgt die Aktualisierung
nur bei den zutreffenden Drehzahl- und Temperaturwerten. Danach
ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Aktualisierung der Nullmoment-Werte enthaltenden Matrix abgeschlossen,
was in 2 durch die Endstufe 27 dargestellt
ist.
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Wenn in Schritt 21 ein eingeschalteter
Energieverbraucher festgestellt wird, ist ein höheres Nullmoment M0 erforderlich.
Im nachfolgenden Schritt 28 wird der Motor auf ein Nullmoment eingeregelt,
welches die Summe eines Grundmoments MG aus
der Grundmatrix und eines Moments MPTO aus
der Energieverbrauchermatrix darstellt. Wenn dieses Nullmoment in
Schritt 29 erreicht ist, erfolgt in Schritt 30 das Ausrücken des
Ganges. Im darauffolgenden Schritt 31 wird, analog zu Schritt 25,
der Momentfehlwert MG berechnet. In Sehritt 32 wird
die Energieverbrauchermatrix, die die Momentwerte MPTO enthält, aktualisiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Aktualisierung in dieser Matrix
stattfindet und nicht in der die M0-mentwerte MG enthaltenden Grundmatrix. Dies hat seine
Ursache darin, dass die Anzahl von Schaltvorgängen ohne eingeschalteten Energieverbraucher
wahrscheinlich entschieden größer ist
und die Grundmatrix wahrscheinlich korrekter ist. Demzufolge kann
der Annahmewert für
MG in Schritt 28 als korrekt betrachtet
werden, und somit beruhen die während
der Messperiode erfassten Drehzahländerungen vorrangig auf fehlerhaften
Weiten in der Energieverbrauchermatrix.
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In 3 bis 5 sind die beschriebenen
Gangwechsel dargestellt und auch, wie sich die Motordrehzahl bei
diesen verändern
kann. In den drei Figuren sind die gleichen Zeitpunkte auf den Zeitachsen festgelegt.
Bei dem im Zeitpunkt t0 initiierten Gangwechsel
wird das Moment M auf den jeweiligen Nullmomentwert, entweder MG oder MG + MPTO, eingeregelt. Im Zeitpunkt t1 ist
das jeweilige Nullmoment erreicht, und der Gang wird ausgerückt. Bis
zu diesem Zeitpunkt war die Motordrehzahl n konstant, weil sich die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht verändert hatte. In Verbindung
mit dem Ausrücken
des Ganges im Zeitpunkt t1 läuft die
Messperiode mp an, die sich in diesem Fall über die Periode, während der
der Motor auf Nullmoment eingeregelt ist, und bis zum Zeitpunkt
t2 erstreckt. Wie aus 4 hervorgeht, ist die Motordrehzahl während der
Messperiode um Δn
angestiegen – ein
Indiz dafür,
dass das Nullmoment zu hoch eingeregelt war. 5 zeigt eine Abnahme; der Motordrehzahl
um Δn infolge
eines zu niedrig eingeregelten Nullmoments. In 3 dagegen verbleibt die Drehzahl n während der
Messperiode konstant, d. h. das Nullmoment war korrekt eingeregelt.
Im Zeitpunkt t2 wird das Moment M weiter
herabgesetzt in der Absicht, die Drehzahl n vor dem Einlegen des nächsten Ganges
auf den korrekten Wert zu reduzieren. In diesem Fall muss die Drehzahl
gesenkt werden, da angenommen wird, dass ein Hochschalten in einen
höheren
Gang ansteht, wobei die Drehzahl nach dem Schlaltvorgang niedriger
sein muss als die Drehzahl vor dem Schaltvorgang. Hätte es sich
dagegen um ein Herunterschalten gehandelt, wäre im Zeitpunkt t2 das
Moment erhöht
worden, um die Drehzahl n vor dem Einlegen des Ganges zu erhöhen. Im Zeitpunkt
t3 ist die korrekte Drehzahl für den nächsten Gang
erreicht; das Einlegen des Ganges beginnt und ist im Zeitpunkt t4 vollzogen. Im Zeitpunkt t4 wird
das Moment erhöht,
so dass es im Zeitpunkt t5 dem vom Fahrer
angeforderten Wert entspricht. Der gesamte Schaltvorgang vom Zeitpunkt
t0 bis zum Zeitpunkt t5 ist
nun vom Steuergerät 12 gesteuert
worden, und die in dieser Periode vom Fahrer durchgeführten Betätigungen
verschiedener Bedienungsorgane haben den Gangwechsel nicht beeinflusst.
Dagegen werden nach dem Zeitpunkt t5 sowohl
das Moment als auch die Drehzahl auf herkömmliche Weise abhängig von
der Fahrpedalbetätigung
durch den Fahrer gesteuert.
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Das beschriebene Verfahren zum Korrigieren
des Nullmoments kann kontinuierlich bei jedem Gangwechsel stattfinden.
Da jedoch mit der Zeit immer weniger und geringere Korrekturen erforderlich werden,
ist es zweckmäßig, nach
einer gewissen Zeit die Anzahl Korrekturen zu verringern, so dass
sie nicht bei jedem Gangwechsel durchgeführt werden. Zu diesem Zweck
ist im Steuergerät 12 eine
Protokollmatrix gespeichert, die die Anzahl der in den einzelnen
Betriebspunkten bei den beiden Matrizen durchgeführten Aktualisierungen angibt.
Ein neues System muss sich schnellstens an den individuellen Motor
und gegebenenfalls Energie verbraucher anpassen. Aus diesem Grund
wird immer eine Korrektur initiiert, salange die Matrix für den jeweiligen
Betriebspunkt nicht angibt, dass eine vorgegebene Anzahl von Korrekturen
bereits stattgefunden hat. Diese vorgegebene Anzahl von Korrekturen
richtet sich nach der Größe der Unterschiede
zwischen den individuellen Teilsystemen, sie kann jedoch bei seriengefertigten
Systemen mit der Größenordnung
von einigen zehn bis zu hundert Korrekturen angesetzt werden.
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Wenn einmal die Anpassung an das
individuelle System stattgefunden hat, ist im weiteren ein weniger
häufiges
Initiieren von Korrekturen und dann lediglich zur Anpassung des
Moments an eine anschließende
Abnutzung u. dgl. erforderlich. Die Protokollmatrix kann danach
beispielsweise zur Zählung aller
durchgeführten
Gangwechsel im jeweiligen Betriebspunkt benutzt werden, und das
Initiieren der Korrekturen kann schrittweise mit längerer Zeitbasis in
Abhängigkeit
vom Wert in der Protokollmatrix stattfinden. So kann zum Beispiel
das Initiieren einer Korrektur während
der ersten 50 Gangwechsel bei jedem Gangwechsel, während des
50. bis 300. Gangwechsel bei jedem zehnten Gangwechsel, beim 301. bis
1000. Gangwechsel bei jedem zwanzigsten Gangwechsel usw, erfolgen.
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Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass
die Dauer der vorzugsweise festen Messperiode mp bei bestimmten
Anwendungen 0,1 Sekunden kurz gehalten werden kann. Im praktischen
Betrieb können
allerdings etwas längere
Messperioden gerechtfertigt sein, zum Beispiel im Bereich 0,1–0,4 und
vorzugsweise 0,3 Sekunden, weil das System Signalverzögerungen
und Trägheit
bei mechanischen Komponenten aufweisen kann.
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Die Matrizen MG(n,
T) und MPTO(n, T) enthalten vorgegebene
Betriebspunkte mit einer Verteilung der Betriebspunkte im Hinblick
auf die Motortemperatur in Schritte von 10–20°C im normalen Motor-Beriebstemperaturbereich
von etwa 70–90°C und in
engeren Schritten bei niedrigeren Betriebstemperaturen im Temperaturbereich
unterhalb von 70°C
sowie im Hinblick auf die Motordrehzahl in Schritte von 100–200 U/min.
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Bei der Korrektur der Matrizen MG(n, T) und MPTO(n,
T) in jedem betreffenden Betriebspunkt, in dem ein Gangwechsel und
eine Messung initiiert werden, können
auch benachbarte, z. B. mindestens 4 benachbarte Betriebspunkte
in der betreffenden Matrix proportional dem betreffenden Korrekturmoment korrigiert
werden, und ebenso kann korrigiert werden, wie nahe am betreffenden
Betriebspunkt die in der Matrix benachbarten Betriebspunkte liegen sollen.
Wenn ein betreffender Betriebspunkt direkt einem Betriebspunkt in
der jeweiligen Matrix entspricht, wird nur dieser Betriebspunkt
korrigiert.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist eine Korrektur der Nullmomente MG bzw.
MPTO in der jeweiligen Matrix vorgenommen
worden, wobei ein neuer, korrigierter Wert einen vorher gespeicherten Wert
ersetzt hat. Bei einer alternativen Ausführungsform können statt
dessen feste Grundwerte in einer Matrix und die erforderlichen Korrekturen
in einer separaten Korrekturmatrix gespeichert sein, wobei der jeweilige
Momentwert durch eine Kombination der Werte von den beiden Matrizen
gebildet wird. In einem solchen Fall werden nur die Korrekturen
aktualisiert, die in der Korrekturmatrix erforderlich sind.