EP1386170A2 - Drehzahl-filter - Google Patents

Drehzahl-filter

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Publication number
EP1386170A2
EP1386170A2 EP02753043A EP02753043A EP1386170A2 EP 1386170 A2 EP1386170 A2 EP 1386170A2 EP 02753043 A EP02753043 A EP 02753043A EP 02753043 A EP02753043 A EP 02753043A EP 1386170 A2 EP1386170 A2 EP 1386170A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tooth
speed
filter
time
tooth time
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02753043A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin DÖLKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Publication of EP1386170A2 publication Critical patent/EP1386170A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0097Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents using means for generating speed signals
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D31/00Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
    • F02D31/001Electric control of rotation speed
    • F02D31/007Electric control of rotation speed controlling fuel supply
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/489Digital circuits therefor
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    • F02D2041/1418Several control loops, either as alternatives or simultaneous
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    • F02D41/1401Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413Controller structures or design
    • F02D2041/1432Controller structures or design the system including a filter, e.g. a low pass or high pass filter

Definitions

  • the invention relates to a speed filter for an internal combustion engine whose speed is recorded in the form of tooth times of a shaft.
  • a filtered tooth time corresponding to the actual speed value is determined from the tooth times using a speed filter.
  • An internal combustion engine provided as a generator drive is usually delivered to the end customer without a clutch and generator.
  • the coupling and the generator are only assembled at the end customer.
  • the internal combustion engine is operated in a speed control loop.
  • the speed of the crankshaft is recorded as a controlled variable and compared with an engine speed setpoint, the reference variable.
  • the resulting control deviation is converted into a manipulated variable for the internal combustion engine, for example an injection quantity, via a speed controller.
  • a problem with such a control loop is that torsional vibrations, which are superimposed on the controlled variable, can be amplified by the speed controller.
  • the low-frequency vibrations caused by the internal combustion engine are particularly critical, for example the torsional vibrations of the 0.5th and 1st order.
  • the amplitudes of the torsional vibrations can become so large due to the amplification of the speed controller that a limit speed is exceeded and the internal combustion engine is switched off.
  • a speed filter in the feedback branch of the speed control loop.
  • Such a speed filter is known from EP 0 059 585 B1.
  • the tooth times of a shaft are recorded via a work cycle of the internal combustion engine.
  • Working cycle means two revolutions of the crankshaft, corresponding to 720 degrees.
  • a filtered tooth time is then calculated from these tooth times via arithmetic averaging. This is updated after each work cycle.
  • This filtered tooth time corresponds to the actual speed value, which is then used to control the internal combustion engine.
  • the problem with this 2-turn filter is that a stable behavior of the drive system is accompanied by a deterioration in the load acceptance behavior.
  • the object of the invention is to optimize the speed filter.
  • the speed filter contains a calculation rule by means of which an i-th order torsional vibration is completely or partially eliminated.
  • the torsional vibration of the 0.5th order is completely eliminated by means of a calculation rule which provides that the current tooth time is added to the tooth time one revolution back.
  • the prior art thus has the advantage that the actual speed value is already available at an earlier point in time.
  • the speed detection is faster compared to the prior art.
  • the dynamics of the speed control loop are increased without endangering the stable behavior of the drive system.
  • the tooth times are recorded over a predeterminable angle of the shaft.
  • the speed filter additionally has a compensation element, consisting of a low-pass filter and a differential element, for calculating the filtered tooth time.
  • FIG. 1 is a block diagram
  • Figure 2 is a speed-time diagram of a starting process
  • Figure 3 is a speed-time diagram
  • Figure 4 is a block diagram of the filter
  • FIG. 5 an amplitude response-frequency diagram
  • FIG. 1 shows a block diagram of the control system of the internal combustion engine 1 with a coupled control loop structure. Shown are: a speed controller 6, an engine torque controller 7, a selection means 8, an injection start controller 9 and the internal combustion engine 1 with the injection system, for example a common rail system.
  • a speed controller 6 an engine torque controller 7
  • a selection means 8 an injection start controller 9
  • the internal combustion engine 1 with the injection system for example a common rail system.
  • Internal combustion engine 1 drives an engine load 4 via shaft 2, for example a generator or ship drive.
  • Gears 3 are arranged on the shaft 2.
  • the tooth times U (k) and V (k) of the gear wheels 3 are detected by speed sensors 5.
  • a filtered tooth time y (k) or, correspondingly, an actual speed nMOT (IST) is calculated from the current tooth time U (k) via a speed filter 11.
  • the engine torque MK at the output of the internal combustion engine 1 is determined via the torque filter 10.
  • the actual engine speed nMOT (ACTUAL) is used in this control loop structure as an input variable for the speed controller 6 and the injection start controller 9.
  • the input variables of the speed controller 6 are: the actual engine speed nMOT (IST), a speed difference dnMOT and a signal ve2.
  • the speed difference dnMOT is calculated from the actual engine speed nMOT (ACTUAL) and a target engine speed nMOT (TARGET).
  • the signal ve2 corresponds to the output signal of the engine torque controller 7.
  • the output variable of the speed controller 6 is a signal ve1. This is guided to the selection means 8 and the engine torque controller 7.
  • the input variables of the engine torque controller 7 are: the engine torque MK, a differential torque dMK, the signal ve1 and an
  • the differential torque dMK is calculated from the engine torque MK and a maximum permissible engine torque.
  • the output signal of the engine torque controller 7 is the signal ve2. This is performed on the selection means 8 and the speed controller 6.
  • the selection means 8 is used to determine which of the two controllers 6 and 7 is dominant, for example via a minimum value selection of the two signals ve1 and ve2.
  • the output signals of the selection means 8 are a power-determining signal ve and the regulator mode RM.
  • the power-determining signal ve is fed to the injection device of the internal combustion engine 1 and the injection start controller 9.
  • the output-determining signal ve is to be understood as the injection quantity or the control path of a control rod.
  • the input variables of the injection start controller 9 are: the actual engine speed nMOT (IST), the power-determining signal ve provided by the selection means 8 and further input variables E, for example the maximum combustion pressure.
  • the output variable of the start of injection controller 9 is an start of injection SB, which is led to the internal combustion engine 1. Since the interaction of the speed controller 6 with the engine torque controller 7 and the injection start controller 9 is not relevant for understanding the invention, a detailed description is dispensed with.
  • the speed control loop consists of the following components: speed controller 6, internal combustion engine 1, speed sensors 5 for recording the tooth times and feedback with speed filter 11.
  • Figure 2 shows a speed-time diagram for a starting process of a drive unit, for example an internal combustion engine with a generator.
  • the reference variable for the speed control corresponding to the target speed nMOT (TARGET) is shown as a dash-dotted line.
  • the actual speed nMOT (ACTUAL) is drawn in as a solid line.
  • the command variable is ramped from an initial value n1 to time t2 to value n2.
  • the reference variable remains unchanged from time t2.
  • the actual speed nMOT (ACTUAL) initially follows this command variable.
  • the actual speed nMOT (IST) exceeds the preset value n2.
  • the actual engine speed nMOT (IST) begins to oscillate.
  • Tooth time is understood to mean the time period between a first pulse and a second pulse or between several successive pulses of the gear wheels 3. In practice, the angular distance between two teeth z. B. 3 degrees. This means that a maximum of 240 tooth times are recorded for one work cycle of the internal combustion engine.
  • the tooth times are usually stored in a ring memory.
  • y1 (k) y1 (k-1) + (1 / F) [(U (k) + k1 U (k-F)]
  • FIG. 4 shows a block diagram of the speed filter 11.
  • the input variables are the tooth times U (k). These tooth times U (k) correspond to the tooth times recorded over 2 / N crankshaft revolutions.
  • the output variable is a filtered tooth time y (k), alternatively the actual speed nMOT (IST).
  • the tooth times U (k), U (k - (N / 2)) etc. represent the input variable for a function block calculation rule BV (i),
  • a tooth time y1 (k) is determined which no longer contains the torsional vibration of the i-th order. Since the calculation rule BV (i) represents an unstable algorithm due to the addition of tooth times (integral behavior), the algorithm is stabilized by adding a compensation element 15.
  • the compensation element 15 here consists at least of a differential transmission element (D-element) 13.
  • a low-pass filter 14 can be connected downstream. Mathematically, this means that the transfer functions of the calculation rule BV (i), the differential element 13 and the low pass 14 are multiplied together.
  • the filtered tooth time y (k) represents the output variable of the compensation element 15.
  • the conversion into the engine speed nMOT (ACTUAL) is carried out by means of the function block 16.
  • the discrete transfer function G (z) of the speed filter can be described as follows:
  • FIGS. 5 and 6 represent both the amplitude response (FIG. 5) and the phase response (FIG. 6) of a first transfer function G 1 for the stationary engine speed 1500 1 / min.
  • a PT1 element with a time constant T1 of 5 was used as the low-pass filter msec used and the tooth times recorded over a crankshaft angle of 90 degrees. It can be seen that the torsional vibration of the 0.5th order (12.5 Hz) is completely eliminated.
  • FIGS. 5 and 6 additionally show the amplitude and phase response of the 2-revolution filter from the prior art, transfer function G2. It can be seen that the transfer function G 1 has the much more favorable phase response, i. H. that the 2-turn filter has a much larger phase delay.
  • y1 (k) y1 (k-1) + (1 / (N / 2)) [U (k) + l ⁇ 1 U (k- (N / 2)) + l ⁇ 2 U (k- (N / 4)]
  • Typical values of k1 are 0.8 and k2 is 0.2.
  • the invention enables torsional vibrations of any order to be filtered out with a smaller phase delay than in the corresponding 2-revolution filter or mean value filter from the prior art. This results in higher stability and better dynamics of the speed control loop. Since the invention includes a tooth timing detection over a predeterminable angle, influences of manufacturing tolerances can be minimized. If the transfer functions of the invention with other transfer functions, e.g. B. combined of mean filters, new frequency responses can be created. The invention also allows any number of previous tooth times to be included. The sum of the individual evaluation factors k1, k2 ... must equal 1 in each case.
  • the system has a low-frequency resonance frequency. If the resonance frequency is in the range of the torsional vibration of the 0.5th order, the speed control loop can become unstable. However, if the speed filter described is used, there is a very large damping in the area of the torsional vibration of the 0.5th order, which has a stabilizing effect on the overall control loop.
  • the invention thereby enables the speed control loop to be more robust, since most drive systems have a resonance frequency of less than 20 Hz. In particular, greater robustness against temperature influences is achieved, since the resonance frequency of the drive system becomes lower at a higher temperature. Greater robustness is also achieved with regard to the manufacturing tolerances of the coupling (spring constant C, damping). In general, the speed filter can always be used when point-symmetrical periodic interference signals are to be eliminated or damped.

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Abstract

Für eine Brennkraftmaschine wird ein Drehzahl-Filter (11) vorgeschlagen. Das Drehzahl-Filter (11) enthält hierbei eine Berechnungsvorschrift (BV(i)) mittels der eine Drehschwingung i-ter Ordnung vollständig oder teilweise eliminiert wird. Hierdurch wird die Dynamik sowie die Robustheit des Drehzahl-Regelkreises erhöht.

Description

Drehzahl-Filter
Die Erfindung betrifft ein Drehzahl-Filter für eine Brennkraftmaschine deren Drehzahl in Form von Zahnzeiten einer Welle erfasst wird. Aus den Zahnzeiten wird mittels eines Drehzahl-Filters eine gefilterte Zahnzeit, entsprechend dem Ist-Drehzahlwert, bestimmt wird.
Eine als Generatorantrieb vorgesehene Brennkraftmaschine wird üblicherweise an den Endkunden ohne Kupplung und Generator ausgeliefert. Die Kupplung und der Generator werden erst beim Endkunden montiert. Um eine konstante Nennfrequenz zur Strom- Einspeisung in das Netz zu gewährleisten, wird die Brennkraftmaschine in einem Drehzahl- Regelkreis betrieben. Hierbei wird die Drehzahl der Kurbelwelle als Regelgröße erfasst und mit einem Motordrehzahl-Sollwert, der Führungsgröße, verglichen. Die daraus resultierende Regelabweichung wird über einen Drehzahl-Regler in eine Stellgröße für die Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Einspritzmenge, gewandelt. Bei einem derartigen Regelkreis besteht ein Problem darin, dass Drehschwingungen, die der Regelgröße überlagert sind, vom Drehzahl-Regler verstärkt werden können. Besonders kritisch sind die von der Brennkraftmaschine verursachten niederfrequenten Schwingungen, beispielsweise die Drehschwingungen 0.5-ter und 1-ter Ordnung. Beim Starten der Antriebsanlage können die Amplituden der Drehschwingungen durch die Verstärkung des Drehzahl-Reglers so groß werden, dass eine Grenzdrehzahl überschritten und die Brennkraftmaschine abgestellt wird.
Dem Problem der Instabilität wird durch ein Drehzahl-Filter im Rückkopplungszweig des Drehzahl-Regelkreises begegnet. Aus der EP 0 059 585 B1 ist ein derartiges Drehzahl- Filter bekannt. Bei diesem werden die Zahnzeiten einer Welle über ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine erfasst. Unter Arbeitsspiel sind zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, entsprechend 720 Grad, zu verstehen. Aus diesen Zahnzeiten wird danach über arithmetische Mittelwertbildung eine gefilterte Zahnzeit berechnet. Aktualisiert wird diese nach jedem Arbeitsspiel. Diese gefilterte Zahnzeit entspricht dem Ist-Drehzahlwert, welche sodann zur Regelung der Brennkraftmaschine verwendet wird. Problematisch bei diesem 2-Umdrehungs-Filter ist jedoch, dass ein stabiles Verhalten der Antriebsanlage mit einer Verschlechterung des Lastannahme-Verhaltens einhergeht. Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zugrunde, das Drehzahl-Filter zu optimieren.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind die Ausgestaltungen hierzu dargestellt.
Gemäß der Erfindung enthält das Drehzahl-Filter eine Berechnungsvorschrift mittels der eine Drehschwingung i-ter Ordnung vollständig oder teilweise eliminiert wird. Beispielsweise wird die Drehschwingung 0.5-ter Ordnung über eine Berechnungsvorschrift vollständig eliminiert, welche vorsieht, dass die aktuelle Zahnzeit mit der eine Umdrehung zurückliegenden Zahnzeit addiert wird. Gegenüber dem 2-Umdrehungs-Filter aus dem
Stand der Technik ergibt sich somit der Vorteil, dass der Ist-Drehzahlwert bereits zu einem früheren Zeitpunkt vorliegt. Die Drehzahlerfassung ist gegenüber dem Stand der Technik also schneller. Mit anderen Worten, die Dynamik des Drehzahl-Regelkreis wird erhöht ohne das stabile Verhalten der Antriebsanlage zu gefährden. Um die Einflüsse von Fertigungstoleranzen der Messräder zu minimieren, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Zahnzeiten über einen vorgebbaren Winkel der Welle erfasst werden. Als weitere Maßnahme ist vorgesehen, dass das Drehzahl-Filter zusätzlich ein Kompensationsglied, bestehend aus einem Tiefpass und einem differenziellen Glied, zur Berechnung der gefilterten Zahnzeit aufweist. Über die Kombination der Erfindung mit anderen Übertragungsfunktionen, z. B. Mittelwertfilter, können neue Frequenzgänge kreiert werden. Die Erfindung bietet insgesamt also den Vorteil, dass der Drehzahl-Regelkreis sehr robust gegenüber den Störgrößen ist, beispielsweise Temperatur und Fertigungstoleranz der Kupplung. Bekanntermaßen verringert sich die Resonanzfrequenz der Antriebsanlage bei höheren Temperaturen.
In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 ein Blockschaltbild
Figur 2 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm eines Startvorgangs
Figur 3 ein Drehzahl-Zeit -Diagramm Figur 4 ein Blockschaltbild des Filters
Figur 5, 7 ein Amplitudengang-Frequenz-Diagramm
Figur 6, 8 ein Phasengang-Frequenz-Diagramm
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des Regelsystems der Brennkraftmaschine 1 mit gekoppelter Regelkreisstruktur. Dargestellt sind: ein Drehzahl-Regler 6, ein Motormoment- Regler 7, ein Auswahlmittel 8, ein Einspritzbeginn-Regler 9 und die Brennkraftmaschine 1 mit dem Einspritzsystem, beispielsweise ein Common-Rail-System. Die
Brennkraftmaschine 1 treibt via Welle 2 eine Motorlast 4 an, also beispielsweise einen Generator oder Schiffsantrieb. Auf der Welle 2 sind Zahnräder 3 angeordnet. Die Zahnzeiten U(k) und V(k) der Zahnräder 3 werden von Drehzahl-Sensoren 5 detektiert. Aus der aktuellen Zahnzeit U(k) wird über ein Drehzahl-Filter 1 1 eine gefilterte Zahnzeit y(k) oder entsprechend eine Ist-Drehzahl nMOT(IST) berechnet. Über das Moment-Filter 10 wird das Motor-Moment MK am Abtrieb der Brennkraftmaschine 1 ermittelt. Die Ist- Motordrehzahl nMOT(IST) wird bei dieser Regelkreisstruktur als Eingangsgröße für den Drehzahl-Regler 6 und den Einspritzbeginn-Regler 9 verwendet. Die Eingangsgrößen des Drehzahl-Reglers 6 sind: die Ist-Motordrehzahl nMOT(IST), eine Drehzahldifferenz dnMOT und ein Signal ve2. Die Drehzahldifferenz dnMOT berechnet sich aus der Ist-Motordrehzahl nMOT(IST) und einer Soll-Motordrehzahl nMOT(SOLL). Das Signal ve2 entspricht dem Ausgangssignal des Motormoment-Reglers 7. Die Ausgangsgröße des Drehzahl-Reglers 6 ist ein Signal ve1. Dieses ist auf das Auswahlmittel 8 und den Motormoment-Regler 7 geführt. Die Eingangsgrößen des Motormoment-Reglers 7 sind: das Motör-Moment MK, ein Differenzmoment dMK, das Signal ve1 und ein
Reglermodus RM. Das Differenzmoment dMK berechnet sich aus dem Motor-Moment MK und einem maximal zulässigen Motor-Moment. Das Ausgangssignal des Motormoment- Reglers 7 ist das Signal ve2. Dieses ist auf das Auswahlmittel 8 und den Drehzahl-Regler 6 geführt. Über das Auswahlmittel 8 wird festgelegt, welcher der beiden Regler 6 bzw. 7 dominant ist, beispielsweise über eine Minimalwertauswahl der beiden Signale ve1 und ve2. Die Ausgangssignale des Auswahlmittels 8 sind ein leistungsbestimmendes Signal ve und der Reglermodus RM. Das leistungsbestimmende Signal ve wird auf die Einspritzeinrichtung der Brennkraftmaschine 1 und den Einspritzbeginn-Regler 9 geführt. Unter leistungsbestimmendem Signal ve sind die Einspritzmenge oder der Regelweg einer Regelstange zu verstehen.
Die Eingangsgrößen des Einspritzbeginn-Reglers 9 sind: die Ist-Motordrehzahl nMOT(IST), das vom Auswahlmittel 8 bereitgestellte leistungsbestimmende Signal ve und weitere Eingangsgrößen E, beispielsweise der Verbrennungs-Höchstdruck. Die Ausgangsgröße des Einspritzbeginn-Reglers 9 ist ein Einspritzbeginn SB, welcher auf die Brennkraftmaschine 1 geführt ist. Da das Zusammenwirken des Drehzahl-Reglers 6 mit dem Motormoment- Regler 7 und dem Einspritzbeginn-Regler 9 für das Verständnis der Erfindung nicht relevant ist, wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
Der Drehzahl-Regelkreis besteht, wie in Figur 1 dargestellt, aus folgenden Komponenten: Drehzahl-Regler 6, die Brennkraftmaschine 1, Drehzahlsensoren 5 zur Erfassung der Zahnzeiten und eine Rückkopplung mit Drehzahl-Filter 1 1.
Figur 2 zeigt ein Drehzahl-Zeit-Diagramm für einen Startvorgang einer Antriebseinheit, beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit Generator. Als strichpunktierte Linie ist die Führungsgröße für die Drehzahl-Regelung, entsprechend der Soll-Drehzahl nMOT(SOLL), dargestellt. Als durchgezogene Linie ist die Ist-Drehzahl nMOT(IST) eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t1 wird die Führungsgröße von einem Anfangswert n1 bis zum Zeitpunkt t2 auf den Wert n2 rampenförmig erhöht. Vom Zeitpunkt t2 an bleibt die Führungsgröße unverändert. Die Ist-Drehzahl nMOT(IST) folgt zunächst dieser Führungsgröße. Zum Zeitpunkt t2 überschreitet jedoch die Ist-Drehzahl nMOT(IST) den Vorgabewert n2. Während des Zeitraums t3 bis t4 beginnt die Ist-Drehzahl nMOT(IST) der Brennkraftmaschine zu schwingen. Die Ursachen für diese Drehzahl-Schwingungen können sein: eine unzulässig hohe Streuung der Injektoren, der Ausfall eines Injektors und/oder eine fehlerhafte Abstimmung der Gesamtanlage. Als besonders dominant bei diesen Drehschwingungen hat sich die 0.5-te Ordnung herausgestellt. Diese ist in Figur 2 als Ausschnitt dargestellt. In der Praxis werden die Amplituden bei einer Brennkraftmaschine mit Betriebstemperatur zum Teil so groß, dass eine Drehzahlgrenze überschritten wird und ein Not-Stop ausgelöst wird. Hieraus resultiert der Ist-Drehzahl-Verlauf ab dem Zeitpunkt Figur 3 zeigt einen Drehzahlverlauf nMOT an der Kurbelwelle über der Zeit. Dargestellt sind zwei Drehschwingungen, entsprechend der 0.5-ten und 1-ten Ordnung während eines Arbeitsspiels, also 720 Grad der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. In Figur 3 sind exemplarisch 5 Zahnzeiten dargestellt: U( - N), U (k - (N-1)), U (k - N/2), U (k - N/4) und U(k). Der Parameter N kennzeichnet hierbei die Anzahl der pro Arbeitsspiel erfassten Zahnzeiten. Mit U(k) wird die aktuelle Zahnzeit bezeichnet. Unter Zahnzeit wird die Zeitdauer zwischen einem ersten Impuls und einem zweiten Impuls oder zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen der Zahnräder 3 verstanden. In der Praxis kann der Winkelabstand zwischen zwei Zähnen z. B. 3 Grad betragen. Dies bedeutet, dass also für ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine maximal 240 Zahnzeiten erfasst werden. Üblicherweise werden die Zahnzeiten hierbei in einem Ringspeicher abgelegt.
Aus der Figur 3 wird ersichtlich, dass bei Addition der aktuellen Zahnzeit U(k) und der eine Umdrehung zurückliegenden Zahnzeit U(k - N/2) die Drehschwingung 0.5-ter Ordnung eliminiert wird. Die Drehschwingung 1-ter Ordnung kann vollständig eliminiert werden, indem die aktuelle Zahnzeit U(k) mit der eine halbe Umdrehung zurückliegenden Zahnzeit U(k - N/4) addiert wird. Die entsprechende mathematische Umsetzung in eine Berechnungsvorschrift BV(i) zur vollständigen Eliminierung der Drehschwingung i-ter Ordnung stellt sich wie folgt dar:
y1 (k) = y1 (k-1) + (1 /F) [(U(k) + k1 U(k-F)]
mit
y1 (k) aktuelle gefilterte Zahnzeit y1 (k-1) 2/N Umdrehungen zurückliegende gefilterte Zahnzeit
N Anzahl der pro Arbeitsspiel erfassten Zahnzeiten
F N/(4i) i Ordnung der zu eliminierenden Drehschwingung U(k) aktuelle Zahnzeit
U(k-F) 1/(2i) Umdrehungen zurückliegenden Zahnzeit kl Bewertungs-Faktor, Wert gleich Eins In Figur 4 ist ein Blockschaltbild des Drehzahl-Filters 1 1 dargestellt. Die Eingangsgrößen sind die Zahnzeiten U(k). Diese Zahnzeiten U(k) entsprechen den über 2/N Kurbelwellenumdrehungen erfassten Zahnzeiten. Die Ausgangsgröße ist eine gefilterte Zahnzeit y(k), alternativ die Ist-Drehzahl nMOT(IST). Die Zahnzeiten U(k), U(k - (N/2)) usw. stellen die Eingangsgröße für einen Funktionsblock Berechnungsvorschrift BV(i),
Bezugszeichen 12, dar. Mittels der Berechnungsvorschrift BV(i) wird eine Zahnzeit y1(k) ermittelt, die die Drehschwingung i-ter Ordnung nicht mehr enthält. Da die Berechnungsvorschrift BV(i) bedingt durch das Addieren von Zahnzeiten einen instabilen Algorithmus darstellt (integrales Verhalten), erfolgt durch Nachschalten eines Kompensationsglieds 15 eine Stabilisierung des Algorithmus. Das Kompensationsglied 15 besteht hierbei zumindest aus einem differenziellen Übertragungsglied (D-Glied) 13. Ein Tiefpass 14 kann nachgeschaltet werden. Mathematisch bedeutet dies, dass die Übertragungsfunktionen der Berechnungsvorschrift BV(i), des differenziellen Gliedes 13 und des Tiefpasses 14 miteinander multipliziert werden. Die gefilterte Zahnzeit y(k) stellt die Ausgangsgröße des Kompensationsgliedes 15 dar. Mittels des Funktionsblocks 16 erfolgt die Umrechnung in die Motordrehzahl nMOT(IST).
Die diskrete Übertragungsfunktion G(z) des Drehzahl-Filters lässt sich folgendermaßen beschreiben:
G(z) = y(z)/U(z)
mit
z = e Exp(sTa)
Hierbei gilt:
Ta Abtastzeit des Filteralgorithmus y(z) z-transformierte gefilterte Zahnzeit y(k)
U(z) z-transformierte ungefilterte Zahnzeit U(k) Die Figuren 5 und 6 stellen für die stationäre Motordrehzahl 1500 1 /min sowohl den Amplitudengang (Figur 5) als auch den Phasengang (Figur 6) einer ersten Übertragungsfunktion G 1 dar. Hierbei wurde als Tiefpass ein PT1-Glied mit einer Zeitkonstanten T1 von 5 msec verwendet und die Zahnzeiten über einen Kurbelwellenwinkel von 90 Grad erfasst. Man erkennt, dass die Drehschwingung 0.5-ter Ordnung (12,5 Hz) vollständig eliminiert wird.
In den Figuren 5 und 6 sind zusätzlich der Amplituden- und der Phasengang des 2-Umdrehungs-Filters aus dem Stand der Technik dargestellt, Übertragungsfunktion G2. Man erkennt, dass die Übertragungsfunktion G 1 den wesentlich günstigeren Phasengang aufweist, d. h. dass das 2-Umdrehungs-Filter einen wesentlich größeren Phasenverzug hat.
Wenn die Drehschwingung 0.5-ter Ordnung und die Drehschwingung 1-ter Ordnung teilweise eliminiert werden sollen, wird die Berechnungsvorschrift BV(i) folgendermaßen ausgeführt:
y1 (k) = y1 (k-1) + (1 /(N/2))[U(k) + l<1 U(k-(N/2)) + l<2 U(k-(N/4)]
mit
y 1 (k) Aktuelle gefilterte Zahnzeit y1 (k-1) 2/N Umdrehungen zurückliegende gefilterte Zahnzeit
N Anzahl der pro Arbeitsspiel erfassten Zahnzeiten
U(k) aktuelle Zahnzeit U(k-(N/2)) 1 Umdrehung zurückliegende Zahnzeit
U(k-(N/4)) 0,5 Umdrehungen zurückliegende Zahnzeit 1, k2 Bewertungs-Faktoren; k1 + k2 = 1
Typische Werte von k1 sind 0,8 und von k2 der Wert 0,2.
Wird für dieses Beispiel als Tiefpass wieder ein Filter 1-ter Ordnung (PT1-Glied) mit der Zeitkonstanten 5 msec verwendet und werden die Zahnzeiten über 90 Grad erfasst, so ergibt sich der in den Figuren 7 und 8 dargestellte Amplituden- und Phasengang (Übertragungsfunktion G3). Man erkennt, dass die Drehschwingung 0.5-ter Ordnung (12.5 Hz) nun nicht mehr vollständig eliminiert wird. Dafür wird aber die Drehschwingung 1-ter Ordnung stärker (25 Hz) gedämpft. Ein Vergleich der Phasengänge der Übertragungsfunktionen G1 und G3 zeigt, dass die Übertragungsfunktion G3 eine geringere Phasendrehung als die Übertragungsfunktion G1 aufweist.
Wie dargestellt ermöglicht es die Erfindung Drehschwingungen beliebiger Ordnung mit einem geringeren Phasenverzug als beim entsprechenden 2-Umdrehungs-Filter bzw. Mittelwertfilter aus dem Stand der Technik herauszufiltem. Dies hat eine höhere Stabilität und eine bessere Dynamik des Drehzahl-Regelkreis zur Folge. Da die Erfindung eine Zahnzeiten-Erfassung über einen vorgebbaren Winkel beinhaltet, können Einflüsse von Fertigungstoleranzen minimiert werden. Werden die Übertragungsfunktionen der Erfindung mit anderen Übertragungsfunktionen, z. B. von Mittelwertfiltern, kombiniert, können neue Frequenzgänge kreiert werden. Ebenso gestattet es die Erfindung, dass zusätzlich noch beliebig viele zeitlich zurückliegende Zahnzeiten einbezogen werden. Die Summe der einzelnen Bewertungsfaktoren k1, k2... muss jeweils gleich 1 ergeben.
Bei einer Antriebsanlage mit weichen Kupplungen ergibt sich eine niederfrequente Resonanzfrequenz der Anlage. Liegt die Resonanzfrequenz im Bereich der Drehschwingung 0.5-ter Ordnung, so kann der Drehzahl-Regelkreis instabil werden. Wird jedoch das beschriebene Drehzahl-Filter verwendet, so liegt im Bereich der Drehschwingung 0.5-ter Ordnung eine sehr große Dämpfung vor, was eine stabilisierende Wirkung auf den Gesamtregelkreis hat. Die Erfindung ermöglicht dadurch eine größere Robustheit des Drehzahl-Regelkreises, da die meisten Antriebs-Anlagen eine Resonanzfrequenz kleiner 20 Hz haben. Insbesondere wird eine größere Robustheit gegenüber Temperatureinflüssen erreicht, da die Resonanzfrequenz der Antriebs-Anlage bei höherer Temperatur kleiner wird. Auch bezüglich Fertigungstoleranzen der Kupplung (Federkonstante C, Dämpfung) wird eine größere Robustheit erreicht. Ganz allgemein kann das Drehzahl-Filter immer dann angewendet werden, wenn punktsymmetrische periodische Störsignale eliminiert bzw. bedämpft werden sollen. Bezugszeichenliste
Brennkraftmaschine
Welle
Zahnräder
Motorlast
Drehzahl-Sensoren
Drehzahl-Regler
Motormoment-Regler
Auswahlmittel
Einspritzbeginn-Regler
Moment-Filter
Drehzahl-Filter
Funktionsblock Berechnungsvorschrift
D-Glied
Tiefpass
Kompensationsglied
Funktionsblock Umrechnung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Drehzahl-Filter für eine Brennkraftmaschine (1) deren Drehzahl in Form von Zahnzeiten einer Welle erfasst wird und aus den Zahnzeiten mittels eines Filters eine gefilterte Zahnzeit, entsprechend dem Ist-Drehzahlwert, berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahl-Filter (11) eine Berechnungsvorschrift (BV(i), i=0.5, 1, 1.5, ...) zur vollständigen oder teilweisen Eliminierung einer Drehschwingung i-ter Ordnung enthält und mittels der Berechnungsvorschrift (BV(i)) die gefilterte Zahnzeit (y(k), k=1, 2 , 3...) bestimmt wird (y(k)=f(BV(i))), indem eine aktuelle Zahnzeit (U(k)) und zurückliegende Zahnzeiten (U(k-(N/2)), U(k-(N/3)) addiert werden.
2. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückliegenden Zahnzeiten (U(k-(N/2)), U(k-(N/3)) mit Bewertungs-Faktoren (k1, k2...) gewichtet werden.
3. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gefilterte Zahnzeit (y(k)) zusätzlich über ein Kompensationsglied (15) bestimmt wird, wobei die Eingangsgröße (y1(k)) des Kompensationsglieds ( 15) der Ausgangsgröße der Berechnungsvorschrift (BV(i)) entspricht.
4. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsglied (15) zumindest aus einem differenziellen Glied (13) und vorzugsweise einem Tiefpass ( 14) besteht.
5. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehschwingung i-ter Ordnung vollständig eliminiert wird, indem mittels der Berechnungsvorschrift (BV(i)) die gefilterte Zahnzeit (y1(k)) aus der aktuellen Zahnzeit (U(k)) und der um 1 /(2i) zurückliegenden Zahnzeit berechnet wird.
6. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsvorschrift (BV(i)) in der Form ausgeführt wird: y1(k) = y1(k-1) + (1/F) [(U(k) + l<1 U(k-F)]
mit
y1(k) aktuelle gefilterte Zahnzeit y1(k-1) 2/N Umdrehungen zurückliegende gefilterte Zahnzeit
N Anzahl der pro Arbeitsspiel erfassten Zahnzeiten
F N/(4i) i Ordnung der zu eliminierenden Drehschwingung U(k) aktuelle Zahnzeit
U(k-F) V(2i) Umdrehungen zurückliegenden Zahnzeit k 1 Bewertungs-Faktor; Wert gleich Eins
7. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehschwingung i-ter Ordnung teilweise eliminiert wird, indem die gefilterte
Zahnzeit (y1(k)) mittels folgender Berechnungsvorschrift (BV(i)) berechnet wird:
y1(k) = y1(k-1) + (1/F) [U(k) + k1 U(k-F) + Σ kj U(k-(N/(4i+(j-1))))]
mit y1 (k) aktuelle gefilterte Zahnzeit y 1 (k-1 ) 2/N Umdrehungen zurückliegende gefilterte Zahnzeit
N Anzahl der pro Arbeitsspiel erfassten Zahnzeiten
F N/4i i Ordnung der zu eliminierenden Drehschwingung
U(k) aktuelle Zahnzeit
U(k-F) V(2i) Umdrehungen zurückliegende Zahnzeit k1 Bewertungs-Faktor, k1<1 j Laufvariable j von 2 bis ∞ kj Bewertungs-Faktoren
8. Drehzahl-Filter (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Bewertungs-Faktoren (k1, k2...) auf den Wert Eins gesetzt wird (l<1+l<2+...= 1).
9. Drehzahl-Filter (11) nach den Ansprüchen 5 und 6 oder 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Zahnzeit (U(k)) und die zurückliegenden Zahnzeiten (U(k-(N/2)), U(k-(N/3)), ...) über einen vorgebbaren Winkel der Welle (2) gemittelt werden.
10. Drehzahl-Filter (11) nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahl-Filter (11) mit einem weiteren Filter, insbesondere einem Mittelwertfilter, kombiniert wird.
11. Drehzahl-Filter (11) nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch ge ennzeichnet, dass die Ordnung i der zu eliminierenden Drehschwingung auf einen festen Wert gesetzt wird oder mittels Frequenzanalyse berechnet wird.
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