Verfahren und Einrichtung zum Einstellen einer elektrodynamischen Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers für eine Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zum Einstellen einer elektrodynamischen Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 9.
Die Phasenlage einer Nockenwelle zu einer Kurbelwelle kann durch passive (antriebslose) Nockenwellensteller verändert werden . Diese Nockenwellensteller bestehen z . B . aus einer Bremse und einem Summiergetriebe (DE 100 38 354 Al) oder aus einer Bremse und einem Hebelmechanismus (DE 102 47 650 Al) , wobei sich der Hebelmechanismus wie ein Summiergetriebe verhält . Als Bremse kommen in der Regel berührungslose und verschleißfrei arbeitende Hysteresebremsen zum Einsatz .
Zum Halten und Verstellen der Phasenlage ist eine Regelung notwendig, da das variable Moment der Bremse am Stelleingang des Summiergetriebes , d . h . an der Stellwelle , zu Veränderungen der Phasenlage der Nockenwelle führt . Durch Anziehen der Bremse wird die Stellwelle verlangsamt und damit
die Phasenlage über das Summiergetriebe verändert ; im Fall eines Minusgetriebes als Summiergetriebe wird die Phasenlage nach früh verändert .
Wird die Bremse gelöst , beschleunigt der Stelleingang bedingt durch das Lastmoment der Nockenwelle und die Phasenlage wird bei Verwendung eines Minusgetriebes nach spät verändert . Bei konstanter Phasenlage , also im sogenannten Kupplungsfall , wenn keine Relativbewegung im Getriebe stattfindet , muss die Stellwelle auf Nockenwellendrehzahl gehalten werden.
Eine Regelstruktur für den Verstellmotor eines elektrischen Nockenwellenverstellers nach dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 51 347 Al bekannt . Darin wird eine Regelstruktur zum Erreichen der Soll-Verstelldrehzahl eines Verstellmotors für den elektrischen Nockenwellenversteller beschrieben, wobei der Nockenwellenversteller mindestens einen Regler aufweist , der aus Messsignalen des Verbrennungsmotors Steuersignale für den Verstellmotor generiert .
Der Regler weist als Eingangssignal ein Differenzsignal aus Soll - und Istwerten und als Ausgangssignal ein für den Verstellmotor bestimmtes , geregeltes SoIl - Verstelldrehzahlsignal auf , dem ein ungeregeltes Drehzahlsignal aufaddiert ist . Es werden zwei Ausführungen einer Lageregelung, eine Drehzahlregelung, eine kombinierte Lage- und Drehzahlregelung und als Beispiel einer Strombegrenzungsfunktion ein Zweipunkt-Stromregler vorgeschlagen .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , das Regelverhalten einer derartigen Regelstruktur bzw . die Regelstruktur selbst weiter zu verbessern .
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zum Einstellen einer elektrodynamischen Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 10.
Nach Anspruch 1 wird innerhalb einer Kaskadenregelung mittels eines Positionsreglers die Phasenlage der Nockenwelle und mittels eines Verstellgeschwindigkeitsreglers die Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage geregelt , mittels einer weiteren Einstelleinrichtung der Strom durch die elektrodynamische Bremse eingestellt , und es werden zur Verbesserung des Regelverhaltens der Kaskadenregelung Vorsteuerungen eingesetzt .
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Vorsteuerungen das Regelverhalten der Kaskadenregelung wesentlich verbessern und die Regelgüte erhöhen, wodurch eine schnellere und genauere Einstellung der Phasenlage der Nockenwelle möglich ist . Dies wiederum erlaubt einen verbesserten und der j eweiligen Belastungssituation angepassten Betrieb der Brennkraftmaschine, der Verbrauch wird gesenkt , der Verschleiß vermindert und es werden Schwingungen und daraus folgende Schäden und Komforteinbußen vermieden .
Zur Vorsteuerung wird gemäß Anspruch 4 in der Kaskadenregelung, genauer in der Stromeinstelleinrichtung, die Kurbelwellen-Drehzahl als eine zusätzliche Kenngröße berücksichtigt . Die Größe der Drehzahl der Kurbelwelle ist in aller Regel im (Motor- ) Steuergerät verfügbar, so dass kein zusätzlicher Sensor, kein zusätzliches Signal auf dem (CAN- ) Bus und keine zusätzliche Abfrage in der Software notwendig sind . In den Ansprüchen 2 , 3 und 5 bis 7 wird vorgeschlagen,
auf welche Art und Weise die Berücksichtigung dieser Größe vorteilhaft erfolgen kann .
Die Vorteile , die Drehzahl der Kurbelwelle über eine Vorsteuerung in der Kaskadenregelung zu berücksichtigen, bestehen in einer schnelleren und genaueren Einstellung der Phasenlage der Nockenwelle und somit auch der gesamten Brennkraftmaschine, mit den bereits genannten positiven Auswirkungen .
Schließlich wird in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist nach Anspruch 8 vorgeschlagen, den Strom durch die Hysteresebremse durch eine modellbasierte Istwertabschätzung mit Beobachter einzustellen .
Allein schon durch die Einstellung des Stroms mittels einer Steuerung wird das Regelverhalten der Kaskadenregelung und somit die Einstellung der Phasenlage der Nockenwelle merklich verbessert , mit all den daraus folgenden, schon genannten Vorteilen . Durch eine modellbasierte Istwertabschätzung mit Beobachter wird das ausgezeichnete Regelverhalten der Regelstruktur insgesamt beibehalten und es werden darüber hinaus Kosten reduziert , da ein Stromsensor eingespart wird und somit Aufwand und Kosten merklich niedriger ausfallen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren angegeben .
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert .
Dabei zeigen :
Fig . 1 in prinzipieller Darstellung eine Kaskadenregelung für eine elektrodynamische Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers ,
Fig . 2 in prinzipieller Darstellung einer Ausführungsform der Stromeinstelleinrichtung,
Fig . 3 die stark nichtlineare Strom-Momentenkennlinie der elektrodynamischen Bremse, die im Regler verwendete zugehörige invertierte Kennlinie und die sich durch Reihenschaltung ergebende Linearisierung und
Fig . 4 die kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der elektrodynamischen Bremse bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine , bewirkt durch die Wechselmomente der Nockenwelle .
Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine elektrodynamische Bremse eines elektrischen Nockenwellenverstellers einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine .
Die Fig . 1 zeigt eine Kaskadenregelung 1 für eine (nicht detailliert dargestellte) elektrodynamische Bremse (mit Rotor) eines elektrischen Nockenwellenverstellers , mit einem Positionsregler 20 zur Einstellung der Phasenlage , einem Verstellgeschwindigkeitsregler 30 zur Einstellung der Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage , einer Stromeinstelleinrichtung 40 , bei der es sich um eine Steuerung oder um eine Regelung handelt und mit welcher der Strom durch die elektrodynamische Bremse eingestellt wird, einer Regelstrecke 18 , die Ansteuerelektronik, elektrodynamische Bremse mit stark nichtlinearer Strom- Momentenkennlinie , Stellgetriebe und Nockenwelle beinhaltet ,
und einer Positionserfassungseinheit 19. Die Kaskadenregelung 1 ist üblicherweise Teil eines (Motor- ) Steuergerätes 50. Sollgröße 2 der Kaskadenregelung 1 ist eine Größe Δθsoii/ bei der es sich um eine Änderung der Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle handelt .
In einem Summierer 3 wird von der Sollgröße 2 eine Istgröße 4 , bei der es sich um eine Ist-Phasenlage ΔθiSt handelt , subtrahiert , woraus sich eine Regelabweichung 5 ergibt , die dem Positionsregler 20 als Eingangsgröße zugeführt wird . Ausgangsgröße des Positionsreglers 20 ist eine Regelgröße 6 (Soll -Verstellgeschwindigkeit einer Phasenlage Δωsoii) , die einem weiteren Summierer 7 zugeführt und von der im Summierer 7 eine Sollgröße 8 subtrahiert wird . Bei der Sollgröße 8 , die von der Positionserfassungseinheit 19 geliefert wird, handelt es sich um eine Ist-Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage Δcύist . Dem Verstellgeschwindigkeitsregler 30 wird somit eine Regelabweichung 10 zugeführt .
Ausgangsgröße 11 des Verstellgeschwindigkeitsreglers 30 ist ein Moment M_Regler, das als Eingangsgröße der Stromeinstelleinrichtung 40 zugeführt wird . Der Stromeinstelleinrichtung 40 werden im weiteren noch eine Größe 46 , wobei es sich um die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) handelt , und eine Größe 48 , wobei es sich um die Rotation (w_bremse) der elektrodynamischen Bremse (bzw. ihres Rotors) handelt , zugeführt ; die Größe 46 (n_KW) ist üblicherweise innerhalb des (Motor- ) Steuergeräts 50 verfügbar, die Größe 48 (w_bremse) wird in der Positionserfassungseinheit 19 berechnet . Ausgangsgröße 12 der Stromeinstelleinrichtung 40 ist eine Spannung Ua, die der Ansteuereinheit für die Bremse innerhalb der Regelstrecke 18 zugeführt wird . Auf die Regelstrecke 18 wirkt das Moment der Nockenwelle (MNW) als Störgröße 13. Ausgangsgröße 14 der Regelstrecke 18 ist eine (Meß- ) Größe θsteiier (Stellung der Bremse) oder ΘNW (Stellung der Nockenwelle) , j e nach eingesetzter Sensorik .
Bei der Stromeinstelleinrichtung 40 kann es sich um eine Steuerung oder um eine Regelung handeln . Handelt es sich um eine Regelung, wird eine zweite Ausgangsgröße 15 , bei der es sich um den Strom isteiier für die Bremse handelt , am Ausgang der Regelstrecke 18 entnommen und der Stromeinstelleinrichtung 40 zugeführt .
Die Ausgangsgröße 14 (θsteiier/ d . h . die Stellung der Bremse oder ΘNW, d . h . die Stellung der Nockenwelle) der Regelstrecke 18 wird der Positionserfassungseinheit 19 zugeführt ; des weiteren wird der Positionserfassungseinheit 19 als weitere Größe die Stellung der Kurbelwelle als Größe 16 (θκw) zugeführt .
Wenn die Ausgangsgröße 14 θsteiier (Stellung der Bremse) ist , wird in der Positionserfassungseinheit 19 die Stellung ΘNW (Stellung der Nockenwelle) mit Hilfe von ΘKW (Stellung der Kurbelwelle) berechnet . In der Positionserfassungseinheit 19 werden eine Drehzahl der Nockenwelle n^ und die Drehzahl der Kurbelwelle n^ aus der zeitlichen Veränderung der j eweiligen Positionen berechnet . Die Ausgangsgröße 4 ist die Ist- Phasenlage θist = ΘNW - θκw/2 der Nockenwelle zur Kurbelwelle .
Die Ausgangsgröße 8 ist die Ist-Verstellgeschwindigkeit Δωist = nm - nκw/2 der Nockenwelle zur Kurbelwelle . Damit stellt der Verstellgeschwindigkeitsregler 30 die Drehzahl der Bremse (w_bremse) bei inaktivem Positionsregler 20 (Regelgröße 6 ist 0 ) auf eine Nockenwellendrehzahl n_NW und somit die Verstellgeschwindigkeit 0 ein . Der Positionsregler 20 wird damit in vorteilhafter Weise entlastet , seine Aufgabe ist nur die Einstellung eines zusätzlichen Verstellwinkels und nicht das Halten der Phasenlage .
In Fig . 2 ist eine Ausführungsform der Stromeinstelleinrichtung 40 aus Fig . 1 prinzipiell dargestellt . Bei der Stromeinstelleinrichtung 40 handelt es sich um eine Steuerung oder um eine Regelung; im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Steuerung ( Istwertabschätzung mit Beobachter) eingesetzt .
Die Ausgangsgröße 11 des Verstellgeschwindigkeitsreglers 30 (Fig . 1 ) , das Moment M_Regler, wird der
Stromeinstelleinrichtung 40 als Eingangsgröße einem Eingang 41 und anschließend als erste Größe einem Summierer 44 zugeführt . Zwecks einer Vorsteuerung zur Verbesserung des Regelverhaltens wird der Stromeinstelleinrichtung 40 über einen zweiten Eingang 45 die Größe 46 , bei der es sich um die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) handelt , zugeführt . Die Drehzahl der Kurbelwelle (n_KW) 46 wird mittels einer drehzahlabhängigen Kennlinie 49 , in der das mittlere Lastmoment der elektrodynamischen Bremse beispielsweise in Form einer Wertetabelle abgelegt ist , in ein Moment (M_vorst) 51 umgesetzt . Anschließend wird dieses Moment (M_vorst) 51 als zweite Größe ebenfalls dem Summierer 44 zugeführt . Die im Summierer 44 gebildete Summe aus dem ersten Moment (M_Regler) 11 und dem zweiten Moment (M_vorst) 51 ergibt ein Sollmoment (M_soll) 43.
Diese Vorsteuerung hat den Zweck, das Regelverhalten der Kaskadenregelung 1 (Fig . 1) insgesamt zu verbessern . Beim Halten konstanter Phasenlage muss die elektrodynamische Bremse das mittlere Lastmoment der Nockenwelle und der angebundenen Aggregate geteilt durch die Getriebeübersetzung kompensieren . Dieses Lastmoment ist bekannt ; es wird in Form des zweiten Moments (M_vorst) 51 berücksichtigt und im folgenden dem ersten Moment (M_Regler) 11 hinzuaddiert , woraus sich dann das Sollmoment (M_soll ) 43 ergibt .
Über eine invertierte Strom-Momenten-Kennlinie 42 der elektrodynamischen Bremse , die beispielsweise als Wertetabelle in der Stromeinstelleinrichtung 40 abgelegt ist , wird das Sollmoment (M_soll) 43 in einen Strom ( I_soll ) 56 umgesetzt und dieser Strom ( I_Soll) 56 einem Multiplizierer 55 zugeführt .
Die invertierte Strom-Momenten-Kennlinie 42 hat den Zweck, das Regelverhalten der Kaskadenregelung 1 (Fig . 1 ) insgesamt zu verbessern, indem die stark nichtlineare Strom- Momentenkennlinie der Bremse (in der Regelstrecke 18 enthalten) kompensiert wird . Für den gesamten Regelkreis 1 entspricht das einer Reihenschaltung (Multiplikation) der nichtlinearen elektrodynamischen Bremse mit ihrer invertierten Kennlinie , damit wird die nichtlineare Wirkung der Bremse aufgehoben (Fig . 3 ) .
Der Stromeinstelleinrichtung 40 wird weiterhin über einen dritten Eingang 47 die Größe 48 , bei der es sich um die Rotation (w_bremse) der elektrodynamischen Bremse (bzw. ihres Rotors) handelt , zugeführt . Diese Größe (w_bremse) 48 wird einem Vorzeichenblock 53 zugeführt , dessen Ausgangssignal 54 beispielsweise j e nach Rotationsrichtung der Bremse in Form der Größe (w_bremse) 48 einen positiven oder negativen Betrag aufweist (oder Null ist , wenn keine Rotation der Bremse vorliegt , d . h . bei nicht aktivierter Brennkraftmaschine) . Das Ausgangssignal 54 des Vorzeichenblocks 53 wird als zweite Größe dem Multiplizierer 55 zugeführt , ebenso wie der Strom ( I_soll ) 56.
Im Multiplizierer 55 wird der Strom ( I_soll ) 56 mit dem Vorzeichen, das aus dem Signal 54 hervorgeht , multipliziert und dadurch die Rotationsrichtung der elektrodynamischen
Bremse in die Kaskadenregelung 1 mit einbezogen, was bedeutet , dass zum Beispiel bei negativer Drehrichtung der elektrodynamischen Bremse eine Vorzeichenumkehr stattfindet . Aus dieser Multiplikation ergibt sich als Ausgangssignal des Multiplizierers 55 ein Strom 57 (mit positivem oder negativem Vorzeichen bzw . kein Strom bei nicht aktivierter Brennkraftmaschine) , der einem nachgeschalteten Summierer 61 mit einem Ausgangssignal 62 zugeführt wird .
Mit Hilfe des Multiplizierers 55 wird durch Beschränkung der Aktorik auf Bremsbetrieb eine Nichtlinearität der elektrodynamischen Bremse berücksichtigt . Die als Aktor eingesetzte elektrodynamische Bremse kann nur Bremsen und nicht Antreiben . Wenn der Verstellgeschwindigkeitsregler 30 (Fig . 1 ) einen Vorzeichenwechsel des Moments (M_Regler) 11 (Fig. 1) bzw. Sollstroms 15 (Fig . 1) ausgibt , erwartet er auch einen Vorzeichenwechsel der Momentenrichtung . Die elektrodynamische Bremse erzeugt j edoch immer ein Bremsmoment , unabhängig von der Stromrichtung
(MBremSe ( I ) =MBremse ( - I ) ) ■
Deshalb wird das Moment (M_Regler) 11 bzw . der Sollstrom 15 auf Werte größer oder gleich Null (≥O) begrenzt ( in diesem Fall bedeutet positiver Strom = Bremsbetrieb) , negative Werte werden auf Null gesetzt . Die Umkehrung ist j e nach Vorzeichenkonvention im Regler 1 genauso möglich (Begrenzung auf Werte kleiner oder gleich Null (≤O) , in diesem Fall bedeutet negativer Strom Bremsbetrieb) .
Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine können die Wechselmomente der Nockenwelle eine kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der Bremse bewirken (siehe
Fig . 4 ) . Bremsen bei umgekehrter Drehrichtung des Rotors erzeugt auch eine Umkehrung der Verstellrichtung . D . h . damit wäre der Regler 1 instabil , ein Soll -Verstellsignal in die eine Richtung würde einen Verstellvorgang in die entgegen gesetzte Richtung auslösen . Das Problem wird gelöst durch eine Multiplikation des Stroms (I_soll) 56 bzw. des Moments (M_Regler) 11 mit dem Vorzeichen 54 der Rotor-Drehzahl im Multiplizierer 55.
Der Strom 57 als Ausgangssignal des Multiplizierers 55 wird zum einen einer weiteren Vorsteuerung 60 mit einem Ausgangssignal (U_stat) 64 zugeführt , deren Zweck im weiteren erläutert wird, und zum anderen dem Summierer 61 , der zur Bildung einer Regelabweichung 62 für eine weitere , der eigentlichen Stromeinstelleinrichtung 63 dient , welche ein Ausgangssignal (U_dyn) 66 aufweist .
In der weiteren Vorsteuerung 60 wird der Strom 57 mit dem Ohmschen Widerstand der Spule der Bremse multipliziert . Das Ausgangssignal (U_stat) 64 wird mittels eines weiteren Summierers 65 , der ein Ausgangssignal (U_out) 67 aufweist , dem Ausgangssignal (U_dyn) 66 der weiteren und eigentlichen Stromeinstelleinrichtung 63 aufaddiert , um das Reglerverhalten zu optimieren.
Das Ausgangssignal (U_out) 67 des weiteren Summierers 65 wird einer Spannungsbegrenzung 68 mit einem Ausgangssignal 69 zugeführt , das Ausgangssignal 69 wiederum wird zum einen einer Stromabschätzungseinrichtung (Beobachter) 70 mit einem Ausgangssignal (i_absch) 71 und zum anderen einem Ausgang 72 als Ausgangssignal (Ua) 12 zugeführt (Ua entspricht U out) .
Das Ausgangssignal (i_absch) 71 der
Stromabschätzungseinrichtung 70 wird dem Summierer 61 zugeführt und dort vom Signal 57 subtrahiert , woraus sich dann das Eingangssignal 62 für die Stromeinstelleinrichtung 63 ergibt .
Die Stromeinstellung in der Stromeinstelleinrichtung 63 erfolgt durch eine modellbasierte Istwertschätzung mit der Stromabschätzungseinrichtung 70 als Beobachter . Damit entfällt ein Stromsensor zum Messen des Stromes durch die elektrodynamische Bremse und das Zurückschleifen des zugehörigen Messwertes zum Soll -Istwertvergleich . Der Beobachter 70 beobachtet den Verlauf des Signals (U_out=Ua) 69 , bildet das zeitliche Spannungs-Strom-Verhalten der elektrodynamischen Bremse nach und berücksichtigt idealerweise auch die Temperatureigenschaften, z . B . Änderung des elektrischen Widerstandes (Temperaturkompensation) .
Fig . 3 zeigt in einem Diagramm 21 eine x-Achse 22 , eine y- Achse 23 und drei Kurven 24 , 25 und 26. Kurve 24 ist eine stark nichtlineare Strom-Momentenkennlinie 24 M=f ( I) der elektrodynamischen Bremse mit dem Strom I als x-Achse 22 und dem Moment M als y-Achse 23. Kurve 25 zeigt die in der Stromeinstelleinrichtung 40 (Fig . 1 , 2 ) verwendete zugehörige invertierte Kennlinie I=f (M) mit dem Moment M als x-Achse 22 und dem Strom I als y-Achse 23. Kurve 26 ist die sich durch Reihenschaltung der Kennlinie 24 der Bremse und der im Regler verwendeten invertierten Kennlinie 25 ergebende Linearisierung .
Fig . 4 zeigt in einem Diagramm 31 eine Zeitachse 32 , eine Achse 33 für die Drehzahl und in einer Kurve 34 den zeitlichen Verlauf des Rotors der elektrodynamischen Bremse .
Anhand der Kurve 34 lässt sich die kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des Rotors der elektrodynamischen Bremse bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bewirkt durch die Wechselmomente der Nockenwelle , erkennen . Diese Drehrichtungsumkehr findet statt , wenn die Kurve 34 unterhalb der Nulllinie verläuft .