DE10005869A1

DE10005869A1 - Verfahren und Regelsystem zum Aufbringen definierter Betätigungskräfte

Info

Publication number: DE10005869A1
Application number: DE10005869A
Authority: DE
Inventors: Jochen Leideck; Christof Maron
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2020-02-11
Also published as: DE10005869B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Regelsystem zum Aufbringen definierter Betätigungskräfte bei einer mittels eines Aktuators elektrisch betätigbaren Bremse, bei denen ein statischer Zusammenhang (g(n ist )) zwischen dem Betätigungsweg der Bremse bzw. der Aktuatorposition (n ist ) und der Betätigungskraft (F ist ) besteht und bei denen mittels eines Betätigungskraftsensors sowie eines Lagesensors gemessene Werte (F mess , n mess bzw. n mess ) der Betätigungskraft sowie der Aktuatorposition bzw. der Aktuatordrehzahl ermittelt werden. DOLLAR A Um negative Einflüsse, die durch eine schlechte Auflösung des Lagesensorsignals und des Betätigungskraftsensorsignals, insbesondere bei niedrigen Kraftwerten, sowie durch Störungen des die Betätigungskraft repräsentierenden Signals, insbesondere im Bereich kleiner Kräfte, verursacht werden, zu eliminieren und dadurch die Regelgüte zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Annäherung des Istwertes (n ist ) der Aktuatordrehzahl zusätzlich der zeitliche Gradient (dF mess /dt) der gemessenen Betätigungskraft (F mess ) herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Regelsystem zum Aufbringen definierter Betätigungskräfte bei einer mit tels eines Aktuators elektrisch betätigbaren Bremse, bei dem ein statischer Zusammenhang zwischen dem Betätigungsweg der Bremse bzw. der Aktuatorposition und der Betätigungs kraft besteht und bei dem mittels eines Betätigungs kraftsensors sowie eines Lagesensors gemessene Werte der Betätigungskraft sowie der Aktuatorposition bzw. der Ak tuatordrehzahl ermittelt werden.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 96/033010 ist eine vorzugsweise mittels eines Elektromotors über ein Un tersetzungsgetriebe betätigbare Scheibenbremse bekannt. Das Besondere an der vorbekannten Bremse besteht darin, daß der Rotor des Elektromotors ringförmig ausgebildet ist und das Untersetzungsgetriebe radial umgreift. Durch diese Maßnah men wird eine erhebliche Verkürzung der axialen Baulänge der Betätigungseinheit erreicht. Der vorhin genannten Ver öffentlichung ist jedoch kein Hinweis zu entnehmen, wie im Betrieb der bekannten Bremse definierte Betätigungskräfte aufgebracht werden können.

Aus der Veröffentlichung AElectromechanical Brake System:
Actuator Control Development Systeme, SAE Technical Paper Series 970814, ist ein Regelsystem zum Aufbringen definier ter Betätigungskräfte bei einer elektrisch betätigbaren Bremse bekannt, das durch eine Kaskadenanordnung mehrerer Regler gebildet ist. Zur Ermittlung des Istwertes der vom Aktuator aufgebrachten Betätigungskraft ist ein Betäti gungskraftsensor vorgesehen, während der Ermittlung der Ak tuatorposition bzw. der Aktuatordrehzahl ein Lagesensor dient.

Das bekannte Regelsystem hat u. a. die folgenden Nachteile:

a) eine schlechte Auflösung des Lagesensorsignals, die eine noch schlechtere Auflösung des die Aktuatordreh zahl repräsentierenden Signals zur Folge hat, das durch die zeitliche Differenzierung des Lagesensorsi gnals ermittelt wird,
b) eine schlechte Auflösung des Betätigungskraftsensorsi gnals, insbesondere bei niedrigen Kraftwerten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Regelsystem vorzuschlagen, die es ermöglichen, die vorhin genannten Nachteile weitgehend zu eliminieren und da durch die Regelgüte zu verbessern.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß zur An näherung des Istwertes der Aktuatordrehzahl zusätzlich der zeitliche Gradient der gemessenen Betätigungskraft herangezo gen wird.

Zur Konkretisierung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß eine erste Ableitung der den statischen Zusammenhang dar stellenden Funktion g'(n) = dg(n)/dn ermittelt wird und ein Schätzwert n_Sch der Aktuatordrehzahl, der den zeitlichen Gra dienten der Aktuatorposition dn/dt annähert, nach der Formel:

n_Sch = dF _mess/dt/g'(n)

berechnet wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Istwert (n_ist) der Aktuatordrehzahl aus dem gemessenen Wert (n_mess) der Aktuatordrehzahl sowie dem Schätzwert (n_Sch) der Aktuatordrehzahl nach der folgenden For mel:

n_ist = 8(F_mess).n_Sch + (1-8(F_mess)).n_mess

angenähert, wobei

0 # 8(F_mess) # 1

ist.

Dabei entspricht 8(F_mess) der Genauigkeit des Betätigungs kraftsensors, wobei 8.1 einer hohen Genauigkeit und 8.0 einer niedrigen Genauigkeit zugeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Regelsystem zur Durchführung des vorhin erläuterten Verfahrens, das einen Betätigungskraftsensor zur Annäherung der Betätigungskraft sowie einen Lagesensor zur Annäherung der Aktuatorposition bzw. der Aktuatordrehzahl aufweist, besteht im wesentlichen aus einem ersten Regler, dem als Eingangsgröße die Regeldifferenz zwischen Signalen zugeführt wird, die einen Betätigungskraft-Sollwert und ei nen angenäherten Betätigungskraft-Istwert repräsentieren, einem dem ersten Regler nachgeschalteten zweiten Regler, dem als Eingangsgröße die Regeldifferenz zwischen Signalen zuge führt wird, die einen Aktuatordrehzahl-Sollwert und einen angenäherten Aktuatordrehzahl-Istwert repräsentieren sowie einem dem zweiten Regler nachgeschalteten dritten Regler, dem als Eingangsgröße die Regeldifferenz zwischen Signalen zugeführt wird, die einen Sollwert und einen angenäherten Istwert des dem Aktuator zuzuführenden Stromes repräsentie ren, und dessen Ausgangsgröße eine Stellgröße zur Einstel lung des Istwerts des dem Aktuator zuzuführenden Stromes darstellt. Das erfindungsgemäße Regelsystem zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, daß Mittel zur Bildung des zeitli chen Gradienten des angenäherten Betätigungskraft-Istwertes vorgesehen sind, denen eine Berechnungseinheit nachgeschal tet ist, deren Ausgangsgröße einen geschätzten Istwert der Aktuatordrehzahl darstellt, der zusätzlich zur Bildung der dem zweiten linearen Regler zugeführten Regeldifferenz ver wendet wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regel systems besteht darin, daß die Berechnungseinheit der Ge wichtung eines aus dem Gradienten der gemessenen Betäti gungskraft resultierenden Schätzwertes der Aktuatordrehzahl dient.

Die Gewichtung des Schätzwertes der Aktuatordrehzahl erfolgt dabei vorzugsweise dadurch, daß die Berechnungseinheit den Wert des Gradienten der gemessenen Betätigungskraft mit ei ner Funktion multipliziert, die die auf A1" normierte Ge nauigkeit des Betätigungskraftsensors beschreibt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Berechnungseinheit vorgesehen, die der Ge wichtung des zeitlichen Gradienten der gemessenen Aktuator position dient, um einen angenäherten Wert der Aktuator- Istdrehzahl zu erhalten.

Die Gewichtung des Meßwertes der Aktuatordrehzahl erfolgt schließlich dadurch, daß die zweite Berechnungseinheit den zeitlichen Gradienten der gemessenen Aktuatorposition mit einer Funktion der gemessenen Betätigungskraft multipli ziert, die durch die Berechnungsvorschrift 1-8 (F_mess) ge geben ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung hervor, deren einzige Figur eine Ausführung eines Regelkrei ses zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Das in der Zeichnung dargestellte Regelsystem besteht im we sentlichen aus einer Kaskadenanordnung dreier linearer Reg ler 1, 2 und 3, wobei mit der Ausgangsgröße u des dritten Reglers 3 ein lediglich schematisch angedeuteter Aktuator 4 einer nicht gezeigten elektromechanisch betätigbaren Bremse angesteuert wird. Der Aktuator 4 ist einerseits mit einem Betätigüngskraftsensor 5 und andererseits mit einem Winkel meßsystem bzw. Lagesensor 6 ausgestattet. Dem ersten Regler 1, der vorzugsweise als ein linearer PID-Regler ausgebildet ist und der einen Betätigungskraftregler darstellt, ist eine erste Summationsstelle 11 vorgeschaltet, in der aus einem einen Betätigungskraft-Sollwert repräsentierenden Signal F_soll und dem Ausgangssignal F_mess des vorhin erwähnten Be tätigungskraftsensors 5 eine erste Regelabweichung )F gebil det wird, die als Eingangsgröße dem ersten Regler 1 zuge führt wird. Dem zweiten Regler 2, der vorzugsweise eben falls als ein linearer PID-Regler ausgebildet ist und der einen Drehzahlregler darstellt, ist eine zweite Summations stelle 12 vorgeschaltet, in der aus dem Ausgangssignal nsoll des ersten Reglers 1, das einen Aktuatordrehzahl-Sollwert repräsentiert, und einem einen angenäherten Aktuatordreh zahl-Istwert repräsentierenden Signal n_ist eine zweite Re gelabweichung )n gebildet wird, die als Eingangsgröße dem zweiten Regler 2 zugeführt wird. Das den angenäherten Aktua tordrehzahl-Istwert repräsentierende Signal n_ist entsteht durch eine Addition eines Signals n_mess sowie eines Signals n_Sch, die in einer dritten Summationsstelle 14 durchgeführt wird. Das Signal n_Sch, das einen Schätzwert der Aktuator drehzahl darstellt, entsteht durch eine zeitlich differen zierende Verarbeitung des Ausgangssignals F_mess des vorhin erwähnten Betätigungskraftsensors 5 in einem ersten Diffe renzierglied 7 sowie durch eine Multiplikation des erhalte nen Betätigungskraftgradienten dF_mess/dt mit einer Konstan ten K sowie einer Funktion 8(F_mess) der Betätigungskraft, die der Genauigkeit des Betätigungskraftsensors 5 ent spricht. Die Multiplikation wird in einer ersten Berech nungseinheit 8 durchgeführt, wobei die Zuordnung der Werte der Funktion 8(F_mess) dabei vorzugsweise derart getroffen ist, daß 8.1 einer hohen Genauigkeit und 8.0 einer nied rigen Genauigkeit entspricht. Durch den Faktor K wird dabei dem proportionalen Zusammenhang zwischen dem Betätigungs kraftgradienten dF_mess/dt und der Aktuatordrehzahl n Rech nung getragen. Das Signal n_mess entsteht durch eine zeitlich differenzierende Verarbeitung des Ausgangssignals n_mess des vorhin erwähnten Lagesensors 6 in einem zweiten Differenzierglied 9, sowie durch eine Multiplikation des er haltenen Aktuatorpositiongradienten dn_mess/dt mit dem Faktor (1-8(F_mess)), wobei die Bedeutung der Funktion 8(F_mess) oben erläutert wurde. Die Multiplikation dnmess/dt.(1-8(F_mess)) erfolgt in einer zweiten Berech nungseinheit 10.

Die Ausgangsgröße I_soll des Drehzahlreglers 2, die einen Strom-Istwert repräsentiert, wird schließlich in einer vier ten Summationsstelle 13 mit einem Signal I_mess verglichen, das dem mittels eines Stromsensors 15 am Aktuator 4 gemesse nen Strom entspricht. Das Vergleichsergebnis, die Regelab weichung )I, wird als Eingangsgröße dem dritten Regler 3 zu geführt, dessen Ausgangsgröße u eine Stellgröße zur Einstel lung des Strom-Istwertes darstellt.

Das vorgeschlagene Verfahren sowie das Regelsystem nutzen die Tatsache aus, daß der Betätigungskraftgradient ein Maß für die Aktuatordrehzahl ist. Demnach kann bei bekannter Steifigkeit des Bremssattels über die Kraft direkt auf den Betätigungsweg geschlossen und über den Betätigungskraftgra dienten die Aktuatordrehzahl ermittelt werden. Der Anteil des Betätigungskraftgradienten zur Ermittlung der Aktuator drehzahl kann mittels der vorhin erwähnten Funktion beliebig variiert werden. Dieser Anteil kann durch die gemessene Kraft adaptiv verändert werden. Dabei wird berücksichtigt, daß bei kleinen Kräften, z. B. bei Überwindung eines Lüft spiels, die Aktuatordrehzahl meist hoch und die Genauigkeit des Lagesensors auch bei geringer Auflösung ausreichend ist. Andererseits wird mit zunehmender Betätigungskraft die Ak tuatordrehzahl in der Regel immer kleiner. Daher wird bei kleinen Kräften das differenzierte Lagesignal verstärkt als Drehzahlinformation eingesetzt, während mit zunehmender Kraft der Anteil des Betätigungskraftgradienten zur Gewin nung der Aktuatordrehzahlinformation erhöht wird.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen definierter Betätigungskräfte bei einer mittels eines Aktuators elektrisch betätigba ren Bremse, bei dem ein statischer Zusammenhang (g(n_ist)) zwischen ihrem Betätigungsweg bzw. der Aktua torposition (n_ist) und der Betätigungskraft (F_ist) be steht und bei dem mittels eines Betätigungskraftsensors sowie eines Lagesensors gemessene Werte (F_mess, n_mess bzw. n_mess) der Betätigungskraft sowie der Aktuatorpo sition bzw. der Aktuatordrehzahl ermittelt werden, da durch gekennzeichnet, daß zur Annäherung des Istwertes (n_ist) der Aktuatordrehzahl zusätzlich der zeitliche Gradient (dF_mess/dt) der gemessenen Betätigungskraft (F_mess) herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Ableitung der den statischen Zusammenhang darstellenden Funktion g'(n) = dg(n)/dn ermittelt wird und ein Schätzwert (n_sch) der Aktuatordrehzahl, der den zeitlichen Gradienten der Aktuatorposition (dn/dt) an nähert, nach der Formel:
n_Sch = dF_mess/dt/g'(n)
berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Istwert (n_ist) der Aktuatordrehzahl aus dem gemessenen Wert (n_mess) der Aktuatordrehzahl sowie dem Schätzwert (n_Sch) der Aktuatordrehzahl nach der folgenden Formel:
n_ist.8(F_mess).n_Sch + (1-8(F_mess)).n_mess
angenähert wird, wobei
0 # 8(Fmess) # 1
ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 8(F_mess) der Genauigkeit des Betätigungskraftsensors entspricht, wobei 8.1 einer hohen Genauigkeit und 8.0 einer niedrigen Genauigkeit zugeordnet ist.

5. Regelsystem zum Aufbringen definierter Betätigungskräf te bei einer mittels eines Aktuators elektrisch betä tigbaren Bremse mit einem Betätigungskraftsensor zur Annäherung der Betätigungskraft (F_ist) sowie einem La gesensor zur Annäherung der Aktuatorposition (n_ist) bzw. der Aktuatordrehzahl (n_ist), wobei ein statischer Zusammenhang (g(n_ist)) zwischen dem Betätigungsweg der Bremse bzw. der Aktuatorposition (n_ist) und der Betäti gungskraft (F_ist) besteht, mit einem ersten Regler, dem als Eingangssignal die Regeldifferenz zwischen einen Betätigungskraft-Sollwert (F_soll) und einen angenäher ten Betätigungskraft-Istwert (F_mess) repräsentierenden Signalen zugeführt wird, einem dem ersten Regler nach geschalteten zweiten Regler, dem als Eingangssignal die Regeldifferenz zwischen einen Aktuatordrehzahl-Sollwert (n_soll) und einen angenäherten Aktuatordrehzahl- Istwert (n_ist) repräsentierenden Signalen zugeführt wird, sowie einem dem zweiten Regler nachgeschalteten dritten Regler, dem als Eingangssignal dis Regeldiffe renz zwischen einen Sollwert (I_soll) des dem Aktuator zuzuführenden Stromes und einen angenäherten Istwert (I_mess) des dem Aktuator zuzuführenden Stromes reprä sentierenden Signalen zugeführt wird und dessen Aus gangsgröße eine Stellgröße (u) zur Einstellung des Ist werts (I_Ist) des dem Aktuator zuzuführenden Stromes darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) zur Bildung des zeitlichen Gradienten (dF_mess/dt) des an genäherten Betätigungskraft-Istwertes vorgesehen sind, denen eine Berechnungseinheit (8) nachgeschaltet ist, deren Ausgangsgröße einen geschätzten Istwert (n_Sch) der Aktuatordrehzahl darstellt, der zusätzlich zur Bil dung der dem zweiten linearen Regler (2) zugeführten Regeldifferenz ()n) verwendet wird.

6. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinheit (8) der Gewichtung eines aus dem Gradienten (dF_mess/dt) der gemessenen Betätigungskraft resultierenden Schätzwertes (n_Sch) der Aktuatordrehzahl dient.

7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinheit (8) den Wert des Gradienten (dF_mess/dt) der gemessenen Betätigungskraft mit einer Funktion (8(F_mess)) multipliziert, die die auf A1" normierte Genauigkeit des Betätigungskraftsensors (5) beschreibt.

8. Regelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Berechnungseinheit (10) vorgesehen ist, die der Gewichtung des zeitlichen Gradienten (dn_mess/dt) der gemessenen Aktuatorposition (n_mess) dient, um einen angenäherten Wert (n_mess) der Aktuator-Istdrehzahl (n_ist) zu erhalten.

9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Berechnungseinheit (10) den zeitlichen Gra dienten der gemessenen Aktuatorposition (n_mess) mit einer Funktion der gemessenen Betätigungskraft (F_mess) multipliziert, die durch die Berechnungsvorschrift 1-8(F_mess) gegeben ist.