DE102011016575A1

DE102011016575A1 - Verfahren zur Steuerung eines Aktorsystems in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011016575A1
Application number: DE102011016575A
Authority: DE
Inventors: Erhard Hodrus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines ein Aggregat eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs entlang eines Betätigungswegs beaufschlagenden Aktorsystems mit einem übergeordneten Steuergerät und einem mit diesem in Signalverbindung stehenden, einen Elektromotor steuernden und getrennt von dem Steuergerät angeordneten Aktor mit einer in diesem untergebrachten Reglereinheit, die auf Basis einer von dem Steuergerät ausgegebenen Weganforderung eine Eingangsgröße an den Elektromotor ausgibt, einen daraus resultierenden Ausgangsgröße des Elektromotors erfasst und aus Paaren der Eingangs- und Ausgangsgröße Systemparameter identifiziert werden, mit denen die Reglereinheit laufend korrigiert wird. Um ein Aktorsystem mit einem Aktor mit geringem Prozessoraufwand betreiben zu können, wird vorgeschlagen, Paare der Eingangs- und Ausgangsgröße in einem Datenpufferspeicher zwischenzuspeichern und nach Signalübertragung dieser auf eine externe Recheneinheit in einem Identifikationsalgorithmus die Systemparameter zu ermitteln und die Systemparameter anschließend auf die Reglereinheit zu übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Aggregats in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs entlang eines Betätigungswegs beaufschlagenden Aktorsystems mit einem übergeordneten Steuergerät und einem mit diesem in Signalverbindung stehenden, einen Elektromotor steuernden und getrennt von dem Steuergerät angeordneten Aktor mit einer in diesem untergebrachten Reglereinheit, die auf Basis einer von dem Steuergerät ausgegebenen Weganforderung eine Spannung als Eingangssignal an den Elektromotor ausgibt, einen daraus resultierende Motordrehzahl als Ausgangssignal des Elektromotors erfasst und aus Paaren des Eingangs- und Ausgangssignals Systemparameter identifiziert werden, mit denen die Reglereinheit laufend korrigiert wird.
Gattungsgemäße Verfahren dienen der Betätigung von Aggregaten, beispielsweise Reibungskupplungen in einem automatisierten Schaltgetriebe oder Doppelkupplungsgetriebe sowie Getriebebetätigungseinrichtungen zur Durchführung von Gangwechseln, beispielsweise mittels eines Wähl- und Schaltgetriebes einer Schaltkulisse. Hierbei sind ein Elektromotor und die diesen bestromende Endstufe eines Aktors mittels einer Signalverbindung mit dem übergeordneten Steuergerät verbunden, wobei zumindest ein Aktor und das übergeordnete Steuergerät das Aktorsystem bilden. Beispielsweise können in einem Antriebsstrang mit einem Doppelkupplungsgetriebe zwei Kupplungsaktoren für die Reibungskupplung und ein oder mehrere Getriebeaktoren mit einem übergeordneten Steuergerät in Signalverbindung stehen. Dieses Konzept wird als Aktorsystem mit Smart-Aktor bezeichnet, da die für die Motoransteuerung nötige Intelligenz direkt in der Aktorbaugruppe vorhanden ist. Es erfolgen hierbei Vorgaben über den angeforderten Aktorweg über eine CAN-Schnittstelle. Das Modul ist damit universell einsetzbar.
Beispielsweise kann ein derartiger Aktor über eine hydraulische Strecke eine direktbetätigte Reibungskupplung steuern, bei den Tellerfedern und Nachstellmechanismen fehlen. Dabei ist infolge der bei diesen Reibungskupplungen sehr steil verlaufenden Kupplungskennlinie des übertragenen Kupplungsmoments über den Aktorweg ein sehr genaues und schnelles Positionieren notwendig. Eine kleine Wegänderung entspricht hierbei einer sehr großen Momentenänderung.
Für den Prozessor (CPU) eines derartigen Aktors ergibt sich aus seiner Nähe zum Elektromotor und damit zu warmen Bauteilen die Forderung, selbst nicht zu viel Verlustwärme zu erzeugen. Dies wird damit erreicht, dass man mit kleinen Taktfrequenzen des Prozessors arbeitet, um dessen Erwärmung gering zu halten. Um das Aktorsystem dennoch gut regeln zu können, sind weiterhin eine möglichst kleine Abtastrate von zur Regelung erforderlichen Systemgrößen wie Ausgangsgröße des Elektromotors, beispielsweise dessen Drehzahl und dergleichen sowie entsprechend hohe Rechenleistungen zur Abarbeitung der Regelroutinen während eines Interrupts erforderlich. Erfahrungen haben gezeigt, dass bei Interrupt-Abtastzeiten von ca. 1,25 msec und vielfach kleineren Taktzeiten des Prozessors bei vertretbarer Rechenleistung eine einfache Regelung des Aktorsystems möglich ist. Allerdings hat sich gezeigt, dass komplexere Funktionen der Software wegen Laufzeitproblemen nicht möglich sind. Zu diesen gehört beispielsweise die Identifikation von Systemparametern des Aktorsystems, die der Parametrierung des Reglersystems der Aktoren dienen. Beispielsweise kann abhängig von den identifizierten Systemparametern ein geeigneter Reglerparametersatz ausgewählt und zur Regelung/Steuerung des Elektromotors an die Regelstrecke angepasst werden, wie beispielsweise in der EP 1 703 179 B1 gezeigt ist. Hierbei kann für den Zusammenhang der Drehzahl des Elektromotors und die als Eingangsgröße vorgegebene Betriebsspannung ein Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1) angenommen werden. Die Systemparameter sind hierbei Zeitkonstante und die Streckenverstärkung. Durch die geringe Interrupt-Abtastzeit von 1,25 ms ist eine Bestimmung beider Systemparameter auch bei Verwendung von elektrohydraulischen Betätigungssystemen von Reibungskupplungen bei niedrigen Temperaturen möglich.
Die Berechnung der Systemparameter erfolgt hierbei mittels einer rekursiven Schätzmethode (LS, least squares), welche eine Schätzung von Systemparametern ohne Veränderung der Sollwerte unter der Vorrausetzung einer Begrenzung einer gewählten Anregung auf eine Schätzung ermöglicht. Hierbei wird die Schätzung bevorzugter Weise auf lineare Systemmodelle beschränkt, so dass Daten während eines Verlaufs der Eingangs- und Ausgangsgröße der Reglereinheit nur innerhalb eines Bereichs um den Arbeitspunkt, für den ein lineares Systemmodell gefunden werden soll, ausgewertet werden müssen. Es werden so beispielsweise eine Sekunde Datenpaare, bestehend aus Wertepaaren der Eingangs- und Ausgangsgröße mit der Interrupt-Abtastfrequenz 1,25 ms bei der Identifikation der Systemparameter ausgewertet.
Die Software zum Betrieb des Aktorsystems ist dabei auf das übergeordnete Steuergerät und in jedem angeschlossenen Aktor verteilt implementiert. Beide Softwareteile kommunizieren hierbei über die Signalverbindung, beispielsweise CAN-Bus miteinander. Dabei sendet das Steuergerät an den Aktor beispielsweise einen Sollwert in Form einer Weganforderung zum Einstellen eines Aktorwegs, der Aktor stellt diesen ein und sendet den aktuell eingestellten Weg als Istwert an das Steuergerät zurück.
Hierbei benötigt die Identifizierung der Systemparameter in dem Aktor eine erhöhte Rechenleistung. Beispielsweise müssen in dem Identifizierungsalgorithmus mehrere 32-Bit-Zahlen miteinander multipliziert werden, um Ergebnisse und Zwischenergebnisse in ausreichender Genauigkeit für eine aussagekräftige Schätzung zu erhalten. Aus Gründen des Wärmehaushalts, des Bauraums und dergleichen ist die Rechenleistung des Prozessors in dem Aktor begrenzt, beispielsweise wird ein 16-Bit-Prozessor verwendet, bei dem Rechenvorgänge entsprechend zeitaufwändig und in Echtzeit nicht mit ausreichender Geschwindigkeit innerhalb eines Interrupts berechnet werden können. Beispielsweise sind vier Multiplikationen und vier Additionen nötig, um mit einem derartigen Prozessor eine 32-Bit-Zahl mit einer 32-Bit-Zahl zu multiplizieren. Je nach Architektur des Prozessors folgen daraus 20–40 Rechenzyklen in der CPU-Abtastzeit, die für die Berechnung auf einem 16-Bit-System benötigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Steuerung eines Aktorsystems mit einem von einem übergeordneten Steuergerät mechanisch abgekoppelten und in Signalverbindung stehenden Aktor in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, bei dem eine Abschätzung von Systemparametern zur Korrektur einer in dem Aktor aufgenommenen Reglereinheit trotz eines Prozessors mit geringer Rechenleistung möglich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines Aggregats in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs entlang eines Betätigungswegs beaufschlagenden Aktorsystems mit einem übergeordneten Steuergerät und einem mit diesem in Signalverbindung stehenden, einen Elektromotor steuernden und getrennt von dem Steuergerät angeordneten Aktor mit einer in diesem untergebrachten Regiereinheit, die auf Basis einer von dem Steuergerät ausgegebenen Weganforderung einen Eingangswert für die Spannung an den Elektromotor ausgibt, einen daraus resultierende Geschwindigkeit als Ausgangsgröße des Elektromotors erfasst und aus Paaren der Eingangs- und Ausgangsgröße Systemparameter identifiziert werden, mit denen die Reglereinheit laufend korrigiert wird, gelöst, wobei Paare der Eingangs- und Ausgangsgröße in einem Datenpufferspeicher zwischengespeichert und nach Signalübertragung dieser auf eine externe Recheneinheit in einem Identifikationsalgorithmus die Systemparameter ermittelt und die Systemparameter anschließend auf die Reglereinheit übertragen werden. Die externe Recheneinheit kann dabei ein anderes Steuergerät des Kraftfahrzeugs sein, ist jedoch bevorzugt das übergeordnete Steuergerät des Aktorsystems, das bevorzugter Weise eine 32-Bit-Architektur aufweist, so dass die Systemparameter im Identifikationsalgorithmus in einfacher Weise berechnet werden können. Im Sinne der Erfindung wird daher der an sich zu dem Aktor und dessen Reglereinheit gehörige Identifikationsalgorithmus aus dem mit einem Prozessor mit erwünschter geringer Rechenleistung in das übergeordnete Steuergerät verlagert, so dass in dem Aktor die Wärmeentwicklung durch den Prozessor vermindert werden kann.
Im Sinne der Erfindung werden die Werte der Eingangs- und Ausgangsgröße in Form der Spannung zur Bestromung des Elektromotors und die daraus resultierende Drehzahl mit der vorgegebenen Abtastrate von beispielsweise 1,25 ms erfasst und in dem Datenpufferspeicher der Vorortelektronik des Aktors, die den Prozessor und dessen Peripherie aufnimmt und quasi ein untergeordnetes Aktorsteuergerät bildet, bevorzugt als Datenpaare zwischengespeichert. Danach werden die gepufferten Datenpaare über den CAN-Bus zum übergeordneten Steuergerät gesendet, welches die aufwendigen Berechnungen im Identifikationsalgorithmus übernimmt. Die als Ergebnis der Identifikation berechneten Systemparameter werden danach wieder über die Signalverbindung, bevorzugt CAN-Bus, zurück an den Aktor gesendet, um dort entsprechende Reglerparametersätze, Kompensationsfaktoren und/oder dergleichen auf die Reglereinheit zur Anwendung zu bringen.
Die Pufferung der Datenpaare im Datenpufferspeicher ist in dem Aktor aufgrund in derartigen Architekturen ausreichend zur Verfügung stehendem Arbeitsspeicher ohne weitere Anpassungen möglich, so dass das vorgeschlagene Verfahren ohne weitere kostenaufwendige Designänderungen angewendet werden kann. Ein entsprechendes Datenmanagement zur Übertragung der Datenpaare in Abstimmung mit einer den Prozessoren zur Verfügung stehenden Laufzeit kann vorgesehen sein. Das übergeordnete Steuergerät ist bevorzugter Weise in einer 32-bit-Architektur ausgebildet, so dass dort die Berechnungen der 32-Bit-Multiplikationen ohne merkliche Belastung des Steuergerätes ablaufen können und die Systemparameter zeitnah bestimmt werden können. Eine aufwendige Aufspaltung in 16-bit Operationen kann dabei entfallen.
Die Berechnung der Systemparameter kann auf dem übergeordneten Steuergerät sequentiell erfolgen, beispielsweise jedes Mal, wenn über den CAN-Bus ein neues Datenpaar, welches aus dem Spannungswert und dem dazugehörigen Drehzahlwert besteht, gesendet wird. Hierbei wird bevorzugt für jedes Datenpaar beispielsweise eine rekursive Schätzmethode durchgeführt. Hierbei wird das übergeordnete Steuergerät schneller oder mit der gleichen Taktrate wie der CAN-Bus betrieben.
Um die Signalverbindung minimal zu belasten, kann beispielsweise neben einer parallelen Übertragung eines Datenpaars zuerst der Soll- und dann der Istwert oder umgekehrt übermittelt und dann die Identifikation der Systemparameter gestartet werden. Alternativ kann die nicht rekursive Schätzmethode auf ein komplettes Datenpaket von Datenpaaren, beispielsweise auf einen kompletten und beispielsweise paketweise übertragenen Inhalt des Datenpufferspeichers angewendet werden. Hierbei kann von Vorteil sein, wenn die Systemparameter gleitend oder über mehrere Sätze gemittelt in dem Identifikationsalgorithmus bestimmt werden. Um den gesamten Inhalt des Datenpufferspeichers auf das übergeordnete Steuergerät ohne Einschränkungen übertragen zu können, kann die Signalverbindung mit einer höheren Taktrate als die Taktrate des Steuergeräts betrieben werden. Wird die Taktrate der Signalübertragung höher oder gleich der Taktrate des Aktors ausgelegt, können die Datenpaare direkt auf das übergeordnete Steuergerät übertragen werden, wobei der Datenpufferspeicher in dem übergeordneten Steuergerät vorgesehen wird.
Es versteht sich, dass die aufgeführte Taktzeit von 1,25 ms nur als Ausführungsbeispiel zu betrachten ist. Es handelt sich dabei um die beispielhafte Angabe von Interrupt-Taktzeiten. Eine hohe Interrupt-Abtastzeit im Aktor basiert auf einer einfachen Architektur, beispielsweise einer 16-bit-Archiktektur.
Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt ein schematisches Schaltbild eines Aktorsystems mit einem übergeordneten Steuergerät und einem Aktor.
Die einzige Figur zeigt das Aktorsystem 1 mit dem übergeordneten Steuergerät 2 und dem räumlich getrennten und mittels der Signalverbindung 4 mit dem Steuergerät 2 in Datenaustausch stehenden Aktor 3. Das Steuergerät 2 erzeugt abhängig von der Fahrsituation eine Weganforderung für den Elektromotor 5, die als Eingangssignal in den Regler 7 der Reglereinheit 6 eingegeben wird. In dem Regler 7 und der nachgeschalteten Kompensationseinrichtung 9 wird eine Eingangsgröße 10 berechnet, beispielsweise in Form einer Spannung mit der der Elektromotor 5 bestromt wird. Die daraus resultierende Drehzahl des Sensors wird als Ausgangsgröße 11 mit der zugehörigen Eingangsgröße 10 in dem Datenpufferspeicher 12 zwischengespeichert und über die Signalverbindung 4, beispielsweise CAN-Bus auf das Steuergerät 2 übertragen und dort in dem Identifikationsalgorithmus 13 verarbeitet. Beispielsweise über eine rekursive Schätzmethode (LS, last square) werden die Systemparameter T, K abgeschätzt, wobei der Systemparameter T die dynamische Komponente einer Zeitkonstante des gegenüber der Eingangsgröße 10 verzögerten Ausgangsgroße 11 und der Systemparameter K die Systemverstärkung dargestellt, die den Abfall der Ausgangsgröße 11 gegenüber der Eingangsgröße 10 beschreibt. Dementsprechend wird der auf einem dynamischen Systemmodell berechnete Regler 7 mit beiden Systemparametern T, K parametrisiert, das heißt an das aktuelle Verhalten der Regelstrecke zwischen der Eingangsgröße 10 und der Ausgangsgröße 11 angepasst, während in der Kompensationseinrichtung 9 die Anpassung der Verstärkung der Eingangsgröße 10 für stationäre Verhältnisse erfolgt und damit auf die Einbeziehung des Systemparameters T verzichtet werden kann.
Durch die Verlagerung des einen hohen Rechenaufwand erfordernden Identifizierungsalgorithmus 13 in das mit hoher Rechnerkapazität ausgestattete als externe Recheneinheit 14 dienende Steuergerät 2 kann der Aktor 3 mit geringer Rechenleistung ausgestattet bleiben, wodurch der Wärmehaushalt des Aktors 3 trotz hoher Taktraten gering gehalten werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Aktorsystem
2: Steuergerät
3: Aktor
4: Signalverbindung
5: Elektromotor
6: Reglereinheit
7: Regler
8: Einfluss der identifizieren Systemparameter
9: Kompensationseinrichtung
10: Eingangsgröße
11: Ausgangsgröße
12: Datenpufferspeicher
13: Identiflkationsalgorithmus
14: externe Recheneinheit
K: Systemparameter
T: Systemparameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1703179 B1 [0004]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Aggregats in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs entlang eines Betätigungswegs beaufschlagenden Aktorsystems (1) mit einem übergeordneten Steuergerät (2) und einem mit diesem in Signalverbindung (4) stehenden, einen Elektromotor (5) steuernden und getrennt von dem Steuergerät (2) angeordneten Aktor (3) mit einer in diesem untergebrachten Reglereinheit (6), die auf Basis eines von dem Steuergerät (2) identifizierten Systemparametern (8) eine Eingangsgröße (10) an den Elektromotor (5) ausgibt, einen daraus resultierende Ausgangsgröße (11) des Elektromotors (5) erfasst und aus Paaren der Eingangs- und Ausgangsgröße Systemparameter (K, T) identifiziert werden, mit denen die Reglereinheit (6) laufend korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass Paare der Eingangs- und Ausgangsgroße in einem Datenpufferspeicher (12) zwischengespeichert und nach Signalübertragung dieser auf eine externe Recheneinheit (14) in einem Identifikationsalgorithmus (13) die Systemparameter (K, T) ermittelt und die Systemparameter (K, T) anschließend auf die Reglereinheit (6) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Recheneinheit (14) das übergeordnete Steuergerät (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Daten der Paare parallel oder sequentiell über die Signalverbindung (4) übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere im Datenpufferspeicher (12) gespeicherte Paare paketweise über die Signalverbindung (4) übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemparameter gleitend oder über mehrere Paare gemittelt in dem Identifikationsalgorithmus (13) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemparameter (K, T) zumindest eine Zeitkonstante und eine Streckenverstärkung der Regelstrecke sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (6) in einen Regler (7) und eine nachgeschaltete statische Kompensationseinrichtung (9) aufgeteilt ist und der Regler (7) mit der Zeitkonstante und der Streckenverstärkung korrigiert und die Kompensationseinrichtung (9) mit der Signalverstärkung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastrate der Ausgangsgröße (11) kleiner als eine Taktrate eines Prozessors des Aktors (3) und die Taktrate des Prozessors kleiner oder gleich einer Taktrate der Signalverbindung (4) und die Taktrate der Signalverbindung (4) kleiner oder gleich einer Taktrate der externen Recheneinheit (14) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverbindung (4) ein CAN-Bus des Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessor des Aktors (3) ein 16-Bit-Prozessor ist und ein Prozessor der externen Recheneinheit (14) ein 32-Bit-Prozessor ist.