DE3226283A1

DE3226283A1 - Leerlaufregler, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3226283A1
Application number: DE19823226283
Authority: DE
Inventors: Harald Ing.(grad.) 6246 Glashütten Collonia
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1982-07-14
Publication date: 1984-01-19
Also published as: EP0098909B1; EP0098909A2; US4471735A; DE3371824D1; EP0098909A3

Description

. 3

VDO Adolf Schindling AG 6000 Frankfurt/Hain

Grafstraße 103 Sch-do 1665

Leerlaufregler, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft einen Leerlaufregler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein deratiger bekannter Leerlaufregler vereist einen Umsetzer auf, der die Größe der Motordrehzahl in eine Spannung umsetzt. An den Ausgang des Umsetzers ist ein Regler mit PID-Zeitverhalten angeschlossen. Der PID-Regler umfaßt einen ersten Differenzverstärker mit einer Widerstandskondensatorkombination an einem Eingang und einer zweiten Widerstandskondensatorkombination zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Differenzverstärkers, wodurch ein differentiales Zeitverhalten erzeugt wird. Der erste Differenzverstärker ist über einen Widerstand mit einem zweiten Differenzverstärker gekoppelt, der über eine weitere Widerstandskondensatorkombination zu einem Eingang rückgekoppelt ist. Der zweite Eingang liegt an einem Spannungsteiler. Mit dem zweiten Differenz·: verstärker wird das PI-Verhalten erzeugt. Beide Differenzverstärker stellen somit einen Regler mit PID-Verhalten dar. Von dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers führt eine Leitung zu einem invertierenden Eingang eines dritten Differenzverstärkers, dessen nicht-invertierender

Eingang mit dem Ausgang des Umsetzers sowie mit einem Vorspannungsteiler in Verbindung steht. Der Ausgang des dritten Differenzverstärkers ist als Begrenzer zu dem nicht-invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers des PID-Reglers geführt.

Mit diesem Leerlaufregler sollen die gegensätzlichen Forderungen erfüllt sein, daß ein plötzlicher Drehzahlsturz, insbesondere bei Loslassen des Gaspedals oder bei Einschalten eines Zusatzaggregats schnell abgefangen wird, so daß die Drehzahl im Leerlauf möglichst nicht unter den vorgegebenen Sollwert absinkt. Hierzu ist eine rasche Reaktion des Organs notwendig, welches die Gemischzufuhr zu dem Verbrennungsmotor bestimmt. Andererseits soll die Regelung möglichst unempfindlich gegen kleinere Anregungen durch Störungen sein, um das die Gemischzufuhr steuernde Organ, insbesondere eine Drosselklappe nicht in unnötiger Weise zu bewegen und um nicht eine sogenannte sägende Regelung oder eine sich aufschaukelnde Schwingung, sogenannter Bonanza-Effekt, zu erzeugen.

Ersterer Fall kann beispielsweise bei einer sogenannten Lambda-Sondenregelung für eine vorschriftsmäßige Gemischzubereitung geschehen, letzteres durch unerwünschtes Betätigen des Gaspedals durch den Fahrer, wenn das Kraftfahrzeug ruckelt. Um diese widersprüchlichen Anforderungen trotz des ungünstigen dynamisehen Verhaltens des Verbrennungsmotors möglichst zu erfüllen, müssen die PID-Zeitanteile des Leerlaufreglers sorgfältig und individuell an die Charakteristik des zu regelnden Verbrennungsmotors angepaßt werden.

Infolge des verhältnismäßig hohen Bauteileaufwands und der kritischen Dimensionierung und Anpassung des Zeit-

.5-

Verhaltens des Leerlaufreglers ist dessen Herstellung verhältnismäßig aufwendig. Trotzdem wird durch den Einsatz dieses bekannten Leerlaufreglers nur ein Kompromiß zwis chen einem guten Abfangen der Drehzahl bei großen Drehzahlstürzen und einer ruhigen Drehzahlregelung bei kleinen Anregungen möglich sein.

Der Begrenzer, den der bekannte Leerlaufregler umfaßt, hat die Aufgabe, für jede mögliche Drehzahl die von dem zweiten Differenzverstärker abgegebene Stellgröße in einem Bereich zu führen, der zwischen den Übersteuerungsgrenzen des zv/eiten Differenzverstärkers liegt. Das dynamische Verhalten des Leerlaufreglers wird durch den Begrenzer nicht verändert.

Zu der vorliegenden Erfindung gehört die Aufgabe, einen Leerlaufregler der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß er bei einem möglichst geringen Bauteileaufwand und unkritischen Abgleich bzw. Anpassung an die Charakteristik des zu regelnden Verbrennungsmotors verhältnismäßig große Drehzahlstürze rasch abfängt bzw. ausregelt, andererseits aber bei kleineren Anregungen im Bereich der Leerlaufsolldrehzahl nicht unnötig durch kleinere Störungsgrößen angeregt wird.

Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Begrenzer in neuartiger Weise dazu eingesetzt, das Zeitverhalten der gesamten Leerlaufreglerstruktur in Abhängigkeit von der Eingangsgröße, der Leerlaufdrehzahl zu ändern: Bei kleineren Störgrößen und dementsprechend Drehzahlschwankungen ist nur der

. 6.

eigentliche Leerlaufregler mit dem Regelverstärker und dessen Zeitglieder zur Bildung der Stellgröße maßgeblich. Die Zeitglieder können deswegen so dimensioniert v/erden, daß der Regler gegen kleinere Anregungen durch Störungen unempfindlich ist. Bei größeren Veränderunge der Drehzahl, insbesondere sogenannten Drehzahlstürzen, wirkt sich dagegen ein Zeitverhalten aus, das durch mindestens ein weiteres Zeitglied in dem Zweig z\tfischen einem Eingang des Drehzahlistwerts und dem Ausgang des Begrenzers angeordnet ist. Dieses Zeitglied kann insbesondere zur Erzeugung eines differentialen Zeitanteils ausgebildet sein, so. daß die Gesamtstruktur des Leerlaufreglers eine Stellgröße erzeugt, die einem plötzlichen Abfall der Drehzahl rasch entgegenwirkt. Diese Aufschaltung eines zusätzlichen oder anderen Zeitverhaltens zu dem Zeitverhalten des eigentlichen Regelverstärkers mit seinen Zeitgliedern geschieht in der Weise, daß bei einer Übersteuerung des Regelverstärkers der Begrenzer wirksam wird, der einen verstärkten Begrenzungssollwert in den einen Eingang des Regelverstärkers einspeist und so mit dem Drehzahlistwert mitführt, daß der Regler an der Übersteuerungsgrenze bleibt. Dies erfolgt insbesondere so, daß bei abfallender Drehzahl der verstärkte Begrenzungssollwert angehoben wird, der damit auch die Stellgröße anhebt, die nicht unter den Wert der unteren Aussteuerungs grenze fallen kann. Die Stellgröße folgt daher in diesem Betriebszustand des Leerlaufreglers der Aussteuerungsgrenze, und zwar der unteren Aussteuerungsgrenze, die entsprechend dem Zeitverhalten des Begrenzerzweigs mit differentialem Zeitanteil DrehzahlistwertSchwankungen feinfühlig ausregelt.-

Ein wesentlicher Vorteil des Leerlaufreglers besteht darin, daß das zur Ausregelung kleinerer Drehzahl-

-Jr-

Schwankungen erwünschte relativ träge Zeitverhalten unkritisch an dem Zeitglied eingestellt werden kann, welches direkt mit dem Regelverstärker in Verbindung steht, der damit insbesondere integrales Zeitverhalten zeigt. Für das Abfangen größerer Drehzahlstürze wird dagegen das Zeitverhalten durch das Zeitglied in dem Begrenzerzweig mit different!alem Zeitanteil ebenfalls unkritisch eingestellt. Dadurch können Fertigung, Abgleich und Lagerhaltung rationalisiert werden. Darüber hinaus ist der gesamte Bauteileaufwand zur Erzeugung eines Leerlaufreglers herabgesetzt, da insbesondere ein Differenzverstärker mit den zugehörigen Koppelgliedern entfallen kann.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Regelverstärker ausschließlich mit integralem Zeitanteil ausgebildet.

Dadurch wird bei kleineren Störungsgrößen im Unterschied zu dem bisher notwendigen PID-Regler als Leerlaufregler eine ruhige gleichmäßige Regelung erzielt.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Leerlaufreglers ist in Anspruch 3 angegeben, die sich durch einen geringen Herstellungsaufwand auszeichnet. Durch die in Anspruch 5 angegebene Kopplung des Begrenzerverstärkers mit dem invertierenden Eingang des Reglerverstärkers in Verbindung mit der Diode wird erreicht, daß nur die untere Aussteuergrenze dynamisch verschoben wird, so daß diese bei plötzlichen Drehzahlabsenkungen auf die Stellgröße auswirkt.

- fir-

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Leerlaufreglers, Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Leerlaufreglers und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm, welches die Abhängigkeit der unteren Aussteuerungsgrenze und der Stellgröße von der Drehzahl darstellt.

In Figur 1 ist ein Eingang mit 1 bezeichnet, in den eine Größe entsprechend dem Drehzahlistwert x. eingespeist wird. Der Eingang steht über einen Vergleicher 2, in dem der Drehzahlistwert mit einer Führungsgröße w„ verglichen wird, mit einem Regelverstärker 3 in Verbindung.

Der Regelverstärker weist ausschließlich integrales Zeitverhalten als I-Regler auf. Er gibt eine Stellgröße y. an einen Ausgang 4 ab, an den beispielsweise ein Antrieb einer Drosselklappe angeschlossen werden kann.

Von dem Eingang 1 ist ferner ein Zweig 5 mit einem Begrenzer 6 abgezweigt. Der Begrenzer besteht im wesentlichen aus einem Begrenzerverstärker 7 und Vergleichsstellen 8, 9, die einem Eingang des Verstärkers 7 vorgeschaltet sind. In der Vergleichsstelle 8 wird die Differenz zwischen dem Drehzahlistwert bzw. einer hieraus abgeleiteten Größe und einer Führungsgröße y_w gebildet und damit ein Begrenzungssollwert erzeugt. Der Begrenzungssollwert wird mit der Stellgröße y^ in der zweiten Vergleichsstelle 9 verglichen.

Der Ausgang des Verstärkers 7 steht über ein nichtlineares Glied 10 mit einem Eingang 11 des Regelver-

stärkers 3 in Verbindung, der die untere Übersteuerungsbegrenzung bestimmt.

In den Zweig 5 mit dem Begrenzer 6 ist weiterhin ein Zeitglied 12 eingefügt, welches in Figur 1 in Signalflußrichtung des Drehzahlistwerts vor den Vergleichsstellen 8 und 9 liegt, aber auch in äquivalenten Ausführungsformen hinter diesen Vergleichsstellen angeordnet und mit dem Verstärker 7 unmittelbar gekoppelt sein kann.

Die Funktion des Leerlaufreglers nach Figur 1 wird im folgenden unter Bezugnahme auf Figur 3 erläutert.

In Figur 3 ist über einer Zeitachse als Abszisse die Stellgröße y aufgetragen zwischen der oberen konstanten Aussteuerungsgrenze Y₁ und der unteren Aussteuerungsgrenze Y₂. Darüber ist die Istdrehzahl x. dargestellt.

In dem Zeitintervall t_Q bis t₁ liegt ein verhältnismäßig hoher Drehzahlistwert vor, der - im eingeschwungene Zustand - eine entsprechend kleine Stellgröße y hervorruft. Der Begrenzer 6 wirkt dabei in folgender Weise: Das Drehzahlistsignal, welches das Zeitglied 12 durchläuft, wird in der Vergleichsstelle 8 von einer Führungsgröße w (y) abgezogen. Aus der hieraus gebildeten Differenz als Begrenzungssollwert y_w wird in der Vergleichsstelle 9 ein Sollwertsignal y_i subtrahiert. Diese Differenz gelangt in den Eingang eines Verstärkers 7 und über ein nicht-lineares Glied 10 als verstärkter Begrenzungssollwert in den Eingang 11 des Regelverstärkers 3. In dem Regelverstärker hat der verstärkte Begrenzungssollwert hier zunächst keine unmittelbaren Auswirkungen,

da die von ihm erzeugte Stellgröße zwischen der oberen Aussteuerungsgrenze Y^ und der unteren Aussteuerungsgrenze Yp liegt.

Das voranstehende Verhalten des Begrenzers ändert sich sobald zu dem Zeitpunkt t^ ein plötzlicher Drehzahlsturz des Drehzahlistwerts eintritt, beispielsweise weil sich das Gaspedal zurückstellt. In diesem Fall wird der rasch abfallenden Drehzahl nicht nur durch den Regelverstärker 3 entgegengewirkt, da dieser infolge seines langsam eingestellten Integrationsvorgangs kurzfristig keine nennenswerte Änderung der Stellgröße hervorrufen kann. Trotzdem steigt die Stellgröße zum Zeitpunkt t^, wie aus Figur 3 ersichtlich, fast sprungartig an, und zwar infolge der Wirkung des Begrenzers: In dem Zeitglied 12 wird die Drehzahländerung differenziert, so daß nach der voranstehend geschilderten Subtraktion des Sollwerts und der Stellgröße der Verstärker 7 des Begrenzers mit einem entsprechend großen Impuls beaufschlagt wird. Dieser verstärkte Impuls gelangt über das nicht-lineare Glied 10, welches im Sinne einer Beeinflussung der unteren Aussteuerungsgrenze geschaltet ist, zu dem Eingang 11 des Regelverstärkers 3. Der verstärkte Begrenzungssollwert an dem Eingang 11 ruft in dem Regelverstärker 3 ein plötzliches Ansteigen der unteren Aussteuerungsgrenze entsprechend dem differenzierten zeitlichen Verlauf der Istdrehzahl hervor. Da die Stellgröße nicht kleiner als die untere Aussteuerungsgrenze sein kann, wird sie auf einen Wert angehoben, der sich in Figur 3 an den Verlauf der unteren Aussteuerungsgrenze

₃., anschmiegt. Dies bedeutet, daß die Stellgröße entsprechend den Zeitverhalten des Zeitglieds 12 sprunghaft ansteigt, um den Drehzahlsturz X₁ auszugleichen. Wenn

.41·

die abfallende Drehzahländerung verschwindet, geht auch die untere Aussteuerungsgrenze zurück, analog zu dem Zeitverhalten des Zeitglieds 12. Der Verlauf der Stellgröße trennt sich bei den entsprechenden kleineren Ausgangsgrößen des Verstärkers 7 wieder von dem Verlauf der unteren Aussteuerungsgrenze. Die Stellgröße wird entsprechend dem langsam integrierenden Zeitverhalten des Regelverstärkers 3 aus der Regelabweichung gebildet, wobei sich beide kurzfristige Schwankungen der Istdrehzahl bzw. der Regelabweichung nicht auf die Stellgröße auswirken, denn der integrierende Regelverstärker hat eine glättende Punktion. Infolge des Zeitglieds mit differenzierendem Zeitverhalten 12 wirken sich auch die kleinen kurzfristigen Schwankungen des Drehzahlistwerts stark auf die Ausgangsgröße des Verstärkers 7 aus, welche den verstärkten Begrenzungssollwert liefert. Die damit einhergehenden Schwankungen des verstärkten Begrenzungssollwertes haben aber keinen Einfluß auf die Stellgröße, da während annähernd gleichbleibendem Drehzahlistwert die Stellgröße wiederum im Abstand von der unteren Aussteuerungsgrenze verläuft und somit von dieser nicht beeinflußt ist.

In einer wenig aufwendigen Realisierung des Leerlaufreglers gemäß Figur 2 ist ein erster Differenzverstärker 13 als Regelverstärker und ein zweiter Differenzverstärker 14 als Begrenzerverstärker vorgesehen. Diese Differenzverstärker dienen gleichzeitig außer zur Verstärkung zur Vergleichsbildung und zur Bildung des Zeitverhaltens.

Hierzu ist ein invertierender Eingang 15 des ersten Differenzverstärkers 13 über einen Widerstand 16 mit

dem Ausgang eines Umsetzers 17 verbunden, der die Istdrehzahl in eine entsprechende Spannung umsetzt. Der nicht-invertierende Eingang 18 des ersten Differenzverstärkers steht mit einem Spannungsteiler 19 in Verbindung, an dem ein Sollwert der Leerlaufdrehzahl eingestellt v/erden kann. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist über einen Ivondensator 20 zu dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers gegengekoppelt. Der Kondensator 20 bildet in Verbindung mit dem Widerstand 16 das integrierende Zeitverhalten des ersten Differenz-Verstärkers.

Der zweite Differenzverstärker 1.4, der Begrenzerverstärker, steht mit seinem invertierenden Eingang 21 mit einem Spannungsteiler 22 sowie mit dem Ausgang des Umsetzers 17 in Verbindung. Der Spannungsteiler dient zur Vorgabe des Sollwerts für die Begrenzung. Der nichtinvertierende Eingang 23 des zweiten Differenzverstärkers ist ebenfalls an den Ausgang des Umsetzers 17 angeschlossen, und zwar über einen Kondensator 24, der in Verbindung mit einem Widerstand 25 ein differenzierendes Zeitverhalten erzeugt. Der Widerstand 25 verbindet den Ausgang des Verstärkers 13 mit dem nicht-invertierenden Eingang 23 des Verstärkers 14.

Die Ausführungsform des Leerlaufreglers nach Figur 2 wirkt wie die voranstehend beschriebene Struktur nach Figur 1. Dabei erfolgt die Differenzbildung der Regelabweichung und die Bildung des integralen Zeitanteils an dem ersten Differenzverstärker 13, und die Bildung des differentialen Zeitanteils sowie die Differenzbildungen zur Erzeugung des verstärkten Begrenzungssollwertes erfolgen durch den zweiten Differenzverstärker

Λ-

Eine Diode 26 verbindet den Ausgang des zweiten Differenzverstärker 14 derart mit dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärker 13, daß die untere Ακσ-steuerungsgrenze angehoben wird, wenn die Drehzahl und damit die Spannung am Ausgang des Umsetzers 17 abfällt.

Bei starken Drehzahlstürzen ist auch hier wieder die Stellgröße an dem Ausgang 4 des ersten Regelverstärkers gezwungen, der unteren Aussteuerungsgrenze zu folgen, v/ährend bei nur kleinen und/oder langsamen Drehzahlschwankungen die Stellgrößenbildung gleichmäßig unabhängig von der unteren Aussteuerungsgrenze erfolgt, welch3 die Drehzahlschwankungen differenziert und verstärkt wiedergibt.

Claims

UDO Adolf Schindling AG Gräfstraße 1D3

6D00 Frankfurt/Main

Sch-do 1665

Patentansprüche:

Leerlaufregler, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Regelverstärker mit integralem Zeitanteil sowie mit einem Begrenzer mit proportionalem Zeitanteil, dessen Eingänge mit der Stellgröße von dem Ausgang des Regelverstärkers sowie mit einer mit dem Drehzahlistwert gebildeten Begrenzerführungsgröße beaufschlagt werden und dessen Ausgang zu einem Eingang des Regelverstärkers zurückgeführt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zweig (5) zwischen einem Eingang (1) des Drehzahlistwerts und dem Ausgang des Begrenzers (6) mindestens ein Zeitglied (12) mit differentialem Zeitanteil vorgesehen ist und daß der Begrenzer (6) derart bemessen und mit dem Ausgang des Regelverstärkers (3) gekoppelt ist, daß bei einem Drehzahlsturz über einen vorgegebenen Wert hinaus die Stellgröße (y) entlang der Ausgangsgröße des Begrenzers (6) (Aussteuerungsgrenze Y₂) geführt wird.
2. Leerlaufregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (3) ausschließlich mit integralem Zeitanteil ausgebildet ist.
3. Leerlaufregler mit einem ersten Differenzverstärker als Regelverstärker und einem zweiten Differenzverstärker als Begrenzerverstärker nach Anspruch 1 oder 2,' dadurch gekennzeichnet, j daß ein nicht-invertierender Eingang (23) des Begrenzerverstärkers (Differenzverstärker 14) über einen Kondensator (24) mit dem Drehzahlistwert be-

aufschlagt wird und ein invertierender Eingang (21) mit einem Vorspannungsteiler (22) verbunden ist, daß der Ausgang des Regelverstärkers (Differenzverstärker 13) über einen Widerstand (25) mit dem nicht-invertierenden Eingang (23) des Begrenzerverstärkers (Differenzverstärker 14) in Verbindung steht und daß der Ausgang des Begrenzerverstärkers (Differenzverstärker 14) über eine Diode (26) an einen invertierenden Eingang (15) des Regelverstärkers (Differenzverstärker 13) angeschlossen ist.