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DE102006040127A1 - Verfahren zur Kalibrierung einer Hydraulikpumpe - Google Patents

Verfahren zur Kalibrierung einer Hydraulikpumpe Download PDF

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Abstract

Verfahren, bei dem ein oder mehrere Korrekturwerte ermittelt werden, mit denen ein elektrisches Soll-Ansteuersignal für einen geregelten Pumpenmotor, welcher insbesondere Bestandteil eines geregelten Kraftfahrzeugbremssystems ist, für eine Erhöhung der Dosiergenauigkeit korrigiert wird, wobei zumindest einmal ein zeitlich begrenzter Pumpentestzyklus durchgeführt wird, bei dem ein elektrischer Parameter des Pumpenmotors fest vorgegeben wird und der oder die Korrekturwerte ermittelt werden, indem die Reaktion des Pumpenmotors an Hand zumindest eines vom Pumpenmotor in der Regelschleife beeinflussten elektrischen Signals ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeugregelungssystem, welches das obige Verfahren nutzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Hydraulikpumpe gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einelektronisches Kraftfahrzeugbremsenregelungssystem gemäß Anspruch 8, in dem dieses Verfahren eingesetzt wird.
  • Heute übliche elektronisch geregelte Kraftfahrzeugbremssysteme umfassen meißt zumindest eine Hydraulikpumpe zur Rückförderung von Bremsflüssigkeit in einen Bremsflüssigkeitsbehälter oder zum Zwecke des aktiven Druckaufbaus, wenn das Bremssystem Funktionen wie Fahrdynamikregelung (ESP) oder automatische Abstandsregelung (ACC) etc. umfasst. Für den Antrieb der Pumpe wird in der Regel ein Gleichstromelektromotor mit Bürsten eingesetzt, welcher getaktet, z.B. durch eine PWM-Regelung angesteuert wird. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Bremssystems ist aus dem Blockschaltbild in 1 ersichtlich.
  • Aus der EP 0 662 051 B1 (P 7386) ist ein entsprechendes Bremssystem bekannt, in dem ein Verfahren eigesetzt wird, bei dem die Fördereistung der Hydraulikpumpe elektronisch geregelt wird. Die Ansteuerung der Pumpe erfolgt durch einen PWM-Regler. Zur Abschätzung der Förderleistung wird die Generatorspannung der Pumpe während der Pulspausenzeiten ge messen.
  • Die ältere Deutsche Patentanmeldung DE 10 2005 041 556 (P 11192) beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Vordrucks in dem zuvor erwähnten Kraftfahrzeugbremssystem. Gemäß diesem Verfahren wird ebenfalls die Nachlaufspannnung des Motors nach einem Ansteuerpuls der getakteten Ansteuerung in den Pulspausen betrachtet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Förderleistung der Pumpe mit erhöhter Genauigkeit ohne die Verwendung zusätzlicher Drehzahl- oder Drucksensoren durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es fertigungsbedingt in einer Produktionsserie der oben erwähnten Motor-/Pumpen-Anordnungen bei gleicher elektrischer Motoransteuerung zu unterschiedlichen Förderleistungen kommt. Es hat sich gezeigt, dass dieses Verhalten im wesentlichen durch Kenndatenstreuungen des Pumpenmotors verursacht werden. Es lässt sich beobachten, dass die Drehzahl bei gleicher elektrischer Ansteuerung individuell schwankt. Zwar können Unterschiede in der Förderleitung im Prinzip auch durch mechanisch-bauliche Pumpenunterschiede hervorgerufen werden, jedoch spielt diese Ursache in der Praxis keine große Rolle.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein Korrekturwert berechnet, um die Sollspannung VDES des getakteten Regelkreises für den Elektromotor individuell etwas nach oben oder unten korrigieren zu können.
  • Dazu wird zumindest einmal ein zeitlich begrenzter Pumpentestzyklus durchgeführt. Dieser Zyklus kann im Feld (im Fahrzeug, beim Fahrzeughersteller) und/oder nach der Produktion durchgeführt werden. Bevorzugt wird der Testzyklus in regelmäßigen Abständen automatisch durch die Elektronik des Bremssystems zur Bildung eines/von aktuellen Korrekturwertes/-n aufgerufen. Dies bietet den Vorteil, dass kein Personal oder keine zusätzlichen Geräte für den Kalibriervorgang benötigt wird/werden.
  • Während des Testzyklusses wird ein elektrischer Parameter des Pumpenmotors fest vorgegeben. Danach wird bevorzugt gewartet, bis sich der Pumpenregelkreis eingeschwungen hat. Dann wird/werden der/die Kalibrierwert/-e ermittelt, indem die Reaktion des Pumpenmotors an Hand des vom Pumpenmotor über die Regelung beeinflussten elektrischen Ansteuersignals ausgewertet wird.
  • Der Testzyklus beinhaltet daher bevorzugt zumindest eine Einschwingphase und eine Messphase. In der Einschwingphase wird der Pumpenmotor zweckmäßigerweise eine bestimmte Zeit von z.B. 2 s im Regelkreis betrieben. Dazu wird zum Beispiel die ganze Zeit, insbesondere in beiden Phasen, immer eine geeignet vorgegebene Sollspannung VDES konstant beibehalten.
  • In der Messphase, wenn der Regelkreis eingeschwungen ist und die Motordrehzahl über der Zeit konstant bleibt, werden dann vorzugsweise eine vorgegebene Anzahl von Werten der Reglerausgangsröße gesammelt. Diese Werte sind insbesondere das Verhältnis von Pulsdauer zur Periode des PWM-Signals. Diese Werte werden bevorzugt in festen Zeitabständen von 10 ms gemessen. Danach wird bevorzugt eine Mittelung dieser Werte durchgeführt, z.B. durch Bildung des arithmetischen Mittels pDC. Dieser Wert gibt die durchschnittliche Pulsdauer des PWM-Signals an, welcher sich von Motor zu Motor unterscheidet.
  • Aus diesem elektrischen Parameter wird/werden dann der/die Korrekturwert/-e bestimmt.
  • Dies erfolgt bevorzugt durch einen geeigneten, fest vorgegebenen Werte-Zusammenhang, beispielsweise über eine Korrekturwerttabelle, in der der elektrische Parameter geeigneten Korrekturwerten zugeordnet wird oder über eine Zuordnungsformel mit. Die Zuordnungsformel weist bevorzugt mehre als eine, zum Beispiel genau zwei durch Vorversuche festgelegte Konstanten auf. Im Falle einer Zuordnungsformel kann diese beispielsweise durch die Zuordnungsvorschrift yA = a·pDC + b, realisiert sein,
    wobei die Konstanten a und b geeignet zu wählende Konstanten sind.
  • Wie bereits erwähnt, werden die Parameter a und b zweckmäßigerweise über Messreihen durch Labor-Experimente mit mehren Motoren ermittelt.
  • Der Korrekturwert yA wird bevorzugt dazu verwendet, die Sollspannung VDES für den geschlossenen Regelkreis zu berechnen, um eine vorgegebene Drehzahl nDES des Motors einzustellen.
  • Dies erfolgt insbesondere durch Anwendung der Formel:
    Figure 00050001
  • Durch die Anpassung der Sollspannung mit Hilfe des im unbelasteten und stationären Betrieb gemessenen Wertes der Reglerausgangsgröße, kann die Druckstellgenauigkeit der Bremsanlage gegenüber dem Fall gesteigert werden, in welchem nur ein nominaler Parameter zur Berechnung der Sollspannung aus einer Drehzahlforderung verwendet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass keine Sensoren verwendet werden müssen, so dass sich bei einer Großserienfertigung die Pumpenansteuerung besonders kostengünstig kalibrieren lässt.
  • Bevorzugt wird in der Testphase der Pumpenmotor bzw. die Pumpe so betrieben, dass im wesentlichen keine Förderlast an der Pumpe anliegt. Die wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ventile des Bremssystems in Stellungen gebracht werden, bei denen der Ausgang der Pumpe mit einem offenen Volumen, z.B. dem Hauptzylinder oder dem Radbremszylinder hydraulisch verbunden ist. Dies ist ganz besonders bevorzugt dann der Fall, wenn die Spulen der Ventile des Bremssystems nicht bestromt werden. In diesem Zustand ist dann beispielsweise das bei üblichen Bremssystemen vorhandene elektronische Umschaltventil geschlossen, so dass die Pumpe keine Bremsflüssigkeit fördern kann.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung von Hydraulikpumpen in geregelten Kraftfahrzeugbremssystemen eingesetzt. Durch die Pumpenkalibrierung kann zum Beispiel selbsttätigen Bremseneingriffen, bei denen kein Druck durch den Fahrer manuell eingesteuert wird, der Bremsdruck in den Radbremsen besonders feinfühlig geregelt werden. Dies ist unter anderem bei Abstandsregelungssystemen, wie ACC von besonderem Vorteil.
  • Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßigerweise die Versorgungsspannung durch eine Zusatzschaltung konstant gehalten. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit des Verfahrens verbessern. Alternativ ist es ebenfalls zweckmäßig, den Einfluss der Spannungsschwankungen auf den gemessen Duty Cycle in geeigneter Weise zu kompensieren.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
  • Es zeigen
  • 1 ein Blockschaltbild eines elektronisch geregelten Bremssystems, in dem das beispielgemäße Verfahren ausgeführt wird,
  • 2 ein Diagramm, welches Drehzahlunterschiede von Pumpenmotoren in einer Serie darstellt und
  • 3 das Regelungsprinzip für den Pumpenmotor.
  • Das in 1 dargestellte Bremssystem 1 besteht aus einem hydraulischen Ventilblock 2 (HCU) und einem fest damit verbundenen elektronischen Reglergehäuse 3 (ECU). Das Bremssys tem umfasst zwei Bremskreise I. und II. Nachfolgend wird lediglich Kreis I. näher erläutert. Mit Tandemhauptzylinder 4 kann nach Maßgabe der Bremspedalbetätigung Bremsflüssigkeit über Hydraulikleitung 5 in Block 2 eingeleitet werden. Über Einlassventil 6 und Auslassventil 7 kann der Druck in den Radbremszylindern 8 eingestellt werden. Das dargestellte Bremssystem ist mit je einem Zusatz-Drucksensor 9 pro Radbremskreis ausgestattet. In einer Variante des Bremssystems sind keine Drucksensoren 9 vorhanden. Hydraulikpumpe 10 ist Ausgangsseitig mit Einlassventil 6 verbunden. Pumpe 10 wird von einem Gleichstromelektromotor betrieben, der elektrisch mit Steuergerät 3 verbunden ist. Druckleitung 5 führt über eine Hydraulikleitung zur Vordruckseite von elektrischem Umschaltventil 11 und Trennventil 14. Der zweite Ausgang von Umschaltventil 11 ist mit dem Einlass von Pumpe 10 und Auslassventil 7 verbunden. Die zweite Seite von Trennventil 14 ist mit dem Pumpenauslass sowie Einlassventil 6 verbunden.
  • Durch Einschalten des Elektromotors fördert Hydraulikpumpe 10 Hydraulikflüssigkeit vor Einlassventil 6, so dass dort der Druck ansteigt. Dazu wird Umschaltventil 11 geöffnet, so dass Bremsflüssigkeit aus Speicherbehälter 12 zur Ansaugseite 13 der Pumpe 10 fließen kann. Trennventil 14 ist dabei geschlossen. Der Elektromotor der Pumpe wird durch Steuergerät 3 mit einem rechteckförmigen Spannungssignal mit variabler Pulsweite (PWM-Signal) elektrisch angesteuert.
  • Innerhalb von elektronischem Steuergerät 3 befindet sich ein Mikroprozessorsystem, in dem verschiedenste Steuer-, Regel und Prüfprogramme ausgeführt werden. Steuergerät 3 kann neben internen Druckanforderungen auch Druckanforderungen von externen Steuergeräten, wie z.B. einem automatischen Ab standsregler 15 (ACC), verarbeiten. Nach Maßgabe der vorhandenen Druckanforderung werden Ventile 6, 7 und Pumpe 10 so angesteuert, dass der angeforderte Druck möglichst genau an der Bremsscheibe anliegt.
  • Um während einer entsprechenden, nicht durch Hauptzylinder 4 initiierten, Druckanforderung den Sollradbremsdruck den Bremsdruck hinreichend genau zu dosieren, ist unter anderem eine genaue Einstellung der Pumpenförderleistung notwendig. Herstellungsbedingt gleicht leider nicht jeder Pumpenmotor genau dem anderen, so dass zumindest eine individuelle Motorkalibrierung erforderlich ist, um über die elektrische Ansteuerung des Motors dessen Drehzahl mit der erforderlichen Genauigkeit über den Sollwert der Motorregelung einzustellen.
  • Im Diagramm in 2 ist die Pumpendrehzahl n von verschiedenen Pumpen gegenüber der Zeit t dargestellt. Der Pumpenmotor wird in einem geschlossenen Regelkreis, wie in 3 dargstellt, betrieben. Als Sollgröße für den Regler ist eine konstante Spannung vorgegeben. Der Motor wird mit einem pulsweitenmodulierten Signal mit fester Periode vom Motorregler angesteuert. Ein PWM-Signal ist ein periodisches Rechtecksignal mit konstanter Periode innerhalb derer die Dauer eines Rechteckpulses variiert wird. Damit lässt sich das Signal in zwei Phasen einteilen: In der Zeit tAN wird eine Spannung an die Klemmen des Motors angelegt; in der Zeit tAUS liegt keine Spannung am Motor an und dieser dreht sich auf Grund des Trägheitsmomentes seiner drehenden Teilkomponenten. In der Zeit tAUS wird Generatorspannung VGEN mittels der Elektronik 3 gemessen. Das Signal VGEN wird außerdem gefiltert. Diese gefilterte Spannung bildet die Istgröße des Motorregelkreises und wird vom Regler nach Maßgabe der vorgegebenen Sollspannung VDES eingeregelt. Auf diese Weise lässt sich der Motor mit einer konstanten Drehzahl betreiben, da diese in linearem Zusammenhang mit der generierten Spannung steht.
  • Kurven 16 und 17 stellen Drehzahlverläufe zweier unterschiedlicher Motore bei gleicher Sollspannung dar. Die gestrichelten Linien 18, 19 stellen die jeweils an den Motoren anliegenden Sollspannungen dar. Die Drehzahlunterschiede verschiedenere Motore bei im wesentlichen gleicher Sollspannung werden durch die Abweichung der Kurven 18 und 19 deutlich. Diese Drehzahlunterschiede führen dazu, dass während des Betriebs der Pumpe unterschiedliche Drücke eingestellt werden, da in Abhängigkeit vom eingesetzten Motor unterschiedlich viel Bremsflüssigkeit in die Bremszylinder gefördert wird.
  • 3 stellt schematisch die Wirkungsweise des Motorregelkreises dar. Elektromotor 20, welcher mit Pumpe 10 mechanisch in Wirkverbindung steht, wird mittels eines elektrischen PWM-Signals über Leitung 21 angesteuert. Motorregler 22 ist im elektronischen Steuergerät 3 integriert. Motor 20 erzeugt in der Freilaufphase (Pulspause der PWM-Spannung Leitung 21) eine Generatorspannung VGEN, die über Leitung 23 einem Differenzglied 24 zugeführt wird, in welchem die Generatorspannung von der Sollspannung VDES subtrahiert wird. Nach Maßgabe des Eingangssignals 25 stellt PI-Regler 22 dann eine entsprechenden Wert von VGEN ein, der je nach Art des Motors einer bestimmten Pumpendrehzahl n entspricht.
  • Für die beabsichtigte motorindividuelle Kalibrierung wird ein Testzyklus durchgeführt, bei dem zunächst dem Regelkreis in 3 eine geeignete Sollspannung VDES vorgegeben wird. Wenn der Regelkreis nach einer gewissen Zeit eingeschwungen ist (VGEN bleibt im wesentlichen konstant) werden ca. 100 Werte des duty cycle, also dem Verhältnis von Pulsdauer zur Periode des PWM-Signals in festen Zeitabständen von 10 ms gemessen und aufsummiert. Danach wird diese Summe durch den Wert 100 geteilt, um den arithmetischen Mittelwert zu bilden. Dieser Wert pDC, der die durchschnittliche Pulsdauer des PWM-Signals beschreibt, unterscheidet sich nun von Motor zu Motor. Er wird in Prozent umgerechnet und in folgende Geradengleichung eingesetzt: yA = a·pDC + b,
  • Die Parameter a und b in dieser Gleichung sind zuvor durch Laborexperimente mit mehren Motoren ermittelt worden. Der Wert yA wird nun dazu verwendet die Sollspannung VDES für den geschlossenen Regelkreis zu berechnen, um eine vorgegebene Drehzahl nDES einzustellen.
  • Durch Anpassung der Sollspannung mit Hilfe des im unbelasteten und stationären Betrieb gemessenen Wertes der Reglerausgangsgröße, kann die Druckstellgenauigkeit der Bremsanlage gegenüber dem Fall gesteigert werden, in welchen nur ein nominaler Parameter zur Berechnung der Sollspannung aus einer Drehzahlforderung verwendet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass keine gesonderte Messausrüstung verwendet werden muss. Die Eigenschaften des Pumpenmotors können in einer betriebsfertig aufgebauten Bremsanlage bestimmt und zur Erhöhung der Druckstellgenauigkeit direkt in der Reglersoftware ausgewertet werden.

Claims (8)

  1. Verfahren, bei dem ein oder mehrere Korrekturwerte ermittelt werden, mit denen ein elektrisches Soll-Ansteuersignal für einen geregelten Pumpenmotor, welcher insbesondere Bestandteil eines geregelten Kraftfahrzeugbremssystems ist, für eine Erhöhung der Dosiergenauigkeit korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einmal ein zeitlich begrenzter Pumpentestzyklus durchgeführt wird, bei dem ein elektrischer Parameter des Pumpenmotors fest vorgegeben wird und der oder die Korrekturwerte ermittelt werden, indem die Reaktion des Pumpenmotors an Hand zumindest eines vom Pumpenmotor in der Regelschleife beeinflussten elektrischen Signals ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgewertete beeinflusste elektrische Signal die Generatorspannung (VGEN) des Pumpenmotors ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fest vorgegebene elektrische Parameter ein Sollwert (VDES) für die Generatorspannung ist.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenmotor von einer Regelungsschaltung angesteuert wird, welche ein PWM-Signal erzeugt und in der die Generatorspannung (VGEN) in den Pulspausen als Istgröße der Regelung herangezogen wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des oder der Kalibrierwerte/n das PWM-Signal über einen längeren Zeitraum ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des PWM-Signals erfolgt, indem der Mittelwert des Verhältnisses der An-Zeiten zu den Aus-Zeiten des PWM-Signals über einen bestimmten Zeitraum gebildet wird und mit dem Mittelwert ein Korrekturwert (yA) für den Sollwert berechnet wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Pumpentestzyklusses im wesentlichen keine Förderlast an der Hydraulikpumpe anliegt.
  8. Elektronisches Kraftfahrzeugbremsenregelungssystem mit mindestens einer geregelten Pumpe für einen aktiven Bremsdruckaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenregelung mit dem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 kalibriert wird.
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