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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Signalen zur
Beeinflussung der Bewegung eines in seinen Bewegungsabläufen
steuerbaren oder regelbaren Fahrzeugaufbaus eines Kraftfahrzeuges,
wobei sensorisch die Bewegung des Fahrzeugaufbaus ermittelt wird,
die den ermittelten Sensorwerten entsprechenden Sensorsignale einem Dämpferregler
zugeführt werden, der Dämpferregler wenigstens
ein Steuersignal zur Ansteuerung von Aktuatoren, insbesondere von
semiaktiven oder aktiven Dämpfern, liefert, mittels denen
die Bewegung des Fahrzeugaufbaus beeinflusst werden kann. Die Erfindung
betrifft ferner ein System zur Durchführung des Verfahrens
und ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem System zur
Beeinflussung der Bewegung eines in seinen Bewegungsabläufen steuerbaren
oder regelbaren Fahrzeugaufbaus.
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Verfahren
und Systeme der gattungsgemäßen Art sind bekannt.
So ist beispielsweise aus
DE 39
18 735 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung
von Bewegungsabläufen an Fahrwerken von Personen- und Nutzkraftfahrzeugen
bekannt, bei denen aus einer sensorisch ermittelten Bewegung zweier
Fahrzeugmassen mittels einer Signalverarbeitungsschaltung ein Steuersignal
für einen steuerbaren, an den Fahrzeugmassen angreifenden
Aktuator gebildet wird. Für eine komfortable und dennoch sichere
Fahrwerkabstimmung ist vorgesehen, die sensorisch ermittelten Signale über
eine der Signalverarbeitungsschaltung angehörenden Schaltungsanordnung
mit frequenzabhängigem Übertragungsverhalten zu
leiten. Hierdurch soll erreicht werden, dass aufgrund der frequenzabhängigen
Verarbeitung der Sensorsignale keine statische Kennlinie für
die Aktuatorsteuerung beziehungsweise Aktuatorregelung eingesetzt
wird, sondern eine von dem Frequenzinhalt des Bewegungsablaufs abhängige
Aktuatorsteuerung beziehungsweise Aktuatorregelung erfolgt. Hierdurch
soll das Ziel eines möglichst hohen Fahrkomforts bei einer
auch in Grenzbereichen des Fahrzustandes sicheren Auslegung des
Fahrwerks erzielt werden. Diesem Ansatz liegt der Gedanke zugrunde,
dass dem Zielkonflikt zwischen gewünschtem Fahrkomfort,
das heißt komfortable und weiche Auslegung, und Fahrdynamik,
das heißt sportliche und straffe Abstimmung, einerseits
und einer ausreichenden Fahrsicherheit andererseits entsprochen werden
soll. Für Fahrkomfort und Fahrdynamik ist eine Dämpfung
der Bewegung des Aufbaus entscheidend, während für
eine Fahrsicherheit eine Radlast beziehungsweise Radlastschwankung
entscheidend ist.
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Bekannt
sind im Wesentlichen drei Dämpfersysteme für Fahrzeuge,
wobei einer Federanordnung zwischen Rad und Aufbau ein Aktuator
parallel geschaltet ist. Bekannt sind passive, semi-aktive und aktive
Dämpfersysteme. Bei passiven Dämpfersystemen ist
eine Veränderung der Dämpferkraft während des
Fahrbetriebes nicht vorgesehen. Bei semi-aktiven Dämpfersystemen
kann die Dämpferkraft durch eine Veränderung eines Ölfluidstromes
unter Verwendung eines oder mehrerer Ventile verändert
werden. Auf diese Art und Weise können die Dämpfungseigenschaften
verändert werden. Semi-aktive Dämpfersysteme arbeiten
rein energieabsorbierend. Bei aktiven Dämpfersystemen kann
eine gewünschte Dämpferkraft sowohl dämpfend
als auch energieeinbringend in jede Richtung bereitgestellt werden.
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Bei
den bekannten Verfahren und Systemen zur Beeinflussung der Bewegung
des Fahrwerkes ist nachteilig, dass als Ausgangsgröße
aus eingesetzten Reglermodulen eine Kraft angefordert wird. Dies hat
den Nachteil, dass zusätzlich eine Dämpfergeschwindigkeit
als Zusatzgröße benötigt wird, um über eine
Kennfeldumrechnung zu der eigentlichen Stellgröße,
dem Steuerstrom, zu gelangen. Darüber hinaus kann auch
bei einer konstanten Kraftanforderung der Strom sich in Abhängigkeit
von der Dämpfergeschwindigkeit ändern. Da eine
Kennfeldumrechnung fehlerbehaftet ist, wird auch die resultierende
Dämpferkraft entsprechend unstetig. Gerade im Bereich von
niedrigen Dämpfergeschwindigkeiten, die insbesondere häufig
bei Querdynamikvorgängen vorliegen, ist dies nachteilig,
da hier die größten Nichtlinearitäten
und Ungenauigkeiten im Kennfeld vorliegen. Darüber hinaus
ist bekannt, dass im Geschwindigkeitsnulldurchgang im Kennfeld der
Dämpfer in der Regel welch gestellt wird. Gerade bei Dämpfergeschwindigkeiten,
die um null herum pendeln wird dann bei einer konstanten Kraftanforderung
ein ständig pendelnder Strom gestellt, der kontraproduktiv
für die eigentliche Regelung ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein
System der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels
denen in einfacher und sicherer Weise eine Regelung der Bewegung
eines Fahrzeugaufbaus mit elektronisch ansteuerbaren Aktuatoren
(Dämpfern) unter Berücksichtigung von Fahrkomfort,
Fahrdynamik und Fahrsicherheit möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst. Dadurch, dass mittels des Dämpferreglers
aus den Sensorsignalen unter Berücksichtigung von definierten
Zuständen, in Abhängigkeit von wählbaren
Anforderungen an die Bewegung des Fahrzeugaufbaus und Fahrsicherheitsanforderungen,
mittels zustandsabhängiger Regelalgorithmen das wenigstens
eine Steuersignal zur Ansteuerung der Aktuatoren ermittelt wird,
wobei das wenigstens eine Steuersignal aus einer Kombination von
wenigstens zwei mittels unterschiedlicher zustandsabhängigen
Regelalgorithmen gelieferten Signalen ermittelt wird, ist vorteilhaft
möglich, dem Fahrkomfort und Fahrdynamik einerseits und
Fahrsicherheit andererseits durch die spezielle Einbindung der zustandsabhängigen
Regelalgorithmen bei der Ermittlung eines resultierenden Steuersignal
Rechnung zu tragen. Durch die Berücksichtigung der definierten
Zustände bei der Bereitstellung der Steuersignale für
die Aktuatoren, das heißt also bei der Einstellung der
Dämpfung der Bewegung des Fahrzeugaufbaus, wird neben den
Komfortanforderungen eines Fahrzeugführers auch den dynamischen
Fahrzuständen des Fahrzeuges insbesondere auch unter Berücksichtigung
sicherheitskritischer Zustände Rechnung getragen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als
das wenigstens eine Steuersignal ein direkt die Aktuatoren beeinflussender Steuerstrom
bereitgestellt wird. Hierdurch entfällt einerseits das
Erfordernis der Bereitstellung einer Dämpfergeschwindigkeit
als Zusatzgröße und andererseits ist die aus dem
Stand der Technik bekannte Kennfeldumrechnung zu der eigentlichen
Stellgröße nicht mehr erforderlich.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass als wählbare Anforderung an die Bewegung des Fahrzeugaufbaus
wenigstens zwischen Komfort und Sportlichkeit gewählt werden
kann, wobei insbesondere die Wahl stufenlos und/oder in Stufen zwischen
hohem Komfort und hoher Sportlichkeit erfolgt. Hierdurch wird in
einfacher Weise eine Anpassung der Beeinflussung der Bewegung des
Fahrzeugaufbaus an die individuellen Bedürfnisse eines
Fahrzeugführers möglich.
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Darüber
hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
dass bei der Ermittlung des wenigstens einen Steuersignals als definierte
Zustände, Fahrzustände und/oder Beladungszustände
und/oder Energiezustände und/oder Fahreraktivitäten
berücksichtigt werden. Hierdurch lassen sich sehr vorteilhaft
als Fahrzustände die Vertikaldynamik und/oder die Längsdynamik
und/oder die Querdynamik des Fahrzeuges berücksichtigen.
Darüber hinaus können sehr vorteilhaft als Energiezustände
die Energiezustände des Aufbaus und/oder der Räder
und/oder der Straße und/oder des Aktuators berücksichtigt
werden. Ferner lassen sich als Fahreraktivitäten vorteilhaft
der Betätigungszustand des Gaspedals und/oder des Bremspedals
und/oder der Lenkung und/oder der Getriebeschaltung berücksichtigen.
Ein aus diesen möglichen Zuständen in beliebiger
Kombination ermitteltes Steuersignal führt zu einer sehr
komfortablen Anpassung der Bewegung des Fahrzeugaufbaus an die vom
Fahrzeugführer tatsächlich gestellten Anforderungen.
Insgesamt ist somit ein sehr harmonischer Bewegungsablauf des Fahrzeugaufbaus
einstellbar, der vom Fahrzeugführer beziehungsweise den
Fahrzeuginsassen als angenehm und komfortabel empfunden wird.
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Ferner
ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, Steuergrößen
zusammenzufassen (zu kombinieren), die direkt proportional zu der
Stellgröße des Aktors sind. Dies können
sowohl dimensionslose Größen (zum Beispiel Werte
von 0 ... 100 oder 0 ... 1) oder aber direkt Ströme oder
entsprechende andere Ansteuergrößen des Aktors, (beispielsweise
eine Spannung) sein.
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Darüber
hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
auch gemischte Steuergrößen mit unterschiedlichen
Einheiten zu kombinieren, wobei vorzugsweise eine Konvertierung
auf eine Einheit erfolgt. In diesem Fall dient eine Konvertierungseinheit
dazu, alle Größen auf eine festgelegte (physikalische)
Einheit, insbesondere eine Einheit, die direkt proportional zur
Steuergröße der Aktoren ist, zu vereinheitlichen.
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Prinzipiell
könnten auch Kräfte als Eingangsgrößen
berücksichtigt werden, allerdings ist dann eine Umrechnungseinheit
von der Aktorausgangsgröße „Kraft" in
die Aktorstellgröße „Strom" notwendig.
Es ist hierbei bevorzugt, der Einheit weitere Eingangsgrößen
zuzuführen, wie die Dämpfergeschwindigkeit für
die Umrechnung Kraft zu Strom.
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Die
Zustandsgrößen können in weiteren bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung auch dazu verwendet werden, eine oder
mehrere Größen oder aber bereits kombinierte Größen
zu korrigieren beziehungsweise zu verändern. Beispielsweise
kann es vorteilhaft sein, den energetischen (Straßen-)Zustand
zu verwenden und die Steuergröße so zu verändern,
dass das Fahrzeug nicht komplett unterdämpft oder überdämpft
sind und so Radspringen auftreten kann. Es ist vorteilhaft, diese
Zustandseinheiten nicht in allen (vorangeschalteten) Modulen einzeln
zu integrieren und somit mehrfach zu rechnen sondern einmal am Ende
zu berücksichtigen.
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Ein
weiterer definierter Zustand kann der Fahrzustand sein. Bei einem
nicht bewegten Fahrzeug im Stillstand belastet es das Bordnetz und
verbraucht Strom unnötigerweise, wenn weiterhin Steuergrößen
angefordert werden. Eine reine Betrachtung, zum Beispiel über
die Größe der Fahrgeschwindigkeit ist hier aber
nicht ausreichend, da auch bei Fahrgeschwindigkeit Null noch Bewegungen
auftreten können, die entsprechend bedämpft werden
sollen. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Abbremsvorgang,
bei dem die Nickbewegung wesentlich während des Fahrzeugstillstandes
erfolgt. Vielmehr ist unter Berücksichtigung auch der Fahrzeuggeschwindigkeit
ein Fahrzustand zu ermitteln, der entsprechend die Steuergröße
nur auf Null setzt, wenn sich das Fahrzeug nicht mehr (aufbauseitig)
bewegt und sich im Stillstand befindet. Hierbei kann ferner berücksichtigt
werden, dass auch bei niedrigen Batteriespannungen kein Strom gefordert
werden soll, um das Bordnetz nicht unnötig zu belasten.
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Ein
weiterer definierter Zustand ist der Fahrsicherheitszustand. Dieser
ergibt sich zum Beispiel eindeutig, wenn fahrsicherheitsrelevante
Systeme im Eingriff sind wie das ABS (Antiblockiersystem), das ESP
(elektronisches Stabilitätsprogramm) oder das AWV (Anhaltewegverkürzung)
und so weiter. Hier ist die Steuergröße in jedem
Fall so zu wählen, dass die Fahrerassistenzsysteme nicht
behindert werden, zum Beispiel durch sich stark ändernde
oder zu hohe oder zu niedrige Dämpfkräfte. Je
nach energetischem (Straßen-)Zustand kann hier entweder
ein Steuerbereich bestimmt werden, im dem sich die Steuergröße
bewegt oder die Steuergröße selbst bestimmt werden,
so dass sich eine möglich optimale dynamische Radlastschwankung
ergibt. Ein ganz anderer kritischer Zustand ist gegeben, wenn sich
die Temperatur der Ansteuereinheit, dies kann im Steuergerät
oder aber auch in einer Dämpferspule sein, aufgrund der
Stromanforderungen zu stark erhöht. In diesem Fall ist
es aus Bauteilschutzgründen essentiell, den Strom zu begrenzen.
Falls kein Strom mehr für einen fahrsicherheitskritischen
Betrieb mehr möglich ist, muss entsprechend der Dämpfer
in einen gesicherten Zustand gehen (zum Beispiel über Null-Bestromung
und eine definierte Passiv-Kennlinie).
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In
weiteren Fällen ist vorteilhaft, Stromänderungen
aufgrund von fahrerinitiierten Modi wechseln (Komfort zu Sport oder ähnlich)
zu verzögern oder zu unterdrücken. Dies ist beispielsweise
sinnvoll in längs- und/oder querdynamischen sportlichen
Zuständen.
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Weitere
wichtige Zustände können sich zum Beispiel ergeben,
wenn ein- oder mehrere Sensoren und/oder Can-Größen
und/oder Aktorgrößen fehlerhaft detektiert wurden.
Auch auf diesen Zustand beziehungsweise diese Zustände
muss das Stromberechnungsmodul entsprechend reagieren.
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Aus
diesen Aufzählungen wird bereits deutlich, dass viele unterschiedliche
Zustände existieren, die entsprechend bei der Berechnung
der resultierenden Ausgangsgröße Berücksichtigung
finden sollten. Dies kann in unterschiedlichster Form umgesetzt sein.
Zum einen können Zustandsgrößen ermittelt und
verwendet werden, die dann Entscheider oder Kombinierer ansteuern.
Zum anderen können die Zustände auch strukturell
umgesetzt werden, zum Beispiel in Form von (Regelkreis-)Elementanordnungen oder
Verbindungen/Verknüpfungen.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass über „Sicherheitsanforderungen" und/oder „Fahrsicherheitsanforderung" und/oder
weitere Zustände, insbesondere den energetischen (Straßen-)Zustand,
eine Begrenzung des Stellbereichs des Aktors sowohl bezüglich
der Min- als auch der Maxgrenze erfolgt.
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Ferner
ist bevorzugt, in bestimmten Zuständen oder zur Aufrechterhaltung
der Fahrsicherheit notwendig, den Aktor beziehungsweise die Aktoren stromlos
zu schalten.
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Bezüglich
der unterschiedlichen Anforderungen kann in bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung eine Priorisierung stattfinden. Als Beispiel sei ein Strom
aus dem Vertikaldynamikmodul und ein Strom aus dem Querdynamikmodul
gefordert. Über das Vertikaldynamikmodul werden Komfortansprüche und über
das Querdynamikmodul stärker die sportlichen Ansprüche
bedient. Bei einer Maxbildung der Anforderungen würde daher
meist der Querstrom dominieren. Jetzt ist es aber durchaus möglich,
dass im Querdynamikmodul aus Gründen der Beeinflussung der
Steuertendenz, ein Minstrom für ein Dämpferpaar
für eine Zeit x gefordert ist. Dieser Minstrom soll nun
nicht durch die Vertikaldynamik überschrieben werden, da
dann die Steuertendenz nicht ungewollt und undefiniert verändert
wird. Eine reine Maxbildung der Ströme ist daher in diesem
Fall/Zustand nicht zielführend.
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Generell
empfehlenswert ist die Priorisierung „Sicherheitsanforderungen" über
(= höher als) „Fahrsicherheitsanforderung" über „Fahrdynamikanforderung" über „Fahrkomfortanforderung".
Es können jedoch auch andere Varianten gewählt
werden. Entsprechend der Wahl der Priorisierung werden die Ströme
dann zusammengefasst. Bevorzugt können diesbezüglich
auch weitere Unterpriorisierungen vorteilhaft sein.
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In
weiterer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Umrechnungseinheit
in das Strom berechnungsmodul eingefügt werden, die einen
festgelegten Stellbereich der Eingangsgrößen, ob
von 0 bis 1 oder von beispielsweise i_min=0.2A bis i_max=2A, in
einen „anderen" Stellbereich der Ausgangsgrößen
umwandelt, zum Beispiel i_min=2.5A und i_max=0.5A. Die Abstimmung
sämtlicher Reglerparameter kann dabei in den gewohnten Einheiten
erfolgen, unabhängig davon welcher Aktor beziehungsweise
Dämpfer in dem Fahrzeug verbaut wird.
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Ferner
ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, eine
Halte-Abklingfunktion für einen oder mehrere Eingangsgrößen
zu definieren. Es können aber auch erst Eingangsgrößen
zusammengefasst werden und nachfolgend durch die Halte-Abklingfunktion
laufen, um so den Rechenaufwand zu minimieren.
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Darüber
hinaus ist bevorzugt, die Eingangsgrößen oder
zusammengefasste Zwischengrößen zu filtern, um
so Amplitude und/oder Phase nach vorgegebenen Kriterien zu verändern.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
eine Korrektureinrichtung zur Beeinflussung des Aktorverhaltens
zu integrieren.
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Ebenso
sind spezielle Anforderungen zur Ansteuerung von Dämpfern
integrierbar. Es ist beispielsweise für manche Dämpfer
ein (kurzfristiger) definierter Strom notwendig, um einen eindeutigen Übergang
zwischen passivem Sicherheitszustand und geregeltem Betrieb zu erzielen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, Teile der
Stromberechnungseinheit in andere Module auszulagern. Dies kann
zum Beispiel zum Funktionsverständnis beitragen oder aber
auch dazu führen, dass gewünschte Messgrößen
vorliegen und so weiter.
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Der
Einsatz der Erfindung ist bei der Regelung von ansteuerbaren Dämpfern
vorgesehen. Diesbezüglich ist es bevorzugt, Ausgangsgrößen
aus unterschiedlichen Reglermodulen, wie Vertikaldynamik, Querdynamik,
Längsdynamik und/oder Endlagen zusammenzufassen beziehungsweise
zu kombinieren.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein System zur Beeinflussung der Bewegung
eines in seinen Bewegungsabläufen steuerbaren oder regelbaren
Fahrzeugaufbaus eines Kraftfahrzeuges mit den in Anspruch 21 genannten
Merkmalen gelöst. Dadurch, dass der Dämpferregler
die Regelungsmodule umfasst, mittels denen aus den Sensorsignalen
unter Berücksichtigung von definierten Zuständen,
in Abhängigkeit von wählbaren Anforderungen an
die Bewegung des Fahrzeugaufbaus und Fahrsicherheitsanforderungen,
wenigstens ein aus wenigstens zwei Zuständen resultierendes
Steuersignal für die Aktuatoren generierbar ist, ist vorteilhaft
möglich, den Dämpferregler modular aufzubauen
und in im Fahrzeug bestehende Systeme, beispielsweise in ein Steuergerät,
in einfacher Art und Weise zu integrieren.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass der Dämpferregler eine Eingangsschnittstelle,
ein Signaleingangsmodul, ein Reglermodul, ein Signalausgangsmodul
und eine Ausgangsschnittstelle umfasst. Hierdurch lässt
sich in einfacher Weise eine gegebenenfalls hierarchisch aufeinander
aufgebaute Ermittlung der Steuersignale für die Aktuatoren
implementieren. Vorzugsweise umfasst das Signalausgangsmodul ein
Stromberechnungsmodul, wodurch die Bereitstellung eines die Stellmittel
der Aktuatoren direkt ansteuerndes Stromsignals durch den Dämpferregler möglich
wird. Eine Zuordnung einzelner Teilmodule ist innerhalb der modularen
Struktur des Dämpferreglers nach funktionellen und/oder
hierarchischen Gesichtspunkten variabel möglich.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
ein Kraftfahrzeug mit einer Dämpferregelung;
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2 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit vertikalen Eck-Aufbaugeschwindigkeiten;
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3 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit vertikalen Modal-Aufbaugeschwindigkeiten;
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4 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit im Dämpfersystem
angeordneten Sensoren und den resultierenden Rad-, Aufbau- und Dämpfergeschwindigkeiten;
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5 ein
Beispielkennfeld eines geregelten Dämpfers;
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6 eine
Grobstruktur der Funktionsmodule einer Dämpferregelung;
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7 ein
Blockschaltbild eines Standardregelkreises;
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8 ein
Blockschaltbild eines erweiterten Regelkreises;
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9 eine
Prinzipskizze einer Kombinationseinheit zur Ermittlung eines resultierenden Stroms
unter Verwendung von Zuständen/Zustandsgrößen;
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10 eine
Prinzipskizze einer Aufteilung einer Kombinationseinheit in Modulelemente
und ein Gesamtelement;
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11 eine
Beispielausführung einer Kombinationseinheit mit zustandsabhängiger
Zusammenfassung und
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12 eine
Ergänzung der Kombinationseinheit aus 11 mit
weiteren zustandsabhängigen Korrekturen.
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1 zeigt
schematisch in Draufsicht ein insgesamt mit 10 bezeichnetes
Kraftfahrzeug. Aufbau und Funktion von Kraftfahrzeugen sind allgemein
bekannt, so dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf
nicht näher eingegangen wird.
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Das
Kraftfahrzeug 10 besitzt vier Räder 12, 14, 16 und 18.
Die Räder 12, 14, 16 und 18 sind über eine
bekannte Radaufhängung an einem Aufbau 20 des
Kraftfahrzeuges 10 befestigt. Unter Aufbau 20 wird
im Rahmen der Erfindung allgemein die Fahrzeugkarosserie mit der
Fahrgastzelle verstanden. Zwischen den Rädern 12, 14, 16 und 18 einerseits und
dem Aufbau 20 ist jeweils ein Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 angeordnet.
Die Dämpfer 22, 24, 26 und 28 sind
parallel zu nicht dargestellten Federn angeordnet. Die Dämpfer 22, 24, 26 und 28 sind beispielsweise
als semi-aktive Dämpfer ausgebildet, das heißt
durch Anlegen eines Steuersignals an ein Stellmittel der Dämpfer
kann die Dämpferkraft variiert werden. Das Stellmittel
ist üblicher Weise als elektromagnetisches Ventil ausgebildet,
so dass das Stellsignal ein Steuerstrom für das Ventil
ist.
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Jedem
Rad beziehungsweise jedem Dämpfer ist ein Wegsensor 30, 32, 34 beziehungsweise 36 zugeordnet.
Die Wegsensoren sind als Relativwegsensoren ausgebildet, das heißt
diese messen eine Veränderung des Abstandes des Aufbaus 20 von
dem jeweiligen Rad 12, 14, 16 beziehungsweise 18.
Typischerweise werden hier sogenannte Drehwinkel-Wegsensoren eingesetzt,
deren Aufbau und Funktion allgemein bekannt sind.
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Der
Aufbau 20 umfasst ferner drei an definierten Punkten angeordnete
Vertikalbeschleunigungssensoren 38, 40 und 42.
Diese Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 sind
fest an dem Aufbau 20 angeordnet und messen die Vertikalbeschleunigung
des Aufbaus im Bereich der Räder 12, 14 beziehungsweise 18.
Im Bereich des linken hinteren Rades 16 kann die Beschleunigung
aus den drei anderen Beschleunigungssensoren rechnerisch ermittelt
werden, so dass hier auf die Anordnung eines eigenen Beschleunigungssensors
verzichtet werden kann.
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Die
Anordnung der Sensoren ist hier lediglich beispielhaft. Es können
auch andere Sensoranordnungen, beispielsweise ein vertikaler Aufbaubeschleunigungssensor
und zwei Drehwinkelsensoren oder dergleichen, zum Einsatz kommen.
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Das
Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner ein Steuergerät 44,
das über Signal- beziehungsweise Steuerleitungen mit den
Stellmitteln der Dämpfer 22, 24, 26 und 28,
den Wegsensoren 30, 32, 34 und 36 und
den Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 verbunden
ist. Das Steuergerät 44 übernimmt die nachfolgend
noch näher zu erläuternde Dämpferregelung.
Daneben kann das Steuergerät 44 selbstverständlich
auch weitere, hier nicht zu betrachtende Funktionen innerhalb des
Kraftfahrzeuges 10 übernehmen. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst
ferner ein Schaltmittel 46, beispielsweise einen Taster,
ein Drehrad oder dergleichen, mittels dem von einem Fahrzeugführer
eine Anforderung an die Bewegung des Aufbaus 20 gewählt
werden kann. Hier kann beispielsweise zwischen der Anforderung „Komfort",
der Anforderung „Sport" und der Anforderung „Basis"
gewählt werden. Die Wahl ist entweder stufenförmig zwischen
den drei Modi oder stufenlos mit entsprechenden Zwischenmodi möglich.
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Das
Schaltmittel 46 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 44 verbunden.
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2 zeigt
eine Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei hier der
Aufbau 20 als ebene Fläche angedeutet ist. An
den Ecken des Aufbaus 20 sind jeweils die Räder 12, 14, 16 und 18 über
eine Feder-Dämpfer-Kombination in an sich bekannter Art und
Weise angeordnet. Die Feder-Dämpfer-Kombination besteht
aus den Dämpfern 22, 24, 26 und 28 und
jeweils parallel geschalteten Federn 48, 50, 52 und 54.
An den Ecken des Aufbaus 20 sind die in 1 dargestellten
Beschleunigungssensoren 38, 40 beziehungsweise 42 angeordnet,
mittels denen die vertikale Geschwindigkeit an den Ecken des Aufbaus 20 bestimmt
werden kann. Hierbei handelt es sich um die Geschwindigkeiten vA_vl
(Geschwindigkeit Aufbau vorne links), vA_vr (Geschwindigkeit Aufbau
vorne rechts), vA_hl (Geschwindigkeit Aufbau hinten links) und vA_hr
(Geschwindigkeit Aufbau hinten rechts). Die Geschwindigkeit kann
aus den mittels der Beschleunigungssensoren gemessenen Beschleunigungen
durch Integration errechnet werden.
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3 zeigt
wiederum die Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei
gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen und nicht nochmals erläutert sind. In einem Schwerpunkt 56 sind
die Modalbewegungen des Aufbaus 20 verdeutlicht. Dies ist
einerseits ein Hub 58 in vertikaler Richtung (z-Richtung),
ein Nicken 61, das heißt eine Drehbewegung um
eine in der y-Achse liegende Querachse, und ein Wanken 63,
das heißt eine Drehbewegung um eine in der x-Achse liegende
Längsachse des Kraftfahrzeuges 10.
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4 zeigt
eine weitere Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei
hier, in Ergänzung zu der Darstellung in 2,
weitere Signale dargestellt sind. Zusätzlich sind hier
die Dämpfergeschwindigkeiten vD dargestellt, wobei vD_vl
die Dämpfergeschwindigkeit für den Dämpfer 22 (vorne
links), vD_vr die Dämpfergeschwindigkeit für den
Dämpfer 24 (vorne rechts), vD_hl die Dämpfergeschwindigkeit
für den Dämpfer 26 (hinten links) und
vD_hr die Dämpfergeschwindigkeit für den Dämpfer 28 (hinten rechts)
ist. Die Dämpfergeschwindigkeiten können über
eine Differenzierung aus den Signalen der Wegsensoren 30, 32, 34 beziehungsweise 36 (1)
ermittelt werden. In 4 sind ferner die Radgeschwindigkeiten
vR angedeutet. Hier steht Geschwindigkeit vR_vl für das
Rad 12 (vorne links), vR_vr für das Rad 14 (vorne
rechts), vR_hl für das Rad 16 (hinten links) und
vR_hr für das Rad 18 (hinten rechts). Die Radgeschwindigkeiten
vR können beispielsweise über Radbeschleunigungssensoren ermittelt
werden.
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Da
sowohl die Aufbaugeschwindigkeiten vA, die Dämpfergeschwindigkeiten
vD und die Radgeschwindigkeiten vR alle den gleichen Richtungsvektor
besitzen (in z-Richtung), besteht der Zusammenhang vD = vA – vR.
Hierdurch müssen nicht alle Messgrößen
in Form von Messsignalen vorliegen, sondern können aus
den anderen Messgrößen errechnet werden.
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In 5 ist
beispielhaft ein Kraft-Geschwindigkeits-Kennfeld eines geregelten
Dämpfers dargestellt. Aufbau und Funktion von geregelten
Dämpfern sind allgemein bekannt, so dass im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen
wird. Hierbei kommen entweder semi-aktive Dämpfer oder
aktive Dämpfer zum Einsatz. Entscheidend ist, dass über
eine Beeinflussung der Dämpfergeschwindigkeit die Dämpferkraft
eingestellt werden kann. Die Dämpferkraft wirkt parallel
zu den Kräften der Federn (vergleiche 2 bis 4),
so dass hierüber die Bewegung des Aufbaus 20 in
seinen Bewegungsabläufen beeinflusst werden kann. Zur Beeinflussung
der Dämpfergeschwindigkeit ist an den Dämpfern
ein elektromagnetisches Ventil oder ein anderes geeignetes Ventil
angeordnet, das durch Anlegen eines entsprechenden Steuerstromes
ein Durchflussquerschnitt für ein Medium, insbesondere ein
Hydrauliköl, beeinflusst werden. Das in 5 dargestellte
Beispielkennfeld zeigt verschiedene Kennlinien, wobei die Dämpferkraft
in Newton über der Dämpfergeschwindigkeit vD in
mm/s für verschiedene Stellströme aufgetragen
ist. Die Dämpfer weisen eine große Spreizung auf,
das heißt je nach anliegendem Stellstrom sind große
Variationen zwischen den Dämpfergeschwindigkeiten und der Dämpferkraft
einstellbar. Zur Verdeutlichung ist eine Kennlinie 57 eingetragen,
die einem passiven Dämpfer entsprechen würde.
Durch diese große Spreizung des Dämpfers wird
eine effektive Regelung erst möglich, wobei eine Weichkennung
unterhalb der passiven Kennlinie 57 liegen sollte und eine
Hartkennung deutlich über der Kennlinie 57 liegen
sollte. Deutlich wird auch die bereits große Spreizung
bei niedrigen Dämpfergeschwindigkeiten vD sowie der im
Wesentlichen lineare Verlauf der Stromlinien im Kennfeld.
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Anhand
der bisherigen Erläuterungen wird deutlich, dass es für
eine effektive Regelung des Bewegungsablaufes des Aufbaus auf die
Bereitstellung eines Stellstromes für das Steuermittel
der Dämpfer ankommt. Nachfolgend wird auf die Bereitstellung dieses
Stellstromes unter Berücksichtigung der Umsetzung der erfindungsgemäßen
Lösungen näher eingegangen.
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6 zeigt
in einem Blockschaltbild eine Grobstruktur der Funktionsmodule zur
erfindungsgemäßen Dämpferregelung. Die
einzelnen Module sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
und Verständlichkeit gekapselt dargestellt. Die gesamte
Struktur ist vorteilhafterweise hierarchisch über mehrere
Ebenen aufgebaut. Die Funktionsmodule sind in einem Dämpferregler,
vorzugsweise dem Steuergerät 44 (1)
integriert. Die Dämpferregelung umfasst ein Signaleingangsmodul 60,
ein Hilfsfunktionsmodul 62, ein Reglermodul 64,
ein Auswertemodul 66 und ein Signalausgangsmodul 68.
In dem Signaleingangsmodul 60 werden die Sensorsignale
der Wegsensoren 30, 32, 34 beziehungsweise 36 und
der Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 sowie
weitere, über den CAN-Bus des Kraftfahrzeuges zur Verfügung
stehende, Signale eingelesen. Das Hilfsfunktionsmodul 62 umfasst
ein Man-Machine-Interfacemodul 70, ein Filtermodul 72 und
ein Beladungserkennungsmodul 74.
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Das
Reglermodul 64 umfasst ein Straßenerkennungsmodul 76,
ein Endlagendämpfungsmodul 78, ein Querdynamikmodul 80,
ein Längsdynamikmodul 82 sowie ein Vertikaldynamikmodul 84.
Das Auswertelogikmodul 66 umfasst ein Stromberechnungsmodul 86.
Die Reglermodule 76, 78, 80, 82 und 84 generieren
vorteilhafterweise einen Strom, oder eine Größe,
die proportional zum Strom ist. Im Stromberechnungsmodul 86 findet
die Stromberechnung aller Reglerausgangsgrößen
zu Steuergrößen für die Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 statt. Über das
Signalausgangsmodul 68 werden diese Stellströme
den Dämpfern zur Verfügung gestellt. Sowohl das Signaleingangsmodul 60 als
auch das Signalausgangsmodul 68 können optional
selbstverständlich auch weitere Signale empfangen beziehungsweise ausgeben,
je nach Ausstattung des betreffenden Kraftfahrzeuges.
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In 7 ist
ein Standardregelkreis dargestellt. Dieser besteht aus einer Strecke 90,
einem Regler 92 und einer negativen Rückkopplung
der Regelgröße, das heißt des Istwertes
auf dem Regler 92. Die Regeldifferenz wird aus der Differenz
zwischen Sollwert (Führungsgröße) und
Regelgröße berechnet. Die Stellgröße
wirkt auf die Strecke 90 und damit auf die Regelgröße.
Die Störgröße bewirkt eine, normalerweise
unerwünschte, Veränderung der Regelgröße,
die kompensiert werden muss. Die Eingangsgröße
des Reglers 92 ist die Differenz aus dem gemessenen Istwert
der Regelgröße und dem Sollwert. Der Sollwert
wird auch als Führungsgröße bezeichnet,
dessen Wert durch den gemessenen Istwert nachgebildet werden soll.
Da der Istwert durch Störgrößen verändert
werden kann, muss der Istwert dem Sollwert nachgeführt
werden. Eine in einem Vergleicher 94 festgestellte Abweichung
des Istwertes von dem Sollwert, die sogenannte Regeldifferenz, dient
als Eingangsgröße für den Regler 92.
Durch den Regler 92 wird festgelegt, wie das Regelungssystem
auf die festgestellten Abweichungen reagiert, beispielsweise schnell,
träge, proportional, integrierend oder dergleichen. Als
Ausgangsgröße des Reglers 92 ergibt sich
eine Stellgröße, welche auf eine Regelstrecke 90 Einfluss
nimmt. Die Regelung dient hauptsächlich zur Beseitigung
von Störgrößen, um diese auszuregeln.
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In 8 ist
eine detailliertere Darstellung des Regelkreises gemäß 7 dargestellt.
Es ist ein erweiterter Regelkreis mit den zusätzlichen
Elementen Stellglied 96 und Messglied 98 gezeigt.
Im Beispiel der erfindungsgemäßen Dämpferregelung
setzt sich die Stelleinrichtung beziehungsweise das Stellglied 96 aus
einer elektronischen Komponente und einer elektro-hydraulischen
Komponente zusammen. Die elektronische Komponente entspricht dem Stromregler
im Steuergerät 44, während die elektro-hydraulische
Komponente dem elektrisch ansteuerbaren Ventil der Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 entspricht.
In den nachfolgenden Ausführungen sollen diese jedoch nicht
weiter betrachtet werden. Diese werden als ideal angenommen beziehungsweise
ihr Einfluss wird vernachlässigt. Somit stimmt idealisiert
der Reglerausgang, der die Steuergröße liefert,
mit der Stellgröße überein oder ist zu dieser
zumindest proportional. Der Regler 92 gemäß 15 ist hierbei aufgeteilt in den eigentlichen
Regler 92 und das Stellglied 96. Der Regler 92 dient
dazu, eine Größe zu bestimmen, mit der auf eine
durch den Vergleicher 94 festgestellte Regeldifferenz über das
Stellglied 96 reagiert werden soll. Das Stellglied 96 liefert
die notwendige Energie in der geeigneten physikalischen Form, um
auf den Prozess beziehungsweise die Regelstrecke einzuwirken. In
dem Messglied 98 wird der Istwert gemessen. Die Störgröße
kann bei einer Regelung der Bewegung eines Fahrzeugaufbaus 20 in
Unebenheiten der Fahrbahn, seitlich wirkenden Kräften,
wie beispielsweise Wind oder dergleichen, oder ähnlichen
Einflüssen begründet sein.
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Unter
Berücksichtigung der allgemein bekannten Funktionsweise
anhand der in den 7 und 8 erläuterten
Reglerstrukturen zeigt 9 eine Möglichkeit
der Stromberechnung in dem Stromberechnungsmodul 86. In
einer Kombinationseinheit 100 zur Ermittlung eines resultierenden
Stromes i_res wird dieser aus den, von Einzelreglern 102 bereitgestellten,
verschiedenen Eingangsströmen i1, i2, i3 unter Verwendung
von Zuständen/Zustandsgrößen ermittelt.
Die Eingangsströme i können hierbei die von den
Regelmodulen 76, 78, 80, 82 beziehungsweise 84 gelieferten
Ströme sein. Der resultierende Strom i_res ist dann der
Steuerstrom für die Dämpfer.
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Der
Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass es
sich bei den Strömen i1, i2, i3 um Vektoren handeln kann,
zum Beispiel in Form von Strömen für Dämpferströme
vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts: Entsprechend resultiert
auch ein Vektor als Ausgangsgröße mit i_res =
[i_vl; i_vr; i_hl; i_hr].
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Im
Stromberechnungsmodul 86 werden diese Sollströme
für die Basissoftware generiert. Diese werden an die Schnittstelle
(Signalausgangsmodul 68) übergeben. Die Basissoftware
prägt diese Sollströme über den Stromregler,
beispielsweise einen Zweipunktregler, PID-Regler mit PWM-Ansteuerung, den
Dämpfern auf. Es wird als auf den vorgegebenen Sollstrom
entsprechend geregelt.
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Nach
der in 10 gezeigten Variante kann das
Stromberechnungsmodul 86 auch eine Aufteilung in Modulelemente
und Gesamtelement beinhalten. Hierbei sind beispielsweise Modulelemente 104 und 106 vorgesehen,
die jeweils ein Reglermodul und eine Kombinationseinheit umfassen.
Von diesen Modulen werden unter Berücksichtigung von Zustandsgrößen
bereits Reglerausgangsströme i*_1 beziehungsweise i*_2
bereitgestellt. Die Kombinationseinheit 108 wertet die
Reglerausgangsgrößen aus den Modulen 104 und 106,
wie beispielsweise das Straßenerkennungsmodul 76,
das Endlagendämpfungsmodul 78, das Querdynamikmodul 80, das
Längsdynamikmodul 82 und das Vertikaldynamikmodul 84 aus,
um die für den momentanen Fahrzustand am besten geeigneten
Dämpfer-Sollströme i_res auszugeben.
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11 zeigt
eine Beispielausführung einer Kombinationseinheit. Eingangsgrößen
sind die Ströme i1, i2 und i3, die zunächst in
einer Konvertierungseinheit 110 auf entsprechend des gewünschten
Ausgangsgrößen-Stellbereichs konvertiert werden.
Die daraus resultierenden Größen können
(optional) in einem Filter 112 bezüglich. Amplitude
und Phase angepasst werden. Statt des Filters kann aber zum Beispiel
auch eine Halte-Abklingfunktion Verwendung finden. Anschließend
werden die Größen falls nötig korrigiert
in einer Korrektureinrichtung 114 über zustandsabhängige
Signale wie den energetischen (Straßen-)Zustand, den Fahrzustand
z_Fahr oder den Modus-Zustand z_Modus. Abschließend werden die
Größen in einer zusammenfassenden Einheit 116 zu
dem Strom i_ges zusammengeführt. Diese Zusammenfassung
erfolgt unter Verwendung von Priorisierungen (wie Fahrsicherheit > Fahrdynamik oder > Fahrkomfort), die
strukturell umgesetzt sind oder mittels priorisierter Zustandsgrößen
und Schaltern.
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12 zeigt
eine weiterführende Ergänzung der Kombinationseinheit
aus 11. In dieser wird der Strom i_ges entsprechend
von Sicherheits- oder Fahrsicherheitszuständen z_sicherh
beziehungsweise z_fahrsich durch einen Begrenzer 118 begrenzt. Dies
kann zum Beispiel über Min- und Max-Begrenzungen oder zustandsabhängigen
dynamischen oberen und unteren Grenzlinien erfolgen. Anschließend kann
bei Bedarf eine Aktorkorrektur 120 vorgenommen werden.
Hierfür empfiehlt sich die zusätzliche Eingangsgröße
der Dämpfergeschwindigkeit vD. In einem Schalter 122 wird
abschließend entschieden ob der angeforderte Strom i_ges**
gestellt wird oder aber ob das System durch die Zustandsanforderung „stromlos"
zum Beispiel mit Null bestromt wird.
-
Die
Erfindung betrifft also ein Verfahren oder Regelungssystemkomponente
zur Kombination mehrerer Reglerausgangs- oder Steuergrößen,
wobei eine oder mehrere Kombinationseinheiten sowie die Kombinationsstruktur(en)
abhängig von definierten Zuständen oder Zustandsgrößen
sind, so dass Eingangsgrößen unter Verwendung
der Kombinationseinrichtung zusammengefasst werden zu den für den
oder die Aktoren notwendigen Steuergrößen.
-
- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Rad
- 14
- Rad
- 16
- Rad
- 18
- Rad
- 20
- Aufbau
- 22
- Dämpfer
- 24
- Dämpfer
- 26
- Dämpfer
- 28
- Dämpfer
- 30
- Wegsensor
- 32
- Wegsensor
- 34
- Wegsensor
- 36
- Wegsensor
- 38
- Beschleunigungssensoren
- 40
- Beschleunigungssensoren
- 42
- Beschleunigungssensoren
- 44
- Steuergerät
- 46
- Schaltmittel
- 48
- Feder
- 50
- Feder
- 52
- Feder
- 54
- Feder
- 56
- Schwerpunkt
- 57
- Kennlinie
- 58
- Hub
- 60
- Signaleingangsmodul
- 61
- Nicken
- 62
- Hilfsfunktionsmodul
- 63
- Wanken
- 64
- Reglermodul
- 66
- Signalausgangsmodul
- 68
- Signalausgangsmodul
- 70
- Man-Machine-Interfacemodul
- 72
- Filtermodul
- 74
- Beladungserkennungsmodul
- 76
- Straßenerkennungsmodul
- 78
- Endlagendämpfungsmoduls
- 80
- Querdynamikmodul
- 82
- Längsdynamikmodul
- 84
- Vertikaldynamikmodul
- 86
- Stromberechnungsmodul
- 90
- Strecke
- 92
- Regler
- 94
- Vergleicher
- 96
- Stellglied
- 98
- Messglied
- 100
- Kombinationseinheit
- 102
- Einzelregler
- 104
- Modulelemente
- 106
- Modulelemente
- 108
- Kombinationseinheit
- 110
- Konvertierungseinheit
- 112
- Filter
- 114
- Korrektureinrichtung
- 116
- Einheit
- 118
- Begrenzer
- 120
- Aktorkorrektur
- 122
- Schalter
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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