DE10043255A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektromotorisch betriebenen Radbremse - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elektromotorisch betriebenen Radbremse vorgeschlagen, bei welchem während der Abbremsphasen des die elektromotorische Stelleinrichtung umfassenden Elektromotors eine elektrisch betätigbare Verriegelungseinrichtung zur Erhöhung der Reibung in der Stelleinrichtung betätigt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elektromotorisch betriebenen Radbremse.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A 198 26 130 bekannt. Dort wird eine elektromoto­ rische Radbremse im Rahmen eines Regelkreises nach Maßgabe eines vorgegebenen Sollwertes, insbesondere eines Bremsmo­ menten- oder Bremskraftwertes, und eines entsprechenden Ist­ wertes, der im Bereich der Radbremse erfasst wird, betrie­ ben. Die Zuspannkraft der Radbremse wird dabei durch einen einen Elektromotor umfassenden Steller bereitgestellt. Die­ ser Elektromotor wird vom Regler mittels eines Ansteuersi­ gnals in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert betätigt. Die Stelleinrichtung der Radbremse umfasst ferner zusätzlich eine Haltebremse, beispielsweise eine elektrisch betätigbare Ausrückvorrichtung, die im stromlosen Zustand die Stelleinrichtung und somit der Radbremse und/oder die Radbremse blockiert. Zweck dieser Haltebremse ist es zum einen, eine Feststellbremsfunktion zu realisie­ ren, zum anderen die Möglichkeit zu eröffnen, den Verstell­ motor abzuschalten, wenn die Position der Radbremse auf ei­ nem bestimmten Wert gehalten werden soll. Dadurch wird der Energieverbrauch erheblich gesenkt.

In einigen Betriebsarten der Radbremse, insbesondere bei dy­ namisch schnellen Eingriffen wie im Rahmen einer Antibloc­ kierregelung, einer Antriebsschlupfregelung, einer Stabili­ tätsregelung, etc. ist ein schneller wechselnder Kraftauf- und Kraftabbau an der Radbremse erforderlich. Für die Stell­ einrichtung bedeutet dies, dass eine schnelle Umkehr der Bewegungsrichtung der Bremsbacken und damit des Antriebsmo­ tors der elektromotorisch betriebenen Radbremse bereitge­ stellt werden muss. Allerdings hat sich gezeigt, dass in ei­ nigen Ausführungsbeispielen die Umkehrzeiten, die durch Um­ kehrung der Ansteuerung des Elektromotors erzielt werden können, im Vergleich zu den herkömmlichen System lang sind, so dass das dynamische Verhalten nicht zufriedenstellend ist.

Ein Beispiel zur Verdeutlichung dieser Situation ist am Bei­ spiel eines speziellen Betriebsfalles in Fig. 4 darge­ stellt. Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehzahl NMOT des Elektromotors (durchgezogene Linie), des Istwertes IST, beispielsweise eines Istbremsmoments (strichpunktierte Linie) sowie des entsprechenden Sollwertes SOLL (gestrichel­ te Linie). Zu Beginn des in Fig. 4 dargestellten Betriebs­ falles wird durch Betätigen des Bremspedals durch den Fahrer ein bestimmter Sollwert SOLL vorgegeben. Es entsteht demnach eine Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert, in deren Abhängigkeit ein Ansteuersignal für den Elektromotor erzeugt wird. Dieser wird in der Betriebsphase I beschleunigt nach Maßgabe der Regelabweichung. Istgröße und Drehzahl des Mo­ tors steigen an. Zu einem bestimmten Zeitpunkt t0 springe der Sollwert vom bestehenden Wert auf den Wert 0, beispiels­ weise im Rahmen eines Eingreifens eines Antiblockierreglers. Dies bewirkt eine Vorzeichenumkehr der Regelabweichung (Ab­ weichung zwischen Soll- und Istwert) und die Ausgabe eines bremsenden bzw. den Motor in die entgegengesetzte Richtung antreibenden Ansteuersignals. Der Motor beginnt in der Phase II zu bremsen, bis ein Stillstand von Motor und Bremsbacken erreicht ist. Dieses elektromotorische Bremsen dauert in et­ wa so lange wie die Beschleunigungsphase. Dies bedeutet, dass während der Phase II trotz des Bremsen des Motors in­ folge dessen Trägheit zwar ein Absenken der Drehzahl er­ reicht wird, jedoch weiterhin ein Ansteigen des Istwertes erfolgt. Erst nach Beenden der Phase II beginnt die An­ steuerumkehr zu wirken und der Motor wird in Gegenrichtung beschleunigt (Phase III). Erst dann sinkt der Istwert ab, bis er am Ende der Phase IV den vorgesehenen Wert 0 erreicht hat. In der Phase III wird der Motor infolge der großen Re­ gelabweichung beschleunigt, während in der darauffolgenden Phase IV infolge der kleiner werdenden Regelabweichung die Größe des Ansteuersignals reduziert wird, so dass auch in der Phase IV ein elektromotorisches Bremsen des Stellers stattfindet und ein Einschwingen des Istwerts auf den Soll­ wert erreicht wird.

Die dargestellte Situation ist mit Blick auf die erforderli­ che Dynamik bei Antiblockierregeleingriffen, Antriebs­ schlupfregeleingriffen oder Eingriffen eines Stabilitätsre­ gelprogrammes unbefriedigend.

Vorteile der Erfindung

Durch den gezielten Einsatz der vorhandenen Haltebremse, zu­ mindest bei dynamischen Bremseingriffen, wird die Dynamik des Stelleingriffes bei einer elektromotorisch betriebenen Radbremse verbessert. Besonders vorteilhaft ist, dass der Abbremsvorgang bei plötzlicher Änderung des Sollwertes er­ heblich verkürzt wird. Damit wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit eines verbesserten schnellen Radbremseingriffes in Verbindung mit Antiblockierreglern, Antriebsschlupfreg­ lern, Stabilitätsprogrammen, etc. ermöglicht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschaltbild einer Radbremse mit elektromotori­ scher Zuspannung, während in Fig. 2 die Vorgehensweise zu dynamisch verbesserten Betätigung der elektromotorischen Stelleinrichtung als Flussdiagramm dargestellt ist. Diese skizziert ein Rechnerprogramm einer die Stelleinrichtung steuernden Rechnereinheit. In Fig. 3 schließlich ist die Wirkungsweise anhand eines Zeitdiagramms dargestellt. Die oben diskutierte Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm ohne Einsatz der Vorgehensweise zur dynamisch verbesserten Betätigung bei einer entsprechenden Betriebssituation.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild einer Bremsanla­ ge eines Fahrzeugs mit elektromotorischer Zuspannung am Bei­ spiel einer Achse. Dabei ist mit 10 eine elektronische Steu­ ereinheit dargestellt, welche über die Ausgangsleitungen 12 und 14 Elektromotoren 16 und 18 ansteuert. Die elektrischen Motoren sind dabei Teil von Bremsenstellern 20 bzw. 22, die über mechanische Verbindungen 24 bzw. 26 auf die Bremsein­ richtung 28 bzw. 30 der Räder 32 bzw. 34 einwirken. Eine entsprechende Anordnung findet sich in einem Ausführungsbei­ spiel an den weiteren Achsen des Fahrzeugs. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den elektrischen Mo­ toren 16 bzw. 18 um Gleichstrommotoren, Schrittmotoren oder elektronisch kommutierte Motoren. Ferner sind Kraftsensoren 40 bzw. 42 vorgesehen, deren Signal über die Leitungen 44 bzw. 46 der Steuereinheit 10 zugeführt werden. Diese Kraft­ sensoren ermitteln die Abstützkräfte der Bremsensteller und ermitteln auf diese Weise ein Maß für die wirkenden Brems­ kräfte bzw. Bremsmomente. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesen Sensoren um Dehnungsmeßstreifen. In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen wird über Sensoren die Anpresskraft der Bremsbeläge (z. B. piezoelek­ trische Sensoren) oder als indirektes Maß für die Bremskraft bzw. die Bremsmomente die Bewegung der Bremsbeläge oder ei­ nes Betätigungshebels der Radbremse (z. B. Wegsensoren) er­ mittelt.

Der Vollständigkeit halber sind in Fig. 1 Eingangsleitungen 48 bis 50 dargestellt, die die Steuereinheit 10 mit Meßein­ richtungen 52 bis 54 verbinden. Diese erfassen weitere Be­ triebsgrößen des Fahrzeugs bzw. der Bremsanlage, wie Radge­ schwindigkeiten, die Drehzahl der Antriebseinheit, etc., die für die Steuerung der Bremsanlage notwendig sind. Ferner ist eine Eingangsleitung 56 vorgesehen, welche die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 58 zur Erfassung des Fahrerwun­ sches, insbesondere zur Erfassung der Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bremspedals, verbindet.

Ferner umfassen die Stelleinrichtungen 20 und 22 die oben . erwähnten Haltebremsen (Ausrückvorrichtungen, allgemein Ver­ riegelungsvorrichtung) 60 und 62, z. B. Kupplungen, die von der Steuereinheit 10 über Ausgangsleitungen 64 bzw. 66 mit­ tels eines Ansteuersignals betätigt werden, insbesondere ge­ öffnet werden. Die Verriegelungseinrichtung verriegelt dabei die Stelleinrichtung, entweder mittels Verriegelung der Rad­ bremse oder der Stelleinrichtung selbst.

Die Steuereinheit 10 erfaßt über die Leitung 56 den Fahrer­ wunsch. Diesen setzt sie anhand von für jede Radbremse oder Gruppen von Radbremsen vorprogrammierten Kennfeldern in Sollwerte für die einzelnen Radbremsen um. Diese Sollwerte entsprechen beispielsweise einzustellenden Bremsmomenten oder Bremskräften, die im Rahmen eines entsprechenden Regel­ kreises durch Ansteuerung der Elektromotoren der Radbremsen eingestellt werden. Die Zuordnung des Fahrerwunsches zu den Sollwerten ist dabei in einem vorteilhaften Ausführungsbei­ spiel abhängig von Parametern wie Achslasten, Bremsbelags­ verschleiß, Bremsentemperatur, Reifendruck, etc., deren Grö­ ße über die Leitungen 48 bis 50 der Steuereinheit 10 zu­ geführt werden. Ferner führt die Steuereinheit 10 im Rahmen von Sonderbremszuständen die an sich bekannten Antiblockier­ regelfunktionen bzw. Antriebsschlupfregelfunktionen oder Stabilitätsprogramme auf der Basis der dabei auszuwertende Betriebsgrößen durch.

Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt damit mit Hilfe eines Ansteuersignals mit veränderbarem Parameter τ, insbe­ sondere mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten Signals. Dabei findet in einer Ausführung eine Umpolung der Bestromung des Elektromotors zur Drehrichtungsumkehr statt.

Dabei wird die stromlos geschlossene, d. h. die Stelleinrich­ tung arretierende Ausrückvorrichtung (Verriegelungseinrich­ tung) immer dann angesteuert, d. h. geöffnet, wenn eine Ver­ änderung der Position der Radbremse erforderlich ist, d. h. z. B. während der Regelung dann, wenn (erneut) eine von Null verschiedene Regelabweichung auftritt. Bei Ansteuern der Verriegelungseinrichtung wird also der Reibung im Bereich der Stelleinrichtung und/oder der Radbremse vergrößert. Die Verriegelungseinrichtung wird ohne Einschränkung der Allge­ meinheit im folgenden meistens als Haltebremse bezeichnet.

Die Dynamik des beschriebenen Stelleingriffs ist beispiels­ weise im Rahmen der erwähnten Antiblockierregelung wesent­ lich. Zur Verbesserung der im Einzelfall unbefriedigenden Dynamik des elektromotorischen Bremsenstellers ist vorgese­ hen, dass, zumindest bei der Notwendigkeit eines Bremsens des Elektromotors infolge, einer Umdrehung der Bewegungsrich­ tung-des Bremsbelags, unterstützend die vorhandene Halte­ bremse einzusetzen. Während solchen Abbremsphasen des Elek­ tromotors wird die Haltebremse geschlossen, d. h. im bevor­ zugten Ausführungsbeispiel stromlos geschaltet. Dadurch ent­ steht eine sehr große Reibung im Steller, die den Rotor des Elektromotors abbremst. Die Abbremsphase des Motors wird so­ mit deutlich verkürzt und die Dynamik der Bewegungsrich­ tungsumkehr verbessert.

Je nach Ausführung ist die beschriebene Vorgehensweise gene­ rell während eines Bremsvorgangs aktiv, wenn eine Abbrems­ phase des Motors folgt, in anderen Ausführungsbeispielen nur in Sonderbetriebszuständen, beispielsweise während eines An­ tiblockierregeleingriffes, eines Antriebsschlupfregelein­ griffes, eines Eingriffes eines Stabilitätsprogramms und/oder während einer Bewegungsrichtungsumkehr.

Die Ausführung der Haltebremse als stromlos geschlossen ist ebenfalls beispielhaft. In anderen Ausführungen wird die Haltebremse zum Schließen angesteuert.

Die dargestellte Vorgehensweise wird im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel als Programm eines Rechners der Steuereinheit 10 ausgeführt. Dabei ist ein wie anhand des Flussdiagramms der Fig. 2 dargestelltes Programm für jede elektromotorisch betriebene Radbremse des Fahrzeugs vorgesehen. In einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel sind dies ausschließlich die Hinterachsräder, ausschließlich die Vorderachsräder oder al­ le vier Räder eines Fahrzeugs.

Das in Fig. 2 dargestellte Programm läuft in vorgegebenen Zeitintervallen während eines aktiven Verstellvorgangs der Stelleinrichtung ab. Nach Start des Programmteils bei Erken­ nen einer vorhandenen Regelabweichung wird im Schritt 100 die Haltebremse gelöst, d. h. bestromt. Daraufhin wird im Schritt 102 die zur Ansteuerung der Stelleinrichtung der elektromotorischen Radbremse ausgegebene Größe des Ansteuer­ signals τ auf der Basis der Regelabweichung Δ nach Maßgabe der vorgesehenen Reglerstrategie gebildet. Im darauffolgen­ den Schritt 104 wird überprüft, ob eine Abbremsphase des Elektromotors mit hoher Dynamik beginnt. Dies wird z. B. dann angenommen, wenn eine sprungförmige Veränderung des Sollwer­ tes, eine schnelle Änderung des Sollwertes, eine Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung mit großer Geschwindig­ keit stattgefunden hat oder wenn eine kleine Regelabweichung bei hoher Motordrehzahl NMOT vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so liegt ein normaler Regeleingriff vor, an den keine besonderen dynamischen Anforderungen gestellt werden, so dass es bei der Ausgabe des Ansteuersignal mit der in Schritt 102 berechneten Größe sein Bewenden hat. Daher wird im Schritt 106 überprüft, ob die Regelabweichung 0 geworden ist, d. h. ob der Regeleingriff beendet ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Programm mit Schritt 102 wiederholt, an­ dernfalls wird im Schritt 108 die Haltebremse betätigt, d. h. stromlos geschaltet und das Programm bis zum nächsten Ver­ stelleingriff beendet.

Hat Schritt 104 ergeben, dass eine Abbremsphase mit hoher dynamischer Anforderung an die Stelleinrichtung beginnt, so wird im Schritt 110 die Haltebremse betätigt, d. h. stromlos geschaltet. Daraufhin wird im Schritt 112 überprüft, ob die­ se Abbremsphase des Elektromotors beendet ist, d. h. ob sich der Istwert nicht mehr verändert bzw. seine Veränderung ei­ ner Richtungsumkehr vollzogen hat, der Motor zum Stillstand gekommen ist (Drehzahl Null), etc. Ist dies nicht der Fall, wird gemäß Schritt 114 die Größe des Ansteuersignals τ wei­ terhin auf der Basis der aktuellen Regelabweichung Δ gebil­ det, dieser Wert ausgegeben und das Programm mit Schritt 110 wiederholt.

Wurde in Schritt 112 eine Beendigung der Abbremsphase ermit­ telt, so wird im Schritt 116 die Haltebremse wieder gelöst, d. h. bestromt, und das Programm mit Schritt 106 fortgefah­ ren.

Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorgehenswei­ se ist anhand eines Zeitdiagramms in Fig. 3 dargestellt. Hier wird entsprechend der Darstellung der Fig. 4 der zeit­ liche Verlauf des Sollwerts SOLL und des Istwerts IST des Regelkreises dargestellt sowie der zeitliche Verlauf der Drehzahl NMOT des Elektromotors. Auch hier wird zunächst von einer Betriebssituation ausgegangen, in der ein vorgegebener Sollwert SOLL vorliegt. Infolge der herrschenden Abweichung zwischen Soll- und Istwert wird der Elektromotor während der Phase I beschleunigt. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt ein Rück­ sprung des Sollwertes auf den Wert 0. Damit verbunden ist eine schnelle Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung, was zu einer entsprechenden Veränderung des Ansteuersignals führt. Es liegt also eine Anforderung an eine hohe dynami­ sche Verstellgeschwindigkeit des Elektromotors in entgegen­ gesetzter Bewegungsrichtung vor. Die Abbremsphase beginnt. Daher wird zum Zeitpunkt t0 die Haltebremse stromlos ge­ schaltet, d. h. geschlossen. Infolge der erhöhten Reibung sinkt die Motordrehzahl schnell ab (vergleiche Phase II). Bei Erreichen des Wertes 0 der Motordrehzahl, d. h. bei Stillstand des Motors, und/oder bei Änderung der Verände­ rungsrichtung des Istwertes wird die Haltebremse wieder be­ stromt, d. h. geöffnet. Die Abbremsphase ist beendet. Infol­ ge des weiterhin vorherrschenden großen Regelabweichung wird eine Bestromung des Elektromotors vorgenommen, die zu einer Beschleunigung des Elektromotors in entgegengesetzter Rich­ tung führt. Am Ende der Phase III hat der Elektromotor seine Maximaldrehzahl erreicht, so dass zum ordentlichen Ein­ schwingen des Istwertes auf den Sollwert ein Abbremsen des Elektromotors erfolgen muss. Zu diesem Zweck wird auch am Ende der Phase III die Haltebremse stromlos geschaltet, so dass aufgrund der vermehrten Reibung ein schnelles Absinken der Motordrehzahl auf den Wert 0 stattfindet (vergleiche Phase IV). Bei Erreichen des Motorstillstands wird die Hal­ tebremse wieder geöffnet bzw. für den Fall, dass der Regel­ vorgang abgeschlossen ist, geschlossen gehalten.

Ein direkter Vergleich der Fig. 3 und 4 zeigt die deutli­ che Verkürzung des Regelvorgangs, insbesondere der Ab­ bremsphase, und die erhebliche Erhöhung der Dynamik der Ver­ stellgeschwindigkeit.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung einer elektromotorisch betriebe­ nen Radbremse, wobei mittels eines Ansteuersignals eine ei­ nen Elektromotor umfassende Stelleinrichtung der Radbremse betätigt wird, wobei über ein weiteres Ansteuersignal eine Verriegelungseinrichtung betätigt wird, welche die Stellein­ richtung der Radbremse verriegelt, dadurch gekennzeichnet, dass während Abbremsphasen des Elektromotors der Stellem­ richtung die Verriegelungseinrichtung betätigt wird, so dass die Reibung im Bereich der Stelleinrichtung und/oder der Radbremse vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung dann geschlossen wird, wenn ei­ ne hohe dynamische Verstellgeschwindigkeit gefordert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung geschlossen ist, wenn eine schnelle Veränderung des der Regelung der Radbremse zugrunde liegenden Sollwertes, ein Vorzeichenwechsel der Regelabwei­ chung stattgefunden hat und/oder wenn bei kleiner Regelab­ weichung eine hohe Motordrehzahl vorliegt.

4. Vorrichtung zur Steuerung einer elektromotorischen Rad­ bremse, mit einer Steuereinheit, welche Ansteuersignale zur Betätigung einer einen Elektromotor umfassenden Stellein­ richtung sowie einer die Stelleinrichtung verriegelnde Ver­ riegelungseinrichtung einer Radbremse ausgibt, wobei die Steuereinheit das Ansteuersignal in Abhängigkeit einer Re­ gelabweichung ermittelt, so dass während eines Verstellvor­ gangs Beschleunigungsphasen und Abbremsphasen des Elektromo­ tors der Stelleinrichtung auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein Ansteuersignal für die Verriege­ lungseinrichtung zur Erhöhung der Reibung im Bereich der Stelleinrichtung und/oder der Radbremse erzeugt während ei­ ner Abbremsphase des Elektromotors der Stelleinrichtung.

5. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3 durchzu­ führen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

6. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3 durch­ zuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer ausge­ führt wird.