DE19825113B4 - Verfahren und eine Mikroprozessorsteuerung zum Ermitteln einer Druckänderung in einem Hydrauliksystem - Google Patents
Verfahren und eine Mikroprozessorsteuerung zum Ermitteln einer Druckänderung in einem Hydrauliksystem Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zur Abschätzung von Druckänderungen in einem Hydrauliksystem mit einem ersten Volumenspeicher (A) und wenigstens einem zweiten Volumenspeicher (B), der mit dem ersten Volumenspeicher (A) über ein Ventil (3) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a) Vorgeben einer Druckdifferenz (pA – pB) zwischen erstem Volumenspeicher (A) und zweitem Volumenspeicher (B), b) Berechnen eines in einem vorgegebenen Zeitintervall (T) zwischen erstem Volumenspeicher (A) und zweitem Volumenspeicher (B) durch das Ventil (3) ausgetauschten Volumens (ΔV) anhand eines zu Beginn des Zeitintervalls (T) geltenden Werts der Druckdifferenz (pA – pB), c) Ermitteln eines zur Erzielung gleicher Drücke in beiden Volumenspeichern (A, B) zwischen diesen auszutauschenden Volumens (ΔVeq) unter Verwendung einer Beziehung (fA) zwischen Druck (p) und Volumen (V) für den ersten Volumenspeicher (A) und einer Beziehung (fA+B) zwischen Druck (p) und Volumen (V) für das gesamte Hydrauliksystem (A + B), d) wenn der Betrag des in Schritt b) berechneten ausgetauschten Volumens (ΔV) grösser ist als der des in Schritt c) berechneten auszutauschenden Volumens (ΔVeq): Ersetzen des Werts des ausgetauschten Volumens (ΔV) durch den des auszutauschenden Volumens (ΔVeq), und e) Ermitteln der Druckänderungen der Volumenspeicher (A, B) anhand des in Schritt d) erhaltenen Volumenwerts (ΔVeq bzw. ΔV).
Description
- Stand der Technik
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Mikroprozessorsteuerung zum Ermitteln einer Druckänderung in einem Hydrauliksystem nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.
- Solche Verfahren werden insbesondere in Antiblockier-Regelsystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Derartige Systeme sind zum Beispiel aus
DE 43 40 921 A1 ,DE 40 12 167 A1 oderDE 40 30 724 A1 bekannt. Ferner beschreibt dieDE 195 37 258 C2 eine Fahrzeugbremsanlage, bei der Druckdifferenzen und Differenzvolumenströme zwischen verschiedenen Bereichen ermittelt werden.DE 196 32 311 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Hydraulikpumpe einer geregelten Bremsanlage, bei der radindividuell der Bremsdruckverlauf ermittelt wird. - Das Bremssystem eines Kraftfahrzeuges bildet ein Hydrauliksystem mit einem Hauptbremszylinder, Bremskammern in den Fahrzeugrädern und einem Bremskreis, der den Hauptbremszylinder mit den Bremskammern verbindet. Diese Komponenten können als eine Mehrzahl von Volumenspeichern aufgefasst werden, wobei jeder Volumenspeicher durch sein Volumen, seinen Druck und seine Verbindungen mit den anderen Volumenspeichern für die Modellierung vollständig charakterisiert ist. Das Antiblockiersystem ist eine zyklisch arbeitende elektronische Schaltung, die aber eine Mehrzahl von Sensoren den Druck in dem Hauptbremszylinder sowie die Bewegungseigenschaften der Räder erfasst und durch Ansteuern von zwischen dem Hauptbremszylinder und den Radbremskammern angeordneten Einlassventilen versucht, einen Bremsdruck einzustellen, mit dem gewünschte Bewegungseigenschaften der Räder wie etwa Drehgeschwindigkeit oder Schlupf möglichst genau erreicht werden. Dazu ist es erforderlich, den Druck abschätzen zu können, der sich in den Radbremskammern einstellt, wenn diese durch (zeitweiliges) Öffnen eines Ventils mit einem Teil des Bremskreises verbunden werden, der einen höheren oder niedrigeren Druck aufweisen kann als den, der vor dem Öffnen des Ventils in der Radbremskammer herrscht. Die zyklische Arbeitsweise der Regelschaltung führt dabei zu dem Problem, daß die Regelschaltung nur in bestimmten Zeitabständen neue Werte der zu berücksichtigenden Parameter erfassen kann. Die von der Schaltung vorgenommene Regelung muß sich an diesen Parameterwerten so lange orientieren, bis neue zur Verfügung stehen, tatsächlich ändern sich die Werte dieser Parameter aber fortlaufend zwischen zwei Erfassungszeitpunkten. Systematische Fehler bei der Regelung sind die Folge.
- Betrachtet man zwei Volumenspeicher, die über ein Ventil miteinander verbunden sind (siehe
1 ), so ist der Volumenstrom q vom druckhöheren in den druckniedrigeren Volumenspeicher nach Bernoulli gegeben durch:q = α·A·(2/ρ)½·ΔP - Aufgabe und Vorteile der Erfindung
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zur Abschätzung von Druck- und/oder Volumenänderungen in einem Hydrauliksystem einzugeben, bei dem diese Dauerschwingungen ausgeschlossen sind.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder eine Mikroprozessorsteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Unteransprüche sind jeweils auf vorteilhafte Weiterentwicklungen des Verfahrens gerichtet.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
- Figuren
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Systems; -
2 Druck-Volumen-Kennlinien des ersten Volumenspeichers sowie des gesamten Systems aus1 ; und -
3 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
4 eine schematische Darstellung eines bekannten Kraftfahrzeug-Bremssystems. -
5 eine Darstellung eines Beispiels für Kraftfahrzeug-Bremssystem, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist. - Ausführungsbeispiele
- Das in
4 dargestellte Kraftfahrzeug-Bremssystem ist bekannt und soll daher nur so weit erläutert werden, wie dies zum Verständnis der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein solches System nötig ist. - Das Kraftfahrzeug-Bremssystem umfaßt einen Hauptbremszylinder
1 , der über eine Hochdruckleitung2 und mit einem Dreistellungsventil3 verbunden ist. In der gezeigten Stellung (1) verbindet das Dreistellungsventil3 die Hochdruckleitung2 mit der Bremskammer4 eines Rades, so daß Bremsfluid in die Radkammer strömen und einen Bremsdruck aufbauen kann. In einer zweiten Stellung (2) des Dreistellungsventils ist die Bremskammer4 von der Hochdruckleitung2 getrennt. In einer dritten Stellung (3) ist sie mit einer Niederdruckleitung5 verbunden, über die Bremsfluid zu einer Speicherkammer6 und einer Förderpumpe7 abfließen kann. Die Förderpumpe fördert Bremsfluid in die Hochdruckleitung2 und hält so dort einen erhöhten Druck aufrecht. Weitere (nicht dargestellte) Ventile und Radbremskammern sind parallel zum Ventil3 und der Radbremskammer4 angeschlossen. -
1 zeigt stark schematisiert ein hydraulisches System, bestehend aus zwei Volumenspeichern A, B mit Volumina VA, VB, die durch ein Ventil3 getrennt sind und unterschiedliche Drücke pA, pB haben können. Dieses System kann selbstverständlich wiederum Teil eines größeren Systems sein. Bei der bevorzugten Anwendung des Verfahrens im Rahmen einer Druckregelung für ein Kraftfahrzeug ist der erste Volumenspeicher A Teil des Bremskreises des Kraftfahrzeuges, z. B. die Hochdruckleitung2 oder die Niederdruckleitung5 mit der Speicherkammer6 . Der zweite Volumenspeicher B kann die Bremskammer eines einzelnen Rades des Kraftfahrzeuges sein. - Für jeden Volumenspeicher A, B sowie für das Gesamtsystem A + B existiert eine pV-Kennlinie fA, fB bzw. fA+B, mit der sich aus dem Druck im Volumenspeicher das dazugehörige Volumen Vi = fi(Vi) (i = A, B, A + B) angeben läßt, wobei fA+B die Summe von fA und fB ist. Für den Systemdruck im Gleichgewichtszustand bei geöffneten Ventil gilt
psystem = pA = pB = fA+B(VA + VB) - Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von
2 und3 wird zunächst angenommen, daß das hydraulische System sich beim Druck p0 im Gleichgewicht befindet. Durch einen äußeren Einfluß wie etwa Ingangsetzen der Förderpumpe erhöht sich der Druck im Volumenspeicher A von p0 auf p1. Aus der Kennlinie fA(p) von2 läßt sich ablesen, daß dieser Druckänderung eine Änderung des Volumens des ersten Volumenspeichers von VA0 um_ΔVA auf VA1 entspricht. Folglich ist ΔVA auch die Volumenänderung des Gesamtsystems. An der Kennlinie fA+B des Gesamtsystems erkennt man, daß dieser Volumenänderung nur eine Druckzunahme auf den zwischen p0 und p1 liegenden Wert peq entspricht. Dieses ist der Gleichgewichtsdruck, der sich in dem System bei geöffnetem Ventil2 langfristig einstellen würde. Um diesen Wert zu erreichen, muß das Volumen ΔVeq vom Volumenspeicher A in den Speicher B verlagert werden. -
3 veranschaulicht den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flußdiagramms. Das Verfahren kann von einer herkömmlichen Mikroprozessorsteuerung abgearbeitet werden, die bekannt ist und an dieser Stelle nicht eingehend beschrieben werden muß. Ein Speicher der Steuerung enthält eine erste Tabelle und eine zweite Tabelle, in der das Volumen des ersten bzw. zweiten Volumenspeichers jeweils als Funktion des darin herrschenden Druckes aufgelistet ist, und eine dritte Tabelle, aus der sich der Druck des im Gleichgewicht befindlichen Hydrauliksystems als Funktion von dessen Volumen ablesen läßt. - Es wird angenommen, daß das System sich zu Beginn eines Steuervorganges beim Druck p0 im Gleichgewicht befindet. Durch einen externen Steuervorgang wie etwa Ingangsetzen der Förderpumpe erhöht sich der Druck im ersten Volumenspeicher, der Hochdruckleitung
2 , auf p1. Der Druck im zweiten Volumenspeicher hat zunächst weiterhin den Wert p0. Der Mikroprozessor berechnet in Schritt10 zunächst den Volumenstrom Δq vom ersten in den zweiten Volumenspeicher nach der oben genannten Bernoulli-Formel für eine Druckdifferenz Δp = p1 – p0. Eine Abschätzung des zwischen den beiden Volumenspeichern innerhalb eines Arbeitszyklus des Mikroprozessors ausgetauschten Volumens ΔV wird in Schritt20 erhalten durch Multiplizieren des Volumenstromes Δq mit der Dauer T des Zyklus bzw. der Öffnungsdauer des Ventils3 während des Zyklus, wenn diese geringer als die Zyklusdauer ist. Wie oben erläutert, ist das so berechnete ausgetauschte Volumen systematisch zu groß. - In Schritt
30 bestimmt der Mikroprozessor deshalb anhand der ersten Tabelle das Volumen VA0 = fA(p0) des ersten Volumenspeichers vor Eintritt der Druckänderung, das dem geänderten Druck p1 entsprechende Volumen VA1 = fA(p1) des ersten Volumenspeichers und bestimmt die Differenz ΔVA zwischen beiden. Da sich zu Beginn des Regelvorganges der Druck im zweiten Volumenspeicher und damit dessen Volumen noch nicht geändert hat, ist die Volumenänderung des Gesamtsystems gegeben durch ΔVA. Der Mikroprozessor bestimmt den Gleichgewichtsdruck peq für das derart geänderte Gesamtvolumen durch Nachschlagen in der dritten Tabelle (Schritt40 ). Das diesem Druck entsprechende Volumen VAeq des ersten Volumenspeichers wird wiederum anhand der ersten Tabelle bestimmt. Die Differenz ΔVeq = VA1 – VAeq gibt das zum Erzielen eines neuen Druckgleichgewichtes zwischen den Volumenspeichern auszutauschende Volumen an. Es ist eine obere Grenze, die in der Realität nicht überschritten werden kann. Deshalb vergleicht der Mikroprozessor in Schritt60 den Wert ΔV mit dieser Differenz, und wenn sich letztere als kleiner herausstellt, wird ΔV durch sie ersetzt (Schritt70 ) und als Schätzwert der Volumenänderung für diesen Arbeitszyklus verwendet. In diesem Fall hat das Hydrauliksystem am Ende des Zyklus wieder ein Gleichgewicht erreicht. - Wenn sich in Schritt
60 herausstellt, daß ΔV kleiner als besagte Differenz ist, ist das Verfahren für den laufenden Arbeitszyklus beendet, aber das Hydrauliksystem befindet sich noch nicht wieder im Gleichgewicht, und das Verfahren muß für den nachfolgenden Arbeitszyklus wiederholt werden. Die in diesem Zyklus verwendeten Druckwerte p1 im ersten und p0 im zweiten Volumenspeicher werden aus denen des vorherigen Arbeitszyklus erhalten durch Subtrahieren bzw. Addieren des ausgetauschten Volumens ΔV und Ermitteln der den so erhaltenen Volumenwerten entsprechenden Drücke in beiden Volumenspeichern anhand der Beziehungen fA, fB. Diese sind in einem Speicher, auf den der Mikroprozessor zugreifen kann, vorab in Tabellenform gespeichert. Alternativ können sie als vom Prozessor auszuführende Unterprogramme implementiert sein, die die Berechnung des Drucks in einem Volumenspeicher in Funktion von dessen Volumen bzw. des Volumens in Funktion des Drucks gestatten. - Das Verfahren ist auf Systeme mit mehreren zweiten Volumenspeichern anwendbar, die über Ventile mit dem ersten Volumenspeicher verbunden sind.
- Sind z. B. n identische zweite Speicher mit identischen Ventilen vorhanden und die Anfangsdrücke in allen zweiten Speichern gleich, so können diese zweiten Speicher als ein Speicher mit n-fachem Volumen und einem Ventil mit n-fachem Querschnitt behandelt werden.
- Sind die zweiten Speicher, Ventile und/oder Anfangsdrücke unterschiedlich, so können die in
3 dargestellten Verfahrensschritte in jedem Zyklus für jeden dieser zweiten Volumenspeicher ohne Berücksichtigung der anderern durchgeführt werden. Vor Beginn eines Folgezyklus wird der Druck p1 im ersten Volumenspeicher unter Berücksichtigung aller Volumenströme in die zweiten Speicher berechnet. - Das Verfahren kann über eine Mehrzahl von Zyklen wiederholt werden, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist oder neue Meßwerte oder Schätzwerte von Druck und/oder Volumen zur Verfügung stehen, an denen das Modell neu geeicht werden kann.
- Ein Beispiel für ein System, in dem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet, ist in
5 gezeigt. Dieses System ist ein Kraftfahrzeug-Bremssystem, das zur Anwendung in Zusammenhang mit einer Antiblockierregelung oder allgemein einer Fahrdynamikregelung geeignet ist. Es umfaßt einen Hauptbremszylinder1 , von dem aus sich zwei Hochdruckleitungen2 über im in der Figur gezeigten Ruhezustand offene Umschaltventile USV1, USV2 zu vier Einlaßventilen EVHR, EVHL, EVVL, EVVR erstrecken. Die Einlaßventile sind sogenannte 2/2-Magnetventile, auch sie sind im Ruhezustand offen. Die Bremskammern4 der vier Räder HR, HL, VL, VR sind über Leitungsstücke8 jeweils an den Ausgang des zugeordneten Einlaßventil sowie einen Eingang eines zugeordneten Auslaßventils AVHR, AVHL, AVVL, AVVR angeschlossen. Die Auslaßventile sind ebenfalls 2/2-Magnetventile, sie sind im Ruhezustand geschlossen, ihre Ausgänge münden auf zwei Niederdruckleitungen5 , eine für die vorderen und eine für die hinteren Räder des Kraftfahrzeugs. Jede Niederdruckleitung umfaßt eine Speicherkammer6 und ist an eine Förderpumpe sRFP1, sRFP2 angeschlossen, die Bremsfluid aus der Niederdruckleitung in die Hochdruckleitung2 fördert. - Eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) steuert einzeln den Schaltzustand jedes Ein- und Auslaßventils durch selektives Erregen von dessen Elektromagnet.
- Bei Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer erhöht sich der Druck im Hauptbremszylinder
1 und infolgedessen, über die offenen Einlaßventile, auch in den Radbremskammern4 . Wenn die Steuerschaltung mit Hilfe eines angeschlossenen Sensors das drohende Blockieren eines Rades, etwa des Rades HR, erfaßt, schaltet sie Ein- und Auslaßventil EVHR bzw AVHR aus ihrem Ruhezustand in einen aktiven Zustand, in dem das Einlaßventil EVHR sperrt und das Auslaßventil AVHR sich öffnet, so daß der Druck in der Radbremskammer4 wieder abfällt. - Nachdem die Steuerschaltung infolge des nachlassenden Bremsdrucks wieder das freie Drehen des Rades erfaßt, schließt sie das Auslaßventil wieder und erhöht durch kurzzeitiges Öffnen des Einlaßventils stufenweise wieder den Druck in der Radbremskammer, solange bzw. so oft, bis erneut drohendes Blockieren erfaßt wird.
- Die Steuerschaltung kann nun mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens den Druckanstieg in den Bremszylindern während des oben beschriebenen kurzzeitigen Öffnens der Einlaßventile modellieren, wobei sie die Bremszylinder
1 und Hochdruckleitung2 als ersten Volumenspeicher und die Radbremskammern4 jeweils einschließlich der zugeordneten Leitungsstücke8 als zweite Volumenspeicher behandelt. - Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Verringern des Drucks in einer Radbremskammer zum Einsatz kommen, wobei dann die Radbremskammer
4 und das zugeordnete Leitungsstück8 als erster Volumenspeicher und das Niederdruckleitungssystem5 mit den Speicherkammern6 als zweiter Volumenspeicher behandelt wird.
Claims (8)
- Verfahren zur Abschätzung von Druckänderungen in einem Hydrauliksystem mit einem ersten Volumenspeicher (A) und wenigstens einem zweiten Volumenspeicher (B), der mit dem ersten Volumenspeicher (A) über ein Ventil (
3 ) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a) Vorgeben einer Druckdifferenz (pA – pB) zwischen erstem Volumenspeicher (A) und zweitem Volumenspeicher (B), b) Berechnen eines in einem vorgegebenen Zeitintervall (T) zwischen erstem Volumenspeicher (A) und zweitem Volumenspeicher (B) durch das Ventil (3 ) ausgetauschten Volumens (ΔV) anhand eines zu Beginn des Zeitintervalls (T) geltenden Werts der Druckdifferenz (pA – pB), c) Ermitteln eines zur Erzielung gleicher Drücke in beiden Volumenspeichern (A, B) zwischen diesen auszutauschenden Volumens (ΔVeq) unter Verwendung einer Beziehung (fA) zwischen Druck (p) und Volumen (V) für den ersten Volumenspeicher (A) und einer Beziehung (fA+B) zwischen Druck (p) und Volumen (V) für das gesamte Hydrauliksystem (A + B), d) wenn der Betrag des in Schritt b) berechneten ausgetauschten Volumens (ΔV) grösser ist als der des in Schritt c) berechneten auszutauschenden Volumens (ΔVeq): Ersetzen des Werts des ausgetauschten Volumens (ΔV) durch den des auszutauschenden Volumens (ΔVeq), und e) Ermitteln der Druckänderungen der Volumenspeicher (A, B) anhand des in Schritt d) erhaltenen Volumenwerts (ΔVeq bzw. ΔV). - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand der in Schritt e) erhaltenen Druckänderung die nach dem Volumenaustausch herrschende Druckdifferenz (pA – pB) zwischen den Volumenspeichern (A, B) bestimmt und die Schritte a) bis e) für die erhaltene Druckdifferenz (pA – pB) wiederholt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die Beziehung zwischen dem Druck (pA, pB, pA +B) in einem Volumenspeicher (A, B) und/oder im gesamten Hydrauliksystem (A + B) und dem entsprechenden Volumen (Va, Vb, Va+b) eine Kennlinie (fA, fB, fA+B) verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in Schritt c) das Volumen (VA1) des ersten Volumenspeichers nach der Druckänderung anhand der Beziehung (fA) für den ersten Volumenspeicher (A) ermittelt wird, die mit der Änderung des Volumens (VA) des ersten Volumenspeichers (A) einhergehende Änderung (ΔVA) des Volumens (VA) des gesamten Hydrauliksystems (A + B) ermittelt wird, der dem geänderten Volumen (ΔVA) des gesamten Hydrauliksystems (A + B) entsprechende Druck (peq) anhand der Beziehung (fA+B) für das Gesamtsystem (A + B) ermittelt wird, und das auszutauschende Volumen (ΔVeq) anhand des so erhaltenen Drucks (peq) und der Beziehung (fA) für den ersten Volumenspeicher (A) oder ggf. der Beziehung (fB) für den zweiten Volumenspeicher (B) ermittelt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) die Bernoulli-Gleichung verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Volumenspeicher (VA) ein Bremskreis eines Kraftfahrzeugs ist und der zweite Volumenspeicher (VB) durch eine oder mehrere Bremskammern (
4 ) von Rädern (HR, HL, VR, VL) des Kraftfahrzeugs gebildet ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Abschätzung von Druck- und/oder Volumenänderungen in einem Hydrauliksystem mit mehreren mit dem ersten Volumenspeicher (
4 ,8 ) durch ein Ventil (3 ) verbundenen zweiten Volumenspeichern (6 ), bei dem die Schritte b), c), d) für jeden der zweiten Volumenspeicher (6 ) ausgeführt werden und in Schritt e) die Druckänderung anhand der in Schritt d) für sämtliche zweiten Volumenspeicher (6 ) erhaltenen Volumenwerte ermittelt wird. - Mikroprozessorsteuerung mit einem Speicher, auf dem ein Programm abgespeichert ist, welches ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
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