Steuerung eines elektromechanischen Aktuatoriksystems

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Berechnung eines angepassten Strompulses zur Steuerung eines elektromechanischen Aktuatoriksystems.

Aktuatoren bilden einen wesentlichen Teil elektronischer Regelsysteme in Fahrzeugen. Ihre Aufgabe besteht darin, die elektrischen Signale des Steuergerätes in eine Aktion beispielsweise in eine Verstellbewegung - linear oder auch rotatorisch- umzusetzen.

Elektromechanische Aktuatoren werden beispielsweise im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Hierbei kann der Aktuator in Kombination mit entsprechenden Sensoren zur Kupp- lungsaktuierung einer Klauenkupplung eines Schaltgetriebes, zur Aktuierung der Trennkupplung im Hybridgetriebe, als Parksperrenaktuator, Aktuierung der Diffe- renzialsperre, Schaltaktuierung in mehrgängigen Achsen eingesetzt werden.

In automatisierten Schaltgetrieben lassen sich die einzelnen Gänge durch beispielsweise hydraulische oder elektrische Aktuatoren einlegen. Üblicherweise wird ein Gang eingelegt, indem durch wenigstens einer der Aktuatoren eine Schaltgabel bewegt wird, die mit einer Schiebemuffe mechanisch gekoppelt. Zum Einlegen eines Ganges wird ausgehend von einer Neutralstellung N durch Verschiebung der Schaltgabel und somit der Schiebemuffe ein Formschluss zwischen der drehfest mit einer Welle verbundenen Schiebemuffe und einem Ganglosrad hergestellt, das auf dieser Welle sitzt. Beim Formschluss stehen Zähne einer Innenverzahnung der Schiebemuffe mit Zähnen eines dem Ganglosrad zugeordneten Kupplungsrads im Eingriff. Ist der Formschluss hergestellt und hat Schiebemuffe einen Endanschlag erreicht, befindet sich die Schaltgabel bzw. die Schiebemuffe in der Gangposition.

Zur Ansteuerung des Aktuators, mit dem sich die Schaltgabel bewegen lässt, ist üblicherweise ein Sensor zur Bestimmung der Position der Schaltgabel notwendig. Bezüglich der Erkennung der Gangposition der Gänge eines einzelnen Schaltgetriebes gibt es neben der Streuung bedingt durch den Sensor auch noch mechanische Ungenauigkeiten, Streuungen und Spiele, wie z. B. durch Axiallagerspiele, Wellen- und Schaltgabelverformungen. Zudem gibt es in einer Großserie zwischen den einzelnen Getrieben auch noch Variationen im Endanschlag, die aufgrund der Toleranzen der Einzelbauteile entstehen.

Herkömmliche Verfahren wie in der DE 10 2007 057 203 B4 zur Ansteuerung eines Aktuators regeln die Position einer der Schaltgabel auf eine definierte Gangposition. Aufgrund der vorhandenen Streuungen kann dies zu Problemen führen. Liegt beispielsweise beim Gangeinlegen die wirkliche Gangposition vor der für die Regelung zu Grunde gelegte Gangposition, wird die angestrebte Endposition scheinbar nicht erreicht. Dies kann eine unbegründete Fehlermeldung verursachen. Im Gegensatz dazu kann die durch die Regelung angestrebte Gangposition vor der eigentlichen Gangposition liegen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass die Regelung zu früh abschaltet und die Schiebemuffe noch nicht die Position des Beginns des Einzugseffekts erreicht hat, sodass der Gang unerwünscht rausspringen kann. Die Schaltgabel wird entsprechend der vorliegenden Erfindung über den Aktuator ausgehend von einer ersten Schaltstellung, nämlich einer Neutralstellung, in zumindest eine zweite Schaltstellung, nämlich eine Gangstellung, und umgekehrt bewegt, wobei die Position des Aktuators bei einer Schaltanforderung in die Neutralstellung oder in die Gangstellung auf Grundlage eines hinterlegten mechanischen Spiels zwischen dem Aktuator und der Schaltgabel und einem durch den Zustandsautomaten generierten, der jeweiligen Schaltanforderung zugeordneten Vorzeichen korrigiert wird.

Bei dem Aktuator handelt es sich um einen positionsgesteuerten Aktuator, wie beispielsweise einen hydraulischen, elektromotorischen, elektromechanischen oder pneumatischen Aktuator. Der Aktuator wird über eine Steuereinheit gesteuert oder geregelt.

Im Stand der Technik, der noch nicht veröffentlichten DE 10 2021 204 859.5, wird die Schaltstellung der Schaltgabel über zumindest einen Sensor, wie beispielsweise einen Hall-Sensor, bestimmt, wobei ein Sensorsignal des Sensors in dem Zustandsautomaten verarbeitet wird. Der Sensor befindet sich dabei an dem Aktuator.

Um die Kosten eines zusätzlichen Positionssensors zu sparen, muss die Übersetzung zwischen Ritzel und verzahnter Schaltgabel so gestaltet sein, dass der gesamte Axialweg der Schaltgabel unter Berücksichtigung einer Verschleißreserve innerhalb einer Umdrehung des Aktuator-Motors um 360° bewältigt werden kann.

Die Kommunikation zwischen dem kommandierenden Steuergerät des Fahrzeugs und dem Anbausteuergerät des Aktuators läuft über einen Fahrzeug-Bus.

Die Haupt-Anforderungen an ein elektromechanisches Aktuatoriksystem sind Forderungen bezüglich der Reaktionszeiten.

Bei der Zuschaltung der Klauenkupplung soll eine Gesamtschaltzeit von 80ms ausreichen.

Bei der Abschaltung ist eine Gesamtschaltzeit von 100ms bei einem Restmoment kleiner oder gleich 20Nm gewünscht, wobei die Klauenkupplung gegen ein Restmoment von 30Nm geöffnet werden soll.

Um diese Vorgaben zu erreichen, wurde bisher eine PT1 -Filterung, also eine proportionale Übertragung mit einer Verzögerung erster Ordnung, des Differenzdrehzahlsignals, gewonnen aus der Drehzahl der beiden zu verbindenden Achsen, vorgenommen, um von der Taktzeit des Fahrzeugbusses, 10ms, auf die interne Taktzeit des Rechners in der Ansteuerung der Klauenkupplung von 2ms zu kommen. Die Filterung ist notwendig, da der Gradient der Differenzdrehzahl als Schaltkriterium eingesetzt ist.

Die Ansteuerung der Kupplung erfolgt über einen PI-Regler. Der in einem Regelkreis eingebundene Regler wirkt so auf eine Regelstrecke ein, dass sich eine zu regelnde Größe mit Hilfe einer negativen Rückführung unabhängig von Störeinflüssen auf das Niveau der gewählten Führungsgröße einstellt.

Dabei erfolgt keine Anpassung der Regelstrategie in Abhängigkeit des Restmoments beim Entkoppeln.

Das Öffnen der Kupplung gegen ein noch anliegendes Restmoment wird durch Anlegen eines Konstantstroms erreicht.

Das Lösen einer detektierten Blockade während des Schaltens wird über den integrierenden Anteil des PI-Reglers umgesetzt.

Die Mängel bzw. Probleme, die sich dadurch ergeben, sind überwiegend der sehr direkten Ansteuerung geschuldet und der dadurch sehr engen Wegverhältnisse und der sehr hohen Agilität des Systems.

Bei angemessener PT1 - Filterung entsteht ein initialer Zeitverlust im Bereich 10 bis 15ms. Des Weiteren stimmt die aktuelle reale Differenzdrehzahl nicht mit deren internen Signalwert überein, was zu unkomfortablen Schaltungen führen kann. Bei zu schwacher Filterung kann die Gradienten-Bedingung erst bei fertig eingeregelter Differenzdrehzahl erreicht werden. Um die geforderte Schaltzeiten zu erreichen, müsste der P-Anteil des Reglers sehr hoch gewählt werden, was zu einem Aufschwingen des Reglers im Zielbereich führen kann.

Bei einer Blockade durch zu hohem Restmoment in der Nähe der Zahn-Zahn-Po- sition, bei minimaler Überlappung, kommt es beim Abschalten durch den anliegenden Strom und dem dadurch elastisch vorgespannten System zu einer schlagartigen Entlastung, sobald der Überlappungsbereich überwunden ist. Diese erzeugt eine massive Beschleunigung des Systems Richtung Auskuppel-Anschlag. Durch das geringe Lüftspiel der Klauenkupplung kann der PID-Regler nicht schnell genug reagieren, um eine Schaltmuffe abzubremsen und es kommt zu einem harten Anfahren gegen Anschlag, der im Dauerlauf sehr bald zu einer Beschädigung der Mechanik führt.

Der notwendige Aktuatorstrom, um das System gegen Restmoment zu öffnen, ist in etwa proportional zum anliegenden Restmoment. Die daher erforderlichen 30A bei 30Nm kann der Aktuator aus thermischen Gründen nur sehr kurz aufrechterhalten. Da das jeweils exakte Restmoment nicht bekannt ist, kann nur ein Kompromiss aus notwendiger Stromstärke und sich daraus ergebender ertragbarer Dauer als Konstantstrom eingestellt werden. Es kann dadurch zu unzulässig langen Auslege-Vorgängen kommen.

Durch den Stromfluss kommt es schnell zu einer übermäßigen thermischen Belastung des Aktuators, wenn ausreichend Strom zur Behebung von Blockaden vorgegeben wird. Das passiert auch bei sanfter Parametrierung des PID-Reglers, ohne dass die Blockade gelöst werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Aktuatoriksystems bereitzustellen, wobei das Aktuatoriksys- tem zum mechanischen Koppeln und Entkoppeln zweier Elemente mit einem Elektromotor als Aktuator dient, für das die Probleme der bestehenden Systeme und Verfahren behoben werden.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Aktuatoriksystems, wobei das Aktuatoriksystem zum mechanischen Koppeln und Entkoppeln zweier Elemente mit einem Elektromotor als Aktuator dient, wobei der Aktuator mit einem Untersetzung wirkverbunden gekoppelt ist, die eine Drehung eines Untersetzungsrads bis 360° Grad als Antrieb für eine Verstellbewegung eines Stellglieds und im weiteren eine Verstellbewegung eines der zu koppelnden Elemente vorsieht, wobei als Eingangsgröße einer Steuer- und Auswerteeinheit eine Differenzdrehzahl (Solldrehzahl zu Istdrehzahl der zu koppelnden Elemente), der gewünschte Verstellweg auf eine Zielposition, die maximal zu Verfügung stehende Zeit zur Erzielung des gewünschten Verstellwegs herangezogen werden, und wobei in Abhängigkeit der Eingangsgrößen und einer Energiebeziehung die durch den Aktuator bestimmt wird, gemäß der Formel E_mech=(J*cü ² ) /2 « R*l ² *At = E_el ein trägheits- und drehzahladäquater Strompuls berechnet und wobei der Verstellweg durch Anlegen dieses berechneten Strompulses an den Aktuator schnell durchfahren wird und wobei das endgültige Einregeln auf die Zielposition des Stellglieds über einen PI-Regler erfolgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein schnelles und sicheres Entkoppeln und Koppeln zweier zu koppelnden Elemente eines Aktuatoriksystems ermöglicht. Zusätzliche Sensoren sind hierfür nicht erforderlich. Für Beschleunigung und Abbremsung des Aktuators werden wie obenstehend angegeben adäquate Strompulse eingesetzt. Da die Trägheit des Systems praktisch nur durch den Rotor des Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) gegeben ist und diese bekannt ist, kann der notwendige Strompuls für die Erreichung einer gewünschten Solldrehzahl, ausgehend von einer vorliegenden Ausgangsdrehzahl des Aktuatormotors berechnet werden. Nachdem die Strompulse entsprechend ausgeführt wurden, wird auf den PI-Regler umgeschaltet, der dann die endgültige Position präzise einregeln kann. Die Einregelung über den PI-Regler ist dann zeitunkritisch, da das System bereits ge- oder entkoppelt ist.

Durch den Umstand, dass im vorliegenden System keine Federwirkung vorliegt und praktisch die gesamte Trägheit durch den Rotor des Aktuators verursacht wird, kann über die Energiebeziehung im Beschleunigungspulsmodus, wie folgt definiert werden:

E_mech=(J*cü ² ) /2 « R*l ² *At = E_el.

Von einer gewünschten Drehzahländerung kann damit auf den dafür nötigen Strompuls f (I, At) geschlossen werden.

Bei entsprechender sprungartiger Änderung der Drehzahlvorgabe An soll entsprechend der oberen Formel ein Wert für die Stromstärke des Pulses für die Beschleunigung berechnet werden. Ausgehend von der Differenz Solldrehzahl zu Ist- drehzahl unter der Berücksichtigung, dass der Puls so kurz wie möglich sein soll, aber auf 2ms diskretisiert, und dabei eine parametrierbare maximale Stromstärke nicht überschreiten darf, wird ein Strompuls generiert.

Sobald der Strompuls fertig ausgeführt wurde, wird wieder der parallel gerechneten, regulären Reglervorgabe gefolgt. Durch variable Gestaltung der Pulsdauer (At) soll es weiters ermöglicht werden, den Pulsstrom etwas länger aufrecht zu erhalten, um bei geringerem Maximalstrom eine ähnlich hohe Dynamik zu erreichen. Dadurch lässt sich das Verfahren auch bei Systemen mit limitiertem Maximalstrom anwenden.

Sobald der Strompuls fertig ausgeführt wurde, soll wieder der parallel gerechneten, regulären Reglervorgabe gefolgt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Aktuatoriksys- tem einen Elektromotor als Aktuator und eine Klauenkupplung, wobei das Verfahren in dieser bevorzugten Ausführungsform für das Ein- und Auslegen der Klauenkupplung mit dem Aktuator und einer Untersetzung, die eine Drehung eines Unter- setzungsrads bis 360° als Antrieb für eine Schwenkbewegung einer Schaltgabel und im weiteren eine axiale Bewegung einer Schaltmuffe vorsieht, wobei als Eingangsgröße eine Differenzdrehzahl Klaue zur Welle bestimmt wird, die innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen soll, ist das nicht der Fall wird ein Prädiktionsschritt vorgenommen, in dem das Differenzdrehzahlsignal geschätzt wird, und zur sofortigen Initiierung des Aktuators dient, wobei der Axialweg durch Anlegen von Strompulsen an den Aktuator schnell durchfahren wird, und wobei das endgültige Einregeln auf eine Zielposition der Schaltgabel über einen PI-Regler erfolgt.

Das gemäß dieser Weiterbildung zur Verfügung stehende Verfahren führt zu einer Verbesserung der Funktion durch schnelleren Start des Schaltvorganges, was bis zu 20% Zeitersparnis bei einer direkten Konfiguration von „Zahn auf Lücke“ ergibt.

Die Erfindung resultiert in einer Verbesserung der Funktion durch schnelleres Durchfahren des Axialweges, nämlich der Verringerung der charakteristischen Verfahrzeit des Axialwegs von ~90ms auf ~30ms. Das schnelle Zuschalten bewirkt einen zusätzlichen positiver Effekt, da es erheblich seltener zu einer Schaltblockade auf Grund von Torsionsschwingungen der Seitenwelle kommt.

Ohne das erfindungsgemäße Verfahren wäre es mit dem gegebenen Aktuatorik- system nicht möglich, die geforderten Parameter des Systems umzusetzen. Ein ansonsten notwendiger stärkerer Aktuatormotor hätte genauso einen deutlichen Kostennachteil wie eine höhere Übersetzung auf Grund des dann notwendigen Sensors.

Erfindungsgemäß wird ein Prädiktionsschritt auf Basis des jeweils gewichteten Differenzenquotienten der Differenzdrehzahl und Differenzenquotienten des so gewonnenen Signals ausgeführt.

Die jeweils initiale Bewegungsänderung des Aktuators um einer Solldrehzahländerung zu folgen, erfolgt mit einem Strompuls, der abhängig vom Aktuator-Drehzahl- fehler und von der Ankerträgheit ist, sofern die vorgegebene Änderung einen bestimmten Wert übersteigt. Dieser Strompuls dient dazu, den Aktuator entweder zu beschleunigen oder abzubremsen. Direkt im Anschluss an den Strompuls wird wieder auf herkömmliche Regelstrategie zurückgegriffen.

Eine Überprüfung auf eine Schaltblockade erfolgt kontinuierlich, wobei der Aktuator mit einem Strompuls zur Auflösung der Blockade beaufschlagt wird, sollte eine Blockade vorliegen.

Eine Notbremsfunktion ist vorhanden, die bei der Gefahr eines Anschlagens mit einer zu hohen Restgeschwindigkeit aktiviert wird.

Die Notbremsfunktion führt zu einer Verbesserung des Verschleißes und der Lebensdauer und zur Kosteneinsparung: Ohne die Notbremsfunktion kommt es zu übermäßigem Verschleiß des Aktuator-Zweiflach, der dann schließlich zum Bruch desselben führt. Ohne diese Notbremsfunktion wäre eine deutlich massivere und damit teurere Ausführung der Aktuatorikkomponenten notwendig.

Die thermische Belastung des Systems wird überwacht und das Risiko einer Überhitzung durch Herunterregeln der Frequenz und/oder des Stroms der Strompulse wird minimiert.

Durch die thermische Überwachung verbesset sich der Verschleiß und die Lebensdauer: Durch die Überwachung kommt es zu keinen thermischen Überlastungen mehr, die ansonsten den Controller für den gesamten Zyklus deaktivieren würden. Auch wirken sich regelmäßige Überlastungen negativ auf den Verschleiß der elektronischen Schalter aus, die bei regelmäßiger Überbeanspruchung schneller ihr Lebensende erreichen.

Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem System für das Ein- und Auslegen einer Klauenkupplung mit einem Aktuator und einer Untersetzung, die eine Drehung eines Untersetzungsrads bis 360° als Antrieb für eine axiale Bewegung einer Schaltgabel vorsieht.

Ein Controller bewirkt die Betätigung des Aktuators, wobei der Controller die Signale zur Kupplungsbetätigung über einen Fahrzeugbus erhält.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens anhand eines Schaltvorgangs einer Klauenkupplung,

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Differenzdrehzahl und des Gradienten - Vergleich Filter zu Prädiktion,

Fig. 3 zeigt einen Verlauf des Schaltablaufs mit Pulsstrategie,

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Pulse,

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm der thermischen Belastung. In Figur 1 ist das Verfahren 1 als gesamter Ablauf anhand eines Aktuatoriksys- tems, mit einem Elektromotor als Aktuator und einer Klauenkupplung, dargestellt.

Der Elektromotor ist dabei vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC).

Eine Schaltanforderung 2 wird zum Start über den Fahrzeugbus empfangen.

Der Controller überprüft in Schritt 3, ob die Differenzdrehzahl dnCluRaw Klaue zur Welle innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Ist das nicht der Fall, springt der Controller auf den Prädiktionsschritt 4 zur Bestimmung des Differenzdrehzahlsignals.

Eine Prädiktion des Differenzdrehzahlsignals zu einer dnCluPred auf Basis des jeweils gewichteten Differenzenquotienten der Differenzdrehzahl dnCluRaw sowie des Differenzenquotienten des so gewonnenen Signals erfolgt dann, wenn kein Signalupdate verfügbar ist oder wenn die gemessene Differenzdrehzahl dnCluRaw nicht im vergebenen Bereich liegt. Die Umsetzung im Controller erfolgt durch die Verwendung der Differenzen der letzten beiden Signalwerte von dnCluRaw und deren Differenzen.

Der so gewonnene Wert ersetzt den außerhalb der vorgegebenen Bereiche liegenden Wert dnCluPred im Schritt 3.

Wenn der Wert jetzt akzeptabel ist, wird der Aktuator der Klauenkupplung angesprochen, und zwar mit einem Beschleunigungspuls 5 abhängig von einem Aktuator-Drehzahlfehler, bestimmt als Abweichung Zieldrehzahl zu Istdrehzahl. Dabei kann die Solldrehzahl 30 abhängig von der Art der Anforderung unter unterschiedlichen Modi gewählt werden.

Der Controller überprüft im Schritt 6, ob eine Zahn-Zahn-Detektionsschwelle überschritten wird. Ist das der Fall wird ein Bremsimpuls 7 abhängig vom Aktuator- Drehzahlfehler ausgegeben.

In Schritt 8 wird geprüft, ob ein Zahn-Zahn-Zustand erkannt und der Aktuator dadurch blockiert wird. Wird eine Blockade in Schritt 8 festgestellt, wird am Aktuator eine Einregelung 9 mit der Zahn-Zahn-Stromvorgabe des Controllers eingeleitet.

Im Überprüfungsschritt 10 wird festgestellt, ob eine Zahn-Überlappungsschwelle überschritten ist. Wenn ja, erfolgt ein Beschleunigungspuls 11.

Im nächsten Schritt 12 wird mit Einregeln die Solldrehzahl 30 erreicht, wobei der PI-Regler eingesetzt wird.

Der PI-Regler prüft im Schritt 14, ob eine Schaltblockade erkannt wurde. Ist das zu bejahen, werden wiederum ein Stromimpulse P1..Pn zum Lösen der Blockade 15 angelegt. Wenn nein, wird überprüft, ob die Überlappung ausreicht, Schritt 13.

Bei positiver Feststellung erfolgt ein Bremsimpuls 16 und das Einregeln 17 der Zielposition mit dem PI-Regler.

Die Klauenkupplung ist somit korrekt geschlossen.

Für Beschleunigung und Abbremsung des Aktuators werden adäquate Strompulse eingesetzt. Da die Trägheit des Systems praktisch nur durch den Rotor des BLDC gegeben ist und diese bekannt ist, kann der notwendige Strompuls für die Erreichung einer gewünschten Solldrehzahl 30, ausgehend von einer vorliegenden Ausgangsdrehzahl des Aktuatormotors berechnet werden. Nachdem die Strompulse entsprechend ausgeführt wurden, wird auf den PI-Regler umgeschaltet, der dann die endgültige Position präzise einregeln kann. Die Einregelung über den PI Regler ist dann zeitunkritisch, da das System bereits ge- oder entkoppelt ist.

Um das Problem des Anfahrens gegen den Anschlag bei Vorliegen einer Blockade während des Auslegens zu adressieren, wurde eine Notbremsfunktion implementiert, die bei Erkennung eines solchen Falles innerhalb von 6ms eine adäquate Gegenspannung vorgibt und das System damit abbremst. Die notwendige hohe Reaktionsgeschwindigkeit ist nur durch die Direktvorgabe der Spannung möglich, die zu Strompulsen führt.

Der Ablauf ist in Figur 1 auf der rechten Seite für das Auslegen der Kupplung dargestellt.

Ausgehend von der Anforderung 18 zum Auslegen der Kupplung überprüft der Controller, ob das Restmoment unter einem Schwellwert liegt. Erst wenn das Restmoment klein genug ist, erfolgt in Schritt 20 ein Beschleunigungspuls. Danach wird in 21 die Solldrehzahl 30 mittels eines PI Reglers eingeregelt.

Dabei wird in 22 überprüft, ob eine Schaltblockade vorliegt, die dann über Strompulse P1..Pn in 23 gelöst wird. Weiterhin wird abgefragt, ob der Überlappungsbereich 24 verlassen wurde, wenn nein, läuft der Regelprozess weiter, wenn ja kontrolliert der Controller in 25, ob die Drehzahl zu hoch ist. Sollte das der Fall sein, wird die Notbremsfunktion 26 aktiviert., die dann zum Einregeln 28 der Zielposition führt. Ohne Aktivierung der Notbremsfunktion 26 wird ein moderate Bremsimpuls 27 abgegeben, der ebenfalls in das Einregeln 28 der Zielposition mündet. Die Klauenkupplung ist geöffnet.

Die Verwendung von Strompulsen P1..Pn führt dazu, dass beim Erkennen einer Blockade diese aufgelöst werden kann. Es wird bei Blockieren des Aktuators im Schaltvorgang zuerst das vorgespannte System entlastet und dann ein Maximalstrompuls mit IMax vorgegeben, um auch die Trägheit des Systems für das Lösen der Blockade ausnutzen zu können.

Während des gesamten Puls-Prozesses wird die thermische Belastung des Systems überwacht und damit das Risiko einer Überlastung ausgeschlossen. Zusammengenommen ergeben all diese Einzelmaßnahmen eine charakteristische Betriebsstrategie, ohne die die Ansteuerung eines derart direkt angesteuerten Klauenkupplungssystems unter Einhaltung der vorgegebenen Parameter nicht möglich wäre.

Die Berechnung der Prädiktion 4 des Differenzdrehzahlsignales dnCluPred erfolgt folgendermaßen: dnCluPred(n)

> C dnClu(m), dnCu(m) aktuell

(dnCluPred(n — 1) + fad * dnCluDiff(m) + fac2 * (dnCluDiff(m) — dnCluDiff(m — 1)), sonst dnCluDiff(m)= dnClu(m)-dnClu(m-1 ) fad , fac2 frei wählbar (Parameter) m Laufindex zur Beschreibung des Bustaktes n Laufindex zur Beschreibung des Modell-Rechentaktes

Es wird hier also eine Fallunterscheidung gemacht, ob gerade ein aktuelles Differenzdrehzahl zur direkten Übernahme, also dnCluPred(n) = dnClu(m), am Fahrzeugbus vorliegt (Empfang im langsameren Takt, etwa 10ms), oder ob in den Schritten dazwischen (Controller rechnet im schnelleren Takt, etwa 2ms), wo kein aktuelles Signal vom Bus zur Verfügung steht, die Differenzdrehzahl prädiziert wird anhand von dnCluPred(n) = dnCluPred(n-1 )+

Das Ergebnis kann dann noch gefiltert werden. Die Berechnung des Gradienten erfolgt durch den Differenzenquotienten des gefilterten dnCluPred-Signals nämlich dnCluPredFilt. Dabei kann eine Mittelung über jeweils 1 bis 4 Werte durchgeführt werden. Ein Vergleich der Prädiktionsmethode zur herkömmlichen Filterung anhand eines tatsächlich aufgezeichneten Synchronisiervorgangs findet sich in Figur 2 in den Kurven grdDnCluPredFilt und grdDnCluFilt im oberen Drittel des Graphen.

Durch den Umstand, dass im vorliegenden System keine Federwirkung vorliegt und praktisch die gesamte Trägheit durch den Rotor des Aktuators verursacht wird, kann über die Energiebeziehung im Beschleunigungspulsmodus, wie folgt definiert werden:

E_mech=(J*cü ² ) /2 « R*l ² *At = E_el.

Von einer gewünschten Drehzahländerung kann damit auf den dafür nötigen Strompuls f (I, At) geschlossen werden.

Bei entsprechender sprungartiger Änderung der Drehzahlvorgabe An soll entsprechend der oberen Formel ein Wert für die Stromstärke des Pulses für die Beschleunigung berechnet werden. Ausgehend von der Differenz Solldrehzahl 30 zu Istdrehzahl 31 unter der Berücksichtigung, dass der Puls so kurz wie möglich sein soll, aber auf 2ms diskretisiert, und dabei eine parametrierbare maximale Stromstärke nicht überschreiten darf, wird ein Strompuls generiert.

Sobald der Strompuls fertig ausgeführt wurde, wird wieder der parallel gerechneten, regulären Reglervorgabe gefolgt.

Bremsstrompulsmodus funktioniert analog zum Beschleunigungspuls nur unter Umkehrung der Vorzeichen für Drehzahlen und Ströme.

Das schematische Vorgehen bei einer Zuschaltung ist in Figur 3 graphisch dargestellt.

Das Auslösekriterium für einen Puls ist ein Sprung in der Drehzahlvorgabe, d.h. die Solldrehzahl 30 erhöht sich von einem Ausgangswert um die Null auf um die 1800 Umdrehungen pro Minute. Die Istdrehzahl 31 steigt bei 0,03 stark an, um dann in dem Zeitfenster zwischen 0,04s und in etwa 0, 1 s im Zahn-Zahn-Bereich 40 bei 50 Umdrehungen zu verbleiben. Ein rascher Anstieg folgt der Entscheidung, dass die Sollposition der axialen Verschiebung der Schaltgabel, hier definiert durch den Drehwinkel des Untersetzungsrads, fast erreicht ist und der Reduktion der Drehzahl und dem Einschwingen im PI- Reglerbereich 50.

Die Strompulsstärke und -dauer errechnet sich aus dem Drehzahlfehler. Dadurch kann auf spezielle, bekannte Positionen Rücksicht genommen werden, wie beispielsweise Abbremsen vor einer Zahn-Zahn-Position in der Zeitdauer von 0,02 bis 0,1 Sekunden, um ein Anschlägen zu verhindern. Dadurch ist auch eine gewisse Spreizung in der Betriebsstrategie wie ein schnelles Schalten im Vergleich zu einem lärm- und vibrationsarmen optimiertes Schalten möglich. Zum Zeitpunkt 0,12s ist die Sollposition fast erreicht und die restlichen, kleine Abweichungen werden im Zeitfenster 0,12 bis 0,18s über den PI-Regler geregelt.

Der Sollwinkel 32 wird auf einen Winkel von circa 300° eingestellt. Der Istwinkel 33 folgt über eine Position im Zahn-Zahn-Bereich von 100° auf die Sollposition.

Der gesamte Einkoppelvorgang wird vom Controller überwacht, sobald die beiden Bedingungen Istwinkel 33 < Schwellwert und Istdrehzahl 31 > Schwellwert erfüllt sind, wird sofort in den Notbremsmodus geschalten und dabei über eine hinterlegte Tabelle direkt die Vorgabespannung für den Aktuator in Abhängigkeit der Istdrehzahl 31 vorgegeben.

Der gesamte Entkoppelvorgang wird überwacht, sobald die beiden Bedingungen Iststrom > Schwellwert und Istdrehzahl 31 < Schwellwert für gewisse, parametrierbare Zeit gegeben sind, wird das gepulste Öffnen gestartet. Das schematische Vorgehen dabei ist in Figur 4 graphisch dargestellt. Im Graph ist im oberen Bereich der Verlauf eines Sollstrom Isoll über der Zeit t dargestellt. Im unteren Bereich wird der Istwinkel <p Ist über der Zeit aufgetragen. Ausgehend vom initialen Haltestrom Unit steigt der Strom im Puls P1 bis zu einem maximalen Pulsstrom IMax an. Der Strom IMax wird einen Haltedauer T1 gehalten. Über eine Abbaudauer T2 reduziert sich der Strom entlang einer Stromabbaurampe Ides auf einen minimalen Pulsstrom IMin. Während einer Entspanndauer T3 wird der Strom auf null abgesenkt.

Bei jedem Puls des Stromes steigt der Drehwinkel um einen Deltabetrag A<p an, bis ein Sollwinkel <pSoll erreicht ist.

Der Ablauf des Blockierpulsvorganges mit thermischer Überwachung ist in Figur 5 als Ablaufdiagramm dargestellt.

Auf ein Stromimpuls zum Lösen der Blockade 15 wird ein Strompuls maximaler Stärke Imax erzeugt. Wenn die thermische Belastung über einem Schwellwert TSchw liegt, wird der Aktuator auf einen Haltstrom llnt zur Abkühlung heruntergeregelt. Aus diesem Zustand erfolgt die Regelung auf den minimalen Strom IMin des Pulses. Nach der Zeitdauer T2 wird überprüft, ob die maximale Anzahl der Pulse erreicht ist, wenn nicht, wird der maximale Strom IMax wieder erzeugt.

Ist keine thermische Überlastung zu erkennen pendelt der Strompuls zwischen IMax und IMin hin und her.