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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 032 037 B4 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem über ein Lenkrad, welches über ein Lenkritzel einer Lenksäule an einer Zahnstange angreift, ein Lenkmoment auf die Zahnstange aufgebracht werden kann. Ferner verfügt das Lenksystem nach diesem Stand der Technik über eine elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit, die einen elektrischen Antrieb umfasst, wobei mit Hilfe der Lenkmomentunterstützungseinheit ein elektrisches Unterstützungslenkmoment auf die Zahnstange aufgebracht werden kann.
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Aus der
DE 10 2006 044 088 A1 ist ein Verfahren bekannt, Antriebseinflüsse auf die Lenkung von front- oder allradgetriebenen Fahrzeugen mittels einer elektronischen Servolenkung auszugleichen. Diese Antriebseinflüsse werden durch ein permanent aktiviertes Simulationsmodell des Antriebsstrangs ermittelt. Auf dieser Grundlage wird das Ausgleichsmoment für die Servolenkung berechnet.
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Bei Lenksystemen mit einer solchen elektrischen Lenkmomentunterstützungseinheit bereitet es Schwierigkeiten, am Lenkrad dem Fahrer ein aussagekräftiges Lenkgefühl bereitzustellen, da eine elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit eine große Trägheit, insbesondere Rotationsträgheit, aufweist. Hierdurch wird die Übertragung von Fahrbahnsignalen auf das Lenkrad stark reduziert, wodurch letztendlich ein synthetisches Lenkgefühl für den Fahrer verursacht wird. Es besteht daher ein Bedarf an einem Lenksystem mit einer elektrischen Lenkmomentunterstützungseinheit, bei welchem für den Fahrer ein synthetisches Lenkgefühl vermieden und demnach für den Fahrer das Lenkgefühl verbessert werden kann.
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Hierzu ist es aus der
DE 10 2008 022 552 A1 bereits bekannt, mithilfe mindestens eines Sensors eine auf ein Lager der elektrischen Lenkmomentunterstützungseinheit wirkende Lagerkraft zu erfassen, wobei die Lenkmomentunterstützungseinheit das von derselben aufzubringende Unterstützungslenkmoment abhängig von dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment und abhängig von der messtechnisch erfasste Lagerkraft erzeugt. Hierdurch ist es bereits möglich, die große Trägheit der elektrischen Lenkmomentunterstützungseinheit in gewissem Umfang zu umgehen und dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl bereitzustellen. Es besteht jedoch Bedarf an einer weiteren Verbesserung im Hinblick auf das für den Fahrer realisierbare Lenkgefühl.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Lenksystem eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, mit welchem das Lenkgefühl weiter verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird das von einem Fahrer am Lenkrad aufzubringende Lenkmoment sowie eine von diesem Lenkmoment abhängige, auf die Lenkmomenterstützungseinheit einzuwirkende Sollkraft von einer Vorgabeeinrichtung bestimmt, wobei die vom Sensor erfasste, auf die Lenkmomenterstützungseinheit tatsächlich einwirkende Istkraft mit der Sollkraft verglichen wird, und wobei eine der Vorgabeeinrichtung unterlagerte Regeleinrichtung abhängig von der Abweichung zwischen der Istkraft und der Sollkraft für den elektrischen Antrieb der elektrischen Lenkmomenterstützungseinheit eine Stellgröße derart erzeugt, dass die Abweichung zwischen der Istkraft und der Sollkraft verschwindet. Durch die Erfindung wird ein für den Fahrer aussagekräftiges Lenkgefühl im Sinne einer Lenkrückmeldung von der Straße bereitgestellt. Ein synthetisches Lenkgefühl, bei dem Rückmeldungen von der Straße nur unzureichend berücksichtigt werden, kann derart zumindest weitestgehend vermieden werden.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem vorgeschlagen, dass einerseits über eine Vorgabeeinrichtung zur Vorgabe eines vom Fahrer aufzubringenden Lenkmoments sowie andererseits eine dieser Vorgabeeinrichtung unterlagerte bzw. untergeordnete Regeleinrichtung zur Regelung der auf die Lenkmomentunterstützungseinheit einwirkenden Kraft umfasst. Erfindungsgemäß wird demnach eine kaskadiert Lenkmomentvorgabe mit untergeordneter Regelung der auf die elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit einwirkenden Kraft vorgeschlagen. Hierzu wird eine Istkraft messtechnisch erfasst und mit einer Sollkraft verglichen, die von dem von der Vorgabeeinrichtung bestimmten Lenkmoment abhängig ist. Hierdurch ist es letztendlich möglich, die Trägheit der elektrischen Lenkmomentunterstützungseinheit sowie Reibungseffekte automatisch zu kompensieren. Ein sich beim Fahren einstellendes Rückstellmoment an Rädern einer zu lenkenden Achse muss lediglich die verbleibende Trägheit und Reibung des Lenkgetriebes, das heißt, ohne Unterstützungseinheit, bewegen, wodurch das Verhalten des erfindungsgemäßen Systems, welches eine elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit umfasst, dem Verhalten eines Lenksystems mit hydraulischer Lenkmomentunterstützungseinheit entspricht. Dadurch wird ein optimales Lenkgefühl, das heißt, ein zumindest nahezu volles Frequenzband an Rückmeldungsinformationen, für einen Fahrer gewährleistet.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die der Vorgabeeinrichtung unterlagerte Regeleinrichtung als Zustandsregler, insbesondere als linear quadratisch, vorzugsweise linear quadratisch, das heißt, ohne Unterstützungseinheit, optimierter Zustandsregler, mit Zustandsgrößenrückführung ausgebildet.
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Die Verwendung eines Zustandsreglers als Regeleinrichtung zur Regelung der auf die Lenkmomentunterstützungseinheit einwirkenden Kraft ist bevorzugt, da ein solcher Zustandsregler für den Verwendungszweck ausreichend robust und stabil ausgelegt werden kann.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenksystems;
- 2 ein Blockschaltbild zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Lenksystems; und
- 3 ein Blockschaltbild für ein Detail der 2.
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1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das Lenksystem eine Zahnstange 10 umfasst, an welcher über nicht gezeigte Spurstangen Räder 11, 12 angreifen. Bestandteil des Lenksystems ist weiterhin ein Lenkrad 13, welches über ein Lenkritzel 14 einer Lenksäule 15 mit der Zahnstange 10 gekoppelt ist, wobei über das Lenkrad 13 von einem Fahrer ein Lenkmoment ML auf die Zahnstange 10 aufgebracht werden kann.
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Bei der Lenksäule 15 kann es sich z. B. um eine mechanische oder hydraulische oder elektrische Lenksäule handeln. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lenksäule 15 zweigeteilt und umfasst einen ersten Lenksäulenabschnitt 16 und einen zweiten Lenksäulenabschnitt 17, die über ein Kardangelenk 18 gekoppelt sind.
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Weiterhin umfasst das Lenksystem der 1 eine elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit 19, die einen elektrischen Antrieb 20 sowie eine Übersetzungsstufe 21 umfasst, wobei der elektrische Antrieb 20 über die Übersetzungsstufe 21 an der Zahnstange 10 angreift. Mit Hilfe des elektrischen Antriebs 20 ist ein elektrisches Unterstützungslenkmoment MM über die Übersetzungsstufe 21 auf die Zahnstange 10 aufbringbar.
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Gemäß 1 ist die elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit 19 über ein Lager 22 an einem Lenkgehäuse 23 gelagert, wobei das Lager 22 zwischen dem Lenkgehäuse 23 und der Übersetzungsstufe 21 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 ausgebildet ist.
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Während der Fahrt wirken auf die Zahnstange 10 als Fahrbahnsignale sogenannte Spurstangenkräfte FSL, FSR ein. Da eine elektrische Lenkmomentunterstützungseinheit 19 über eine große träge Masse verfügt, werden die Spurstangenkräfte FSL, FSR von der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 bei aus dem Stand der Technik bekannten Lenksystemen frequenzabhängig absorbiert, sodass bei aus dem Stand der Technik bekannten Lenksystemen nur unzureichend Fahrbahnsignale auf das Lenkrad 13 übertragen werden können, sodass sich für den Fahrer ein synthetisches, das heißt, rückmeldungsarmes Fahrgefühl ergibt.
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Neben den bereits erwähnten Komponenten verfügt das erfindungsgemäße Lenksystem über einen Sensor 24, mithilfe dessen eine auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 einwirkende Kraft messtechnisch erfasst werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieser Sensor 24 dem Lager 22 bzw. Lenkgehäuse 23 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 zugeordnet und dient der messtechnischen Erfassung der auf das Lager 22 wirkenden Lagerkraft FG.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Sensor auch an einer anderen Stelle der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 positioniert sein bzw. angreifen kann, um eine auf die Lenkmomentunterstützungseinheit einwirkende Kraft, die wiederum von den Spurstangenkräften FSL und FSR abhängig ist, messtechnisch zu bestimmen. Als Sensor kann auch ein virtueller Sensor verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem umfasst eine Vorgabeeinrichtung 25, mithilfe derer ein von einem Fahrer am Lenkrad 13 aufzubringendes Lenkmoment ML sowie eine von diesem Lenkmoment ML abhängige, auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 einwirkende Sollkraft bestimmt werden kann. Die Vorgabeeinrichtung 25 bestimmt dabei das von dem Fahrer am Lenkrad 13 aufzubringende Lenkmoment ML sowie die von diesem Lenkmoment ML abhängige Sollkraft abhängig von einem Lenkwinkel α, den der Fahrer am Lenkrad 13 vorgibt, sowie abhängig von weiteren Hilfsgrößen X, zu welchen zum Beispiel eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs gehört.
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Die Vorgabeeinrichtung 25 gibt demnach als Ausgangsgrößen das vom Fahrer am Lenkrad 13 aufzubringende Lenkmoment ML sowie die bereits erwähnte Sollkraft, die auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 abhängig einwirken soll, aus, wobei es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel bei dieser Sollkraft um eine Sollkraft FG,SOLL für die Lagerkraft FG handelt.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem umfasst zusätzlich zu der bereits erwähnten Vorgabeeinrichtung 25 gemäß 2 und 3 eine Regeleinrichtung 26, der als Eingangssignal die Abweichung zwischen der Sollkraft FG,SOLL und der messtechnisch erfassten Istkraft FG,IST zugeführt wird. Die Istkraft FG,IST kann alternativ oder zusätzlich berechnet bzw. geschätzt werden. Die Regeleinrichtung 26 erzeugt auf Basis der Abweichung zwischen der Sollkraft FG,SOLL und der Istkraft FG,IST als Ausgangsgröße ein Stellsignal I für den elektrischen Antrieb 20 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19, wobei es sich bei dieser Stellsignal I bevorzugt um einen Ansteuerstrom für den elektrischen Antrieb 20 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 handelt.
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Die Stellsignal I für den elektrischen Antrieb 20 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wird dabei von der Regeleinrichtung 26 derart erzeugt, dass die Abweichung zwischen der Istkraft FG,IST und der Sollkraft FG,SOLL verschwindet bzw. in etwa Null beträgt.
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Wie bereits ausgeführt, wirken während der Fahrt als Fahrbahnsignale die Spurstangenkräfte FSL und FSR auf die Zahnstange 10 und damit auf die Übersetzungsstufe 21 der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 ein. Diese haben auch Einfluss auf die Lagerkraft FG und damit die messtechnisch erfasste, auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wirkende Istkraft FG,IST, wobei bedingt durch die erfindungsgemäße Struktur des Lenksystems über die Regeleinrichtung 26 die als Störgrößen wirkenden Spurstangenkräfte FSL und FSR ausgeregelt werden können, was letztendlich auch Auswirkungen auf das vom Fahrer am Lenkrad 13 aufzubringende Lenkmoment ML hat.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die der Vorgabeeinrichtung 25 unterlagerte bzw. untergeordnete Regeleinrichtung 26 als Zustandsregler mit Zustandsgrößenrückführung gebildet, wobei hierzu die Regeleinrichtung 26 einen Beobachter 27 umfasst, der auf Grundlage des von der Vorgabeeinrichtung 25 vorgegebenen Lenkmoments ML sowie auf Grundlage der vom Sensor 24 erfassten, auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wirkenden Istkraft FG,IST Zustandsgrößen ZG des Lenksystems ermittelt. Der Sensor 24 ist hier vorzugsweise als Rotorlagesensor ausgebildet.
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Diese Zustandsgrößen ZG werden mit einer Verstärkungsmatrix 28 für die Zustandsgrößen ZG verrechnet.
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Die Regelabweichung zwischen der auf die Lenkmomentunterstützungseinheit wirkenden Istkraft FG,IST und der entsprechenden Sollkraft FG,SOLL wird in der Regeleinrichtung 26 über einen Integrator 29 geführt, wobei die Ausgangsgröße des Integrators 29 mit einem Verstärkungsfaktor 30 verrechnet wird. Das Stellsignal I der Regeleinrichtung 26 entspricht der Summe der Ausgangssignale von Verstärkungsmatrix 28 und Verstärkungsfaktor 30.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Regeleinrichtung 26 um einen linearquadratisch optimierten Zustandsregler. Beim Beobachter 27 handelt es sich vorzugsweise um einen Kalman-Filter.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem zeichnet sich demnach durch eine kaskadierte Vorgabeeinrichtung 25 für das Lenkmoment ML mit untergeordneter bzw. unterlagerter Regeleinrichtung 26 für die auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wirkende Kraft aus. Die Vorgabeeinrichtung 25 für das Lenkmoment ML gibt dabei als Ausgangsgröße weiterhin eine Sollkraft FG,SOLL für die auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wirkende Kraft aus, wobei die entsprechende Istkraft FG,IST mithilfe des Sensors 24 messtechnisch erfasst wird, der vorzugsweise am Lager 22 des Lenkgehäuses 23 angreift.
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Die Vorgabe des Lenkmoments ML und damit auch der Sollkraft FG,SOLL durch die Vorgabeeinrichtung 25 erfolgt abhängig vom Lenkwinkel α am Lenkrad 13 sowie abhängig von den Hilfsgrößen X, wobei es sich bei einer Hilfsgröße X zum Beispiel um die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs handelt. Bei einer weiteren Hilfsgröße X kann es sich um die Lenkgeschwindigkeit und damit den zeitlichen Gradienten des Lenkwinkels α handeln.
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Gemäß 2 werden der Vorgabeeinrichtung 25 als weitere Eingangsgrößen Y messtechnisch erfassbare Zustandsgrößen der Zahnstange 10 sowie des Lenkritzels 14 zugeführt, wobei es sich bei diesen messtechnisch erfassbaren Zustandsgrößen Y um Winkel, Wege sowie zeitliche Gradienten dieser Winkel und Wege handeln kann.
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Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei der Regeleinrichtung 26, die der Vorgabeeinrichtung 25 untergeordnet ist und der Regelung der auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 wirkenden Kraft FG dient, um einen Zustandsregler. Es sei darauf hingewiesen, dass auch andere Regler, wie zum Beispiel PID-Regler, verwendet werden können. Die Verwendung eines Zustandsreglers verfügt jedoch über den Vorteil, dass derselbe eine gute Robustheit und Stabilität aufweist.
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Verstärkungsmatrix 28 sowie der Verstärkungsfaktor 30 können jeweils konstant bzw. im Betrieb unveränderlich oder im Betrieb automatisch anpassbar sein. Dann, wenn die Verstärkungsmatrix 28 sowie der Verstärkungsfaktor 30 des Zustandsreglers adaptiv bzw. automatisch anpassbar sind, kann das Regelverhalten des Lenksystem an sich ändernde Betriebsbedingungen automatisch angepasst werden.
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Die Regeleinrichtung 26 zur Regelung der auf die Lenkmomentunterstützungseinheit 19 einwirkenden Kraft FG stellt entsprechend der gewünschten Sollkraft FG,SOLL sowie abhängig vom aufzubringenden Lenkmoment ML eine entsprechende Istkraft FG,IST an der Zahnstange 10 ein. Bei jedem möglichen Fahrzustand stehen dabei die inneren Kräfte des Lenksystems mit den äußeren Kräften in einem dynamischen Gleichgewicht. Die inneren Kräfte setzten sich aus dem Lenkmoment ML, dem Unterstützungsmoment MM sowie der Kraft FG sowie aus Reibkräften zusammen. Die äußeren Kräfte werden über die Räder und Achskinematik auf die Zahnstange weitergegeben, es handelt es sich hierbei um die Spurstangenkräfte FSL und FSR. Erfolgt eine Änderung der äußeren Kräfte, so verfügt die Regeleinrichtung 26 noch über eine gleiche Stellgrößenvorgabe. Die Änderung der äußeren Kräfte muss dann durch eine entsprechende Änderung im Lenkmoment ML, welches durch den Fahrer aufgebracht werden soll, abgefangen werden. Der Fahrer nimmt diese Momentänderung des Lenkmoments ML als Rückmeldung der Straße wahr. Zeitlich versetzt nach dieser Wahrnehmung durch den Fahrer wird eine Änderung der inneren Kräfte bewirkt. Beim erfindungsgemäßen Lenksystem können Trägheiten der Lenkmomentunterstützungseinheit 19 sowie Reibungseffekte über den inneren Regelkreis automatisch kompensiert werden. Dadurch ist es möglich, dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl zu vermitteln. Das beim erfindungsgemäßen Lenksystem vermittelbare Lenkgefühl entspricht dem Lenkgefühl, wie es bei Lenksystemen mit hydraulischer Lenkkraftunterstützungseinheit bekannt ist.
