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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung, bei dem auf einen Drehstab der Lenkvorrichtung wirkende, störungsinduzierte Schwingungen erfasst werden und die Frequenz und Amplitude der störungsinduzierten Schwingungen analysiert werden, wobei bei Überschreiten eines Grenzwertes der Amplitude der störungsinduzierten Schwingungen eine Lenkstabilisierungsfunktion der Lenkunterstützungseinrichtung aktiviert wird, die ein Ansteuersignal für einen elektrischen Motor der Lenkunterstützungseinrichtung bereitstellt, so dass der Elektromotor ein auf den Drehstab wirkendes Kompensationsdrehmoment erzeugt, das den störungsinduzierten Schwingungen zumindest teilweise entgegenwirkt.
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Lenkvorrichtungen zum Lenken von Kraftfahrzeugen sind häufig mit Lenkunterstützungseinrichtungen ausgestattet, um die für das Betätigen eines Lenkrades der Lenkvorrichtung notwendige Kraft, insbesondere während des Stillstandes oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs, zu reduzieren. Neben hydraulisch betriebenen Lenkunterstützungseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik auch elektrische Lenkunterstützungseinrichtungen bekannt, die elektrohydraulisch oder elektromechanisch realisiert sein können. Eine elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung weist einen elektrischen Stellantrieb auf, der auf einen Drehstab (Torsionsstab) der Lenkvorrichtung wirkt und mittels einer Steuerungseinrichtung ansteuerbar ist. Dadurch ist der Stellmotor dazu in der Lage, Hilfskräfte zur Verfügung zu stellen, um dadurch Lenkradbewegungen des Fahrers zu unterstützen.
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Die Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ist während des Betriebs zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzt, die sich nachteilig auf das Lenk- und Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs auswirken können. Bei einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung können ohne eine geeignete Lenkstabilisierungsfunktion hochfrequente Schwingungen mit relativ großer Amplitude am Drehstab entstehen. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn der Drehstab der Lenkvorrichtung entspannt wird (zum Beispiel beim Zurücklenken mit einem nur geringen, vom Fahrer ausgeübten Handdrehmoment). Eine vorhandene, vom Drehstabmoment abhängige Lenkstabilisierungsfunktion, die insbesondere in der Steuerungseinrichtung für den Stellmotor implementiert sein kann, kann derartige Schwingungen zwar wirkungsvoll verhindern, unterdrückt aber gleichzeitig Anregungen, die auf Grund der Fahrbahnbeschaffenheit auf die Lenkvorrichtung einwirken. Daraus ergibt sich wiederum eine unzureichende, vom Fahrer wahrnehmbare Lenkungsrückmeldung, die das Lenkgefühl nachteilig beeinflussen kann. Daher wäre es wünschenswert, dass die Lenkstabilisierungsfunktion nur dann aktiviert wird, wenn tatsächlich Instabilitäten auftreten.
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Aus der
DE 10 2008 036 001 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art zum Betreiben einer Lenkvorrichtung mit einer elektrischen Lenkunterstützungseinrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren werden Störgrößen, die von der Fahrbahnbeschaffenheit herrühren und auf die Lenkvorrichtung einwirken, durch eine Frequenzanalyse ermittelt. Wenn die ermittelte Störgröße eine vorgegebene Amplitude überschreitet, erzeugt die elektrische Lenkunterstützungseinrichtung ein Kompensationsdrehmoment, das einem durch die Störgröße erzeugten und auf die Lenkvorrichtung - insbesondere auf das Lenkrad - wirkenden - störungsinduzierten Drehmoment entgegenwirken kann.
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Die
DE 10 2010 021 634 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren mittels welchem störungsinduzierte Schwingungen in einem elektromagnetischen Lenksystem reduziert werden, wobei Frequenz und Amplitude eines erfassten Lenkmoments analysiert werden, wobei die Frequenz anhand von Nulldurchgängen der Ableitung des Lenkmoments bestimmt wird.
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Die
DE 10 2008 021 856 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren zum Reduzieren von störungsinduzierten Schwingungen, wobei mittels Fourier-Analyse die Schwingungen analysiert werden und anhand der Frequenz und eines Phasenvergleichs zwischen Nutzsignalen und Störungen unterschieden wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betreiben einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, das eine bedarfsgerechte Stabilisierung der Lenkvorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus der Frequenz und der Amplitude der störungsinduzierten Schwingungen ein Indikator gebildet wird, der fahrbahninduzierte Schwingungen von Schwingungen, die durch Instabilitäten in der Lenkvorrichtung hervorgerufen werden, unterscheidet und durch Verknüpfung, insbesondere durch Multiplikation, des Indikators mit der Lenkstabilisierungsfunktion das Ansteuersignal für den Elektromotor schwingungsabhängig erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Frequenz und die Amplitude der Drehstabschwingungen ermittelt und so miteinander verknüpft, dass daraus ein Indikator gebildet werden kann, über den sich gewünschte Schwingungen (Rückmeldungen auf Grund der Fahrbahnbeschaffenheit) von unerwünschten Schwingungen, die durch Instabilitäten hervorgerufen werden, unterscheiden lassen. Die Lenkstabilisierung wird nur dann wirksam, wenn von Instabilitäten herrührende Schwingungen auftreten. Werden gewünschte, durch die Fahrbahneinflüsse hervorgerufene Schwingungen des Drehstabs erfasst, erfolgt vorzugsweise keine Aktivierung der Lenkstabilisierung. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Lenkstabilisierung durch das Bereitstellen des Indikators bedarfsgerecht nicht nur aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden kann, sondern auch skaliert werden kann, insbesondere wenn sich unterschiedliche (d.h. erwünschte und unerwünschte) Schwingungen des Drehstabs teilweise überlagern.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass zur Bildung des Indikators die Frequenz und Amplitude eines Drehstabmoments des Drehstabs der Lenkvorrichtung bestimmt werden. Das Drehstabmoment lässt sich messtechnisch einfach erfassen und stellt somit eine auch analysetechnisch relativ einfach handhabbare Messgröße dar, um die störungsinduzierten Schwingungen des Drehstabs zu detektieren und zu analysieren.
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Zur Bereinigung des Signaloffsets wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Drehstabmoment differenziert wird und Nulldurchgänge in der Ableitung des Drehstabmoments detektiert werden, aus denen die Frequenz der Schwingungen des Drehstabs berechnet wird, sowie das Maximum eines Betrags der Ableitung des Drehstabmoments bestimmt wird und der Indikator durch Verknüpfen, insbesondere durch Multiplizieren, der Frequenz mit dem Maximum des Betrags der Ableitung des Drehstabmoments gebildet wird. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verknüpfung der Frequenz mit dem Maximum des Betrags der Ableitung des Drehstabmoments ein in jeder Hinsicht robuster Indikator zur Unterscheidung erwünschter, fahrbahninduzierter Schwingungen von unerwünschten Schwingungen, die durch Instabilitäten hervorgerufen werden, zur Verfügung gestellt werden kann.
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Für eine besonders rasche Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens kann es zweckmäßig sein, dass aus jeweils zwei benachbarten Nulldurchgängen der Ableitung des Drehstabmoments die Frequenzen von Halbschwingungen des Drehstabs ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass bereits die Analyse von Halbschwingungen zur Indikatorbildung ausreichend ist, um eine Unterscheidung zwischen erwünschten und unerwünschten Schwingungen im oben erläuterten Sinne zu ermöglichen. Somit kann es ebenfalls zweckmäßig sein, dass das Maximum des Betrags der Ableitung des Drehstabmoments zwischen den benachbarten (bereits für die Frequenzanalyse genutzten) Nulldurchgängen bestimmt wird.
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Um bei vergleichsweise hohen Drehstabgeschwindigkeiten die Bildung des Indikators weiter beschleunigen zu können, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Indikator aus einem ersten Indikatoranteil, der aus der Verknüpfung, insbesondere der Multiplikation, der Frequenz mit dem Maximum des Betrags der Ableitung des Drehstabmoments gebildet wird, und aus mindestens einem zweiten Indikatoranteil, der aus der Größe des maximalen Betrags der Ableitung des Drehstabmoments bestimmt wird, gebildet wird. Ohne diese Maßnahme wäre ansonsten mindestens eine halbe Periode für die Bildung des Indikators erforderlich. Die beiden Indikatoranteile können zur Bildung des Indikators insbesondere durch Addieren miteinander verknüpft werden.
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Um hochfrequente Störanteile im Messsignal des Drehstabmoments, der zu Schwierigkeiten bei Signalauswertung führen könnte, zu unterdrücken beziehungsweise zumindest im Wesentlichen zu unterdrücken, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Drehstabmoment vor der Bestimmung der Frequenz und/oder der Amplitude tiefpassgefiltert wird. Diese Tiefpassfilterung hat darüber hinaus den Vorteil einer Reduktion der zu verarbeitenden Datenmengen.
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Um die Qualität des Indikators I weiter zu verbessern, besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Indikator vor der Verknüpfung mit der Lenkstabilisierungsfunktion, insbesondere durch Saturierung und/oder Begrenzung und/oder Minimal-/Maximalwertfestlegung, nachbearbeitet wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung,
- 2 ein Blockdiagramm, welches das grundlegende Funktionsprinzip eines Verfahrens zum Betreiben der elektromechanischen Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs veranschaulicht,
- 3 ein Blockdiagramm, welches Einzelheiten des Verfahrens veranschaulicht.
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Lenkvorrichtung 1 eines Kraftfahrzeugs, die eine elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung 2 aufweist, ein Lenkrad 5, das an einen Drehstab (Torsionsstab) 3 angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Lenkgetriebe 4 mechanisch gekoppelt ist. Vom Fahrer ausgeübte Drehbewegungen des Lenkrades 5 werden in bekannter Weise über den Drehstab 3 auf das Lenkgetriebe 4 übertragen, welches seinerseits mit den lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs, die hier nicht explizit dargestellt sind, mechanisch in Wirkverbindung steht, so dass das Kraftfahrzeug in der gewünschten Weise gelenkt werden kann.
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Die elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung 2 umfasst einen elektrischen Elektromotor 20, der mittels einer daran angeschlossenen Steuerungseinrichtung 21 programmgesteuert betreibbar ist. Der Elektromotor 20 ist dazu in der Lage, ein auf ein Lenkgetriebe 4 wirkendes Drehmoment zu erzeugen, welches so gerichtet ist, dass es die durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs bewirkten mechanischen Drehbewegungen des Lenkrades 2 unterstützen kann.
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Unter weiterer Bezugnahme auf das in 2 dargestellte Blockdiagramm soll nachfolgend das Grundprinzip eines Verfahrens zum Betreiben der Lenkeinrichtung 1 mit der elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung 2 näher erläutert werden. Ein Drehstabmoment MDS des Drehstabs 3, welches ein Maß für störungsinduzierte Schwingungen des Drehstabs 3 ist, die durch Instabilitäten und/oder durch die Beschaffenheit der Fahrbahn induziert werden, wird mit Hilfe von Drehmomenterfassungsmitteln von der Steuerungseinrichtung 21 des Elektromotors 20 erfasst. Die Steuerungseinrichtung 21 ist so ausgebildet, dass sie die Frequenz und die Amplitude der störungsinduzierten Schwingungen erfassen und analysieren kann und daraus einen Indikator I in der Weise bilden kann, dass fahrbahninduzierte - und damit im Sinne einer optimierten Lenkungsrückmeldung gewünschte Schwingungen - von unerwünschten Schwingungen, die durch Instabilitäten hervorgerufen werden, unterschieden werden können. Durch eine Verknüpfung des Indikators I mit einer Lenkstabilisierungsfunktion, die in der Steuerungseinrichtung 21 implementiert ist, ist es möglich, dem Elektromotor 20 ein elektrisches Ansteuersignal AS zur Erzeugung eines über das Lenkgetriebe 4 auf den Drehstab 3 wirkenden Kompensationsdrehmoments MStab zur Verfügung zu stellen, welches den störungsinduzierten Schwingungen zumindest teilweise entgegenwirken kann. Durch die Bildung des Indikators I und die Verknüpfung mit der Lenkstabilisierungsfunktion kann somit ein skaliertes Ansteuersignal AS für den Elektromotor 20 zur bedarfsgerechten und situationsgerechten Erzeugung des Kompensationsdrehmoments MStab zur Verfügung gestellt werden. Der Indikator I kann für eine Verknüpfung mit der Lenkstabilisierungsfunktion durch Multiplikation vorteilhaft auf einen möglichen Wertebereich zwischen 0 und 1 normiert werden, wobei I = 0 bedeutet, dass keine Lenkstabilisierung erfolgt, und I = 1 bedeutet, dass die Lenkstabilisierungsfunktion vollständig aktiviert ist. Wenn gilt: 0 < I < 1 ist die Lenkstabilisierungsfunktion nur teilweise wirksam. Diese Zwischenwerte des Indikators zwischen den beiden Extremwerten 0 und 1 ermöglichen somit eine bedarfsgerechte Skalierung der Lenkstabilisierungsfunktion in Abhängigkeit von der Art und Stärke der störungsinduzierten Schwingungen. Ein wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen Ansatzes besteht darin, dass die Schwingungen des Drehstabs 3 der Lenkvorrichtung 1 nicht rigoros unterdrückt werden. Vielmehr werden Schwingungsanregungen, die auf Grund der Fahrbahnbeschaffenheit auf die Lenkvorrichtung 1 einwirken, durch das hier beschriebene Verfahren nicht unterdrückt, sondern erzeugen weiterhin eine vom Fahrer wahrnehmbare Lenkungsrückmeldung, die das Lenkgefühl positiv beeinflusst.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 3 sollen nachfolgend Einzelheiten der Frequenzanalyse des Drehstabmoments MDS des Drehstabs 3 erläutert werden. In einem ersten Schritt erfolgt zunächst eine Tiefpassfilterung des Drehstabmoments MDS des Drehstabs 3 auf einen gewünschten niederfrequenten Bereich. Dadurch wird das zu analysierende Frequenzband in geeigneter Weise begrenzt. Das auf diese Weise erhaltene, tiefpassgefilterte Drehstabmoment MDS, gefiltert wird in einem nächsten Schritt differenziert, so dass ein Offset des Drehstabmoments MDS in vorteilhafter Weise eliminiert werden kann und die weitere Frequenzanalyse durch den Offset nicht verfälscht oder anderweitig negativ beeinflusst wird. In einem ersten Analysepfad werden Nulldurchgänge der durch das Differenzieren erhaltenen (zeitlichen) Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert bestimmt. Die Frequenzbestimmung erfolgt in der Weise, dass jeweils die Anzahl der Modellzyklen zwischen den beiden letzten Nulldurchgängen der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert bestimmt wird und in eine Frequenz umgerechnet wird. Dadurch wird die Frequenz der letzten Halbschwingung des Drehstabs 3 erhalten.
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In einem zweiten Analysepfad wird der Betrag der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert bestimmt. Ferner wird das Maximum des Betrags der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert zwischen den beiden letzten, bereits für die Frequenzanalyse gewählten Nulldurchgängen bestimmt. Dieses Maximum des Betrags der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert bildet ein Maß für die Amplitude der Ableitung der letzten Halbschwingung des Drehstabs 3.
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Aus dem Maximum des Betrags der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert kann durch Multiplikation mit der in der oben beschriebenen Art und Weise bestimmten Frequenz der letzten Halbschwingung ein erster Indikatoranteil I1 gebildet werden, wobei in vorteilhafter Weise eine Festlegung des gewünschten Frequenzbandes zwischen einer Frequenz f1 und einer Frequenz f2 über eine fest eingestellte oder alternativ auch einstellbare Kennlinie erfolgen kann. Mittels des ersten Indikatoranteils I1 könnte bereits eine Unterscheidung zwischen erwünschten, fahrbahninduzierten und unerwünschten, durch Instabilitäten hervorgerufenen Schwingungen des Drehstabs 3 erfolgen, um durch Verknüpfung mit der in der Steuerungseinrichtung 21 implementierten Lenkstabilisierungsfunktion zur Bildung des Ansteuersignals AS für den Elektromotor ein bedarfsgerechtes Kompensationsdrehmoment MStab zu erzeugen. Für den Indikator gilt dann I = 11.
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Um die Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerungseinrichtung 6 insbesondere bei hohen Drehstabgeschwindigkeiten wirksam erhöhen zu können, besteht in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, aus dem Betrag der Ableitung MDS, gefiltert' des tiefpassgefilterten Drehstabmoments MDS, gefiltert einen zweiten Indikatoranteil I2 zu bilden, der zu dem ersten Indikatoranteil I1 hinzuaddiert wird, so dass für den Indikator gilt: I = I1 + I2. Der Indikator I kann zur Erzeugung des elektrischen Ansteuersignals AS in der oben beschriebenen Weise durch Multiplikation mit der Lenkstabilisierungsfunktion verknüpft werden, so dass die Steuerungseinrichtung 21 den Elektromotor 20 ansteuern kann, der das auf den Drehstab 3 wirkende Kompensationsdrehmoment MStab bedarfsgerecht erzeugen kann. Ohne diesen zusätzlichen additiven Anteil I2 wäre stets mindestens eine halbe Periode für die Schwingungserfassung erforderlich
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Um die Qualität des Indikators I weiter zu verbessern, besteht optional die Möglichkeit, dass der Indikator I, insbesondere durch Saturierung, Begrenzung (so genanntes „Rate Limiting“) Minimalwert-/Maximalwertfestlegung vor der Verknüpfung mit der Lenkstabilisierungsfunktion nachbearbeitet wird.
