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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines mittels Versorgungsstrom betriebenen Elektromotors für ein Hilfskraft-Lenksystem sowie ein danach arbeitendes Steuergerät zur Ansteuerung des Elektromotors sowie ein damit ausgestattetes Hilfskraft-Lenksystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, dass geeignet ist, den Anstieg bzw. Gradienten des Versorgungsstroms eines Elektromotors während des Betriebs in einem Hilfskraft-Lenksystem zu begrenzen.
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Im Bereich der Hilfskraft-Lenksysteme, die einen Elektromotor aufweisen und kurz auch als Elektrolenkungen bezeichnet werden, ist es üblich einen mehrphasigen Synchronmotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, einzusetzen und diesen über ein Steuergerät dynamisch anzusteuern, so dass der Elektromotor das gewünschte Hilfskraft-Drehmoment erzeugt. Häufig wird hierzu eine feldorientierte Regelung verwendet wird, wobei die Endstufe des Synchronmotors mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird. Ein solches Verfahren ist in der
DE 10 2011 004 384 A1 beschrieben.
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Die Elektrolenkung stellt eine Belastung für das Bordnetz und insbesondere für die Batterie des Fahrzeuges dar. Daher muss dafür Sorge getragen werden, dass bei der Ansteuerung eine Versorgungsstrom-Begrenzung erfolgt, die das Auftreten von zu hohen Strömen bzw. Stromgradienten vermeidet.
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In der früheren Patentanmeldung
DE 10 2014 104 488.6 hat die Anmelderin eine Lösung offenbart, die eine Begrenzung des Versorgungsstroms, insbesondere Batteriestromes (Spitzenwert), erzielt und insbesondere auch im unteren Drehzahlbereich des Elektromotors vermeidet, dass belastende Stromspitzen auftreten können. Dort wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein erster Kurvenverlauf für einen ersten Momenten-Grenzwert und ein zweiter Kurvenverlaufs für einen zweiten Momenten-Grenzwert berechnet werden, wobei geprüft wird, ob die Drehzahl unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Elektromotors mittels des ersten berechneten Kurvenverlaufs angesteuert; andernfalls wird er mittels eines dritten Kurvenverlaufs angesteuert, der ausgehend von einem vorgebbaren Momenten-Grenzwert bei Stillstand des Elektromotors mit größer werdender Drehzahl einen zumindest näherungsweise geradlinigen Übergang zu dem ersten Kurvenverlauf bildet. Dadurch kann zum unteren Drehzahlbereich hin sanft auf eine Regelung gemäß dem dritten Kurvenverlauf übergegangen werden, der eine geringere Steilheit als der erste Kurvenverlauf aufweist. Dies trägt zu einer deutlichen Stabilisierung der Regelung bei.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Bereich der Lenkungstechnik häufig die Begrenzung des Versorgungsstromes (Spitzenwert) allein nicht immer ausreicht, die Batterie bzw. das Bordnetz vor einer nicht gewollten hohen Belastung ausreichend gut zu bewahren. Denn ein zu schneller Anstieg des Versorgungsstromes kann auch zu unerwünscht hohen dynamischen Belastungen führen. Demnach ist auch eine effektive Begrenzung des Versorgungsstrom-Gradienten erwünscht.
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Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es für Lenksysteme zwar möglich ist, durch die statische Begrenzung des Motorsollmoment-Gradienten auch den Versorgungsstrom-Gradienten zu reduzieren. Allerdings ergeben sich dabei zahlreiche Nachteile, insbesondere die folgenden:
- – Die Begrenzung des Motorsollmomenten-Gradienten wirkt nur auf den momentenbildenden Stromanteil (sog. „q-Strom“) eines Elektromotors (Maschine).
- – Der Feldschwächestrom (sog. „d-Strom“) wird nicht beeinflusst. Da aber der Strom je nach Betriebspunkt der Maschine schlagartig benötigt wird, kann es dadurch zu sehr hohen Versorgungsstrom-Gradienten kommen.
- – Der Zusammenhang des Sollmomenten-Gradienten zum sich ergebenden Versorgungsstrom-Gradienten ist nicht frei von Umwelteinflüssen wie Batteriespannung und Temperatur.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und System der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass unter Ausschluss der aufgezählten Nachteile eine effektive Begrenzung des Versorgungsstrom-Gradienten während des Betriebs des Elektromotors in einem Hilfskraft-Lenksystem ermöglicht wird.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein danach arbeitendes Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und ein Hilfskraft-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Demnach wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, die nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung arbeitet, wobei der Versorgungsstrom-Gradient wie folgt begrenzt wird:
Zuerst wird ein Stromgradienten-Grenzwert (∆Ibmax) vorgegeben, der für den Versorgungsstrom maximal zulässig ist; außerdem wird ein Stromamplituden-Grenzwert (Ib0max) vorgegeben, der für den Versorgungsstrom bei Stillstand des Elektromotors maximal zulässig ist; und es wird ein Drehmomenten-Grenzwert (M0max) vorgeben, der für den Elektromotor bei Stillstand maximal zulässig ist. Die Vorgabe von ∆Ibmax kann an die jeweilige Betriebs-Situation angepasst werden. Die Größen Ib0max und M0max ändern sich im Betrieb nicht. Dann wird ein erster Motorsollmomenten-Gradient (∆Mmax) in Abhängigkeit von dem Stromgradienten-Grenzwertes (∆Ibmax) berechnet; außerdem wird ein zweiter Motorsollmomenten-Gradient (∆M‘max) in Abhängigkeit von dem Stromamplituden-Grenzwertes (Ib0max) und dem Drehmomenten-Grenzwert (M0max) berechnet.
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Dann wird geprüft, ob die Drehzahl (ω) unterhalb eines vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt.
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Falls die Drehzahl (ω) nicht unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt, erfolgt ein Ansteuern des Elektromotors (EM) unter Berücksichtigung des ersten Motorsollmomenten-Gradienten (∆Mmax), so dass das von dem Elektromotor (EM) erzeugte Hilfskraft-Drehmoment (M) sich nicht stärker ändert, als es der erste Motorsollmomenten-Gradient (∆Mmax) erlaubt.
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Und falls die Drehzahl (ω) unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt, erfolgt Ansteuern des Elektromotors (EM) unter Berücksichtigung des zweiten Motorsollmomenten-Gradienten (∆M‘max), so dass das von dem Elektromotor (EM) erzeugte Hilfskraft-Drehmoment (M) sich nicht stärker ändert, als es der zweite Motorsollmomenten-Gradient (∆M‘max) erlaubt.
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Unter Versorgungsstrom kann jede Art von Strom verstanden werden, mit dem der Elektromotor versorgt bzw. betrieben wird. Der Versorgungsstrom kann von einer Batterie bereit gestellt werden (Batteriestrom), kann aber auch direkt vom Generator kommen; es kann auch ein DC-DC-Wandler zu Anpassung vorgesehen sein, weiterhin können auch Powercaps oder dergleichen für die Bereitstellung des Versorgungsstromes vorgesehen sein.
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Die Erfindung stellt auch ein Steuergerät für Lenksysteme bereit, das nach diesem Ansteuerungs- bzw. Gradienten-Begrenzungs-Verfahren arbeitet. Das Steuergerät weist mindestens eine Recheneinheit, mindestens eine Speichereinheit und mindestens ein elektronisches Steuerungsmittel auf, das mit dem Elektromotor (EM) verbunden ist, wobei die Speichereinheit folgende Größen für die Recheneinheit bereithält:
- – einen Stromgradienten-Grenzwertes (∆Ibmax), der für den Versorgungsstrom maximal zulässig ist;
- – einen Stromamplituden-Grenzwertes (Ib0max), der für den Versorgungsstrom bei Stillstand des Elektromotors maximal zulässig ist; und
- – einen Drehmomenten-Grenzwertes (M0max), der für den Elektromotor bei Stillstand maximal zulässig ist;
wobei die Recheneinheit folgende Größen berechnet:
- – einen ersten Motorsollmomenten-Gradienten (∆Mmax) in Abhängigkeit von dem Stromgradienten-Grenzwert (∆Ibmax);
- – einen zweiten Motorsollmomenten-Gradienten (∆M‘max) in Abhängigkeit von dem Stromamplituden-Grenzwert (Ib0max) und dem Drehmomenten-Grenzwert (M0max); und
wobei die Steuereinheit prüft, ob die Drehzahl (ω) unterhalb eines vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt; und
- – falls die Drehzahl (ω) nicht unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt, den Elektromotor (EM) unter Berücksichtigung des ersten Motorsollmomenten-Gradienten (∆Mmax) so ansteuert, dass das von dem Elektromotor (EM) erzeugte Hilfskraft-Drehmoment (M) sich nicht stärker ändert, als es der erste Motorsollmomenten-Gradient (∆Mmax) erlaubt; und
- – falls die Drehzahl (ω) unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes (ωthr) liegt, den Elektromotor (EM) unter Berücksichtigung des zweiten Motorsollmomenten-Gradienten (∆M‘max) so ansteuert, dass das von dem Elektromotor (EM) erzeugte Hilfskraft-Drehmoment (M) sich nicht stärker ändert, als es der zweite Motorsollmomenten-Gradient (∆M‘max) erlaubt.
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Des Weiteren offenbart die vorliegende Erfindung noch ein Hilfskraft-Lenksystem, das mit einem Elektromotor und einer solchen Steuerung ausgestattet ist. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Gradienten-Begrenzung z.B. innerhalb des Steuergerätes implementiert werden kann, indem entsprechende Begrenzungswerte (max. Momentenwerte) für die Sollwerte einprogrammiert werden. Es ist auch denkbar, von Außen entsprechende Begrenzungswerte vorzugeben und über eine Datenverbindung an das Steuergerät zu senden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen:
Demnach kann der erste Motorsollmomenten-Gradiente (∆M
max) mittels der folgenden Gleichung (GLI) berechnet werden:
wobei:
- ω
- die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors angibt;
- Udc
- die Klemmspannung oder Zwischenkreisspannung angibt;
- ∆Ibmax
- den Stromgradienten-Grenzwert für den Versorgungsstrom angibt;
- R
- den Verlustwiderstand angibt;
- ∆i
- den Gradienten des Strangstromes des Elektromotors angibt; und
- a
- die Beschleunigung angibt;
- Mist
- dem gerade abgegebenen Moment entspricht;
- k1
- einem Ausgleichsfaktor entspricht, der die Anzahl der elektrischen Phasen und/oder weitere elektrische Randbedingungen, insbesondere Verluste in der Steuerungselektronik, Verkabelung und/oder Abweichungen aufgrund von Bauteiltoleranzen, berücksichtigt;
- k2
- eine Skalierung (= 2π/60) angibt; und
- k3
- einem Wichtungsfaktor für die Drehzahl (wFactorIbattGrad) entspricht.
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Außerdem kann der zweite Motorsollmomenten-Gradient (∆M‘
max) mittels der folgenden Gleichung (GLII) berechnet werden:
wobei:
- M0max
- den Drehmomenten-Grenzwert für den Elektromotor bei Stillstand angibt;
- ∆Ibmax
- den Stromgradienten-Grenzwert für den Versorgungsstrom angibt; und
- Ib0max
- den Stromamplituden-Grenzwert für den Versorgungsstrom bei Stillstand des Elektromotors angibt.
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Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend im Detail anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgende schematischen Ansichten wiedergeben:
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines Hilfskraft-Lenksystems mit einem Steuergerät, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;
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2 zeigt eine Begrenzungs-Kurve für den maximalen Momentenwert gemäß dem bereits in der eingangs genannten früheren Anmeldung offenbarten Verfahren; und
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zur Ansteuerung bzw. Gradienten-Begrenzung für das dynamische Verhalten des von dem Elektromotor erzeugten Drehmomentes.
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Zu Beginn der Detailbeschreibung nehmen wir auf die 1 Bezug, welche den schematischen Aufbau eines Hilfskraft-Lenksystems EPS mit einem Elektromotor EM und einem damit verbundenen Steuergerät STG zeigt. Entsprechend der Ansteuerung durch das Steuergerät erzeugt der Elektromotor ein Hilfskraft-Drehmoment, das dann an einer von zwei Eingangswellen eines Überlagerungs-Getriebe ÜG anliegt und das mechanische an der Lenkhandhabe (Lenkrad) LR erzeugte manuelle Drehmoment unterstützt. Schließlich wird das überlagerte Drehmoment über die Ausgangswelle des Getriebes ÜG auf die Lenkmechanik, die z.B. eine Zahnstangenlenkung ZLG sein kann. Das Steuergerät STG enthält mindestens eine Recheneinheit und mindestens ein elektronisches Steuerungsmittel (nicht dargestellt), das mit dem Elektromotor verbunden ist, und den Gradienten des Versorgungsstromes dem nachfolgend beschriebenen Prinzip begrenzt. Das Hilfskraft-Lenksystem kann auch ggf. so gestaltet sein, dass der Krafteingriff des Elektromotors direkt über ein Getriebe auf die Zahnstange erfolgt, also kein Überlagerungsgetriebe eingesetzt wird.
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Nachfolgend wird auf alle Figuren Bezug genommen. Sofern es dem Verständnis dienlich ist, auf einzelne Figuren exklusiv Bezug zu nehmen, werden diese einzelnen Figuren in Klammern genannt.
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In dem hier vorgestellten Beispiel ist der Elektromotor EM als ein permanent-erregter Synchronmotor ausgestaltet und wird mit einer feldorientierten Regelung angesteuert.
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Gemäß der früheren Erfindung, die in der
DE 10 2014 104 488.6 offenbart ist, kann eine Stromamplituden-Begrenzung durch die Motorsteuerung erfolgen, die dafür sorgt, dass der benötigte Versorgungsstrom nicht überschritten wird. Dies bedeutet, dass das erzeugte Drehmoment niemals den Kurven-Grenzbereich (s. schraffierte Fläche in
2) verlässt. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine effektive Stromgradienten-Begrenzung und kann mit der früheren Erfindung kombiniert werden.
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In der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu einer Amplituden-Begrenzung oder auch unabhängig davon eine Strom-Gradienten-Begrenzung durchgeführt, indem gemäß dem in 3 dargestellten Verfahren 200 folgende Schritte ausgeführt werden:
Zunächst werden folgende Parameter vorgegeben:
Im Schritt 201 erfolgt eine Vorgabe eines Stromgradienten-Grenzwertes ∆Ibmax, der für den Versorgungsstrom maximal zulässig ist. Diese Vorgabe kann z.B. von einem Fahrzeughersteller kommen, der die erfindungsgemäße Lenkung in seinen Fahrzeugen verbauen möchte. Diese Größe kann während des Betriebs bedarfsgemäß geändert werden.
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Im Schritt 202 erfolgt eine Vorgabe eines Stromamplituden-Grenzwertes Ib0max, der für den Versorgungsstrom bei Stillstand des Elektromotors maximal zulässig ist.
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Im Schritt 203 erfolgt dann eine Vorgabe eines Drehmomenten-Grenzwertes M0max, der für den Elektromotor bei Stillstand maximal zulässig ist. Dieser Parameter kann sich z.B. aus den elektrischen Grenzwerten des verwendeten Elektromotors ergeben.
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Danach werden folgende Größen berechnet:
In einem Schritt
204 erfolgt dann die Berechnung eines ersten Motorsollmomenten-Gradienten ∆M
max in Abhängigkeit von dem Stromgradienten-Grenzwert ∆I
bmax. Dazu wird z.B. die folgende Gleichung GLI angewendet:
wobei:
- ω
- die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors angibt;
- Udc
- die Klemmspannung oder Zwischenkreisspannung angibt;
- ∆Ibmax
- den Stromgradienten-Grenzwert für den Versorgungsstrom angibt;
- R
- den Verlustwiderstand angibt;
- ∆i
- den Gradienten des Strangstromes des Elektromotors angibt;
- a
- die Beschleunigung angibt;
- Mist
- dem gerade abgegebenen Moment entspricht; und
- k1
- einem Ausgleichsfaktor entspricht, der die Anzahl der elektrischen Phasen und/oder weitere elektrische Randbedingungen, insbesondere Verluste in der Steuerungselektronik, Verkabelung und/oder Abweichungen aufgrund von Bauteiltoleranzen, berücksichtigt;
- k2
- eine Skalierung (= 2π/60) angibt; und
- k3
- einem Wichtungsfaktor für die Drehzahl (wFactorIbattGrad) entspricht.
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In einem weiteren Schritt
205 erfolgt die Berechnung eines zweiten Motorsollmomenten-Gradienten ∆M‘
max in Abhängigkeit von dem Stromamplituden-Grenzwert I
b0max und dem Drehmomenten-Grenzwert M
0max. Dazu wird z.B. die folgende Gleichung GLII angewendet:
wobei:
- M0max
- den Drehmomenten-Grenzwert für den Elektromotor bei Stillstand angibt;
- ∆Ibmax
- den Stromgradienten-Grenzwert für den Versorgungsstrom angibt; und
- Ib0max
- den Stromamplituden-Grenzwert für den Versorgungsstrom bei Stillstand des Elektromotors angibt.
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Demnach stehen zwei verschiedene Motorsollmomenten-Gradienten für die Ansteuerung des Elektromotors zur Verfügung.
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Es wird dann in einem Schritt 211 geprüft, ob die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ω des Elektromotors unterhalb eines vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes ωthr liegt. Der Schwellwert kann z.B. bei etwa 500 Umdrehungen pro Minute liegen.
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Die Ansteuerung erfolgt abhängig von der aktuellen Drehzahl des Elektromotors:
Falls die Drehzahl ω hoch genug ist, d.h. nicht unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes ωthr liegt, erfolgt das Ansteuern des Elektromotors EM unter Berücksichtigung des ersten Motorsollmomenten-Gradienten ∆Mmax, so dass das von dem Elektromotor EM erzeugte Hilfskraft-Drehmoment M sich nicht stärker ändert, als es der erste Motorsollmomenten-Gradient ∆Mmax erlaubt. Mit anderen Worten, der Gradient des erzeugten Drehmoments M darf nicht größer als ∆Mmax sein. Somit stellt ∆Mmax einen ersten Gradienten-Grenzwert dar, der für höhere Drehzahlbereiche angewendet wird.
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Falls jedoch die Drehzahl gering ist und unterhalb des vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes ωthr liegt, erfolgt das Ansteuern des Elektromotors EM unter Berücksichtigung des zweiten Motorsollmomenten-Gradienten ∆M‘max, so dass das erzeugte Hilfskraft-Drehmoment M sich nicht stärker ändert, als es der zweite Motorsollmomenten-Gradient ∆M‘max erlaubt. Somit begrenzt ∆M‘max den Gradienten des erzeugten Drehmomentes M im unteren Drehzahlbereich.
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Es werden also fallweise unterschiedliche Gradienten-Grenzwerte ∆Mmax oder ∆M‘max angewendet:
Im Konkreten wird die Begrenzung für höhere Drehzahlbereiche (ω ≥ ωthr) durch den ersten Grenzwert ∆Mmax bestimmt, welcher im Wesentlichen unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Versorgungsstrom-Gradienten ∆Ibmax und anhand der Leistungsbilanz des aktuellen Betriebszustandes (Spannung, Drehzahl und Phasenstrom) gemäß Gleichung GLI berechnet wird.
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Im unteren Drehzahlbereich wird jedoch ein anderer Grenzwert, nämlich ∆M‘max angewendet, der sich im Wesentlichen anhand der Gleichung GLII aus fest vorgegebenen Werten ∆Ibmax (maximal zulässigen Versorgungsstrom-Gradient), Ib0max (maximal zulässigen Versorgungsstrom bei Stillstand) sowie M0max (maximales Moment bei Stillstand) ergibt.
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Dadurch werden zu Ansteuerung im unteren Drehzahlbereich fest vorgebbare Parameter berücksichtigt und keine dynamischen Werte bzw. Leistungsbilanz-abhängige Werte (s. Gleichung GLI) herangezogen, welche sich insbesondere im unteren Drehzahlbereich sehr stark ändern könnten und daher zu einer instabilen Ansteuerung des Elektromotors führen könnten.
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Die Erfindung ist mit Begrenzungsverfahren zur Begrenzung der Stromamplitude kombinierbar, insbesondere mit dem in der früheren Patentanmeldung
DE 10 2014 104 488.6 offenbarten Verfahren. Die hier in der
3 dargestellten Anknüpfungs-Punkte b sind mit den dort gezeigten Punkten a (dortige
3) kombinierbar (beide Prozeduren können dieselben Anspringpunkte nutzen.
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Auch das hier offenbarte Verfahren 200 kann in einem Steuergerät (s. STG in 1) implementiert werden, wobei das Steuergerät dazu mindestens eine Recheneinheit, mindestens eine Speichereinheit und mindestens ein elektronisches Steuerungsmittel aufweist, das mit dem Elektromotor verbunden ist.
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Vorzugsweise hält die Speichereinheit folgende Größen für die Recheneinheit bereit: Den Stromgradienten-Grenzwert ∆Ibmax, den Stromamplituden-Grenzwert Ib0max, und den Drehmomenten-Grenzwert M0max.
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Die Recheneinheit kann dann die genannten Größen berechnen, nämlich den ersten Motorsollmomenten-Gradienten ∆Mmax und den zweiten Motorsollmomenten-Gradienten ∆M‘max, und zwar unter Anwendung der oben erläuterten Gleichungen GLI und GLII.
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Die Steuereinheit prüft dann, ob die Drehzahl ω unterhalb eines vorgebbaren Drehzahl-Schwellenwertes ωthr liegt oder nicht und bewirkt die oben beschriebene fallabhängige Ansteuerung des Elektromotors.
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Das Steuergerät wird in einem Hilfskraft-Lenksystem (s. EPS in 1) verbaut und bewirkt eine stabile Ansteuerung des Elektromotors, insbesondere unter dynamischer Belastung, so dass die Stromversorgung bzw. Batterie nicht überlastet wird und der vorgebbare dynamische Grenzwert (Grandient-Begrenzung) eingehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011004384 A1 [0002]
- DE 102014104488 [0004, 0025, 0038]
