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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs, das eine Lenkhandhabe und einen Elektromotor zum Beaufschlagen wenigstens eines lenkbaren Rades des Kraftfahrzeugs mit einem Lenkmoment aufweist, wobei in Abhängigkeit von einem auf die Lenkhandhabe aufgebrachten Handlenkmoments dem Elektromotor ein unterstützendes Motorlenkmoment vorgegeben wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Servolenksystems sowie ein derartiges Servolenksystem.
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Stand der Technik
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Verfahren, Vorrichtungen und Servolenksysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um den Fahrer eines Kraftfahrzeugs beim Lenken zu unterstützen, ist es bekannt, zusätzlich zu einem von dem Fahrer aufgebrachten Handlenkmoment ein Unterstützungslenkmoment zu erzeugen, um das Lenken des Fahrzeugs für den Fahrer zu vereinfachen. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass der Fahrer eine nur geringere Kraft aufwenden muss, um das oder die lenkbaren Räder des Kraftfahrzeugs um einen gewünschten Lenkwinkel zu verstellen beziehungsweise zu verschwenken. Lange Zeit wurde zur Erzeugung des Unterstützungslenkmoments üblicherweise ein Hydrauliksystem genutzt, das durch hydraulischen Druck den Fahrer beim Lenken unterstützt. Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen werden nunmehr auch elektromotorische Unterstützungseinrichtungen entwickelt und verwendet, welche ein Unterstützungslenkmoment elektromotorisch erzeugen. Das Verwenden des Elektromotors hat gegenüber hydraulischen Systemen den Vorteil einer vereinfachten Verkabelung und einer erhöhten Betriebssicherheit. Jedoch ist die Betriebssicherheit in hohem Maße auch abhängig von der Ansteuerung des Elektromotors beziehungsweise einer entsprechenden Softwareprogrammierung, die auch Ausfälle der Lenkunterstützung vermeiden soll. Insbesondere ist es zu vermeiden, dass bei einem plötzlichen Ausfall der elektromotorischen Unterstützungseinrichtung der Fahrer mit einem plötzlich auftretenden Gegenmoment an der Lenkhandhabe konfrontiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der zuvor beschriebene Nachteil überwunden und die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs erhöht wird. Insbesondere wird erreicht, dass der Fahrer nicht von einem plötzlichen Ausfall der elektromotorischen Unterstützung überrascht werden kann. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass das Handlenkmoment überwacht und das Soll-Motorlenkmoment in Abhängigkeit von dem Handlenkmoment derart eingestellt wird, dass das Handlenkmoment einen vorgebbaren Grenzwert nicht überschreitet, wobei das Soll-Motorlenkmoment auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt wird. Hierdurch wird erreicht, dass das unterstützende Motorlenkmoment dann eingestellt wird, wenn das Handlenkmoment den vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder droht zu überschreiten. Bis zum Erreichen des Grenzwertes wird kein Soll-Motorlenkmoment gestellt, da in diesem Fall keine Fehlverhalten im elektromotorischen Unterstützungssystem vorliegt und das Lenkmoment vom Fahrer gut beherrscht werden kann. Bei Überschreiten des Grenzwertes des Fahrerhandmoments wird ein Soll-Motorlenkmoment gestellt, wenn das bereits gestellte Motormoment des elektromotorischen Unterstützungssystems kleiner als ein Maximalwert von zum Beispiel 2 Nm ist, dies ist bei einem Fehlverhalten des elektromotorischen Unterstützungssystems der Fall, im Normalbetrieb tritt dieser Fall nicht auf. Das Soll-Motormoment wird so gestellt, dass der Grenzwert des Fahrerhandmoments nicht signifikant überschritten wird. Der Grenzwert des Fahrerhandmoments wird so gewählt, dass der Fahrer dieses Moment noch gut beherrschen kann. Die Begrenzung des Soll-Motorlenkmomentes auf einen vorgebbaren Wert erfolgt, da die Funktionalität möglichst nur im Fehlerfall das Soll-Motorlenkmoment stellen soll und eine Beeinflussung des Lenkgefühls im Normalbetrieb nicht gewünscht ist. Außerdem ist mit einem begrenzten Soll-Motorlenkmoment auf zum Beispiel 1/3 des maximalen Motormoments das Fahrzeug bei Geschwindigkeiten größer als 0 km/h noch in jeder Situation beherrschbar. Insbesondere ist vorgesehen, dass als Grenzwert für das Handlenkmoment 5Nm bis 15Nm, insbesondere 8Nm vorgegeben werden. Dadurch, dass mit dieser Funktionalität Fahrerhandmomente > 8Nm bei einem durch zum Beispiel einen Softwarefehler bedingten Unterstützungsausfall verhindert werden, ist auch eine nach einem Fehler schlagartig wiedereinsetzende Unterstützung vom Fahrer beherrschbar, da sich dann das Fahrerhandmoment nur von 8Nm nach zum Beispiel 3Nm ändert, ohne die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung würde ein kurzzeitiger softwarebedingter Unterstützungsausfall schlagartig zuerst sehr hohe Handmomente von > 30 Nm hervorrufen, eine schlagartig einsetzende Unterstützung könnte ein schlagartiges Verringern des Fahrerhandmoments von 30 Nm auf 3 Nm bedeuten, beide Situationen sind vom Fahrer schwer beherrschbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Maximalwert für das Soll-Motorlenkmoment 0,5Nm bis 4Nm, insbesondere 1,5Nm vorgegeben werden. Das Soll-Motorlenkmoment ist somit derart beschränkt, dass dieses Moment ausreicht, um das Fahrzeug während der Fahrt in jeder Fahrsituation mit einem Fahrerhandmoment von kleiner zum Beispiel 8 Nm zu steuern.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Soll-Motorlenkmoment bei Erreichen eines maximalen Lenkwinkels des lenkbaren Rades reduziert wird. Damit wird verhindert, dass im Endanschlagsbereich des Rades ein eigentlicher Endanschlag nicht überschritten beziehungsweise überlenkt wird. Dadurch wird das Lenksystem beispielsweise vor Beschädigungen geschützt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Motorlenkmoment bei Erreichen des maximalen Lenkwinkels mit einem vorgebbaren Gradienten reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass mit Erreichen des maximalen Lenkwinkels der Fahrer ein erhöhtes Gegenmoment verspürt beziehungsweise das Handlenkmoment erhöhen muss. Dadurch wird dem Fahrer auf einfache Art und Weise vermittelt, dass der maximale Lenkwinkel erreicht ist oder in Kürze erreicht wird. Vorzugsweise wird das Soll-Motorlenkmoment durch einen vorgegebenen/vorgebbaren Gradienten erhöht, wenn der Fahrer aus dem maximalen Lenkwinkel heraus das Rad durch Aufbringen eines entsprechenden Handlenkmoments zurückstellen will.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Reduzierung des Motorlenkmoments vor Erreichen des maximalen Lenkwinkels beginnt. Damit ist es sichergestellt, dass der Fahrer frühzeitig auf das baldige Erreichen des maximalen Lenkwinkels aufmerksam gemacht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass der Elektromotor dazu angesteuert wird, ein Dämpfungsmoment zu erzeugen, wenn das Handlenkmoment unterhalb des Grenzwertes, insbesondere unterhalb eines weiteren Grenzwertes unterhalb des einen Grenzwertes liegt. Damit wird im Bereich niedriger Handlenkmomente ein Dämpfungsmoment zur Verfügung gestellt, das einen komfortablen Betrieb des Lenksystems für den Fahrer auch bei niedrigen Handlenkmomenten erlaubt. Der Elektromotor wird somit insbesondere auch bei Handlenkmomenten unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes angesteuert, um ein unterstützendes, in diesem Fall dämpfendes, Motorlenkmoment zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise wird das zur Verfügung gestellte Dämpfungsmoment niedriger eingestellt, als das unterstützende Motorlenkmoment. Wird aufgrund eines entsprechend hohen Handlenkmoments der Elektromotor ohnehin bereits angesteuert, so wird zweckmäßigerweise kein zusätzliches Dämpfungsmoment erzeugt, um das gewünschte Lenkverhalten nicht zu beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, das dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierbei die bereits genannten Vorteile. Zum Erfassen des Handlenkmoments weist die Vorrichtung insbesondere einen Drehmomentsensor, insbesondere einen Drehmomentsensor des Lenksystems, auf, um das Handlenkmoment zu erfassen.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung,
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2 ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung und
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3 das vorteilhafte Verfahren in einem Flussdiagramm.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Servolenksystem 1 für zwei lenkbare Räder 2 einer Radachse eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Räder 2 sind durch jeweils eine Radaufhängung 3 verschwenkbar an dem Kraftfahrzeug gelagert. Durch eine jeweilige Gelenkstange 4 ist jedes der Räder außerdem mit einem Lenkgetriebe 5 verbunden. Das Lenkgetriebe 5 weist eine Zahnstange 6 auf, die an ihren beiden Enden mit jeweils einer der Gelenkstangen 4 gekoppelt ist. Mit der Zahnstange 6 steht ein Ritzel 7 in Eingriff, das drehfest mit einer Lenkstange 8 verbunden ist, die außerdem eine Lenkhandhabe 9 in Form eines von einem Fahrer benutzbaren Lenkrads trägt. Sobald der Fahrer ein Handlenkmoment MH auf die Lenkhandhabe 9 ausübt, wie durch einen Doppelpfeil gezeigt, dreht er bei einem ausreichend hohen Handlenkmoment die Lenkstange 8 um einen Winkel α und damit das Ritzel 7, wodurch die Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 5 verschoben und die Räder 2 um einen der Übersetzung entsprechenden Lenkwinkel β verschwenkt werden.
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Das Servolenksystem 1 ist als elektromotorisches Servolenksystem 1 ausgebildet und weist dazu einen Elektromotor 10 als Aktuator A auf, dessen Rotor mit der Lenkstange 8 direkt oder indirekt wirkverbunden ist. Der Elektromotor 10 weist eine Leistungselektronik 11 auf, die durch ein Steuergerät 12 zum Betreiben des Elektromotors 10 angesteuert wird. Das Steuergerät 12 erfasst dabei außerdem Daten eines Drehmomentsensors 13, der beispielsweise der Lenkstange 8 zugeordnet ist, um das von dem Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachte Handlenkmoment MH zu erfassen. In Abhängigkeit des erfassten Handlenkmoments MH gibt das Steuergerät 12 dem Elektromotor 10 durch die Leistungselektronik 11 ein Soll-Motorlenkmoment MM vor, das von dem Elektromotor 10 erzeugt und direkt oder über ein Getriebe auf die Lenkstange 8 übertragen und damit dem Handlenkmoment überlagert wird. Das von dem Steuergerät 12 durchgeführte Verfahren erleichtert damit dem Fahrer das Führen des das Servolenksystem 1 aufweisende Kraftfahrzeugs. Weiterhin erfasst das Steuergerät 12 Ausgangssignale einer Sensoreinrichtung 14 zum Erfassen eines Drehwinkels eines Rotors R des Elektromotors 10, wobei der Drehwinkel zur Ansteuerung und Regelung des Elektromotors 10 genutzt wird.
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Der hier vorgestellte Aufbau des Servolenksystems 1 ist rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich können die Sensoren und auch der Elektromotor an anderer Stelle des Servolenksystems 1 angeordnet sein.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt das Steuergerät 12 das in 2 dargestellte Verfahren durch. Dieses Verfahren nach 2 wird zum Beispiel als Absicherung von systematischen Softwarefehlern im Lenkunterstützungsalgorithmus, parallel zum eigentlichen Lenkunterstützungsalgorithmus durchgeführt. Das Verfahren beginnt im Schritt S1 mit der Inbetriebnahme des Servolenksystems 1. Mittels der von dem Drehmomentsensor 13 erfassten Daten überwacht das Steuergerät 12 das auf die Lenkhandhabe 9 aufgebrachte Handlenkmoment MH und vergleicht es in einem Schritt S2 mit einem vorgebbaren Grenzwert MHG. Nähert sich das Handlenkmoment MH an den vorgegebenen Grenzwert MHG, vorliegend von MHG = 8Nm an, so steuert das Steuergerät 12 in einem darauffolgenden Schritt S3 den Elektromotor 10 dazu an, ein unterstützendes Soll-Motorlenkmoment MM zu erzeugen, sodass das Handlenkmoment MH den vorgegebenen Grenzwert MHG nicht überschreitet. Dabei wird außerdem überwacht, ob die Summe aus Lenkunterstützung und zusätzlichem Soll-Motorlenkmoment MM einen vorgebbaren Maximalwert MM_max überschreitet. Vorliegend wird als Maximalwert ein Maximalwert von MM_max = 2Nm vorgegeben. Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt S4 weitergeführt, in welchem ein aktueller Lenkwinkel β der lenkbaren Räder 2 überwacht wird. Dabei wird der aktuelle Lenkwinkel β mit einem maximalen Lenkwinkelanschlag βmax verglichen. Erreicht der eingestellte Lenkwinkel β den Lenkwinkelanschlag βmax, so wird das Soll-Motorlenkmoment MM in einem darauffolgenden Schritt S5 reduziert, wobei die Reduzierung bevorzugt nicht schlagartig, sondern gradientenbehaftet erfolgt, und wobei die Reduzierung insbesondere bereits vor Erreichen des maximalen Lenkwinkels begonnen wird, sodass der Fahrer frühzeitig durch ein erhöhtes Gegenmoment an der Lenkhandhabe 9 ein Gefühl dafür vermittelt bekommt, dass der maximale Lenkwinkel βmax bald erreicht ist.
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Wird in dem Schritt S3 der zulässige Maximalwert MM_max für das Soll-Motorlenkmoment MM überschritten, so wird vorteilhafterweise in dem Schritt S6 eine Warnmeldung ausgegeben, die den Fahrer darauf aufmerksam macht, dass ein Fehlerfall vorliegt, wie beispielsweise, dass eines der Räder 2 gegen einen Bordstein verschwenkt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs beziehungsweise des Servolenksystems 1 ein Unterstützungslenkmoment beziehungsweise Motorlenkmoment von mehr als 1,5Nm nicht notwendig ist. Überschreitet jedoch das Motorlenkmoment MM den vorgegebenen Maximalwert MM_max, wird darauf erkannt, dass ein Ausnahmefall vorliegen muss, worauf der Fahrer aufmerksam gemacht wird.
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Das Verfahren sieht also vor, dass ein Handlenkmoment MH, das den vorgegebenen Grenzwert MHG überschreitet, im Fahrbetrieb durch das Servolenksystem 1 mittels Ansteuerung des Elektromotors 10 aktiv verhindert wird, indem ein zusätzliches Motorlenkmoment MM in Unterstützungsrichtung erzeugt wird. Das Handlenkmoment wird insbesondere durch einen PID-Regler eingeregelt. Die Stellgröße in Bezug auf den Lenkwinkel β, also das Soll-Motorlenkmoment MM wird im Endanschlagsbereich, also im Bereich des maximalen Lenkwinkels βmax reduziert, damit ein nicht überlenkbarer Endanschlag realisiert wird. Die Stellgröße wird insbesondere über einen Gesamtreduzierungsfaktor reduziert, damit ein Aus- und Einrampen bei Systemstart oder Systemstopp erfolgen kann. Dazu wird vorzugsweise eine Gradientenüberwachung des Stellgrößensignals durchgeführt. Es wird dadurch erreicht, dass für den plötzlichen Ausfall der elektromotorischen Unterstützung, zum Beispiel durch einen systematischen Softwarefehler, keine Gefahr für den Fahrbetrieb entsteht, weil dann insbesondere ein gegebenenfalls auftretendes Gegenmoment von dem Fahrer problemlos überwunden werden kann.
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Dadurch, dass ein Handlenkmoment MH von mehr als 8Nm nicht zugelassen wird, ist außerdem ein schlagartiges Aktivieren der elektromotorischen Unterstützung nicht mehr kritisch. Bei entsprechend hohen Handlenkmomenten verursacht das plötzliche Hinzuschalten des Elektromotors keinen sicherheitskritischen Effekt, der Fahrer kann das zusätzliche Unterstützungsmoment einfach ausgleichen. Darüber hinaus wird durch das Vorsehen eines Dämpfungslenkmoments bei niedrigen Handlenkmomenten ein komfortabler Betrieb gewährleistet, wobei dann, wenn ein hohes Handlenkmoment erfasst wird, und der Elektromotor 10 ohne hin zum Erzeugen eines Motorlenkmoments angesteuert wird, auf ein zusätzliches Dämpfungsmoment verzichtet wird, um das gewünschte Lenkverhalten nicht zu beeinflussen. Damit wird auch der Verlust einer Dämpfung durch das Servolenksystem bei einem Fehler in der Ansteuerung entgegengewirkt.
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3 zeigt in einem weiteren Flussdiagramm die Einbindung des vorteilhaften Verfahrens in eine herkömmliche Ansteuerstruktur eines Servolenksystems. In einem ersten Schritt A1 werden das Handlenkmoment MH sowie der Stellwinkel α der Lenkhandhabe 9 sowie gegebenenfalls weitere Eingangssignale X erfasst und zur Bestimmung des Soll-Motorlenkmoments MM ausgewertet. Üblicherweise wird das Soll-Motorlenkmoment direkt der Motorsteuerung B zur Verfügung gestellt, welche in Abhängigkeit des Soll-Motorlenkmoments MM den Elektromotor 10 ansteuert.
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Um das vorteilhafte Verfahren umzusetzen ist ein zusätzlicher Sicherheitskontroller C vorgesehen, welcher ebenfalls das durch den Lenkkontroller A bestimmte Soll-Motorlenkmoment MM sowie das Handlenkmoment MH empfängt. Der Sicherheitskontroller stellt das Steuergerät 12 dar, welcher das zuvor beschriebene Verfahren durchführt und in Abhängigkeit des Handlenkmoments MH das Soll-Motorlenkmoment MM derart einstellt, dass das Handlenkmoment MH den vorgebbaren Grenzwert MHG im Normalbetrieb nicht überschreitet, und das Soll-Motorlenkmoment MM auf den vorgebbaren Maximalwert MM_max begrenzt, wie zuvor bereits beschrieben. Das Ausgangsmoment des Sicherheitskontroller C wird nur aus ausgegeben, wenn das Ausgangsmoment des Lenkkontrollers A kleiner als das berechnete Ausgangsmoment des Sicherheitskontrollers ist, somit ist gewährleistet, dass der Sicherheitskontroller im Normalfall nicht eingreift, sondern nur im Falle eines zum Beispiel systematischen Softwarefehlers im Lenkkontroller A. Das Ausgangsmoment des Sicherheitskontrollers wird zum Ausgangsmoment des Lenkkontrollers hinzuaddiert.
