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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Kraftfahrzeuge, und insbesondere Kraftfahrzeuge mit automatischen Lenksystemen zur automatischen Umsetzung einer Lenkanforderung.
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Technischer Hintergrund
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Elektromechanische Lenksysteme werden in Kraftfahrzeugen verwendet, um ein elektromotorisch generiertes Lenkmoment bzw. eine elektromotorisch generierte Lenkkraft zu erzeugen. Derartige Lenksysteme dienen beispielsweise zur Ausführung von Fahrerassistenzfunktionen, wie z. B. von einem Spurhalteassistenten, übernehmen Teilaufgaben bei Fahrmanövern, wie z.B. bei einem Parklenkassistenten, oder können in einem Steer-by-Wire-Lenksystem selbstständig die Lenkstellung der Räder einstellen.
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Für alle diese Funktionen wird eine gewünschte Lenkanforderung ausgeführt und eine Soll-Stellgröße in Form eines entsprechenden Soll-Stellmoments bzw. einer entsprechenden Soll-Stellkraft bereitgestellt. Häufig wird die Soll-Stellgröße mithilfe eines Reglers bereitgestellt, wie beispielsweise einem Lenkstellungsregler oder dergleichen.
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Da die ordnungsgemäße Funktion des Lenksystems sicherheitskritisch ist, werden Lenksysteme ganz oder teilweise redundant aufgebaut. Insbesondere für Steer-by-Wire-Systeme ist ein vollständig redundanter Aufbau notwendig, da durch die fehlende mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern keine alternative Eingriffsmöglichkeit für den Fahrer bei einem Ausfall des Lenksystems besteht.
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Grundsätzlich sind für eine redundante Auslegung der Lenksteuerung zwei Konzepte bekannt. In einem Master/Slave-Konzept wird das Lenksystem durch einen Master-Steuerungspfad gesteuert. Zusätzlich ist ein redundanter Slave-Steuerungspfad vorgesehen. Bei Ausfall des Master-Steuerungspfades übernimmt der Slave-Steuerungspfad die Ansteuerung eines Lenkstellmotors. Bei einem sogenannten Master/Master-Konzept sind mehrere gleichberechtigte Steuerungspfade zur Ansteuerung von mehreren Lenkstellmotoren oder eines Lenkstellmotors mit mehreren separaten Wicklungskreisen vorgesehen. Bei Ausfall eines der Steuerungspfade steht für eine Lenkstellbewegung zwar nur ein verringertes Stellmoment zur Verfügung, ein Totalausfall wird jedoch vermieden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2018 108 597 A1 ist ein redundantes Steuergerät für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einem primären Steuerpfad und einem sekundären Steuerpfad bekannt. Der primäre Steuerpfad weist eine primäre Recheneinheit, eine primäre Treiberstufe und ein primäres Leistungsmodul auf, und der sekundäre Steuerpfad entsprechend eine sekundäre Recheneinheit, eine sekundäre Treiberstufe und ein sekundäres Leistungsmodul. Die Leistungsmodule dienen zur Ansteuerung von zwei physisch getrennten Elektromotoren oder eines einzelnen Elektromotors mit zwei Wicklungsgruppen. Durch die beiden physisch getrennten Momentenerzeuger ist ein Drehmoment auf dieselbe Welle ausübbar. Zusätzlich ist eine Kommunikation zwischen den beiden Steuerpfaden über eine Signalleitung unmittelbar zwischen den Recheneinheiten vorgesehen.
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Bei dem Master/Master-Konzept für den Aufbau eines Lenksteuergeräts werden Stellsignale für mehrere Wicklungskreise eines oder mehrerer Lenkstellmotoren gleichberechtigt erzeugt. Dies kann aufgrund von Abweichungen zwischen den zur Verfügung stehenden unabhängig ermittelten Eingangssignalen zu unterschiedlichen Soll-Stellgrößen führen, die zum Stellen von unterschiedlichen Stellmomenten bzw. zu unterschiedlichen Stellkräften in den mehreren Wicklungskreisen führen. Da beide Soll-Stellgrößen entsprechend bei der Positionierung des Lenksystems berücksichtigt werden, können die Wicklungskreise gegebenenfalls auch gegeneinander wirkende Stellkräfte bzw. Stellmomente erzeugen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Soll-Stellgröße basierend auf einer Regelung generiert wird, die gegebenenfalls einen Integratoranteil aufweist. Dort können sich dann geringfügige Regelabweichungen mit unterschiedlichen Vorzeichen auf beiden Steuerungspfaden akkumulieren und so zu unterschiedlich gerichteten Stellmomenten bzw. Stellkräften führen.
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Daher ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems zur Verfügung zu stellen, das mit einer Steuerung gemäß dem Master/Master-Konzept aufgebaut ist. Insbesondere sollen gegeneinander wirkende Steuerungspfade vermieden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Lenksystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems mit einem elektromechanischen Lenkeingriffssystem vorgesehen, mit mehreren redundanten Steuerungspfaden, wobei jeder Steuerungspfad eine Steuereinheit, eine Leistungseinheit und einen Wicklungskreis eines Stellmotors aufweist, wobei in jeder Steuereinheit eine Stellgrößeneinheit, vorgesehen ist, um abhängig von Eingangsgrößen eine Stellgröße bereitzustellen, wobei die Stellgrößen aller Stellgrößeneinheiten gemittelt werden, wobei eine Soll-Stellgröße durch jede Steuereinheit abhängig von der gemittelten Stellgröße bereitgestellt wird.
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Insbesondere können die gemittelten Stellgrößen als Soll-Stellgrößen jeweils an die Leistungseinheit des betreffenden Steuerungspfads weitergegeben werden.
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Beim Master/Master-Konzept für die Steuerung von Lenksystemen sind zwei oder mehr als zwei gleichberechtigte Steuerungspfade vorgesehen, die jeweils eine Steuereinheit zum Bereitstellen einer Soll-Stellgröße für eine Leistungseinheit zum Umsetzen der Soll-Stellgröße in eine entsprechende Motoransteuerung sowie einen Wicklungskreis zum Erzeugen eines der Soll-Stellgröße entsprechenden Stellmoments oder einer der Soll-Stellgröße entsprechenden Stellkraft umfassen. Die Wicklungskreise können in einem oder mehreren Lenkstellmotoren untergebracht sein.
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Durch Abweichungen von Eingangsgrößen der gleichberechtigten Steuerungspfade, wie z.B. durch unterschiedlich (d.h. anderer Zeitpunkt, anderer Sensor) gemessene Lenkpositionen bzw. Lenkwinkeln, ggfs. Längs- und Querbeschleunigungen (je nach Regelungskonzept) und der Zahnstangenposition können die Steuereinheiten unterschiedliche Soll-Stellgrößen generieren, die zu unterschiedlichen durch die Wicklungskreise generierten Stellmomenten/Stellkräften führen. Relevant können bei einem kaskadierten Regler zudem auch Abweichungen in der gemessenen Lenkverschiebegeschwindigkeit bzw. Lenkwinkelgeschwindigkeit sein.
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Je nach implementiertem Funktionsumfang der Steuereinheit können sich geringfügige Abweichungen der Eingangsgrößen mit unterschiedlichen Vorzeichen in beiden Steuerungspfaden akkumulieren, so dass Soll-Stellgrößen mit unterschiedlichen Vorzeichen gebildet werden können. Die Summe der Stellmomente ist dabei in der Regel korrekt und entspricht dem Ziel der ausgeführten Steuerungsfunktion, jedoch verbrauchen die Wicklungskreise hierbei aber unnötig viel elektrische Energie, da deren tatsächliche Stellmomente/Stellkräfte gegeneinander wirken. Durch die übermäßige thermische Beanspruchung kann die Verfügbarkeit und die Lebensdauer der Komponenten der Steuerungspfade negativ beeinträchtigt werden.
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Es ist daher gemäß obigem Verfahren vorgesehen, die Soll-Stellgrößen der mehreren Steuerungspfade, die am Ausgang der jeweiligen Steuereinheiten bereitgestellt werden, jeweils dem anderen Steuerungspfad zur Verfügung zu stellen. Die Steuerungspfade sehen dann vor, jeweils eine Mittelung der beiden Sollstellgrößen vorzunehmen und für die Erzeugung des jeweiligen Stellmoments/Stellkraft zu nutzen.
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Somit kann ein Gegeneinanderwirken der Steuerungspfade verhindert werden, da die Mittelung der beiden Soll-Stellgrößen auf der Ebene der digitalen Datenverarbeitung stattfindet und nicht durch Momenten- bzw. Kraftüberlagerung.
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Insbesondere können die Stellgrößeneinheiten jeweils eine Regelung, insbesondere eine Lenkstellungsregelung, mit einem Integratoranteil aufweisen, wobei der Integratoranteil jeweils abhängig von den gemittelten Stellgrößen betrieben wird. Weiterhin kann der Integratoranteil mit einer Differenz zwischen der Soll-Stellgröße und der tatsächlichen Stellgröße beeinflusst werden.
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Insbesondere können Integratoranteile der Lenkstellungsregelung dazu führen, dass die Soll-Stellgrößen der beiden Steuerungspfade voneinander abweichen und so unterschiedliche Vorzeichen der Soll-Stellgrößen entstehen. Sogar geringfügige Regelabweichungen mit unterschiedlichen Vorzeichen in beiden Steuerungspfaden werden akkumuliert, so dass zunehmende Soll-Stellgrößen mit unterschiedlichen Vorzeichen gebildet werden.
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Dadurch wird die Reglerdynamik der Regelung negativ beeinträchtigt. Durch die Berücksichtigung der gemittelten Soll-Stellgrößen in den Integratoranteilen beschränken sich die in den mehreren Steuereinheiten implementierten Regelungen gegenseitig und verhindern zu große Unterschiede zwischen den Integratoranteilen und damit eine zu hohe Abweichung der Soll-Stellgrößen. Durch die Beeinflussung der Integratoranteile mittels einer Differenz zwischen der gemittelten Soll-Stellgröße und der Soll-Stellgröße jedes Steuerungspfades wird der Integratoranteil der Regelung reduziert. Dies kann den sogenannten Windup-Effekt der Integratoren der Regelungen reduzieren oder vermeiden.
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Durch die Berücksichtigung der gemittelten Soll-Stellgröße als Ausgang der Steuereinheiten ist es möglich, einem Auseinanderlaufen der Soll-Stellgrößen entgegenzuwirken, so dass keine einander entgegengesetzten Stellmomente oder Stellkräfte durch die entsprechenden Wicklungskreise bewirkt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Differenz zwischen der Soll-Stellgröße und der Stellgröße gewichtet wird. Durch Vorsehen einer gewichteten Rückführung der Differenz aus ausgegebener Soll-Stellgröße und gemittelter Soll-Stellgröße in jedem Steuerungspfad kann der Einfluss der Mittelung der Soll-Stellgröße auf den jeweiligen Integratoranteil eingestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Integratoranteil ereignisbasiert gesteuert wird, um ein Anti-Windup zu realisieren.
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Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Integration auf einen geeigneten Wert gesetzt (eingefroren)und die Integration temporär ausgesetzt wird, wenn eine oder mehrere der folgenden Kriterien erfüllt sind:
- - Überschreitung einer bestimmten Abweichung zwischen den Soll-Stellgrößen;
- - Unterschreitung einer bestimmten Regeldifferenz und
- - Erreichen einer Sättigungsgrenze.
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Nach einem Rücksetzen des Integrators kann dieser auf einen Mittelwert der Integratoranteile beider Steuerungspfade oder auf einen vom Mittelwert abweichenden Wert, der vorgegeben wird, um die Dynamik im Sättigungsverhalten zu optimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Lenksystems mit einem elektromechanischen Lenkeingriffssystem mit mehreren redundanten Steuerungspfaden vorgesehen, wobei jeder Steuerungspfad eine Steuereinheit eine Leistungseinheit und einen Wicklungskreis eines Stellmotors aufweist, wobei in jeder Steuereinheit eine Stellgrößeneinheit vorgesehen ist, um abhängig von Eingangsgrößen eine Stellgröße bereitzustellen, wobei die Steuerungspfade ausgebildet sind, um die Stellgrößen aller Stellgrößeneinheiten zu mitteln und eine Soll-Stellgröße durch jede Steuereinheit abhängig von der gemittelten Stellgröße bereitgestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Lenksystem zum Lenken von Rädern eines Kraftfahrzeugs mit einem oder mehreren Stellmotoren und/oder einem oder mehreren Wicklungskreisen zum Bewirken einer Lenkkraft bzw. eines Lenkmoments und mit der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine Blockdarstellung eines Steuerungssystems mit zwei Steuerungspfaden zum Bereitstellen eines Lenkstellmoments;
- 3 eine Blockdarstellung eines Lenksteuerungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Berücksichtigung der Stellgrößendifferenz in der Stellgrößeneinheit; und
- 4 eine Blockdarstellung eines Lenksteuerungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Berücksichtigung der Stellgrößendifferenz in der Stellgrößeneinheit und geändertem Abgriff der Stellgröße.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Lenksystem 1 mit einem elektromechanischen Lenkeingriffssystem 10 Das Lenksystem 1 weist ein Lenkgetriebe 3 auf, das über ein Ritzel 4 und eine Zahnstange 5 verfügt, um ein manuell z.B. über ein Lenkrad 6 und eine Lenkstange 7 aufgebrachtes Handlenkmoment oder eine Handlenkkraft auf die Zahnstange 5 zu übertragen. Die Zahnstange 5 ist mit gelenkten Rädern 8 gekoppelt, um diese gemäß einer Stellung der Lenkstange 7 zu lenken.
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Das elektromechanische Lenkeingriffssystem 10 des Lenksystems 1 ermöglicht das Aufbringen eines elektromotorisch generierten Lenkmoments oder einer Lenkkraft zur Lenkunterstützung oder zum vollautomatisierten Einstellen einer Lenkposition, insbesondere beim autonomen Fahren oder bei einem automatischen Rangiervorgang.
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Das Lenkeingriffssystem 10 weist zwei (wie in der gezeigten Ausführungsform dargestellt) oder mehr als zwei redundante Steuerungspfade 11a, 11b auf, die jeweils eine Steuereinheit 12a, 12b, eine Leistungseinheit 13a, 13b sowie einen durch die Leistungseinheit 13a, 13b angesteuerten Wicklungskreis 14a, 14b eines oder mehrerer Stellmotoren aufweisen. Die Steuereinheiten 12a, 12b stehen in Kommunikationsverbindung.
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Die Wicklungskreise 14a, 14b können in separaten Stellmotoren oder jeweils getrennt in einem gemeinsamen Stellmotor vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirken zwei Stellmotoren auf die Lenkstange, um dort ein Stellmoment aufzubringen. In alternativen Ausführungsformen können die Stellmotoren auch direkt auf die Zahnstange wirken und dort eine Lenkkraft aufbringen.
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Die Leistungseinheiten 13a, 13b dienen dazu, eine in der Regel digital bereitgestellte Soll-Stellgröße in elektrische Ansteuersignale für die Wicklungskreise 14a, 14b bereitzustellen, so dass die Wicklungskreise ein entsprechendes Lenkmoment auf die Lenkstange oder eine entsprechende Lenkkraft auf die Zahnstange bereitstellen.
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In 2 ist schematisch eine Ausführungsform des Lenkeingriffssystems 10 der 1 beispielhaft dargestellt. Man erkennt einen ersten Steuerungspfad 11a mit der ersten Steuereinheit 12a, der ersten Leistungseinheit 13a und dem ersten Wicklungskreis 14a eines Stellmotors und den zweiten Steuerungspfad 11b mit einer zweiten Steuereinheit 12b, der zweiten Leistungseinheit 13b und dem zweiten Wicklungskreis 14b des gemeinsamen Stellmotors oder eines separaten Stellmotors.
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Die erste und zweite Steuereinheit 12a, 12b stellen jeweils eine Soll-Stellgröße Sasoll, Sbsoll für die betreffende Leistungseinheit 13a, 13b bereit, die eine Soll-Stellkraft bzw. ein Soll-Stellmoment darstellen.
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Die Steuereinheiten 12a, 12b weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste bzw. eine zweite Stellgrößeneinheit 15a, 15b auf, die eine Stellgröße Sa, Sb generieren, abhängig von der die Leistungseinheiten 13a, 13b angesteuert werden.
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Die Stellgrößen Sa, Sb werden nun in einem Mittelungsglied 16a, 16b die jeweils bereitgestellte erste Stellgröße Sa mit der zweiten Stellgröße Sb der Stellgrößeneinheit 15a, 15b gemittelt. Die gemittelten Stellgrößen werden nun als jeweilige Soll-Stellgröße Sasoll, Sbsoll der entsprechenden Leistungseinheit 13a, 13b zugeführt. Dies ermöglicht es, systematische Abweichungen zwischen den Soll-Stellgrößen Sasoll, Sbsoll zu verringern und insbesondere zu vermeiden, dass die Stellgrößen Sa, Sb aufgrund sich akkumulierenden geringfügigen Abweichungen in den Stellgrößeneinheiten 15a, 15b zu entgegengesetztem Bilden von Stellkräften bzw. Stellmomenten in den Wicklungskreisen 14a, 14b führen. Insbesondere wird dadurch ein übermäßiges Erwärmen der Leistungseinheiten 13a, 13b und der Wicklungskreise 14a, 14b vermieden, da die Mittelung der Stellgrößen Sa, Sb auf Softwareebene stattfindet und nicht durch Momenten- oder Kraftüberlagerung.
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Eine weitere Ausführungsform des Lenkeingriffssystem 10 ist in 3 dargestellt. Dort sind in den Stellgrößeneinheiten 15a, 15b jeweils Lenkstellungsregelungen implementiert, die mindestens einen Integrator aufweisen. Die Lenkstellungsregelungen können dabei einen PI-Regler oder PID-Regler aufweisen und auf eine vorgegebene Soll-Lenkstellung regeln. Auch andere Formen von Regelstrukturen mit einem Integratoranteil sind anwendbar.
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Dabei werden die gemittelten Stellgrößen jeweils einem Differenzglied 17a, 17b zugeführt, um eine Differenz der gemittelten Stellgröße zu der jeweiligen von der jeweiligen Stellgrößeneinheit 15a, 15b generierten Stellgröße Sa, Sb zu berechnen und diese Stellgrößendifferenz dem Integrator der in der Stellgrößeneinheit 15a, 15b implementierten Regelung zuzuführen oder dort zu berücksichtigen. Dazu werden die gemittelten Stellgröße Sa, Sb und die gemittelten Stellgrößen jedes Steuerungspfades voneinander subtrahiert und dem Integratoranteil beaufschlagt. Auf diese Weise kann der Integratoranteil einer in der jeweilige Stellgrößeneinheit 15a, 15b ausgeführten Regelung lediglich mit einer Abweichung aus dem jeweiligen Differenzglied 17a, 17b beaufschlagt werden. Dies ermöglicht es, den Integratoranteil entsprechend der Abweichung beider von den Steuereinheiten ausgegebenen Soll-Stellgrößen Sasoll, Sbsoll ergebene Differenz zu kompensieren. Dadurch wird ein Windup des Integratoranteils wirksam verhindert.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Integratoranteil ereignisbasiert gesteuert wird, um ein Anti-Windup zu realisieren. Dazu kann die Integration auf einen geeigneten Wert gesetzt (eingefroren) und die Integration temporär ausgesetzt werden, wenn eine oder mehrere der folgenden Kriterien erfüllt sind:
- - Überschreitung einer bestimmten Abweichung zwischen den Soll-Stellgrößen;
- - Unterschreitung einer bestimmten Regeldifferenz und
- - Erreichen einer Sättigungsgrenze.
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Nach einem Rücksetzen des Integrators kann dieser auf einen Mittelwert der Integratoranteile beider Steuerungspfade oder auf einen von diesem Mittelwert abweichenden Wert, der vorgegeben wird, um die Dynamik im Sättigungsverhalten zu optimieren.
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Weiterhin wird durch diese Variante einerseits verhindert, dass die Integratoranteile auseinanderlaufen und eine verbleibende Abweichung entsteht, die z. B. aus den Proportionalanteilen der Lenkstellungsregelung resultieren, anderseits können durch die Mittelung die Soll-Stellgrößen reduziert werden.
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Gegebenenfalls kann die Differenz der gemittelten Stellgröße zu der jeweiligen von der jeweiligen Stellgrößeneinheit 15a, 15b tatsächlich generierten Stellgröße Sa, Sb mit einer Gewichtung versehen werden, um so den Einfluss auf den Integratoranteil einstellen zu können.
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Alternativ kann, wie es in dem Lenkeingriffssystem 10 des Blockschaltbilds der 4 dargestellt ist, zur Ansteuerung der Leistungseinheiten 13a, 13b die von den jeweiligen Steuereinheiten 12a, 12b direkt ausgegebenen Stellgrößen Sa, Sb verwendet werden, da diese Ausgabe direkt auf dem Regelungsausgang unter Berücksichtigung des Integratoranteils der Lenkstellungsregelung basiert. Es werden also nicht die gemittelten Stellgrößen zur Ansteuerung der Leistungseinheiten 13a, 13b verwendet, sondern unmittelbar die Stellgrößen Sa, Sb, die den Integratoranteil wie oben beschrieben basierend auf der gemittelten Stellgröße berechnen. Dies reduziert die Laufzeit innerhalb des Regelkreises der jeweiligen Steuereinheit, da die Mittelung einer Art Filterung entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 3
- Lenkgetriebe
- 4
- Ritzel
- 5
- Zahnstange
- 6
- Lenkrad
- 7
- Lenkstange
- 8
- gelenkte Räder
- 10
- elektromechanisches Lenkeingriffssystem
- 11a, 11b
- erster und zweiter Steuerungspfad
- 12a, 12b
- erste und zweite Steuereinheit
- 13a, 13b
- erste und zweite Leistungseinheit
- 14a, 14b
- Wicklungskreise
- 15a, 15b
- erste und zweite Stellgrößeneinheit
- 16a, 16b
- Mittelungsglied
- 17a, 17b
- Differenzglied Sasoll, Sbsoll Soll-Stellgröße
- Sa, Sb
- Stellgröße
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018108597 A1 [0006]
