-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Bestimmung der Winkelposition
des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges, welches mit einem System der
elektrischen Unterstützung
der Lenkung ausgerüstet
ist, welches einen elektrischen Motor zur Aufbringung eines geeigneten
Unterstützungsdrehmoments
auf die mit dem Lenkrad fest verbundene Lenksäule und einen elektronischen
Rechner zur Ansteuerung des elektrischen Unterstützungsmotors aufgrund von Informationen über die
Winkelstellung des Lenkrades sowie Speichermittel für Daten
umfasst.
-
Es
hat sich gezeigt, dass die Information über die Winkelstellung des
Lenkrades beim Fahren eines Fahrzeuges mehr und mehr wichtig wird,
insbesondere für
die Funktion der automatischen Rückstellung
des Lenkrades und die Algorithmen der Steuerung der Unterstützungsfunktion.
Außerdem
muss diese Information auf die ESP-Einrichtung übertragen werden, der die generelle
Stabilität
des Fahrzeugs obliegt.
-
Um
diese Funktionen zu erfüllen
ist bekannt, einen Positionssensor oder Algorithmen zur Bestimmung des
Lenkradwinkels einzusetzen.
-
Zu
diesen Notwendigkeiten kommt als zusätzliche Probleme hinzu, dass
die Information über
den Winkel vom Starten des Fahrzeugs an verfügbar sein muss, d.h. von der
Initialisierung der Elektronik der elektrischen Lenkunterstützung (DAE)
an, dass Präzision
und Genauigkeit des Winkels eine ständig wichtigere Rolle spielen
und dass das Lenk rad um einen großen Winkel gedreht werden können muss,
wenn die Zündung
des Fahrzeuges ausgeschaltet wird.
-
Zur
Erfüllung
dieser Funktion ist es bekannt, einen Sensor für die Stellung des Lenkrades
mit absoluter Nullstellung einzusetzen, was erhebliche Zusatzkosten
zum Preis des Lenksystems verursacht.
-
Die
vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren zur Bestimmung der
Winkelposition des Lenkrades vorzuschlagen, welches die vorstehend
angesprochenen Probleme des Standes der Technik zu eliminieren gestattet.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch charakterisiert,
dass die Winkelposition des Lenkrades anhand von auf die Winkelposition
des Rotors des Unterstützungsmotors
bezogenen Daten bestimmt wird.
-
Die
Erfindung wird besser verstanden, und weitere Zwecke, Merkmale,
Einzelheiten und Vorteile derselben treten klarer in Erscheinung
in der nachfolgenden erklärenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur beispielhaft
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutern
sollen.
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Systems elektrisch unterstützter Lenkung
(DAE) für
ein Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik;
-
2 ist
ein funktionelles Schaubild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt
zur Erleichterung des Verständnisses
der Erfindung ein elektrisch unterstütztes Lenksystem (DAE) für ein Kraftfahrzeug
welches eine Lenksäulenanordnung 1 umfasst,
die an ihrem oberen Ende ein Lenkrad 2 trägt, welches
von dem Fahrer des Fahrzeuges betätigbar ist, ferner eine mechanische
Lenkeinrichtung 3, auf die das unte re Ende der Lenksäule 1 einwirkt
und einen elektrischen Unterstützungsmotor 4,
dem ein Untersetzungsgetriebe 5 zugeordnet ist.
-
Die
mechanische Lenkeinrichtung 3 umfasst in an sich bekannter
Weise ein Lenkgetriebe 6, in dessen Innerem eine nicht
dargestellte Zahnstange axial beweglich ist, und rechte und linke
Spurstangen 7, 8 die jeweils mit einem Ende an
der Zahnstange und mit dem anderen Ende an dem Lenkelement eines
Vorderrades des Fahrzeuges befestigt sind. Die Zahnstange wird axial
durch ein nicht dargestelltes Zahnrad verlagert, welches auf dem
unteren Ende der Lenksäule 1 drehfest
ist. Da das Lenkrad 2 drehfest mit dem oberen Ende der Lenksäule 1 verbunden
ist, ruft eine Drehung dieses Lenkrades über die Lenksäule 1 die
axiale Verlagerung der Spurstangen 7 und 8 hervor.
-
Der
Unterstützungsmotor
wird durch einen elektronischen Rechner 10 gesteuert, der
eine ECU-Einrichtung, einen RAM-Speicher, einen ROM- oder FLASH-Speicher
und einen elektrisch löschbaren
und programmierbaren EEPROM-Speicher umfasst, der nicht flüchtig ist.
Das herkömmliche
Unterstützungssystem umfasst
darüber
hinaus einen Sensor 11 für das Drehmoment und einen
Sensor 12 für
den Winkel an der Lenksäule.
Es ist auch bekannt, dem Unterstützungsmotor 4 einen
Winkelgeber 13 zuzuordnen, der zur Bestimmung der Winkelposition
des Rotors des Motors bestimmt ist. Diese Funktion könnte auch
durch einen Halleffektsensor ausgeführt werden.
-
Die
Erfindung schlägt
ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition des Lenkrades 2 in
einem System der elektrischen Unterstützung des Fahrens vor, bei
dem eine größere Besonderheit
darin liegt, dass sie auf den Winkelgeber am Lenkrad verzichten
kann, wie den Winkelgeber 12 auf der 1,
indem es sich auf die Positionsdaten des Rotors des Motors 4 stützt, die
zur Steuerung des letzteren bestimmt werden.
-
Diese
Daten sind handhabbar und präzise
und es ist möglich,
aus Ihnen exakt die Entwicklung der Stellung des Lenkrades über die
Zeit und seit dem Start des Systems abzuleiten, ohne die Notwendigkeit
eines Positionsgebers.
-
2 gibt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Rechners 10 wieder,
wobei die verschiedenen Funktionen durch in Gestalt von Rechtecken
oder Kreisen wiedergegebene Module verkörpert sind. Der Motor 4 wird
durch ein Motor-Steuermodul 14 aufgrund eines Signals eines
Summiergliedes 15 und aufgrund eines Signals eines Winkelgebers 13 zur
Bestimmung der Winkelposition des Rotors des Motors 4 gesteuert. Das
Summierglied 15 bildet das dem Modul 14 zuzuführende Signal
auf der Basis von drei Eingangssignalen. Ein erstes Eingangssignal
wird von einem Modul 16 der Motorunterstützung geliefert,
welches zur Bestimmung des Momentensollwertes auf der Basis des
Momentensignals C aus einem Modul 17 geliefert wird, welches die
Signale in Form bringt und verifiziert, die von dem Drehmomentsensor 11 auf
der 1 erzeugt werden, und aufgrund der Information über die
Fahrzeuggeschwindigkeit V, die von einem Modul 18 geliefert
werden, der die Signale des Übertragungsbus 19 der
Daten des Fahrzeugs in Form bringt und verifiziert. Das Summierglied
empfängt
an einem zweiten Eingang die Ausgangssignale eines aktiven Umkehrmoduls 20,
der die Rückkehr
des Lenkrades in seine Position 0 gestattet. Dieser Modul produziert
sein Ausgangssignal auf der Basis der Information, die sich auf
die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs bezieht, und einer Information über die
Winkelstellung des Rotors des Motors 4, die von einem Rechenmodul
für den
Rotorwinkel geliefert wird, der mit der Bezugszahl 21 bezeichnet
ist. Das Summierglied empfängt
ein drittes Eingangssignal von einem Modul 22, welches
sich auf andere Funktionen des elektrischen Unterstützungssystems
bezieht, die auf der Basis einer Information über die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors
des Unterstützungsmotors 4 bestimmt
werden, die von einem Modul 23 zur Formung der Signale
der Winkelstellung des Rotors des Motors 4 geliefert werden, die
von dem Winkelgeber 13 zur Bestimmung des Rotorwinkels
stammen.
-
2 zeigt
darüber
hinaus außer
den soeben genannten Modulen, die die Grundlage der Anwendung des
Rechners 10 bilden, die untere Einheit 24, die
die Gesamtheit der Programme enthält, die die Anwendungsgrundlage
laufen lassen und die Kommunikation mit der Hardware-Seite ermöglichen.
Von diesem Ensemble sind nur die Funktionen des Stopps und des Starts
angegeben und mit den Bezugszahlen 25 bzw. 26 bezeichnet,
unter dem Aspekt, dass dies insbesondere diejenigen beiden Funktionen
sind, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Rolle spielen.
Zu diesen für
die Erfindung wesentlichen Funktionen oder Modulen kommt der mit
der Bezugszahl 27 bezeichnete nicht flüchtige Speicher EEPROM hinzu.
-
Ein
wesentliches Merkmal besteht, wie durch die mit Pfeilen versehenen
Linien symbolisiert, darin, dass bei einem Anhalten des Fahrzeuges
die Winkel des Lenkrades und des Rotors des Motors 4 in
den Speicher EEPROM 27 abgespeichert werden, wie es durch
die Werte θeeprom und αeeprom angegeben
ist. Diese Werte erscheinen bei einem Start und werden auf den Modul 21 zur
Berechnung des Motorwinkels übertragen,
um den Lenkradwinkel θinit beim Start und den Lenkradwinkel θt zu bestimmen, wobei von dem Modul 23 auch noch
der Winkel α(t) des Rotors des Motors 4 eingeht.
-
Nachstehend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
mit Hilfe der von der Erfindung empfohlenen Maßnahme in den verschiedenen
Zuständen
des Systems DAE beschrieben, d.h. bei der Entsperrung der Lenksäule 1,
bei dem Start des Systems DAE, bei seinem Betrieb, bei seinem Anhalten,
bei seinem Blockieren und beim Anhalten des Fahrzeugs.
-
Bei
der Entsperrung der Lenksäule
entsteht ein Problem, wenn der Fahrer ohne Unterstützung an
dem Lenkrad 2 dreht. Gemäß der Erfindung werden in diesem
Fall alle Winkeländerungen
der Lenksäule 1 und
der Motorwelle festgestellt und von dem Rechner 10 verarbeitet,
von dem Moment der Entriegelung der Lenksäule an. Es ist vorgesehen,
dass die Entsperrung der Lenksäule
zwangsläufig
und gleichzeitig den Start des Rechners 10 und das Unterspannungsetzen
des Winkelgebers 13 des Motors nach sich zieht. Nach dem
Start des Rechners 10 werden die Variationen der Position
der Motorwelle, d.h. des Rotors, durch den Rechner in der nachstehend
beschriebenen Weise verarbeitet.
-
Zur
Begrenzung des Verbrauchs an elektrischer Energie durch den Rechner 10 könnte in
Betracht gezogen werden, elektrische Energie nur dem Winkelgeber
und der ECU-Einrichtung
zuzuführen,
wobei die Sensoren und der Unterstützungsmotor nur beim Start
des Unterstützungssystems
versorgt werden könnten.
-
Beim
Start des Rechners wird die Position des Lenkrades 2 in
Abhängigkeit
von der abgelesenen Position des Rotors des Motors, der Position
des Rotors, die seit dem letzten Halt des Fahrzeugs in dem nicht flüchtigen
Speicher gespeichert ist, und dem Absolutwinkel des Lenkrades berechnet,
die in dem nicht flüchtigen
Speicher bei dem vorangehenden Halt nach mehreren Umdrehungen gespeichert
worden ist. Wenn die Stellung des Lenkrades 2 zwischen
dem Abschalten des Unterstützungssystems
DAE und dem Start des Rechners 10 unverändert geblieben ist, sind der
tatsächliche
Lenkradwinkel und der in dem Speicher gespeicherte Winkel identisch: θinit = θeeprom (1)
-
In
diesem Fall wird in dem nichtflüchtigen
Speicher der Lenkradwinkel bei der Vorbereitung des Rechners und
des abgelesenen Wertes bei der Initialisierung registriert.
-
Es
ist jedoch möglich,
dass der Lenkradwinkel zwischen dem Moment der Vorbereitung und
dem Start des Rechners sich ändert.
Die Erfindung gestattet die Bestimmung des tatsächlichen Lenkradwinkels auf
der Basis der Informationen über
die Stellung des dem Motor
4 zugeordneten Winkelgebers
13.
Tatsächlich
ist die Änderung
des Winkels während
des Abschaltens des Systems DAE proportional zur Differenz der Positionen des
Winkelgebers zwischen den Momenten der Vorbereitung und dem Start
des Rechners. Auf diese Weise ergibt sich:
worin θ
init den Lenkradwinkel berechnet beim Start, θ
eeprom in dem Speicher EEPROM gespeicherten
Lenkradwinkel, α
init den Motorwinkel, gemessen beim Start
mit Hilfe des Winkelgebers und σ
reducteur das Untersetzungsverhältnis des
Untersetzungsgetriebes bedeuten, welches konstant ist.
-
Die
Erfindung umfasst im Falle einer Winkeländerung des Lenkrades zwischen
den Momenten der Vorbereitung und des Wiederstarts des Rechners
somit die Registrierung des Lenkradwinkels bei der Vorbereitung
des Rechners in dem nicht flüchtigen
Speicher, das Ablesen des in dem nicht flüchtigen Speicher gespeicherten
Winkels beim Start, die Registrierung der Position des Rotors des
Motors bei der Vorbereitung in dem nicht flüchtigen Speicher, das Ablesen
der Position des Rotors des Motors, die bei dem Start in dem Speicher
gespeichert worden ist, und die Berechnung des tatsächlichen
Lenkradwinkels beim Start auf der Basis dieser Daten nach der vorstehenden
Formel (2).
-
Nachfolgend
wird die Berechnung des Lenkradwinkels zu einem Zeitpunkt t nach
der Entblockierung der Lenksäule
und nach dem Start des Rechners
10 beschrieben. Unabhängig davon,
ob das DAE-System läuft
oder nicht, wird der Lenkradwinkel Θ
(t) periodisch
auf den Zeitpunkt t neu berechnet, auf der Basis der vorangehenden
Berechnung in Abhängigkeit
von der Differenz der Position des Rotors des Unterstützungsmotors
nach der folgenden Gleichung:
worin Θ
(t) der zum Zeitpunkt t berechnete Winkel
des Lenkrades ist, worin Θ
(t-1) der Lenkradwinkel berechnet beim vorangehenden
Zyklus ist, worin α
(t) der Winkel des Rotors des Motors gemessen
zum Zeitpunkt t ist, worin α
(t-1) der Winkel des Rotors gemessen zum
vorangehenden Zyklus und σ
reducteur das Untersetzungsverhältnis des
Untersetzungsgetriebes ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt auch alle Rechenfehler des absoluten Winkels des Lenkrades
zu berücksichtigen,
die beispielsweise durch besondere Umstände wie Parkmanöver, Abtrennen
der Batterie, Reparaturen in einer Werkstatt zustande kommen.
-
Die
Erfindung erlaubt es auch, die Information über den Lenkradwinkel regelmäßig zu überprüfen und sie
zu korrigieren unter Verwendung von Korrektur-Algorithmen, insbesondere
zur Korrektur der Position 0 des Lenkrades.
-
Ein
Verfahren zur Bestimmung der Position 0 ist in dem europäischen Patent
EP 1 211 161 beschrieben.
Nach diesem bekannten Verfahren wird der Winkel 0 bestimmt, wenn
vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind,
d.h. wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeuges nicht null und oberhalb
einer vorbestimmten Geschwindigkeit gelegen ist, wenn das Drehmoment
am Lenkrad nahe null Nm ist, mit Variationen des Drehmoments unterhalb
einem vorbestimmten Wert, und wenn die beiden vorgenannten Bedingungen
während
einer Zeit erfüllt
bleiben, die zu der Bestätigung
ausreicht, dass das Fahrzeug eine gerade Bahn zurücklegt und
dass es sich nicht um ein Loslassen des Lenkrades handelt.
-
Im
Rahmen der Erfindung wird unter Anwendung des aus dem Dokument
EP 12 11 151 , auf welches wegen
eingehender Informationen Bezug genommen wird, bekannten Verfahrens
zur Bestimmung des Winkels 0 der berechnete Lenkradwinkel Θ
(t) mit dem vorbestimmten Winkel 0 verglichen,
d.h. mit dem Winkel Θ
(D) nach der folgenden Gleichung:
Δθ = (θ(t) – θ0) (4) -
Wenn
die Differenz Δθ klein ist,
wird der Lenkradwinkel automatisch auf den Wert θ(t) = θ0 (5) korrigiert.
-
Wenn
aber im Gegensatz dazu die zu bewirkende Korrektur merklich ist,
wird der Lenkradwinkel während
einer Periode n um einen Zuwachs K(t) nach und nach korrigiert,
um das Unterstützungsdrehmoment
zu begrenzen, welches auf die Lenksäule auszuüben ist. Diese Korrektur wird
durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt:
-
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass während
des Stillstandes des DAE-Systems, welches die Invorbereitungsetzung
seines Rechners steuert, die Informationen über den Winkel, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
notwendig sind, in dem nicht flüchtigen
EEPROM-Speicher des Rechners gespeichert werden, d.h. der Lenkradwinkel
und die Position des Rotors des Motors.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auch auf Systeme anwendbar, die mit Einrichtungen zur Blockierung
der Lenksäule
ausgerüstet
sind, aber auch in dem Fall, dass die Lenksäule nicht blockiert wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
garantiert vom Start des DAE Systems an eine große Präzision und Sicherheit der Berechnung
des Lenkradwinkels, wenn dieser Winkel nach der Inbetriebnahme des
Rechners bestimmt wird und unterhalb einer halben Umdrehung des
Rotors des Motors liegt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist mit allen Arten der Lenksäulenblockierung
kompatibel.
-
Im
Falle einer manuellen Blockierung der Lenksäule durch ein mechanisches
System wie z.B. der Bauart, die unter der Bezeichnung NEYMANN bekannt
ist, wird der errechnete Lenkradwinkel in dem EEPROM-Speicher des
Rechners registriert, nachdem der Kontakt mit dem Fahrzeug unterbrochen
ist. Der Fahrer vergewissert sich über die Blockierung und Verriegelung
der Lenksäule,
indem er das Lenkrad dreht, bis eine Ausnehmung der Lenksäule mit
einem Diebstahlschutzschieber zur Deckung kommt, der sie durch ein mechanisches
System blockiert.
-
Ob
nun die Lenksäule
vom Fahrer blockiert ist oder nicht, der Winkel des Lenkrades wird
mit Präzision eingegeben,
wenn dieser bestimmte Winkel nach dem Start bestimmt und unterhalb
einer halben Umdrehung des Rotors des Motors gelegen ist.
-
Im
anderen Fall wird der Winkel des Lenkrades korrigiert, nachdem das
DAE-System gestartet ist, nach der Ermittlung des Winkels 0 wie
vorstehend beschrieben. Um diesen Nachteil zu mildern, könnte das Fahrzeug
mit einem Blockiersystem ausgerüstet
werden, welches mehrere Blockadepunkte aufweist, derart, dass das
Lenkrad sich nie mehr als eine halbe Umdrehung des Rotors des Motors
drehen kann.
-
Die
Erfindung ist wohlgemerkt anwendbar auf Fahrzeuge, die mit einem
manuellen Blockiersystem für die
Lenksäule
durch elektrische Verriegelung der Motorwelle ausgerüstet sind.
Diese Verriegelungssysteme, die im Stand der Technik bekannt sind,
umfassen einen Diebstahlschutzstange, die auf der Motorachse befestigt
ist und eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist, in die ein Diebstahlschutzzapfen
unter der Wirkung eines Motors eingreifen kann, der direkt die Annäherung des
Zapfens oder eines mechanischen Federsystems erlaubt. Nach der Unterbrechung
des Kontakts mit dem Fahrzeug wird das DAE-System aktiviert und
werden die Winkelinformationen in dem nicht flüchtigen Speicher registriert.
Die Erfindung garantiert bei diesem Blockiersystem einen präzisen Winkel
bei der nächsten
Initialisierung, entsprechend der vorstehend angegebenen Gleichung
(2).
-
Das
Verfahren nach der Erfindung ist auch kompatibel mit einem Verriegelungssystem
der Lenksäule, wie
es in dem französischen
Patent 010 26 71 beschrieben ist. Dieses System erlaubt einen Eingriff
des Diebstahlschutzzapfens auf ein Kommando des DAE-Systems hin. Nach
der Unterbrechung des Kontakts mit dem Fahrzeug bleibt das DAE-System ebenso wie
alle übrigen
Komponenten des Systems für
eine kurze Zeit unter Spannung. Der Motor wird derart angesteuert,
dass er eine Drehung der Motorwelle bewirkt.
-
Der
bewirkte Drehwinkel wird derart berechnet, dass eine der Ausnehmungen
der Verriegelungsstange gegenüber
dem Diebstahlschutzzapfen positioniert wird, der daraufhin eingreift.
Der Lenkradwinkel wird neu berechnet und in dem nicht flüchtigen
Speicher des Rechners registriert. Mit diesem Verriegelungssystem garantiert
die Erfindung mit Präzision
einen Lenkradwinkel nach der Formel (1) wie vorstehend angegeben.
-
Die
Erfindung ist wohlgemerkt gleichermaßen auf Fahrzeuge anwendbar,
die nicht mit einem Verriegelungssystem versehen sind, oder bei
denen der Fahrer die Lenksäule
nicht manuell blockiert oder bei denen die Verriegelungssysteme
nicht richtig funktionieren. In diesem Fall werden während der
Vorbereitung der Lenkradwinkel und die Position des Rotors des Motors
in dem nicht flüchtigen
Speicher registriert, wie es vorstehend beschrieben ist. Bei der
Initialisierung wird der Lenkradwinkel nach der vorstehend angegebenen
Gleichung (2) berechnet. Die Genauigkeit des Winkels bei der Initialisierung
kann jedoch nicht garantiert werden. Diese Garantie kann jedoch
nach der Aktivierung des oben beschriebenen Korrekturmoduls erfolgen.
-
Es
geht aus der vorstehenden Beschreibung hervor, dass das Verfahren
der Bestimmung der Winkelstellung des Lenkrades durch Messung der
Winkelstellung des Rotors des Unterstützungsmotors ohne dafür vorgesehene
Winkelsensoren die Erlangung ei nes Lenkradwinkels mit sehr großer Präzision erlaubt,
was die Algorithmen der Systeme DAE und EPS verbessert.
-
Zusammenfassung:
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition
des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges, welches mit einem elektrisch
unterstützten
Lenksystem ausgerüstet
ist. Das System umfasst einen elektrischen Servomotor (4)
zur Aufbringung eines geeigneten Unterstützungsdrehmoments auf die mit dem
Lenkrad fest verbundene Lenksäule
(9) und einen elektronischen Rechner (10) zur
Ansteuerung des Servomotors (4) auf der Basis von die Winkelposition
des Lenkrades betreffenden Daten. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Winkelposition des Lenkrades auf der Basis von Daten bestimmt
wird, die die Winkelposition des Rotors des Servomotors (4)
betreffen. Die Erfindung kann in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
