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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein
solches Lenksystem ist aus der
DE-OS 40 31 316 A1 (entspricht der
US 5,205,371 ) bekannt und
soll, soweit es zum Verständnis
der vorliegenden Erfindung relevant ist, anhand der
1 und
2 erläutert werden.
Bei einem solchen Lenksystem werden die vom Fahrer durch das Lenkrad
11 bzw.
21 aufgebrachten
Lenkbewegungen, bspw. der Lenkradwinkel δ
L, in
dem Überlagerungsgetriebe
12 bzw.
22 mit
den Bewegungen des Stellantriebes
13 bzw.
23,
bspw. dem Motorwinkel δ
M, überlagert.
Die so entstandene überlagerte
Bewegung, bspw. der Winkel δ
L',
wird über
das Lenkgetriebe
14 bzw. das Lenkgestänge
16 an die lenkbar
ausgelegten Räder
15a und
15b zur
Einstellung des Lenkwinkels δ
V weitergeleitet. Hierbei kann der Stellantrieb
13 bzw.
23 als Elektromotor
ausgelegt sein. Das Funktionsprizip eines solchen Servolenksystems
besteht darin, daß die
Lenkung durch die Übersetzung
i
ü des Überlagerungsgetriebes
12 bzw.
22 sehr
indirekt gemacht werden kann und damit geringe Lenkradmomente M
L erreicht werden können. Dadurch bedingte, sehr
große Lenkradwinkel δ
L werden
vermieden, indem geeignete Motorwinkel δ
M überlagert
werden, so dass entsprechend dem Zusammenhang
δL' = δL/iü + δM mit
Lenkradwinkeln üblicher
Größe erforderliche Ausgangswinkel δ
L' eingestellt werden
können.
Der zur Lenkunterstützung
erforderliche Motorwinkel δ
M bzw. sein Sollwert wird aus dem Lenkradwinkel δ
L bestimmt.
Bei solchen Servolenksystemen neigt das Lenkrad im losgelassenen
Zustand zu Schwingungen, vor allem bei Fahrzeugstillstand, so dass
bei einer genügend
starken Anregung aufklingende Schwingungen des Lenkrades auftreten
können.
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Die
DE 44 21 380 A1 zeigt
ein Servolenksystem in Form einer Überlagerungslenkung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs der unabhängigen
Ansprüche.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Servolenksystem
so zu steuern bzw. zu regeln, dass keine wesentlichen Schwingungen aufklingen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1
gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Wie
schon erwähnt
geht die Erfindung aus von einem Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens
einem lenkbaren Rad, einem Stellantrieb und einem Überlagerungsgetriebe,
wobei durch das Überlagerungsgetriebe
die durch den Fahrer des Fahrzeugs initiierte Lenkbewegung und die
durch den Stellantrieb initiierte Bewegung zur Erzeugung der Lenkbewegung
des lenkbaren Rades überlagert werden.
Der Stellantrieb wird dabei zur Initiierung seiner Bewegung durch
eine Stellgröße angesteuert, die
wenigstens abhängig
von der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegung ist. Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass diese Stellgröße in ihrem Ausmaß begrenzt
ist.
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Die
wesentliche Ursache für
die Schwingungsneigung des Lenkrades stellt die Stellgrößenbegrenzung
(im allgemeinen eine Motor-Strombegrenzung) des Stellantriebs dar,
d.h. die Tatsache, dass der Motorstrom nur bestimmte Werte annehmen
und deshalb unter Umständen
seinen Sollwert nicht erreichen kann. Durch eine erfindungsgemäße spezielle
Reglererweiterung wird dieser Ursache Rechnung getragen.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass die Begrenzung der Stellgröße für den Stellantrieb
im Regler nachgebildet und die Differenz zwischen idealer und begrenzter
Stellgröße, unter
Umständen
mit einer Verstärkung
integrierend zurückgeführt wird. Dadurch
wird während
der Wirksamkeit der Begrenzung ein Offset aufintegriert und zur
Stellgröße hinzuaddiert,
der dazu führt,
dass die Stellgröße schneller aus
der Begrenzung herauskommt. Hierdurch wird die oben erwähnte Schwingungsneigung
bei losgelassenem Lenkrad wirksam vermieden.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Differenz zwischen der begrenzten Stellgröße und der Stellgröße über eine
Integrationsstufe geführt
der Stellgröße additiv überlagert
wird.
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Solange
nun die Begrenzung nicht wirksam ist, das heißt solange die begrenzte Stellgröße gleich der
Stellgröße ist,
bleibt der erfindungsgemäße Offset
konstant, so dass ein einmal entstandener Offset zu anschließenden bleibenden
Regelabweichungen führt.
Um diese bleibende Regelabweichung zu vermeiden, wird in den folgenden
Ausführungsformen der
Erfindung dafür
gesorgt werden, dass der Offset gegen Null strebt, wenn die Begrenzung
nicht wirksam ist. Zur Realisation dieses Gedankens werden im folgenden
im wesentlichen fünf
Möglichkeiten
genannt, die alternativ oder in Kombination einsetzbar sind.
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Die
erste Möglichkeit
besteht darin, dass der in der Integrationsstufe gebildete Wert,
das heißt
der Offset, negativ auf den Eingang des Integrieres zurückgeführt wird.
Das heißt,
dass die Differenz oder die verstärkte Differenz um die über die
Integrationsstufe geführte
Differenz oder die über
die Integrationsstufe geführte
verstärkte
Differenz vermindert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese
negative Rückkopplung
des Integrierers mit dem Verstärkungsfaktor α > 0 geschieht. Diese
Ausführungsform hat
den Vorteil, dass bei einem kleinen Verstärkungsfaktor α diese Maßnahme zur
Vermeidung der bleibenden Regelabweichung die Wirkung der erfindungsgemäßen Vermeidung
der Lenkradschwingungen nur unwesentlich beeinflusst.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Vermeidung der bleibenden Regelabweichungen besteht darin, dass eine
negative Rückkopplung
des Integrierers, ggf. mit dem Verstärkungsfaktor α > 0, nur dann getätigt wird, wenn
die Begrenzung unwirksam ist, das heißt, wenn die begrenzte Stellgröße gleich
der Stellgröße ist. Daraus
ergibt sich ein Abbau des Offsets mit einem Verzögerungsverhalten erster Ordnung.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Beseitigung der bleibenden Regelabweichungen besteht darin,
dass die über
die Integrationsstufe geführte
Differenz vor der Überlagerung
mit dem unbegrenzten Stellsignal rampenförmig mit bestimmter, vorgegebener
Geschwindigkeit auf den Wert Null geführt wird, und zwar immer dann,
wenn das Ausmaß der
Stellgröße nicht
begrenzt wird, das heißt,
wenn die begrenzte Stellgröße gleich
der Stellgröße ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
die erwähnte
bleibende Regelabweichung zu vermeiden, besteht darin, dass die über die
Integrationsstufe geführte
Differenz vor der Überlagerung
mit dem unbegrenzten Stellgrößensignal über ein
Verzögerungsglied
mit einem Verzögerungsverhalten
zweiter oder höherer Ordnung
geführt
wird, wenn das Ausmaß der
Stellgröße nicht
begrenzt wird, das heißt,
wenn die begrenzte Stellgröße gleich
der Stellgröße ist.
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Als
letzte Möglichkeit
zur Beseitigung der bleibenden Regelabweichung ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die über
die Integrationsstufe geführte
Differenz oder ggf. die über
die Integrationsstufe geführte
verstärkte
Differenz über
eine weitere Verstärkerstufe
geführt
wird und nach dieser Verstärkung
der Differenz zwischen dem unbegrenzten und dem begrenzten Stellgrößensignal überlagert
wird. Insbesondere bei kleinem Verstärkungsfaktor α > 0 ergibt sich bei
dieser Ausführungsform
ebenfalls nur eine unwesentliche Beeinflussung der erfindungsgemäßen Vermeidung
der Lenkradschwingungen bei losgelassenem Lenkrad.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen
schematisch das Lenksystem von dem die Erfindung im Ausführungsbeispiel
ausgeht. Die 3 zeigt in ihren Teilen a
und b das regelungstechnische Blockschaltbild des Lenksystems zum
einen im Fall eines vom Fahrer festgehaltenen Lenkrades (3a)
und im Fall eines losgelassenen Lenkrades (3b). Die 4 zeigt anhand
eines Blockschaltbildes beispielhaft die Steuerung bzw. die Regelung,
während
die 5a anhand eines Blockschaltbildes die erfindungsgemäße Regelstrategie
beispielhaft offenbart. Die 5b und c
zeigen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Regelungsstrategie.
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Ausführungsbeispiel
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Anhand
des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung
beispielhaft beschrieben werden.
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Wie
schon in der Beschreibungseinleitung kurz erwähnt, zeigen die 1 und 2 ein
Lenksystem nach dem Stand der Technik, von dem in diesem Ausführungsbeispiel
ausgegangen werden soll.
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Die 3a zeigt
die Grundstruktur der Steuerung und Regelung des Servolenksystems
im Zustand des festgehaltenen Lenkrads, während die 3b die
Situation im Zustand des losgelassenen Lenkrades behandelt. Hierzu
ist mit dem Block 33 schematisch das Überlagerungsgetriebe 12 bzw 22 und
der Stellantrieb 13 bzw. 23 zusammengefaßt. Mit dem
Block 32 wird der Steller gekennzeichnet, der aus dem Überlagerungsgetriebe
und dem Motor 33 und der Stellgrößenbegrenzung 34 besteht,
die eigentlich eine Eigenschaft des Motors ist. Der eigentlichen
Steuerung bzw. Regelung 31 werden eingangsseitig (3a,
b) der Lenkradwinkel δL und der zusätzliche Lenkeingriff δkorr zugeführt. Der
zusätzliche
Reglereingang δkorr dient der Überlagerung von korrektiven
dynamischen Lenkeingriffen. Dabei ist bspw. an Lenkanteile gedacht,
die vom Fahrzustand (Fahrzeuggeschwindigkeit, Wankbewegungen bzw. von
durch Seitenwind bewirkte Instabilitäten) abhängen. Weiterhin soll zum korrektiven
Lenkeingriff δkorr auf die Beschreibung zum Fahrzeugregler 44 (4) verwiesen
werden.
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Mittels
der Steuerung bzw. der Regelung 31 wird abhängig von
den o.g. Lenkwinkelsignalen und Rückführungsgrößen das Steuerungssignal u
dem Steller 32 zugeführt.
Als Rückführungsgrößen sind beispielsweise
die aktuelle Winkelstellung des Motors 13 bzw. 23 und
der momentane Ist- Wert
für den Motorstrom
zu nennen. Neben der Zuführung
des Lenkradwinkels δL zur Steuerung bzw. Regelung 31 wird
der Lenkradwinkel auch dem Steller, insbesondere dem Überlagerungsgetriebe 12 bzw. 22 direkt zugeführt. Der
Steller überlagert
mittels des Überlagerungsgetriebes 12 bzw. 22 den
vom Lenkrad initiierten Lenkradwinkel δL und
den vom Stellantrieb bzw. vom elektrischen Motor 13 bzw. 23 initiierten Lenkwinkel δM.
Ausgangsseitig des Stellers 32 bzw. des Überlagerungsgetriebes 12 bzw.
bzw. 22 liegt dann die überlagerte
Lenkbewegung δL' an.
Insgesamt ist also der 3a zu entnehmen, den Stellantrieb 13 bzw. 23 abhängig von
dem Lenkradwinkel und ggf. abhängig
von einem korrektiven dynamischen Lenkeingriff anzusteuern.
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Die 3b zeigt
das Servolenksystem im Zustand des losgelassenen Lenkrads. Der Zustand des
losgelassenen Lenkrades zeichnet sich dadurch aus, daß der Lenkradwinkel δL eine
Ausgangsgröße des Stellers 32 ist
und nicht vom Fahrer vorgegeben wird, wodurch zusätzlich zu
den Reglerrückführungen
ein weiterer geschlossener Wirkungskreis entsteht. Dieser Wirkungskreis
neigt zu Schwingungen, deren wesentliche Ursachen eine Stellgrößenbegrenzung
ist, d.h. die Tatsache, daß der
Motorstrom I, mit dem der Stellantrieb angetrieben wird, nur beschränkte Werte
annehmen und deshalb unter Umständen
seinen Soll-Wert nicht erreichen kann. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
eine Regelung zu verwenden, die die Stellgrößenbegrenzung berücksichtigt.
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Die 4 zeigt
die Ausführung
der Steuerung und Regelung, die im Normalbetrieb, d.h. bei festgehaltenem
Lenkrad einen bestimmungsgemäßen Betrieb
des Servosystems ergibt. Hierzu wird der Lenkhilfesteuerung 41 der
durch das Lenkrad vorgegebene und sensierte Lenkradwinkel δL (Sensor 28 in der 2)
und optional die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
Vx zugeführt.
Der korrektive Lenkeingriff δkorr wird im Fahrzeugregler 44 abhängig von
den Sensorsignalen der Sensoren 26 (2) ermittelt.
Hierzu können
beispielsweise die schon erwähnte
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
Vx, die Gierwinkelgeschwindigkeit ω und/oder
die Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs
sensiert werden. Wie erwähnt
wird also, abgesehen vom korrektiven Lenkeingriff δkorr , mit Hilfe der Lenkhilfesteuerung aus dem
Lenkradwinkel δL der Soll-Wert δ MLH für den Motorwinkel bestimmt.
Im Verknüpfungspunkt 45 werden
die Soll-Werte, die einerseits von der Lenkhilfesteuerung und andererseits
vom Fahrzeugregler ermittelt werden, addiert zu dem Soll-Motorwinkel δM,soll.
Der Motorwinkel δM wird seinem Soll-Wert δM , soll mit Hilfe eines
PD-Lagereglers 42 nachgeführt. Hierzu wird dem PD-Lageregler 42 als
Eingangssignal der momentane Ist-Wert δ Mist des Motorwinkels zugeführt. Der Ausgang
des PD-Lagereglers 42 ist
der Sollwert Isoll für den Stromregler 43.
Zur Stromregelung wird in Punkt 46 der Soll-Wert Isoll des Motorstroms mit dem momentanen Ist-Wert
Iist des Motorstroms verglichen und die
Differenz dem Stromregler 43 zur Ansteuerung u des Motors 13 bzw. 23 zugeführt. Der
Stromregler 43 weist dabei eine Stellgrößenbegrenzung auf, da der Motorstrom
selbstverständlich
begrenzt ist. Diese in der 4 gezeigte
Struktur zeichnet sich neben ihrer Einfachheit dadurch aus, daß sie keine dynamischen
Regleranteile, insbesondere keine I-Anteile enthält.
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Zur
Reduzierung der Schwingungsneigung bei losgelassenem Lenkrad in
Folge der Stellgrößenbegrenzung 34 wird
eine Erweiterung des PD-Lagereglers 42 vorgeschlagen, wie
sie in der 5a zu sehen ist. Der PD-Regler 42 selbst
hat die P-Verstärkung
Kp (Einheit 51) und kann die Ableitungen
des Soll-/Istwertes (δM,soll, δM,ist) mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren
KDs bzw. KDi (Einheiten 52 und 53) gewichten.
Im Verknüpfungspunkt 55 wird
nun der proportional verstärkte
Soll-Wert mit den erwähnten, unterschiedlich
gewichteten zeitlichen Ableitungen zur Idealstellgröße Iid (idealer Motorstrom) verknüpft. Diese
ideale Stellgröße Iid muß allerdings
in der Stellgrößenbegrenzung 56 zu
dem Soll-Stromwert
Isoll des Motors bzw. der Stromregelung 43 begrenzt
werden.
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Der
Kern der Erfindung besteht nun darin, daß die Strombegrenzung 34 des
Motors im Regler als Einheit 56 nachgebildet und die Differenz
zwischen der begrenzten und der Stellgröße Isoll bzw.
Iid mit der Verstärkung κ integrierend zugeführt wird. Hierzu
wird im Verknüpfungspunkt 59 die
Differenz Δ zwischen
der begrenzten und der unbegrenzten (idealen) Stellgröße gebildet.
Nach Durchlaufen der Verstärkerstufe 57 (Verstärkung um
den Wert κ)
wird die so verstärkte
Differenz Δv
dem Integrierer 58 zugeführt, um den Offset x zu erhalten.
Dieser Offset x wird zur unbegrenzten (idealen) Stellgröße Iid addiert. Dadurch wird während der
Wirksamkeit der Begrenzung 56 ein Offset x aufintegriert
und zur Stellgröße Iid addiert, der dazu führt, daß die Stellgröße schneller aus
der Begrenzung herauskommt.
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Solange
die Begrenzung 56 nicht wirksam ist, bleibt der Offset
x konstant, so daß ein
einmal entstandener Offset x anschließend zu einer bleibenden Regelabweichung
führt.
Um eine solche dauernde Regelabweichung zu vermeiden, muß dafür gesorgt werden,
daß der
Offset x gegen Null strebt, wenn die Begrenzung 56 nicht
wirksam ist. Hierfür
gibt es mehrere Möglichkeiten,
die im folgenden aufgeführt
werden sollen:
- 1. In der 5b wird
zusätzlich
zu der in der 5a zu sehenden Schaltung der
Offset x über die
Verstärkerstufe 59' vor die Integrierstufe 58 zurückgeführt. Hierdurch
wird eine dauernde negative Rückkopplung
des Integrierers 58 mit dem Verstärkungsfaktor α > 0 erreicht, das heißt der Integrierer
wird durch ein Verzögerungsglied
erster Ordnung ersetzt. Damit strebt der Offset x bei verschwindender
Differenz Δ gegen
Null. Ist der Offset nicht Null, wächst der Offset x nicht mehr
unbeschränkt,
jedoch beeinflußt
diese Maßnahme bei
einem kleinen Verstärkungsfaktor α die Wirkung
der erfindungsgemäßen Vermeidung
der Lenkradschwingungen nur unwesentlich.
- 2. In der 5c wird der Regler gemäß 5a derart
modifiziert, daß der
Offset x über
die Verstärkerstufe 59' zur Differenzbildung
zwischen dem begrenzten und dem unbegrenzten Stellgrößensignal
herangezogen wird. Weiterhin wird das durch die Verstärkerstufe 59' verstärkte Offsetsignal
von dem ursprünglichen
Offsetsignal x abgezogen. Durch die in der 5c gezeigte
Modifikation des Reglers wird erreicht, daß der Offset x nur dann mit
einem Verzögerungsverhalten
erster Ordnung gegen Null strebt, wenn die Differenz Δ verschwindet,
das heißt
die Begrenzung nicht wirksam ist. Ist die Begrenzung wirksam, kann
der Offset unbegrenzt anwachsen. Bei kleinen Verstärkungsfaktoren α > 0 ergeben sich ebenfalls nur
unwesentliche Beeinflussungen der erfindungsgemäßen Vermeidung von Lenkradschwingungen.
- 3. Zur Vermeidung der erwähnten
bleibenden Regelabweichungen kann eine negative Rückkopplung
des Intergrierers 58 (5b) nur
dann vorgesehen sein, wenn die Begrenzung 56 unwirksam
ist. Das heißt,
wenn die unbegrenzte Stellgröße Iid gleich der begrenzten Stellgröße Isoll ist. Dies ergibt einen Abbau des Offsets
x mit einem Verzögerungsverhalten
erster Ordnung.
- 4. Eine weitere Möglichkeit
zur Unterdrückung
der bleibenden Regelabweichung besteht darin, daß der Offset x rampenförmig auf
den Wert 0 mit einer bestimmten, vorgegebenen Geschwindigkeit zurückgeführt wird,
wenn die Begrenzung 56 nicht wirksam ist.
- 5. Ebenso kann ein Abbau des Offsets x mit einem Verzögerungsverhalten
zweiter oder höherer
Ordnung vorgesehen sein, wenn die Begrenzung 56 nicht wirksam
ist.
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Die
o.g. dritten, vierten und fünften
Maßnahmen
beeinflussen die Wirkung der erfindungsgemäßen Lenkradschwingungsunterdrückung nicht.
Bei diesen Maßnahmen
ist es außerdem
möglich,
mit dem Abbau des Offsets x nicht sofort nach Beendigung der Wirksamkeit
der Begrenzung 56 zu beginnen, sondern erst eine bestimmte
Zeit später.
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Wenn
der Maximalwert der physikalischen Stellgrößenbegrenzung 34 bzw. 56 nicht
konstant ist, kann die erfindungsgemäße Lenkradschwingungsunterdrückung verbessert
werden, indem dieser variable Maximalwert auch im Regler nachgebildet
wird. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn der maximale Motorstrom
von der Motordrehzahl abhängt.
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Eine
weitere Variante der erfindungsgemäßen Lenkradschwingungsvermeidung
besteht darin, auf die Nachbildung der Begrenzung im Regler zu verzichten
und anstatt der begrenzten Stellgröße Isoll nach
der 5a, 5b und 5c eine
Messung der realen Stellgröße, in diesem
Ausführungsbeispiel also
von Iist in 4 zu verwenden.
Voraussetzung hierfür
ist, daß zwischen
dem idealen Sollwert und dem gemessenen begrenzten Wert keine großen dynamischen
Verzögerungen
bestehen.
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Ergänzend zum
erfindungsgemäßen System kann
das Verhalten des Servolenksystems bei losgelassenem Lenkrad durch
geeignete Aufschaltung der Winkelgeschwindigkeiten dδL/dt
oder dδL'/dt
auf den freien Eingang δkorr noch weiter verbessert werden. Diese
Aufschaltungen können
auch nur zeitweilig wirksam sein.
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Zusammenfassend
ist zu der Erfindung zu sagen, daß es hier um eine Regelung
geht, die die Strombegrenzung berücksichtigt, um das Schwingen des
losgelassenen Lenkrads zu verhindern. Hierzu wird eine Erweiterung
eines PD-Lagereglers,
d.h. eines statischen Reglers, für
die Berücksichtigung
der Stellgrößenbegrenzung
vorgeschlagen. Diese erfindungsgemäße Erweiterung des Reglers
beeinträchtigt
die normale Funktion des Servolenksystems bei festgehaltenem Lenkrad
nicht. Erfindungsgemäß kommt
man zu einem einfachen Regler der analog oder digital realisiert
werden kann. Der erfindungsgemäß erweiterte
PD-Lageregler kann auch in anderen Fällen, in denen eine Stellgrößenbegrenzung Schwingungsprobleme
verursacht, verwendet werden. Es wurden unterschiedlichen Möglichkeiten
vorgestellt, den durch die erfindungsgemäße Lenkradschwingungsunterdrückung entstandenen
Offset auf Null zurückzuführen. Hierdurch
wird eine feine Anpassung der erfindungsgemäßen Erweiterung an die jeweiligen
Anforderungen ermöglicht.
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Die
Schwingneigung des Lenkrades besteht in gleichen Mai, wenn anstatt
eines PD-Motorlagereglers (ohne die erfindungsgemäße Lenkradschwingungsunterdrückung) eine
Kaskadenregelung verwendet wird.