DE19919374A1 - Mit variabler Kraft unterstützende Servolenkungsvorrichtung - Google Patents
Mit variabler Kraft unterstützende ServolenkungsvorrichtungInfo
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Abstract
Das Lenken eines Fahrzeugs wird durch einen Motor (9) unterstützt, der gemäß einem durch einen digitalen Computer (10) erzeugten Lenksignal (Y) angetrieben wird. Das Lenksignal (Y) wird so erzeugt, daß eine hohe und rasche Kraftverstärkung erhalten wird, wenn das Lenken rasch oder scharf erfolgt, während Zittervibrationen, die am Lenkrad infolge von Rauschen auftreten, unterdrückt werden, wenn das Lenken langsam ist oder das Lenkrad festgehalten wird. Eine Lenkgeschwindigkeit DOLLAR I1, die aus einem Lenkwinkel (THETA) berechnet wird, und ein Lenkdrehmomentsignal (Ð), das von einem Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle detektiert wird, werden zum Erzeugen des Lenksignals verwendet. Ein ursprüngliches Lenkdrehmomentsignal (Ð = U1) wid durch eine Übertragungsfunktion mit einer hohen Verstärkung und einem großen Phasenvorschub in einem bestimmten Frequenzbereich von ihr modifiziert, wodurch ein endgültiges Lenksignal (Y) erzeugt wird, das den Betrieb des Kraftverstärkungsmotors (9) steuert bzw. regelt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkungsvorrichtung für ein
Automobil, bei dem die Lenkung durch eine Kraftquelle, wie etwa einen elektrischen
Motor, unterstützt wird.
Als Beispiel einer Servolenkungsvorrichtung dieser Art offenbart JP-B2-3-11943
ein Regelungssystem für eine durch einen elektrischen Motor unterstützte
Servolenkungsvorrichtung. Dieses Regelungssystem umfaßt einen Phasenkompensator,
der Signale proportional zu differenzierten Ausgangswerten von einem
Drehmomentsensor, der ein Lenkwellendrehmoment detektiert, erzeugt. Der
Phasenkompensator kompensiert eine Verzögerung einer Übertragungscharakteristik bei
einem Regelungssystem, die durch Reibungen und andere Faktoren in dem Lenksystem
hervorgerufen wird. Mit anderen Worten, der Phasenkompensator stabilisiert den
Betrieb des Regelungssystems und gleicht eine Verzögerung eines elektrischen
Kraftverstärkungsmotors infolge seiner Trägheit durch Ändern einer Phase des
Drehmomentsignals aus. Der Phasenkompensator besteht aus analogen oder digitalen
Schaltungen, und seine Frequenzantwortcharakteristik dient zur Erhöhung des
Verstärkungsfaktors und zum Vorschieben der Phase der Drehmomentsignale.
Bei dem in der obigen Veröffentlichung dargestellten Regelungssystem enthalten
die durch den Phasenkompensator kompensierten Drehmomentsignale jedoch oftmals
Rauschsignale, da die differenzierten Werte der Drehmomentsignale verwendet werden.
Das Rauschen wird in einem Frequenzbereich verstärkt, wo der Verstärkungsfaktor des
Phasenkompensators erhöht ist, und das verstärkte Rauschen wird in den Strom zum
Antreiben des Kraftverstärkungsmotors eingebracht. Daher ist das Rauschen im
Ausgang des Kraftverstärkungsmotors enthalten. Folglich erzeugt die Motorkraft, die
das verstärkte Rauschen enthält, eine zitternde Vibration eines Lenkrads, die vom
Fahrer insbesondere dann gespürt wird, wenn das Lenkrad stabil gehalten oder langsam
gedreht wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Phasenkompensators verringert wird,
um die unangenehmen Vibrationen zu vermeiden, wird auf eine rasche Antwort des
Lenksystems verzichtet, da ebenfalls der Phasenvorschub vermindert wird. Folglich
antwortet der Kraftverstärkungsmotor nicht rasch genug, um eine jähe Lenkbewegung
hinreichend zu unterstützen, und das Lenkrad wird schwer, was dem Fahrer ein
unangenehmes Lenkgefühl gibt.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme
getätigt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Servolenkungsvorrichtung, die bei jähem Lenken eine rasche Verstärkungskraft liefert
und die nicht unangenehme Zittervibrationen am Lenkrad erzeugt, wenn das Lenkrad
stabil gehalten oder langsam gedreht wird. Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Regeln einer
Servolenkungsvorrichtung, bei dem bei jähem Lenken eine rasche Kraftverstärkung
erhalten und keine Zittervibration bei langsamem oder keinem Lenken erzeugt wird.
Die Servolenkungsvorrichtung, bei der das Lenken eines Fahrzeugs durch eine
bestimmte Kraftquelle, wie etwa einen elektrischen Motor, unterstützt wird, besteht aus
einem Lenkwinkelsensor, einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor, einem Lenk
drehmomentsensor, einem Lenksignalgenerator zum Erzeugen eines Lenksignals auf der
Basis der Lenkgeschwindigkeit und des Lenkdrehmoments, einem Motortreiber zum
Liefern eines dem Lenksignal entsprechenden Stroms und einem
Kraftverstärkungsmotor. Die Lenkgeschwindigkeit wird aus dem Lenkwinkel berechnet
und das Lenkdrehmoment wird durch Messen eines Torsionsdrehmoments einer
Lenkwelle detektiert.
Der Lenksignalgenerator besteht aus einem Kompensator zum Modifizieren eines
Lenksignals, das ursprünglich proportional zum Lenkdrehmoment ist, einem
Wichtungsfaktorgenerator zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors entsprechend der
Lenkgeschwindigkeit und einem Generator für das gewichtete Signal zum Erzeugen
eines endgültigen Lenksignals. Das ursprüngliche Lenksignal wird durch den
Kompensator so modifiziert, daß es bei einer jähen oder scharfen Lenkung eine höhere
Verstärkung und einen größeren Phasenvorschub als bei einer langsamen oder festen
Lenkung besitzt, wodurch ein zweites Lenksignal erzeugt wird. Das ursprüngliche und
das zweite Lenksignal werden mit dem erzeugten Wichtungsfaktor kombiniert, wodurch
das endgültige Lenksignal erzeugt wird, auf dessen Basis der Antriebsstrom an den
Kraftverstärkungsmotor geliefert wird.
Da der Kraftverstärkungsmotor auf der Basis des geeignet erzeugten Lenksignals
angetrieben wird, wird das Lenken bei einer jähen Lenkung durch den
Kraftverstärkungsmotor hinreichend und rasch unterstützt, während Zittervibrationen
bei langsamer Lenkung unterdrückt werden. Obwohl geringe Zittervibrationen auftreten,
wenn die Lenkung bei einer jähen Lenkbewegung stark unterstützt wird, werden solche
Vibrationen durch den Fahrer bei einer solchen Lenkbedingung kaum gespürt. Daher ist
es wichtig, die Vibrationen bei der langsamen Lenkung oder bei keiner Lenkung zu
unterdrücken, da die Vibrationen bei einer solchen Lenkbedingung durch den Fahrer
ohne weiteres gespürt werden. Der Grad der Kraftverstärkung variiert graduell von einer
hohen Unterstützung bei rascher Lenkbewegung zu einer bescheidenen Unterstützung
bei langsamer Lenkbewegung. Dementsprechend erhält man ein gutes Lenkgefühl über
den gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit.
Als Kraftverstärkungsmotor können verschiedene Arten von Kraftquellen
verwendet werden, nämlich ein elektrischer Motor, ein hydraulischer Motor und andere
elektrische Antriebe. Da der Lenksignalgenerator in einen digitalen Mikrocomputer
eingebaut ist, sind alle Berechnungen und Signalerzeugungen rasch und präzise, und
darüber hinaus kann die Vorrichtung kompakt und billig gestaltet werden. Es ist
möglich, dem Mikrocomputer eine zusätzliche Schaltung hinzuzufügen, um eine starke
und rasche Kraftverstärkung in eine leichte und langsame Kraftverstärkung gemäß einer
Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem Lenkdrehmomentsignal zu schalten.
Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne
weiteres aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit
Bezug auf die folgenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als erste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei
der ersten Ausführungsform verwendeten Drehmomentsensors;
Fig. 3A und 3B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines
Verstärkung/Phasenkompensators, der bei der ersten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 4A und 4B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei
der ersten Ausführungsform verwendeten Lenksignalgenerators;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6A und 6B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei
der zweiten Ausführungsform verwendeten ersten Verstärkung/Phasenkompensators;
Fig. 7A und 7B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei
der zweiten Ausführungsform verwendeten zweiten Verstärkung/Phasenkompensators;
Fig. 8A und 8B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei
der zweiten Ausführungsform verwendeten Lenksignalgenerators;
Fig. 9 Graphen zur Erläuterung einer möglichen Diskontinuität von Lenksignalen;
Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als
vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 12 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als
fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf
die Fig. 1 bis 4B beschrieben. Gemäß Fig. 1 besteht eine Servolenkungsvorrichtung aus
einem Lenkwinkelsensor 3, einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4, einem
Drehmomentsensor 1 zum Detektieren eines Torsionsdrehmoments einer Lenkwelle,
einem Lenksignalgenerator bestehend aus einem Verstärkung/Phasenkompensator 2,
einem Wichtungsfaktorgenerator 5 und einem Generator 6 für gewichtete Signale,
einem Antriebsstromgenerator 7, einem Motortreiber 8 und einem
Kraftverstärkungsmotor 9.
Der Lenkwinkelsensor 3 zum Detektieren eines Lenkwinkels θ ist an den
Kraftverstärkungsmotor 9 angebracht, der über eine Geschwindigkeits
reduktionsvorrichtung mit der Lenkwelle verbunden ist, und erzeugt Pulse in
Abhängigkeit von der Drehung des Kraftverstärkungsmotors 9. Daher ist die
Sensorauflösung des Lenkwinkelsensors 3 hinreichend hoch. Der
Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4 ist eine digitale Schaltung und berechnet |dθ/dt|
durch Zählen der Anzahl von von dem Lenkwinkelsensor 3 in einem vorbestimmten
Zeitraum gelieferten Impulsen. Der Drehmomentsensor 1 ist ein kontaktloser
Magnetsensor zum Detektieren eines Torsionsdrehmoments T der Lenkwelle und
erzeugt ein Drehmomentsignal τ. Die Übertragungscharakteristik τ(s)/T(s) des
Drehmomentsensors ist eine im wesentlichen lineare Verzögerungscharakteristik, wie in
den Fig. 2A und 2B gezeigt ist.
Der Lenksignalgenerator ist eine digital arbeitende Schaltung einschließlich des
Verstärkung/Phasenkompensators 2, des Wichtungsfaktorgenerators 5 und des
Generators 6 für gewichtete Signale. Der Lenksignalgenerator erzeugt das Lenksignal Y
unter einer Übertragungscharakteristik mit geringer Verstärkung und geringem oder
keinem Phasenvorschub, wenn die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| gering ist. Gemäß
dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| erzeugt der Lenksignalgenerator das
Lenksignal Y unter einer Übertragungscharakteristik mit allmählich
ansteigender/ansteigendem Verstärkung und Phasenvorschub. Die Betriebsweise des
Lenksignalgenerators wird später im Detail beschrieben. Der Antriebsstromgenerator 7
empfängt das Lenksignal Y von dem Lenksignalgenerator und gibt ein Signal aus, das
einen Antriebsstrom A angibt, welches auf der Basis des Lenksignals Y bestimmt ist.
Das Antriebsstromsignal wird zu einem Motortreiber 8 geschickt, der aus Leistungs-
MOS- und anderen Komponenten besteht, und durch einen D/A-Wandler (nicht gezeigt)
in ein analoges Signal gewandelt. Der Kraftverstärkungsmotor 9, der ein mit der
Lenkwelle zum Unterstützen der Lenkung verbundener Gleichstrommotor ist, wird
durch den von dem Motortreiber 8 gelieferten Antriebsstrom betrieben.
Nun wird der Aufbau und die Funktion des Lenksignalgenerators im Detail
beschrieben. Das Lenkdrehmoment T wird entsprechend der Übertragungscharakteristik
des Drehmomentsensors 1 in ein Drehmomentsignal τ übertragen und in den Generator
6 für gewichtete Signale als Signal U1 (U1 = τ) eingespeist. Gleichzeitig wird das
Drehmomentsignal τ durch den Verstärkung/Phasenkompensator 2 modifiziert und als
Signal U2 parallel mit dem Signal U1 in den Generator 6 für gewichtete Signale
eingespeist. Die Signale U1 und U2 werden mittels eines Gewichtungsfaktors G, der
von dem Wichtungsfaktorgenerator 5 in den Generator 6 für gewichtete Signale
eingespeist wird, kombiniert. Die Übertragungscharakteristik des
Verstärkung/Phasenkompensators 2 ist quadratisch einschließlich eines Differential
elements mit einem geeignet eingestellten Nullpol und läßt sich darstellen als:
U2(s)/τ(s) = g(s - z1)/{(s - p1).(s + p2)}. Gemäß dieser Übertragungscharakteristik wird das
Drehmomentsignal τ so kompensiert, daß in erster Linie wegen des Differentialelements
der Übertragungscharakteristik seine Verstärkung erhöht und seine Phase vorgeschoben
wird, wenn sich seine Frequenz von einer niedrigen zu einer hohen verschiebt. Daher
wird die Verstärkung und die Phase des Drehmoments T (s) gemäß den Fig. 3A und
3B kompensiert.
Der Wichtungsfaktorgenerator 5 besteht aus einem Speicher und einer digitalen
Schaltung und empfängt die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| von dem
Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4. Der Wichtungsfaktorgenerator 5 berechnet den
Wichtungsfaktor G entsprechend der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| auf der Basis einer
in dem Speicher gespeicherten Tabelle. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Tabelle so
formuliert, daß der Wichtungsfaktor G auf 0,8 eingestellt ist, wenn sich die
Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in einem niedrigen Bereich befindet, der eine feste
Lenkung (das Lenkrad wird stabil gehalten) und langsame Lenkung abdeckt, und daß er
auf 0 (Null) eingestellt ist, wenn sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in einem hohen
Bereich befindet, der einem raschen Lenken entspricht. In einem Zwischenbereich
zwischen dem niedrigen und hohen Bereich wird der Wichtungsfaktor G so eingestellt,
daß er allmählich von 0,8 bis 0 abnimmt. Die den Wichtungsfaktor G bestimmende
Tabelle muß entsprechend dem Fahrzeugtyp basierend auf tatsächlichen Experimenten
formuliert werden. Die Übertragungscharakteristik des Verstärkung/Phasen
kompensators 2 wird ebenfalls auf der Grundlage tatsächlicher Experimente bestimmt,
die für jeden Fahrzeugtyp durchgeführt werden.
Der Generator 6 für gewichtete Signale ist eine digitale Schaltung, die das
Lenksignal Y auf der Basis der Drehmomentsignale U1 und U2 berechnet, indem eine
Wichtung hinzugefügt wird. D.h. das Lenksignal Y wird gemäß der folgenden Formel
berechnet: Y = G.U1 + (1 - G).U2. Die Verstärkung und der Phasenvorschub des
Lenksignals Y gemäß einer Gesamtübertragungscharakteristik Y(s)/T(s) sind in den Fig.
4A und 4B für zwei repräsentative Wichtungsfaktoren G = 0 und 0,5 gezeigt (G = 1 ist
ebenfalls als Referenz gezeigt). Der Antriebsstromsignalgenerator 7 empfängt das
Lenksignal Y von dem Lenksignalgenerator 6 und erzeugt ein Signal, das den
Antriebsstrom A auf der Basis des Lenksignals Y angibt. Eine in Fig. 1 gezeigte Tabelle
zum Bestimmen des Antriebsstroms A gemäß dem Lenksignal Y ist in einem in dem
Antriebsstromsignalgenerator 7 enthaltenen Speicher gespeichert. Der Kraft
verstärkungsmotor 9 wird durch den Antriebsstrom A betrieben, der entsprechend dem
Lenksignal Y bestimmt wird.
Da das Lenksignal Y, wie oben beschrieben, ein durch den Faktor G gewichtetes
Signal ist, herrscht das Drehmomentsignal U1 beim Bestimmen von Y während der
festen Lenkung und der langsamen Lenkung vor (wenn die Lenkgeschwindigkeit
|dθ/dt| gering ist). Folglich werden die Zittervibrationen des Lenkrads unterdrückt,
obwohl die Kraftverstärkungsantwort in dem Lenksystem relativ langsam ist. Wenn die
Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| ansteigt, wird das modifizierte Drehmomentsignal U2
allmählich anstelle von U1 beim Bestimmen des Lenksignals Y dominant. Das
kompensierte Drehmomentsignal U2 bestimmt beim raschen Lenken, wenn die
Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| einen vorbestimmten Pegel übersteigt, allein das
Lenksignal Y. Folglich wird die Kraftverstärkungsantwort in dem Lenksystem beim
raschen Lenken stark und schnell, obwohl geringe Zittervibrationen am Lenkrad
auftreten. Die beim raschen Lenken auftretenden Zittervibrationen sind jedoch für das
Lenkgefühl nicht abträglich, da solche Vibrationen vom Fahrer beim raschen Lenken
kaum gespürt werden.
Zusammenfassend arbeitet die Servolenkungsvorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die folgende Weise. Die
Lenkgeschwindig |dθ/dt| wird auf der Basis des Lenkwinkels θ berechnet, während
das Lenkdrehmomentsignal U1 und das kompensierte Lenkdrehmomentsignal U2 auf
der Basis des Lenkdrehmoments T berechnet werden. Das Lenksignal Y wird durch
Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des gemäß der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt|
bestimmten Wichtungsfaktors T erzeugt. Der Kraftverstärkungsmotor wird durch den
gemäß dem Lenksignal Y bestimmten Antriebsstrom A angetrieben. Da U1 in dem
niedrigen Lenkgeschwindigkeitsbereich vorherrscht und U2 mit einer hohen
Verstärkung und einer vorgeschobenen Phase in dem hohen
Lenkgeschwindigkeitsbereich bestimmend ist, treten die Zittervibrationen beim festen
oder langsamen Lenken nicht auf und die Kraftverstärkungsantwort ist beim raschen
Lenken hoch. Mit anderen Worten, die Kraftverstärkung ist beim raschen Lenken
schnell und hinreichend gewährleistet, während Zittervibrationen beim festen oder
langsamen Lenken nicht auftreten. Da sich die Kraftverstärkungsantwort gemäß der
Lenkgeschwindigkeit allmählich und kontinuierlich ändert, spürt der Fahrer keine
abrupte Änderung im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit.
Die Hauptkomponenten (der Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4, der
Wichtungsfaktorgenerator 5, der Verstärkung/Phasenkompensator 2, der Generator für
gewichtete Signale 6 und der Antriebsstromsignalgenerator 7) zum Regeln der
Servolenkungsvorrichtung sind alle in einem digitalen Mikrocomputer 10 enthalten, der
in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie umkreist ist. Dementsprechend werden alle
Operationen und Berechnungen von Signalen, wie etwa von |dθ/dt|, G, U2, Y und A,
rasch und präzise entsprechend einem Programm und Speichern, die in dem
Mikrocomputer 10 enthalten sind, ausgeführt. Der Mikrocomputer ist ebenfalls
hinsichtlich der Kosten der Vorrichtung vorteilhafter als analoge Schaltungen, da der
Mikrocomputer in letzter Zeit immer billiger wird.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf
die Fig. 5 bis 8B beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird der
Verstärkung/Phasenkompensator 2 der ersten Ausführungsform durch zwei
Kompensatoren ersetzt, einem ersten Verstärkung/Phasenkompensator 2' und einem
zweiten Verstärkung/Phasenkompensator 2'', und der Wichtungsfaktorgenerator 5 der
ersten Ausführungsform wird durch einen Wichtungsfaktorgenerator 5' ersetzt. Andere
Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
Eine Übertragungscharakteristik U1(s)/τ(s) des ersten
Verstärkung/Phasenkompensators 2' ist in den Fig. 6A und 6B gezeigt, bei dem die
Verstärkung und der Phasenvorschub in einem relativ niedrigen Frequenzbereich erhöht
sind. Eine Übertragungscharakteristik U2(s)/τ(s) des zweiten
Verstärkung/Phasenkompensators 2'' ist in den Fig. 7A und 7B gezeigt, bei dem die
Verstärkung und der Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich erhöht
sind. Mit anderen Worten, der erste Kompensator 2' modifiziert das Drehmomentsignal
τ zu U1, so daß die Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben wird, wenn die
Drehmomentsignalfrequenz beginnt sich zu erhöhen (beispielsweise wenn sich die
Lenkgeschwindigkeit in einem Übergangszustand vom langsamen Lenken zu einem
mittleren Lenken befindet). Andererseits modifiziert der zweite Kompensator 2'' das
Drehmomentsignal τ zu U2, so daß die Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben
wird, wenn die Drehmomentsignalfrequenz hinreichend hoch ist, sobald die Lenkung in
dem raschen Lenkzustand ist.
Der Wichtungsfaktorgenerator 5' der zweiten Ausführungsform ist so ausgelegt,
daß der Faktor G während des festen Lenkens und des langsamen Lenkens 0,5 beträgt
und allmählich zu 0 (Null) absinkt. Wenn die Lenkgeschwindigkeit den raschen
Lenkzustand erreicht, wird der Faktor G zu 0 (Null). Das Lenksignal Y wird durch
Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des Wichtungsfaktors G auf die gleiche Weise
wie bei der ersten Ausführungsform erzeugt.
Eine Gesamtübertragungscharakteristik Y(s)/τ(s) ist in den Fig. 8A und 8B für die
entsprechenden Wichtungsfaktoren G = 0,5 und 0 gezeigt (G = 1 ist als Referenz
gezeigt). Gemäß den Fig. 8A und 8B ist in einem relativ weiten Frequenzbereich die
Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben, wenn der Wichtungsfaktor G 0,5
beträgt (gezeigt durch durchgezogene Linien). Dies bedeutet, daß die
Kraftverstärkungsantwort auch bei langsamem Lenken in einem gewissen Maß
verbessert und fließend zu einer raschen Antwort geändert wird, wenn das Lenken in
den raschen Lenkungszustand übergeht. Wenn der Wichtungsfaktorgenerator G 0 ist
(wenn sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in dem Bereich der raschen Lenkung
befindet), zeigt die Übertragungscharakteristik des Lenksignals Y eine hohe
Verstärkung und einen weiten Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich,
wie durch die Strichpunktlinien in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist. Da die
Drehmomentsignalfrequenz in dem raschen Lenkungszustand üblicherweise hoch ist,
kann beim raschen Lenken eine schnelle Kraftverstärkungsantwort erhalten werden.
Obwohl die Zittervibrationen beim raschen Lenkungszustand auf die gleiche Weise wie
bei der ersten Ausführungsform auftreten, werden solche Zittervibrationen vom Fahrer
kaum gespürt. Da der Wichtungsfaktor G im mittleren Lenkgeschwindigkeitsbereich
zwischen dem langsamen Lenken und dem raschen Lenken von 0,5 auf 0 allmählich
abnimmt, fühlt der Fahrer im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit keine abrupte
Änderung beim Lenksystem.
Ein digitaler Mikrocomputer 10' wird bei der zweiten Ausführungsform ebenfalls
verwendet. Der digitale Mikrocomputer 10' umfaßt den Lenkgeschwindigkeitsdetektor
4, den Lenksignalgenerator bestehend aus dem ersten Verstärkung/Phasenkompensator
2', dem zweiten Verstärkung/Phasenkompensator 2'', dem Wichtungsfaktorgenerator 5'
und dem Generator 6 für gewichtete Signale, und den Antriebsstromsignalgenerator 7.
Dementsprechend werden alle Berechnungsoperationen rasch und präzise ausgeführt
und das Regelungssystem kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden.
Zusammenfassend besitzt die zweite Ausführungsform zusätzlich zu den
Vorteilen der ersten Ausführungsform den Vorteil, daß die Kraftverstärkungsantwort
auch im langsamen Lenkungszustand verbessert ist.
Eine Servolenkungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß es das Lenkungsgefühl der ersten
Ausführungsform weiter verbessert, wenn das Lenkrad schnell und leicht in der Nähe
seiner neutralen Position bewegt wird. Diese Art der Lenkung ist gewöhnlich
erforderlich, um genau eine Fahrspur zu halten, wenn ein Fahrzeug auf gerader
Fahrbahn mit hoher Geschwindigkeit gefahren wird (diese Lenkbedingung wird
nachfolgend als Neutralpositionslenkung bezeichnet).
Fig. 9 zeigt verschiedene Regelsignale, die in dieser Situation bei der ersten
Ausführungsform auftreten. Der oberste Graph zeigt den Lenkwinkel θ, der zur
positiven oder negativen Seite gegenüber der neutralen Position des Lenkrads abweicht.
Der zweite Graph zeigt die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt|, die durch Differenzieren des
Lenkwinkels θ erhalten wird. Der dritte Graph zeigt das Drehmomentsignal U1 und das
kompensierte Drehmomentsignal U2. Der unterste Graph zeigt das Lenksignal Y, das
man durch Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des Wichtungsfaktors G erhält. Bei
der Neutralpositionslenkung verändert sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| stark und
schnell, auch wenn die Änderung des Lenkwinkels θ gering ist. Daher wird der
Wichtungsfaktor G häufig von seinem Maximum 0,8 auf sein Minimum 0 geschaltet,
oder umgekehrt. Dementsprechend werden die vorherrschenden Komponenten in dem
Lenksignal Y häufig zwischen U1 und U2 hin- und hergeschaltet. Folglich ändert sich
das Lenksignal Y sprunghaft, wie in dem untersten Graphen von Fig. 9 gezeigt ist,
jedesmal wenn das Lenkrad in der Nähe seiner neutralen Position vor- und
zurückbewegt wird. Dies ist für das Lenkgefühl ausschlaggebend.
Der Aufbau der dritten Ausführungsform ist in Fig. 10 gezeigt. Bei der dritten
Ausführungsform wird eine Nebenschlußschaltung 90 zum Schalten des Lenksignals Y
[= G.U1 + (1 - G).U2] auf U1, wenn das Lenkdrehmomentsignal τ geringer als ein
Schwellwert τth ist, zu der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform hinzugefügt.
Andere Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten
Ausführungsform. Die Nebenschlußschaltung 90 besteht aus einem Komparator 99, der
|τ| (ein Absolutwert des Lenksignals τ) mit dem Schwellwert τth vergleicht, und
einem Schalter 98, der das Lenksignal Y auf Y' (= U1) schaltet.
Wenn durch den Komparator 99 festgestellt wird, daß |τ| kleiner als der
Schwellwert τth ist, schaltet der Schalter 98 das Lenksignal Y auf Y' (= U1 = τ). Wenn
|τ| gleich oder größer als τth ist, wird das ursprüngliche Lenksignal Y als Signal zum
Bestimmen des Antriebsstroms A auf die gleiche Weise wie bei der ersten
Ausführungsform verwendet. Da der Absolutwert des Lenkdrehmoments |τ| bei der
Neutralpositionslenkung gering ist, wird Y' (= U1) als Lenksignal zum Bestimmen des
Antriebsstroms A verwendet. Daher wird die Diskontinuität des Lenksignals bei der
Neutralpositionslenkung vermieden, und das Lenkgefühl wird dadurch verbessert.
Andere bei der ersten Ausführungsform erzielte Vorteile bleiben bei der zweiten bzw.
dritten Ausführungsform unverändert.
Die gleiche Nebenschlußschaltung 90 kann zur zweiten bzw. dritten
Ausführungsform hinzugefügt werden. Das Lenkgefühl bei der Neutralpositionslenkung
wird dann bei der zweiten Ausführungsform in ähnlicher Weise verbessert.
Der Aufbau einer Servolenkungsvorrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt. Bei dieser
Ausführungsform werden ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100, ein
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 bestehend aus einem
Fahrzeuggeschwindigkeitsstellantrieb bzw. -taster 101 und einem Schalter 102 und ein
Multiplizierer 50 der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform hinzugefügt. Andere
Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
Diese zusätzlichen Komponenten werden in dem Regelsystem wie in Fig. 11 gezeigt
verbunden. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 gibt ein Signal "1" oder
"0" gemäß einer durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 erfaßten
Fahrzeuggeschwindigkeit aus. Der Multiplizierer 50 multipliziert den Wichtungsfaktor
D mit 1 oder 0 gemäß den Ausgangssignalen vom
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 unter Erzeugung eines neuen
Wichtungsfaktors G'. Der neue Wichtungsfaktor G' wird auf die gleiche Weise wie bei
der ersten Ausführungsform zum Erzeugen des Lenksignals Y verwendet. Der
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 und der Multiplizierer 50 sind digitale
Operatoren und in einem Programm des Mikrocomputers 10 ohne zusätzliche Hardware
enthalten.
Jeder beliebige auf einem Fahrzeug montierte Fahrzeuggeschwindigkeitssensor,
wie etwa ein Geschwindigkeitssensor für ein Antiblockier-Bremssystem oder ein
gewöhnlicher Geschwindigkeitssensor für einen Tachometer, kann als der
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 verwendet werden. Der
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 gibt ein Signal 1 aus, wenn das Fahrzeug
vollständig angehalten ist oder sich sehr langsam bewegt (diese Bedingung wird als
prinzipieller Halt bezeichnet). Andererseits gibt der
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 ein Signal 0 aus, wenn sich das Fahrzeug
nicht in dem prinzipiellen Halt befindet (wenn das Fahrzeug gefahren wird). Der
Wichtungsfaktor G wird durch Multiplizieren mit 1 oder 0 in einen neuen
Wichtungsfaktor G' gewandelt. Wenn sich folglich das Fahrzeug in dem prinzipiellen
Halt befindet, ist das Lenksignal Y das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
D.h. Y = G.U1 + (1 - G).U2, da in dieser Situation G = G' ist. Wenn sich andererseits
das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das Lenksignal Y allein
durch U2 bestimmt. D.h. Y = U2, da in dieser Situation G' = 0 ist.
Wenn sich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das rasche
Lenken hinreichend und schnell kraftverstärkt, da die kompensierte Komponente U2 in
dem Lenksignal Y bestimmend ist, während die Zittervibrationen beim langsamen
Lenken unterdrückt werden, da die Komponente U1 in dieser Situation vorherrscht.
Wenn sich andererseits das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das
Lenksignal Y allein durch das kompensierte Drehmomentsignal U2 bestimmt.
Dementsprechend wird das rasche Lenken hinreichend und schnell mit geringfügigen
und begleitenden Zittervibrationen kraftverstärkt. Solche Zittervibrationen sind dem
Lenkgefühl jedoch nicht abträglich, da sie vom Fahrer kaum gespürt werden, wenn das
Fahrzeug gefahren wird. Da der Wichtungsfaktor G bei dieser Ausführungsform auf 0
(Null) fixiert ist, solange das Fahrzeug gefahren wird (nicht in dem prinzipiellen Halt),
ist das Lenksignal Y im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit sehr kontinuierlich.
Ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform ist in Fig. 12 gezeigt. Diese
Ausführungsform entspricht der vierten Ausführungsform, außer daß der
Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 der vierten Ausführungsform durch einen
Lenk-Drehmomentsignalkomparator 52 ersetzt ist.
Der Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 mit einem Schalter 102 vergleicht den
Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals |τ| mit einem vorbestimmten Schwellwert
τth. Wenn |τ| gleich oder größer als τth ist, wird festgestellt, daß sich das Fahrzeug in
dem prinzipiellen Halt befindet, da in dem prinzipiellen Halt ein höheres
Lenkdrehmoment als im Fahrzustand erforderlich ist. Wenn andererseits |τ| kleiner
als τth ist, wird festgestellt, daß das Fahrzeug gefahren wird. Der
Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 gibt durch eine Schaltoperation des Schalters 102
ein Signal 1 aus, wenn sich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, und ein
Signal 0, wenn sich das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet. Hiernach
wird der Regelungsprozess des Lenksystems auf die gleiche Weise wie bei der vierten
Ausführungsform durchgeführt. D.h. der Wichtungsfaktor G wird durch den
Multiplizierer 50 mit dem Signal 1 oder 0 multipliziert und in den Generator 6 für
gewichtete Signale eingespeist.
Die Leistungsfähigkeit und Vorteile der fünften Ausführungsform sind denen der
vierten Ausführungsform ähnlich. Da jedoch bei der fünften Ausführungsform keine
Eingangsschnittstelle zum Empfangen der Fahrzeuggeschwindigkeitssignale notwendig
ist, kann das Regelungssystem vereinfacht werden. Der
Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 ist in dem Programm des Mikrocomputers 10
eingeschlossen.
Obwohl in den vorhergehenden Ausführungsformen ein elektrischer Motor zum
Unterstützen des Lenkens verwendet ist, können andere elektrische Antriebe oder
hydraulische Motoren anstelle des elektrischen Motors verwendet werden.
Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur
beispielhaften Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
Claims (10)
1. Servolenkungsvorrichtung mit
einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4), der auf der Basis eines Lenkwinkels (θ) eine Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) berechnet,
einem Lenkdrehmomentsensor (1), der ein Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle detektiert und ein Lenkdrehmomentsignal (τ) erzeugt,
einer Lenksignalerzeugungseinrichtung, die an den Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4) und den Lenkdrehmomentsensor (1) angeschlossen ist und mittels einer Übertragungsfunktion mit geringer Verstärkung und geringem Phasenvorschub, wenn die Lenkgeschwindigkeit gering ist, ein Lenksignal (Y) auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals erzeugt, wobei die Übertragungsfunktion so modifiziert ist, daß ihre Verstärkung und ihr Phasenvorschub allmählich entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) höher wird, und
einem Kraftverstärkungsmotor (9) zum Unterstützen des Lenkens eines Fahrzeugs auf der Basis des durch die Lenksignalerzeugungseinrichtung erzeugten Lenksignals.
einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4), der auf der Basis eines Lenkwinkels (θ) eine Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) berechnet,
einem Lenkdrehmomentsensor (1), der ein Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle detektiert und ein Lenkdrehmomentsignal (τ) erzeugt,
einer Lenksignalerzeugungseinrichtung, die an den Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4) und den Lenkdrehmomentsensor (1) angeschlossen ist und mittels einer Übertragungsfunktion mit geringer Verstärkung und geringem Phasenvorschub, wenn die Lenkgeschwindigkeit gering ist, ein Lenksignal (Y) auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals erzeugt, wobei die Übertragungsfunktion so modifiziert ist, daß ihre Verstärkung und ihr Phasenvorschub allmählich entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) höher wird, und
einem Kraftverstärkungsmotor (9) zum Unterstützen des Lenkens eines Fahrzeugs auf der Basis des durch die Lenksignalerzeugungseinrichtung erzeugten Lenksignals.
2. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lenksignal
erzeugungseinrichtung umfaßt:
einen Kompensator (2) mit einer Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem vorbestimmten Frequenzbereich von ihr höher werden, wobei der Kompensator ein kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals U1 (= τ) mit Hilfe der Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5) zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer geringen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 - G).U2.
einen Kompensator (2) mit einer Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem vorbestimmten Frequenzbereich von ihr höher werden, wobei der Kompensator ein kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals U1 (= τ) mit Hilfe der Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5) zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer geringen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 - G).U2.
3. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die
Lenksignalerzeugungseinrichtung umfaßt:
einen ersten Kompensator (2') mit einer ersten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ niedrigen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der erste Kompensator ein erstes kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U1 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der ersten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen zweiten Kompensator (2'') mit einer zweiten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der zweite Kompensator ein zweites kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der zweiten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5') zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer niedrigen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 -G).U2.
einen ersten Kompensator (2') mit einer ersten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ niedrigen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der erste Kompensator ein erstes kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U1 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der ersten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen zweiten Kompensator (2'') mit einer zweiten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der zweite Kompensator ein zweites kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der zweiten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5') zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer niedrigen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 -G).U2.
4. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, mit weiterhin einem
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (100), wobei
der Wichtungsfaktor G zwangsweise auf Null gebracht wird, wenn der
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor detektiert, daß das Fahrzeug gefahren wird.
5. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei
das Lenksignal Y durch das Lenkdrehmomentsignal U1 ersetzt wird, wenn ein
Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals (τ) geringer als ein vorbestimmter
Schwellwert (τth) ist.
6. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit weiterhin einem digitalen
Mikrocomputer (10, 10'), wobei
die Lenksignalerzeugungseinrichtung in dem digitalen Mikrocomputer gebildet
ist.
7. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei
der Wichtungsfaktor G zwangsweise auf Null gebracht wird, wenn ein
Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals (τ) geringer als ein vorbestimmter
Schwellwert (τth) ist.
8. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung mit den Schritten:
Detektieren einer Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) auf der Basis eines Lenkwinkels (θ),
Erfassen eines Lenkdrehmoments (T) von einem Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle,
Erzeugen eines Lenksignals (Y) auf der Basis der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) und des Lenkdrehmoments (T), wobei das Lenksignal so erzeugt wird, daß es in einem raschen Lenkzustand eine höhere Verstärkung und einen höheren Phasenvorschub besitzt als in einem langsamen Lenkungszustand, und
Antreiben eines Kraftverstärkungsmotors (9) mit einer durch das Lenksignal (Y) bestimmten Leistung.
Detektieren einer Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) auf der Basis eines Lenkwinkels (θ),
Erfassen eines Lenkdrehmoments (T) von einem Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle,
Erzeugen eines Lenksignals (Y) auf der Basis der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) und des Lenkdrehmoments (T), wobei das Lenksignal so erzeugt wird, daß es in einem raschen Lenkzustand eine höhere Verstärkung und einen höheren Phasenvorschub besitzt als in einem langsamen Lenkungszustand, und
Antreiben eines Kraftverstärkungsmotors (9) mit einer durch das Lenksignal (Y) bestimmten Leistung.
9. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei
der rasche Lenkungszustand als solcher festgestellt wird, wenn die
Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, und
der langsame Lenkzustand als solcher festgestellt wird, wenn die
Lenkgeschwindigkeit den vorbestimmten Schwellwert nicht erreicht oder der
Lenkwinkel an einer festen Stelle ist.
10. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei
das Lenksignal (Y) sich allmählich von einem dem raschen Lenkzustand
entsprechenden Signal zu einem dem langsamen Lenkzustand entsprechenden
Signal gemäß der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) ändert.
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