DE3604396C2 - - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
- B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
- B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
- B62D5/046—Controlling the motor
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenksystem für
Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein System der genannten Art ist aus der DE-OS 22 37 166 bekannt.
Bei diesem bekannten System besteht der Drehmomentdetektor
aus einem Winkelbewegungsfühler, der die Umformung
einer zum Drehmoment proportionalen Winkelbewegung zwischen der
Eingangswelle gegenüber der Ausgangswelle in ein elektrisches
Signal ermöglicht. Dieses Signal wird zusammen mit den Drehsinn
des Lenkrades anzeigenden und von Kontakten stammenden Signalen
einem analogen Rechner zugeführt, der diese Signale in einen
Strom umformt, dessen Stärke sich in Abhängigkeit von dem auf
das Lenkrad einwirkenden Moment ändert und der den Elektromotor
speist.
Bei besonderen Ausgestaltungen dieses bekannten Systems kann
der Verlauf des Hilfsdrehmoments nicht nur in Abhängigkeit von
dem Wert des auf das Lenkrad einwirkenden Drehmoments, sondern
auch in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit geändert
werden und es kann erreicht werden, daß bei der Rückbewegung
der gelenkten Räder in ihre Normallage kein Drehmoment vom
Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt werden muß.
Aus der DE-OS 28 39 121 geht ein Servolenksystem mit einer das
Hilfsdrehmoment erzeugenden Pumpe hervor, die durch den
Fahrzeugmotor angetrieben wird und stets im Normalbetrieb
arbeitet. Die Pumpe arbeitet mit einem Arbeitszylinder zusammen,
der über ein Steuerventil bei einer bestimmten Bedingung abgeschaltet
wird. Dieses System weist auch eine Detektoreinrichtung
zur Erfassung des Lenkwinkels und eine Korrektureinrichtung
zur Verringerung des Hilfsdrehmoments auf null, derart auf,
daß die Steuerwirkung des Arbeitszylinders unterbrochen wird,
bevor der Lenkwinkel einen vorgegebenen Lenkwinkel übersteigt.
Durch die Unterbrechung des Hilfsdrehmoments erfolgt in kleinen
Zeitabständen bei weiterer Drehung der Lenkwelle eine erneute
Einsteuerung des Hilfsdrehmoments. Durch diese Maßnahme kann
vermieden werden, daß bei kleinem Lenkdrehmoment, beispielsweise
auf Glatteis im Parkierbereich, die Servounterstützung
wirkt bis zum Lenkradanschlag, wenn das Hilfsdrehmoment größer
als die Verstellkraft ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Servolenksystem
der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem beim Lenken in
der Nähe des maximalen Lenkwinkels eine zu starke Erwärmung und
ein zu großer Leistungsverlust des das Hilfsdrehmoment erzeugenden
Elektromotors vermieden und damit die Lebensdauer des
Motors und des gesamten Servolenksystems verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Lenksystems gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der
Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektrischen Servolenksystems;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II
der Fig. 1;
Fig. 3A einen Querschnitt entlang der Linie III-III
der Fig. 1, der ein bewegliches Ferroglied
eines Sensors für das Lenkdrehmoment in
dem Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 3B und 3C eine Seitenansicht des und eine Draufsicht auf das
Glied der Fig. 3A;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV
der Fig. 1, der einen Sensor für die Lenkdrehung
in dem Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V
der Fig. 1;
Fig. 6 ein ausführliches Blockschaltbild eines
Steuerkreises des Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 ein weiteres ausführliches Blockschaltbild
eines Ermittlungskreises für die
Lenkdrehung in dem Steuerkreis nach
Fig. 6;
Fig. 8 ein Zeitdiagramm der Ausgangssignale an
verschiedenen Bereiche des Kreises der
Fig. 7;
Fig. 9A, 9B schematische Ablaufdiagramme von Hauptschleifprozessen
und Unterbrechungsprozessen,
die in der Mikrocomputereinheit in
dem Steuerkreis nach Fig. 6 ausgeführt
werden;
Fig. 10 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
einem integralen Wert von für den Lenkwinkel
repräsentativen Ausgangsimpulsen
von dem Ermittlungskreis für die Lenkdrehung
und einem Lenkwinkel zeigt;
Fig. 11 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
dem integralen Wert von für den Lenkwinkel
repräsentativen Impulsen und einem
Korrekturwert für einen Prozeß im unbelasteten
Zustand zeigt;
Fig. 12 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
einem Lenkwinkelsignal und einem Ankerstrom
des Elektromotors des Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 13 ein Diagramm zur Beschreibung von Betriebscharakteristiken
des Elektromotors,
wobei Beziehungen zwischen dem Ankerstrom,
der Drehzahl und dem Lastdrehmoment
des Motors gezeigt sind;
Fig. 14 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
dem Ankerstrom des Elektromotors
und einem Antriebsstrom einer magnetischen
Kupplung des Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 15 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
einem auf das Ausführungsbeispiel
ausgeübten Lastdrehmoment und
einem auf das Beispiel einwirkenden Lenkdrehmoment
zeigt; und
Fig. 16 ein schematisches Blockschaltbild des
Steuerkreises der Fig. 6.
In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 200 das beispielhafte
elektrische Servolenksystem mit dem
ein nicht dargestelltes Fahrzeug ausgerüstet ist.
Das System 200 weist auf: Eine Eingangswelle 4, die mit ihrem
rechten Ende gemäß Fig. 1 mit einem nicht dargestellten
Lenkrad des Systems 200 verbunden ist; eine Lenksäule
1, die in ihrem Inneren die Eingangswelle 4 aufnehmen
kann und an einem nicht dargestellten Körper des
Kraftfahrzeuges befestigt ist; eine Ausgangswelle 7, die
mit ihrem linken Ende gemäß Fig. 1 mit einem nicht dargestellten Lenkgetriebe
für die nicht dargestellten
gelenkten Räder des Kraftfahrzeuges
verbunden ist und in Bezug auf die Eingangswelle 4 koaxial
angeordnet ist; ein Gehäuse 3 zur Aufnahme der Ausgangswelle
7; und einen Stator 2 eines Elektromotors 3,
der später erläutert wird. Der Stator 2 ist
einstückig bzw. integral mit der Säule 1 und dem Gehäuse
3 verbunden.
Die Eingangswelle 4 ist mit ihrem axialen innersten Bereich
lose in den axialen innersten Bereich der Ausgangswelle
7 eingesetzt, wobei die innersten Bereiche der Wellen
4, 7 über einen Torsionsstab 8 miteinander verbunden
sind, der koaxial zu den Wellen 4, 7 angeordnet ist. Die
Eingangswelle 4 und die Ausgangswelle 7 sind in der
richtigen Lage drehbar durch ein Paar Lager 9, 10
bzw. drei Lager 11, 12, 13 gelagert.
Das Lenksystem 200 besteht aus
einem Sensor 20 für die Lenkdrehung, der um die Eingangswelle
4 herum angeordnet ist, einem Sensor 24 für
das Lenkdrehmoment, der um die lose eingesetzten innersten
Bereiche der Eingangswelle 4 und der Ausgangswelle 7
herum angeordnet ist, dem Elektromotor 33, bei dem
es sich um einen Gleichstrommotor handelt, der koaxial um
die Ausgangswelle 7 herum angeordnet ist und, wie später erläutert, ein Hilfsdrehmoment
auf die Welle 7 ausüben kann, einem Untersetzungsgetriebe 50, einer
elektromagnetischen Kupplung 63 und einer Steuervorrichtung
in der Form eines Steuerkreises 75 zum Antreiben und Steuern
des Elektromotors 33 und der elektrischen Kupplung
63 in Übereinstimmung mit entsprechenden Ermittlungssignalen,
die von dem Sensor 20 für die Lenkdrehung und
dem Sensor 24 für das Lenkdrehmoment ausgesendet werden.
Die Eingangswelle 4 ist in eine erste Welle
5 und eine röhrenförmige zweite Welle 6 unterteilt. An dem
axialen äußeren Ende der ersten Welle 5, d. h. in der Fig. 1
an dem rechten Ende, ist das Lenkrad befestigt. Mit dem
axialen inneren Ende ist die erste Welle 5 mit der röhrenförmigen
zweiten Welle 6 über eine Gummibuchse 14 elastisch verbunden,
die dazwischen angeordnet ist und die Übertragung von
Schwingungen bzw. Vibrationen verhindert. Die Gummibuchse
14 besteht aus einem radialen inneren und einem radialen
äußeren Metallrohr 14 a, 14 b und einem elastischen
Glied 14 c, das dazwischen angeordnet ist. Das innere Rohr
14 a ist an der ersten Welle 5 befestigt. Das äußere Rohr
14 b ist an der zweiten Welle 6 befestigt.
Am axialen inneren Endbereich der ersten Welle 5 ist nach Fig. 2 fest ein
ringförmiges Teil 15 aufgesetzt, das ein Paar radial
nach außen ragende Vorsprünge 15 a aufweist, die in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet sind. Diese Vorsprünge
15 a sind in ein Paar Schlitze 6 a eingesetzt,
wobei ein geeigneter winkelförmiger Spalt bestehen bleibt.
Die Schlitze 6 a sind an dem axialen äußeren Ende der zweiten
Welle 6, d. h. in der Fig. 1 an dem rechten Ende dieser
Welle ausgebildet. Die erste und zweite Welle 5 und 6
können infolge der Spalte relativ zueinander
verdreht werden. Außerdem können sie durch das
ringförmige Teil 14 in bezug aufeinander und nach einer relativen
Verdrehung zueinander verriegelt
werden, so daß verhindert wird, daß das elastische
Teil 14 c in seiner Drehrichtung Drehmomenten ausgesetzt
wird, die größer sind als vorbestimmte Drehmomente. Mit
dem Bezugszeichen 16 ist eine kreisförmige Klammer bezeichnet,
durch die verhindert wird, daß das ringförmige Teil
15 aus der richtigen Lage gelangt.
Nach den Fig. 3A bis 3C ist an
dem axial gegenüberliegenden Ende der zweiten Welle 6,
d. h. in der Fig. 1 in dem linken Enden der zweiten Welle,
ein Paar sich in axialer Richtung erstreckender Nuten
17 ausgebildet, die um 180° zueinander verdreht
sind. Im axial innersten Bereich der Ausgangswelle
7, dessen Durchmesser vergrößert und von dem
Stator 2 über ein Lager 11 a gehalten ist, ist ein Paar
sich in axialer Richtung erstreckender Vorsprünge 7 a
an Positionen ausgebildet, die den Nuten 17 der zweiten
Welle 6 entsprechen. Die Vorsprünge 7 a sind in den Nuten
17 eingeführt, wobei jeweils ein vorbestimmter Spalt besteht.
Außerdem ist an diesem Ende
die zweite Welle 6 verkleinert, wobei der zerkleinerte
Bereich in den vergrößerten innersten Bereich der Ausgangswelle
7 eingeführt und von der Ausgangswelle 7
gehalten ist.
Weiterhin sind in den entsprechenden axialen inneren Endbereichen
der zweiten Welle 6 und der Ausgangswelle 7
sich gegenüberliegende axiale Löcher koaxial zueinander
ausgebildet. In diesen Löchern ist der Torsionsstab 8
koaxial angeordnet, der mit seinem einen Ende (in der
Fig. 1 mit dem rechten Ende) durch einen Stift 18 an der
zweiten Welle 6 und mit seinem axial gegenüberliegenden
Ende durch einen weiteren Stift 19 mit der Ausgangswelle 7
verbunden ist. Das axiale äußere Ende der Ausgangswelle 7
ist durch eine auf ihm ausgebildete Kerbverzahnung mit
dem Lenkgetriebe verbunden, das, wie beschrieben,
ein Glied auf der Lastseite darstellt.
Das vom Lenkrad an die Eingangswelle 4 angelegte
Drehmoment wird daher unter Deformation des Torsionsstabes
8 an die Ausgangswelle 7 und an die Glieder auf der Lastseite
übertragen. Die Gummibuchse
14 zwischen der ersten und der zweiten Welle
5, 6 der Eingangswelle 4 ist
härter in bezug auf ihre Deformation eingestellt
als der Torsionsstab 8, der zwischen der zweiten Welle 6
und der Ausgangswelle 7 angeordnet ist.
Nach Fig. 4 umfaßt der Sensor
20 für die Lenkdrehung mehrere radial nach
außen ragende Vorsprünge 21 in Form von durch gleiche
Winkel voneinander entlang des Umfanges der zweiten Welle
6 beabstandeten Zähnen, und ein Paar Photokoppler
22 a, 22 b, die an der Lenksäule 1 derart befestigt sind,
daß von jedem Koppler die gekoppelten Teile an beiden axialen
Seiten der radialen Vorsprünge 21 vorgesehen sind. In dem
derart angeordneten Sensor 20 wird daher die Kopplung
durch den Lichtstrahl an jedem der Photokoppler 22 a, 22 b
abwechselnd durch die Vorsprünge 21 und die dazwischen befindlichen
Spalte 21 a unterbrochen und hergestellt, wenn das
Lenkrad bei seiner Betätigung gedreht wird.
Die Photokoppler 22 a, 22 b lichtemittierende Elemente 22 c, 22 e enthalten,
die aus LED-Elementen bestehen, und lichtempfangende Elemente
22 d, 22 f aufweisen, die aus Phototransistoren bestehen,
wie dies in der Fig. 7 dargestellt ist. Die entsprechenden
Positionen der Photokoppler 22 a, 22 b werden
derart bestimmt, daß die Perioden ihrer Ermittlung der Vorsprünge
21 und der Spalte 21 a in bezug auf ihre Phase voneinander
um einen vorgegebenen Wert verschoben werden, der
bei dieser Ausführungsform einem Viertel jedes Zyklus entspricht.
Die Umfangsbreiten jedes der Vorsprünge
21 und jedes der Spalte 21 a sind gleich eingestellt.
Ist diese Breite gleich W, sind die
Positionen der Photokoppler 22 a, 22 b in Umfangsrichtung
voneinander durch einen Abstand (n+¼) · 2 W voneinander
beabstandet, wobei n, das bei diesem Ausführungsbeispiel die Einheit
darstellt, eine ganze Zahl ist.
Wenn die zweite Welle 6 bei der Betätigung des
Lenkrades in einer Richtung gedreht wird, senden daher die
Phototransistoren 22 d, 22 f ein Paar elektrische
Signale aus, die um ¼-Zyklus gegeneinander phasenverschoben
sind.
Der Sensor 24 für das Lenkdrehmoment umfaßt einen Differentialtransformator,
der aus einem beweglichen röhrenförmigen
Ferrokernglied 25 besteht, das axial gleitbar
um die gegenseitig aneinander angreifenden innersten Bereiche
der zweiten Welle 6 der Eingangswelle 4 und der
Ausgangswelle 7 herum aufgesetzt ist. Außerdem weist der
Sensor 24 ein Wicklungsteil 28 auf. Nach den Fig. 3A
bis 3C verläuft durch das bewegliche Kernglied
25 ein Paar erste längliche Löcher 25 a, die
an einem Paar Stifte 26 angreifen, die radial von den
axialen Vorsprüngen 7 a der Ausgangswelle 7 vorstehen, und
ein Paar zweite längliche Löcher 25 b, die an einem
weiteren Paar Stifte 27 angreifen, die von der zweiten
Welle axial vorstehen. Jeder dieser radialen Stifte 27 ist
von einem der radialen Stifte 26 durch einen Winkel von
90° beabstandet. Die ersten länglichen Löcher 25 a sind in
der axialen Richtung des Kerngliedes 25 ausgebildet. Die
zweiten länglichen Löcher 25 b sind in bezug auf die Achse
des Gliedes 25 um einen erforderlichen Winkel geneigt.
Die geneigten länglichen Löcher 25 wirken in
Übereinstimmung mit einer in Umfangsrichtung zwischen der
zweiten Welle 6 und der Ausgangswelle 7 entwickelten Winkeldifferenz
mit den Stiften 26 zusammen, die an ihnen angreifen,
um zu verursachen, daß das bewegliche Kernglied
25 sich in axialer Richtung bewegt, so daß es in Übereinstimmung
mit dem auf die Eingangswelle 4 oder auf die
zweite Welle 6 der Eingangswelle 4 einwirkenden Lenkdrehmoment
verschoben wird.
Ist beispielsweise angenommen,
daß das Lenkdrehmoment auf die zweite
Welle 6 im Uhrzeigersinn von der Seite des Lenkrades her
gesehen und ein Lastdrehmoment, das größer ist als das
Lenkdrehmoment auf die Ausgangswelle 7 ausgeübt werden,
die zweite Welle 6 relativ zur Ausgangswelle 7 im Uhrzeigersinn
von der Seite des Lenkrades aus gesehen gedreht.
Dann wird bewirkt, daß sich das bewegliche Kernglied 25
in Fig. 3C nach oben, d. h. in der Fig. 3B nach rechts
oder in der Fig. 1 nach links bewegt.
Im Gegensatz dazu wird in dem Fall, in dem die zweite Welle
6 relativ zur Ausgangswelle 7 entgegen dem Uhrzeigersinn
von der Seite des Lenkrades aus gesehen gedreht wird,
bewirkt, daß sich das Kernglied 25 in der zu der obengenannten
Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt.
In jedem der vorangehenden Fälle wird das Kernglied 25
infolge der geneigten länglichen Löcher 25 b des beweglichen
Kerngliedes 25, in die die radialen Stifte 26 eingreifen,
die an der Seite der Ausgangswelle 7 vorgesehen
sind, wobei die Löcher 26 so geformt sind, daß sie eine
geradlinige Form aufweisen, wenn das röhrenförmige Kernglied
25 hergestellt bzw. entwickelt wird, axial in der
Bewegungsrichtung aus einer ursprünglichen Mittelposition
oder neutralen Position im Verhältnis zur relativen Winkelverschiebung
in Umfangsrichtung zwischen der zweiten
Welle 6 als ein Glied der Eingangsseite und der Ausgangswelle
7 verschoben.
Das bewegliche Kernglied 25 kann unter der Bedingung an der mittleren
Position angeordnet werden, daß kein Lenkdrehmoment
auf die Eingangswelle 4 einwirkt und daß daher die
relative Winkelverschiebung zwischen der zweiten Welle 6
und der Ausgangswelle 7 auf Null gehalten wird. In dem in
den Fig. 1 und 3A bis 3C dargestellten Zustand wird angenommen,
daß sich das Kernglied 25 in dieser mittleren Position
befindet.
In dem Differentialtransformator weist der Wicklungsbereich
28, der um das bewegliche Kernglied herum angeordnet
ist, eine Primärwicklung 29, an die ein Impulssignal angelegt
wird, und ein Paar Sekundärwicklungen 30, 31 auf,
die koaxial an beiden Seiten der Primärwicklung 29 angeordnet
sind und ein Ausgangssignal entsprechend der axialen
Verschiebung des Kerngliedes 25 erzeugen können. Wenn
sich die relative Winkelverschiebung zwischen der zweiten
Welle 6 und der Ausgangswelle 7 bei einer Deformation des
Torsionsstabes 8 entwickelt, wird dementsprechend die
axiale Verschiebung des beweglichen Kerngliedes 25 in
die auszusendenden elektrischen Signale umgewandelt.
Der Elektromotor 33 umfaßt einen zylinderförmigen Stator 2
der mit der Hilfe von Bolzen 34 einstückig
bzw. integral sowohl mit der Lenksäule 1 als
auch mit dem Gehäuse 3 verbunden ist, wobei der Stator 2
wenigstens ein Paar Magnete 36, die an seiner Innenseite
befestigt sind, aufweist, und einen Rotor 37, der
drehbar um die Ausgangswelle 7 angeordnet ist. Der Rotor
37 enthält eine röhrenförmige Welle 38, die frei drehbar
auf die Ausgangswelle 7 mit der Hilfe von Nadellagern
12, 13 aufgesetzt ist, die dazwischen angeordnet sind. In
einer ähnlichen Weise ist der Rotor 37 am Gehäuse
3 über ein Kugellager 13 a gelagert. Außerdem umfaßt der
Rotor 37 eine Ankereinheit, die einstückig auf der röhrenförmigen
Welle 38 befestigt ist. Diese Einheit besteht aus
einem geschichteten Ferrokern 39, in dem schräge Schlitze
zur Anordnung einer ersten Mehrfachwicklung 40 und einer
zweiten darüber vorgesehenen Mehrfachwicklung 41 ausgebildet
sind, wobei ein feiner Luftspalt zwischen den Magneten
36 und der zweiten Wicklung 41 bestehen bleibt. Außerdem
sind an der röhrenförmigen Welle 38 ein erster Kommutator
42, der mit der ersten Mehrfachwicklung 40 verbunden
ist, und ein zweiter Kommutator 43 befestigt, der mit der
zweiten Mehrfachwicklung 41 verbunden ist. Außerdem ist
ein Satz von Bürsten 44 in Kontakt mit dem ersten
Kommutator 42. Ein weiterer Satz Bürsten 46
ist in Kontakt mit dem zweiten Kommutator
43. Die Bürsten 44, 46 sind jeweils in
Bürstenhaltern 45, 47 enthalten, die an dem Stator 2 befestigt
sind. Anschlußdrähte der Bürsten 44, 46 verlassen
den Stator 2 über nichtmagnetische Rohre 2 a, 2 b.
Bei dem Ausführungsbeispiel wirken die Magnete 36,
die erste Vielfachwicklung 40, der erste Kommutator 42
und die Bürsten 44 zusammen, um einen Gleichstromgenerator
48 als einen Sensor für die Motorgeschwindigkeit zu bilden,
um die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit des Rotors
37 des elektrischen Motores 33 zu ermitteln. Dieser Generator
48 kann daher angewendet werden, um ein Ausgangssignal
in der Form einer Gleichspannung zu erzeugen, die
proportional zur Anzahl der Umdrehungen des Rotors 37 ist.
Andererseits wirken die Magnete 36, die zweite Mehrfachwicklung
41, der zweite Kommutator 43 und die Bürsten 46
zusammen, um einen geeigneten elektrischen Bereich des
Elektromotors 33 zur Erzeugung des Hilfsdrehmomentes
zu bilden.
Das Untersetzungsgetriebe 50 umfaßt zwei Stufen 51, 52
von Planetengetrieben, die um die Ausgangswelle 7 herum
angeordnet sind. Nach Fig. 1
besteht die erste Stufe 51 aus einem ersten Sonnenrad 38 a,
das entlang des äußeren Umfanges des linken Endbereiches
der röhrenförmigen Welle 38 ausgebildet ist, der rechten
Hälfte eines gemeinsamen Drehkranzes 53, der entlang des
inneren Umfanges des Gehäuses 3 ausgebildet ist, drei
ersten Planetenzahnrädern 54, die zwischen dem Sonnenrad 38 a und
dem Drehkranz 53 angeordnet sind und in diese eingreifen,
und einem ersten Trägerteil 55, das die Planetenzahnräder
54 drehbar hält. Das Trägerteil 55 ist lose auf die Ausgangswelle
7 aufgesetzt. Die zweite Stufe 52 besteht aus
einem zweiten Sonnenrad 56 a, das entlang des äußeren Umfanges
eines röhrenförmigen Teiles 56 ausgebildet ist, das
einstückig mit dem ersten Trägerteil 55 verbunden
ist, der linken Hälfte des gemeinsamen Drehkranzes
53, drei zweiten Planetenzahnrädern 57, die zwischen dem
Sonnenrad 56 a und dem Drehkranz 53 angeordnet sind und
in diese eingreifen, und einem zweiten Trägerteil 58, das
die Planetenzahnräder 57 drehbar hält. An radial verlaufenden
Innenseiten des Trägerteiles 58 ist einstückig ein
innerer röhrenförmiger Bereich 60 angeformt, der von der
Ausgangswelle 7 über ein Lager 59 gehalten wird. An der
in radialer Richtung verlaufenden Außenseite des Trägerteils
58 ist ein äußerer röhrenförmiger Bereich 61 angeformt,
der sich entlang des inneren Umfanges des Gehäuses
3 erstreckt. Der äußere röhrenförmige Bereich 61 weist Innenzähne
61 a auf, die entlang seines Umfanges ausgebildet
sind. Wenn sich daher der Rotor 37 des Elektromotors 33
dreht, wird die Drehung des Rotors 37 über die röhrenförmige
Welle 38, das erste Sonnenrad 38 a, die ersten Planetenzahnräder
54, das erste Trägerteil 55, das zweite Sonnenrad
56 a und die zweiten Planetenzahnräder 57 zum zweiten Trägerteil
58 und daher zum äußeren röhrenförmigen Bereich 61
desselben übertragen, wobei die Geschwindigkeit verringert
bzw. untersetzt wird.
In der elektromagnetischen Kupplung 63 ist ein Rotor 64
durch ein Lager 66 auf einem Ringteil 65 drehbar gelagert,
das durch eine Kerbverzahnung an der Ausgangswelle
7 befestigt ist. Der Rotor 64 ist zur Absorption von Torsionsschwingungen
elastisch mit der Ausgangswelle 7 über
ein ringähnliches elastisches Teil 67 verbunden. Der röhrenförmig
ausgebildete Rotor 64 weist eine axiale Verlängerung
auf, die sich soweit bzw. lang erstreckt, wie sie den inneren
röhrenförmigen Bereich 60 des zweiten Trägerteiles 58
umgibt. Diese Verlängerung weist ein Paar Vorsprünge
64 a auf, die radial nach innen von dem inneren Umfang der
Verlängerung aus in Richtung auf den äußeren Umfang der
Ausgangswelle 7 vorstehen. Nach Fig. 5
sind die radialen Vorsprünge 64 a in ein Paar
Schlitze 65 a eingeführt, die in dem Ringteil 65 ausgebildet
sind, wobei ein erforderlicher Umfangsspalt dazwischen
jeweils bestehen bleibt, so daß die Vorsprünge eine
Winkel-Angriffsbeziehung zum Ringteil 65 aufweisen. Der Rotor 64 kann
daher während einer relativen Winkelverschiebung zwischen
ihm und der Ausgangswelle 7 elastisch mit der Ausgangswelle
7 verbunden gehalten werden, wobei diese Verschiebung
dem Umfangsspalt entspricht bevor die Vorsprünge
64 a des Rotors 64 an dem Ringteil 65 angrenzen. Die axiale
Verlängerung des Rotors 64 weist entlang ihres äußeren Umfanges
Außenzähne 64 b auf, die auf ihr ausgebildet sind.
Außerdem weist der Rotor 64 am entgegengesetzen Ende der
axialen Verlängerung des Rotors in Bezug auf das zweite
Trägerteil 58 an einer Position auf dem Rotor einen scheibenähnlichen
Trägerplattenbereich 64 c auf, der in radialer
Richtung vorsteht. Zwischen dem Trägerplattenbereich 64 c
des Rotors 64 und dem zweiten Trägerteil 58 sind abwechselnd
eine Vielzahl von scheibenähnlichen Platten 68 angeordnet,
in deren äußeren Umfängen Nuten eingeschnitten
sind, die mit den Innenzähnen 61 a des äußeren röhrenförmigen
Bereiches 61 des Trägerteiles 58 kämmen. Außerdem
sind eine Vielzahl von scheibenähnlichen Platten 69 vorgesehen,
in deren Innenumfänge Nuten eingeschnitten sind,
die mit den Außenzähnen 64 b der axialen Verlängerung des
Rotors 64 kämmen. Dadurch wird ein Mehrscheibenkupplungsmechanismus
gebildet. In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen
70 ein Anschlag der Platten 69 bezeichnet.
Außerdem ist am axialen äußeren Ende des Gehäuses 3 eine
ringförmige Öffnung 71 vorgesehen und darin befestigt, die
einen kanalähnlichen Querschnitt aufweist. Diese ringförmige
Öffnung 71 nimmt in sich eine ringförmige Erregerspule
72 auf, die über einen Leitungsdraht mit der Steuervorrichtung
75 verbunden ist. Auf diese Weise wird bei einer Stromleitung
durch die Erregerspule 72 ein Feld einer elektromagnetischen
Kraft aufgebaut, durch die über eine nicht
dargestellte geeignete Einrichtung die zuvor genannten
Platten 68, 69 alle zusammen gegen die Spule 72 gezogen
werden, so daß ein Hilfsdrehmoment, das vom Elektromotor
33 zu dem äußeren ringförmigen Bereich 61 des zweiten
Trägerteiles 58 bezüglich seiner Geschwindigkeit durch
das Untersetzungsgetriebe 50 untersetzt übertragen wurde,
normalerweise weiter über den die vielen Platten aufweisenden
Kupplungsmechanismus, der aus den Elementen 61 a,
68, 69 und 64 b besteht, den Rotor 64 und das elastische
Glied 67 zur Ausgangswelle 7 übertragen wird. In diesem
Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß in einem Zustand,
in dem der Rotor 64 relativ zur Ausgangswelle 7 gedreht
wurde, bis die relative Winkelverschiebung zwischen dem
Rotor und der Ausgangswelle 7 einen vorbestimmten Wert erreicht
hat, die radialen Vorsprünge 64 a von der axialen Verlängerung
des Rotors 64 an entsprechenden Seitenflächen
der Schlitze 65 a an dem Ringteil 65 angrenzen, so daß das
Hilfsdrehmoment durch den Elektromotor 33 mechanisch
vom Rotor 64 zur Ausgangswelle 7 auf eine nicht-elastische
Art übertragen wird.
Im folgenden wird der Steuerkreis 75 des Servolenksystems
200 im Zusammenhang mit
der Fig. 6 erläutert.
In der Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 76 eine Mikrocomputereinheit.
An die Mikrocomputereinheit 76 werden
entsprechende Ausgangssignale S₁ bis S₇ angelegt, die
von einem Drehmomentdetektor 77 für das Lenkdrehmoment,
einer Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung, einer
Detektoreinrichtung 120 für die Motorgeschwindigkeit und einer
Detektoreinrichtung 114 für eine Unregelmäßigkeit ausgesendet
werden.
Der Drehmomentdetektor 77 umfaßt den zuvor genannten Sensor
24 für das Lenkdrehmoment, eine Antriebseinheit 78, die
einen Bezugstaktimpuls T₁ in der Mikrocomputereinheit,
während sie diesen in eine Anzahl von Stufen teilt, an die
Primärwicklung 29 des Sensors 24 für das Lenkdrehmoment
aussendet, ein Paar Gleichrichter 79 a, 79 b zum Gleichrichten
entsprechender analoger elektrischer Signale, die
von den Sekundärwicklungen 30, 31 des Sensors 24 für das
Drehmoment in Übereinstimmung mit der axialen Verschiebung
des beweglichen Kerngliedes 25 des Sensors 24 ausgesendet
werden, ein Paar Tiefpaßfilter 80 a, 80 b zum Eliminieren
von Hochfrequenzkomponenten dieser gleichgerichteten
Signale und einen Analog/Digital-Wandler 81 zum Umwandeln
entsprechender analoger elektrischer Signale von den Tiefpaßfiltern
80 a, 80 b in ein Paar digitale Signale,
die als Lenkdrehmomentsignale S₁, S₂ an die Mikrocomputereinheit
76 ausgesendet werden.
Die Detektoreinrichtung 120 für die Motorgeschwindigkeit umfaßt
den zuvor genannten Generator 48 als einen Sensor für die
Drehgeschwindigkeit des Motors und ein Tiefpaßfilter 121
zum Eliminieren von Hochfrequenzkomponenten eines analogen
Spannungssignales, das vom Generator 48 ausgesendet wird.
Ein vom Tiefpaßfilter 121 ausgesendetes analoges Spannungssignal
wird an den A/D-Wandler 81 angelegt, von dem es in
ein digitales Signal umgewandelt wird, das als ein Ankerdrehzahlsignal
S₃ ausgesendet wird, das die Drehgeschwindigkeit
des Ankers 37 entsprechend der Anzahl Nm der Umdrehungen
pro Minute desselben darstellt. Wie dies später
erläutert wird, kann die Detektoreinrichtung 120 für
die Motordrehzahl als ein Rückkopplungssignalgenerator arbeiten.
Nach den Fig. 6 und 7 umfaßt die
Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung einen Signalgenerator
83, der eine elektrische Leistung an die Photokoppler
22 a, 22 b des Sensors 20 für die Lenkdrehung anlegen kann,
so daß von diesem die zuvor genannten elektrischen
Signale ausgesendet werden können, einen Wellenformerkreis
84, der aus einem Paar Schmidt-Triggerkreise 84 a, 84 b
zur angemessenen bzw. richtigen Formung der Wellenform der
Ausgangssignale vom Signalgenerator 83 besteht, und eine
Antriebseinheit 85. Diese besteht aus
vier Flip-Flops 87, 88, 89, 90 vom D-Typ, die mit
einem Taktpuls arbeiten können, der von einem Anschluß CL₂
der Mikrocomputereinheit 76 gesendet wird, einem Multiplexer
91, bei dem es sich um einen doppelten Vier-Kanal-
Kreis handelt, und einem exklusiven ODER-Kreis 86.
Bei einer derartigen Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung
folgt in dem Fall, bei dem beispielsweise bei einer
Drehung des Lenkrades im Uhrzeigersinn die Vorsprünge
21 als lichtabschirmende Teile und die Spalte 21 a als
dazwischen angeordnete lichtdurchlassende Teile im Uhrzeigersinn
von der Seite des Lenkrades her gesehen gedreht
werden, daß die Phototransistoren 22 d, 22 f, die
miteinander mit einer Phasendifferenz zusammenarbeiten,
die einem ¼-Zyklus entspricht, die Lichtstrahlen empfangen,
die von den LED-Elementen 22 c, 22 e ausgesendet werden und
von Zeit zu Zeit durch einen entsprechenden Bereich der lichtübertragenden
Bereiche 21 a und den nächstfolgenden Bereich jeweils
übertragen werden. In diesem Fall wird daher das
zuvor genannte Ausgangssignal vom Phototransistor 22 f
um einen ¼-Zyklus bezüglich der Phase gegenüber demjenigen des
Phototransistors 22 d verzögert. Als Ergebnis erscheinen an
verschiedenen Bereichen der Detektoreinrichtung 82 die in
der Fig. 8 dargestellten Ausgangssignale. Eine genauere Beschreibung
folgt später.
Nebenbei bemerkt kann der Multiplexer 91 in Übereinstimmung
mit der unten dargestellten Wahrheitstabelle arbeiten.
In der obigen Tabelle bezeichnet das Bezugszeichen H einen
hohen Pegel "high". Das Bezugszeichen L bezeichnet einen
niedrigen Pegel "low". X kann entweder ein hoher Pegel H
oder ein niedriger Pegel L sein. Der Index n ist 1 oder 2.
Im Zusammenhang mit den Fig. 7 und 8 werden nun zahlreiche
Zwischenbeziehungen unter den Ausgangssignalen A₁ bis A₄,
B₁ bis B₄ und S₁ bis S₆ an wesentlichen Bereichen der
Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung beschrieben.
Wie beschrieben, wird in der Detektoreinrichtung
82 an die Antriebseinheit 85 der Taktimpuls von dem Anschluß
CL₂ der Mikrocomputereinheit 76 angelegt. Dieses Signal
wird durch Teilen des Systemtaktes T₁ der Einheit 76 an
einer vorbestimmten Anzahl von Stufen erhalten.
Wenn, wie beschrieben, das Lenkrad beispielsweise im Uhrzeigersinn gedreht
wird, werden die zuvor
genannten elektrischen Signale, die gegeneinander um einen ¼-
Zyklus verschoben sind, vom Signalgenerator 83 an den
Wellenformerkreis 84 angelegt, in dem die Schmidt-Trigger-
Kreise 84 a, 84 b Rechteckimpulssignale A₁, B₁ erzeugen, die
ausgesendet werden. Diese Signale unterscheiden sich ebenfalls
in der Phase um einen ¼-Zyklus voneinander. In dem in
der Fig. 8 dargestellten Beispiel ist das Signal B₁, das
vom Kreis 84 b ausgesendet wird, gegenüber dem Ausgangssignal
A₁ vom Kreis 84 a um einen ¼-Zyklus verzögert.
Die Ausgangssignale A₁, B₁ werden an die D-Anschlüsse
der Flip-Flops 87, 88 jeweils angelegt. Diese werden so
getriggert, daß ihre Ausgangssignale A₂, B₂ in bezug auf
die Anstiegsflanke/Abfallflanke der Signale A₁,
B₁ maximal um eine Periode verzögert sind, die einem Zyklus
des Taktimpulses vom Anschluß CL₂ entspricht.
Außerdem wird das Ausgangssignal A₂ des Flip-Flops 87 an
den D-Anschluß des nächsten Flip-Flops 89 angelegt, das so
getriggert wird, daß sein Ausgangssignal A₃ am Q-Anschluß
gegenüber dem Signal A₂ im Hinblick auf die Anstiegsflanke/
Abfallsflanke um eine Periode verzögert ist, die maximal einem
Zyklus des Taktpulses vom Anschluß CL₂ entspricht. Gleichzeitig
sendet das Flip-Flop 89 an seinem -Anschluß ein invertiertes
Signal A₄ aus, dessen Pegel in bezug auf das
Signal A₃ umgekehrt ist.
In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal B₂ des Flip-Flops
88 an den D-Anschluß des nächsten Flip-Flops 90 angelegt, das
so getriggert wird, daß sein Ausgangssignal am Q-Anschluß in
bezug auf die Anstiegs/Abfallflanke vom Signal B₂ um eine
Periode verzögert ist, die einem Zyklus des Taktimpulses vom
Anschluß CL₂ maximal entspricht. Gleichzeitig sendet das Flip-Flop
90 am -Anschluß ein invertiertes Signal B₄ aus, dessen
Pegel in bezug auf das Signal B₃ umgekehrt ist.
Dann werden die Eingangssignale A₃, A₄, B₃, B₄ an die Eingangsanschlüsse
D₁₀, D₁₁, D₁₂, D₁₃, D₂₀, D₂₁, D₂₂, D₂₃ des
Multiplexers 91 über die in der Fig. 7 dargestellten Verbindungen
angelegt. Unter den Steueranschlüssen 91 a, 91 b, ₁, ₂
des Multiplexers 91 sind die beiden Steueranschlüsse ₁, ₂
geerdet.
An den Ausgangsanschlüssen F₁, F₂ des Multiplexers 91, dessen
Logik in der obigen Wahrheitstabelle dargestellt ist,
erscheinen Signale S₅, S₆, deren Wellenverläufe jeweils in
der Fig. 8 dargestellt sind. Genauer gesagt wird das Signal
S₅ in der Fig. 8 ununterbrochen auf dem Pegel "low" gehalten,
während das Signal S₆ während eines Zyklus des Ausgangssignales
A₁ oder genauer gesagt während eines Zyklus des Ausgangssignales
A₂ vier Rechteckimpulse aufweist.
Außerdem werden in der Antriebseinheit 85 der Detektoreinrichtung
82 für die Lenkdrehung die Ausgangssignale A₁, A₂ des
Wellenformerkreises 84 an den exklusiven ODER-Kreis 86 angelegt,
der wiederum das Signal S₄ aussendet, das zwei Rechteckimpulse
aufweist, die in einem Zyklus des Signales A₁ erscheinen, wie
dies in der Fig. 8 dargestellt ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Zeitdiagramm der Fig. 8
dem Fall entspricht, gemäß dem das Lenkrad in der beschriebenen
Weise im Uhrzeigersinn gedreht wird.
Im Gegensatz dazu werden in dem Fall, in dem das Lenkrad
entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, die entsprechenden
Impulse in dem Signal A₁ gegenüber entsprechenden
Impulsen in dem Signal B₁ um einen ¼-Zyklus verzögert und es werden
in Abhängigkeit davon andere Signale A₂ bis A₄, B₂ bis
B₄ und S₄ bis S₆ erzeugt und ausgesendet. In diesem Fall
werden daher die Wellenformen der Signale S₅, S₆, wie sie
in der Fig. 8 dargestellt sind, gegeneinander vertauscht,
während die Wellenform des Signales S₄ erhalten bleibt.
Die Dauer derjenigen Impulse,
die in den Signalen A₁, B₁ als die ursprünglichen
Ausgangssignale erscheinen, umgekehrt proportional zu
einer Lenkgeschwindigkeit Ns des Lenkrades ist.
Unter den Ausgangssignalen S₅ und S₆ der Detektoreinrichtung
82 für die Lenkdrehung erscheinen nur in dem Signal
S₆ Impulse, wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn gedreht
wird, und nur in dem Signal S₅ Impulse, wenn das Lenkrad
entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird.
Die Ausgangssignale S₄ bis S₆ der Detektoreinrichtung 82
für die Lenkdrehung werden an die Mikrocomputereinheit
76 und insbesondere an drei nicht dargestellte Zähler
in der Mikrocomputereinheit angelegt, während das Taktsignal,
das durch den Anschluß CL₂ repräsentiert wird,
an einen weiteren nicht dargestellten Zähler in der Einheit
76 angelegt wird. In der Mikrocomputereinheit 76
wird das Eingangssignal S₄ von der Detektoreinrichtung 82 als
ein Signal zum Berechnen der Lenkgeschwindigkeit Ns
verwendet. Außerdem werden in der Einheit 76 die Eingangssignale
S₅ und S₆ von der Detektoreinrichtung 82 als Signale
zur Berechnung des Lenkwinkels Th des Lenkrades verwendet.
Die Mikrocomputereinheit 76 umfaßt notwendigerweise nicht
dargestellte I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Einheiten, einen
Speicher, einen Prozessor und eine Steuereinrichtung.
Zum Ansteuern der Mikrocomputereinheit 76 wie auch anderer
Kreise ist ein elektrischer Leistungskreis 92 vorgesehen,
der ein normalerweise geschlossenes Relais 96 aufweist, das in
einer Leistungsleitung angeordnet ist, die von einem positiven
Anschluß einer in dem Fahrzeug montierten Batterie
93 über einen Schlüsselschalter 94 eines Zündschalters IG.SW.
und eine Sicherung abgeleitet ist, und einen Spannungsstabilisator
97 aufweist, an den die elektrische Leistung über das
Relais 96 angelegt wird. Das Relais 96 weist
einen Ausgangsanschluß 96 a zum Anlegen elektrischer
Leistung von der Batterie 93 an einen Antriebskreis 100
für den elektrischen Motor und einen Antriebskreis 108 für
die elektromagnetische Kupplung auf. Der Spannungsstabilisator
97 weist einen Ausgangsanschluß 97 a zum Anlegen
der stabilisierten Leistung bzw. Spannung an die Mikrocomputereinheit
76 und andere Kreiselemente auf. Während
der Schlüsselschalter 94 eingeschaltet ist, wird daher die
Mikrocomputereinheit 76 in einen erregten Zustand gebracht,
in dem sie die entsprechenden Signale S₁ bis S₇ verarbeiten
kann, wobei sie einem in dem Speicher gespeicherten
Programm folgt, um drei Steuersignale T₃; T₄, T₅, die
zum Ansteuern des Elektromotors 33 verwendet werden,
und ein Steuersignal T₆ für den Strom der Kupplung auszusenden,
das zum Ansteuern der elektromagnetischen Kupplung
63, des Ansteuerkreises 100 des Motors und des Ansteuerkreises
108 der Kupplung jeweils verwendet wird, um dadurch
die Ansteuerung des Motors 33 und der Kupplung 63 zu steuern.
Unter diesen Steuersignalen stellen T₃ und T₄ Signale für
die Drehung im Uhrzeigersinn und die Drehung entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn dar, die für die Bestimmung der Anschlußpolarität
eines Motortreibersignals Va in Form einer Ankerspannung verantwortlich sind, die
an den Elektromotor 33 in Übereinstimmung mit der
Lenkrichtung des Lenkrades anzulegen sind. T₅ ist ein
Spannungssteuersignal, das für die Bestimmung des Motortreibersignals
Va verantwortlich ist.
Der Antriebssteuerkreis 100 für den Elektromotor 33 umfaßt
eine Antriebseinheit 101 und einen aus einem Relaispaar
102, 103 und einem Paar npn-Transistoren 104, 105
bestehenden Brückenkreis. In dem Brückenkreis weisen die
Relais 102, 103 einen gemeinsamen Versorgungsanschluß auf,
der mit dem Ausgangsanschluß 96 a des Relais 96 des Leistungskreises
92 verbunden ist. Außerdem sind die Emitteranschlüsse
der Transistoren 104, 105 über einen Widerstand
106 gemeinsam mit Masse verbunden. Dagegen sind die entsprechenden
Erregerspulen der Relais 102, 103 und die
Basisanschlüsse der Transistoren 104, 105 jeweils mit Ausgangsanschlüssen
101 b, 101 a und 101 c, 101 d des Antriebskreises
101 verbunden. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren
104, 105 wirken zusammen, um einen Potentialdifferenz
zu erzeugen, die als Motortreibersignal Va über die
erwähnten Bürsten 46, 46 an die zweite Mehrfachwicklung
41, die eine Ankerwicklung des Elektromotors
33 darstellt, angelegt wird.
Die Antriebseinheit 101 des Antriebskreises 100 des Motors
kann das Relais 102 oder 103 und den Transistor 105 oder
104 in Übereinstimmung mit den Steuersignalen T₃, T₄, die
für die Drehrichtung repräsentativ sind, ansteuern, und ein
Impulssignal als eine Reihe von PWM-Wellen (Impulsdauermodulation)
an die Basis der Transistoren 104, 105 aussenden,
die durch Modulieren der Dauer eines Rechteckimpulssignales
einer konstanten Frequenz in Übereinstimmung mit dem
Spannungssteuersignal T₅ erhalten wird.
In einem Zustand, in dem die das Lenkdrehmoment repräsentierenden
Ausgangssignale S₁, S₂ so beschaffen sind, daß
sie ein Lenkdrehmoment einer bestimmten Größe repräsentieren,
das im Uhrzeigersinn auf die Eingangswelle 4 wirkt,
sendet die Mikrocomputereinheit 76 in einer später beschriebenen
Weise die für die Drehung im Uhrzeigersinn und die
Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn repräsentativen Signale
T₃, T₄ in der Form eines hohen Pegels "high" bzw. eines
niedrigen Pegels "low" und das Spannungssteuersignal T₅ mit
einem Signalwert aus, der dem obigen Lenkdrehmoment entspricht.
Dann wird bewirkt, daß die Antriebseinheit 101
das Relais 102 über den Anschluß 101 b erregt und gleichzeitig
das zuvor genannte Impulssignal, dessen Impulsbreite in
Übereinstimmung mit dem Wert des Spannungssteuersignales
T₅ moduliert wird, über den Anschluß 101 d an den Basisanschluß
des Transistors 105 anlegt. Unter diesen Umständen
ist der effektive Wert des an den Elektromotor 33
anzulegenden Motortreibersignals Va proportional zur Dauer des
modulierten Impulssignales. Das Motortreibersignal Va weist eine
Anschlußpolarität auf, die so beschaffen ist, daß ein Ankerstrom
Ia in einer Leitungsrichtung A fließt, die bewirkt,
daß der Motor 33 im Uhrzeigersinn dreht.
In dem obengenannten Fall sendet die Antriebseinheit 101
keinen Erregerstrom über den Anschluß 101a und kein Impulssignal
über den Anschluß 101 c aus, so daß das Relais
103 entregt bleibt und der Transistor 104 ausgeschaltet
bleibt bzw. sperrt.
Im Gegensatz dazu wird in einem Zustand, in dem das Lenkdrehmoment
einer bestimmten Größe entgegen dem Uhrzeigersinn
auf die Eingangswelle 4 einwirkt, und daher die Mikrocomputereinheit
76 die für die Drehung im Uhrzeigersinn
und die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn repräsentativen
Signale T₃, T₄ so aussendet, daß sie einen Pegel "low"
bzw. "high" aufweisen, und in dem das Spannungssignal
mit dem Signalwert ausgesendet wird, der dem Lenkdrehmoment
entspricht, eine Reihe von in der Richtung umgekehrten
Schritten ausgeführt. Dadurch wird bewirkt, daß
das Relais 103 erregt und gleichzeitig der Transistor 104
eingeschaltet wird, so daß der Ankerstrom Ia durch den
elektrischen Motor 33 in einer Drehrichtung B läuft, wodurch
erzwungen wird, daß sich der Motor 33 entgegen dem
Uhrzeigersinn.
Danach werden in dem Antriebskreis 100 für
den Elektromotor 33 ein Prozeß zur Steuerung der Drehrichtung
dieses Motors 33 durch eine selektive
Stromleitung an eine Kombination des Relais 102 und des
Transistors 105 oder eine entgegengesetzte Kombination des Relais
103 und des Transistors 104 wie auch ein Prozeß zur Bewirkung
der Steuerung der Leitungsperiode der Transistoren 104, 105 durch
Modulieren der Dauer der an die Basisanschlüsse der
Transistoren 104, 105 anzulegenden Impulse ausgeführt,
während an den Elektromotor 33 das Motortreibersignal Va
angelegt wird, das einen effektiven Wert aufweist, der der
Steuerung der Leitungsperiode entspricht. Dadurch wird
der Motor 33 so gesteuert, daß er ein Hilfsdrehmoment in
Übereinstimmung mit dem an das Lenkrad angelegten Lenkdrehmoment
erzeugt.
Der Antriebskreis 108 für die elektromagnetische Kupplung
weist eine Antriebseinheit 109 und einen npn-Transistor
110 auf. Der Kollektor von 110 ist über die Erregerspule 72
der elektromagnetischen Kupplung 63 mit dem zuvor genannten
Ausgangsanschluß 96 a des Relais 96 in dem Leistungskreis 92
verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors 101 ist
über einen Widerstand 111 mit Masse als gemeinsamer Anschluß
verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 110
ist mit einem Ausgangsanschluß der Antriebseinheit 109 verbunden.
Die Antriebseinheit 109 kann an den Basisanschluß
des Transistors 110 ein Impulssignal anlegen, dessen Dauer
in Übereinstimmung mit dem Steuersignal T₆ für den Kupplungsstrom
moduliert ist, das von der Mikrocomputereinheit
76 ausgesendet wird. In dem Antriebskreis 108 für die
Kupplung wird daher an der Antriebseinheit 109 ein Prozeß
ausgeführt, durch den die Steuerung der Stromleitung des
Transistors 110 in Übereinstimmung mit dem Steuersignal
T₆ bewirkt wird, um dadurch die Drehmomentübertragung der
elektromagnetischen Kupplung 63 zu steuern.
Wie beschrieben, wird bei dem Ausführungsbeispiel
eine Detektoreinrichtung 114 für
eine Unregelmäßigkeit angewendet, die Unregelmäßigkeiten
des Elektromotors 33 und der elektromagnetischen
Kupplung 63 ermitteln kann. Die Detektoreinrichtung 114
weist einen Verstärker 115 a zum Verstärken eines Spannungssignales,
das an einem Anschluß des genannten Widerstandes
106 in dem Steuerkreis 100 für den Motor anliegt,
einen weiteren Verstärker 115b zum Verstärken eines Spannungssignales,
das von einem Anschluß des genannten
Widerstandes 111 in dem Antriebskreis 108 für die Kupplung
abgenommen wird, ein Paar Tiefpaßfilter 116 a, 116 b
zur Beseitigung von Hochfrequenzkomponenten der Ausgangssignale
von den Verstärkern 115 a bzw. 115 b und einen Analog/
Digital-Wandler 117 zum Umwandeln der von den Tiefpaßfiltern
116 a bzw. 116 b ausgesendeten analogen Signale
in ein digitales Ermittlungssignal auf, das als das zuvor
genannte Signal S₇ an die Mikrocomputereinheit 76 angelegt
wird. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen,
daß diese Detektoreinrichtung 114 Unregelmäßigkeiten des
Elektromotors 33 und der elektromagnetischen Kupplung
63 dadurch ermitteln kann, daß sie die entsprechenden Anschlußspannungen
der Widerstände 106, 111 prüft. In dem
Fall, in dem eine Unregelmäßigkeit durch die Detektoreinrichtung 114
ermittelt wird, tritt die Mikrocomputereinheit 76 in einen
Diagnoseprozeß für Unregelmäßigkeiten ein, indem sie so
arbeitet, daß sie ein Relaissteuersignal T₂ an das Relais
96 des Leistungskreises 92 anlegt, um dadurch die Spannungsversorgung
für die Kreiselemente zu unterbrechen.
Im folgenden werden verschiedene programmierte Funktionen
der Mikrocomputereinheit 76 erläutert.
Die Fig. 9A und 9B zeigen Ablaufdiagramme, die schematisch
Hauptschleifenprozesse und Unterbrechungsprozesse in der
Mikrocomputereinheit 76 zeigen. In diesen Figuren sind
mit dem Bezugszeichen 300 bis 334 und 350 bis 358 zugeordnete
Prozeßstufen bzw. Schritte bezeichnet.
Durch Einschalten des Zündschlüssels am Schlüsselschalter
94 am Leistungskreis 92 wird an den Mikrocomputer 76 wie
auch an die anderen zugeordneten Kreise eine elektrische
Leistung angelegt. Außerdem wird es ermöglicht, daß diese
Steuerfunktionen ausführen.
Zuerst gelangt der Steuerablauf zur Initialisierungsstufe
302, wo zuallererst durch Maskierungsunterbrechungen verschiedene
Parameter und Faktoren wie auch Kreise in der
Mikrocomputereinheit 76 initialisiert werden. In diesem
Augenblick werden die Zähler, an die das Ausgangssignal
S₄ von der Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung und
das Taktsignal CL₂ jeweils anzulegen sind, zurückgesetzt.
Außerdem wird ein später erläutertes Kennzeichen Fth,
das die Zuverlässigkeit der Lenkung im entlasteten Zustand
betrifft, auf "0" gesetzt. Danach wird eine Unterbrechung
eingeschaltet.
In diesem Zusammenhang weist das Servolenksystem
200 einen Sensor für eine neutrale Position
zum Anlegen einer Unterbrechungsanforderung an die
Mikrocomputereinheit 76 auf, wenn die neutrale Position
der Eingangswelle 4 durch diesen ermittelt wird.
Das Ablaufdiagramm der Fig. 9B zeigt als Ganzes eine eine
solche Unterbrechung abwickelnde Routine.
Sofort, nachdem der Ablauf zur Unterbrechungsstufe 350
gelangt, wird die Unterbrechung in der Stufe 352 deaktiviert.
Danach, d. h. nachdem die neutrale Position der
Eingangswelle 4 einmal unter der Bedingung ermittelt wurde,
daß der Zündschalter IG.SW. eingeschaltet ist, wird
die Unterbrechungsanforderung von dem zuvor genannten
Sensor für die neutrale Position an die Mikrocomputereinheit
76 durch diese nicht quittiert.
In einer nachfolgenden Stufe bzw. einem nachfolgenden
Schritt 354 werden beide Zähler, denen die Ausgangssignale
S₅, S₆ von der Detektoreinrichtung 82 für die Lenkdrehung zuzuführen
sind, jeweils zurückgesetzt.
Weiterhin wird bei der Stufe bzw. beim Schritt 356 der
Inhalt eines später näher erläuterten Registers Y für den
Lenkwinkel auf Null gelöscht.
Danach wird beim Schritt 357 das Kennzeichen Fth für die
Zulässigkeit der Lenkung im unbelasteten Zustand auf "1"
gesetzt.
Nach der Vollendung aller erforderlichen Prozesse bzw.
Schritte durch die zuvor genannten Stufen 352 bis 357,
kehrt der Ablauf bei der in bezug auf diejenige Adresse,
bei der die fragliche Unterbrechungsanforderung erhoben
wurde, nächsten Adresse zu einer Hauptschleife zurück,
die in der Fig. 9A dargestellt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel
ist die Routine der Fig. 9B zur Abwicklung
der Unterbrechung so programmiert, daß eine Folge von
Schritten zur Ermittlung der neutralen Position der Eingangswelle
4 und unter Beachtung des Lenkwinkels Th zur
richtigen Einstellung eines Kennzeichens, zum Zurücksetzen
des Zählers und zum Löschen eines Registers auf Null
ausgeführt werden.
In diesem Zusammenhang kann jedoch vorteilhaft ein abgeändertes
Beispiel angewendet werden, bei dem anstelle der
Ausführung der oben beschriebenen Abwicklung der Unterbrechung
die neutrale Position einer Eingangswelle in einer
Mikrocomputereinheit zur Zeit der Herstellung des Lenksystems
gespeichert wird und bei dem unabhängig davon, ob
ein Zündschalter ein- oder ausgeschaltet ist, die elektrische
Leistung normalerweise an ein Kreiselement angelegt
wird, das Änderungen des Lenkwinkels speichern kann.
In der Hauptschleife der Fig. 9A werden beim Schritt 304
die Signale S₁ bis S₇ von den entsprechenden
Ermittlungskreisen 77, 82, 114, 120 zum Einlesen und
Speichern eingegeben.
Beim nächsten Schritt 306 wird als ein Schritt einer Subroutine
eine Störungs- bzw. Fehlerdiagnose ausgeführt, ob
die Signale S₁ bis S₇ richtig sind oder nicht.
Dabei erfolgt die Prüfung dadurch, daß die
Signale S₁ bis S₇ in bezug auf Unregelmäßigkeiten geprüft
werden. Wenn irgendeine Unregelmäßigkeit herausgefunden
wird, wird das Relaissteuersignal T₂ von der Mikrocomputereinheit
76 an das Relais 96 angelegt. Dadurch wird die
Leistungsversorgung von dem Leistungskreis 92 unterbrochen,
so daß die leistungsunterstützende Funktion des elektrischen
Leistungssteuersystems gestoppt bzw. beendet wird,
wodurch es ermöglicht wird, daß das Steuersystem durch
menschliche Kraft betätigt wird.
Genauer gesagt beendet dann der Steuerkreis 75 die Steuerung
des Elektromotors 33. In Fällen, in denen unter
einer solchen Bedingung, bei der bewirkt wird, daß die
Eingangswelle 4 durch das an das Lenkrad angelegte
Lenkdrehmoment in einer Richtung gedreht wird, am
Anfang die Drehmomentübertragung von der Eingangswelle 4
zur Ausgangswelle 7 über den Torsionsstab 8 bewirkt wird,
führt dies zu einer sich vergrößernden Torsionsdeformation
des Stabes. Wenn auf die Ausgangswelle 7 ein Lastdrehmoment
ausgeübt wird, das um einen Betrag größer als das
Lenkdrehmoment ist, bei dem bewirkt wird, daß die relative
Verdrehung zwischen der Eingangswelle 4 und der
Ausgangswelle 7 sich soweit entwickelt, daß sie einen vorbestimmten
maximalen Wert erreicht, werden zu dieser Zeit
die obengenannten Vorsprünge 7 a des axialen innersten Bereiches
der Ausgangswelle 7 zum Anliegen an den entsprechenden
Seitenwänden der Nuten 17 gebracht, die an dem
inneren Ende der zweiten Welle 6 der Eingangswelle 4 angeordnet
sind. Es wird dort eine Eingriffsbeziehung hergestellt,
in der die Ausgangswelle 7 mechanisch
mit der Eingangswelle 4 in der entsprechenden
einen Richtung gedreht wird. Eine solche Eingriffsbeziehung
zwischen den Vorsprüngen 7 a und der Ausgangswelle
7 und den Nuten 17 der zweiten Welle 6 der
Eingangswelle 4 stellt eine Sicherheitsfunktion für
das Servolenksystem 200 dar.
In dem Fall, in dem alle Signale S₁ bis S₇
normal und richtig sind, wird beim nachfolgenden
Schritt 308, der ein Entscheidungsschritt ist, ein Vergleich
des Signalwertes zwischen den Ausgangssignalen
S₁, S₂ des Drehmomentdetektors 77 für das Lenkdrehmoment
ausgeführt, um zu beurteilen, ob die Lenkrichtung
des Lenkdrehmomentes im Uhrzeigersinn oder entgegen
dem Uhrzeigersinn erfolgt. Daraufhin wird entschieden,
welches der Signale T₃, T₄, die für die Drehung im Uhrzeigersinn
bzw. für die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn repräsentativ
sind, auf den Pegel "high" einzustellen ist.
Demnach wird beim Schritt 308 beurteilt, ob der
Signalwert des Signales S₂ für das Lenkdrehmoment im
Uhrzeigersinn größer ist als das Signal S₂ für das Lenkdrehmoment
entgegen dem Uhrzeigersinn oder nicht. Dann wird, wenn der
Fall gerade so ist, daß der Ablauf zum Schritt 310 gehen
soll, eine Entscheidung getroffen, gemäß der das Signal T₃
für die Drehung im Uhrzeigersinn auf den Pegel "high" eingestellt
wird und daß bei einer anderen Beurteilung zum
Schritt 312 gegangen wird, in dem das Signal T₄ für die
Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn auf den Pegel "high"
eingestellt wird.
Nachdem diese Prozesse durchgeführt wurden, gelangt man
zum Schritt 314, bei dem eine Operation zur Bestimmung der
Größe D als der absolute Wert des Lenkdrehmomentes aus
den für das Lenkdrehmoment repräsentativen Signalen S₁,
S₂ derart ausgeführt wird, daß D=|S₁-S₂| gilt.
Nachfolgend zu dem Prozeß beim Schritt 314 wird ein Prozeß
zur Lenkung im unbelasteten Zustand durch eine
Gruppe von Schritten 315 bis 318 ausgeführt.
Beim Schritt 315, der ein Entscheidungsschritt
ist, wird beurteilt, ob das Kennzeichen Fth für die
Zulässigkeit der Lenkung im unbelasteten Zustand auf "1"
eingestellt ist oder nicht. Wenn das Kennzeichen Fth nicht auf "1"
eingestellt ist, geht der Ablauf zum Schritt 320, bei dem
der Prozeß zur Lenkung im unbelasteten Zustand gesperrt
bzw. verhindert wird, wie dies später erläutert wird.
In dem Fall, in dem das Kennzeichen Fth auf "1" eingestellt
ist, geht der Ablauf zum nächsten Schritt 316, bei dem
der Inhalt des (integrierten) Registers Y für den Lenkwinkel
aktualisiert wird, wobei einem arithmetischen Ausdruck
derart gefolgt wird, daß Y=Y+(S₅′+S₆′) gilt.
Dabei handelt es sich bei S₅′, S₆′ um Zählwerte der
genannten Zähler der an sie angelegten Signale
S₅, S₆, die den Lenkwinkel repräsentieren. Diese Werte
sind daher immer positiv. Wenn das Lenkrad aus seiner
neutralen Position im Uhrzeigersinn gedreht wird, weist
Y daher einen negativen Wert auf und wenn das Lenkrad
aus seiner neutralen Position entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht
wird, ist der Wert Y positiv.
In diesem Zusammenhang werden beim Schritt 304 Zählwerte
der Signale S₁ bis S₇ und das Taktsignal CL₂ ausgelesen
um gespeichert zu werden. Außerdem werden die Zähler der
Signale CL₂, S₄, S₅, S₆ sofort auf Null gelöscht, nachdem
ihre Zählwerte ausgelesen wurden.
Zwischen dem absoluten Wertbetrag |Y| des Inhaltes des
Register Y für den Lenkwinkel und des Lenkwinkels Th
besteht eine Beziehung, die in der Fig. 10 durch die geraden
Linien P dargestellt ist. In der Fig. 10 ist durch
das Bezugszeichen Th max der maximale Lenkwinkel bezeichnet, den
der Lenkwinkel Th des Lenkrades haben darf, wenn das
Lenkrad im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn
gedreht wird. Th₁ bezeichnet einen Wert
des Lenkwinkels Th, der kleiner ist als der maximale Lenkwinkel
Th max, aber in dessen Nähe liegt. Der absolute Wertbetrag
|Y| des Registers Y wird gleich dem vorbestimmten
Wert Th₁ und dem maximalen Lenkwinkel Th max, wenn der Lenkwinkel
Th bis zu den Werten Th₁ bzw. Th max entwickelt wird.
Beim Schritt 317, der ein Entscheidungsschritt ist, der
dem Schritt 316 folgt, wird beurteilt, ob der absolute
Wertbetrag |Y| kleiner ist als der vorgegebene Lenkwinkel
Th₁ oder nicht. In dem Fall, in dem Betrag |Y| kleiner
ist als der vorgegebene Lenkwinkel Th₁, ist der Lenkwinkel Th natürlich kleiner
als der vorgegebene Lenkwinkel Th₁. Der Ablauf schreitet daher
zum nachfolgenden Schritt 320 fort.
Im Gegensatz dazu schreitet der Ablauf zum Schritt 318,
wenn beim Schritt 317 beurteilt wird, daß der Betrag |Y|
größer ist als der vorgegebene Lenkwinkel Th₁. Beim Schritt 318 wird ein Korrekturwert
X von der Größe D des ermittelten Lenkdrehmomentes
abgezogen. In dieser Hinsicht besteht zwischen dem absoluten
Wertbetrag |Y| des Registers Y und dem Korrekturwert X
der Größe D eine Beziehung, wie sie in der Fig. 11 dargestellt
ist. Wenn der Wert der in dieser Weise korrigierten
Größe D negativ wird, wird die Größe D jedoch auf Null eingestellt.
Außerdem wird auch in dem Fall, in dem der absolute
Wert |Y| im wesentlichen gleich dem maximalen
Lenkwinkel Th max ist, die Größe D unabhängig von dem
Korrekturwert X auf Null eingestellt.
Beim Schritt 320 werden zuerst Operationen zur Bestimmung
der Lenkgeschwindigkeit Ns aus entsprechenden Zählwerten
des Taktsignales CL₂ und dem für die Lenkgeschwindigkeit
repräsentativen Ausgangssignal S₄ der Detektoreinrichtung
82 für die Lenkdrehung ausgeführt. Danach erfolgen Operationen,
bei denen durch eine Speicheradressenbezeichnung,
die auf der Lenkgeschwindigkeit Ns und der Drehmomentgröße
D beruht, dem Spannungssteuersignal
T₅ ein Wert gegeben wird, der zur Bestimmung des
Motortreibersignals Va verwendet wird, wie dies später erläutert
wird.
Die Zählwerte des Taktsignales CL₂ und des
Signales S₄ können vorzugsweise beim Schritt 320 gelesen
werden.
Im folgenden wird nun beschrieben, wie der Signalwert
des Spannungssteuersignals T₅ bestimmt wird.
Zwischen der
Eingangswelle 4 und dem Elektromotor 33, der über
das Untersetzungsgetriebe 50 und die elektromagnetische
Kupplung 63 mit der Ausgangswelle 7 verbunden ist, die sich
naturgemäß im wesentlichen mit derselben Drehgeschwindigkeit
oder Winkelgeschwindigkeit wie die Eingangswelle 4
drehen muß, sollte die Beziehung Nm i =K · Ns i
bestehen. Dabei bezeichnet Nm i die Drehzahl,
die der Motor 33 haben muß, wenn die Eingangswelle 4 mit
einer Lenkgeschwindigkeit Ns i gedreht wird. K bezeichnet
das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes 50,
das in der Form des Verhältnisses der Geschwindigkeit der
Antriebsseite zur Geschwindigkeit der angetriebenen Seite
gegeben ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen,
daß die elektromagnetische Kupplung 63 grundsätzlich
so betrieben werden kann, daß das von dem Untersetzungsgetriebe
50 abgegebene Drehmoment zur Ausgangswelle 7 übertragen
wird, während das aus einem Erregerstrom bestehende Kupplungstreibersignal Ic zur Kupplung 63
in einer später beschriebenen Weise gesteuert wird.
Die notwendige Drehzahl Nm des Elektromotors 33 wird
so durch die Lenkgeschwindigkeit Ns bestimmt.
In der Mikrocomputereinheit 76 ist in einem bestimmten Bereich
des Speichers ein Satz numerischer Daten des
Ankerstromes Ia als eine Funktion Ia(D) der Größe D des
Lenkdrehmomentes dauerhaft bzw. ununterbrochen adressiert,
wobei der Strom Ia zur Größe D die in der Fig. 12 dargestellte
Beziehung aufweist. Wenn daher ein Wert der Größe
D des Lenkdrehmomentes vorgegeben ist, kann der Wert
des erforderlichen Ankerstromes Ia(D) in der Form von Daten
aus den gespeicherten Daten bestimmt werden, wobei die Daten
dadurch identifiziert werden, daß einfach eine entsprechende
Adresse bezeichnet wird. Es müssen keine besonderen
Berechnungen ausgeführt werden.
Außerdem geht aus der Fig. 13 hervor, die die Betriebscharakteristiken
des Elektromotors 33 in Form eines Gleichstrommotors zeigt, daß proportional
zur Vergrößerung des Lastdrehmomentes Tm am Motor 33
der Ankerstrom Ia sich vergrößert und die Drehzahl Nm des
Motors abnimmt, während die an den Motor anzulegenden und das Motortreibersignal Va bildende Ankerspannung
konstant gehalten wird. Andererseits nimmt in
dem Fall, in dem das Lastdrehmoment Tm konstant ist, die
Drehzahl Nm des Motors zu, wenn das Motortreibersignal Va zunimmt,
während der Ankerstrom Ia konstant gehalten wird.
Es ist festzustellen, daß die
erforderliche Drehzahl Nm des Motors aus der Lenkgeschwindigkeit
Ns bestimmt wird, und daß der erforderliche
Ankerstrom Ia(D) durch Adressenbestimmung entsprechend der
Größe D des Lenkdrehmomentes bestimmt wird.
In dem Speicher der Mikrocomputereinheit 76 ist in einem
anderen Bereich ein Satz numerischer Daten des Motortreibersignals
als eine Funktion sowohl der Drehzahl Nm des
Motors und des Ankerstromes Ia, gemäß den zwischen ihnen
bestehenden Beziehungen, die in der Fig. 9 dargestellt
sind, matrixförmig ununterbrochen bzw. dauerhaft adressiert gespeichert.
Bei der Vorgabe entsprechender Werte der Drehzahl
Nm des Motors 33 und des Ankerstromes Ia kann daher der erforderliche Wert
des Motortreibersignals Va in der Form von Daten
aus den gespeicherten Daten bestimmt werden, wobei diese
Daten einfach durch Bestimmung eines Paares entsprechender
Adressen identifiziert werden. Beispielsweise wird in dem
Fall, in dem die erforderliche Drehzahl Nm des Motors 33 so
bestimmt wird, daß sie in Fig. 13 N₁ beträgt und in dem
die Größe des Lenkdrehmomentes in Fig. 12 als ein Wert
D₁ gegeben ist und der erforderliche Ankerstrom Ia(D)
folglich so bestimmt wird, daß der in Fig. 12, 13 Ia₁ beträgt,
ein erforderlicher Wert V₂ in Fig. 13 für das Motortreibersignal
Va bestimmt.
In Übereinstimmung mit einem solchen bestimmten Wert des
Motortreibersignals Va wird das Spannungssteuersignal
T₅ bestimmt.
In der Praxis sind jedoch numerische Daten des Motortreibersignals
Va derart gespeichert, daß dieses Signal Va durch Adressenbestimmung
in Übereinstimmung mit entsprechenden Werten
der Drehzahl Ns und des Ankerstromes Ia(D) bestimmt werden
kann, ohne daß die Bestimmung der erforderlichen Drehzahl
Nm des Motors 33 aus der Lenkgeschwindigkeit Ns erforderlich
ist. Der Grund, weshalb eine derartige Operation möglich
ist, ergibt sich aus der proportionalen Beziehung
oder Linearität zwischen der Drehzahl Nm des Motors 33 und der
Lenkgeschwindigkeit Ns.
Das Motortreibersignal Va wird daher durch eine Adressenbezeichnung
bestimmt, die auf den für das Lenkdrehmoment repräsentativen
Signalen S₁, S₂ und dem Signal S₄ beruht, das
die Lenkgeschwindigkeit bezeichnet. Dies führt zu einer
vergrößerten Steuergeschwindigkeit des Mikrocomputersystems
76.
In dem Ablaufdiagramm der Fig. 9A wird beim Schritt 322
das Steuersignal T₆ für den Strom der elektromagnetischen
Kupplung 63 gemäß der Größe D des Lenkdrehmomentes bestimmt.
Im Zusammenhang mit dem Signal T₆ erfolgt die Bestimmung
ebenfalls durch Adressenbezeichnung. Genauer gesagt
wird zuerst der Erregerstrom Ic für die Kupplung durch
Adressenbezeichnung gemäß dem erforderlichen Ankerstrom Ia(D)
bestimmt, der aus der berechneten Größe D des Lenkdrehmomentes
bestimmt wird. In dieser Hinsicht besitzt
das Kupplungstreibersignal Ic zum Ankerstrom Ia(D) eine in der
Fig. 14 dargestellte Beziehung. Dann wird in Übereinstimmung
mit dem so bestimmten Kupplungstreibersignal Ic das Steuersignal
T₆ für das Kupplungstreibersignal bestimmt. In der Fig. 14
ist mit dem Bezugszeichen Ico eine Vorspannungskomponente
bzw. eine Vorstromkomponente des Kupplungstreibersignals Ic bezeichnet,
die für die erforderliche Absorption von beispielsweise
Reibungskräften angelegt wird.
Dann wird beim Schritt 324 in bezug auf die Lenkgeschwindigkeit
Ns, die durch das Signal S₄ von der Detektoreinrichtung
82 für die Lenkgeschwindigkeit bestimmt wird und in
bezug auf eine scheinbare bzw. sichtbare Drehzahl Nm′
des Motors 33, die durch das Signal S₃ dargestellt wird, das
die Drehzahl des Motors 33 bestrifft und von der Detektoreinrichtung
120 für die Drehzahl des Motors 33 stammt, eine dazwischen
vorliegende Abweichung M erhalten, derart, daß M=|Nm′-Ns|
gilt, d. h., es wird die Abweichung N als ein
absoluter Wert der Differenz zwischen der Drehzahl Nm′
und der Lenkgeschwindigkeit Ns bestimmt, wohingegen
diese Abweichung beispielsweise anders in der Form eines
Verhältnisses zwischen der Lenkgeschwindigkeit Ns und
dem Produkt der Drehzahl Nm des Motors 33 und des Übersetzungsverhältnisses
K des Untersetzungsgetriebes 50 dargestellt
werden kann. Der Generator 48 der Detektoreinrichtung 120
kann eine Ausgangscharakteristik aufweisen, die eine
Beziehung derart sicherstellt, daß Nm′=Nm/K gilt.
Dabei bezeichnet Nm′ die scheinbare Drehzahl des Motors 33.
Nm bezeichnet die tatsächliche Drehzahl des Motors 33. K bezeichnet
das zuvor genannte Übersetzungsverhältnis. Die
scheinbare Drehzahl Nm′ des Motors 33 ist daher von Natur aus
direkt mit der Lenkgeschwindigkeit Ns vergleichbar.
Dann wird beim Schritt 326, der ein Entscheidungsschritt
ist, eine Beurteilung der Größe der Abweichung M dadurch
getroffen, daß beurteilt wird, ob M < M₀ ist. Dabei bezeichnet
M₀ einen vorbestimmten kritischen Wert. Wenn
herausgefunden wird, daß die Abweichung M in einem zulässigen
Bereich unter dem Wert M₀ liegt, wird zum Schritt
334 übergegangen, der ein Auslegeschritt ist, bei dem die
Steuersignale T₃, T₄, T₅, T₆ so ausgesendet werden, wie
sie bis dahin bestimmt werden, ohne daß das Signal T₅ zur
Steuerung des Motortreibersignals und das Signal T₆ zur Steuerung
des Kupplungsstromes korrigiert werden.
In dem Fall, in dem die Abweichung M größer ist als der
Wert M₀ wird zum nächsten Schritt 328 übergegangen, der
ein Entscheidungsschritt ist, bei dem die scheinbare Drehzahl
Nm′ des Motors 33 und die Lenkgeschwindigkeit Ns miteinander
verglichen und entschieden wird,
ob Ns < Nm′ gilt.
Dann wird in dem Fall, in dem die Lenkgeschwindigkeit
Ns schneller ist als die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl Nm′
des Motors 33, zum Schritt 330 gegangen, bei dem eine Vergrößerungskorrektur
des Steuersignals T₅ für die Spannung
ausgeführt wird, um das Motortreibersignal Va zu vergrößern, um
dadurch die tatsächliche Drehzahl Nm in Form der
Umdrehungsanzahl des Elektromotors 33 anzuheben.
In Übereinstimmung damit wird eine Vergrößerungskorrektur
des Signals T₆ zur Steuerung des Kupplungsstromes ausgeführt.
Im Gegensatz dazu wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit Ns
kleiner ist als die scheinbare Drehzahl Nm′ des Motors 33 zum
Schritt 332 übergegangen, bei dem eine Verkleinerungskorrektur
des Signals T₅ zur Steuerung der Spannung ausgeführt
wird, um dadurch die tatsächliche Drehzahl Nm des
Motors 33 und auch des Signals T₆ zur Steuerung des Kupplungsstromes
kleiner zu machen. Danach wird zum Ausgabeschritt
334 übergegangen.
Durch die Korrektur der Steuersignale T₅, T₆ bei den
Schritten 324, 326, 328, 330 und 332 werden sehr kleine
Änderungen des Betriebes des Elektromotors 33 und
Schwankungen des Lenkgefühls, die auf sehr kleine Änderungen
des Betriebes der Reibungselemente der elektromagnetischen
Kupplung 63 und des Untersetzungsgetriebes 50 zurückzuführen
sind, beseitigt.
Beim Ausgabeschritt 334 werden die Steuersignale T₃, T₄
für die Drehrichtung des Motors 33 und das Signal T₅ zur
Steuerung des Motortreibersignals, wenn nötig, in der korrigierten
Form, an den Antriebskreis 100 für den Elektromotor 33
ausgesendet. Außerdem wird das Signal T₆ zur Steuerung
des Kupplungsstromes, nötigenfalls in der korrigierten
Form, an den Antriebskreis 108 für die elektromagnetische
Kupplung 63 ausgesendet.
Wie beschrieben, wird im Antriebskreis 100 für
den Motor 33 eine PWM-Steuerung des Motortreibersignals Va des
Elektromotors 33 in Abhängigkeit von den die Drehrichtung
steuernden Signalen T₃, T₄ und dem Spannungssteuersignal
T₅ ausgeführt. Gleichzeitig wird im Antriebskreis
108 für die Kupplung der Erregerstrom Ic für die
elektromagnetische Kupplung 63 in Abhängigkeit von dem
Signal T₆ zur Steuerung des Kupplungsstromes durch Impulsbreitenmodulation
gesteuert, so daß die Kupplungskraft
der Kupplung 63 proportional zum Ankerstrom Ia oder
Ausgangsdrehmoment Tm des Elektromotors 33 gesteuert
wird. Dadurch wird ein nutzloser Verbrauch
von elektrischer Leistung an der Kupplung 63 wirksam verhindert.
Schließlich wird wieder zum Schritt 304 zurückgegangen.
Das Diagramm der Fig. 15 zeigt für den manuellen oder
leistungslosen Betrieb und den leistungsunterstützten Betrieb
jeweils Beziehungen zwischen dem Lenkdrehmoment
Ts, das auf die Eingangswelle 4 einwirkt, und dem Lastdrehmoment
Tl, das vom Lenkgetriebe auf die Ausgangswelle 7
ausgeübt wird. Mit dem kleinen Buchstaben l ist eine
geradlinige charakteristische Kurve bezeichnet, der im
leistungslosen Betrieb des Lenksystems, beispielsweise
in dem Fall gefolgt wird, in dem die Operation des Lenksystems
beim Schritt 306 beendet wird. Der große Buchstabe
L bezeichnet eine charakteristische Kurve, die für die
leistungsunterstützte Operation des Lenksystems
maßgeblich ist.
Aus der Fig. 15 ist ersichtlich, daß gemäß dieser Ausführungsform,
in der die Größe des Ankerstroms Ia aus
der Größe D des Lenkdrehmomentes unter Anwendung einer
in Fig. 12 dargestellten Beziehung zwischen diesen
bestimmt wird, die leistungsunterstützte
Charakteristik im wesentlichen die leistungslose Charakteristik
in einem Bereich eines kleinen Lastdrehmomentes
Tl überlappt. In anderen Bereichen, in denen das
Lastdrehmoment Tl noch darüber hinaus vergrößert wird,
wird die charakteristische Kurve L der leistungsunterstützten
Operation erfolgreich im wesentlichen flach gehalten.
Wenn das Lastdrehmoment Tl weiter entlang einem
Bereich Re vergrößert wird, der solche Werte des Lastdrehmomentes
überdeckt, die denjenigen Werten des Lenkwinkels
Th entsprechen, die in einem Bereich anzutreffen
sind, der von dem vorgegebenen Lenkwinkel Th₁ bis zum
maximalen Lenkwinkel Th max reicht, steigt die leistungsunterstützte
charakteristische Kurve L allmählich an und koinzidiert
schließlich mit der Kurve l für die leistungslose
Charakteristik. Der Grund dafür, warum die leistungsunterstützte
Charakteristik in der durch die Kurve
L der Fig. 15 dargestellten Weise variabel ist, beruht
einerseits darauf, daß der Ankerstrom Ia relativ
zur Größe D des Lenkdrehmomentes bestimmt wird, wie
dies in der Fig. 12 gezeigt ist. Andererseits beruht
dieser Grund darauf, daß die Größe D des Lenkdrehmomentes
im voraus bei den Schritten 315 bis 318 in der
beschriebenen Weise unter Beachtung des Lenkwinkels
Th korrigiert wird, was zur Folge hat, daß der Ankerstrom
Ia relativ zum Lastdrehmoment Tl geändert wird,
wie dies in der Fig. 15 durch die gestrichelte Linie
dargestellt ist. In diesem Zusammenhang ergibt sich
aus der Fig. 14, daß der Kupplungserregungsstrom Ic
proportional zum Ankerstrom Ia geändert wird.
Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist es ratsam, daß
das Lastdrehmoment Tl während der Fahrt des Fahrzeuges
praktisch in einem festen bzw. wesentlichen Verhältnis zum
Lenkwinkel Th steht.
Fig. 16 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, in dem
verschiedene Funktionen des Steuerkreises 75 dadurch
beschrieben sind, daß Zwischenbeziehungen zwischen
wesentlichen Elementen des in der Fig. 6 dargestellten
Kreises 75 und zugeordneten Prozeßschritten in
dem Ablaufdiagramm der Fig. 9 mit Rücksicht auf den Prozeß
zur Lenkung im entlasteten Zustand dargestellt
sind. Auf diese Weise werden die Kreise, Signale,
Prozeßschritte und Steuersignale eliminiert, die
keine direkte Beziehung zu dem Prozeß der Steuerung im
entlasteten Zustand haben.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Motortreibersignal Va des Elektromotors
33 grundsätzlich in Abhängigkeit von den Signalen S₁,
S₂ für das Lenkdrehmoment und dem Signal S₄ für die
Lenkgeschwindigkeit bestimmt, so daß die tatsächliche
Drehzahl Nm des Motors 33 vorteilhaft an die
Lenkgeschwindigkeit Ns der Eingangswelle 4 und daher
auch des Lenkrades angepaßt wird. Dadurch wird ein
optimales Lenkgefühl sichergestellt.
Außerdem wird als ein besonders bestimmter Punkt bei den
Schritten 315 bis 318 ein Prozeß zur Lenkung im entlasteten
Zustand ausgeführt, der ermöglicht, daß dann,
wenn das Lenkrad sich einem der beiden Lenkenden
nähert, das an den Elektromotor 33 angelegte
Motortreibersignal Va allmählich verringert wird und schließlich
am Lenkende Null wird, so daß das am Motor 33
entwickelte Hilfsdrehmoment ebenfalls entsprechend verringert
wird und schließlich am Lenkende Null wird.
Als Ergebnis wird die Lebensdauer des Elektromotors
33 selbst wie auch diejenige des gesamten Servolenksystems
wirksam vergrößert. Gleichzeitig wird der
Verbrauch an elektrischer Leistung des gesamten Systems
und insbesondere des Motors 33 verringert, so daß Leistung
gespart werden kann. Zusätzlich dazu trägt der Prozeß
zur Lenkung im entlasteten Zustand weiter zur
Verbesserung des Lenkgefühls bei.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird, bis der
Lenkwinkel Th, wenn er den vorgegebenen Lenkwinkel Th₁ überschritten
hat, den maximalen Lenkwinkel Th max erreicht,
die Größe D des Lenkdrehmomentes, die auf Daten des
Lenkwinkels beruht, allmählich und ununterbrochen abnehmend
korrigiert, bis sie schließlich auf Null reduziert
wird. Die Größe des
Drehmomentes, die auf solchen Daten beruht, kann vorteilhafterweise
verringert werden, so daß sie absichtlich durch
eine geradlinige oder stufenweise Reduktion oder in extremen
Fällen sogar ohne Reduktion auf dem Weg zu einem
Null-Zustand korrigiert werden kann, der am Lenkende
erreicht werden soll.
Die erforderlichen Mechanismen
zur Ermittlung des Lenkendes bzw. maximalen Lenkwinkels
können beliebig beschaffen sein. Beispielsweise kann vorteilhafterweise
ein Code-Rad an einer Lenkwelle zur Anzeige eines
Lenkwinkelbereiches in der Nähe des Lenkendes verwendet
werden. Außerdem kann ein Grenzschalter zur Ermittlung
des Lenkendes vorteilhaft an einer Lenkwelle
oder in einem Zahnstangenmechanismus selbst vorgesehen
sein.
Claims (7)
1. Elektrisches Servolenksystem (200) für Kraftfahrzeuge
mit einer mit einem Lenkrad in Wirkverbindung stehenden
Eingangswelle (4), einer mit einem zu lenkenden Rad in
Wirkverbindung stehenden Ausgangswelle (7), einem Elektromotor
(33) zur Aufprägung eines Hilfsdrehmomentes auf die
Ausgangswelle (7), einem Drehmomentdetektor (77) zur Erfassung
eines auf die Eingangswelle (4) wirkenden Lenkdrehmoments
(Ts) und einer Treibersteuerschaltung (76,
100, 108) zur Einspeisung eines Motortreibersignals (Va)
in den Elektromotor (33) als Funktion eines Ausgangssignals
(S₁, S₂) des Drehmomentdetektors (77),
gekennzeichnet durch
eine Detektoreinrichtung (82, 315, 316) zur Erfassung des
Lenkwinkels (Th) des Lenkrades und durch einen Korrektureinrichtung
(317, 318) zur Verringerung des Motortreibersignals
(Va) zwecks Reduzierung des durch den Elektromotor
(33) erzeugten Hilfsdrehmomentes, wenn der durch die
Detektoreinrichtung (82, 315, 316) erfaßte Lenkwinkel (Th)
des Lenkrades einen in der Nähe eines der beiden maximalen
Lenkwinkel (Th max) liegenden vorgegebenen Winkel (Th₁)
übersteigt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrektureinrichtung (317, 318) das Motorantriebssignal
(Va) abnehmend auf Null korrigiert, wenn der Lenkwinkel
(Th) den vorgegebenen Winkel (Th₁) überschritten
hat, um dadurch den Betrieb des Elektromotors (33) zu
beenden.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrektureinrichtung (317, 318) eine Korrektur
ausführt, um das Motorantriebssignal (Va) zu verkleinern
und schließlich auf Null zu verringern, wenn der Lenkwinkel
(Th) vom vorgegebenen Winkel (Th₁) bis zu einem
der maximalen Lenkwinkel (Th max) geändert wird, um dadurch
das vom Elektromotor (33) erzeugte Hilfsdrehmoment
zu verkleinern und schließlich den Betrieb des
Elektromotors (33) zu beenden.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrektureinrichtung (317, 318) das Motorantriebssignal
(Va) ununterbrochen bis auf Null korrigiert.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Motorantriebssignal (Va), das von
der Treibersteuerschaltung (76, 100, 108) in den Elektromotor
(33) eingespeist wird, ein Ankerspannungssignal (Va)
ist.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine elektromagnetische Kupplungseinrichtung
(63) zur Übertragung des vom Elektromotor (33)
erzeugten Hilfsdrehmoments auf die Ausgangswelle (7)
vorgesehen ist und daß die Treibersteuerschaltung (76,
100, 108) in die elektromagnetische Kupplungseinrichtung
(63) ein Kupplungsantriebssignal (Ic) als Funktion des
Ausgangssignals (S₁, S₂) des Drehmomentdetektors (77)
einspeist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Untersetzungsgetriebe (50) zur Übertragung des von dem
Elektromotor (33) erzeugten Hilfsdrehmoments auf die
elektromagnetische Kupplungseinrichtung (63) vorgesehen
ist, um deren Drehzahl zu verringern.
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