DE3619703C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung für
Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche elektrische Servolenkung ist aus der
DE-OS 34 14 346 bekannt.
Aus der JP-OS 59-2 23 561 ist eine elektrohydraulische Servolenkung
für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der eine Ölpumpe
von einem Motor angesteuert wird, deren hydraulischer
Druck zur Unterstützung der Lenkkraft eines Lenkrads dient.
Solche eine Servolenkung ist so aufgebaut, daß die Einspeisung
elektrischer Leistung in den Motor bei übermäßiger
Entladung der Batterie abgeschaltet wird. Diese bekannte
Servolenkung bringt in dem Falle, in dem ein Wagen
in einer Kurve insbesondere mit hoher Geschwindigkeit
fährt, die Gefahr, daß das Lenkrad für einen Augenblick
nur ungefähr in seine Ruhestellung zurückgeht. Bislang
wurde nicht in Betracht gezogen, daß die Batterie vor
der übermäßigen Entladung geschützt wird und trotzdem
die Servolenkfunktion zufriedenstellend weiter gewährleistet
ist.
Dieses ist besonders auffällig bei mit motorgetriebenen
Servolenkungen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen, bei denen
die Servolenkung zur Unterstützung des Lenkvorgangs direkt
mit Motorleistung ausgelegt ist. Bei der Funktion dieser
Servolenkung entsteht der Nachteil, daß die Scheinwerfer
aufgrund der Überlastung der Batterie dunkel werden.
Die DE-OS 34 14 346 beschreibt eine Servolenkung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Diese
Servolenkung hat eine Stromregelung, die den Motorstrom
begrenzt, um dessen Aufheizen zu verhindern. Auf diese
Weise kann der Servormotor so klein gewählt werden, wie
es das zur Verfügung stehende Raumangebot zuläßt. Die
Strombegrenzung erfolgt somit nicht situationsbezogen,
insbesondere nicht in Reaktion auf auftretende Lastspitzen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine motorbetriebene
Servolenkung anzugeben, die die übermäßige Entladung der
Spannungsquelle verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Unteransprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen allgemeinen Schaltungsaufbau einer
erfindungsgemäßen motorgetriebenen Servolenkung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Motors und einer
Steuerung,
Fig. 3 beispielhaft ein Blockschema der Speiseleitungen,
Fig. 4 graphisch die Anschlußspannung-Ladestromcharakteristik
bei einem Wechselstromdynamo
und einer Last,
Fig. 5 graphisch die Lenkkraft in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
Fig. 6 graphisch die Entladekennlinie einer Batterie,
Fig. 7 graphisch die Kennlinie einer Mustersteuerung
aufgrund eines von einem Batteriespannungspegel
abhängigen Stromgrenzwerts,
Fig. 8 ein Flußdiagramm der Stromgrenzwertsteuerung
gemäß der Erfindung und
Fig. 9 graphisch Kennlinien der Abhängigkeit der
Anschlußspannung des Wechselstromdynamos
und der Last von dem Ladestrom des Wechselstromdynamos
mit der Leerlaufdrehzahl als
Parameter.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schaltungsaufbau eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels wird während einer normalen
Lenkoperation eine Lenkfähigkeit eines Lenkrads
1 von einem Drehmomentfühler 2 in Form eines Steuerdrehmoments
erfaßt, das einer Steuereinrichtung 3 zugeführt
wird. Diese Steuereinrichtung 3 weist einen Mikrocomputer
auf. Die Steuerung 3 liefert ein Ausgangssignal entsprechend
dem Erfassungssignal des Drehmomentfühlers 2 an einen
Motor 11, worauf dieser ein benötigtes Drehmoment über
eine Kupplung 14 an ein Reduktionsgetriebe 15 überträgt,
um die Lenkkraft des Lenkrads 1 zu unterstützen.
Der Motor 11 ist hier ein gewickelter Reihen-Gleichstrommotor
mit einer Feldwicklung 7 für Drehungen nach rechts
und einer Feldwicklung 8 für Drehungen nach links, die
jeweils von Leistungstransistoren 9 und 10 ausgewählt
werden, die ihrerseits durch ein Signal von der Steuerung
3 gesteuert werden. Weiterhin erfaßt ein Stromfühler 4
den durch den Motor fließenden Strom.
Eine Spannungsquelle zum Antrieb des Motors besteht aus
einer Autobatterie 12, die von einem Wechselstromdynamo,
der von der Brennkraftmaschine angetrieben ist, geladen
wird. Zusätzlich zum Motor 11 sind Scheinwerfer 80 und
eine weitere Last 60 jeweils über Schalter 90 und 70 der
Batterie 12 parallelgeschaltet.
Der anhand der Fig. 1 beschriebene Schaltungsaufbau stellt
einen Lenkwinkel der Räder 17 durch die resultierende
Kraft aus der dem Lenkrad 1 erteilten und über ein Lenkgetriebe
16 übertragenen Lenkkraft und einer durch das
Reduktionsgetriebe 15 vom Motor 11 übertragenen Lenkhilfskraft
ein. Somit erzeugt der Motor 11, sobald der Drehmomentfühler
2 das Drehmoment erfaßt, das nötige Drehmoment
und damit die Lenkhilfskraft.
Nun wird ein praktisches Ausführungsbeispiel sowohl des
Motors 11 als auch der Steuerung 3 anhand des in Fig. 2
dargestellten Blockschaltbilds beschrieben.
Der Drehmomentfühler 2 liefert ein Signal V c aufgrund
des Drehmoments T, das dem in Fig. 1 dargestellten Lenkrad
1 erteilt wird. Der kombinierte Wert V cc auf dem Ausgangssignal
eines Proportionalwertgenerators 19, dessen
Ausgangssignal dem Drehmomentsensorsignal V c proportional
ist und einem Ausgangssignal eines Differentialwertgenerators
18, der einen Differentialwert des Signal V c erzeugt,
wird einer Führungsstromgeneratorschaltung 20 eingegeben,
wodurch eine Führungsstromstärke I mc aufgrund des Steuerdrehmoments
T ermittelt wird.
Eine Geschwindigkeits-Strommustersteuerschaltung 30 ermittelt
aufgrund einer Geschwindigkeit S des Kraftfahrzeugs eine
Grenzstromstärke I SL. Eine Schaltung 21 erzeugt eine Führungsstromstärke
I c nach Maßgabe der Signale I mc und I SL.
Diese Führungsstromstärke I c wird in eine Führungsspannung
V mc durch eine Spannungsbefehlsschaltung 22 umgesetzt.
Danach wird ein Istwert des durch den Motor 11 fließenden
Stroms zur Führungsspannung V mc zurückgekoppelt, und die
sich ergebende Differenz einer Zerhackerschaltung 23,
zur Ermittlung eines Tastverhältnisses α für die Zerhackerschaltung
eingegeben. Das Produkt zwischen diesem Tastverhältnis
α und einer Batteriespannung V B wird als Eingangsspannung
V M dem Motor 11 eingegeben. Aus der Eingangsspannung
V M ergibt sich nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion
24 ein Motorstrom I M, wobei die Übertragungsfunktion
24 durch
worin R M einen Motorwiderstand und τ m eine Motorzeitkonstante
sind. Schließlich wird ein Motordrehmoment T M nach
Maßgabe eines Drehmomentkoeffizienten K T, der die Bezugsziffer
25 hat, erzeugt. Das Motordrehmoment T M erzeugt
eine Motorgeschwindigkeit ω, die durch eine Übertragungsfunktion
26 bestimmt wird, die durch
gegeben ist,
worin Js das Trägheitsmoment des Motors und D dessen Reibungskoeffizienten angeben.
worin Js das Trägheitsmoment des Motors und D dessen Reibungskoeffizienten angeben.
Zusätzlich wird das Produkt aus der Motorwinkelgeschwindigkeit
ω mit einem elektromotorischen Gegenkraftkoeffizienten
27, der mit K v bezeichnet ist, zur Motoreingangsspannung
V M zurückgekoppelt. Die Steuerung 3 und der Motor
11 sind wie oben beschrieben aufgebaut. Ein Merkmal der
erfindungsgemäßen Servolenkung besteht in der Beziehung
zwischen der Lenkkraft und der Fahrzeuggeschwindigkeit,
wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Diese zeigt, daß bei
der Geschwindigkeit Null oder bei kleiner Geschwindigkeit
eine große Steuerkraft nötig ist, wie wenn man beim Stillstand
am Lenkrad dreht. Demgemäß ist dem Motor 11 zur
Betätigung der Lenkung im Stillstand eine hohe Stromstärke
zuzuführen. Außerdem benötigt man eine hohe Stromstärke,
die die Grenzstromstärke, z. B. 50 A, erreicht, falls das
Lenkrad voll nach rechts oder nach links bei stillstehendem
Kraftfahrzeug eingeschlagen wird, oder in einem Fall,
bei dem das Lenkrad bei maximalem Drehmoment eingeschlagen
bleibt (beispielsweise dann, wenn das Kraftfahrzeug
teilweise in einen Graben gefahren ist und von dort wieder
herausbewegt werden soll). Außerdem ist gerade dann die
Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos 13 gering, wenn
das Lenkrad bei stillstehendem Kraftfahrzeug gedreht wird,
da die Brennkraftmaschine im Leerlauf läuft.
Die Kurve A in Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der
Anschlußspannung des Wechselstromdynamos 13 und dessen
Ladestrom. Wenn dazu noch eine elektrische Last wie das
motorgetriebene Leistungslenkgerät kommt, verhalten sich
der Ladestrom und die Anschlußspannung, wie die Kurve
B in Fig. 4 zeigt. Deshalb führt bei einer herkömmlichen
motorgetriebenen Servolenkung die Überlastung der Batterie
beim praktischen Betrieb dazu, daß das Anlassen der Brennkraftmaschine
wegen entladener Batterie behindert ist,
daß die Scheinwerfer dunkel werden und daß auch Hilfsgeräte
oder Einrichtungen nicht mehr arbeiten und daß schließlich
eine Steuerung Fehlfunktionen aufweist. Von den üblichen
elektrischen Lampen benötigen die Scheinwerfer 15 A, wozu
dann noch im Extremfall der Strombedarf von 50 A bei der
motorgetriebenen Servolenkung kommt.
Somit ist die Sicherstellung der Anschlußspannung der
Batterie 12 eine vordringliche Aufgabe.
Erfindungsgemäß wird zur Sicherstellung der Anschlußspannung
die Spannung an irgendeinem Teil der Speiseleitung
erfaßt und der Motorstrom des Motors 11 nach Maßgabe des
erfaßten Werts begrenzt. Dabei bestehen in Fig. 3 die
Speiseleitungen aus den plus- und minusseitigen Speiseleitungen.
Als Beispiel wird ein Fall erläutert, bei dem
die Spannungserfassung an den Batterieklemmen in den
Speiseleitungen erfolgt.
Fig. 6 zeigt die Absinkcharakteristik für die Batteriespannung
bei der erfindungsgemäßen Servolenkung. Wie diese
Figur zeigt, ist die Batterieanschlußspannung bei fortschreitender
Überlastung der Batterie öfter unter 7 V.
Die Spannung erholt sich, wenn sie bei einem Strom I₃
V B = 7 V war, wieder auf V B = 9 V, wenn der Strom auf
I₁ verringert wird. Beruhend auf dieser Eigenschaft der
Batterie begrenzt die vorliegende Erfindung die Stromstärke
in der Steuerschaltung. Genauer gesagt wird die
Stromstärke durch die Steuerschaltung verringert und dadurch
ist der Spannungswert der Batterie abgesichert.
Auf diese Weise wird eine verbesserte motorgetriebene
Servolenkung möglich.
Für diese Zwecke ist eine sogenannte Profilsteuerung geeignet,
die auf einer der Batteriespannung entsprechenden
Grenzstromstärke beruht, wobei in Fig. 7 ein Beispiel
graphisch dargestellt ist. Konkret ist dies ein Verfahren,
das die Batteriespannung erfaßt und daraufhin eine Grenzstromstärke
nach Maßgabe des erfaßten Spannungswerts festsetzt.
Wenn beispielsweise die Batteriespannung V = 10 V
ist, wird der Strombegrenzungswert 25 A. In diesem Fall
wird die dem Motor zugeführte Stromstärke so gesteuert,
daß sie nicht mehr als 28 A betragen kann. In einem Fall,
bei dem die Batteriespannung unter 7,5 V liegt, wird der
dem Motor 11 zugeführte Strom abgeschaltet, um die Überlastung
der Batterie zu verhindern. Diese Profilsteuerung
wird so ausgeführt, daß die obengenannte in Fig. 7
dargestellte Kennlinie in einem ROM (NUR-Lesespeicher)
des die Steuerung 3 bildenden Mikrocomputers gespeichert
und davon ausgelesen wird. Wenn die Batterie 12 wegen
der Profilsteuerung des Motorstroms gemäß der Batteriespannung
und der Aufladung der Batterie 12 durch den
Wechselstromdynamo 13 eine Klemmspannung über 12 V hat,
wird der Motor 11 mit der Grenzstromstärke 50 A wie gewöhnlich
gesteuert.
Eine Steuerung, die nur die Profilsteuerung aufweist,
neigt manchmal zum Überschwingen. Deshalb verwendet das
vorliegende Ausführungsbeispiel ein Verfahren, bei dem
der Motorstrom mittels einer rückkoppelnden Regelung zur
Einstellung einer vorgegebenen Spannung geregelt wird.
Die Regelschleife wird durch das in Fig. 8 dargestellte
Flußdiagramm erläutert. Das hier dargestellte Flußdiagramm
wird durch einen in Fig. 2 gezeigten Strombegrenzer
29 ausgeführt.
Nachdem die Steuerung mittels eines Schritts 33 startet,
wird im Schritt 34 die Klemmenspannung der Batterie 12
erfaßt. Schritt 35 entscheidet, welche von drei Betriebsarten,
Modus 1, Modus 2 und Modus 3 dem Motor entspricht.
Es sei nun angenommen, daß die Batteriespannung B B unbedingt
auf dem Pegel 7,5 V gehalten werden und der Motorstrom
unbedingt unterhalb 7,5 V ausgeschaltet werden soll.
Das Ausschalten des Motorstroms ist jedoch problematisch,
weil damit die Funktion der Servolenkung verlorengeht.
Deshalb wird verhindert, daß die Batteriespannung unter
7,5 V sinkt. Außerdem werden V B = 8 V, V B = 8,5 und
V B = 9 V eingestellt. Im Bereich 7,5 V < V B < 8 V gemäß
Modus 1, der durch Schritt 36 dargestellt ist, wird die
Grenzstromstärke um 1,7 A alle 0,2 Sekunden verringert.
Dabei werden die Zeitstufen als auch die Stromwertstufen
fein gestaltet, um Erschütterungen, die bei der Änderung
der Grenzstromstärke auftreten, unmerklich zu halten.
Wenn infolge der Verringerung der Grenzstromstärke die
Batteriespannung wieder im Bereich 8,5 V < V B < 9 V gemäß
Modus 2, der im Schritt 37 dargestellt ist, liegt, wird
der Motor mit der Grenzstromstärke I BL zu dieser Zeit
betrieben. Außerdem wird, wenn die Batteriespannung V B
in dem Bereich V B < 9 V gemäß dem in Schritt 37 dargestellten
Modus 3 zu liegen kommt, in Relation zur Ladung
durch den Wechselstromdynamo, die Grenzstromstärke um
1,7 A alle 0,2 Sekunden angehoben. Falls die Batteriespannung
bereits 12 V ist, kann die Funktion der Servolenkung
ungehindert mit der Grenzstromstärke 50 A arbeiten.
Die Batteriespannung V B verringert sich nach Maßgabe der
in Fig. 6 dargestellten Absinkfunktion in Übereinstimmung
mit dem durch den Motor 11 fließenden Strom I M, der von
der Batterie 12 geliefert wird.
Die obige Beschreibung zeigt, daß erfindungsgemäß der
Strombegrenzer 29 gemäß Fig. 2 hinzugefügt wird, wodurch
die Überlastung der Batterie verhindert wird, während
eine Minimalfunktion des Leistungslenkgeräts sichergestellt
ist.
Erfindungsgemäß wird außerdem, um die Batteriespannung
12 abzusichern, ein Fall, in dem der Motorstrom die vorliegende
Grenzstromstärke (beispielsweies 50 A) erreicht,
erfaßt und das Erfassungssignal als Steuersignal zur Unterstützung
der Stromerzeugung durch den Wechselstromdynamo 13
angewendet. Das heißt, bezogen auf Fig. 1, daß durch den
Stromfühler 4 erfaßt wird, daß der Motorstrom die Grenzstromstärke
erreicht hat und daß auf der Basis des Erfassungssignals
eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuereinrichtung
50 durch die Steuerung 3 betätigt wird, um die
Leerlaufdrehzahl der Maschine anzuheben, wodurch die Ladefähigkeit
des Wechselstromdynamos 13 erhöht wird.
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen den Anschlußspannungen
des Wechselstromdynamos 13 und der Last und dem Ladestrom
des Wechselstromdynamos, wobei die Kurven A und B jeweils
dem Wechselstromdynamo und der Last entsprechen. Sowie
sich die Leerlaufdrehzahl erhöht, wird die Kennlinie der
Anschlußspannung des Wechselstromdynamos in Abhängigkeit
vom Ladestrom in Richtung des dargestellten Pfeils verschoben.
Der Fahrer des Kraftfahrzeugs merkt deutlich, daß sich
die Drehzahl der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit ändert.
Deshalb wird beim vorliegenden Ausführungsglied die
Zeitdauer, in der sich die Leerlaufdrehzahl erhöht, auf
3 Minuten mittels eines Zeitglieds 40 eingestellt. Bei
der vorliegenden Erfindung wird eine Leerlaufdrehzahlsteuereinrichtung
50 für die motorgetriebene Servolenkung
eingesetzt. Obwohl dies nicht im einzelnen dargestellt
ist, wird dieses dann betätigt, wenn der Strom durch den
Motor 11 die Grenzstromstärke erreicht hat, um die Überlastung
der Batterie zu verhindern. Das heißt, daß die
Leerlaufdrehzahl der Steuerung 50 die Öffnung der Drosselklappe
erhöht, um die Leerlaufdrehzahl und die Drehzahl
des Ladedynamos zu erhöhen, wenn die Drehzahl N des Wechselstromdynamos
13 kleiner als eine vorgegebenen Drehzahl
N O und außerdem wenn der Feldstrom I f des Wechselstromdynamos
größer als ein vorgegebener Stromwert I f 0 ist.
Die Batteriespannung wird gemäß der obigen Beschreibung
erfindungsgemäß durch Verändern der Grenzstromstärke abgesichert
und außerdem die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine
erhöht, wenn die Motorgrenzstromstärke erreicht
ist, um den Ladevorgang durch den Wechselstromdynamo 13
zu verbessern, wodurch die Überlastung der Batterie 12
verhindert werden kann. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird erfindungsgemäß gleichzeitig mit der
Begrenzung des Motorstroms die Drehzahl der Brennkraftmaschine,
um die Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos
zu erhöhen, angehoben.
Claims (7)
1. Elektrische Servolenkung mit
- - einem elektrischen Motor, der eine auf ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs einwirkende Kraft unterstützt,
- - einer Kupplung, die das Drehmoment des elektrischen Motors auf eine Antriebswelle zur Lenkung des Rads überträgt,
- - einer Spannungsquelle, die dem elektrischen Motor elektrische Leistung zuführt, und
- - einer Steuerung, die die dem elektrischen Motor zugeführte Leistung und den Betrieb der Kupplung nach Maßgabe eines Ausgangssignals eines Drehmomentfühlers steuert, die den dem elektrischen Motor einzuspeisenden Strom nach Maßgabe eines bestimmten Betriebsparameters begrenzt,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der bestimmte Betriebsparameter die Spannung der Spannungsquelle (12) ist, und
- - daß die Steuerung (3) eine Einrichtung (28) zur Erfassung der Spannung (V B) der Spannungsquelle (12) und Einrichtungen (29, 21) aufweist, die den dem elektrischen Motor (11) einzuspeisenden Strom entsprechend dem erfaßten Spannungswert (V B) begrenzen.
2. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungserfassungseinrichtung (28) eine Klemmenspannung
der Spannungsquelle (12) erfaßt.
3. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Motor (11) einzuspeisende Strom (I M)
entsprechend einem vorgegebenen Steuerprofil (Fig. 7)
gesteuert wird, um dadurch eine übermäßige Entladung zu
verhindern.
4. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strombegrenzungseinrichtungen (29, 21) eine
Anweisung zum Stop des elektrischen Motors (11) dann
abgeben, wenn die durch die Spannungserfassungseinrichtung
(28) erfaßte Spannung (V B) einen unteren Grenzwert
nicht erreicht.
5. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (29) einen rückkoppelnden Regelkreis
(35, 36, 37, 38) aufweist, der eine übermäßige
Entladung der Spannungsquelle (12) verhütet (Fig. 8).
6. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (50), die die Leerlaufdrehzahl der
Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs für die Erhöhung
der Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos (13)
anhebt, um die Spannungsquelle (12), die den elektrischen
Motor (11) antreibt, aufzuladen, wenn der Strom
des elektrischen Motors (11) einen unteren Grenzwert
erreicht.
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