DE3711099A1 - Elektrische servolenkanlage fuer fahrzeuge - Google Patents
Elektrische servolenkanlage fuer fahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einer elektrischen Servo
lenkanlage für Fahrzeuge und insbesondere mit einer elek
trischen Servolenkanlage für Fahrzeuge, bei der ein Hilfs
drehmoment zum Lenken mit Hilfe einer Servolenkeinrichtung
unter Verwendung eines Elektromotors erzeugt wird.
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl elektrischer
Servolenkanlagen für Fahrzeuge vorgeschlagen, bei denen
ein Hilfsdrehmoment zum Lenken mit Hilfe einer Servolenk
einrichtung unter Verwendung eines Elektromotors erzeugt
wird.
In GB-PS 21 32 950 ist beispielsweise eine Lenkanlage be
schrieben. Die Lenkanlage enthält eine Drehmomentdetektier
einrichtung zum Detektieren des Lenkmoments, das auf eine
Eingangswelle ausgeübt wird, die mit einem Lenkrad ver
bunden ist, ferner eine Abtriebswelle, die mit
Vorderrädern als gelenkte Räder verbunden ist, sowie einen
Gleichstrommotor, der der Abtriebswelle ein Hilfsmoment
erteilt und eine Steuerschaltung zum Steuern des Motors
in Abhängigkeit von einem Detektionssignales von der Dreh
momentdetektiereinrichtung enthält. Fig. 15 zeigt eine Mo
torantriebsschaltung 200, die äquivalent zur Steuerschal
tung ist. Die Antriebsschaltung 200 besteht aus einer
Brückenschaltung 201, die an einem ein Hilfsdrehmoment er
zeugenden Elektromotor 220 eine Ankerspannung Va anlegt und
aus einer Treibereinheit 210 zur Versorgung der Brücken
schaltung 220 mit Treibersignalen. An die Treibereinheit 210
wird ein Steuersignal 211 von einer nicht gezeigten Signal
verarbeitungseinrichtung angelegt. In der Signalverar
beitungseinrichtung wird ein das Lenkmoment wiedergebendes
Signal gemäß einem vorbestimmten Programm verarbeitet, so
daß das Steuersignal 211 beispielsweise eine Komponente
hat, die die Drehrichtung des Motors 220 darstellt, so daß
diese mit jener des Drehmomentes Ts übereinstimmt, das auf
die Eingangswelle einwirkt. Die Brückenschaltung 201 weist
npn-Schalttransistoren 202, 203, 204, 205 auf, die die
vier Arme der Brücke jeweils bilden. Die Transistoren 202,
203 und 204, 205 haben Dioden 206, 207 und 208, 209, die
jeweils hierzu parallel und umgekehrt parallel zum Motor 220
geschaltet sind. Eine Ausgangsleitung der Schaltung 201 geht
von dem Knotenpunkt zwischen zwei benachbarten Transistoren
202, 203 und eine weitere von dem Knotenpunkt zwischen den
restlichen beiden Transistoren 204, 205 ab. Die Ausgangslei
tungen bilden mit dem Motor 220 eine Schleife. Eingangslei
tungen, die von den positiven und negativen Polen einer
Stromversorgung für eine konstante Spannung Vcc abgeht,
endet an dem Knotenpunkt zwischen den beiden benachbarten
Transistoren 205. 202 und jenem Knotenpunkt, der zwischen
den restlichen beiden Transistoren 203, 204 jeweils liegt.
Die Treibereinheit 210 hat vier Ausgangsanschlüsse, die
mit den Basisteilen der Transistoren 202 bis 205 jeweils
verbunden sind. Die Transistoren 202 bis 205 werden von der
Treibereinheit 210 nach Maßgabe der Inhalte des Steuer
signals 211 betrieben. Wenn beispielsweise das Signal 211
dazu bestimmt ist, den Motor 220 in einer Richtung A ent
sprechend einem in Uhrzeigerrichtung wirkenden Lenkmoment
Ts anzutreiben, dann arbeitet der Transistor 202 ständig und
der Transistor 204 wird mit Impulsbreitenmodulation (PWM)
gesteuert. An den Transistor 204 wird dann an die Basis
ein impulsbreiten-moduliertes Signal angelegt, das ein
frequenzkonstantes Impulssignal in Form einer Rechteckwelle
mit einem Pegel der Verfolgungsspannung Vcc ist, das be
züglich der Impulsbreite moduliert ist, d.h. das hinsicht
lich seines Impulsverhältnisses D (Verhältnis der Impuls
dauer) in Abhängigkeit von einer Komponente des Steuer
signales 211 geregelt ist. Wenn hingegen das Signal 211
dazu bestimmt ist, den Motor 220 in Gegenrichtung B drehan
zutreiben, die einem in Gegenuhrzeigerrichtung wirkenden
Lenkmoment Ts entspricht, wird der Transistor 205 konti
nuierlich betrieben und der Transistor 203 wird mit Im
pulsbreitenmodulierung betrieben. Das Impulsverhältnis D
des impulsbreiten-modulierten Signales, das an dem Tran
sistor 204 oder 203 anliegt, hat einen Wert, der proportio
nal zu der Stärke des Lenkmoments Ts ist. An den Motor 220
wird eine Ankerspannung Va angelegt, deren Stärke propor
tional zu einem solchen Impulsverhältniswert D ist. Als
Folge hiervon hat die über die Brückenschaltung 201 an den
Motor 220 angelegte Ankerspannung Va eine entsprechend ge
regelte Größe und eine entsprechende Polarität, wobei einer
der Transistoren 203, 204 impulsbreiten-moduliert gesteuert
wird.
Fig. 16A und 16B zeigen Schaltpläne, die etwaige Schalt
bilder für die Brückenschaltung 201 sind, bei der die Tran
sistoren 202, 204 in Kombination so arbeiten, daß der Motor
220 in Richtung A entsprechend einem in Uhrzeigerrichtung
wirkenden Lenkmoment Ts angetrieben wird. Der Transistor 202
arbeitet kontinuierlich und der Transistor 204 ist impuls
breiten-moduliert gesteuert. Wie in der britischen Patent
schrift genauer angegeben ist, ist die Anordnung der bei
den in Kombination arbeitenden Schalttransistoren derart
getroffen, daß einer, der impulsbreiten-moduliert betrieben
wird, sich zwischen dem positiven Pol einer Batterie und
einem Elektromotor befindet und der andere Transistor, der
kontinuierlich durchgeschaltet arbeitet, sich zwischen dem
Motor und dem negativen Pol der Batterie befindet. Solche
Unterschiede können an sich vernachlässigt werden.
Die Schaltung nach Fig. 16A entspricht einem Zustand, bei
dem der Transistor 204 durchgeschaltet ist, wobei das
impulsbreiten-modulierte Signal (PWM-Signal) mit dem Pegel
Vcc durchgegeben wird. Mit der Stromversorgung 230, dem
Transistor 202, dem Motor 220 und dem Transistor 204 wird
eine geschlossene Schaltung gebildet, die einen elektrischen
Strom parallel zum Motor 220, d.h. einen Ankerstrom Ia wei
terleitet. Der Ankerstrom Ia hat eine Stärke, die einer auf
den Motor 220 von der Straßenbelagsseite her über die Ab
triebswelle einwirkenden Belastung entspricht. Die Ab
triebswelle, die mit dem Vorderrädern als gelenkten Rädern
verbunden ist, ist mechanisch über einen Zahnstangentrieb
und dergleichen mit dem Lenkrad verbunden. Da somit die
nachstehend noch näher beschriebene Rückstellkraft Fr als
eine Belastung in Form eines Momentes von der Straßenbelags
seite einwirkt, berücksichtigt der Motor 220 einen solchen
Einfluß, indem das Lenkmoment Ts von der Belastung Fr ab
gezogen wird. Fig. 16B stellt einen Zustand dar, wenn der
Transistor 204 gesperrt ist. Mit dem Transistor 202, dem
Motor 220 und der Diode 209 wird eine geschlossene Schaltung
gebildet. Hierin fließt ein Einschwingankerstrom des abge
schalteten Motors 220. Ähnlich wie der Ankerstrom Ia in
der geschlossenen Schaltung nach Fig. 16A ist der Einschwing
ankerstrom mit der auf den Motor 220 einwirkenden Belastung
über eine Eigeninduktivität des Motors 220 gekoppelt, die
eine entgegenwirkende elektromotorische Kraft (abgekürzt
emf) Vi in Abhängigkeit von der Drehzahl (Anzahl der Um
drehungen pro Minute) eines Rotors induziert, der eine ge
wisse Trägheitsmasse hat.
Wie bei Lenkanlagen ohne Hilfskraftunterstützung nimmt das
Lenkrad bei der vorstehend beschriebenen Servolenkanlage
einen von zwei unterschiedlichen Zuständen ein, wenn es
sich dreht, d.h. einen aktiven Lenkzustand oder einen Rück
stellzustand. Beim aktiven bzw. zwangsläufigen Lenkzustand
legt das Lenkrad mit einem Lenkmoment Ts dieses in einer
solchen Richtung an, die mit der Drehrichtung der gelenkten
Räder und somit mit der Drehrichtung des Motors 220 über
einstimmt. Beim Rückstellzustand des Lenkrades jedoch stimmt
die Wirkrichtung des Lenkmoments Ts, das anliegt, nicht
hiermit überein, sondern wirkt in Gegenrichtung, d.h. ent
gegen der Drehrichtung der gelenkten Räder, so daß die
Drehrichtung des Motors 220 entgegen der Wirkrichtung des
Lenkmoments Ts gerichtet ist.
Wenn ein fahrendes Fahrzeug mit den Vorderrädern als gelenk
ten Rädern eine Kurve fährt durch Verdrehen der Lenkanlage
in eine der beiden Richtungen, haben die Vorderräder ein
Kraftsystem, das vom Geradelauf des Rades und dem selbst
ausrichtenden Drehmoment infolge von Deformationen der Rei
fen geprägt wird. Eine zusammenfassende Resultierende dieser
Kräfte wirkt als ein Kräftepaar auf die Vorderräder, wobei
die Tendenz vorhanden ist, die Räder in ihre Neutralstel
lungen zurückzuführen und diese Resultierende wird als
Rückstellkraft bezeichnet. Die Rückstellkraft wird in Form
eines Momentes auf die Lenkanlage übertragen und wirkt als
eine von der Seite der Straßenoberfläche herrührende Be
lastung ein.
Wenn ein Fahrzeug mit einer elektrischen Servolenkanlage der
vorstehend beschriebenen Art ausgerüstet ist und es während
der Fahrt eine Kurve fährt, und wenn die Vorderräder von
einer Rückstellkraft Fr beaufschlagt werden, die aus gewis
sen Gründen größer als die Größe der Zunge aus an dem Lenk
rad ausgeübtem Lenkmoment Ts und dem abgegebenen Hilfsmoment
von dem Motor 220 ist, wird bewirkt, daß sich das Lenkrad
mit einem von den Vorderrädern übertragenen Moment in Gegen
richtung zur Wirkrichtung des Lenkmoments Ts dreht. Auch der
Motor 220 ist gezwungen, sich in einer Umkehrrichtung bzw.
einer Gegenrichtung zu drehen, die der Richtung B ent
spricht, wenn das Fahrzeug beispielsweise eine Kurve nach
rechts durchführt. Eine solche Situation tritt manchmal
auf, wenn die Stärke des vom Fahrer auf das Lenkrad ausge
übte Lenkmoment Ts klein wird, währenddem das Fahrzeug die
Kurve durchfährt, wobei beabsichtigt ist, daß die Vorder
räder in ihre Neutralstellungen mit einer Rückstellkraft Fr
zurückkehren können, die hierauf einwirkt. Dies ist ein ty
pisches Beispiel des Rückstellzustandes für das Lenkrad.
Nunmehr wird angenommen, daß das Lenkmoment Ts in Uhrzeiger
richtung wirkt, so daß der Transistor 202 ständig arbeitet
und der Transistor 204 mit einem PWM-Signal gesteuert wird,
dessen Impulsverhältnis D einen Wert hat, der nach Maßgabe
des Lenkmoments Ts bestimmt ist. Während der Transistor 204
durchgeschaltet ist, wird ein Ankerstrom Ia weitergeleitet,
wie dies mit Pfeilen in Fig. 16A angedeutet ist. Während des
zwangsläufigen Lenkzustandes des Lenkrades dreht sich der
Motor 220 in Richtung A und erzeugt ein Hilfsmoment, das
den Lenkvorgang unterstützt, so daß die Lenkung bequemer als
in dem Fall ist, wenn eine Lenkanlage ohne Hilfskraftunter
stützung vorhanden ist. Bei dem Rückkehrzustand des Lenk
rades jedoch dreht sich der Motor 220 in Richtung B und ar
beitet als ein Generator. Die Rücklaufgeschwindigkeit des
Lenkrades in Richtung ihrer Neutralstellung kann somit be
trächtlich geringer als im Falle einer Nichthilfskraft unter
stützten Lenkanlage sein.
In dieser Hinsicht werden die Transistoren 202, 204 selbst
in Kombination so gesteuert, daß der Motor 220 in Richtung
A dreht, sobald ein Lenkmoment Ts in Uhrzeigerrichtung wirkt,
unabhängig von seiner Größe. In Wirklichkeit ist die Größe
des Lenkmoments Ts im Lenkrad-Rücklaufzustand sehr klein und
somit auch der Wert des Impulsverhältnisses D des PWM-Signals.
Hierdurch ergibt sich, daß ein sehr großer Anteil der Impuls
periode für die Ersatzschaltung von Fig. 16B geteilt werden
muß, die die Schaltung nach Fig. 15 ersetzt, während die Er
satzdauer der Schaltung nach Fig. 16A umso kürzer wird.
Daher wird die geschlossene Schaltung 220-209-202 nach
Fig. 16B über einen solchen großen Anteil der Impulsperiode
hinweg aufrechterhalten.
Bei dem Rücklaufzustand des Lenkrades hat der in Richtung
B sich drehende Motor 220 eine durch die Generatorwirkung in
duzierte und entgegenwirkende elektromotorische Kraft emf Vi
mit einer solchen Polarität, daß die gesamte elektromotorische
Kraft der geschlossenen Schaltung nach Fig. 16A erhöht wird.
Wenn der Transistor 204 ausgeschaltet wird, erzeugt diese
entgegenwirkende elektromotorische Kraft Vi in der geschlos
senen Schaltung 220-209-202 nach Fig. 16B einen Anpassungs
ankerstrom Ia′, dessen Flußrichtung bezüglich des Motors 220
gleich wie jene des Ankerstroms Ia ist, wie dies mit Pfeilen
in Fig. 16B eingetragen ist. Die Durchleitung eines solchen
Ankerstroms Ia′ durch die geschlossene Schaltung 220-209-202
impliziert, daß die Vorderräder eine beträchtliche Arbeit
verrichten müssen. Daher ist ein ungleichmäßiges Verhalten
bei dem Rücklaufen der Vorderräder in die Neutralstellungen
zu beobachten. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit während des
Lenkens konstant ist, hat die Rückstellkraft Fr ein Maximum,
wenn die Vorderräder beginnen, sich in ihre Neutralstellungen
zurückzubewegen und sie wird kleiner, je mehr sich die Räder
dieser Neutralstellung nähern. Die vorstehend beschriebene
Tendenz hat daher einen bedeutenden Einfluß auf die Anfangs
phase des Rücklaufzustandes des Lenkrades. Im Rücklaufzustand
des Lenkrades sind die Dioden 207, 209 in der Treiberschaltung
200 nach Fig. 15 bezüglich des Ankerstroms Ia′ durchlaßgeschal
tet, so daß sich eine weitere geschlossene Schaltung mit dem
Motor 220, der Diode 209, der Stromversorgung 230, der Diode
207 und den nicht gezeigten Widerständen o.dgl. bildet. Eine
solche geschlossene Schaltung ist jedoch bei der Erörterung
der Erfindung vernachlässigbar.
Die Erörterung wird mit theoretischen Gesichtspunkten un
ter Bezugnahme auf Fig. 17 fortgesetzt. Die Abszissen
achse stellt das Impulsverhältnis D des PWM-Signals an dem
Transistor 204 dar und die Ordinatenachse den Ankerstrom
des Motors 220, ausgedrückt im Effektivwert (insgesamt mit
Ia bezeichnet). Auf der D-Ia-Ebene sind charakteristische
Kennlinien des Motors 220 aufgetragen, wobei die Motordreh
zahl Nm als Parameter dient. Im Diagramm ist DZ eine Tot
zone für die Treiberschaltung 200, wenn der Motor 220 zur
Drehung in Richtung A angetrieben werden soll. Nmi (i=1
bis 4) ist eine spezielle Drehzahl in Upm des Motors 220
ausgedrückt, die algebraisch derart dargestellt ist, daß der
Motor 220 sich in Richtung A dreht, wenn Nmi positiv ist oder
kein Vorzeichen hat und sich der Motor in Richtung B dreht,
wenn diese Größe ein negatives Vorzeichen hat. Wenn Nmi ein
negatives Vorzeichen hat, befindet sich somit das Lenkrad
im Rücklaufzustand. Das Lenkmoment Ts wird hierbei noch so
angenommen, daß es in Uhrzeigerrichtung wirkt. Ein Anker
strom Ia 1 muß durch den Motor 220 entgegen einer Rückstell
kraft Fr 1 durchgeleitet werden, die auf die Vorderräder ein
wirkt. Wenn unter solchen Bedingungen die Drehgeschwindigkeit
Nm auf Null (Nmi=0) geregelt werden soll, sollte das Im
pulsverhältnis D auf einen solchen Wert D 1 gesetzt werden,
daß eine aus einer an den Motor 220 anzulegende Ankerspan
nung eine effektive Spannung resultiert, die ermöglicht, daß
der Ankerstrom Ia 1 fließt, ohne daß eine entgegenwirkende
elektromotorische Kraft Vi am Motor 220 induziert wird. Damit
der Motor 220 mit einer positiven Drehzahl Nm 3 sich dreht,
sollte die Leistung bzw. das Impulsverhältnis D für einen
Wert D 2 derart gewählt werden, daß D 2=D 1+a, wobei a
ein notwendiges Inkrement des Impulsverhältnisses D ist,
das jenem Wert der Ankerspannung Va entspricht, der erfor
derlich ist, um die Wirkung einer induzierten, entgegenwirken
den elektromotorischen Kraft Vi aufzuheben, wenn die Dreh
zahl Nm ansteigt (von 0) auf Nm 3. Eine solche entgegenwirken
de elektromotorische Kraft Vi würde sonst den Ankerstrom Ia
vermindern (von Ia 1 ausgehend). Um zu erreichen, daß der
Motor 220 sich mit einer negativen Drehzahl -nM 3 dreht,
sollte ein Impulsverhältniswert D 0 in einer solchen Weise
gewählt werden, daß D 0=D 1-b, wobei b ein Dekrement des
Impulsverhältnisses D ist, das notwendig ist, um den Anker
strom Ia frei von einer Zunahme durch eine induzierte, ent
gegenwirkende elektromotorische Kraft Vi bei der Drehzahl
- -Nm 3 zu halten. Der Tastverhältniswert D 0 jedoch liegt in nerhalb der Totzone DZ und kann daher nicht durch die Treiber schaltung 200 gesetzt werden. Wenn der Wert Fr 1 der Rück stellkraft Fr ein solcher ist, der der Anfangsphase des Lenk radrücklaufzustandes ist, wird die Rückstellkraft Fr kleiner als Fr 1, wenn sich die Vorderräder den Neutralstellungen an nähern und daher nimmt der Ankerstrom Ia allmählich ausgehend von dem Wert Ia 1 ab. Um den Motor 220 bei einer negativen Drehzahl -Nm 3 zu steuern, wenn ein kleinerer Ankerstrom als Ia 1 durchfließt, muß das Impulsverhältnis D einen Wert haben, der Null nicht überschreitet. Die Treiberschaltung 200 je doch kann das Impulsverhältnis D des PWM-Signals nicht nie driger als Null setzen, das durch den Transistor 204 geht, wenn das Lenkmoment Ts in Uhrzeigerrichtung wirkt.
Die Erfindung zielt darauf ab, diese Problematik bei dem
beschriebenen Stand der Technik wirksam zu lösen.
Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine elektrische
Servolenkanlage für Fahrzeuge bereitzustellen, die eine
äußerst vorteilhafte Lenkrad-Rückstellcharakteristik hat,
indem eine Steuereinrichtung für eine Motortreiberschaltung
vorgesehen ist, die an einem Elektromotor eine unstetig ge
regelte Treiberspannung in Abhängigkeit von einem PWM-Signal
anlegt. Die Treiberschaltung bildet einen geschlossenen Schalt
kreis, durch den ein elektrischer Strom infolge einer In
duktivität des Motors fließt, wenn die Treiberspannung aus
geschaltet ist.
Hierzu zeichnet sich erfindungsgemäß eine elektrische Servo
lenkanlage für Fahrzeuge, die ein Lenkrad, ein gelenktes Rad,
eine Lenkwelle zum Übertragen einer Drehung des Lenkrades
auf das gelenkte Rad, einen Gleichstrommotor, der im Betriebs
zustand ein unterstützendes Hilfsmoment auf die Lenkwelle
überträgt, eine Stromversorgung, eine Einrichtung zum De
tektieren des auf die Lenkwelle wirkenden Lenkmoments und
eine Steuereinrichtung aufweist, die den Motor in Abhängigkeit
von einem Lenkmoment-Detektionssignal von der Lenkmoment-De
tektiereinrichtung steuert, wobei die Steuereinrichtung eine
Steuersignalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines impuls
breiten-modulierten (PWM) Signals in Abhängigkeit von dem
Lenkmomentdetektionssignal und eine Motortreiberschaltung
enthält, die das PWM-Signal erhält und eine Ein-Aus-Spannung
an den Motor anlegt, und wobei die Motortreiberschaltung
einen geschlossenen Schaltkreis hat, durch den ein elektri
scher Strom infolge einer Induktivität des Motors fließt,
während das Ein-Aus-Signal aus ist, dadurch aus, daß die
Lenkanlage ferner eine Einrichtung aufweist, die eine Lenk
geschwindigkeit des Lenkrades detektiert und ein Detektions
signal an die Steuersignalerzeugungseinrichtung liefert, und
daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung das PWM-Signal
in einer solchen Abhängigkeit erzeugt, daß bei einem positiven
Lenkzustand, bei dem die Drehrichtung des Lenkrades mit jener
der Wirkrichtung des Lenkmomentes übereinstimmt, eine erste
Funktion darstellt, und daß bei einem Lenkradrücklaufzu
stand, bei dem die Drehrichtung des Lenkrades nicht mit je
ner des einwirkenden Lenkmoments übereinstimmt, eine zweite
Funktion darstellt, die jeweils das Lenkmoment und die Lenk
geschwindigkeit als Parameter haben.
Zusammenfassend gibt die Erfindung eine elektrische Servo
lenkanlage für Fahrzeuge an, die eine Steuereinrichtung auf
weist, die einen Gleichstrommotor steuert, der im Betriebs
zustand ein Hilfsmoment auf eine Lenkwelle in Abhängigkeit
von dem auf die Lenkwelle wirkenden Lenkmoment liefert. Die
Steuereinrichtung enthält eine Steuersignalerzeugungsschal
tung, die ein PWM-Signal für die Steuerung des Motors in
Abhängigkeit von dem Lenkmoment erzeugt, und eine Motor
treiberschaltung, die das PWM-Signal erhält und eine Ein-Aus-
Spannung an den Motor anlegt, wobei die Treiberschaltung ei
nen geschlossenen Schaltkreis bildet, in dem ein elektrischer
Strom infolge einer Induktivität des Motors fließt, während
die Ein-Aus-Spannung aus ist. Die Lenkanlage weist ferner
eine Einrichtung auf, die eine Lenkgeschwindigkeit eines
Lenkrades detektiert. Die Steuersignalerzeugungsschaltung
erzeugt das PWM-Signal in Abhängigkeit von einem positiven
Lenkzustand, bei dem die Drehrichtung des Lenkrades mit der
Wirkrichtung des Lenkmomentes übereinstimmt gemäß einer er
sten Funktion und in einem Lenkradrücklaufzustand, bei dem
die Drehrichtung des Lenkrades nicht mit der Wirkrichtung
des Lenkmoments übereinstimmt, gemäß einer zweiten Funktion,
die jeweils das Lenkmoment und die Lenkgeschwindigkeit als
Parameter haben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines be
vorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die
beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines wesentlichen
Teils einer elektrischen Servolenkanlage für
Fahrzeuge gemäß einer bevorzugten Ausbildungs
form nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II
in Fig. 1, wobei ein Gleichstromgenerator
zum Detektieren einer Lenkgeschwindigkeit
gezeigt ist,
Fig. 3 ein Diagramm einer Steuerschaltung der Lenk
anlage,
Fig. 4A ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des mit
Hilfe eines Mikroprozessors in der Steuer
schaltung auszuführenden Steuerprogramms,
wobei Fig. 4B die Fortsetzung von Fig. 4A
ist,
Fig. 5 ein Diagramm zur Beschreibung der Ausgangs
kennlinien der Detektionssignale eines Lenk
moments,
Fig. 6 ein Diagramm zur Beschreibung der Ausgangs
kennlinien der Detektionssignale einer Lenk
geschwindigkeit,
Fig. 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zu
sammenhangs zwischen dem Lenkmoment und einer
solchen Größe eines Impulsverhältnisses, die
auf einen Reibungsverlust zurückzuführen ist,
Fig. 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zu
sammenhangs zwischen dem Lenkmoment und einer
solchen Größe des Impulsverhältnisses, die
im Zusammenhang mit dem Ausgang eines Hilfs
momenterzeugungsmotors steht,
Fig. 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zu
sammenhangs zwischen dem Lenkmoment und einer
Korrekturgröße des Impulsverhältnisses
bei einem Rücklaufzustand eines Lenk
rades,
Fig. 10 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zu
sammenhangs zwischen der Lenkgeschwindigkeit
einer solchen Größe des Impulsverhältnisses,
die im Zusammenhang mit einer induzierten
elektromotorischen Kraft efm am Motor
steht,
Fig. 11 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zusammen
hänge zwischen dem Lenkmoment und dem Im
pulsverhältnis als Summe der Größen nach
Fig. 7 bis 9 bei einem positiven Lenkzu
stand und dem Rücklaufzustand des Lenkrades
jeweils,
Fig. 12A bis 12C Diagramme von Ersatzschaltbildern für die
unterschiedlichen Arbeitszustände einer Motor
treiberschaltung bei der Steuerschaltung,
Fig. 13 ein Diagramm, in dem für die verschiedenen
Drehzahlen des Motors jene Impulsverhältnisse
eingetragen sind, die für die impulsbreiten
modulierten (PWM) Signale bestimmt sind, die
an Leistungsschalttransistoren in den Ersatz
schaltbildern nach den Fig. 2A bis 2C anzule
gen sind,
Fig. 14 ein Funktionsblockdiagramm der Steuerschaltung
nach Fig. 3,
Fig. 15 ein Diagramm einer Motortreiberschaltung
gemäß einer üblichen Auslegungsform, die
vorstehend beschrieben worden ist,
Fig. 16A und 16B Diagramme von Ersatzschaltbildern für die
unterschiedlichen Arbeitszustände der Motor
treiberschaltung nach Fig. 15, wie dies
vorangehend beschrieben worden ist, und
Fig. 17 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zusammen
hänge zwischen einem Ankerstrom und einem
Impulsverhältnis eines PWM-Signales, das an
Leistungsschalttransistoren in den Ersatz
schaltbildern nach den Fig. 16A und 16B gemäß
den vorangehenden Ausführungen anzulegen ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist mit 20 eine elektrische Servo
lenkanlage für Fahrzeuge gemäß einer bevorzugten Ausbildungs
form nach der Erfindung bezeichnet. Die Anlage 20 umfaßt als
Hauptbauteile eine Eingangswelle 26, eine Zahnwelle 21,
einen Gleichstrommotor 49 und eine Steuereinrichtung 32. Ein
nicht gezeigtes Lenkrad ist mit dem oberen Ende der Eingangs
welle 26 verbunden, deren unteres Ende über ein Zahnradele
ment 22 mit der Zahnwelle 21 verbunden ist, so daß eine Dre
hung der Welle 26 in eine geradlinige Bewegung in axialer
Richtung der Welle 21 übertragen wird. Die Zahnwelle 21 ist an
beiden Enden über nicht gezeigte Spurstangen mit den gelenk
ten der nicht gezeigten Vorderräder jeweils verbunden, die
die gelenkten Räder darstellen. Der Motor 49 liefert ein
Hilfsmoment, um eine Hilfskraft zur Unterstützung an die
Zahnwelle 21 zu liefern. Die Steuereinrichtung 32 steuert
den Motor 49 in Abhängigkeit von Detektionssignalen von einem
Lenkmomentsensor 35 und einem Lenkgeschwindigkeitssensor 40,
die um die Eingangswelle 26 angeordnet sind.
Das untere Ende der Eingangswelle 26 ist in einen vorspringen
den Abschnitt 33 a eines Zahnstangengehäuses 33 eingesetzt und
das Zahnradelement 22 ist in Eingriff hiermit, das mit nicht
gezeigten Zahnstangenzähnen kämmt, die auf der Rückseite der
Zahnstangenwelle 21 ausgebildet sind. Es ist noch zu erwäh
nen, daß in Fig. 1 der um die Eingangswelle 21 und das Zahn
radelement 22 gezeigte Ausschnitt um 90° bezüglich ihren
Achsen abgewickelt ist. Das Zahnradelement 22 ist an den
oberen und unteren Enden mit Hilfe von Schrägkontaktlagern
23, 24 jeweils gelagert. Das untere Lager 24 ist mit Hilfe
einer Blattfeder 25 in Richtung nach oben vorbelastet, so
daß das Ritzel bzw. Zahnrad 22 hinsichtlich seiner Axialbe
wegung begrenzt ist. Das Zahnradelement 22 hat eine Welle
22 a, die mit der Eingangswelle 26 über einen Torsionsstab 27
verbunden ist, der durch einen Hohlraum der Welle 26 ver
läuft. Ein ausgenommener Teil am oberen Ende der Ritzelwelle
22 a ist passend auf einem reduzierten Teil am unteren Ende
der Eingangswelle 26 aufgesetzt, wobei dazwischen ein Nadel
lager 28 vorgesehen ist. Zwischen der Eingangswelle 26 und
dem vorspringenden Abschnitt 33 a des Gehäuses 33 ist ein
Kugellager 34 vorgesehen. Der vorspringende Abschnitt 33 a
ist mit einer nach oben weisenden Öffnung an der Oberseite
versehen und mit einer Staubschutz-Manschette 41 versehen.
Das obere Ende der Ritzelwelle 22 a ist derart gegabelt, daß
die Gabelungen 22 b beide fächerähnlich in radiale Abschnitte
unterteilt sind und einen Winkelabstand von 180° voneinander
haben. Die Gabelungen 22 b sind in einem Paar von Nuten 26 a
mit einer komplementären Form eingesetzt, die außerhalb des
reduzierten unteren Endteiles der Eingangswelle 26 vorge
sehen sind. Die Umfangsbreite jeder Nut 26 a hat einen größeren
einbeschriebenen Winkel als jener von einer der zugeordneten
Gabelungen 22 b, so daß der Torsionsstab 27 tordiert werden
kann, und eine Phasendifferenz zwischen dem Zahnradele
ment 22 und der Eingangswelle 26 mit einem vorbestimmten
Winkel erhalten wird. Die Eingangswelle 26 und das Zahnrad
element 22 arbeiten somit relativ drehbar miteinander zu
sammen.
Um die wechselseitigen Eingriffsteile der Eingangswelle 26
und des Zahnradelements 22 ist ein Differentialübertrager
31 angeordnet, der als Lenkmomentsensor 35 dient. Der Diffe
rentialübertrager 31 weist einen zylindrischen Kern 29, eine
einzige Primärwicklung 31 a und zwei Sekundärwicklungen 31 b,
31 c auf. Die Wicklungen 31 a, 31 b, 31 c sind im Innern des
vorspringenden Abschnittes 33 a festgelegt, so daß sie den
Kern 29 umgeben. Jede Gabelung 22 b der Ritzelwelle 22 a hat
einen Stift 22 c, der von dieser radial nach außen vorsteht.
In ähnlicher Weise hat jeder gekrümmte Wandteil 26 b zwischen
den Nuten 26 a der Eingangswelle 26 einen Stift 30, der radial
nach außen hiervon vorsteht. Die Stifte 22 c, 30 greifen in
längliche Öffnungen 29 a, 29 b ein, die jeweils in dem Kern 29
ausgebildet sind. Jede Öffnung 29 a, die in Eingriff mit dem
Stift 22 c auf der Seite der Ritzelwelle 22 a ist, ist pa
rallel zu der Achse der Eingangswelle 26 ausgebildet. Jede
Öffnung 29 b, die in Eingriff mit dem Stift 30 auf der Seite
der Eingangswelle 26 ist, verläuft unter einem vorbestimmten
Winkel relativ zu dieser geneigt. Das auf die Eingangswelle
26 wirkende Lenkmoment Ts wird über den Torsionsstab 27 und
das Zahnradelement 22 auf die Zahnwelle bzw. Zahnstange 21
übertragen, die hierdurch geradlinig verschoben wird. Wenn
eine größere Belastung Fr als das Lenkmoment Ts auf die
Zahnstange 21 von der Straßenoberflächenseite einwirkt (d.h.
wenn eine größere Rückstellkraft Fr auf die Vorderräder wirkt),
wird der Torsionsstab 27 mit einer Phasendifferenz (in Form
eines Umfangsabschnittes relativ zu einer Winkeldifferenz)
tordiert, die sich zwischen der Eingangswelle 26 und dem
Zahnradelement 22 einstellt. Durch den Eingriffszustand mit
den Stiften 22 c, 30 wird der Kern 29 in jeder Richtung ent
sprechend der Richtung axial verschoben, in die das Lenkmoment
Ts wirkt, und zwar um eine Strecke, die von der Größe des
Lenkmoments Ts abhängt. Mit einer Wechselspannung (Wechsel
strom) spannung, die von der Steuereinrichtung 32 an die
Primärwicklung 31 a angelegt wird, geben die Sekundärwicklungen
31 b, 31 c ein Paar von Wechselspannungen ab, die zu der
Steuereinrichtung 32 übertragen werden. Die Amplituden der
Ausgangsspannungen ändern sich differentiell in Abhängigkeit
von der Axialverschiebung des Kerns 29. Der Kern 29 ist
derart angeordnet, daß er eine Neutralstellung einnimmt,
wenn das auf die Eingangswelle 26 wirkende Lenkmoment Ts
eine Stärke von Null hat, oder in anderen Worten ausgedrückt,
wenn keine Phasendifferenz zwischen der Eingangswelle 26 und
dem Zahnradelement 29 vorhanden ist. Der Differentialüber
trager 31, der als Lenkmomentsensor 35 dient, liefert somit
ein Paar von Ausgangssignalen, die in Verknüpfung mitein
ander die Wirkrichtung und die Stärke des Lenkmoments Ts an
geben, d.h. diese Signale stellen die Lenkmoment wiedergeben
den Signale dar.
Zwischen dem Übertrager 31 und dem Lager 34 ist der Lenkge
schwindigkeitssensor 40 angeordnet, der die Eingangswelle 26
bei dieser Ausbildungsform umgibt. Der Sensor 40 weist eine
durchmessergroße, gezahnte Riemenscheibe 36, einen elektri
schen Generator 37, eine durchmesserkleine, gezahnte Riemen
scheibe 38 und einen Steuerriemen 39 auf. Die durchmesser
große Riemenscheibe 36 ist auf der Eingangswelle 26 fest
gelegt. Die durchmesserkleine Riemenscheibe 38 ist auf einer
Eingangswelle des Generators 37 vorgesehen, die parallel zu
der Eingangswelle 26 angeordnet ist. Die Riemenscheiben 36,
38 sind mit Hilfe des Riemens 39, der darüber gespannt ist,
untereinander verbunden. Der Generator 37 gibt eine Gleich
spannung (Gleichstromspannung) ab, deren Polarität der Dreh
richtung der Eingangswelle 26 entspricht und deren Stärke
proportional zur Geschwindigkeit derselben ist. Die Abgabe
spannung wird als Lenkgeschwindigkeit wiedergebendes Signal
zu der Steuereinrichtung 32 übertragen.
Der das Hilfsmoment erzeugende Motor 49 weist einen Stator
58 als ein Joch, eine Anzahl von Dauermagneten 59, einen
Ankerkern 60, eine Ankerwicklung 61, einen Kommutator 62
und eine Anzahl von Bürstenanordnungen 63 auf. Der dar
gestellte Abschnitt ist um 90° um die Achse abgewickelt. Der
Motor 49 wird in gesteuerter Weise durch die Steuerschaltung
32 in Abhängigkeit von den Signalen angetrieben, die von
dem Lenkmomentsensor 35 und dem Lenkgeschwindigkeitssensor
40 kommen. Er hat ein Paar Lager 55, 56, die fest mit dem
Stator 58 verbunden sind, um eine Rotorwelle 50 an beiden
Enden drehbar zu lagern. Eines der Lager, das mit 56 bezeich
net ist, ist federnachgiebig in Richtung des anderen mit
Hilfe einer Blattfeder 57 vorbelastet. Eine durchmesserkleine,
gezahnte Riemenscheibe 53 ist auf einem äußeren Endteil der
Welle 50 mit Hilfe eines Keils 51 festgelegt und fest mit
dieser mit Hilfe einer Mutter 52 verbunden. Die Riemen
scheibe 53 ist über einen Steuerriemen 54 mit einer Kugel
umlaufspindeleinrichtung verbunden, die auf der Seite der
Zahnstange 21 vorgesehen ist.
Die Zahnstange 21 hat an ihrem linken Teil einen spiralförmi
gen Nutteil 42, der längs des äußeren Umfangs ausgebildet
ist. Der spiralförmige Nutteil 42 steht in Eingriff mit
entsprechenden spiralförmigen Nutteilen eines Paars von Ku
gellagermuttern 43, 44, die nebeneinanderliegend auf dieser
Welle angebracht sind, wobei eine Vielzahl von umlaufenden
Kugeln 45 dazwischen vorgesehen ist und eine Öldichtung 43 a
ist zwischen der Zahnwelle 21 und einer linken oder äußeren
Mutter 43 am linken Ende hiervon vorgesehen. Zwischen dem
rechten Ende der Mutter 43 und der anderen Mutter 44 ist ein
elastisches ringförmiges Element 43 c eingesetzt, das einen
zylindrischen Flansch 43 d hat, der zu dem linken Ende der
Mutter 44 paßt. Die Mutter 43 hat an ihrem axial in der Mitte
liegenden Teil eine durchmessergroße, gezahnte Riemenscheibe
43 b, die dort ausgebildet ist. Die durchmessergroße Riemen
scheibe 43 b ist über den Steuerriemen 54 mit der durchmesser
kleinen Riemenscheibe 53 verbunden, so daß eine Drehung des
Motors 49 auf die Mutter 43 übertragen wird, währenddem die
Drehzahl reduziert wird. Die Mutter 43 ist an beiden Enden
in dem Gehäuse 33 mit Hilfe von Schrägkontaktlagern 46, 47
drehbar gelagert, die in axialer Richtung mit Hilfe einer
Blattfeder 48 vorbelastet sind, um ein axiales Spiel zu
eliminieren. Eine weitere Öldichtung 44 a ist zwischen der
Zahnstange 21 und der rechten Mutter 44 am rechten Ende hier
von vorgesehen. Das linke Ende der Mutter 44 ist in einem
axial gebogenen Teil 43 i des Flanschelements 43 d fixiert,
wobei eine Vorbelastung durch die Drehung aufgebracht wird,
um die Mutter 44 in einer solchen Richtung anzutreiben, daß
das Flanschelement 43 d gedrückt wird. Die Mutter 44 ist dazu
da, die axialen Spiele zwischen der Zahnstangenwelle 21, der
Mutter 43 und den Kugeln 45 konstant auf dem ursprünglich
eingestellten Wert zu halten.
Die Steuereinrichtung 32 wird nachstehend unter Bezugnahme
auf Fig. 3 näher erläutert. Mit der Bezugsziffer 70 ist eine
Mikroprozessoreinheit (die nachstehend als MCU bezeichnet wird)
bezeichnet. MCU 32 werden Detektionssignale S 1 bis S 5 von einer
Lenkmomentdetektionsschaltung 72, einer Lenk(Dreh-)geschwin
digkeitsdetektionsschaltung 76 und einer Abnormalitätsde
tektionsschaltung 87 über einen A/D (Analog/Digital)Wandler
71 auf einen Befehl von MCU 70 selbst eingegeben.
Die Lenkmomentdetektionsschaltung 72 weist eine Treibereinheit
73, ein Paar Gleichrichter 74 a, 74 b und ein Paar Tiefpaßfilter
75 a, 75 b auf. Ein Taktimpuls T 1 in MCU 70 wird zu der Treiber
einheit 72 übertragen, in der es in einer Anzahl von Stufen
unterteilt und verstärkt wird, um ein rechteckförmiges oder
sinusförmiges Wechselstromsignal zu erhalten, das zu der
Primärwicklung 31 a des Lenkmomentsensors 35 ausgegeben wird.
Die Sekundärwicklungen 31 b, 31 c des Sensors 35 geben Wechsel
stromsignale nach Maßgabe einer axialen Verschiebung des Kerns
29 ab, die über die Gleichrichter 74 a, 74 b, in denen diese
Signale gleichgerichtet werden, zu den Tiefpaßfiltern 75 a,
75 b geleitet werden, in denen ihre Hochfrequenzkomponenten
eliminiert werden. Als Folge hiervon werden diese Signale
in gleichförmige Gleichspannungssignale S 1, S 2 jeweils um
gewandelt.
Die Lenkgeschwindigkeitsdetektionsschaltung 76 weist ein Paar
Subtraktoren 77 a, 77 b auf. Die elektrischen Potentiale an
den positiven und negativen Polanschlüssen des Generators 37
werden an die Subtraktoren 77 a, 77 b mit einer gleichen Polari
tät für den mit 77 a bezeichneten und mit einer umgekehrten
Polarität für den anderen mit 77 b bezeichneten angelegt,
wobei die erhaltene Potentialdifferenz als Lenkgeschwindig
keitsdetektionssignale S 3, S 4 ausgegeben werden. Die Signale
S 3, S 4 sind in der Stärke gleich und haben eine unterschied
liche Polarität.
MCU 32 enthält notwendige nicht gezeigte Einrichtungen, die
eine I/O (Eingabe/Ausgabe) Einheit, Speichereinrichtungen,
eine logische Recheneinheit, eine Regeleinrichtung und einen
Taktgenerator, der die Taktimpulse von einem Quartz-Oszilla
tor erhält.
Eine Stromversorgungsschaltung 11 für die elektrische Strom
versorgung von MCU 70 und weitere Schaltungen weisen eine
im Grundzustand geschlossene Relaisschaltung 93 und einen
Spannungsstabilisator 94 auf. Eine fahrzeugeigene Batterie
90 ist an die positive Polseite über einen Zündschalter 91
und eine Sicherung 92 mit der Relaisschaltung 93 verbunden.
Die Schaltung 93 hat einen Ausgangsanschluß 93 a zur Versor
gung einer Motortreiberschaltung 80 mit einer Gleichspan
nung mit einem Batteriepegel Vcc. Dieselbe Spannung wird
an den Stabilisator 94 angelegt, der eine stabilisierte
Gleichspannung mit einem Wert von Vcc über einen Ausgangs
anschluß 93 a liefert und diese an die zugeordneten Detektions
schaltungen 72, 76, 80 sowie an MCU 70 anlegt. Während der
Zündschalter 91 eingeschaltet wird, wird MCU 70 in einen
aktivierten Zustand überführt, in dem die Eingangssignale
S 1 bis S 5 von den Detektionsschaltungen 72, 76, 80 gemäß
einem in den Speichern gespeicherten Programm verarbeitet
werden. Steuersignale T 3, T 4, T 5 werden dann an die Motor
treiberschaltung 80 zum Betreiben des Motors 49 ausgegeben.
Das Signal T 3 ist ein Drehrichtungssignal zur Steuerung der
Polarität, mit der eine Ankerspannung Va an den Motor 49
angelegt wird,und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen
Lenkrichtung. Die restlichen beiden Steuersignale T 4, T 5
sind zur Regelung der Stärke der Ankerspannung Va bestimmt.
Die Motortreiberschaltung 80 weist eine Treibereinheit 81
und eine Schaltbrückenschaltung 82 auf, die aus vier npn-
Transistoren der bipolaren Sorte (die nachstehend als Tr′s
bezeichnet werden) 80 a, 80 b, 80 d besteht, die die jeweiligen
vier Zweige der Brücke darstellen. Eine Eingangsleitung der
Schaltung 82, die von dem Ausgangsanschluß 93 a der Strom
versorgungsschaltung 93 ausgeht, endet an dem Knotenpunkt
zwischen den Kollektoren der benachbarten beiden Tr′s 80 a,
80 d. Eine weitere Leitung, die über einen Widerstand 82 a
mit dem negativen Pol der Batterie 90 verbunden ist, endet
an jenem Knoten zwischen den Emittern der restlichen beiden
Transistoren 80 b, 80 c. Die Emitter der Tr′s 80 a, 80 d sind
jeweils mit den Kollektoren der Tr′s 80 b, 80 c verbunden.
Die Basisteile der vier Tr′s 80 a, 80 b, 80 c, 80 d sind mit
den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 81 a, 81 b, 81 c, 81 d der
Treibereinheit 81 verbunden. Eine Ausgangsleitung der Schal
tung 82, die von dem Knotenpunkt zwischen dem Emitter von
Tr 80 a und dem Kollektor von Tr 80 b ausgeht, und eine wei
tere, die von dem Knotenpunkt zwischen dem Kollektor von
Tr 80 c und dem Emitter von Tr 80 d ausgeht, sind vorgesehen.
Die Ausgangsleitungen enden an den Bürstenanordnungen des
Motors 49. Die Tr′s 80 a, 80 b und 80 c, 80 d haben Dioden 83, 84
und 85, 86, die parallel hierzu geschaltet sind, d.h. jeweils
zwischen den Kollektoren und den Emittern hiervon und die
umgekehrt parallel zum Motor 49 geschaltet sind.
Die Treibereinheit 81 arbeitet in Abhängigkeit von Steuer
signalen T 3, T 4, T 5, wie dies nachstehend noch näher beschrie
ben wird.
- 1) Für ein in Uhrzeigerrichtung wirkendes Lenkmoment Ts: Tr′s 80 a, 80 c werden in Kombination mit impulsbreiten modulierten (PWM) Signalen von den jeweiligen Anschlüssen 81 a, 81 c betrieben. Wenn man annimmt, daß das Impulsverhältnis des PWM-Signals von dem Anschluß 81 a Du ist und jenes des PWM-Signales von dem Anschluß 81 c Dd ist, hat in dem positiven Lenkzustand des Lenkrades das Impulsverhältnis Du einen kon stanten Wert von 1 (Einheit), während das Impulsverhältnis Dd von dem Lenkmoment Ts abhängig ist. Im Lenkradrücklaufzustand ist das Impulsverhältnis Du umgekehrt proportional zu Ns, wo bei Ns die Lenkgeschwindigkeit ist, während das Impulsverhält nis Dd nach wie vor von dem Lenkmoment Ts abhängig ist.
- 2) Für ein in Gegenuhrzeigerrichtung wirkendes Lenkmoment Ts:
Tr′s 80 d, 80 b werden in Kombination mit PWM-Signalen
von den jeweiligen Anschlüssen 81 d, 81 b betrieben. Das PWM-
Signal von dem Anschluß 81 d ist das Impulsverhältnis Du und
jenes von dem Anschluß 81 b ein Impulsverhältnis Dd. Im posi
tiven bzw. zwangsläufigen Lenkzustand des Lenkrades ist das
Impulsverhältnis Du konstant auf 1 (Einheit) und das Impuls
verhältnis Dd hängt von dem Lenkmoment Ts ab. Im Lenkrad
rücklaufzustand ist das Impulsverhältnis Du umgekehrt propor
tional zur Lenkgeschwindigkeit Ns und das Impulsverhältnis
Dd ist von dem Lenkmoment Ts abhängig.
In beiden Fällen (1), (2) hat die an den Motor 49 anliegen
de Ankerspannung Va einen Mittelwert proportional zu dem
Produkt aus den Impulsverhältnissen Du, Dd der PWM-Signale,
mit denen die beiden Tr′s in Kombination betrieben werden.
Das Steuersignal T 4 stellt das Impulsverhältnis Du des PWM-
Signales für Tr 80 a oder 80 d dar. Das Steuersignal T 5 stellt
das Impulsverhältnis Dd für Tr 80 b oder 80 c dar. Das PWM-
Signal von irgendeinem der Anschlüsse 31 a bis 81 d der Trei
bereinheit 81 ist ein frequenzkonstantes, rechteckförmiges
Impulsspannungssignal mit dem Batteriepegel Vcc, das hin
sichtlich der Impulsdauer oder Impulsbreite moduliert ist.
Die vorliegende bevorzugte Ausbildungsform enthält die Ab
normalitätsdetektionsschaltung 87 zum Detektieren von Abnor
malitäten der Motortreiberschaltung 80 und dem Motor 49.
Die Detektionsschaltung 87 weist einen Verstärker 88 und
ein Tiefpaßfilter 89 auf. Der Spannungsabfall am Widerstand
82 a, der dem Ankerstrom Ia entspricht, liegt an dem Verstärker
88 an, in dem er verstärkt und an den Filter 89 angelegt
wird, in dem die Hochfrequenzkomponenten hiervon eliminiert
werden, um ein Gleichspannungssignal zu erhalten, das als
ein Detektionssignal S 5 ausgegeben wird. Das Signal S 5 wird
über den A/D-Wandler 71 zu MCU 70 zurückgekehrt. Die Schaltung
87 detektiert Abnormalitäten der Motortreiberschaltung 80
und des Motors 49, indem der Spannungsabfall an dem Wider
stand 82 a überwacht wird. Wenn eine Abnormalität detektiert
wird, wird ein Relaissteuersignal T 2 von MCU 70 an die Relais
schaltung 93 der Stromversorgungsschaltung 11 ausgegeben, um
die Stromversorgung durch die Stromversorgungsschaltung 11
für die zugeordneten Schaltungen zu stoppen.
Nachstehend werden verschiedene programmierbare Funktionen
von MCU 70 unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B erläu
tert. Fig. 4A, 4B sind Flußdiagramme, die schematisch den
Steuerablauf in MCU 70 verdeutlichen. Mit den Bezugsziffern
100 bis 137 sind die jeweiligen Ablaufschritte bezeichnet.
Wenn der Zündschalter 91 eingeschaltet ist, wird ein elek
trischer Strom MCU 70 und die weiteren Schaltungen angelegt,
so daß die Steuerfunktionen ausgeführt werden können.
In einem Schritt 101 werden die Register von MCU 70 und die
Daten in einem Random-Speicher RAM initialisiert, sowie
die zugeordneten Schaltungen.
In einem Schritt 102 werden die Lenkmomentdetektions
signale S 1, S 2 einzeln gelesen. Im Schritt 103 erfolgt eine
Abfrage, ob der Signalwert normal ist oder nicht. Wenn der
Wert abnormal ist, wird das Relaissteuersignal T 2 von MCU an die
Relaisschaltung 93 ausgegeben, die die Stromversorgung über
die Stromversorgungsschaltung 11 unterbricht. Die Steuerein
richtung 32 hört auf zu arbeiten, so daß die Lenkanlage ohne
Unterstützung arbeitet.
Der Sensor 35 der Lenkmomentdetektionsschaltung 72 weist wie
angegebenen den Differentialübertrager 31 auf, und die De
tektionssignale S 1, S 2 haben solche Zuordnungen zu den Lenk
momenten Ts, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Hälfte der
Summe der Signale S 1, S 2 ist etwa gleich einer Konstenten k.
Im Schritt 103 erfolgt eine Abfrage, ob die Differenz zwischen
(S 1+S 2)/2 und k innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
liegt oder nicht. Wenn die Differenz nicht in diesen Bereich
fällt, wird diagnostiziert, daß die Detektionsschaltung 72
defekt ist. Wenn die gelesenen Signale S 1, S 2 normal sind,
wird der Steuerablauf mit dem Schritt 104 fortgesetzt. Die
Phasendifferenz zwischen der Eingangswelle 26 und dem
Zahnradelement 22 überschreitet einen vorbestimmten Wert,
wenn die Gabelungen 22 b an den gekrümmten Wandabschnitten 26 b
anliegen. Dies ist der Grund, weshalb in Fig. 5 die Signale
S 1, S 2 einen konstanten Wert in den linken und rechten Be
reichen haben, in denen die Stärke des Lenkmomentes Ts
größer als ein vorbestimmter Wert ist.
In einem Schritt 104 erfolgt eine Ermittlung in einer solchen
Form, daß S 1-S 2 als Ergebnis einen Wert für das Lenkmoment
Ts darstellt.
Im Schritt 105 erfolgt eine Abfrage, ob der Wert Ts positiv
oder negativ ist, um hierdurch die Wirkrichtung des Lenkmo
ments Ts zu identifizieren. Wenn das Lenkmoment in Uhrzeiger
richtung wirkt oder wenn der Wert positiv oder Null ist, wird
der Steuerungsablauf mit dem Schritt 106 fortgesetzt, um
einen ersten Merker F zu setzen, so daß F="1" ist, bevor
die Verarbeitung mit dem Schritt 109 fortgesetzt wird. Wenn
das Lenkmoment in Gegenuhrzeigerrichtung wirkt und wenn der
Wert negativ ist, wird der Steuerablauf, ausgehend von dem
Schritt 105, mit dem Schritt 107 fortgesetzt, indem der
Wert von Ts durch den Absolutwert desselben ersetzt wird,
so daß gilt Ts=-Ts. Dann wird in einem Schritt 108 der
erste Merker F derart gesetzt, daß gilt F="0". Der erste
Merker F stellt das Vorzeichen des Wertes von Ts, d.h. die
Wirkrichtung des Lenkmoments Ts, dar.
Im Schritt 109 werden in einer Tabelle 1 in einem nicht ge
zeigten Festspeicher (ROM) aufgezeichnete gespeicherte Daten
direkt gelesen, indem eine Adresse in Abhängigkeit von dem
Absolutwert des Lenkmoments Ts bestimmt wird. In einem
Schritt 110 werden weitere Werte auf ähnliche Weise gelesen,
die in einer Tabelle 2 in ROM abgelegt sind. Jede aufge
zeichnete Tabelle 1 enthält einen Wert für eine Tastverhältnis
größe D (F), die den Reibungsverlust der Lenkanlage berück
sichtigt. Jeder in der Tabelle 2 aufgezeichnete Wert enthält
einen Wert für eine Impulsverhältnisgröße D (L), der im Zu
sammenhang mit der Belastung von der Straßenoberflächen
seite steht. Diese Werte der Impulsverhältnisgrößen D (F),
D (L) haben solche Zuordnungen zu dem Absolutwert des Lenkmo
ments Ts, wie dies in den Fig. 7 und 8 jeweils dargestellt
ist. Der Absolutwert des Lenkmoments Ts kann mit einem be
stimmten Faktor multipliziert werden, so daß das Ergebnis
eine adäquate ganzzahlige Größe ist, die für die Adreßbe
stimmung verwendet wird, um Zugang zu den entsprechenden Da
ten der Tabellen 1, 2 zu erhalten. Eine solche Multiplikation
kann vorzugsweise in den nachstehend noch näher beschriebenen
Schritten 117, 123 in zweckmäßiger Weise vorgenommen werden.
In einem Schritt 111 erfolgt eine Bestimmung gemäß Ts-Tsf,
wobei man als Ergebnis eine Änderung dTs des Lenkmoments Ts
erhält, wobei Tsf das Lenkmoment Ts zuletzt im Programmzyklus
ist. Das letzte Drehmoment Tsf hat einen Anfangswert, der im
Initialisierungsschritt 101 auf Null gesetzt wird.
Im Schritt 112 wird das Lenkmoment Ts zu diesem Zeitpunkt
anstelle des letzten Lenkmoments Tsf gesetzt. Dann wird
der Steuerungsablauf mit dem Schritt 113 fortgesetzt.
Im Schritt 113 wird das Vorzeichen der Lenkmomentänderung dTs
identifiziert, um hierdurch abzufragen, ob das Lenkmoment
Ts abnimmt oder nicht. Wenn die Änderung dTs negativ ist,
dann erfolgt eine Entscheidung dahingehend, daß das Lenkmo
ment Ts abnehmend ist, wobei ein solches Lenkmoment bei
einem Lenkradrücklaufzustand auftritt. Der Steuerungsablauf
wird dann mit dem Schritt 114 fortgesetzt. Im Schritt 117
werden in eine Tabelle 3 eingeschriebene Daten, die in ROM
gespeichert ist, direkt durch Bestimmung einer Adresse in
Abhängigkeit von dem Absolutwert des Lenkmoments Ts gelesen.
Jede Aufzeichnung der Tabelle 3 umfaßt einen Wert für eine
Impulsverhältnisgröße D (R), die für die Korrektur bestimmt
ist. Der Wert der Korrekturgröße D (R) steht in einem solchen
Zusammenhang mit dem Absolutwert des Lenkmoments Ts, wie
dies in Fig. 9 verdeutlicht ist. Wenn die Lenkmomentänderung
dTs nicht negativ ist, so wird im Schritt 113 entschieden,
daß das Lenkrad unter Krafteinwirkung gelenkt wird, d.h.
sich in einem positiven Lenkzustand befindet. Der Steuerungs
ablauf wird dann mit dem Schritt 115 fortgesetzt, um den Im
pulsverhältniswert D (R) für die Korrektur auf einen Nullwert
zu setzen.
Im Schritt 116 erfolgt eine Berechnung bezüglich der so er
haltenen Werte der Impulsverhältnisgrößen D (F), D (L), D (R)
gemäß folgender Beziehung: D (F)+D (L)-D (R) stellt dann
das Resultat eines provisorischen Impulsverhältnisses Dt dar.
Das Impulsverhältnis Dt hat einen solchen Wert, wie dies in
Fig. 11 gezeigt ist, und zwar durch die obere Kennlinie L 1,
die für den positiven Lenkzustand des Lenkrades bestimmt ist,
oder für eine untere Kennlinie L 2, die für den Lenkradrück
laufzustand bestimmt ist.
Im Schritt 117 werden die Detektionssignale S 3, S 4 von der
Lenkgeschwindigkeitsdetektionsschaltung 76 nacheinander
gelesen. Im Schritt 118 erfolgt eine Berechnung dahingehend,
daß S 3-S 4 das Ergebnis als ein Wert für die Lenkgeschwindig
keit Ns darstellt. Die Signale S 3, S 4 haben Zuordnungen zu
der Lenkgeschwindigkeit Ns, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.
Der Generator 37 hat eine maximale Ausgangsspannung, die nie
driger als der Batteriepegelwert Vcc ist, wobei ein vorbe
stimmter Wert zugelassen ist.
Im Schritt 119 erfolgt eine Abfrage, ob der Wert von Ns posi
tiv ist oder nicht, um hierdurch die Richtung zu identifi
zieren, in die eine Lenkbewegung mit der Geschwindigkeit Ns
erfolgt. Wenn der Wert von Ns positiv ist, d.h. wenn die
Lenkgeschwindigkeit bei einer Lenkbewegung in Uhrzeigerrich
tung darstellt, wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt 120
fortgesetzt, um einen zweiten Merker G zu setzen, so daß
G="1" ist. Wenn der Wert von Ns negativ ist, wird der
Steuerungsablauf mit dem Schritt 121 fortgesetzt, indem
der Wert von Ns durch den Absolutwert hiervon festgesetzt
wird, so daß Ns=-Ns ist. Dann wird in einem Schritt 122
der zweite Merker G derart gesetzt, daß G="0" ist. Der
zweite Merker G stellt die Richtung der Lenkbewegung, d.h.
die Drehrichtung des Lenkrades dar.
Im Schritt 123 werden in einer Tabelle 4 eingetragene und
in ROM gespeicherte Daten direkt durch Bestimmung einer
Adresse in Abhängigkeit von dem Absolutwert der Lenkge
schwindigkeit Ns gelesen. Jede Aufzeichnung in der Tabelle 4
enthält einen Wert für eine Tastverhältnisgröße D (K.Nm),
der auf die induzierte elektromotorische Kraft emf des Motors
49 zurückgeht. Der Wert der Impulsverhältnisgröße D (K.Nm)
steht in einem Zusammenhang mit dem Absolutwert der Lenkge
schwindigkeit Ns, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
Im Schritt 124 erfolgt eine Abfrage, ob der erste und der
zweite Merker F, G einen gleichen Wert haben oder nicht.
In dem Fall, daß F=G="1" ist, sind das Lenkmoment Ts
und die Drehrichtung des Lenkrades beide in Uhrzeigerrichtung
gerichtet. Das Lenkrad wird somit zwangsläufig betätigt
und befindet sich in einem sogenannten positiven Lenkzu
stand. In dem Fall, daß F=G="0" ist, sind das Lenkmoment
Ts und die Drehrichtung des Lenkrades in der Gegenuhrzeiger
richtung gerichtet. Das Lenkrad befindet sich auch dann in
einem positiven Lenkzustand. In diesen Fällen wird der
Steuerungsablauf mit dem Schritt 125 fortgesetzt. Wenn
F="1" und G="0" ist, ist das Lenkmoment Ts in Uhrzeiger
richtung und die Drehung des Lenkrades in Gegenuhrzeiger
richtung gerichtet. Das Lenkrad befindet sich somit in einem
Rücklaufzustand. Wenn F="0" und G="1" ist, ist das Lenk
moment Ts in Gegenuhrzeigerrichtung gerichtet und die Drehung
des Lenkrades in Uhrzeigerrichtung gerichtet. Auch in diesem
Fall ist das Lenkrad in einem Rücklaufzustand. In den letzt
genannten beiden Fällen wird der Steuerungsablauf mit dem
Schritt 127 fortgesetzt.
In dem Schritt 125 wird dem Impulsverhältnis Du des PWM-Signa
les für Tr 80 a oder 80 d ein Wert von 1 (Einheit) gegeben.
Der Steuerungsablauf wird mit dem Schritt 126 fortgesetzt,
in dem eine Summierung gemäß folgender Beziehung erfolgt
Dt+D (K.Nm), wobei man als Ergebnis einen Wert für das
Impulsverhältnis Dd des PWM-Signales für Tr 80 c oder 80 b er
hält. Dann wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt 129 fort
gesetzt.
Im Schritt 127 erfolgt eine Subtraktion gemäß der Beziehung
1 - D (K.Nm), wobei man als Ergebnis einen Wert für das Im
pulsverhältnis Du des PWM-Signales für Tr 80 a oder 80 d er
hält. Der Steuerungsablauf wird dann mit dem Schritt 128
fortgesetzt, in der das provisorische Impulsverhältnis Dt
für das Impulsverhältnis Dd des PWM-Signales für Tr 80 c oder
80 b ersetzt wird. Dann wird der Steuerungsablauf mit dem
Schritt 129 fortgesetzt.
Im Schritt 129 erfolgt eine Abfrage, ob der Wert des Impuls
verhältnisses Dd für Tr 80 c oder 80 b ungleich Null ist oder
nicht. Wenn Dd ungleich Null ist, wird der Steuerungsablauf
mit dem Schritt 130 fortgesetzt. Wenn dies nicht zutrifft,
wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt 133 fortgesetzt.
Im Schritt 130 wird der Wert des ersten Merkers F identifi
ziert, um die Wirkrichtung des Lenkmoments Ts zu ermitteln.
Wenn F="1" ist, wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt
131 fortgesetzt, in dem ein Paar der Richtungsmerker R, L
solche Werte haben, daß R="1" und L="0". Wenn F="0"
ist, wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt 132 fortge
setzt, indem den Richtungsmerkern R, L die Werte gegeben
werden, daß R="0" und L="1" ist. Die Merker R, L
entsprechen dem Richtungssteuersignal T 3. Wenn R="1" und
L="0" ist, arbeiten die Transistoren 80 a, 80 c in Kombi
nation. Wenn R="0" und L="1" ist, arbeiten die Transi
storen 80 d, 80 b in Kombination.
Im Schritt 133 werden die Richtungsmerker F, R beide auf
Null gesetzt.
Im Schritt 134 werden die Werte der Richtungsmerker R, L
ausgegeben, und zwar in dieser Form, wie sie in irgendeinem
der Schritte 131 bis 133 gesetzt wurden. Im Schritt 135 wer
den die Werte der Impulsverhältnisse Du, Dd ausgegeben, und
zwar so, wie sie in den Schritten 125, 126 oder 127, 128
gesetzt sind. Die Werte der Impulsverhältnisse Du, Dd ent
sprechen jeweils jenen der Signale T 4, T 5. Wenn der Wert von Du
eine Einheit ist, wird das PWM-Signal bei dem Anlegen an einen
ausgewählten Transistor der Transistoren 80 a, 80 d konti
nuierlich weitergeleitet. Wenn die Werte der Richtungsmerker
R, L beide "0" sind, empfängt jedoch keiner der Transistoren
80 a bis 80 d das PWM-Signal, d.h. es werden keine PWM-Signale
ausgegeben.
Im Schritt 136 wird das Detektionssignal S 5 von der Abnorma
litätsdetektionsschaltung 87 gelesen, das dem Ankerstrom
Ia des Motors 49 entspricht. Im Schritt 137 erfolgt mit einer
gewissen Zuverlässigkeit eine Diagnose gemäß einer Abfrage,
ob das Signal S 5 eine abnormale Komponente hat oder nicht.
Wenn das Signal S 5 abnormal ist, wird das Relaissteuersignal
T 2 von MCU 70 an die Relaisschaltung 93 angelegt, so daß
die Stromversorgung von der Stromversorgungsschaltung 11
unterbrochen wird. Wenn keine Abnormalitäten festgestellt
werden, wird der Steuerungsablauf mit dem Schritt 102
fortgesetzt.
Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform sind der
Wert des Impulsverhältnisses Du des PWM-Signales für Tr 80 a
oder 80 d und jener des Impulsverhältnisses Dd des PWM-Signa
les für Tr 80 c oder 80 b gemäß den Verarbeitungen in den
Schritten 125, 126 oder 127, 128 gesetzt. Das Setzen ist in
dividuell im Verhältnis zu dem positiven Lenkzustand und dem
Rücklaufzustand des Lenkrades, so daß die Brückenschaltung
82 in unterschiedlicher Weise arbeitet, wie dies mit den Er
satzschaltbildern in den Fig. 12A bis 12C gezeigt ist.
Nachstehend wird angenommen, daß das Lenkmoment Ts in Uhr
zeigerrichtüng wirkt.
Im positiven Lenkzustand des Lenkrades hat das Impulsverhältnis
Du des PWM-Signales für Tr 80 a einen Einheitswert und daher
arbeiten die Transistoren 80 a, 80 c nur auf jene Weise, die
in den Fig. 12A und 12B dargestellt ist. Das Verhältnis, mit
dem der Zustand nach Fig. 12A auftritt, entspricht dem Wert
des Impulsverhältnisses Dd des PWM-Signales für den Tran
sistor 80 c.
Im Lenkradrücklaufzustand nimmt der Wert des Impulsverhältnis
ses Du des PWM-Signales für Tr 80 a im umgekehrten Verhältnis
zu der Stärke der Lenkgeschwindigkeit Ns ab. Das Lenkrad ist
mechanisch mit dem Motor 49 gekoppelt, wie dies in Fig. 1
gezeigt ist, so daß die Lenkgeschwindigkeit Ns der Drehzahl
des Motors 49 entspricht. Der Wert des Impulsverhältnisses
Dd des PWM-Signales für Tr 80 c ist sehr klein. Eine solche
Angabe ist somit zweckmäßig und es ist zu erkennen, daß der
Zustand nach Fig. 12A selten auftritt. Obgleich nicht gezeigt,
tritt auch jener Zustand sehr selten auf, bei dem das PWM-
Signal für Tr 80 a aus ist und jenes für Tr 80 c ein ist.
Beim Lenkradrücklaufzustand ergibt sich daher häufig der
Zustand nach den Fig. 12B und 12C. Wenn die Lenkgeschwindig
keit Ns zunimmt, wird das Impulsverhältnis Du klein, während
Dd dem Kurvenzug L 2 in Fig. 11 folgt. Die Häufigkeit des
Auftretens des Zustandes nach Fig. 12C nimmt daher zu, wenn
die Lenkgeschwindigkeit Ns größer wird oder wenn das Lenk
moment Ts klein wird (in diesem Zusammenhang sei auf die
Schritte 127, 128 und die Fig. 10, 11 hingewiesen). In anderen
Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß der zeitliche Anteil,
während dem man einen geschlossenen Schaltkreis 49-86-80 a
nach Fig. 12B erhält, klein wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit
Ns zunimmt oder wenn das Lenkmoment Ts klein wird. Bei dem
Zustand nach Fig. 12C wird ein einziger geschlossener Schalt
kreis 49-75-11-84 gebildet. Ein Ankerstrom Ia′ aufgrund der
entgegenwirkenden elektromotorischen Kraft emf Vi des Motors
49 kann theoretisch im geschlossenen Schaltkreis 49-86-11-84
fließen. Die Versorgungsspannung der Stromversorgung 90 in die
sem geschlossenen Schaltkreis hat jedoch eine entgegenge
setzte Polarität zu der entgegenwirkenden elektromotorischen
Kraft emf Vi und in den meisten Fällen ist die elektromotori
sche Kraft emf größer als Vi, so daß praktisch kein Anker
strom Ia′ durch den geschlossenen Schaltkreis fließt oder kaum
sich ein solcher Stromfluß ergibt, wie er in Fig. 12C ge
zeigt ist. Hierdurch wird impliziert, daß die Vorderräder kei
ne nennenswerte Belastung auf den Motor 40 übertragen.
Im Lenkradrücklaufzustand können daher die Vorderräder sowie
das Lenkrad in die Neutralstellungen gleichförmig zurückge
führt werden, und zwar wie bei einer direkt gelenkten Lenk
anlage ohne eine Hilfskraftunterstützung. Der Fall, daß das
Lenkmoment Ts in Gegenuhrzeigerrichtung wirkt, ist nicht
näher beschrieben.
Nachstehend werden allgemeine Erörterungen unter Bezugnahme
auf Fig. 13 angegeben. Hier ist ein Diagramm gezeigt, das
den Arbeitszustand der Transistoren 80 a, 80 c in den Fig. 12B
und 12C beschreibt, und zwar in Relationen zu verschiedenen
negativen Drehzahlen des Motors 49. Hierbei wird angenommen,
daß das Lenkmoment Ts in Uhrzeigerrichtung wirkt. Die Abszis
senachse stellt die Drehzahl Nm des Motors 49 in einem
negativen Bereich dar und die Ordinate das Impulsverhältnis
Du des PWM-Signales für Tr 80 a. Drei Kennlinien L 3, L 4, L 5
sind unter Verwendung des Impulsverhältnisses Dd des PWM-
Signales für Tr 80 c als Parameter aufgetragen. Das Impuls
verhältnis Dd ist beispielsweise auf einem Wert D 3 kon
stant. In diesem Zustand hat das Impulsverhältnis Du einen
Einheitswert. Der Motor 49 hat eine Drehzahl von Null, wenn
eine Belastung Fr 3 anliegt. Ein Ankerstrom Ia′ 3 fließt ent
sprechend der Belastung Fr 3. Dann nimmt die auf den Motor
49 einwirkende Belastung allmählich ausgehend von Fr 3 ab,
so daß die negative Motordrehzahl Nm im Absolutwert größer
wird. Wenn die negative Motordrehzahl Nm hinsichtlich des
Absolutwertes größer wird, so sind jene Werte für das Impuls
verhältnis Du, die notwendig sind, um den Ankerstrom bei Ia′ 3
konstant zu halten, eingetragen, um den Kurvenzug L 3 zu er
halten. Dann ist das Impulsverhältnis Dd auf abnehmende
Werte D 4 und D 5 (D 3 D 4 D 5) festgesetzt. Das Impulsverhält
nis Du hat einen Einheitswert. Der Motor 49 hat eine Ge
schwindigkeit von Null, wenn zunehmende Belastungen Fr 4, Fr 5
(Fr 3, Fr 4, Fr 5) einwirken. Die Kurvenzüge L 4, L 5 erhält man
auf ähnliche Weise. Sie stimmen im wesentlichen mit dem Kur
venzug L 3 überein. Hierbei wird vorausgesetzt, daß der Anker
strom Ia′ nicht ansteigt, wenn das Impulsverhältnis Du des
PWM-Signales für Tr 80 a nach Maßgabe der negativen Drehzahl
Nm des Motors 49 abnimmt, und zwar unabhängig von dem Wert
des Impulsverhältnisses Dd des PWM-Signales für Tr 80 c.
In Fig. 17 können die Kennlinien für die negativen Motordreh
zahlen -Nmi mit der Kurve für die Nullgeschwindigkeit (Nm=0)
zusammenfallen, wenn das Impulsverhältnis Du entsprechend den
in Fig. 13 gezeigten Kurvenzügen gesteuert wird.
Fig. 14 ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm der
Steuereinrichtung 32, wobei die Zwischenverbindungen zwischen
den Hauptteilen der Einrichtung 32 nach Fig. 3 und den ver
schiedenen Schritten des programmatischen Steuerungsab
laufes nach den Fig. 4A und 4B verdeutlicht sind.
Das Detektionssignal S 5, die Steuersignale T 1, T 2 usw. sind
weggelassen.
Die elektrische Servolenkanlage 20 verwendet den Lenkge
schwindigkeitssensor 37 zusätzlich zu dem Lenkmomentsensor
35. MCU 70 bestimmt Werte für das Impulsverhältnis Du, Dd
in Abhängigkeit von einem positiven Lenkzustand des Lenkrades
gemäß einer ersten Funktion, die mit den Schritten 125, 126
vorgegeben ist und bei einem Lenkradrücklaufzustand gemäß
einer zweiten Funktion, die nach den Schritten 127, 128 vor
gegeben ist. Genauer gesagt hat bei dem positiven Lenkzu
stand des Lenkrades das Impulsverhältnis Du des PWM-Signales
für Tr′s 80 a, 80 d einen Einheitswert und das Impulsverhältnis
Dd des PWM-Signales für Tr′s 80 c, 80 b einen Wert proportio
nal zum Lenkmoment Ts und der Lenkgeschwindigkeit Ns. Im
Lenkradrücklaufzustand hat das Impulsverhältnis Du einen Wert,
der umgekehrt proportional zur Lenkgeschwindigkeit Ns ist
und das Impulsverhältnis Dd hat einen Wert, der proportional
zum Lenkmoment Ts ist. Im Rücklaufzustand nimmt daher der
Anteil, mit dem der Zustand nach Fig. 2 auftritt, ab, wenn
die negative Drehzahl -Nm des Motors 49 hinsichtlich des Ab
solutwertes größer wird. Die Weiterleitung eines Ankerstromes
Ia′ infolge einer induzierten elektromotorischen Kraft emf
Vi des Motors 49 nimmt somit erkennbar ab. Als Folge hiervon
kann das Lenkrad in die Neutralstellung gleichmäßig zurück
laufen. Somit ergibt sich bei der Lenkradrücklaufbewegung eine
Charakteristik, die man bei einer Lenkanlage ohne Hilfskraft
unterstützung erhält.
Bei einer Modifikation kann im positiven Lenkzustand des
Lenkrades das Impulsverhältnis Du des PWM-Signales für
Tr 80 a einen Wert proportional zum Lenkmoment Ts und
der Lenkgeschwindigkeit Ns haben und das Impulsverhältnis
Dd des PWM-Signales für Tr 80 c kann einen Einheitswert
haben. Bei dem Lenkradrücklaufzustand kann das Impulsver
hältnis Du einen Wert proportional zum Lenkmoment Ts haben,
und das Impulsverhältnis Dd kann einen Wert haben, der umge
kehrt proportional zur Lenkgeschwindigkeit Ns ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden für npn bipo
lare Transistoren 80 a bis 80 d als Schaltelemente verwendet,
die die Zweige der Brückenschaltung 82 bedienen. Vorzugs
weise können bipolare pnp Transistoren oder n-Kanalverstärker
MOS (Metalloxidhalbleiter) FET′s )Feldeffekttransistoren)
verwendet werden. Wenn solche FET′s verwendet werden, kann
ihre innere Umkehrdiodenkennlinie als Ersatz für die Dioden
83 bis 86 dienen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das vorlie
gende Beispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abän
derungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im
Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu
verlassen.
Claims (5)
1. Elektrische Servolenkanlage (20) für Fahrzeuge, die
ein Lenkrad, ein gelenktes Rad, eine Lenkwelle (26) zur
Übertragung einer Drehung des Lenkrades auf das gelenkte
Rad im Betriebszustand, einen Gleichstrommotor (49), der
im Betriebszustand ein unterstützendes Hilfsmoment für die
Lenkwelle liefert, eine Stromversorgung (11), eine Ein
richtung (72) zum Detektieren des Lenkmomentes (Ts), das
auf das Lenkrad einwirkt, und eine Steuereinrichtung (32)
zum Steuern des Motors in Abhängigkeit von einem Lenkmoment
detektionssignal (S 1, S 2) von der Lenkmomentdetektionsein
richtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung eine Steuer
signalerzeugungseinrichtung (70) für die Erzeugung eines
impulsbreiten-modulierten (PWM) Signals (T 3, T 4, T 5) in
Abhängigkeit von dem Detektionssignal und eine Motor
treibereinrichtung (80) enthält, die das PWM-Signal empfängt
und eine Ein-Aus-Spannung an den Motor anlegt, und wobei
die Motortreiberschaltung einen geschlossenen Schaltkreis
(49-86-80 a, 49-83-80 d) hat, durch den ein elektrischer
Strom (Ia) infolge einer Induktivität des Motors fließt,
während das Ein-Aus-Signal aus ist,
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Lenkanlage (20) ferner Einrichtungen (76) aufweist, die eine Lenkgeschwindigkeit (Ns) des Lenkrades detektieren und ein Detektionssignal (S 3, S 4) an die Steuersignalerzeu gungseinrichtung (70) abgeben, und
die Steuersignalerzeugungseinrichtung (70) das PWM- Signal (T 3, T 4, T 5) in einer solchen Abhängigkeit erzeugt, daß bei einem positiven Lenkzustand, bei dem die Drehrichtung des Lenkrades mit jener des Lenkmomentes (Ts) übereinstimmt, gemäß einer ersten Funktion (125, 126) gesteuert wird, und daß bei einem Lenkradrücklaufzustand, bei dem die Drehrich tung des Lenkrades nicht mit jener des Lenkmomentes (Ts) übereinstimmt, gemäß einer zweiten Funktion (127, 128) gesteuert wird, wobei das Lenkmoment (Ts) und die Lenkge schwindigkeit (Ns) Parameter hierfür sind.
die Lenkanlage (20) ferner Einrichtungen (76) aufweist, die eine Lenkgeschwindigkeit (Ns) des Lenkrades detektieren und ein Detektionssignal (S 3, S 4) an die Steuersignalerzeu gungseinrichtung (70) abgeben, und
die Steuersignalerzeugungseinrichtung (70) das PWM- Signal (T 3, T 4, T 5) in einer solchen Abhängigkeit erzeugt, daß bei einem positiven Lenkzustand, bei dem die Drehrichtung des Lenkrades mit jener des Lenkmomentes (Ts) übereinstimmt, gemäß einer ersten Funktion (125, 126) gesteuert wird, und daß bei einem Lenkradrücklaufzustand, bei dem die Drehrich tung des Lenkrades nicht mit jener des Lenkmomentes (Ts) übereinstimmt, gemäß einer zweiten Funktion (127, 128) gesteuert wird, wobei das Lenkmoment (Ts) und die Lenkge schwindigkeit (Ns) Parameter hierfür sind.
2. Elektrische Servolenkanlage (20) für Fahrzeuge nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Motortreiberschaltung (80) eine Brückenschaltung (82) für das Betreiben des Motors (49) aufweist, daß die Brückenschaltung (82) ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement (80 a bis 80 d) enthält, die die Brückenzweige jeweils bilden und ferner vier Dioden (83 bis 86) enthält, die jeweils zu den Schaltelementen parallel geschaltet sind, und daß die Brückenschaltung (82) mit einem Eingangsknotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement (80 a) und dem vierten Schaltelement (80 d) und an einem weiteren Eingangsknoten zwischen dem zweiten Schaltelement (80 b) und dem dritten Schaltelement (80 c) mit dem positiven Pol und dem negativen Pol der Stromversorgung (11) jeweils verbunden sind, und daß ein Ausgangsknotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement (80 a) und dem zweiten Schaltelement (80 b) und ein weiterer Ausgangsknotenpunkt zwischen dem dritten Schaltelement (80 c) und dem vierten Schaltelement (80 d) jeweils mit den beiden Eingangsanschlüssen des Motors (49) verbunden sind.
die Motortreiberschaltung (80) eine Brückenschaltung (82) für das Betreiben des Motors (49) aufweist, daß die Brückenschaltung (82) ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement (80 a bis 80 d) enthält, die die Brückenzweige jeweils bilden und ferner vier Dioden (83 bis 86) enthält, die jeweils zu den Schaltelementen parallel geschaltet sind, und daß die Brückenschaltung (82) mit einem Eingangsknotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement (80 a) und dem vierten Schaltelement (80 d) und an einem weiteren Eingangsknoten zwischen dem zweiten Schaltelement (80 b) und dem dritten Schaltelement (80 c) mit dem positiven Pol und dem negativen Pol der Stromversorgung (11) jeweils verbunden sind, und daß ein Ausgangsknotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement (80 a) und dem zweiten Schaltelement (80 b) und ein weiterer Ausgangsknotenpunkt zwischen dem dritten Schaltelement (80 c) und dem vierten Schaltelement (80 d) jeweils mit den beiden Eingangsanschlüssen des Motors (49) verbunden sind.
3. Elektrische Servolenkanlage (20) für Fahrzeuge nach
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß:
der positive Lenkzustand entsprechend der Wirkrichtung des Lenkmoments (Ts) entweder das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) hiermit zusammenarbeiten oder das vierte Schaltelement (80 d) und das zweite Schalt element (80 b) hiermit zusammenarbeiten und diesen das PWM- Signal (T 3, T 4, T 5) zugeführt wird, dessen Impulsverhältnis (Dd) proportional zum Lenkmoment (Ts) und zur Lenkgeschwin digkeit (Ns) ist, und daß das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) oder das vierte Schaltele ment (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) hiermit zusammenarbeiten, diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zuge führt wird, dessen Impulsverhältnis (Du) ein Einheitswert ist, und
daß im Lenkradrücklaufzustand nach Maßgabe der Wirk richtung des Lenkmoments (Ts) entweder das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) damit zusammenar beiten oder das vierte Schaltelement (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) damit zusammenarbeiten und diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zugeführt wird, dessen Impulsver hältnis (Dd) proportional zum Lenkmoment (Ts) ist, und daß das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltele ment (80 c) hiermit zusammenarbeiten oder das vierte Schalt element (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) hiermit zusammenarbeiten und diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zuge führt wird, dessen Impulsverhältnis (Du) umgekehrt pro portional zur Lenkgeschwindigkeit (Ns) ist.
der positive Lenkzustand entsprechend der Wirkrichtung des Lenkmoments (Ts) entweder das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) hiermit zusammenarbeiten oder das vierte Schaltelement (80 d) und das zweite Schalt element (80 b) hiermit zusammenarbeiten und diesen das PWM- Signal (T 3, T 4, T 5) zugeführt wird, dessen Impulsverhältnis (Dd) proportional zum Lenkmoment (Ts) und zur Lenkgeschwin digkeit (Ns) ist, und daß das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) oder das vierte Schaltele ment (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) hiermit zusammenarbeiten, diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zuge führt wird, dessen Impulsverhältnis (Du) ein Einheitswert ist, und
daß im Lenkradrücklaufzustand nach Maßgabe der Wirk richtung des Lenkmoments (Ts) entweder das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltelement (80 c) damit zusammenar beiten oder das vierte Schaltelement (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) damit zusammenarbeiten und diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zugeführt wird, dessen Impulsver hältnis (Dd) proportional zum Lenkmoment (Ts) ist, und daß das erste Schaltelement (80 a) und das dritte Schaltele ment (80 c) hiermit zusammenarbeiten oder das vierte Schalt element (80 d) und das zweite Schaltelement (80 b) hiermit zusammenarbeiten und diesen das PWM-Signal (T 3, T 4, T 5) zuge führt wird, dessen Impulsverhältnis (Du) umgekehrt pro portional zur Lenkgeschwindigkeit (Ns) ist.
4. Elektrische Servolenkanlage für Fahrzeuge nach
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltelemente (80 a bis 80 d) npn-Transistoren
aufweisen.
5. Elektrische Servolenkanlage für Fahrzeuge nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lenkwelle (26) mechanisch mit dem gelenkten Rad
verbunden ist und daß der Motor (49) mechanisch mit der
Lenkwelle (26) verbunden ist.
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