DE3810871C3

DE3810871C3 - Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem

Info

Publication number: DE3810871C3
Application number: DE3810871A
Authority: DE
Inventors: Toshimi Abukawa; Kazuo Tahara; Katsuji Marumoto; Toshiyuki Koterazawa; Mitsuyuki Hombu; Tadashi Takahashi; Shuichi Takamatsu; Hisatugu Ishikura; Hirohisa Yamamura; Toru Tatsuzaki; Tsutomu Ohmae; Toshiaki Okuyama; Seizi Yamashita; Shigeki Saito; Masato Sakai
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: FR2613887A1; DE3810871C2; DE3810871A1; KR880010969A; US4875539A; GB8807470D0; GB2204287B; FR2613887B1; GB2204287A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servo lenkungs-Regelsystem nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1. Ein solches Regelsystem ist aus der US 4.210.856 bekannt.

Konventionell werden in Kraftfahrzeuge eingebaute elektrische Verbraucher von den Batterien energiegespeist (z. B. nichtgeprüfte JP-Patentveröffentlichung 58-16 958). Die mit elektrischer Hilfskraft versorgten Einrichtungen (z. B. Servolenkung und automatischer Fensterheber), die relativ viel Energie verbrauchen, obwohl sie einen kleinen Einschaltzyklus haben, sind sperrig und kost spielig, weil zur Regelung eines großen Motorstroms Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen eingesetzt werden. Als Beispiel für eine solche Einrichtung wird die Servo lenkung gemäß Fig. 1 erläutert.

Wenn der Fahrer das Lenkrad 9 dreht, wird dessen Rotation durch einen Drehmomentfühler 12 auf ein Ritzel 8 übertragen, das eine Zahnstange 7 zum Richten von Rädern 6 und 6′ verschiebt. Aufgrund des Ausgangssignals des Drehmoment fühlers 12 liefert eine Regeleinheit 4 Leistung von einer ersten Batterie 1 zu einem Motor 10, der das Ritzel 8 über ein Zahnrad 11 antreibt, so daß die vom Lenkrad 9 verlangte Drehkraft verringert wird.

Dem Motor 10 wird ein Strom nur zugeführt, wenn das Lenkrad 9 betätigt wird. Wenn dagegen der Fahrer das Lenkrad des stehenden Fahrzeugs dreht, verlangt der Motor 10 maximalen Strom. Dieser von der ersten Batterie mit 12 V zugeführte Strom beträgt bis zu 50-70 A bei Kraftfahrzeugen mit einem Hubraum von 1800-2000 cm³.

Die Regeleinheit 4 regelt den Motorstrom mit Hilfe einer Halbleitervorrichtung, deren Leistungsfähigkeit sich aus dem Laststrom bestimmt. Zur Regelung eines Höchststroms von 60 A muß die Halbleitervorrichtung einen Nennstrom von mehr als 60 A haben. Der Stromregelkreis arbeitet normalerweise im Taktbetrieb, so daß die Halbleitervorrichtung einen Spitzennennstrom haben muß, der 1,5-2mal größer als der maximale Nenngleichstrom ist. Eine solche Halbleitervor richtung mit einem maximalen Spitzennennstrom von 120 A hat eine beträchtliche Größe und macht die Konstruktion einer kompakten und kostengünstigen Regeleinheit 4 unmöglich.

Ferner muß auch das Kabel zum Anschluß des Motors 10 an die Regeleinheit 4 eine hohe Strombelastbarkeit aufweisen, und es wiegt nahezu 1 kg. Die Klemmenspannung der ersten Bat terie 1, die auch die Scheinwerfer und weitere Lichtquellen speist, ändert sich bei Betätigung des Lenkrads 9, was sich in einer nachteiligen Schwankung der Lichtstärke nieder schlägt.

Die Halbleitervorrichtung erzeugt einen Spannungsabfall von mindestens 0,2-0,5 V, was bei einem 12-V-Versorgungssystem zu einem erheblichen Leistungsverlust führt.

Die Servolenkung muß eine maximale Drehkraft nur für die Dauer weniger Minuten liefern, und ein kleiner Motor kann diesem Betrieb standhalten. Andererseits ergibt sich für den Motorstrom eine Begrenzung, damit die Spannungsschwan kungen der ersten Batterie unterdrückt werden können. Von einer begrenzten Stromversorgung kann nur bei Verwendung eines großen Motors 10 ein hohes Ausgangsdrehmoment erzeugt werden, und daher kann ein kleiner Motor nicht verwendet werden, obwohl er die Wärmekapazität hat.

Bei einer anderen konventionellen Servolenkung ist zusätz lich zur Hauptversorgungs-Lichtmaschine eine zweite Licht maschine vorgesehen, damit eine der Motordrehzahl propor tionale Versorgungsspannung für die Versorgung des Lenk hilfsmotors durch die Regeleinheit nach Maßgabe des Aus gangssignals vom Lenkdrehmomentfühler zur Verfügung steht. Aber auch bei dieser Servolenkung sind die oben genannten Probleme nicht gelöst. Ferner ist die Servolenkung nach der JP-Patentveröffentlichung 61-1 25 964 nicht dafür ausgelegt, im Hochspannungs-Motorbetrieb zu arbeiten, so daß sie keine kompakte Bauweise der Antriebskomponenten erlaubt. Außer dem ist die Servolenkung nur bei laufendem Motor aktiv und bietet einem Fahrer, der z. B. sein abgewürgtes Fahrzeug aus Matsch oder Schlamm manövrieren will, keine Unterstüt zung. Der Ausgang der zweiten Lichtmaschine ändert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors, was in einer starken Schwankung des Motorstroms auch nach der Stromzerhackerregelung resultiert. Insbesondere liefert dieses System im Leerlauf nur eine schwache Lenkhilfskraft und überhaupt keine Hilfskraft, nachdem der Motor abge stellt ist.

Die DE 34 29 233 C2 beschreibt eine Servolenkein richtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent anspruchs 1. Diese Lenkeinrichtung erfordert durch den Betrieb mit großen Stromstärken eine relativ sperrige Dimen sionierung. Bei abgestelltem Motor ist ein Betrieb mit hoher Spannung nicht möglich.

Aus der US 42 10 856 ist ein Batterieladungssystem für Stra ßenkraftfahrzeuge bekannt. Das System weist zum einen einen herkömmlichen 12-V-Kreis auf, an den diverse Verbraucher an geschlossen sein können. Daneben ist auch ein 24-V-Kreis vorgesehen, an den der Anlasser geschaltet ist. Die 24 V werden erzeugt, indem zur 12-V-Batterie, die den 12-V-Kreis speist, eine weitere 12-V-Batterie in Serie geschaltet wird. Dies hat den Nachteil, daß sich hohe Ströme, die im 24-V- Kreis fließen, auch auf den 12-V-Kreis auswirken können und dort insbesondere zu Spannungsschwankungen führen können, die zu einer Verschlechterung der Arbeitsweise der an den 12-V-Kreis angeschlossenen elektrischen Geräte führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Regelsystem für die Fahrzeugenergieversorgung anzugeben, das in allen Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs die Servolenkanalage sowie alle anderen elektrischen Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere dessen Beleuchtung, zuverlässig mit elektri scher Energie versorgt.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnen den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Regelsystems gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein konventionelles elektrisches Servolen kungs-Regelsystem;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Spannungs- Aufwärtstransformationskreises in der Anord nung nach Fig. 2;

Fig. 4 den Tastverhältnis-Verlauf des in dem Span nungs-Aufwärtstransformationskreis vorgese henen Transistors;

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Batteriespannung und dem maximalen Motorstrom bei der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen der Motor antriebskreise;

Fig. 8 den Strom im Spannungs-Aufwärtstransforma tionskreis, den Batteriestrom und die Batte riespannung in bezug auf den Motorstrom.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 liefert eine erste Batterie 1 Spannung über einen Spannungs-Aufwärts transformationskreis 2 an eine zweite Batterie 3. Die zwei te Batterie 3 ist an einen Regler 4 angeschlossen, durch den ein Motor 5 angetrieben wird. Die erste Batterie 1 ist eine als Hauptspannungsquelle des Fahrzeugs dienende Blei batterie, die die Verbraucher wie verschiedene Lichtquellen speist, und sie wird von einer motorgetriebenen Lichtma schine (nicht gezeigt) aufgeladen.

Aus einer Vielzahl Spannungs-Aufwärtstransformationskreisen 2 zeigt Fig. 3 beispielhaft einen Aufwärtstransformations kreis auf Transistorbasis. In der Schaltungsanordnung von Fig. 3 wird eine niedrigere Spannung der ersten Batterie 1 durch den Schaltbetrieb eines Transistors 14 auf eine höhere Spannung der zweiten Batterie 3 aufwärtstransfor miert. Der Transistor 14 arbeitet als PDM-Zerhacker. Wenn der Transistor 14 einschaltet, fließt ein Strom in einer Gleichstromdrossel 13. Wenn der stromführende Transistor 14 abschaltet, fließt ein Strom i, der die Gleichstromdrossel durchflossen hat, weiter durch eine Diode 15 zu der zweiten Batterie 3, wie die Strichlinie andeutet. Infolgedessen wird der zweiten Batterie zur Aufladung eine höhere als die erste Batteriespannung zugeführt. Die Zerhackerfrequenz des Transistors 14 ist für eine Gleichstromdrossel 13 mit großer Induktivität niedriger bzw. für eine Gleichstrom drossel mit kleiner Induktivität größer gewählt. Der in der Praxis angewandte Frequenzbereich liegt in der Größenord nung von einigen hundert Hz bis einigen zehn kHz, und vom Standpunkt des Wirkungsgrads ist eine niedrigere Frequenz vorteilhaft. Der Bipolartransistor 14 kann durch einen FET oder irgendeine andere Stromschaltvorrichtung ersetzt werden.

Der Transistorstrom, d. h. der von der ersten Batterie 1 an die zweite Batterie 3 gelieferte Strom, ist praktisch dem Tastverhältnis α des Transistors 14 in seinem bestimmten Betriebsbereich proportional. Durch Einstellen des Tast verhältnisses beispielsweise entsprechend Fig. 4 wird der Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 nicht aktiv, wenn die zweite Batterie 3 eine ausreichend hohe Spannung hat. Mit sinkender Spannung der zweiten Batterie 3 steigt das Tastverhältnis α des Kreises 2, so daß dieser an die zweite Batterie 3 einen erhöhten Strom liefert. Bei dieser Ausfüh rungsform hat das Tastverhältnis α ein schmales proportio nales Band von Δ V_{B 2}, ausgedrückt als die zweite Batterie spannung, und ein konstantes Tastverhältnis α₀ wird in einem Bereich unter einer Spannung V_Bmin beibehalten. Der aus dem konstanten Tastverhältnis α₀ bestimmte Strom ist der maximale Strom I_max, der der zweiten Batterie 3 von der ersten Batterie 1 zugeführt wird.

Der von dem Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 ge lieferte maximale Strom I_max ist so bestimmt, daß die resultierende Verlustleistung größer als eine von dem Regelkreis 4 zum Antrieb des Motors 5 abgegebene mittlere Leistung und niedriger als die maximale Leistung ist. Z. B. benötigt ein Motor mit einem Wirkungsgrad von 50% und einer maximalen Ausgangsleistung von 300 W ca. 60 A im 12-V-Versorgungssystem, und der vorgenannte maximale Strom ist auf einen Pegel von 50%, also 30 A, eingestellt. Somit wird gegenüber dem konventionellen Fall des 60-A-Bereichs die Belastung der ersten Batterie 1 selbst bei dem maxi malen Pegel halbiert, und Spannungsänderungen können ver mindert werden. Ferner genügt es, wenn der Schalttransistor 14 in dem Spannungs-Aufwärtstransformationskreis nur die halbe Kapazität gegenüber der konventionellen 60-A-Kapa zität hat, so daß ein billiger Transistor verwendet werden kann. Im allgemeinen gilt, daß die Fertigungsstückzahlen umso höher sind, je kleiner die Nennleistung eines Transi stors ist, und im Hinblick auf den Massenfertigungseffekt ist ein Transistor mit halber Nennleistung tatsächlich um mehr als die Hälfte billiger.

Die Spannung der zweiten Batterie 3 in Fig. 2 kann will kürlich gewählt werden. Die Grafik von Fig. 5 zeigt den Motorstrom, der notwendig ist, um eine Lenkhilfskraft für den Lenkvorgang eines Kraftfahrzeugs mit einem Hubraum von 1800 cm³ zu erhalten. Der Höchststrom des Motors 5 ist auf der Ordinate gegen die Spannung der zweiten Batterie 3 auf der Abszisse aufgetragen. Wenn z. B. die Batteriespannung mit 24 V gewählt wird, liegt der höchste Motorstrom bei 25-35 A, oder bei einer 60-V-Batterie liegt der höchste Motorstrom bei 10-14 A. Je höher also die zweite Batterie spannung ist, umso kleiner ist der benötigte höchste Motor strom. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Batterie spannung wenigstens doppelt so hoch wie die erste Batte riespannung gewählt. Bei den meisten Kraftfahrzeugen mit einer 12-V-Energieversorgung wird die Spannung der zweiten Batterie auf 24 V oder höher eingestellt. Je höher die Betriebsspannung ist, umso kleiner kann zwar das vom Regler 4 verwendete Halbleiterbauelement sein und umso billiger ist der Regler; aber eine zu hohe Spannung führt zu höheren Kosten wegen des Aufwands für Sicherheit und Isolierung. Die Spannung wird daher aus globalen Überlegungen bestimmt. Die Verwendung einer hohen Spannung ist bei der Auslegung des Reglers 4 für den Motor 5 vorteilhaft, weil bei dem konventionellen Regler möglichst wenige Halbleiterbauele mente wegen ihrer hohen Kosten vorgesehen sein sollen; diese Einschränkung wird durch die Anwendung billiger Halb leiterbauelemente niedriger Nennleistung beseitigt.

Wie z. B. Fig. 6 zeigt, hat der Regler 4 einen Hauptkreis. Die Anordnung dient zum Antreiben eines Magnetfeldmotors oder Nebenschlußmotors. Der Motor 5 hat zwei Stromrich tungs-Betriebsarten, und zwar die eine beim Einschalten von Transistoren 19 und 22 und die andere beim Einschalten von Transistoren 21 und 20, so daß er in der jeweils gewählten Richtung umläuft. Der Motor 5 wird durch die Zerhackerrege lung des leitenden Zustands der Transistoren 19-22 strom gesteuert oder ausgangsdrehmomentgesteuert. Die Anordnung nach Fig. 6 bietet den Vorteil eines sehr schnellen Anspre chens des Motorstroms.

Fig. 7 ist ein Beispiel der Schaltungsanordnung zur Rege lung eines Reihenschlußmotors, wobei Erreger wicklungen 31 und 32 entgegengesetzt gewickelt sind, so daß der Motor 5 aufgrund des leitenden Zustands eines Transistors 27 bzw. Transistors 28 in zwei Richtungen umläuft. Es ist auch möglich, anstatt eines Gleichstrommotors einen Wechsel strommotor zu verwenden.

Das elektrische Servolenkungs-Regelsystem hat die Funktion, den Motor 5 aufgrund eines Signals von einem Drehmoment fühler od. dgl. so anzutreiben, daß die durch das Lenkrad aufgebrachte Lenkkraft verringert wird, und die Schaltungs auslegung kann willkürlich gewählt sein. Auf jeden Fall benötigt der Motor 5 eine bestimmte Stromversorgung, damit er angetrieben wird. Der Motorstrom kann durch Verwendung einer höheren Speisespannung vermindert werden, und ein kleinerer Motorstrom erlaubt die Verwendung eines Halblei terbauelements geringerer Leistung für die Stromregelung.

Fig. 8 zeigt verschiedene elektrische Werte in bezug auf den Motorstrom für die obige Ausführungsform. Der Ausgangs strom des Spannungs-Aufwärtstransformationskreises 2 steigt mit dem Anstieg des dem Motor 5 zugeführten Stroms und wird oberhalb eines Punkts A des Motorstroms konstant. Dies ist der maximale Ausgangsstrom des Spannungs-Aufwärtstransfor mationskreises 2. Der von der zweiten Batterie 3 gelieferte Strom steigt langsam mit steigendem Motorstrom im Niedrig lastbereich und steigt über dem Punkt A des Motorstroms steil an. In der Grafik bezeichnet die Kurve 33 den vom Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 gelieferten Strom, und die Kurve 34 bezeichnet den von der zweiten Batterie 3 an den Motor 5 gelieferten Strom. Die Summe dieser Ströme ergibt den Motorstrom 35. Die Spannung der zweiten Batterie 3 ändert sich entsprechend der Kurve 36. Fig. 8 zeigt den Fall, in dem die zweite Batterie 3 zu Beginn vollständig aufgeladen ist. Mit sinkender Batteriespannung verschiebt sich der Ausgangsstrom des Aufwärtstransformationskreises 2 von der Kurve 33 nach links.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung sowie Fig. 8 hervor geht, wird dem Motor die Leistung der aufwärtstransformier ten Spannung, abgeleitet von der ersten Batterie (die z. B. eine 12-V-Batterie ist), zugeführt, bis der Motor den Punkt A erreicht, und bei größerem Strombedarf wird die steigende Laststromkomponente von der zweiten Batterie zugeführt, so daß die erste Batterie entlastet ist. Der Ausgangsstrom der ersten Batterie ist kleiner als der maximale Motorstrom, und dies ist ein Vorteil in bezug auf die Verminderung des Nennstroms der Halbleiterbauelemente für den Aufwärtstrans formationskreis und für die Minimierung von Spannungsände rungen der ersten Batterie. Als Folge der verminderten Spannungsänderungen der ersten Batterie kann eine Schwan kung der Lichtstärken praktisch ausgeschlossen werden. Da dem Motor 5 Leistung für seinen Hochpegelbereich innerhalb kurzer Zeit hauptsächlich von der zweiten Batterie 3 zuge führt wird, sinkt die Spannung der ersten Batterie nicht merklich, so daß der Motor 5 bis zu seiner Lastgrenze be trieben werden kann. Somit kann eine höhere Hilfs-Ausgangs leistung von einem Motor mit bestimmter Nennleistung erhal ten werden, oder es kann zum Erreichen einer bestimmten Hilfskraft ein kleinerer Motor eingesetzt werden. Infolge dessen können die Kosten der Lenkhilfsanlage gesenkt wer den, und aufgrund der höheren zweiten Batteriespannung kann der Regler mit kostengünstigeren Halbleiterbauelementen gebaut werden.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von einer solchen, bei der einfach die Batteriespannung zum Laden eines Kon densators erhöht wird. Stattdessen ist die zweite Batterie 3 so ausgelegt, daß sie Spannung von dem Spannungs-Auf wärtstransformationskreis 2 speichert, und das System arbeitet so, als ob es von der ersten Batterie 1 getrennt wäre. Selbst wenn also der Laststrom für den Motor 5 sehr stark veränderlich ist, tritt keine wesentliche Änderung der Spannung der ersten Batterie auf.

Bei dieser Ausführungsform erhöht der Aufwärtstransforma tionskreis die Spannung der ersten Batterie und speichert deren Energie in der zweiten Batterie, die dann die Last speist. Der von der höheren Spannungsversorgung gelieferte Laststrom ist kleiner, als wenn er direkt von der ersten Batterie geliefert werden würde, so daß die davon ange steuerten Halbleiterbauelemente zur Regelung und der Lenk hilfsmotor geringere Nennströme, Gewichte und Größen auf weisen und dadurch kostengünstiger gebaut werden können. Eine weitere Auswirkung besteht darin, daß der Betrieb des Lenkhilfssystems keine merkliche Spannungsänderung der ersten Batterie bedingt, so daß die von dieser Batterie gespeisten Lichtquellen keine Intensitätsschwankungen zeigen.

Claims

1. Elektrisches Regelsystem mit

- einem Elektromotor (5), der über ein Unter setzungsgetriebe eine Hilfskraft zum Antreiben einer mechanischen Last erzeugt,
- einer ersten Batterie (1), die mit einem ersten Spannungsversorgungsnetz mit einer ersten Spannung elektrische Energie zuführt,
- einer zweiten Batterie (3), die einem zweiten Spannungs versorgungsnetz mit einer zweiten Spannung, die höher ist als die erste Spannung, elektrische Energie zuführt, wobei auch der Elektromotor aus dem zweiten Spannungsversorgungs netz gespeist wird, und
- einem Spannungs-Aufwärtstransformationskreis (2), der an die erste Batterie (1) angeschlossen ist und der die zweite Batterie (3) lädt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Regelsystem ein Servolenkungs-Regelsystem ist,
- die mechanische Last die Lenkanlage eines Kraftfahrzeugs ist, und daß das System weiterhin aufweist
- einen an einer Lenkwelle befestigten Drehmomentfühler, der das Lenkdrehmoment erfaßt,
- einen Regeler (4), der durch die erste Batterie (1, 53) gespeist wird und der die Eingangsgröße des Elektromotors (5) nach Maßgabe des Ausgangssignals des Dreh momentfühlers regelt, wobei

der Regler (4) den Aufwärtstransformationskreis (2) so betreibt, daß dann, wenn der Motorstrom im Elektromotor (5) unter einem vorbestimmten Wert (A) liegt, dem Elektromotor (5) aus der ersten Batterie (1) über den Aufwärtstransformationskreis (2) ein Strom zugeführt wird, der mit dem Motorstrom steigt, und daß dann, wenn der Motorstrom im Elektromo tor (5) über dem vorbestimmten Wert (A) liegt, dem Elektromotor (5) aus der ersten Batterie (1) über den Aufwärtstransformationskreis (2) ein praktisch konstanter Strom zuge führt wird, wobei der zusätzlich notwendige Motor strom aus der zweiten Batterie (3) zugeführt wird.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Gleichstrommotor (5) ist.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.

4. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Induktionsmotor ist.

5. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufwärtstransformationskreis wenigstens einen Transistor (14) und eine Gleichstromdrossel (13) umfaßt, wobei das Tastverhältnis des Transistors vom Regler (4) be stimmt wird.