DE3816484A1 - Steuervorrichtung fuer den lenkwinkel eines fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Lenkwinkel eines Fahrzeuges, mit der auch zusätzlich die Lenkwinkel der Hinterräder gesteuert werden können.

Beispiele herkömmlicher Lenkwinkel-Steuervorrichtungen sind in der US-PS 47 05 131 (entsprechend JP-OS 60-161 265) und der US-PS 46 66 013 (entsprechend JP-OS 60-161 266) offenbart. Diese Lenkwinkel-Steuervorrichtungen sind so ausgelegt, daß sie die Lenkwinkel der Vorder- und Hinterräder ( δ _f und δ _r ) mit folgenden Gleichungen ermitteln:

δ _f = (af₀ + af₁S) R (1)
δ _r = (ar₀ + ar₁S) R (2)

wobei R den Lenkwinkel bezeichnet, af₀, af₁, ar₀ und ar₁ die Koeffizienten sind, deren Werte durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden und S den Laplace Operator darstellt.

Wenn in dem Lenkwinkel-Stellsystem der Vorder- und Hinterräder Verzögerungen auftreten, ist es empfehlenswert, folgende Gleichungen mit einem Term der zweiten Ableitung zu verwenden:

δ _f = (af₀ + af₁S + af₂S²) R (3)
δ _r = (ar₀ + ar₁S + ar₂S²) R (4)

wobei die Werte der Koeffizienten af₂ und ar₂ durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden.

Folglich sind in dieser Lenkwinkel-Steuervorrichtung Differenzierer erforderlich, die ein nach der Zeit differenziertes Ausgangssignal erzeugen, das proportional zur Ableitung eines Eingangssignales, zum Beispiel des Lenkwinkels R ist. Die in den konventionellen Lenkwinkel-Steuersystemen durchgeführte Ableitung ist jedoch aus folgenden Gründen nicht genau genug:

Insbesondere bei der Verwendung von digitalen Sensoren, wie zum Beispiel kodierten Drehwinkelgebern, ist das aus den gemessenen Werten des Lenkwinkels R differenzierte Signal mit periodischen pulsartigen Änderungen beaufschlagt, auch wenn sich der Lenkwinkel R mit konstanter Geschwindigkeit ändert, so daß dann auch die Ableitung konstant sein müßte. Fig. 4 zeigt ein Beispiel. In diesem Beispiel wird der Wert des Lenkwinkels R in jeder Periode mit dem Zeitintervall Δ t gemessen, das 5 msec lang ist, wobei eine Auflösung ΔR des Lenkwinkelsensors von 1 deg erreicht wird. In diesem Fall ist die Auflösung der ersten Ableitung durch 1 deg/5 msec = 200 deg/sec gegeben, die Auflösung der zweiten Ableitung ist 1 deg/(5 msec)² = 40 000 deg/sec². Folglich werden in dem Signal der ersten und zweiten Ableitung Pulse wie in Fig. 4 gezeigt, gebildet.

In Fig. 4 ist der tatsächliche Wert des Lenkwinkels R durch die schräge Linie α angedeutet, während die gemessenen Werte des Lenkwinkels durch die entlang dieser Linie α verteilten kleinen Kreise dargestellt sind. Die Linien β und γ verbinden die tatsächlichen Werte der ersten und zweiten Ableitungen und . Die kleinen Kreise entlang dieser Linien stellen wieder die von den gemessenen Werten des Lenkwinkels R erhaltenen ersten und zweiten Ableitungen bzw. dar. Wie man in Fig. 4 erkennt, sind Pulse sowohl in den aus einer Folge von Werten der ersten Ableitung zusammengesetzten Signal R als auch in dem Signal der zweiten Ableitung enthalten.

Bekannte Lenkwinkel-Steuersysteme sind deshalb bei der Bestimmung der Lenkwinkel der Vorder- und Hinterräder durch Auflösung der Gleichungen (1) und (2) oder (3) und (4) mit einem Fehler behaftet, so daß eine genaue Steuerung schwierig oder unmöglich ist.

Systeme in denen eine Filterung der gemessenen Werte der Lenkwinkel R durchgeführt wird, sind ebenfalls ungenau, da dadurch die linearen Terme af₀R und ar₀R verzögert werden, die nicht durch pulsartige Änderungen beeinflußt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkwinkel-Steuervorrichtung zu schaffen, die exakt und ohne sprunghafte Änderungen arbeitet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Wie in Fig. 1 gezeigt umfaßt die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für den Lenkwinkel eines Fahrzeuges einen Anfangswertgeber 101 zur Erzeugung einer Folge von Grundwerten, die die Größe, d. h. den Lenkwinkel eines Fahrzeuges repräsentieren, eine Glättungsschaltung 102 zur Erzeugung eines aus einer Folge von geglätteten Werten bestehenden Signales, wobei die gesiebten Werte durch Glättung einer bestimmten Anzahl von Grundwerten erhalten wird, einen Differenzierer 103 zur Erzeugung eines abgeleiteten Signales mit einer bestimmten Ordnung, (d. h. der ersten, zweiten oder höheren Ableitung) aus der Größe des Lenkwinkels unter Verwendung der geglätteten Werte anstelle der Grundwerte, und eine Endstufe 104 zur Erzeugung eines Lenkwinkel-Steuersignales unter Verwendung der differenzierten und anderer Signale.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild der Grundausführung einer erfindungsgemäßen Lenkwinkel-Steuervorrichtung,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Lenkwinkel-Steuervorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 das Flußdiagramm der durch die in Fig. 2 gezeigten Steuereinheit durchgeführten Steuerung, und

Fig. 4 das Diagramm der aus den Werten der Lenkwinkel erhaltenen ersten und zweiten, abgeleiteten Werte mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und im Vergleich dazu mittels eines konventionellen Systems.

Die Lenkwinkel-Steuervorrichtung gemäß Fig. 2 ist zur Lenkung sowohl der Vorderräder 1 L und 1 R als auch der Hinterräder 2 L und 2 R eines Fahrzeuges ausgelegt. Die Vorderräder 1 L und 1 R sind über ein Lenkgetriebe 4 mit einem Lenkrad 3 verbunden, so daß normale Lenkungen ausgeführt werden können.

Außerdem ist für die Vorderräder ein zusätzliches Stellglied 5 zur Unterstützung der Lenkungen vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist das Lenkgetriebe 4 an der Fahrzeugkarosserie befestigt, so daß es entlang der Querachse des Fahrzeuges verschoben werden kann. Das vordere Stellglied 5 ist fest an der Fahrzeugkarosserie angebracht und mit dem Lenkgetriebe 4 verbunden. Es können auch andere Arten von Stellgliedern für die Vorderräder verwendet werden.

Das Stellglied 5 dieser Ausführung hat einen Kolben 5 c, der durch ein Federpaar 5 a und 5 b federnd in einer Neutralstellung gehalten wird. Wenn sich der Kolben 5 c in Neutralstellung befindet, wird das Lenkgetriebe 4 in Neutralstellung gehalten, in der die Vorderräder 1 L und 1 R nur durch die mechanische Lenkverbindung ohne die Lenkkraftverstärkung bewegt werden. Wenn auf die durch den Kolben 5 c getrennten Kammern 5 d oder 5 e ein Hydraulikdruck ausgeübt wird, wird durch das Stellglied 5 die Hilfssteuerung der Vorderräder 1 L und 1 R durch Bewegen des Lenkgetriebes 4 in die entsprechende Richtung ausgeführt.

Die Hinterräder 2 L und 2 R sind an dem Fahrzeug steuerbar angebracht. Zwischen beiden befindet sich ein Lenkwinkel-Stellglied 6. Dieses Stellglied enthält einen Kolben 6 c, der durch ein Federpaar 6 a und 6 b federnd in einer Neutralstellung gehalten wird und zwei Arbeitskammern 6 d und 6 e trennt. Wenn der Kolben 6 c in Neutralstellung ist, befinden sich auch die Hinterräder 2 L und 2 R in Neutralstellung. Wenn eine der beiden Kammern 6 d oder 6 e mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt wird, bewegt sich der Kolben 6 c entweder nach rechts oder nach links und steuert damit auch die Hinterräder in die entsprechende Richtung.

Mit den Kammern 5 d und 5 e des vorderen Stellgliedes 5 ist ein vorderes Steuerventil 7, mit den Kammern 6 d und 6 e des hinteren Stellgliedes 6 ein hinteres Steuerventil 8 verbunden. Beide Steuerventile 7 und 8 sind mit einer aus einer Pumpe 9, einem Vorratsbehälter 10, einer Druckleitung 11 und einer Rückführung 12 gebildeten Druckerzeugung verbunden. In der in Fig. 2 gezeigten Neutralstellung blockiert das vordere Steuerventil 7 das vordere Stellglied durch Trennen der Kammern 5 d und 5 e von den Leitungen 11 und 12, so daß der Kolben 5 c unbeweglich ist. Entsprechend befindet sich auch das hintere Steuerventil, wie in Fig. 2 gezeigt, in Neutralstellung und blockiert das hintere Stellglied 6 durch Trennen der Kammern 6 d und 6 e von den Leitungen 11 und 12, so daß der Lenkwinkel der Hinterräder konstant gehalten wird. Die beiden Steuerventile 7 und 8 haben weiterhin eine erste Ventilstellung, in der die linke Kammer 5 d oder 6 d des vorderen oder hinteren Stellgliedes 5 oder 6 mit der Druckleitung 11 und die rechte Kammer 5 e oder 6 e mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist, sowie eine zweite Ventilstellung, in der die linke Kammer 5 d oder 6 d mit der Rückleitung 12 und die rechte Kammer 5 e oder 6 e mit der Druckleitung 11 verbunden ist. In der ersten Ventilstellung bewirkt das vordere und hintere Steuerventil 7 und 8, daß das vordere oder hintere Stellglied 5 oder 6 die Vorder- bzw. Hinterräder nach links steuert. Die zweite Ventilstellung des vorderen bzw. hinteren Steuerventils 7 bzw. 8 dient zur Steuerung nach rechts.

Mit den Steuerventilen 7 und 8 ist eine Steuereinheit 13 verbunden, die diese Ventile unabhängig voneinander ansteuert. Zur Zuführung von Eingangssignalen ist die Steuereinheit 13 außerdem mit einem Lenkwinkelsensor 14 zur Erfassung des Lenkwinkels R des Lenkrades 3, einem Sensor 15 für die Fahrzeug­ geschwindigkeit V, einem Sensor zur Erfassung eines Hilfs-Lenkwinkels δ _F eines Vorderrades durch Messung des Hubes des vorderen Stellgliedes 5, sowie einem Sensor 17 zur Erfassung eines Hilfs-Lenkwinkels δ _R eines Hinterrades durch Erfassung des Hubes des hinteren Stellgliedes 6 verbunden. Die Steuereinheit 13 bestimmt die Lenkwinkel w _f und δ _r für die Vorder- und Hinterräder durch Auswertung der von dem Lenkwinkelsensor 14 und dem Fahrzeug­ geschwindigkeitssensor 15 zugeführten Signale und steuert die vorderen und hinteren Steuerventile 7 und 8 unabhängig voneinander an, so daß die tatsächlichen Hilfslenkwinkel w _F und δ _R der Vorder- und Hinterräder, die von den Sensoren 16 und 17 gemessen werden, gleich den gewünschten Winkeln δ _f und δ _r werden.

Die Steuereinheit 13 bestimmt die gewünschten Hilfslenkwinkel für die Vorder- und Hinterräder durch einen in Fig. 3 gezeigten Rechenprozeß. Bei diesem Beispiel wird ein Rechengang regelmäßig mit einer Zykluszeit von Δ t = 5 msec wiederholt.

In den Schritten 31 und 32 liest die Steuereinheit 13 die Fahrzeuggeschwindigkeit V und den Lenkwinkel R alle 5 msec. Im Schritt 33 überprüft die Steuereinheit 13, ob die Anzahl N der Wiederholungen des Lesevorganges in Schritt 32 kleiner ist als eine bestimmte Anzahl, die in diesem Beispiel 5 ist. Wenn dies der Fall ist, inkrementiert die Steuereinheit 13 den Wert N in einem Schritt 34 und speichert den gerade gelesenen Wert des Steuerwinkels R als R _N im Schritt 35 ab. Wenn N den Wert den 5 erreicht, wird im Schritt 36 N durch die Steuer­ einheit 13 auf Null gesetzt und im Schritt 37 ein geglätteter Wert _M des Lenkwinkels R berechnet. Bei dieser Ausführungsform ist der geglättete Wert R _M der Mittelwert (oder arithmetische Mittelwert) der fünf zuletzt gelesenen Werte der Lenkwinkel R, die als R _N-4, R _N-3, . . ., R _N gespeichert sind. Die Steuereinheit 13 berechnet den geglätteten Wert jedesmal dann neu, wenn N gleich 5 wird. Im Schritt 38 wird die erste Ableitung des Lenkwinkels R nach der Zeit durch Division der Differenz zwischen dem gerade bestimmten, geglätteten Wert _M und dem im Schritt 37 zuvor bestimmten, geglätteten Wert durch die Zykluszeit Δ t errechnet.

Im Schritt 39 wird dann die Anzahl Q der Wiederholungen des Schrittes 38 durch die Steuereinheit 13 überprüft und in einem Schritt 41 die erste Ableitung als R _Q abgespeichert, bis Q einen bestimmten Wert erreicht, der in diesem Beispiel 5 ist. Q wird im Schritt 40 um 1 erhöht und im Schritt 42 auf 0 gesetzt, wenn Q den Wert 5 erreicht hat. Wenn Q = 5 wird, bestimmt die Steuereinheit einen geglätteten Wert _P aus der ersten Ableitung im Schritt 43. Bei dieser Ausführungsform ist der geglättete Wert _P der ersten Ableitung der Mittelwert (oder arithmetischer Mittelwert) der gerade bestimmten und als _Q-4, . . ., _Q abgespeicherten Werte. Im Schritt 44 wird der Wert der Ableitung zweiter Ordnung des Lenkwinkels bestimmt, der sich aus dem Quotienten der Differenz des Wertes _P-1 der geglätteten ersten Ableitung, die gerade im Schritt 43 bestimmt wurde, und dem entsprechenden, aus der laufenden Ausführung des Schrittes 43 erhaltenen Wertes _P , sowie der Zykluszeit Δ t als Divisor erhalten wird.

Im Schritt 45 bestimmt die Steuereinheit 13 die Werte der Koeffizienten af₀, af₁, af₂, ar₀, ar₁ und ar₂, die der Fahrzeuggeschwindigkeit V entsprechen und aus einer Tabelle oder auf andere Weise erhalten werden und berechnet die gewünschten Hilfs-Lenkwinkel δ _f und δ _r für die Vorder- und Hinterräder mit den Gleichungen (3) und (4) unter Verwendung des Wertes R für den Lenkwinkel, seiner ersten Ableitung , seiner zweiten Ableitung sowie den Koeffizienten.

Die Steuereinheit 13 ist dabei rückgekoppelt, so daß die tatsächlichen Lenkwinkel δ _F und δ _R der Vorder- und Hinterräder gleich den gewünschten Winkeln δ _f und δ _r werden.

Wie oben beschrieben, werden die Werte und der ersten und zweiten Ableitung auf der Grundlage der geglätteten Werte _M durch die Steuervorrichtung bestimmt. Deshalb sind die Signale der ersten und zweiten abgeleiteten Werte unempfindlich gegen ungewünschte pulsartige Änderungen, wie sie in Fig. 4 durch (x) angedeutet sind, so daß genaue und zuverlässige Steuerungen möglich sind.

Die beschriebene Steuervorrichtung glättet nicht nur die Lenkwinkel, sondern auch ihre ersten Ableitungen. Folglich wird der relative Einfluß der Verteilung der gemessenen Werte der Lenkwinkel R zu den Ableitungen in dem Maße verringert, wie sich die Ordnung der Ableitung erhöht, so daß die höheren Ableitungen vor unerwünschten Einflüssen geschützt sind.

Bei dieser Ausführungsform wird die Anzahl der gemessenen Werte der zur Mittelung verwendeten Lenkwinkel im gleichen Maße erhöht wie die Ordnung der Ableitungen. Dies hat zur Folge, daß mit der Steuervorrichtung die notwendige und genügend hohe Auflösung erzielt werden kann, ohne daß das Ausgangssignal zu stark verzögert wird.

Die beschriebene Steuervorrichtung glättet die gemessenen oder abgeleiteten Werte durch einfache Mittelung. Es ist jedoch auch möglich, stattdessen eine dynamische Mittelung durchzuführen.

Claims (8)

1. Steuervorrichtung für den Lenkwinkel eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch:

• - einen Anfangswertgeber (101) zur Erzeugung eines Grundsignals aus einer Folge von Anfangswerten, die den Lenkbetrag (Lenkungsausschlag) des Fahrzeugs darstellen,
• - eine Glättungsschaltung (102), die ein geglättetes Signal als eine Folge von geglätteten Werten erzeugt, die jeweils durch Glätten einer bestimmten Anzahl von Anfangswerten erhalten werden,
• - einen Differenzierer (103) zur Erzeugung eines differenzierten Signales aus dem geglätteten Signal, das die Ableitung des Lenkbetrags repräsentiert, und
• - eine Treibervorrichtung (104) zur Erzeugung eines Lenkwinkel-Steuersignales in Abhängigkeit von dem Grundsignal und dem abgeleiteten Signal.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Differenzierer (103) Differenzierstufen zur Erzeugung eines abgeleiteten Signals niederer Ordnung aufweist, das aus einer Folge von abgeleiteten Werten niedriger Ordnung besteht, die eine Ableitung des Lenkbetrags mit niedriger Ordnung repräsentieren, sowie Differenzierstufen zur Erzeugung eines abgeleiteten Signales höherer Ordnung aufweist, das eine Ableitung höherer Ordnung des Lenkbetrags repräsentiert, wobei eine Ordnung der höheren Ableitung größer ist als eine Ordnung der niedrigen Ableitung, und
• - die Glättungsschaltung (102) Baugruppen aufweist, die ein geglättetes Signal höherer Ordnung erzeugen, das aus einer Folge von geglätteten Werten höherer Ordnung besteht, die durch Glätten einer bestimmten Anzahl von mit niedriger Ordnung abgeleiteten Werten erhalten werden, wobei die Differenzierstufen höherer Ordnung mit den Glättungsstufen höherer Ordnung verbunden sind und das mit höherer Ordnung abgeleitete Signal durch Differenzieren der mit höherer Ordnung geglätteten Signale erzeugen.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsschaltung (102) eine erste, mittelwertbildende Einrichtung aufweist, die periodisch einen ersten Mittelwert bestimmt, der den Mittelwert einer bestimmten, ersten Anzahl von sukzessiv von dem Anfangswertgeber (101) zugeführten Grundwerten darstellt und ein erstes gemitteltes Signal erzeugt, das aus einer Folge der ersten gemittelten Werte besteht, und daß der Differenzierer (103) durch Differenzierung des ersten gemittelten Signales ein abgeleitetes Signal erzeugt, das die Ableitung einer bestimmten Ordnung repräsentiert.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzierer (103) eine erste Differenziereinrichtung zur periodischen Bestimmung eines ersten abgeleiteten Wertes aufweist, der proportional zu einem Bruch ist, dessen Nenner gleich einem bestimmten ersten Zeitintervall ist und dessen Zähler gleich einer Differenz zwischen den zwei ersten Mittelwerten ist, die als letztes von der ersten mittelwertbildenden Einrichtung bestimmt wurden und ein erstes abgeleitetes Signal erzeugt, das aus einer Folge der ersten abgeleiteten Werte besteht.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsschaltung (102) weiterhin eine zweite mittelwertbildende Einrichtung zur periodischen Bestimmung eines zweiten gemittelten Wertes aufweist, der ein Mittelwert einer bestimmten zweiten Anzahl von sukzessiv von der ersten Differenziereinrichtung zugeführten ersten abgeleiteten Werte ist und ein zweites gemitteltes Signal erzeugt, das aus einer Folge der zweiten gemittelten Werte besteht, und daß der Differenzierer (103) weiterhin zweite Differenziereinrichtungen zur periodischen Bestimmung eines zweiten abgeleiteten Wertes aufweist, der proportional zu einem Bruch ist, dessen Nenner gleich einem bestimmten zweiten Intervall ist und dessen Zähler gleich einer Differenz zwischen den zwei zuletzt von der zweiten mittelwertbildenden Einrichtung bestimmten zweiten Mittelwerte ist und ein zweites abgeleitetes Signal erzeugt, das aus einer Folge der zweiten abgeleiteten Werte besteht.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkbetrag den Lenkrad-Steuerwinkel eines Fahrzeuges darstellt, und der Anfangswertgeber (101) einen Lenkwinkelsensor zur Erfassung des Winkels des Lenkrades aufweist.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswertgeber (101) weiterhin eine Lesevorrichtung zum periodischen Lesen des von dem Lenkwinkelsensor erfaßten Lenkradwinkels aufweist und das Grundsignal erzeugt.

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch einen Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor (15) zur Erfassung der Fahrzeug­ geschwindigkeit, der mit der Ausgangsstufe (104) verbunden ist, die in Abhängigkeit von dem Grundsignal, den ersten und zweiten abgeleiteten Signalen und der durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit das Steuersignal erzeugt.