DE60213436T2

DE60213436T2 - Regelungsstrategie für rechnergeregelte Lenkung

Info

Publication number: DE60213436T2
Application number: DE60213436T
Authority: DE
Inventors: Jonas Ekmark; Jochen Pohl; Erik Coelingh
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: EP1431160B1; EP1431160A1; DE60213436D1; US20040148080A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Servolenkungssystem, das so beschaffen ist, dass es eine Lenkunterstützungskraft an das Lenksystem eines Automobils oder Fahrzeugs liefert. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Lenksystem, das die Steuerung der Lenkeigenschaften erlaubt, die durch den Fahrer erfahren werden.
Hintergrund der Erfindung
In der Technik sind verschiedene Lenkausrüstungen, um einen Fahrer zu unterstützen, ein Automobil oder ein Fahrzeug zu lenken, wohlbekannt. Üblicherweise steuert der Fahrer die Richtung des Fahrzeugs mit Hilfe eines Lenkrades, das durch eine Lenkbaugruppe mechanisch mit den Fahrbahnrädern verbunden ist. Um den Fahrer zu unterstützen, ist es jedoch üblich, ein Hilfssystem zu verwenden, um eine zusätzliche Kraft zu erzeugen, die auf die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs ausgeübt wird. Die zusätzliche Kraft verringert die Anstrengung, die durch den Fahrer beim Ändern der Richtung der Fahrbahnräder erforderlich ist. Diese zusätzliche Kraft kann durch verschiedene Techniken erzeugt werden, z. B. durch einen hydraulischen Anrieb oder einen Elektromotor.
Üblicherweise sind verschiedene hydraulische Servolenkungs-System (HPAS-Systeme) verwendet worden, um einen bestimmten Betrag eines Unterstützungsdrehmoments oder einer Unterstützungskraft zur Lenkbaugruppe des Fahrzeugs hinzuzufügen. Derartige hydraulische Systeme basieren typischerweise auf einer Unterstützungskennlinie, die oft als Verstärkungs- oder Boost-Kurve bezeichnet wird. Die Form einer Boost-Kurve ist im Allgemeinen durch die Konstruktion des Ventils und der Pumpe im hydraulischen System bestimmt. Es folgt, dass die Unterstützungskennlinie in einem herkömmlichen HPAS-System statisch ist, d. h., die Beziehung zwischen der vom Fahrer erforderlichen Lenkanstrengung und dem vom HPAS-System gelieferten Unterstützungsmoment ist abhängig von einer vorgegebenen und statischen Boost-Kurve. Der Betrieb eines auf einer Boost-Kurve basierenden HPAS-Systems ist im Allgemeinen so, dass ein bestimmtes Drehmoment, das durch den Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt wird, zu einem bestimmten Unterstützungsdrehmoment führt, das vom HPAS-System auf die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs ausgeübt wird, wobei das Unterstützungsdrehmoment zunimmt, wie der Fahrer mehr Drehmoment auf das Lenkrad ausüben muss, und abnimmt, wie der Fahrer weniger Drehmoment auf das Lenkrad ausüben muss. Der Betrag des Drehmoments, den der Fahrer auf das Lenkrad ausüben muss, ist wiederum vom spezifischen Fahrszenario abhängig, z. B. von der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Lenkradeinschlag des Fahrzeugs usw.
Die statische oder annähernd statische Unterstützungskennlinie eines HPAS-Systems macht es schwierig oder unmöglich, ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der Übertragung der Straßenstörungen zum Fahrer und der Lieferung eines geeigneten Lenkgefühls an den Fahrer zu finden.
Falls ein HPAS-System ein hohes statisches Unterstützungsdrehmoment verwendet, ist vom Fahrer weniger Lenkanstrengung notwendig, was vorteilhaft sein kann, um z. B. die bei Parkmanövern notwendige Lenkanstrengung zu verringern. Ein hohes Unterstützungsdrehmoment verringert außerdem die Übertragung der Straßenstörungen zum Lenkrad, wenn sich das Fahrzeug bewegt, was ein weiterer Vorteil ist. Während jedoch ein hohes Unterstützungsdrehmoment den Einfluss von den Straßenstörungen verringert, macht ein hohes Unterstützungsdrehmoment außerdem das Fahrzeug für Lenkrad-Eingaben empfindlich, insbesondere bei Autobahngeschwindigkeit, was ein Nachteil ist, weil es das Lenkgefühl verringert.
Falls ein HPAS-System ein niedriges statisches Unterstützungsdrehmoment verwendet, ist vom Fahrer mehr Lenkanstrengung notwendig. Dies stabilisiert jedoch die Antwort des Fahrzeugs auf Manöver bei Autobahngeschwindigkeit und vergrößert folglich das Lenkgefühl, was ein Vorteil ist. Andererseits vergrößert ein niedriges Unterstützungsdrehmoment außerdem die Übertragung der Straßenstörungen zum Fahrer, was eine unerwünschte Wirkung im Lenkrad und folglich ein Nachteil ist.
HPAS-Systeme der nun erörterten Art hatten ihren bedeutenden Durchbruch in den frühen sechziger Jahren, wobei die Gesamtsystemkonfiguration die gleiche geblieben ist. Es sind geringfügige Modifikationen vorgenommen worden, um den Anforderungen der heutigen Kunden zu entsprechen. Immer noch ist es die Hauptaufgabe eines HPAS-Systems, die durch den Fahrer erforderliche Lenkanstrengung durch das Hinzufügen eines bestimmten Betrags des Unterstützungsdrehmoments zur Lenkbaugruppe des Fahrzeugs zu verringern. Derartige normale HPAS-Systeme verwenden eine niedrige Unterstützungskraft (niedrige Verstärkung), um ein geeignetes Lenkgefühl zu erreichen, was bedeutet, dass normale HPAS-Systeme die Straßenstörungen nicht angemessen dämpfen können. Dies ist ein wichtiger Nachteil bei normalen HPAS-Systemen.
In den letzten Jahren sind jedoch die älteren HPAS-Systeme durch verschiedene neue elektrische Servolenkungs-Systeme (EPAS-Systeme) ersetzt worden, die im Zusammenhang mit der Fahrzeuglenkung zu verwenden sind.
Das Patent US 6.250.419 B1 (Chabaan) zeigt ein Lenksystem eines Automobils, bei dem eine N-unendlich-Steuereinheit verwendet wird, um einen Elektromotor in einem EPAS-System zu steuern. Die H-unendlich-Steuereinheit leistet einen Beitrag zur Steuerung des Elektromotors in Abhängigkeit vom geschätzten Ritzel-Drehmoment, dem Lenksäulen-Winkel, der Geschwindigkeit des Elektromotors, dem Soll-Unterstützungsdrehmoment, dem geschätzten Fahrer-Drehmoment und einem Maß des durch den Fahrer ausgeübten Lenkrad-Drehmoments. Das endgültige Steuersignal U, das durch den Elektromotor empfangen wird, wird dann berechnet, indem ein Beitrag von einer nichtlinearen Boost-Kurve zum Ergebnis von der H-unendlich-Steuereinheit hinzugefügt wird. Die Boost-Kurve bildet den Betrag des Eingangsbefehls in den Elektromotor gegen das geschätzte Fahrer-Drehmoment (d. h. eine Schätzung des tatsächlich durch den Fahrer ausgeübten Drehmoments) ab, d. h. in Abhängigkeit vom geschätzten Fahrer-Drehmoment zeigt die Boost-Kurve einen Betrag des Eingangsbefehls an, der an den Elektromotor zu liefern ist. Das Gesamtkonzept stimmt mit einer herkömmlichen Boost-Kurven-Strategie überein. Folglich entkoppelt Chabaan die Steuerung des Lenkrad-Drehmoments nicht explizit von der Dämpfung der Straßenstörungen, weil die Ausgabe von der Boost-Kurve durch die Straßenstörungen beeinflusst wird, die im geschätzten Fahrer-Drehmoment inhärent sind.
Das Patent US 6.219.604 B1 (Dilger) zeigt ein Lenksystem eines Automobils, in dem die Struktur einer Steuereinheit für ein vollständiges Lenksystem beschrieben ist. Die Struktur der Steuereinheit verwendet ein Steer-by-wire-Konzept, was bedeutet, dass es keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Lenkgetriebe-Baugruppe gibt. Falls eine derartige mechanische Verbindung in der Lenkgetriebe-Baugruppe vorhanden wäre, würde sie für die Übertragung der Straßenstörungen zum Fahrer verantwortlich sein. Wenn diese Verbindung z. B. durch elektrische Mittel ersetzt oder simuliert wird, können die Straßenstörungen beseitigt werden.
Um dem Fahrer ein Lenkgefühl zu vermitteln, sieht Dilger einen ersten Elektromotor vor, der, gesteuert durch eine elektronische Lenkvorrichtung, das Lenkrad mit einem steuerbaren Widerstandsdrehmoment beaufschlagt. Das Lenkrad-Widerstandsdrehmoment kann z. B. durch das Messen des an einen zweiten Elektromotor angelegten Stroms, der die Lenkgetriebe-Baugruppe mit einem Lenkdrehmoment beaufschlagt, oder durch das direkte Messen des Drehmoments, mit dem die Lenkgetriebe-Baugruppe durch den zweiten Elektromotor beaufschlagt wird, bestimmt und verarbeitet werden. Das Lenkrad-Widerstandsdrehmoment kann alternativ berechnet werden, indem ein Modell unter Verwendung verschiedener Fahrzeugdaten (z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Reibung zwischen der Straßenoberfläche und den Reifen, Lenkrad-Winkel usw.) erzeugt wird. Dilger beschreibt beide Varianten in Spalte 6 in Zeile 5 und Folgende.
Falls das Widerstandsdrehmoment durch das Messen des Stroms bestimmt wird, der an den zweiten Elektromotor angelegt ist, der die Lenkgetriebe-Baugruppe mit einem Drehmoment beaufschlagt, oder falls es durch das direkte Messen dieses Drehmoments bestimmt wird, ist es möglich, die Übertragung der Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche, der Schwingungen usw. zum Lenkrad zu filtern und dadurch zu verringern, siehe z. B. Spalte 6, Zeile 51–56. Dilger erwähnt lediglich die Möglichkeit dieser Filterung, wobei er keine weiteren Informationen hinsichtlich des Betriebs und der Beschaffenheit eines derartigen Filters offenbart.
Falls das Widerstandsdrehmoment bestimmt wird, indem ein Modell unter Verwendung verschiedener Fahrzeugdaten erzeugt wird, könnte es möglich sein, die Übertragung der Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche, der Schwingungen usw. zum Lenkrad zu verringern. Dilger erwähnt hier abermals lediglich die Möglichkeit dieser Filterung, wobei er keine weiteren Informationen hinsichtlich des Betriebs und der Beschaffenheit eines derartigen Modells offenbart. Dilger zeigt außerdem einen Referenzgenerator, der dazu dient, eine Soll-Gier-Komponente bereitzustellen. Dies ist jedoch z. B. vom Liefern eines Soll-Lenkrad-Drehmoments verschieden.
Die Patentanmeldung WO 01/47762 A1 zeigt ein Lenksystem eines Automobils, in dem ein Schema zum Stabilisieren eines elektrischen Servolenkungssystems unter ungünstigen Straßenbedingungen beschrieben ist. Ungünstige Straßenbedingungen könnten z. B. auftreten, wenn die Straße nass oder vereist ist. Das Patent spricht die Frage des Erzeugens eines Soll-Unterstützungsdrehmoments oder eines Soll-Lenkgefühls nicht spezifisch an, siehe z. B. Seite 4, Zeile 26–29.
Das Patent US 6.013.994 zeigt ein Lenksystem eines Automobils, in dem eine Steuerstrategie in der Motorsteuereinheit implementiert ist, die so beschaffen ist, dass sie das Verhalten des Elektromotors in einem EPAS-System steuert. Diese Steuerstrategie kann in den meisten Motorsteuereinheiten implementiert sein, z. B. in der in dieser Patentanmeldung erwähnten Motorsteuereinheit. In diesem Zusammenhang soll jedoch angegeben werden, dass die Motorsteuereinheit nur einen Teil der Erfindung gemäß dieser Patentanmeldung bildet.
Zusammengefasst sprechen die oben zitierten Literaturhinweise des Standes der Technik das Problem des Steuerns der durch den Fahrer erfahrenen Lenkeigenschaften und des gleichzeitigen Steuerns des Betrags der zum Fahrer übertragenen Straßenstörungen nicht spezifisch an. Insbesondere sprechen die Literaturhinweise das Problem des Erreichens einer Steuerung der Lenkeigenschaften unabhängig von der Steuerung der Übertragung der Straßenstörungen nicht an. Insbesondere sprechen sie die Probleme im Zusammenhang mit einer Fahrzeug-Lenkbaugruppe nicht an, die eine Lenkspindel-Anordnung umfasst, die das Lenkrad mechanisch mit den Fahrbahnrädern verbindet.
DE19536989 (Yamamoto) bezieht sich auf ein Fahrzeuglenkungs-Steuersystem, in dem ein Betätigungs-Lenkdrehmoment aus einem Unterstützungs-Lenkdrehmoment, dessen Amplitude auf einem manuellen Lenkdrehmoment basiert, und einem Lenkreaktionsdrehmoment, das gegen externe Störungen wirkt, besteht, wobei das Lenkreaktionsdrehmoment bestimmt wird, um die erfasste tatsächliche Gierrate aufzuheben, siehe z. B. Spalte 2, Zeilen 13–68. Die elektrische Servolenkungs-Steuereinheit 26 führt die Steuerung für die normale Servounterstützung für die Lenkkraft oder das Betätigungsdrehmoment für die lenkbaren Vorderräder 9 aus. Diese Steuereinheit 26 kann optional im Stande sein, außerdem das Ziel-Betätigungsdrehmoment entsprechend der Querbeschleunigung und der Gierrate zu bestimmen, siehe z. B. Spalte 4, Zeilen 31–36. Dies bedeutet, dass ein Zielwert für die Normalkomponente des Unterstützungsdrehmoments entweder aus einem gemessenen Wert (Drehmomentsensor 16) oder aus einem berechneten Wert bestimmt wird. Zwischen einem gemessenen und einem berechneten Wert wird kein Vergleich ausgeführt. Die aktive Lenkreaktions-Berechnungseinheit 27 berechnet das Ziel-Betätigungsdrehmoment entsprechend den Ausgangssignalen von den verschiedenen Sensoren 15 bis 23, siehe Spalte 4, Zeilen 37–41. Dies bedeutet, dass ein Zielwert für die Drehmoment-Lenkkomponente des Unterstützungsdrehmoments bestimmt wird. Die Ausgangstrom-Bestimmungseinheit 29 bestimmt das Ziel-Ansteuerstromsignal, was zur Abweichung des tatsächlichen Lenkdrehmoments, das vom Drehmomentsensor 16 erhalten wird, vom Ziel-Lenkdrehmomentwert proportional ist oder dieser anderweitig entspricht. Das Ziel-Ansteuerstromsignal besitzt jedoch zur Abweichung das entgegengesetzte Vorzeichen, siehe z. B. Spalte 4, Zeilen 41–48. Dies bedeutet, dass der Ausgangstrom aus der Summe der Normalkomponente des Unterstützungsdrehmoments und der Drehmoment-Lenkkomponente des Unterstützungsdrehmoments bestimmt wird. Der auf diese Weise erhaltene Ziel-Ansteuerstromwert wird an die Ansteuerschaltung 25 geliefert. Diese Ansteuerschaltung 25 steuert den Elektromotor 10, z. B. durch PWM-Steuerung, wobei ein tatsächlich erfasster Stromwert, der von einem Stromerfassungssensor erhalten wird, zum Eingangssignal in die Ansteuerschaltung 25 oder zum Ziel-Ansteuerstromwert rückgekoppelt wird, siehe z. B. Spalte 4, Zeilen 49–55. Dies bedeutet, dass der Ansteuerstrom für den Unterstützungsmotor durch eine Rückkopplungsschleife gesteuert werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Servolenkungssystem, das so beschaffen ist, dass es die Lenkbaugruppe eines Automobils oder Fahrzeugs mit einer Lenkunterstützungskraft oder einem Lenkunterstützungsdrehmoment beaufschlagt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Steuern der durch den Fahrer erfahrenen Lenkeigenschaften und des Betrags der zum Fahrer übertragenen Straßenstörungen, in dem die Lenkeigenschaften unabhängig von der Steuerung der Übertragung der Straßenstörungen bestimmt und gesteuert werden. Deshalb wird durch die Erfindung ein Lenksystem mit zwei Freiheitsgraden offenbart.
Das Lenksystem gemäß der Erfindung enthält ein Steuersystem, das einen Generator zum Berechnen eines Soll-Lenkrad-Drehmoments umfasst, das durch den Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden sollte. Das Steuersystem enthält ferner eine erste Steuereinheit und möglicherweise eine zweite Steuereinheit, wobei die erste Steuereinheit eine Motorsteuereinheit, möglicherweise in Zusammenarbeit mit der zweiten Steuereinheit, steuert. Die Motorsteuereinheit steuert wiederum einen Motor, der die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs mit einer Lenkunterstützungskraft oder einem Lenkunterstützungsdrehmoment beaufschlagt.
Der Generator im Steuersystem berechnet abhängig vom aktuellen Fahrszenario ein Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment, das durch den Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden sollte. Das aktuelle Fahrszenario kann durch Beobachten, Messen, Berechnen usw. derartiger Fahrzeugzustände, wie z. B. der Gierrate, der Querbeschleunigung des Fahrzeugs, des Lenkrad-Winkels, der Lenkrad-Winkelgeschwindigkeit und der Fahrzeuggeschwindigkeit usw., bestimmt werden, aber außerdem durch Beobachten, Messen, Berechnen usw. verschiedener Fahrersignale, wie z. B. der Signale vom Gaspedal oder vom Bremspedal usw. Es sollte angegeben werden, dass das berechnete Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment von jeder Messung verschiedener Drehmoment-Kräfte unabhängig ist, mit denen die Lenkbaugruppe beaufschlagt wird. Jede derartige Messung kann Straßenstörungen enthalten, die nicht zum Fahrer übertragen werden sollten.
Die erste Steuereinheit im Steuersystem basiert im Allgemeinen auf einem inversen Modell der Dynamik des Lenksystems. Die Konstruktion einer geeigneten ersten Steuereinheit fällt in den Bereich der herkömmlichen Steuerungstechnik, wobei einem Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Konstruktionen wohlbekannt sind. Gemäß der Erfindung berechnet die erste Steuereinheit ein Unterstützungsdrehmoment, mit dem die Lenkgetriebe-Baugruppe durch den Motor zu beaufschlagen ist, so dass das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment dem vorher durch den Generator berechneten Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment entspricht oder zu diesem gleich ist.
Eine zweite Steuereinheit kann in das Steuersystem eingefügt sein, um mögliche verbleibende Lenksystemfehler auf null zu minimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Steuereinheit außerdem unerwünschte Straßenstörungen bei einem niedrigen Risiko der Instabilität beim Betrieb des Lenksystems dämpfen. Wenn die zweite Steuereinheit eingefügt ist, berechnet sie einen Einstellwert, der das durch die erste Steuereinheit berechnete Unterstützungsdrehmoment einstellt.
Das Steuersystem arbeitet in einer derartigen Weise, dass ein Signal von der Motorsteuereinheit den Motor und folglich das Lenkunterstützungsdrehmoment, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Motor beaufschlagt wird, steuert. Das Signal von der ersten und möglicherweise der zweiten Steuereinheit steuert wiederum die Motorsteuereinheit, wohingegen ein Signal von Generator die erste Steuereinheit steuert. Die mögliche zweite Steuereinheit wird durch eine Kombination aus dem Signal vom Generator und einem Signal, das dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Lenkrad-Widerstandsdrehmoment entspricht, gesteuert. In den Ausführungsformen ohne eine zweite Steuereinheit wird die erste Steuereinheit mit dem Signal vom Generator, kombiniert mit dem Signal, das dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Lenkrad-Widerstandsdrehmoment entspricht, versorgt. Ferner ist das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment wiederum vom Betrag des Unterstützungsdrehmoments, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Motor beaufschlagt wird, verringert um die Reibung in der Lenkbaugruppe und durch die Wirkungen von verschiedenen Norm-Fahrwiderständen, wie z. B. der Reibung der Fahrbahnräder gegen die Fahrbahnoberfläche, abhängig.
Das Steuersystem steuert durch seinen Betrieb den Motor, um die Lenkbaugruppe mit einem Unterstützungsdrehmoment zu beaufschlagen, um ein Soll-Lenkgefühl an den Fahrer des Fahrzeugs zu liefern, d. h. so, dass der Fahrer ein Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment fühlt, wobei das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment dem durch den Generator berechneten Soll-Widerstandsdrehmoment entspricht oder zu diesem gleich ist.
Die Konfiguration und der Betrieb der Erfindung unterstützen eine Trennung der Dämpfung der zum Fahrer übertragenen Straßenstörungen von der Lieferung eines Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoments zum Fahrer. Insbesondere unterstützt die Erfindung eine explizite Entkopplung der Lenksteuerung von der Erzeugung eines Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoments.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung fällt in den Bereich der Modularität. Insbesondere versieht der Referenzgenerator die nachfolgende Steuereinheit mit einem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment-Signal, das vom Rest des betrachteten Steuersystems und dem betrachteten Lenksystem unabhängig ist. Der Referenzgenerator kann deshalb für verschiedene Anwendungen wiederverwendet werden, wobei er folglich ein anwendungsunabhängiges Lenkgefühl unterstützt.
Weitere Vorteile gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
1 zeigt eine graphische Ansicht eines elektrischen Servolenkungssystems für ein Fahrzeug mit Rädern gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Blockschaltplan eines Steuersystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das einen Generator, eine erste Steuereinheit und eine zweite Steuereinheit zum Steuern des elektrischen Servolenkungssystems verwendet.
3 zeigt einen Blockschaltplan eines Steuersystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das einen Generator und eine erste Steuereinheit zum Steuern des elektrischen Servolenkungssystems verwendet.
4 zeigt einen Blockschaltplan eines Generators zum Berechnen eines Referenz-Lenkrad-Unterstützungsdrehmoments gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Bode-Diagramm der spezifischen Filterfunktion in der zweiten Steuereinheit.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Das EPAS-System
In 1 ist ein elektrisches Servolenkungssystem 100 (das im Folgenden als EPAS-System bezeichnet wird) veranschaulicht. Das EPAS-System 100 ist vorzugsweise ein System für die Verwendung beim Lenken der Fahrbahnräder eines Automobils oder eines Fahrzeugs, wobei das EPAS-System 100 mit einem Steuersystem 110 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Obwohl das EPAS-System 100 im Zusammenhang mit einer Servolenkung der Fahrbahnräder eines Automobils beschrieben ist, sollte klar sein, dass das EPAS-System 100 und das Steuersystem 110 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um irgendeine Anzahl von Vorder- und/oder Hinterrädern eines gelenkten Fahrzeugs zu lenken.
Die Lenkbaugruppe des EPAS-Systems
Das in 1 gezeigte EPAS-System umfasst eine Lenkbaugruppe, die ein Lenkrad 120 umfasst. Das Lenkrad 120 ist im Allgemeinen im Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet und wird durch den Fahrer des Fahrzeugs manuell betätigt, um die Fahrbahnräder 127 zu lenken. Ferner enthält die Lenkbaugruppe eine Lenkspindel 121, die mit dem Lenkrad 120 funktionsfähig verbunden ist. Die Lenkspindel 121 dreht sich in Synchronisation mit dem Lenkrad 120, wobei sie vorzugsweise direkt mit dem Lenkrad 120 verbunden ist. Die Lenkbaugruppe verwendet außerdem eine Ritzelwelle 122, die sich mit der Lenkspindel 121 funktionsfähig in Eingriff befindet. Die Lenkspindel 121 und die Ritzelwelle 122 sind vorzugsweise über ein Universalgelenk (130) miteinander verbunden, wie es in der Technik der Fahrzeuglenkung wohlbekannt ist. Die Lenkspindel 122 ist an einem Ende an eine Ritzelgetriebe-Baugruppe 123 gekoppelt, um eine Winkeldrehung der Ritzelwelle 122 in eine lineare Bewegung einer Zahnstange 124 umzusetzen. Die Zahnstange 124 ist an den gegenüberliegenden Enden an die Zugstangen 125 und die Verbindungsstangen 126 gekoppelt, die beweglich sind, um die Links- und Rechtsdrehung der Fahrbahnräder 127 zu steuern. Es sollte klar sein, dass das Lenkrad 120, die Lenkspindel 121, die Ritzelwelle 122 und die Ritzelgetriebe-Baugruppe 123, die Zahnstange 124, die Zugstangen 125, die Verbindungsstangen 126 und die Fahrbahnräder 127, so wie sie gezeigt sind, nur eine von mehreren geeigneten Lenkbaugruppen veranschaulichen, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind.
Die anderen Komponenten des EPAS-Systems
Das EPAS-System 100, wie es in 1 gezeigt ist, enthält außerdem einen Motor 115, der an die Lenkbaugruppe, vorzugsweise an die Ritzelwelle 122, gekoppelt ist. Der Motor 115 ist vorzugsweise ein Elektromotor, der ein Unterstützungsdrehmoment oder eine Unterstützungskraft der Lenkbaugruppe bereitstellt, um den Fahrer des Fahrzeugs beim Drehen des Lenkrads 120 zu unterstützen, d. h., um den vom Fahrer erforderlichen Betrag der Lenkanstrengung zu verringern. Das Unterstützungsdrehmoment verringert z. B. die Wirkung von den Reibungskomponenten, wie z. B. der Reibung in der Lenkbaugruppe, und die Wirkungen von verschiedenen Norm-Fahrwiderständen, wie z. B. die Reibung der Fahrbahnräder gegen die Fahrbahnoberfläche.
Außerdem enthält das EPAS-System eine Drehmomentschätzeinrichtungs-Anordnung 128 zum Messen und/oder Berechnen des Drehmoments T_driver, das dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment entspricht oder zu diesem gleich ist, d. h. des Widerstandsdrehmoments, das durch den Fahrer tatsächlich gefühlt wird, wenn er das Lenkrad 120 dreht. Die Drehmomentschätzeinrichtung 128 kann in einer Ausführungsform eine (nicht gezeigte) Torsionsfeder, die z. B. zwischen dem Lenkrad 120 und der Lenkspindel 121 angeordnet ist, und einen (nicht gezeigten) Winkelsensor zum Messen der Auslenkung der Torsionsfeder umfassen. Die Auslenkung der Torsionsfeder nimmt zu, wenn der Fahrer mehr Widerstandsdrehmoment fühlt, während er das Lenkrad 120 dreht, wohingegen die Auslenkung abnimmt, wenn der Fahrer weniger Widerstandsdrehmoment fühlt, während er das Lenkrad 120 dreht. Folglich repräsentiert die Auslenkung der Torsionsfeder ein Maß des Widerstandsdrehmoments T_driver, das tatsächlich vom Fahrer gefühlt wird, das vom Widerstandsdrehmoment abhängig ist, das von der Lenkspindel 121 empfangen wird. Das von der Lenkspindel 121 empfangene Widerstandsdrehmoment ist wiederum von verschiedenen Reibungskoeffizienten, wie z. B. der Reibung in der Lenkbaugruppe, den Wirkungen von verschiedenen Norm-Fahrwiderständen, wie z. B. der Reibung der Fahrbahnräder gegen die Fahrbahnoberfläche, verringert um den Betrag des Lenkunterstützungsdrehmoments, mit dem die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs durch den Elektromotor 115 beaufschlagt wird, abhängig.
Das EPAS-System 100 umfasst außerdem verschiedene Typen von Fahrzeugsensoren, wie z. B. Beschleunigungsmesser und Geschwindigkeitssensoren, die Sensoren sind, die dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt sind. Ein Beschleunigungsmesser-Sensor kann z. B. ein (nicht gezeigter) Querbeschleunigungsmesser-Sensor zum Messen der Querbeschleunigung des Fahrzeugs sein. Ferner enthält das EPAS-System einen (nicht gezeigten) Giergeschwindigkeits-Sensor zum Messen der Gierrate w des Fahrzeugs.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Beschleunigungsmesser-Sensoren im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet. Die Position des Schwerpunkts ist eine wohlbekannte Konstruktionsvariable, die im Allgemeinen durch den Hersteller des Fahrzeugs bestimmt wird. In vielen Anwendungen können jedoch verschiedene Konstruktionsbeschränkungen vorschreiben, dass derartige Sensoren nicht im genauen Schwerpunkt angeordnet werden können. Der Schwerpunkt kann sich z. B. an einem physikalischen Ort befinden, der die Anordnung von Sensoren an diesem Ort verhindert. Ferner kann die Anordnung anderer Komponenten und Systeme vorschreiben, dass der Ort für das Anordnen der Beschleunigungsmesser-Sensoren nicht verfügbar ist. In derartigen Fällen werden die Ausgangssignale der Sensoren unter Verwendung wohlbekannter Prinzipien für ihren jeweiligen geometrischen Versatz vom Schwerpunkt kompensiert.
Außerdem enthält das EPAS-System 100 einen Lenkrad-Drehwinkelsensor 129 zum Messen des Lenkrad-Drehwinkels θ. Vorzugsweise tastet der Lenkrad-Drehwinkelsensor 129 die Winkelposition der Lenkspindel 121 ab, was ein Maß der Winkelposition des Lenkrads 120 schafft. Das EPAS-System kann außerdem die Winkelgeschwindigkeit θ' des Lenkrads 120 überwachen, die durch einen (nicht gezeigten) separaten Sensor gemessen oder durch das Differenzieren des Lenkrad-Positionswinkels θ berechnet werden kann.
Als eine Gesamtvoraussetzung kann das EPAS-System 100 außerdem derartige Fahrzeuginformationen wie die Fahrzeuggeschwindigkeit usw. verwenden, wobei diese Informationen in den elektronischen Systemen der meisten Fahrzeuge im Allgemeinen verfügbar sind. Alle derartigen Informationen können zusätzlich zu den Informationen von den obenerwähnten Sensoren für die weitere Verarbeitung zum Steuersystem 110 geliefert werden.
Die Konfiguration des Steuersystems
In 1 enthält das EPAS-System 100 ein Steuersystem 110, das den Betrag des Unterstützungsdrehmoments steuert, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Elektromotor 115 beaufschlagt wird. Das Steuersystem 110 enthält vorzugsweise eine oder mehrere mikroprozessorgestützte Komponenten, die einen Speicher besitzen, der programmiert ist, um die Steuerroutinen auszuführen, die Eingangssignale zu verarbeiten und die Ausgangssignale zu erzeugen. Diese Komponenten enthalten vorzugsweise geeignete Schnittstellen und Umsetzer, um die Eingangssignale zu empfangen und die Ausgangssignale zu senden.
In 2 ist das Steuersystem 110 vorzugsweise mit einem Generator 200, einer ersten Steuereinheit 210 und möglicherweise einer zweiten Steuereinheit 220 und einer Motorsteuereinheit 230 konfiguriert. Die Motorsteuereinheit 230 kann jedoch keinen Teil des Steuersystems 110, sondern stattdessen einen Teil des EPAS-Systems 100 bilden.
Die Motorsteuereinheit 230 und der Elektromotor 115 sind Standardkomponenten, wobei der Fachmann auf dem Gebiet mehrere geeignete alternative Motorsteuereinheiten und Motoren kennt, wobei deshalb keine ausführliche Beschreibung der Konfiguration der Motorsteuereinheit oder des Motors notwendig ist.
Verschiedene Filter und andere Funktionen können vor oder nach dem Generator 200, der ersten Steuereinheit 210, der zweiten Steuereinheit 220 und der Motorsteuereinheit 230 eingefügt sein, ohne von der Erfindung abzuweichen. Ein Störfilter kann z. B. zwischen der ersten Steuereinheit 210 und der Motorsteuereinheit 230 eingefügt sein, ohne von der Erfindung abzuweichen. Während der Generator 200, die erste Steuereinheit 210 und die zweite Steuereinheit 220 vorzugsweise in Software implementiert sind, sollte klar sein, dass das Steuersystem 110 alternativ verschiedene analoge und/oder digitale Schaltungen enthalten kann, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Generator
In 2 ist der Generator 200 im Steuersystem 110 vorzugsweise ein Referenzgenerator, der abhängig vom aktuellen Fahrszenario ein Referenz- oder Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref berechnet, das durch den Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden sollte. Das berechnete Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref wird durch das Steuersystem 110 als ein Referenzwert verwendet, zu dem hin das Widerstandsdrehmoment T_driver, das durch den Fahrer tatsächlich gefühlt wird, angepasst wird, damit es ihm entspricht oder zu ihm gleich ist, was erreicht wird, indem das Unterstützungsdrehmoment verändert wird, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Elektromotor 115 beaufschlagt wird. Das berechnete Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref basiert vorzugsweise nicht auf irgendeiner Messung, Schätzung und Berechnung, die die Straßenstörungen enthält oder widerspiegelt, oder ist vorzugsweise nicht anderweitig von diesen abhängig.
Die Konfiguration und der Betrieb des Generators
In 4 umfasst der Referenzgenerator 200 vorzugsweise eine Fahrzeugzustands-Schätzeinrichtung 310 und eine Anordnung 320 der inversen Boost-Kurve. Die Zustandsschätzeinrichtung 310 basiert vorzugsweise auf einem Modell der Lenkeigenschaften des betrachteten Fahrzeugs. Die Zustandsschätzeinrichtung 310 empfängt vorzugsweise ein Gierratensignal ω und ein Lenkrad-Drehwinkelsignal θ, die der Gierrate des Fahrzeugs bzw. dem Lenkrad-Drehwinkel des Fahrzeugs entsprechen. Die Zustandsschätzeinrichtung 310 gibt ein Zwischensignal F_rack aus, das einer Schätzung des Gesamtdrehmoments oder der Gesamtkraft entspricht, mit dem bzw. der die Lenkbaugruppe für das Lenken der Fahrbahnräder 127 beaufschlagt werden muss.
Die Gleichung, die den Betrieb der bevorzugten Fahrzeugzustands-Schätzeinrichtung 310 repräsentiert, kann als: Frack = c2x ^(t) (10)geschrieben werden.
Darin ist das Differential von x ^(t) durch die Gleichung
definiert.
Darin ist u(t) der Lenkrad-Drehwinkel θ, ist y(t) die Gierrate ω und ist K die Fehlerrückkopplungsverstärkung.
Der Vektor x ^(t)(t) repräsentiert eine Schätzung der Fahrzeugszustandsvariable, d. h., des Schleuderwinkels, der Gierrate und der Querkräfte auf die Vorder- und Hinterachse. Die Gleichung
wird rekursiv integriert, um x ^(t) zu erhalten. In dieser Hinsicht wird x ^(t) ein Anfangswert oder vorgegebener Wert zugeordnet, wenn die Zustandsschätzeinrichtung 310 den Betrieb beginnt. Ein erster Wert
wird dann entsprechend der obigen Gleichung 20 in Abhängigkeit von ersten gleichzeitig abgetasteten Werten der Variable u(t) bzw. y(t) berechnet. Dieser Wert von
wird dann integriert, um einen ersten Wert von x ^(t) zu erhalten, z. B. durch Multiplizieren von
mit der Zeitdifferenz Δt, die die Zeit repräsentiert, wie zwischen zwei Abtastwerten der Variable u(t) und y(t) verstrichen ist. Der erste Wert von x ^(t) wird dann in Gleichung 20 wiederverwendet, um den zweiten Wert von
in Abhängigkeit von zweiten gleichzeitig abgetasteten Werten der Variable u(t) bzw. y(t) zu berechnen, wobei der zweite Wert von
integriert wird, um einen zweiten Wert von x ^(t) zu erhalten. Diese rekursive Integrationsprozedur wird so lange wiederholt, wie die Zustandsschätzeinrichtung 310 arbeitet.
Die Terme A, B, C₁ und C₂ in Gleichung 20 sind wie folgt definiert:
Darin bezeichnet m die Fahrzeugmasse, J die Fahrzeugträgheit, vx die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, If und Ir die Position des Schwerpunktes des Fahrzeugs von der Vorder- bzw. Hinterachse, cly die nichtstationäre Kontaktfleck-Kurvenfahrt-Steifigkeit, cf und cr die Kurvenfahrt-Steifigkeiten der Vorder- bzw. Hinterachse und tauF und tauR die Zeitkonstanten von diesen Kurvenfahrt-Steifigkeiten.
Das Zwischensignal F_rack, das berechnet wird, wie oben beschrieben worden ist, wird durch die Anordnung 320 der inversen Boost-Kurve empfangen. Das Zwischensignal F_rack bestimmt dann das Ausgangssignal von der inversen Boost-Kurve 320, wobei dieses Ausgangssignal das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment-Signal T_ref ist, das durch das Steuersystem 110 als ein Referenzwert verwendet wird, wodurch das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver so angepasst wird, dass es dem Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref entspricht oder zu ihm gleich ist.
In einer bevorzugten Konfiguration und einem bevorzugten Betrieb umfasst die inverse Boost-Kurve 310 eine gespeicherte Nachschlagetabelle für jede relevante Fahrzeuggeschwindigkeiten v, es kann z. B. eine Tabelle für die Geschwindigkeit von 0 km/h, eine weitere Tabelle für 5 km/h, eine noch weitere Tabelle für 10 km/h usw. gespeichert sein, bis die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs sicher abgedeckt ist. Alternativ kann eine Nachschlagetabelle für jede Zunahme der Geschwindigkeit um 1 km/h gespeichert sein, d. h., falls die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs 200 km/h beträgt, sind wenigstens 200 Tabellen gespeichert. Es kann eine andere Anzahl oder andere Konfigurationen der Nachschlagetabellen geben, ohne von der Erfindung abzuweichen, es könnte z. B. in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen eine hohe Anzahl von Tabellen und in anderen Geschwindigkeitsbereichen eine niedrigere Anzahl von Tabellen geben. Wie bereits erwähnt worden ist, arbeitet die inverse Boost-Kurve 310 in einer derartigen Weise, dass sie das durch die Fahrzeugzustands-Beobachtungseinrichtung 310 berechnete Zwischensignal F_rack empfängt und in Abhängigkeit vom Wert des empfangenen Zwischensignals F_rack ein Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment-Signal T_ref ausgibt.
Der oben beschriebene Referenzgenerator 200 ist lediglich ein beispielhafter Generator. Es gibt eine Anzahl möglicher Wege, um einen Referenzgenerator zu bauen, in denen die zu Grunde liegende Idee darin besteht, ein Soll-Widerstandsdrehmoment zu berechnen, das die Erwartungen der Fahrer für jedes Fahrszenario erfüllt. Ein alternativer Zugang besteht darin, ein analytisch gestütztes Verfahren zu verwenden, z. B. unter Verwendung eines Modells, das ein ideales Fahrzeug repräsentiert. Ein weiterer alternativer Zugang besteht darin, eine messungsgestützte Prozedur zu verwenden, z. B. das Erhalten der relevanten Übertragungsfunktionen des spezifischen Fahrzeugs durch das reale Fahren und das Kanalisieren des Verhaltens dieses Fahrzeugs in den Referenzgenerator durch eine geeignete Nachverarbeitung.
Die erste Steuereinheit
In 2 ist die erste Steuereinheit 210 im Steuersystem 110 vorzugsweise eine Vorwärtsregelungs-Steuereinheit, die die Informationen über das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref empfängt, die durch den Referenzgenerator 200 berechnet werden. Ein vorläufiges Unterstützungsdrehmoment T_assprel wird in Abhängigkeit vom empfangenen Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref durch die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 berechnet.
Die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 ist vorzugsweise eine Filterfunktion, die im Allgemeinen auf einem inversen Modell der Lenksystem-Dynamik des betrachteten Fahrzeugs basiert. Die Konstruktion einer derartigen Vorwärtsregelungs-Steuereinheit fällt in den Bereich der herkömmlichen Steuerungstechnik, wobei einem Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Konstruktionen wohlbekannt sind.
Ein bevorzugtes Beispiel einer Vorwärtsregelungs-Filterfunktion H(s) ist:
Darin ist J_SC die konzentrierte Lenksäulen-Trägheit, b_SC die Lenksäulen-Reibung, k_SC die konzentrierte Lenksäulen-Federsteife und ω_f die Filterfrequenz, wohingegen s den Laplace-Operator repräsentiert.
Wenn die Vorwärtsregelungs-Filterfunktion H(s), wie sie oben veranschaulicht worden ist, verwendet wird, kann ein vorläufiges Unterstützungsdrehmoment T_assprel durch die folgende Formel berechnet werden: Tassprel = H(s)·Tref. (80)
Das vorläufige Unterstützungsdrehmoment T_assprel entspricht dem Unterstützungsdrehmoment, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Elektromotor 115 zu beaufschlagen ist, um das Lenkraddrehmoment um einen Betrag zu verringern, der im Wesentlichen geeignet ist, um den Fahrer das vorher durch den Referenzgenerator 200 berechnete Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref fühlen zu lassen.
Die Vorwärtsregelungs-Filterfunktion H(s) und die Formel zum Berechnen des vorläufigen Unterstützungsdrehmoments T_assprel entsprechen dem Betrieb einer bevorzugten ersten Steuereinheit 210 gemäß der vorliegenden Erfindung. Es können jedoch andere Steuereinheiten verwendet werden, um das gleiche Ergebnis zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtungen dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind.
Die zweite Steuereinheit
Das vorläufige Unterstützungsdrehmoment T_assprel, das berechnet wird, wie oben beschrieben worden ist, wird vorzugsweise eingestellt, bevor es zur Motorsteuereinheit 230 geliefert wird, wobei die Motorsteuereinheit den Elektromotor 115 steuert. Eine derartige Einstellung ist normalerweise notwendig, um die Fehler in dem Modell zu verringern, das durch die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit verwendet wird, und um die Störungen und das Messrauschen zu verringern, die z. B. von den durch das Steuersystem 110 verwendeten Detektoren und Sensoren empfangen werden.
Deshalb wird eine zweite Steuereinheit vorzugsweise in das Steuersystem 110 eingefügt, um mögliche Fehler in der Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 zu kompensieren und zu minimieren und um die Störungen und das Messrauschen zu verringern, was das Risiko der Instabilität beim Betrieb des EPAS-Systems 100 verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform dämpft die zweite Steuereinheit außerdem unerwünschte Straßenstörungen bei einer Garantie der Stabilität im Betrieb des EPAS-Systems 100.
In 2 ist die zweite Steuereinheit 220 im Steuersystem 110 vorzugsweise eine Rückkopplungs-Steuereinheit, die ein Signal T_feedback empfängt. Das Signal T_feedback ist eine Kombination des Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment-Signals T_ref und des T_driver-Signals, wobei das T_driver-Signal dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment entspricht; wobei das Signal T_feedback durch die folgende Formel definiert ist: Tfeedback = Tref – Tdriver (90)
Die Rückkopplungs-Steuereinheit 220 berechnet einen Einstellwert T_adj, der vom empfangenen T_feedback-Signal abhängig ist, entsprechend der folgenden Formel: Tadj = A(s)·Tfeedback (100)
Die Rückkopplungsfunktion A(s) ist vorzugsweise eine Filterfunktion, die z. B. durch die allgemeine Formel:
definiert ist.
Darin sind a_n-1,..., a₁ und b_n-1,..., b₁ die Polynomkoeffizienten des Zähler- und Nennerpolynoms, wohingegen s den Laplace-Operator repräsentiert.
Eine bevorzugte Filterfunktion A(s) mit n = 5 ist:
Es können jedoch andere allgemeine Filterfunktionen und spezielle Implementierungen von diesen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Das Bode-Diagramm der bevorzugten Filterfunktion in der Gleichung 120 ist in 5 gezeigt. Jedes Frequenzintervall im Bereich besitzt seinen spezifischen Zweck, wie in der Figur angegeben ist. Das Intervall 1 besitzt die Aufgabe, den stationären Fehler zu verringern, die Intervalle 2 und 3 sind für die dynamische Leistung hinsichtlich des Fehlers und der Dämpfung verantwortlich, das Intervall 4 entfernt unerwünschte Frequenzen und das Intervall 5 vermeidet den Einfluss vom Messrauschen.
Es ist oben kurz dargelegt worden und es wird hier klar dargelegt, dass die Formel zum Berechnen des Signals T_feedback, die Rückkopplungsfilterfunktion A(s) und die zum Berechnen des Einstellwertes T_adj verwendete Formel den Betrieb einer bevorzugten zweiten Steuereinheit 220 gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Die Erfindung ist deshalb nicht auf die nun beschriebene zweite Steuereinheit eingeschränkt. Andere Steuereinheiten, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, können verwendet werden, um die Fehler und Störungen bei einem verringerten Risiko der Instabilität beim Betrieb des EPAS-Systems 100 zu minimieren. Derartige alternative Steuereinheiten können außerdem verwendet werden, um unerwünschte Straßenstörungen bei einer Garantie der Stabilität beim Betrieb des EPAS-System 100 zu dämpfen.
Nun, wenn das vorläufige Unterstützungsdrehmoment T_assprel und der Einstellwert T_adj berechnet worden sind, wie oben beschrieben worden ist, kann ein Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass berechnet und zur Motorsteuereinheit 230 geliefert werden. Die Berechnung wird vorzugsweise entsprechend der Formel: Tass = Tprel + Tadj (130)ausgeführt.
Es sollte angegeben werden, dass der Einstellwert T_adj das vorläufige Unterstützungsdrehmoment T_assprel sowohl vergrößern als auch verkleinern könnte und es ebenso unbeeinflusst lassen könnte, d. h. das Einstellsignal T_adj könnte negativ, positiv oder null sein.
Die zweite Steuereinheit 220 kann jedoch weggelassen sein, falls mögliche Unzulänglichkeiten in der ersten Steuereinheit 210 ohne Korrekturen in der speziellen Anwendung akzeptiert werden können und falls mögliche Unbestimmtheiten, Störungen oder Fehler in oder von dem speziellen Lenksystem ohne Korrekturen in der speziellen Anwendung akzeptiert werden können.
Wie in 3 gezeigt ist, kann, wenn es in der speziellen Anwendung akzeptabel ist, die zweite Steuereinheit 220 wegzulassen, das Signal T_feedback an die erste Steuereinheit 210 geliefert werden, die abhängig vom Signal T_feedback ein Unterstützungsdrehmoment T_assdir berechnet, das direkt an die Motorsteuereinheit 230 geliefert wird. Die Motorsteuereinheit 230 befiehlt dann dem Motor 115, die Lenkbaugruppe mit einem Unterstützungsdrehmoment zu beaufschlagen, wobei das Unterstützungsdrehmoment dem berechneten Unterstützungsdrehmoment T_assdir entspricht, wodurch das notwendige Lenkraddrehmoment um einen Betrag verringert oder möglicherweise vergrößert wird, der im Wesentlichen geeignet ist, um den Fahrer das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref fühlen zu lassen, das vorher durch den Referenzgenerator 200 berechnet worden ist.
Die Kommunikation innerhalb des Steuersystems
Gemäß einer in 2 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform kommuniziert das Steuersystem 110 in einer derartigen Weise, dass der Elektromotor 115 ein Signal I_motor von der Motorsteuereinheit 230 empfängt, das den Motor 115 veranlasst, die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs mit einem Unterstützungsdrehmoment zu beaufschlagen, wobei das Unterstützungsdrehmoment dem empfangenen Signal I_motor entspricht.
Das durch den Motor 115 empfangene Signal I_motor entspricht wiederum einem Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass, das durch die Motorsteuereinheit 230 empfangen wird. Die Motorsteuereinheit 230 setzt das empfangene Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass in ein Ausgangssignal I_motor um, das an den speziellen Motor 115 angepasst ist. Das Ausgangssignal I_motor von der Motorsteuereinheit 230 ist vorzugsweise ein Strom, es kann jedoch eine Spannung oder irgendein anderes geeignetes Signal sein, das so beschaffen ist, dass es den speziellen Motor befehligt, z. B. ein digitales Befehlswort.
Das empfangene Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass entspricht wiederum einer Summe aus einem vorläufigen Unterstützungsdrehmoments-Signal T_assprel und einem Einstellsignal T_adj, die in einer Summationsanordnung 260 addiert werden. Im Ergebnis gibt die Summationsanordnung 260 das Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass aus. Die Summationsanordnung 260 ist vorzugsweise durch Software und/oder durch integrierte Schaltungen implementiert. Es können jedoch andere Summationsanordnungen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Das vorläufige Unterstützungsdrehmoment-Signal T_assprel hängt wiederum von einem von der Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 empfangenen Soll-Widerstandsdrehmoment-Signal T_ref ab. Die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 berechnet das vorläufige Unterstützungsdrehmoment-Signal T_assprel und gibt es aus, wobei dessen Berechnung oben beschrieben worden ist.
Dieses Einstellsignal T_adj hängt wiederum vom Soll-Widerstendsdrehmoment T_ref und von einem Widerstandsdrehmoment-Signal T_driver ab. Das T_driver-Signal wird in einer Vergleichs- oder Subtraktionsanordnung 270 vom T_ref-Signal subtrahiert, wodurch das Ergebnis dieser Subtraktion durch die Rückkopplungssteuereinheit 220 empfangen wird. Die Rückkopplungssteuereinheit 220 berechnet das Einstellsignal T_adj und gibt es aus, wobei dessen Berechnung oben beschrieben worden ist. Die Vergleichs- oder Subtraktionsanordnung 270 ist vorzugsweise durch Software und/oder durch integrierte Schaltungen implementiert. Es können jedoch andere Anordnungen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Das Soll-Widerstandsdrehmoment-Signal T_ref entspricht wiederum dem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment, das durch den Fahrer gefühlt werden sollte, wobei das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref durch den Referenzgenerator 200 berechnet wird, wie oben beschrieben worden ist.
Das T_driver-Signal entspricht wiederum dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment, d. h. dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment, wenn er das Lenkrad 120 dreht. Das T_driver-Signal kann z. B. durch eine Drehmomentschätzeinrichtungs-Anordnung 128 gemessen werden, wie oben beschrieben worden ist.
Gemäß einer in 3 gezeigten zweiten bevorzugten Ausführungsform kommuniziert das Steuersystem 110 in einer derartigen Weise, dass der Elektromotor 115 ein Signal I_motor von der Motorsteuereinheit 230 empfängt, das den Motor 115 veranlasst, die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs mit einem Unterstützungsdrehmoment zu beaufschlagen, worin das Unterstützungsdrehmoment dem empfangenen Signal I_motor entspricht.
Das vom Motor 115 empfangene Signal I_motor entspricht wiederum einem Unterstützungsdrehmoment-Signal T_ass, das von der Motorsteuereinheit 230 empfangen wird. Die Motorsteuereinheit 230 setzt das empfangene Unterstützungsdrehmoment-Signal T_assdir in ein Ausgangssignal I_motor um, das an den speziellen Motor angepasst ist. Das Ausgangssignal I_motor von der Motorsteuereinheit 230 ist vorzugsweise ein Strom, es kann jedoch eine Spannung oder irgendein anderes geeignetes Signal sein, das so beschaffen ist, dass es den speziellen Motor befehligt, z. B. ein digitales Befehlswort.
Das empfangene Unterstützungsdrehmoment-Signal T_assdir hängt wiederum vom Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref und dem Widerstandsdrehmomentsignal T_driver ab. Das T_driver-Signal wird in einer Vergleichs- oder Subtraktionsanordnung 270 vom T_ref-Signal subtrahiert, wodurch das Ergebnis dieser Subtraktion durch die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 empfangen wird. Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 berechnet das Unterstützungsdrehmoment-Signal T_assdir und gibt es aus, wie oben beschrieben worden ist. Die Vergleichs- oder Subtraktionsanordnung 270 ist vorzugsweise durch Software und/oder durch integrierte Schaltungen implementiert. Es können jedoch andere Anordnungen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Das Soll-Widerstandsdrehmoment-Signal T_ref entspricht wiederum dem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment, das vom Fahrer gefühlt werden sollte, wobei das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref durch den Referenzgenerator 200 berechnet wird, wie oben beschrieben worden ist.
Das T_driver-Signal entspricht wiederum dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment, d. h. dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment, wenn er das Lenkrad 120 dreht. Das T_driver-Signal kann z. B. durch eine Drehmomentschätzeinrichtungs-Anordnung 128 gemessen werden, wie oben beschrieben worden ist.
Der Betrieb des Steuersystems
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist in 2 der Betrieb des Steuersystems 110 so, dass der Referenzgenerator 200 in Abhängigkeit vom aktuellen Fahrszenario ein Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref berechnet, das durch den Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden sollte.
Das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref wird zur Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 geliefert, die ein vorläufiges Unterstützungsdrehmoment T_assprel berechnet, das einem Unterstützungsdrehmoment entspricht, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Elektromotor 115 zu beaufschlagen ist, um das Lenkrad-Widerstandsdrehmoment um einen Betrag zu verringern oder möglicherweise zu vergrößern, der im Wesentlichen geeignet ist, um den Fahrer das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref fühlen zu lassen.
Das vorläufige Unterstützungsdrehmoment T_assprel wird jedoch vorzugsweise durch ein Einstelldrehmoment T_adj eingestellt, das durch die Rückkopplungs-Steuereinheit 220 berechnet wird, wobei dieses Einstelldrehmoment T_adj vom Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref und dem durch den Fahrer tatsächlich gefühlten Widerstandsdrehmoment T_driver abhängt. Dieses Einstelldrehmoment T_adj nimmt zu, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver kleiner als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist, während dieses Einstelldrehmoment T_adj abnimmt, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver höher als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist. Mit anderen Worten, es ist mehr Unterstützungsdrehmoment notwendig, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver kleiner als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist, während weniger Unterstützungsdrehmoment notwendig ist, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver höher als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist.
Eine Summe aus dem vorläufigen Unterstützungsdrehmoment T_assprel und dem Einstelldrehmoment T_adj wird dann an die Motorsteuereinheit 230 geliefert, die dem Elektromotor 115 befiehlt, die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs mit einem Unterstützungsdrehmoment zu beaufschlagen, wobei dieses Unterstützungsdrehmoment dieser Summe aus T_assprel und T_adj entspricht.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist in 3 der Betrieb des Steuersystems 110 so, dass der Referenzgenerator 200 in Abhängigkeit vom aktuellen Fahrszenario ein Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref berechnet, das durch den Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden sollte, wohingegen das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_driver durch die Drehmomentschätzeinrichtung 128 gemessen oder berechnet wird. Der Wert von T_driver wird dann vom Wert T_ref subtrahiert, wodurch mehr Unterstützungsdrehmoment notwendig ist, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver kleiner als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist, während weniger Unterstützungsdrehmoment notwendig ist, falls das durch den Fahrer tatsächlich gefühlte Widerstandsdrehmoment T_driver höher als das Soll-Widerstandsdrehmoment T_ref ist.
Die Vorwärtsregelungs-Steuereinheit 210 empfängt das Ergebnis von dieser Subtraktion und berechnet ein Unterstützungsdrehmoment T_assdir, das dem Unterstützungsdrehmoment entspricht, mit dem die Lenkbaugruppe durch den Elektromotor 115 beaufschlagt werden muss, um das Lenkrad-Widerstandsdrehmoment um einen Betrag zu verringern, der im Wesentlichen geeignet ist, um den Fahrer das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment T_ref fühlen zu lassen.
Das Unterstützungsdrehmoment T_assdir wird dann zur Motorsteuereinheit 230 geliefert, die dem Elektromotor 115 befiehlt, die Lenkbaugruppe des Fahrzeugs mit einem Unterstützungsdrehmoment, das dem Unterstützungsdrehmoment T_assdir entspricht, zu beaufschlagen.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht als durch die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen eingeschränkt betrachtet werden, sondern sie enthält stattdessen alle möglichen Variationen, die durch den Umfang abgedeckt werden, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

100: EPAS-System, Lenksystem
110: Steuersystem
115: Motor
120: Lenkrad
121: Lenkspindel
122: Ritzelwelle
123: Ritzelgetriebe-Baugruppe
124: Zahnstange
125: Zugstangen
126: Verbindungsstangen
127: Fahrbahnräder
128: Drehmomentschätzeinrichtung
129: Lenkrad-Winkelsensor
130: Universalgelenk
200: Generator
210: erste Steuereinheit
220: zweite Steuereinheit
230: Motorsteuereinheit
260: Summationsanordnung
270: Vergleichsanordnung
310: Fahrzeugzustands-Schätzeinrichtung
320: inverse Boost-Kurve

Claims

Steuersystem (110) zum Steuern einer Unterstützungskraft, mit der eine Lenkbaugruppe eines Fahrzeugs beaufschlagt wird, um ein Lenkrad-Widerstandsdrehmoment zu liefern, das von einem Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden kann, wobei: das gelieferte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment gemessen und mit einem geschätzten Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment verglichen wird, woraufhin das gelieferte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment unter Verwendung einer Rückkopplungssteuereinheit so angepasst wird, dass es mit dem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment im Wesentlichen übereinstimmt, indem der Betrag der Unterstützungskraft angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass: das Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment anhand eines Modells geschätzt wird, das auf den Lenkeigenschaften des Fahrzeugs basiert, wobei ein Lenkraddrehwinkelsignal (θ) zusammen mit einem Gierratensignal (ω) oder einem Fahrzeugquerbeschleunigungssignal als Eingangssignale verwendet werden.
Steuersystem (110) nach Anspruch 1, das umfasst: einen Generator (200), der einen Wert eines Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoments bereitstellt.
Steuersystem (110) nach Anspruch 2, das umfasst: eine erste Steuereinheit (210), die einen Wert aus dem Vergleich empfängt und einen Wert einer Unterstützungskraft bereitstellt, der im Wesentlichen der Unterstützungskraft entspricht, die für das gelieferte Lenkrad-Widerstandsdrehmoment erforderlich ist, damit es im Wesentlichen gleich dem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment ist.
Steuersystem (110) nach Anspruch 2 oder 3, das umfasst: eine erste Steuereinheit (210), die einen Wert des Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoments empfängt und einen Wert einer Unterstützungskraft bereitstellt, die im Wesentlichen der Unterstützungskraft entspricht, die für das gelieferte Lenkrad- Widerstandsdrehmoment erforderlich ist, damit es im Wesentlichen gleich dem Soll-Lenkrad-Widerstandsdrehmoment ist.
Steuersystem (110) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem: eine erste Steuereinheit eine Filterfunktion umfasst, die auf einem inversen Modell der Lenkeigenschaften des betrachteten Fahrzeugs basiert.
Steuersystem (110) nach Anspruch 4 oder 5, das umfasst: eine zweite Steuereinheit (220), die einen Wert aus dem Vergleich empfängt und einen Wert für die Einstellung der durch die erste Steuereinheit bereitgestellten vorläufigen Unterstützungskraft bereitstellt.
Steuersystem (110) nach Anspruch 6, bei dem die Einstellung so ausgeführt wird, dass Fehler von der ersten Steuereinheit (210) minimiert werden und Störungen und ein Messrauschen, die von dem Lenksystem (100) empfangen werden, minimiert werden, und dass der Einfluss der Straßenstörungen auf das Lenkrad (120) reduziert wird.
Steuersystem (110) nach Anspruch 3 oder 5, bei dem: der durch die erste Steuereinheit (210) bereitgestellte Wert an eine Motorsteuereinheit (230) weitergegeben wird, um das Unterstützungsdrehmoment, mit dem die Lenkbaugruppe durch einen Motor (115) beaufschlagt wird, zu steuern.
Steuersystem (110) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem: eine Summe der Werte, die durch die erste Steuereinheit (210) und die zweite Steuereinheit (220) bereitgestellt werden, an eine Motorsteuereinheit (230) weitergegeben werden, um das Unterstützungsdrehmoment, mit dem die Lenkbaugruppe durch einen Motor (115) beaufschlagt wird, zu steuern.
Steuersystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: die Lenkbaugruppe eine Wellenanordnung (121, 122, 130) enthält, durch die das Lenkrad (120) mit den Fahrbahnrädern (127) mechanisch gekoppelt ist.
Lenksystem (100) für die Beaufschlagung einer Lenkbaugruppe eines Fahrzeugs mit einer Unterstützungskraft, wobei das Lenksystem (100) ein Steuersystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.