ELEKTRISCHE SERVOLENKANLAGE FÜR EIN FAHRZEUG
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkanlage für
ein Kraftfahrzeug, die einen Elektromotor verwendet, um die
Lenkdrehkraft zu verringern, die von einem Fahrer zum Lenken
des Fahrzeugs aufgebracht werden muß. Insbesondere betrifft
sie eine elektrische Servolenkanlage, die einen sicheren
Betrieb garantieren kann.
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Elektrische Servolenkanlagen für Kraftfahrzeuge sind
wohlbekannt. Bei diesen Anlagen ist ein Elektromotor über eine
Kupplung mit einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeugs
verbunden. Das Aufbringen von Drehkraft durch den Fahrzeugfahrer
auf das Lenkrad wird von einem Drehkraftsensor erfaßt, der
ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Auf der Basis des
Ausgangssignals steuert eine CPU den Elektromotor über eine
Motortreibereinrichtung, um die Lenkspindel in einer
Richtung zu drehen, in der die Drehkraft verringert werden soll,
die der Fahrer aufbringen muß, um das Fahrzeug zu lenken.
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Bei herkömmlichen elektrischen Servolenkanlagen gibt es eine
Reihe von Problemen hinsichtlich der Sicherheit. Wenn
beispielsweise ein Erdschluß in einem Teil der
Motortreibereinrichtung für den Elektromotor vorliegt, ist es möglich, daß
der Elektromotor angetrieben wird, obwohl der Fahrer
überhaupt keine Drehkraft auf das Lenkrad aufbringt. Das führt
zu der äußerst gefährlichen Situation, daß nämlich das
Fahrzeug entgegen dem Willen des Fahrers gelenkt wird.
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Aufgrund eines Problemes mit der Servolenkanlage stimmt
manchmal ein Richtungsbefehlssignal, das der
Motortreibereinrichtung zugeführt wird, nicht mit der Richtung der
Drehkraft überein, die von dem Fahrzeugfahrer auf das
Lenkrad aufgebracht wird. Wenn die Motortreibereinrichtung
normal funktioniert, wird in dieser Situation dem Motor
keine Leistung zugeführt, wenn aber in der
Motortreibereinrichtung
ein Erdschluß vorliegt, kann es geschehen, daß
dem Motor Strom zugeführt wird und die Räder des Fahrzeugs
in einer Richtung eingeschlagen werden, die der von dem
Fahrer gewünschten Richtung entgegengesetzt ist, was
natürlich höchst gefährlich ist.
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Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Elektromotor
eine Drehkraft auf die Lenkspindel auch in Situationen
aufbringen kann, in denen das Hilfskraftlenken ein
Sicherheitsrisiko ist, wenn etwa das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit
fährt und der Fahrer auf das Lenkrad eine große Drehkraft
aufbringt.
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Die EP-0 247 863 beschreibt ein von einem Motor
angetriebenes Servolenksystem, das so gesteuert ist, daß es in einem
nicht von einer Hilfskraft unterstützten manuellen Lenkmodus
arbeitet, wenn ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
feststellt, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit einen vorgegebenen
Pegel überschritten hat, und daß es in einem mit Hilfskraft
unterstützten Modus arbeitet, wenn es feststellt, daß die
Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb des vorgegebenen Pegels
liegt. Es sind Mittel vorgesehen, um zu bewirken, daß das
Lenksystem in dem nicht mit Hilfskraft unterstützten Modus
arbeitet, wenn das Geschwindigkeitsabtast- und -meßsystem
eine Fehlfunktion hat.
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Während ein derartiges Servolenksystem das letzte der oben
erwähnten Probleme behandelt, spricht es die anderen
Probleme nicht an. Der Erfindung liegt die Zielsetzung zu
grunde, diese Situation zu verbessern.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische
Servolenkanlage für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die auch
dann sicher betrieben werden kann, wenn ein Erdschluß einer
Motortreibereinrichtung eintritt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
elektrische Servolenkanlage zur Verfügung zu stellen, die bei
hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten sicher betrieben werden
kann.
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Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben gelöst mit einer
elektrischen Servolenkanlage, die in dem unabhängigen
Anspruch 1 definiert ist.
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer elektrischen
Servolenkanlage.
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Fig. 2 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Systems gemäß
Fig. 1 in weiteren Einzelheiten.
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Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform gemäß
der Erfindung.
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Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Erläuterung der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 in weiteren Einzelheiten.
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Fig. 5 ist ein Diagramm des Ausgangssignals des
Drehkraftsensors 1 aus Fig. 1 als Funktion der auf ein
Lenkrad ausgeübten Drehkraft.
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Fig. 6 ist ein Diagramm der Ausgangsleistung des
Elektromotors als Funktion des Ausgangssignals des
Drehkraftsensors 1.
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In den Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Teile
jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, welches das Konzept des
Aufbaus eines ersten Lenksystems zu Vergleichszwecken
verdeutlicht. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein
Drehkraftsensor 1 vorgesehen, der den Wert und die Richtung der
Drehkraft mißt, die von einem Fahrer auf ein nicht-dargestelltes
Lenkrad aufgebracht wird. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der
Ausgangsspannung
des Drehkraftsensors 1 als Funktion der auf
das Lenkrad aufgebrachten Drehkraft, die nachstehend als
Lenkdrehkraft bezeichnet wird. Der Punkt T0 auf der
horizontalen Achse bezeichnet einen Neutralpunkt, bei dem keine
Drehkraft auf das Lenkrad aufgebracht wird. Ein Wert rechts
von diesem Punkt auf der horizontalen Achse bezeichnet eine
Lenkdrehkraft zum Einschlagen nach rechts, und ein Wert
links von diesem Punkt bezeichnet eine Lenkdrehkraft zum
Einschlagen nach links. T1 und T2 sind Schwellwerte für
Drehkräfte zum Lenken nach links bzw. rechts und bilden
einen Unempfindlichkeitsbereich der Steuerung. Wenn die
Lenkdrehkraft zwischen T1 und T2 liegt, findet keine
Hilfskraftlenkung statt.
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Wenn die Lenkdrehkraft T0, T1 oder T2 ist, erzeugt der
Drehkraftsensor 1 eine Ausgangsspannung V0, V1 bzw. V2.
Innerhalb des Steuerbereiches ist die Ausgangsspannung des
Drehkraftsensors 1 nahezu linear in Bezug auf die gemessene
Lenkdrehkraft.
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Das Ausgangssignal des Drehkraftsensors 1 wird einer
Differenzierungsschaltung 20 und einer CPU 3 zugeführt. Die
Differenzierungsschaltung 20 differenziert das Ausgangssignal
des Drehkraftsensors 1 in Bezug auf die Zeit und liefert das
differenzierte Signal an die CPU 3. Das differenzierte
Signal wird außerdem einem Drehkraftrichtungssensor 22
zugeführt, der die Richtung der auf das Lenkrad aufgebrachten
Lenkdrehkraft bestimmt.
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Die CPU 3 erzeugt zwei Richtungssignale in Form eines
Linksantriebssignals und eines Rechtsantriebssignals, die
einer Motortreibereinrichtung 10 zugeführt werden, die vier
Leistungs-MOSFETs 37 bis 40 aufweist, die in
Brückenschaltung angeordnet sind. Die beiden oberen MOSFETs 35 und 37
sind über ein Sicherheitsrelais 26 und einen
Schlüsselschalter 46 an eine Batterie 36 angeschlossen, während die beiden
unteren MOSFETs 38 und 40 über einen Strommeßwiderstand 12
mit Masse verbunden sind.
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Die Motortreibereinrichtung 10 hat zwei Ausgänge 44 und 45,
die mit den Klemmen eines Elektromotors 14 verbunden sind.
Der Motor 14 kann über eine nicht-gezeigte
elektromagnetische Kupplung, die von einer Kupplungstreibereinrichtung 21
betätigt wird, mit der Lenkspindel verbunden und von dieser
getrennt werden. Die Kupplungstreibereinrichtung 21 wird von
der Batterie 36 über das Sicherheitsrelais 26 und den
Schlüsselschalter 46 mit Strom versorgt.
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Der Motor 14 wird von der CPU 3 über die
Motortreibereinrichtung 10 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des
Drehkraftsensors 1 gesteuert. Fig. 6 zeigt ein Beispiel der
Ausgangscharakteristik des Motors 14. Die horizontale Achse
zeigt das Drehkraftsignal von dem Drehkraftsensor 1, und die
vertikale Achse gibt die Ausgangsleistung des Motors 14 an.
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Wenn die Ausgangsspannung des Drehkraftsensors 1 zwischen V1
und V2 liegt, ist der Motor 14 unwirksam; dies ist die
bereits erwähnte Unempfindlichkeitszone. Wenn die
Ausgangsspannung des Drehkraftsensors 1 zwischen V2 und einer
höheren Spannung V3 liegt, bringt der Motor 14 eine
Rechtsdrehkraft auf die Lenkspindel auf, und die Drehkraft steigt mit
der Ausgangsspannung linear an, bis ein Maximalwert Pmax
erreicht ist. Wenn die Ausgangsspannung des Drehkraftsensors
1 zwischen V1 und einer niedrigeren Spannung V4 liegt,
bringt der Motor 14 eine Linksdrehkraft auf die Lenkspindel
auf, und die Drehkraft steigt mit abnehmender
Ausgangsspannung linear an, bis die Motorausgangsleistung das Maximum
Pmax erreicht. Bei einer Ausgangsspannung, die größer als V3
oder kleiner als V4 ist, bleibt die Motorausgangsleistung
konstant auf Pmax.
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Der gesamte Strom, der durch den Motor 14 fließt, fließt
auch durch den Strommeßwiderstand 12, und der Strom wird von
einem Motorstromsensor 11 gemessen, der mit dem positiven
Ende des Strommeßwiderstandes 12 verbunden ist und die
Spannung über dem Widerstand 12 mißt.
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Die Motoranschlüsse 44 und 45 sind außerdem mit den
Eingängen eines Erdschlußsensors 27 verbunden, der ein hohes
Ausgangssignal an dem einen seiner Ausgänge erzeugt, wenn er
einen Erdschluß der Motortreibereinrichtung 10 feststellt.
Die Ausgangssignale des Erdschlußsensors 27 werden den
ersten Eingängen von zwei UND-Gliedern 29 und 30 über
Zeitgeber T1 und T2 zugeführt.
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Auf der Basis des Ausgangssignals der
Differenzierungsschaltung 20 erzeugt der Drehkraftrichtungssensor 22 zwei
Richtungssignale in Form eines Rechts-Drehkraftsignals und eines
Links-Drehkraftsignals, die die Richtung der Lenkdrehkraft
bezeichnen, die von dem Fahrer auf das Lenkrad aufgebracht
wird. Das Links-Drehkraftsignal von dem
Drehkraftrichtungssensor 22 und das Linksantriebssignal von der CPU 3 werden
den Eingängen von zwei UND-Gliedern 54 und 56 zugeführt. Der
Ausgang des UND-Gliedes 54 ist mit der Steuerelektrode des
MOSFET 38 verbunden, und der Ausgang des UND-Gliedes 56 ist
mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 30 über einen
Inverter 32 verbunden.
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In ähnlicher Weise wird das Rechts-Drehkraftsignal von dem
Drehkraftrichtungssensor 22 und das Rechtsantriebssignal von
der CPU 3 den Eingängen von zwei UND-Gliedern 55 und 57
zugeführt. Der Ausgang des UND-Gliedes 55 ist mit der
Steuerelektrode des MOSFET 40 verbunden, und der Ausgang des UND-
Gliedes 57 ist mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 29
über einen Inverter 33 verbunden.
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Die Ausgänge der UND-Glieder 29 und 30 sind mit den
Eingängen eines ODER-Gliedes 31 verbunden, dessen Ausgang mit dem
Eingang einer Selbsthalteschaltung 24 verbunden ist. Die
Selbsthalteschaltung 24 hält ein Hochpegel- oder
Niedrigpegel-Ausgangssignal,
das einem Relaisunterbrecher 25
zugeführt wird, der das Sicherheitsrelais 26 betätigt.
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Das Sicherheitsrelais 26 hat einen Festkontakt 41a, der mit
der Motortreibereinrichtung 10 und der
Kupplungstreibereinrichtung 21 verbunden ist, und einen weiteren Festkontakt
41b, der mit der positiven Klemme der Batterie 36 über den
Schlüsselschalter 46 verbunden ist. Ein bewegliches
Kontaktstück 42 kann in und außer Kontakt mit den Festkontakten
mittels einer Wicklung 43 bewegt werden, deren Strom von dem
Unterbrecher 25 gesteuert wird. Wenn Strom durch die
Wicklung 43 fließt, ist das bewegliche Kontaktstück 42 in einer
geschlossenen Position. Wenn die Stromzuführung zu der
Wicklung 43 unterbrochen wird, bewegt sich das bewegliche
Kontaktstück 42 in eine offene Position und unterbricht den
Strom von der Batterie 36 sowohl zu der
Motortreibereinrichtung 10 als auch zu der Kupplungstreibereinrichtung 21.
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Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines konkreten Beispiels des
Systems gemäß Fig. 1. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die
Differenzierungsschaltung 20 einen Widerstand R1, der mit
dem Ausgang des Drehkraftsensors 1 verbunden ist, sowie
einen Kondensator C1 auf, der zwischen den Widerstand R1 und
Masse geschaltet ist. Der Drehkraftrichtungssensor 22 weist
zwei Vergleicher IC1 und IC2 auf. Die beiden Eingänge jedes
Vergleichers sind über Kondensatoren C2 bzw. C3 verbunden.
Der positive Eingang des Vergleichers IC1 und der negative
Eingang des Vergleichers IC2 sind mit dem Ausgang der
Differenzierungsschaltung 20 verbunden. Der negative Eingang des
Vergleichers IC1 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den
Widerständen R2 und R3 verbunden, und der positive Eingang
des Vergleichers IC2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen
den Widerständen R3 und R4 verbunden. Die Widerstände R2 bis
R4 sind in Reihe zwischen eine Spannungsquelle und Masse
geschaltet und so gewählt, daß Referenzspannungen V2 und V1,
mit V2 > V1, an die Vergleicher IC1 und IC2 angelegt werden.
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Der Vergleicher IC1 erzeugt ein Rechts-Drehkraftsignal, das
hoch ist, wenn die Lenkdrehkraft nach rechts gerichtet ist,
und der Vergleicher IC2 erzeugt ein Links-Drehkraftsignal,
das hoch ist, wenn die Lenkdrehkraft nach links gerichtet
ist. Das Rechts-Drehkraftsignal und das
Links-Drehkraftsignal werden den ersten Eingängen von Exklusiv-ODER-Gliedern
50 bzw. 51 zugeführt.
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Die CPU 3 erzeugt ein Rechtsantriebssignal und ein
Linksantriebssignal, die den zweiten Eingängen der Exklusiv-ODER-
Glieder 50 bzw. 51 zugeführt werden. Die Ausgangssignale der
beiden Exklusiv-ODER-Glieder 50 und 51 werden dem ersten und
dem zweiten Eingang eines ODER-Gliedes 52 zugeführt. Der
Ausgang des ODER-Gliedes 52 ist mit dem ersten Eingang eines
UND-Gliedes 53 verbunden.
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Die Selbsthalteschaltung 24 umfaßt ein D-Flipflop IC7, und
das Ausgangssignal des UND-Gliedes 53 wird dem T-Eingang des
Flipflops IC7 zugeführt. Der T-Eingang ist über einen
Kondensator C9 mit Masse verbunden. Der D-Eingang des
D-Flipflops IC7 ist mit einer Stromversorgung verbunden, und der
R-Eingang ist mit dem Verbindungspunkt eines Kondensators C8
und einem Widerstand R14 durch einen weiteren Widerstand R13
verbunden. Eine Diode D5 ist parallel mit dem Widerstand R14
mit Masse verbunden. Der Kondensator C8 und der Widerstand
R14 sind in Reihe zwischen die Stromversorgung und Masse
geschaltet.
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Der Unterbrecher 25 weist zwei Transistoren Tr1 und Tr2 auf.
Der Q-Ausgang des D-Flipflops IC7 ist mit der Basis des
Transistors Tr1 durch einen Widerstand R15 verbunden, und
ein weiterer Widerstand R16 ist zwischen Basis und Emitter
des Transistors Tr1 geschaltet. Der Kollektor des
Transistors Tr1 ist mit der Basis des Transistors Tr2 verbunden.
Der Emitter des Transistors Tr2 ist geerdet, und sein
Kollektor ist mit der Wicklung 43 verbunden, die das bewegliche
Kontaktstück 42 des Sicherheitsrelais 26 treibt.
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Der Erdschlußsensor 27 weist vier Vergleicher IC3 bis IC6
auf. Der positive Anschluß M+ (zu dem während eines
Rechtslenkvorganges Strom fließt) und der negative Anschluß M- (zu
dem während eines Linkslenkvorganges Strom fließt) des
Elektromotors 14 sind mit den negativen Eingängen der
Vergleicher IC3 bzw. IC4 über Widerstände R5 bzw. R6 verbunden.
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Die positiven Eingänge der Vergleicher IC3 und IC4 sind
miteinander und mit dem Verbindungspunkt von zwei Widerständen
R7 und R8 verbunden. Die beiden Widerstände R7 und R8 sind
in Reihe zwischen eine Stromversorgung und Masse geschaltet
und so gewählt, daß die Spannung, die an die positiven
Eingänge der Vergleicher IC3 und IC4 angelegt wird, ein
gewünschter Referenzwert ist, beispielsweise etwa 1,2 V.
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Die negativen Eingänge der Vergleicher IC3 und IC4 sind über
Kondensatoren C4 bzw. C5 mit Masse verbunden. Die Ausgänge
der Vergleicher IC3 und IC4 sind mit den positiven Eingängen
von Vergleichern IC5 und IC6 verbunden. Die positiven
Eingänge der Vergleicher IC5 und IC6 sind über Kondensatoren C6
und C7 mit Masse verbunden. Die negativen Eingänge der
Vergleicher IC5 und IC6 sind miteinander und mit dem
Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10 verbunden. Die
Widerstände R9 und R10 sind zwischen eine Stromversorgung und
Masse geschaltet und so gewählt, daß den negativen Eingängen
der Vergleicher IC5 und IC6 eine gewünschte Referenzspannung
zugeführt wird.
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Die Ausgänge der Vergleicher IC5 und IC6 sind mit einer
Stromversorgung über Widerstände R11 bzw. R12 verbunden und
sind außerdem mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 53
über Dioden D3 und D4 verbunden.
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Als nächstes wird der Betrieb des Systems gemäß Fig. 1 und 2
beschrieben. Wenn der Fahrer des Fahrzeugs eine Drehkraft
auf das Lenkrad aufbringt, wird die aufgebrachte Drehkraft
von dem Drehkraftsensor 1 erfaßt, der eine entsprechende
Ausgangsspannung erzeugt. Sein Ausgangssignal wird von der
Differenzierungsschaltung 20 differenziert und der CPU 3 und
dem Drehkraftrichtungssensor 22 zugeführt.
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Die CPU 3 erhält das Drehkraftsignal von dem Drehkraftsensor
1 und bestimmt auf der Basis des Wertes des Drehkraftsignals
sowohl die Richtung als auch den Betrag der Drehkraft. Die
CPU 3 gibt dann an die Motortreiberschaltung 10 ein
Rechtsantriebssignal oder ein Linksantriebssignai ab, das die
Richtung der von dem Motor 14 aufzubringenden Drehkraft
bezeichnet.
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Infolgedessen treibt die Motortreibereinrichtung 10 den
Motor 14 nach rechts oder nach links, um so eine Drehkraft zu
erzeugen, die dem Drehkraftsignal von dem Drehkraftsensor 1
nahezu proportional ist. Der Motor 14 bringt durch die
nicht-gezeigte Kupplung eine Drehkraft auf die Lenkspindel
auf und verringert die Drehkraft, die vom Fahrer selbst
aufzubringen ist.
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Der durch den Motor 14 fließende Strom fließt durch den
Meßwiderstand 12, und eine dem Strom entsprechende Spannung
wird über den Enden des Meßwiderstandes 12 erzeugt. Die
Spannung über dem Meßwiderstand 12 wird dem Motorstromsensor
11 zugeführt, und dadurch wird der Motorstrom gemessen.
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Die MOSFETs 38 und 40 werden von den Ausgangssignalen von
UND-Gliedern 54 bzw. 55 gesteuert. Diese UND-Glieder
erzeugen nur dann ein Hochpegel-Ausgangssignal, wenn das
Richtungs-Ausgangssignal von dem Drehkraftrichtungssensor 22 mit
dem entsprechenden Richtungs-Ausgangssignal von der CPU 3
übereinstimmt. Wenn daher eines der
Richtungs-Ausgangssignale des Drehkraftrichtungssensors 22 nicht mit dem
entsprechenden Richtungsantriebssignal von der CPU 3
übereinstimmt, werden die MOSFETs 38 und 40 nicht angesteuert, die
Motortreibereinrichtung 10 wird an einem Betrieb gehindert,
und dem Motor 14 wird kein Strom zugeführt.
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Wenn das Links-Drehkraftsignal des Drehkraftrichtungssensors
22 nicht mit dem Linksantriebssignal von der CPU 3
übereinstimmt, erzeugt das UND-Glied 56 ein
Niedrigpegel-Ausgangssignal, und das Ausgangssignal des Inverters 32 wird hoch,
um eine Nichtübereinstimmung der Linksrichtungssignale zu
bezeichnen. Wenn das Rechts-Drehkraftsignal des
Drehkraftrichtungssensors 22 nicht mit dem Rechtsantriebssignal von
der CPU 3 übereinstimmt, erzeugt das UND-Glied 57 ebenso ein
Niedrigpegel-Ausgangssignal, und das Ausgangssignal des
Inverters 33 wird hoch, um eine Nichtübereinstimmung der
Rechtsrichtungssignale zu bezeichnen.
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Wenn ein Erdschluß der Motortreibereinrichtung 10 von dem
Erdschlußsensor 27 erfaßt wird, legt der Erdschlußsensor 27
ein hohes Ausgangssignal an das UND-Glied 29 oder 30 nach
einer vorgegebenen Verzögerung an, die von dem Zeitgeber 34
oder 35 erzeugt wird.
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Wenn eines der UND-Glieder 29 und 30 den Hochpegel annimmt,
wird bestimmt, daß eine Nichtübereinstimmung der
Richtungssignale und ein Erdschluß gleichzeitig vorliegen, und das
Ausgangssignal des ODER-Gliedes 31 nimmt den Hochpegel an.
Wenn das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 31 den Hochpegel
annimmt, nimmt das Ausgangssignal der Selbsthalteschaltung
24 den Niedrigpegel an, und der Unterbrecher 25 unterbricht
den Strom zu der Wicklung 43 des Sicherheitsrelais 26. Wenn
die Wicklung 43 aberregt wird, dann wird das bewegliche
Kontaktstück 42 von den Festkontakten 41a und 41b getrennt, die
Kupplungstreibereinrichtung 21 und die
Motortreibereinrichtung 10 werden stromlos, und das Lenkrad wird manuell
betätigt.
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Wenn der Schlüsselschalter 46 geschlossen wird, bewegt sich
das bewegliche Kontaktstück 42 in seine Schließposition. In
folgedessen kann der Motortreibereinrichtung 10 und der
Kupplungstreibereinrichtung 21 Strom von der Batterie 36
zugeführt werden, der Motor 14 wird mit der Lenkspindel
durch die nicht-gezeigte Kupplung verbunden, und der Motor
14 kann den Lenkvorgang unterstützen.
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Als nächstes wird der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten
Schaltung erläutert. Das Drehkraftsignal von dem Drehkraftsensor
1 wird der Differenzierungsschaltung 20 zugeführt, und das
differenzierte Signal wird den positiven Eingängen der
Vergleicher IC1 und 1C2 des Drehkraftrichtungssensors 22
zugeführt.
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Die Vergleicher IC1 und IC2 vergleichen das Ausgangssignal
der Differenzierungsschaltung 20 mit den Referenzspannungen
V1 bzw. V2. Wenn das differenzierte Signal größer als die
oder gleich der Referenzspannung V2 ist, nimmt das
Ausgangssignal des Vergleichers IC1 den Hochpegel an, um anzuzeigen,
daß das Lenkrad nach rechts eingeschlagen wird. Wenn das
differenzierte Signal kleiner als die oder gleich der
Referenzspannung V1 ist, nimmt das Ausgangssignal des
Vergleichers IC2 den Hochpegel an, um anzuzeigeng daß das Lenkrad
nach links eingeschlagen wird.
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Wenn der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers IC1
nicht mit dem Pegel des Rechtsantriebssignals der CPU 3
übereinstimmt, nimmt das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-
Gliedes 50 den Hochpegel an, um die Nichtübereinstimmung
anzuzeigen. Wenn der Pegel des Ausgangssignals des
Vergleichers IC2 nicht mit dem Pegel des Linksantriebssignals der
CPU 3 übereinstimmt, nimmt ebenso das Ausgangssignal des
Exklusiv-ODER-Gliedes 51 den Hochpegel an, um
Nichtübereinstimmung anzuzeigen. Wenn eines der Glieder 50 und 51 den
Hochpegel annimmt, dann nimmt das Ausgangssignal des ODER-
Gliedes 52 ebenfalls den Hochpegel an.
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Die Vergleicher IC3 und IC4 des Erdschlußsensors 27
vergleichen die positive Motorklemmenspannung bzw. die negative
Motorklemmenspannung mit einer Referenzspannung von
beispielsweise
1,2 V, die durch die Widerstände R7 und R8 bestimmt
ist.
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In dem Zustand, in dem ein Lenken nach rechts aufgrund einer
Nichtübereinstimmung des Rechts-Drehkraftsignals des
Drehkraftrichtungssensors 22 und des Rechtsantriebssignals der
CPU 3 unterbunden ist, wird dann, wenn die Eingangsspannung
an dem negativen Eingang des Vergleichers IC3 kleiner als
die oder gleich der Referenzspannung von ca. 1,2 V ist,
bestimmt, daß der Leistungs-MOSFET 38 der
Motortreibereinrichtung 10 kurzgeschlossen ist, und das Ausgangssignal des
Vergleichers IC3 wird hoch. Dieses hohe Ausgangssignal wird
dem positiven Eingang des Vergleichers IC5 zugeführt. Da der
Kondensator C6 mit dem positiven Eingang des Vergieichers
IC5 verbunden ist, kann der positive Eingang des
Vergleichers IC5 erst nach einer vorbestimmten Verzögerung, von
ungefähr 0,5 Sekunden, von Niedrigpegel auf Hochpegel gehen.
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Wenn die Eingangsspannung zu dem positiven Eingang des
Vergleichers IC5 eine Referenzspannung überschreitet, die
von den Widerständen R9 und R10 bestimmt ist, wird das
Ausgangssignal des Vergleichers IC5 hoch, und dieses
Ausgangssignal wird durch die Diode D3 als Eingangssignal dem
UND-Glied 53 zugeführt.
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In ähnlicher Weise wird in einem Zustand, in dem ein Lenken
nach links aufgrund einer Nichtübereinstimmung des
Linksdrehkraftsignals des Drehkraftrichtungssensors und des
Linksantriebssignals der CPU 3 unterbunden ist, wenn die
Eingangsspannung zum negativen Eingang des Vergleichers IC4
kleiner als die oder gleich der Referenzspannung von
ungefähr 1,2 V ist, bestimmt, daß der Leistungs-MOSFET 40 der
Motortreibereinrichtung 10 kurzgeschlossen ist, und das
Ausgangssignal des Vergleichers IC4 nimmt den Hochpegel an. Das
Ausgangssignal des Vergleichers IC4 wird als Eingangssignal
dem Vergleicher IC6 zugeführt. Der positive Eingang des
Vergleichers IC6 erreicht einen Hochpegel nach einer
vorgegebenen
Verzögerung, die durch den Kondensator C7 erzeugt wird,
und das Ausgangssignal des Vergleichers IC7 nimmt dann den
Hochpegel an. Über die Diode D4 wird das Ausgangssignal des
Vergleichers IC6 als Eingangssignal dem UND-Glied 53
zugeführt.
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Wenn der T-Eingang (der Takteingang) vom Niedrigpegel auf
den Hochpegel übergeht, tritt ein Niedrigpegel an dem
Q-Ausgang auf, und aufgrund dieses niedrigen Ausgangssignals
wird der Transistor Tr1 des Unterbrechers 25 ausgeschaltet,
der Transistor Tr2 wird angesteuert, das bewegliche
Kontaktstück 42 des Sicherheitsrelais 26 wird in eine Offenposition
bewegt, die Motortreibereinrichtung 10 und die
Kupplungstreibereinrichtung 21 werden von der Batterie 36 getrennt,
und die Abtriebswelle des Motors 14 wird von der Lenkspindel
getrennt. Infolgedessen kann der Motor 14 den Lenkvorgang
nicht unterstützen, und das Lenken muß manuell durchgeführt
werden.
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Bei dem System der Fig. 1 und 2 wird also immer dann, wenn
eine Nichtübereinstimmung zwischen der Drehrichtung des
Lenkrades durch den Fahrer und den Richtungsantriebssignalen
von der CPU 3 besteht und in der Motortreibereinrichtung 10
ein Erdschluß vorliegt, durch das Sicherheitsrelais 26
automatisch die Stromzuführung zum Motor 14 unterbrochen, und
das Lenkrad wird in den manuellen Lenkzustand
zurückgebracht, so daß dadurch ein sicherer Betrieb garantiert ist.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform gemäß
der Erfindung, bei der ein Sicherheitsrelais 26 in
Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Wert der
Drehkraft gesteuert wird, die auf das Lenkrad aufgebracht wird.
In Fig. 3 sind die gleichen Elemente wie in Fig. 1 mit den
gleichen Symbolen bezeichnet, so daß eine Erläuterung dieser
Bauelemente, die auch bei der ersten Ausführungsform
vorhanden sind, entbehrlich erscheint.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind der
Erdschlußsensor 27, die Zeitgeber 34 und 35, die UND-Glieder 29 und 30,
die Inverter 32 und 33 sowie das ODER-Glied gemäß Fig. 1
weggelassen. Stattdessen ist ein
Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor 40A vorgesehen. Der Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor
40A erzeugt ein Ausgangssignal, das der
Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, und dieses Signal wird einer
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A zugeführt,
die bestimmt, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb
bestimmter Fahrzeuggeschwindigkeitsbereiche liegt, und die
entsprechende Ausgangssignale erzeugen. Außerdem ist der
Drehkraftrichtungssensor 22 gemäß Fig. 1 ersetzt durch eine
Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A, die ein
Ausgangssignal erzeugt, welches dem Wert des Signals von dem
Drehkraftsensor 1 entspricht.
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Das Ausgangssignal des Drehkraftsensors 1 wird dieser
Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A zugeführt, und das
Ausgangssignal der Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42
wird einer Zeitbegrenzungseinrichtung 43A zugeführt.
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Das Ausgangssignal der
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A und das Ausgangssignal der
Zeitbegrenzungseinrichtung 43A werden einem UND-Glied 44A zugeführt.
Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 44A wird der
Selbsthalteschaltung 24 zugeführt. Der Aufbau dieser Ausführungsform
ist im übrigen der gleiche wie der bei dem System gemäß Fig.
1.
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Fig. 4 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung des Aufbaus
eines konkreten Beispiels der Selbsthalteschaltung 24, des
Unterbrechers 25, der
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A und der
Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A gemäß Fig. 3. Die Selbsthalteschaltung 24 und
der Unterbrecher 25 sind die gleichen wie in Fig. 2, so daß
eine erneute Erläuterung dieser Komponenten entbehrlich
erscheint.
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Die Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A weist zwei
Vergleicher IC8 und IC9 auf. Das Ausgangssignal vom
Drehkraftsensor 1 wird an den positiven Eingang des Vergleichers
IC8 und den negativen Eingang des Vergleichers IC9 über
einen Widerstand R42a zugeführt. Der positive Eingang und
der negative Eingang der Vergleicher IC8 bzw. IC9 sind über
einen Kondensator C42a mit Masse verbunden.
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Der negative Eingang des Vergleichers IC8 ist mit der
Verbindung zwischen den Widerständen R42b und R42c verbunden,
und die Spannung V42a an dieser Verbindung wird an den
negativen Eingang als Referenzspannung angelegt. Widerstände
R42b und R42c sind in Reihe zwischen eine Stromversorgung
und Masse geschaltet.
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In ähnlicher Weise ist der positive Eingang des Vergleichers
IC9 mit der Verbindung von Widerständen R42d und R42e
verbunden, und eine Referenzspannung V42b wird daran angelegt.
Die Widerstände R42d und R42e sind in Reihe zwischen eine
Stromversorgung und Masse geschaltet.
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Der Ausgang des Vergleichers IC8 ist über einen Widerstand
R42f an eine Stromversorgung angeschlossen und über einen
Kondensator C42b mit Masse verbunden. In ähnlicher Weise ist
der Ausgang des Vergleichers IC9 über einen Widerstand R42g
mit einer Stromversorgung verbunden und über einen
Kondensator C42c mit Masse verbunden.
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Der Ausgang des Vergleichers IC8 und der Ausgang des
Vergleichers IC9 sind an den positiven Eingang eines weiteren
Vergleichers IC10 über Dioden D42a bzw. D42b angeschlossen
und über einen Widerstand R42h mit Masse verbunden.
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Der negative Eingang des Vergleichers IC10 ist mit der
Verbindung eines Widerstandes R101 mit Widerständen R102 und
R104 verbunden. Der Ausgang des Vergleichers IC10 ist über
einen Widerstand R103 mit einer Stromversorgung verbunden
sowie über eine Diode D101 mit dem T-Eingang des D-Flipflops
IC7 der Selbsthalteschaltung 24 verbunden.
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Die Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A
weist eine integrierte Schaltung IC11 auf, die einen
Frequenz/Spannungs-Wandler F/V und zwei Vergleicher IC12 und
IC13 aufweist. Das Ausgangssignal des
Geschwindigkeitssensors 40A wird an den Eingang des Frequenz/Spannungs-Wandlers
F/V über einen Widerstand R41a angelegt. In der
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A bezeichnen
die Bezugszeichen R41b bis R41g Widerstände und die
Bezugszeichen C41a bis C41d Kondensatoren. Der Vergleicher IC12
hat einen Ausgang θ1, der über Widerstände R102 und R101 mit
Masse verbunden ist, und der Vergleicher IC13 hat einen
Ausgang θ2, der über den Widerstand R104 mit dem negativen
Eingang des Vergleichers IC10 verbunden ist.
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Das Ausgangssignal des Frequenz/Spannungs-Wandlers F/V wird
an die negativen Eingänge der Vergleicher IC12 und IC13
angelegt. Der positive Eingang des Vergleichers IC12 ist mit
der Verbindung zwischen den Widerständen R41f und R41g
verbunden, und der positive Eingang des Vergleichers IC13 ist
mit der Verbindung zwischen den Widerständen R41d und R41e
verbunden.
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Während des Betriebes der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird
das Ausgangssignal vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 40A
der Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A
zugeführt, und die
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41a erzeugt ein Ausgangssignal, das dem
Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs entspricht, und zwar
gemäß der Angabe durch das Signal von dem
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 40A. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen
bestimmten Wert überschreitet, dann gibt die
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A ein Signal mit
hohem Pegel an das UND-Glied 44A ab.
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Die Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A erzeugt ein
Ausgangssignal, das dem Bereich des Drehmomentes entspricht,
das auf das Lenkrad aufgebracht wird, und zwar gemäß der
Angabe des Ausgangssignals von dem Drehkraftsensor 1. Wenn der
Drehmomentpegel einen vorgegebenen Wert für eine vorgegebene
Zeitdauer überschreitet, die von der
Zeitbegrenzungseinrichtung 43A bestimmt ist, dann geht das Ausgangssignal der
Zeitbegrenzungseinrichtung 43A auf hohen Pegel, welcher dem
UND-Glied 44A zugeführt wird. Wenn das Ausgangssignal des
UND-Gliedes 44A auf hohen Pegel geht, dann geht das
Ausgangssignal der Selbsthalteschaltung 24 auf niedrigen Pegel
und bewirkt, daß der Unterbrecher 25 die Wicklung 43 des
Sicherheitsrelais 26 aberregt und die Stromversorgung zur
Motortreibereinrichtung 10 und zur Kupplungstreibereinrichtung
21 unterbricht. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im
übrigen der gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 1.
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Als nächstes wird der Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 4
näher erläutert. Das Ausgangssignal des
Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 40A wird dem Frequenz/Spannungs-Wandler F/V der
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A
zugeführt, und ein Analogsignal mit einer Spannung, die der
Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, wird erzeugt und den
Vergleichern IC12 und IC13 zugeführt. Diese Spannung wird
verglichen mit den Referenzspannungen, die an die positiven
Eingänge der beiden Vergleicher IC12 und IC13 angelegt
werden. Jeder Vergleicher erzeugt ein Ausgangssignal mit
niedriger Spannung, wenn die Eingangsspannung von dem
Frequenz/Spannungs-Wandler F/V die entsprechende Referenzspannung
überschreitet.
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Das Drehkraftsignal von dem Drehkraftsensor 1 wird dem
positiven Eingang des Vergleichers IC8 und dem negativen Eingang
des Vergleichers IC9 der
Drehmomentpegel-Bestimmungseinrichtung 42A zugeführt, und die Vergleicher IC8 und IC9
bestimmen den Pegel des Lenkdrehmomentes nach rechts oder links.
Der Pegel des Linksdrehmomentes wird durch den Pegel des
Vergleichers IC8 bestimmt. Wenn die Eingangsspannung an
seinem positiven Eingang kleiner ist als die Referenzspannung
V42a, die von den Werten der Widerstände R42b und R42c
bestimmt ist, dann ändert sich das Ausgangssignal des
Vergleichers IC8 von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel.
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Der Pegel des Rechtslenkdrehmomentes wird von dem
Vergleicher IC9 bestimmt. Wenn die Eingangsspannung an seinem
negativen Eingang größer ist als die Referenzspannung V42b,
welche von den Werten der Widerstände R42d und R42e bestimmt
ist, dann ändert sich das Ausgangssignal des Vergleichers
IC9 von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel.
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Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v sich innerhalb eines
Bereiches von v2 > v > v1 liegt, dann geht das Ausgangssignal
am Ausgang θ1 des Vergleichers IC12 der
Fahrzeuggeschwindigkeitspegel-Bestimmungseinrichtung 41A auf niedrigen Pegel,
und eine Referenzspannung E1 mit einem Wert, der von den
Werten der Widerstände R101 und R102 bestimmt ist, wird an
den negativen Eingang des Vergleichers IC10 angelegt.
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Wenn entweder das Linksdrehmoment oder das
Rechtslenkdrehmoment einen vorgegebenen Pegel überschreitet, der bestimmt
ist von den Referenzspannungen V42a und V42b, dann geht der
Ausgang des Vergleichers IC8 bzw. IC9 auf niedrigen Pegel.
Daher geht auch das Ausgangssignal des Vergleichers IC10 auf
niedrigen Pegel.
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Das Ausgangssignal des Vergleichers IC10 wird an den
T-Eingang des D-Flipflops der Selbsthalteschaltung 24 angelegt,
so daß dann, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers IC10
auf niedrigen Pegel geht, das Ausgangssignal von dem
Q-Ausgang des Flipflops IC7 auf niedrigen Pegel geht. Somit wird
der Transistor Tr1 des Unterbrechers 25 eingeschaltet und
der Transistor Tr2 abgeschaltet, und das bewegliche
Kontaktstück 42 des Sicherheitsrelais 26 bewegt sich in eine offene
Position. Infolgedessen wird die Stromversorgung für die
Motortreibereinrichtung 10 und die Kupplungstreibereinrichtung
21 abgeschaltet, und der Lenkvorgang wird manuell
durchgeführt.
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Die Kondensatoren C42b und C42c an den Ausgängen der
Vergleicher IC8 und IC9 bilden die Zeitbegrenzungseinrichtung
43A. Damit das Eingangssignal für den positiven Eingang des
Vergleichers IC10 auf niedrigen Pegel geht, ist es
erforderlich, daß die Ausgangssignale vom Vergleicher IC8 oder IC9
auf niedrigem Pegel für die Entladungszeiten der
Kondensatoren C42b bzw. C42c bleiben. Das bedeutet, daß das
Lenkdrehmoment mit zumindest einem vorgegebenen Pegel für mindestens
eine vorgegebene Zeitdauer aufgebracht werden muß, damit der
Unterbrecher 25 aktiviert wird.
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Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v in dem Bereich von
v3 > v > v2 liegt, arbeitet der Vergleicher IC13 anstelle
vom Vergleicher IC12, und ein Signal mit niedrigem Pegel
wird von dem Ausgang θ2 anstatt vom Ausgang θ1 abgegeben.
Wenn der Pegel des Ausgangs θ2 auf niedrigen Pegel geht,
dann erscheint eine Referenzspannung E2 an dem negativen
Eingang des Vergleichers IC10. Der Widerstand R104 wird so
gewählt, daß die Referenzspannung E2 größer als die
Referenzspannung E1 ist. Somit ist die Verzögerungszeit zwischen
dem Zeitpunkt, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers IC8
oder IC9 auf niedrigen Pegel geht und wenn der Vergleicher
IC10 auf niedrigen Pegel geht, kürzer als in dem oben
beschriebenen unteren Geschwindigkeitsbereich. Dementsprechend
wird das Sicherheitsrelais 26 geöffnet, nachdem das
Lenkdrehmoment einen vorgegebenen Pegel für eine kürzere
Zeitdauer überschritten hat.
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Beispiele für die Zustände, unter denen das
Sicherheitsrelais 26 geöffnet wird, sind folgende:
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(i) Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit v einen Wert von
km/h > v > 10 km/h hat und das Lenkdrehmoment (nach
links oder nach rechts) > 290 kg cm für eine Zeitdauer
von mindestens etwa 0,4 bis 0,6 Sekunden beträgt.
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(ii) Wenn die Fahreuggeschwindigkeit v einen Wert von
45 km/h > v > km/h hat und das Lenkdrehmoment (nach
5 links oder nach rechts) > 90 kg cm für eine Zeitdauer
von mindestens etwa 0,1 bis 0,3 Sekunden beträgt.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird somit bei
Fahrzeuggeschwindigkeiten, bei denen eine Lenkkraftunterstützung
gefährlich sein kann wenn der Fahrer ein hohes Drehmoment auf
das Lenkrad für mindestens eine vorgegebene Zeitdauer
aufbringt, der Motor 14 automatisch von der Lenkspindel
getrennt und das Lenkrad wieder in den manuellen Betrieb
gebracht. Die Sicherheit des Lenksystems bei höheren
Geschwindigkeiten wird somit erhöht.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform bringt der
Elektromotor 14 ein Drehmoment auf die Lenkspindel des Fahrzeugs
auf, um den Fahrer zu unterstützen. Solange jedoch der Motor
14 das Drehmoment verringern kann, welches von dem Fahrer
aufgebracht werden muß, kann er an jedes geeignete Teil des
Lenkgetriebes angeschlossen sein, wie z.B. eine
Lenkzahnstange, wobei die gleichen Wirkungen erzielt werden.