HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Lenken des Lenkwinkels
von Hinterrädern eines vierradgelenkten Fahrzeugs, wie eines Automobils o.a.,
durch Verwenden eines Elektromotors entsprechend dem Fahrzustand des
Fahrzeugs, d.h., einem Drehwinkel eines Lenkrades, etc.
Beschreibung des Standes der Technik
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Intensive Forschung und Entwicklung für ein Vierrad-Lenksystem wurde
betrieben zum Lenken der Hinterräder eines Fahrzeugs entsprechend dem Fahrzustand,
und gegenwärtig sind einige Arten des Systems in der praktischen Anwendung.
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Bei einem jetzt praktisch eingesetzten Vierrad-Lenksystem, wie es z.B. in der JP-
A-1-22675 offenbart ist, wird, wenn das Fahrzeug mit einer niedrigeren
Geschwindigkeit fährt als eine vorbestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit, ein
Drehverhältnis zwischen den vorderen und den hinteren Rädern eingestellt, so daß ein
Lenkwinkel der Hinterräder die entgegengesetzte Phase zu demjenigen der
Vorderräder erhält. Wenn andererseits das Fahrzeug mit einer höheren
Geschwindigkeit als der vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit fährt, wird das
Drehverhältnis so eingestellt, daß der Lenkwinkel der Hinterräder die gleiche Phase wie
derjenige der Vorderräder erhält. Fig. 3 ist ein konkretes Beispiel der bei dem
bekannten Vierrad-Lenksystem eingestellten Drehverhältnis.
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Ein Hauptvorteil des vierradgelenkten Fahrzeugs ist es, die Seitenführungskraft
etwa gleichzeitig auf die Vorderreifen und die Hinterreifen wirken zu lassen.
Daher ist es einem vierradgelenkten Fahrzeug möglich, sich schneller als ein
vorderradgelenktes Fahrzeug in einer Querrichtung zu bewegen, wenn der
Bediener ein Lenkrad betätigt. Mit anderen Worten, wenn die vorderen und
hinteren Räder bei niedrigen Geschwindigkeiten mit entgegengesetzter Phase
gedreht werden und in gleicher Phase bei hohen Geschwindigkeiten mit einem
geeigneten Drehverhältnis, beginnt das Fahrzeug in einer früheren Stufe zu
drehen und verringert dadurch eine Verzögerung in der Querbeschleunigung nach
Drehen des Lenkrades. Dies verwirklicht als Wirkungen in der praktischen
Anwendung die Möglichkeit einer engen Drehung bei niedrigen
Geschwindigkeiten und eine Möglichkeit der Gefahrvermeidung bei hohen Geschwindigkeiten,
etc.
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Die den nächstkommenden Stand der Technk bildende US-A-4 836 319
offenbart gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ein Steuergerät zur Verwendung
in einem Motorfahrzeug, wodurch der momentane Lenkwinkel eines
Fahrzeugrades so gesteuert wird, daß er gleich einem Ziellenkwinkel ist. Das bekannte
Steuergerät beinhaltet einen Lenkmechanismus zum Regulieren eines
Lenk-Winkels des Fahrzeugrades in Übereinstimmung mit einem Eingangssignal dafür, ein
Gerät zum Bestimmen eines Ziellenkwinkels des Rades gemäß dem Fahrzustand
des Fahrzeugs, einem Gerät zum Erhalten der Differenz zwischen dem
bestimmten Ziellenkwinkel und dem momentanen Lenkwinkel des Rades und ein Gerät
zum Berechnen einer Lenk-Winkelgeschwindigkeit auf der Basis des momentanen
Lenkwinkels. Ein Steuergerät berechnet wenigstens zwei Schaltfunktionen auf
der Basis der erhaltenen Differenz und der berechneten
Lenk-Winkelgeschwindigkeit zum Erhalten einer Umschaltlinie auf der Basis der berechneten
Umschaltfunktionen. Ein Lenksignal wird als das Eingangssignal für den Lenkmechanismus
erzeugt, so daß die erhaltene Differenz und die berechnete
Lenk-Winkelgeschwindigkeit unter der Beschränkung der erhaltenen Umschaltlinie jeweils
gegen Null konvergieren.
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Die Charakteristik und die Reaktion eines Elektromotors variieren jedoch bei der
bekannten Vierradlenkvorrichtung der zuvor erwähnten Anordnung mit der Zeit,
wodurch die Stabilität der Hinterräder unerwünscht gefährdet wird.
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Wenn die Rotation des Elektromotors instabil wird, mit Auslösen von Vibrationen
(dadurch wird der Elektromotor am Anhalten an einer festgelegten Position
gehindert), werden die Hinterräder unstetig in ihrer Bewegung, resultierend in
einem zunehmenden Leistungsverbrauch des Elektromotors.
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Hinsichtlich der Auslenkgeschwindigkeit machen, wenn ein Signal des
Auslenkgeschwindigkeitssensors zur Rückkopplung verwendet wird, solche
Verzögerungen wie eine Zeitverzögerung, bevor die Auslenkgeschwindigkeit für den
Fahrzeugkörper erzeugt wird, nachdem die Hinterräder gedreht sind, eine
Ansprechverzögerung der Hinterräder, eine Zeitverzögerung des
Auslenkgeschwindigkeitssensors,
eine Zeitverzögerung für die A/D-Wandlung, eine
Phasenverzögerung in einem Tiefpaßfilter zum Verringern von Rauschen des
Auslenkgeschwindigkeitssensors etc., die Bewegung der Hinterräder instabil, z.B. während
der Veränderung auf einer Bahn bei hohen Geschwindigkeiten und beeinträchtigt
so die Lenkstabilität.
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Weiterhin wird eine Ansprechgeschwindigkeit auf einen gewünschten
Lenkwinkel der Hinterräder, deren Winkel durch den Winkel des Lenkrades bestimmt ist,
die Auslenkgeschwindigkeit und Fahrzeuggeschwindigkeit, nämlich eine
Ansprechgeschwindigkeit des an den Hinterrädern angeordneten Elektromotors bei
der bekannten Vierradlenkvorrichtung konstant eingestellt und vorgesehen für
einen Hochgeschwindigkeitsbereich, der eine schnelle Reaktion erfordert. Daher
bleibt die Ansprechgeschwindigkeit auch in einem Bereich hoch, der keine
schnelle Reaktion erfordert, z.B., auch wenn die Hinterräder ungedreht bleiben.
Als Ergebnis verbraucht der Elektromotor unnötig Energie.
ABRISS DER ERFINDUNG
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Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuergerät zum
Lenken eines Lenkwinkels von Hinterrädern eines vierradgelenkten Fahrzeugs
anzugeben, welches ein gleichmäßiges und komfortables Fahren des Fahrzeugs
ohne unstabilen Betrieb eines Elektromotors verwirklicht, der aus
Ungleichmäßigkeiten und zeitlichen Änderungen oder Vibrationen der Kennzeichen des
Elektromotors resultiert.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuergerät zum
Lenken eines Lenkwinkels von Hinterrädern eines vierradgelenkten Fahrzeugs
anzugeben, wodurch ein gewünschter Lenkwinkel der Hinterräder stabil erhalten
wird und ein Versatz in einer Fortbewegungsrichtung des Fahrzeugs durch
äußere Störungen wie Querwinde oder schlechte Straßen etc. stabil korrigiert
wird und welches weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lenkwinkel der
Hinterräder auch dann einwandfrei gesteuert wird, wenn die unstabile Bewegung
der Hinterräder erfaßt wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuergerät zum
Lenken eines Lenkwinkels von Hinterrädern eines vierradgelenkten Fahrzeugs
anzugeben, das so ausgebildet ist, daß es eine Ansprechgeschwindigkeit eines
Elektromotors für einen gewünschten Lenkwinkel der Hinterräder verändert und
dadurch den Energieverbrauch des Elektromotors verringert.
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Zum Verwirklichen der oben beschriebenen Aufgaben ist erfindungsgemäß ein
Steuergerät vorgesehen zum Lenken des Lenkwinkels der Hinterräder eines
vierradgelenkten Fahrzeugs, mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zum
Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, ein Auslenkgeschwindigkeitssensor
zum Erfassen der Auslenkgeschwindigkeit, ein Lenkradwinkelsensor zum
Erfassen des Drehwinkels des Lenkrades, einer Steuerung zum Ausgeben eines
Hinterrad-Lenkwinkelbefehlssignales als Reaktion auf die Signale der Sensoren,
und einem Elektromotor zum Lenken der Hinterräder, basierend auf dem
Hinterrad-Lenkwinkelbefehlssignal, wobei der Elektromotor mit einem Positionsdetektor
versehen ist und die Steuerung mit einer ersten Schnittstellenschaltung zum
Erhalten der tatsächlichen Position des Elektromotors von dem Positionsdetektor
versehen ist, einer Verarbeitungseinheit zum Berechnen eines erwünschten
Lenkwinkels der Hinterräder aus dem Ausgangswert der Sensoren und zum
Berechnen der Abweichung zwischen der gewünschten Position und der
tatsächlichen Position des Elektromotors, und einer zweiten Schnittstellenschaltung zum
Einspeisen eines aktuellen Befehls von der Verarbeitungseinheit in eine
Motoransteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verarbeitungseinheit ein durch
Differentialbetrieb erhaltener Wert der tatsächlichen Position des Elektromotors
von einem Wert subtrahiert wird, der erhalten wird durch Multiplizieren der
Summe eines durch proportionale Bearbeitung der Abweichung erhaltenen
Wertes und eines durch integrale Bearbeitung der Abweichung erhaltenen
Wertes mit einem zu der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Wert, so daß
der resultierende Wert als gegenwärtiger Befehlswert über die zweite
Schnittstellenschaltung an die Motoransteuerung ausgegeben wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben.
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In der oben beschriebenen Anordnung steigt die Ansprechgeschwindigkeit des
Elektromotors an, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht wird. Daher wird
der Leistungsverbrauch während der Zeit der langsamen Fahrt, die eine schnelle
Reaktion der Hinterräder nicht erfordert, verringert.
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Weiterhin wird die Ansprechgeschwindigkeit des Elektromotors auf den
Lenkradwinkelsensor von dem Auslenkgeschwindigkeitssensor verschieden eingestellt
und die Geschwindigkeit beim Lenken der Hinterräder in der entgegengesetzten
Phase wird für den Lenkradwinkelsensor verringert, um dadurch den
Leistungsverbrauch zu verringern und eine gleichförmige Erzeugung der Auslenkgeschwin
digkeit sicherzustellen. Da die Reaktion des Elektromotors auf den
Auslenkgeschwindigkeitssensor beim Lenken der Hinterräder in der gleichen Phase schnell
bleiben muß, wird eine Rückkopplungsschleife eines Steuerungssystems der
Hinterräder stabilisiert. Fehler in der Fortbewegungsrichtung oder im Kurs des
Fahrzeugs durch äußere Störungen können durch Lenken der Hinterräder stabil
korrigiert werden.
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit ihren bevorzugten
Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Steuergerätes zum Steuern eines
Lenkwinkels von Hinterrädern eines vierradgelenkten Fahrzeugs
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 1(a) ist eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und
f(V) in Fig. 1;
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Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Steuergerätes gemäß einer
modifizierten Ausführungsform in Fig. 1; und
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Fig. 3 ist eine Kennlinie des Verhältnisses des Lenkwinkels zwischen den
vorderen und hinteren Rädern bei einem konventionellen
vierradgelenkten Fahrzeug.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt ein Steuergerät in einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; rechtes und linkes Hinterrad 1 werden durch
einen Elektromotor 4 gemäß einem Hinterradlenkwinkelbefehlssignal 6 gedreht,
welches von einem Steuergerät 2, welches einen Lenkwinkel von Hinterrädern
eines vierradgelenkten Fahrzeugs steuert, an eine Motoransteuerung 3 ausgibt.
Ein Untersetzungsgetriebe 5 ist zwischen dem Elektromotor 4 und den
Hinterrädern 1 vorhanden, um das Drehmoment zu verstärken. Das Steuergerät 2 ist
gebildet aus einem Betriebsgerät 16, welches einen Ziellenkwinkel der
Hinterräder für einen Eingangswert von jedem Geschwindigkeitssensor 7 bestimmt,
einem Lenkradwinkelsensor 8 und einem Hinterradpositionsdetektor 10, und
bestimmt ebenfalls das oben erwähnte Hinterradlenkwinkelbefehlssignal 6, und
Schnittstellenschaltungen 12, 14, 15 der entsprechenden Sensoren. Das
Betriebsgerät 16 umfaßt ein Einstellgerät 22 für einen gewünschten Lenkwinkel
zum Einstellen eines gewünschten Lenkwinkels der Hinterräder, einen
Komparator 26 und ein Einstellgerät 23 für einen momentanen Befehlswert, welches
aus einem Komparator 23a und Kopplern 23b, 23c besteht.
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Innerhalb des Steuergerätes 2 sind eine erste Schnittstellenschaltung 14, die auf
dem Elektromotor 4 angebracht ist und welche einen Wert des
Positionsdetektors 10 in einen Digitalwert wandelt, um dadurch die momentane Position des
Elektromotors 4 zu erhalten, ein Lenkradwinkelsensor 8,
Schnittstellenschaltungen 12, 13 zum Konvertieren eines Erfassungssignals des
Auslenkgeschwindigkeitessensors 9 in einen Digitalwert, eine zweite Schnittstellenschaltung 15,
welche einen momentanen Befehlswert 6 in die Motoransteuerung 3 einspeist,
und ein Betriebsgerät 1 vorgesehen, welches einen gewünschten Lenkwinkel
der Hinterräder und den momentanen Befehlswert 6 verarbeitet und einen Zyklus
des Geschwindigkeitssensors 7 erfaßt.
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Ein Algorithmus in dem Betriebsgerät 16 wird jetzt erläutert. Die Abweichung
zwischen einem Ziellenkwinkel der Hinterräder, der durch den Lenkradwinkel, die
Auslenkgeschwindigkeit und die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt ist, d.h.
einem Ziellenkwinkel des an den Hinterrädern 1 angebrachten Elektromotors 4
und der momentanen Position des Elektromotors 4 wird in jedem Abtastzyklus
verarbeitet. Die Abweichung wird für jeden Abtastzyklus integriert.
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An erster Stelle wird ein Wert, der durch Multiplizieren der Abweichung mit Kp
erhalten wird, zu einem Wert addiert, der durch Multiplizieren eines integrierten
Wertes der Abweichung mit einem Koeffizienten Ki erhalten wird. Dann wird ein
Wert, der erhalten wird durch Multiplizieren einer Geschwindigkeit des
Elektromotors 4, die durch Verringern der momentanen Position und einer momentanen
Position ein Zyklus vorher erhalten wird, mit Kd, von einem Wert subtrahiert, der
durch Multiplizieren des obigen Additionswertes mit einer Funktion f(V) der
Fahrzeuggeschwindigkeit erhalten wird, welcher als der momentane Befehlswert
6 an die Motoransteuerung 3 über die zweite Schnittstellenschaltung 15
ausgegeben wird. Die Funktion f(V) ist eine Konstante, die proportional zur
Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Mit anderen Worten, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit
zunimmt, während die Ablenkung die gleiche ist, wird der momentane
Befehlswert 6 der Motoransteuerung 3 erhöht, um dadurch die
Steuerungseigenschaften des Elektromotors 4 zu verbessern.
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Fig. 1(a) ist eine Kennlinie, welche die Beziehung zwischen der Fahrzeugge
schwindigkeit und der Funktion f(V) zeigt, wobei f(V) proportional zu der
Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt.
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Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Steuergerätes gemäß einer Modifikation der
vorstehenden Ausführungsform Das modifizierte Steuergerät gleicht in seinem
Aufbau im Grunde dem Gerät in Fig. 1, ist jedoch mit einer K1 - (gleiche Phase)
und einer K2- (entgegengesetzte Phase) -Schaltung in der f(V)-Schaltung
innerhalb des Betriebsgerätes 16 versehen.
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Ob die Hinterräder in der gleichen Phase oder in der entgegegesetzten Phase zu
den Vorderrädern gedreht werden, wird durch einen Phasendetektor von einem
Lenkradwinkel und einem Motor -(Hinterrad)-Winkel erfaßt. Eine Verstärkung K1
oder K2 wird für die gleiche Phasenzeit oder für die umgekehrte Phasenzeit
multipliziert.
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Ein Algorithmus in dem Betriebsgerät 16 wird nachfolgend beschrieben. Eine
Abweichung zwischen einem Ziellenkwinkel der Hinterräder, der durch den
Lenkradwinkel, die Auslenkgeschwindigkeit und die Fahrzeuggeschwindigkeit
bestimmt wird, d.h. einem Ziellenkwinkel des Elektromotors 4, der an den
Hinterrädern 1 angebracht ist und der momentanen Position des Elektromtors 4
werden in jedem Abtastzyklus verarbeitet. Die Abweichung wird für jeden
Abtastzyklus integriert.
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Ein durch Multiplizieren der Abweichung mit Kp erhaltener Wert wird zu einem
Wert addiert, der erhalten wird durch Multiplizieren eines integrierten Wertes mit
dem Koeffizienten Ki. Danach wird in dem Fall, in dem die vorderen (nicht
dargestellt) und hinteren Räder in der gleichen Phase gedreht werden, ein Wert,
der erhalten wird durch Multiplizieren der Geschwindigkeit des Elektromotors, die
durch Verringern der momentanen Position und einer momentanen Position im
vorherigen Zyklus des Elektromotors erhalten wird, mit Kd, von einem Wert
subtrahiert, der durch Multiplizieren des Additionswertes mit K1 erhalten wird.
Wenn andererseits die vorderen und hinteren Räder in umgekehrter Phase
gedreht werden, wird der Wert subtrahiert von einem Wert, der durch
Multiplizieren des Additionswertes mit K2 erhalten wird. Der resultierende Wert wird als
momentaner Befehlswert 6 über die zweite Schnittstellenschaltung 15 an die
Motoransteuerung 3 ausgegeben.
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K1 wird größer eingestellt als K2. D.h., wenn die Hinterräder in umgekehrter
Phase zu den Vorderrädern proportional zu der Größe des Lenkradwinkels
gedreht werden, wird die Reaktion des Elektromotors verzögert. Wenn die
Hinterräder in der gleichen Phase wie die Vorderräder proportional zu der Größe
der Auslenkgeschwindigkeit gedreht werden, wird die Reaktionsmöglichkeit der
Hinterräder verbessert.
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Obwohl die obige Ausführungsform zur entsprechenden Steuerung ein
proportionales Integrationsverfahren verwendet, ist das grundlegende Konzept der
obigen Ausführungsform ebenso wirksam, auch wenn die Ansprechmöglichkeit
des Elektromotors abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert wird
oder wenn die Hinterräder in der entgegengesetzten oder der gleichen Phase wie
die Vorderräder gedreht werden.
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In der obigen Ausführungsform ist, da der in die Motoransteuerung eingespeiste
momentane Befehlswert in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich kleiner
gemacht ist und eine schnelle Reaktion der Hinterräder nicht erfordert, die
Ansprechgeschwindigkeit des Elektromotors verringert, um den
Leistungverbrauch zu senken. Da weiterhin die Reaktionsmöglichkeit der Hinterräder
verändert wird, wenn die Hinterräder gegenphasig zu den Vorderrädern proportional
zum Lenkradwinkel gedreht werden oder wenn die Hinterräder gleichphasig mit
den Vorderrädern proportional zur Auslenkgeschwindigkeit gedreht werden, wird
der Rückkopplungskreis für das Hinterradsteuerungssystem zum Zurückkoppeln
der Auslenkgeschwindigkeit stabil gehalten, wodurch die Fortbewegungsrichtung
oder der Kurs der Hinterräder stabil korrigiert werden kann.