Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Servolenkung,
welche mit Hilfe der Rotationskraft eines Motors die Lenkkraft eines Lenkrades
unterstützt.
Beschreibung des technischen Hintergrundes
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Es wurden elektrische Servolenkungen entwickelt, welche dem Fahrer ein
komfortables Lenkgefühl vermitteln, indem sie einen Motor zur Unterstützung der
Lenkkraft antreiben, und zwar auf der Basis eines gemessenen Resultats eines
Lenkdrehmoments, welches auf ein Lenkrad ausgeübt wird und durch Unterstützen
der zum Lenken eines Fahrzeugs erforderlichen Kraft mittels der Drehkraft des
Motors.
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Bei solch einer herkömmlichen elektrischen Servolenkung besteht das Problem,
daß, wenn das Lenkrad aufgrund von Kraftaufnahme von einem Reifen in die
Neutralstellung zurückkehrt, die Rückkehrbewegung durch ein Trägheitsmoment
eines Rotors eines Motors und den Reibungswiderstand eines
Untersetzungsgetriebes, welches mit einer Ausgangswelle des Motors gekoppelt ist, behindert
wird. Deshalb wird ein Detektor zur Messung des Lenkwinkels, d.h. ein
Rotationssensor oder Drehwinkelsensor, etc., auf dem der Rahmenwelle, der Lenkwelle,
oder dem Motor angebracht, um das Problem dadurch zu lösen, daß der Motor mit
einem dem gemessenen Lenkwinkel entsprechenden Strom angetrieben wird, und
das Lenkrad durch das Drehmoment des Motors in die Neutralstellung
zurückgebracht wird.
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Die Anbringung eines Lenkwinkeldetektors gemäß der oben erwähnten
Anordnung macht jedoch die Servolenkung teuer.
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In der japanischen Patentanmeldung 61-115771 (115771-1986) wird eine
Servolenkung beschrieben, um solche Probleme zu lösen wie die schlechte
Reaktion aufgrund der Trägheit des Motors, die Reibung des
Untersetzungsgetriebes zwischen dem Motor und dem Lenkmechanismus, und die
Phasenverzögerung in einer elektrischen Schaltung, indem ein gemessenes Signal eines
Drehmomentsensors differenziert wird, um dadurch den Antriebsstrom des Motors
zu regeln.
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Genauer wird bei der oben erwähnten Offenbarung durch Differentiation des
gemessenen Signals des Dehmomentsensors und durch seine Addition zu einem
erhaltenen vorläufigen Steuerwert, der dem gemessenen Signal des
Drehmomentsensors entspricht, der Lenkmechanismus entsprechend dem durch den
Drehmomentsensor gemessenen Lenkdrehmoment ohne eine Zeitverzögerung
angetrieben.
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Gemäß der herkömmlichen Vorrichtung wird die Beziehung zwischen dem
Drehmoment und dem vorläufigen Steuerwert des Antriebsstroms des Motors
vorläufig als eine Funktion festgelegt. Der vorläufige Steuerwert des
Antriebsstroms für den Motor wird unter Verwendung der Funktion aus dem
gemessenen Signal des Drehmomentsensors bestimmt, und das differenzierte
Signal des gemessenen Signals wird zu dem vorläufigen Steuerwert addiert, um
den endgültigen Steuerwert des Antriebsstroms zu bestimmen. Der Antriebsstrom
für den Motor wird durch den vorbestimmten Steuerwert geregelt, um die Lenkkraft
zu unterstützen. Das gemessene zu differenzierende Signal ist dasselbe wie das
gemessene Signal zur Bestimmung des vorläufigen Steuerwerts des
Antriebsstroms. Eine Spannung des gemessenen Signals zur Bestimmung des
vorläufigen Steuerwerts entspricht dem gemessenen Wert des Lenkdrehmoments.
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Fig. 3 zeigt eine Kurve, welche ein Beispiel der Beziehung zwischen dem
Lenkdrehmoment und der Signalspannung zeigt, bei dem die vertikale Achse die
Signalspannung und die horizontale Achse das Lenkdrehmoment darstellt. Wenn
das gemessene Lenkdrehmoment außerhalb des Bereichs liegt, bei dem eine
Unterstützung der Lenkkraft unter normalen Fahrbedingungen nötig ist, so ist die
Antwortspannung in Sättigung. In anderen Worten, der Bereich, in dem eine
Unterstützung der Lenkkraft unter normalen Fahrbedingungen nötig ist, ist eine
effektive Meßbreite des Lenkdrehmoments. Da das zu differenzierende Signal
dasselbe Signal wie das gemessene Signal zur Bestimmung des vorläufigen
Steuerwerts des Antriebsstroms ist, ist die Differenzierung innerhalb des Bereichs
der effektiven Meßbreite von Bedeutung.
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Wie oben erwähnt ist bei der herkömmlichen Vorrichtung das zu differenzierende
gemessene Signal des Lenkdrehmoments das gleiche wie das gemessene Signal
zur Bestimmung des vorläufigen Steuerwerts des Antriebstroms, und das dem
Lenkdrehmoment entsprechende Spannungssignal ist in Sättigung, wenn das
Lenkdrehmoment außerhalb der effektiven Meßbreite liegt. Deshalb wird der
Differenzierwert immer 0, wenn das Lenkdrehmoment außerhalb der effektiven
Meßbreite liegt, die Differenzierung hat keinen Einfluß, und die Reaktionseffizienz
des Lenkmechanismus verschlechtert sich.
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GB-A- 2,188,891 beschreibt eine Servolenkung, bei der die Geschwindigkeit, mit
der der Motor im Falle der Rückbewegung des Lenkrades angetrieben wird, auf
einen Wert begrenzt wird, der von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde darauf ausgerichtet, die oben erwähnten
Probleme zu lösen.
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Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige
Servolenkung zu schaffen, die in der Lage ist, einen Motor zur Unterstützung der
Lenkkraft zu steuern, ohne daß ein Lenkwinkeldetektor verwendet wird, wenn das
Lenkrad zurückbewegt wird.
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Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Servolenkung zu schaffen, die in der Lage ist, in einem weiteren Bereich das
Lenkdrehmoment zu differenzieren, um den Antriebsstrom eines unterstützenden
Motors zu regeln, wodurch eine gute Reaktionseffizienz eines Lenkmechanismus
auf das Lenkdrehmoment in einem weiteren Bereich erzielt wird.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die im unabhängigen Anspruch 1 definierte
Servolenkung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im abhängigen
Anspruch 2 beschrieben.
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Die oben erwähnten und weiteren Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden
klarer durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine teilweise unterbrochene Schnittdarstellung, welche die Struktur
einer Servolenkung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie II-II von Fig. 1;
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Fig. 3 ist ein Schaubild eines Beispiels der Beziehung zwischen dem
Lenkdrehmoment und einer Spannung eines Signals zum Antrieb eines Motors;
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Regelungssystems zur Regelung des Antriebsstroms
des Motors in der Servolenkung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 5 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen einem
Anzeigestrom, welcher in einer Anzeigestromfunktionseinheit in dem Regelungssystem des
ersten Ausführungsbeispiels erhalten wird, und einem Lenkdrehmoment zeigt;
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Fig. 6 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen einem
Rückstellstrom, welcher in einer Rückstellstromberechnungseinheit in dem ersten
Ausführungsbeispiel erhalten wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt;
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Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, welches den Regelungsprozeß des
Antriebsstroms des Motors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 8 ist ein Flußdiagramm einer Subroutine, welche den Vorgang der
Erkennung der Rückbewegung des Lenkrades gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Regelungssystems der Servolenkung der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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Fig. 10 ist ein Schaubild, welches ein Beispiel der Beziehung zwischen dem
Lenkdrehmoment eines ersten und eines zweiten Signals und einer Spannung
eines Signals zum Antrieb des Motors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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Fig. 11 ist ein Flußdiagramm, welches den Regelungsprozeß des
Antriebsstroms des Motors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt; und
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Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Regel ungssystems der Servolenkung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen
welche Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, beschrieben. Fig. 1 ist eine
teilweise unterbrochene Schnittdarstellung einer Servolenkung, auf die sich die
Erfindung bezieht. Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie
II-II von Fig. 1.
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Bei den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Rahmenwelle, welche
konzentrisch in ein zylindrisches Wellengehäuse 2 eingebracht ist, das an einem
Teil eines Fahrzeugkörpers befestigt ist, mit seiner Längsrichtung als Rechts-
Links-Richtung. Bezugszeichen 3 ist eine Ritzeiwelle, welche drehbar gelagert ist,
so daß ihre Wellenmitte sich schräg mit der Rahmenwelle 1 in dem Inneren eines
Ritzelwellengehäuses 4 schneidet, welches in der Nähe eines Endteils des
Rahmenwellengehäuses 2 angebracht ist.
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Die Ritzeiwelle 3 besteht wie in Fig. 2 gezeigt aus einer oberen Welle 3a
und einer unteren Welle 3b, die miteinander koaxial über eine Torsionswelle 5
verbunden sind, wobei die obere Welle 3a innerhalb des Ritzenwellengehäuses 4
mittels eines Kugellagers 40 gelagert ist, wobei sein oberer Endteil über ein
Kardangelenk ineinandergreifend mit einem nicht gezeigten Lenkrad verbunden
ist. Und die untere Welle 3b ist in der Nähe des oberen Endteils innerhalb des
Ritzelwellengehäuses 4 durch ein Vierpunkt-Kugellager 41 so gelagert, daß die
richtige Länge seines unteren Teils von einer unteren Öffnung des
Ritzelwellengehäuses 4 aus sich erstreckt. Das Vierpunkt-Kugellager 41 ist von
außen her an die untere Welle 3b von der Seite des unteren Endteils angepaßt
und ist außerhalb der unteren Welle 3b in axialer Richtung positioniert, wobei
beide Seiten des inneren Rings durch Stufen gehalten werden, die in der Nähe des
oberen Endteus der unteren Welle 3b ausgebildet sind, und durch den Beilegering
42, der von außen von der Seite des unteren Endteils fixiert ist und in die äußere
Oberfläche eingestemmt ist. Dann ist es zusammen mit der unteren Welle 3b von
der oben erwähnten unteren Öffnung her in das Ritzelwellengehäuse 4 eingepaßt,
und ist in axialer Richtung innerhalb des Ritzelwellengehäuses 4 positioniert
wobei beide Seiten des äußeren Rings durch ein kreisförmiges Schulterteil
gehalten werden, das am unteren Teil des Gehäuses 4 ausgebildet ist, und durch
eine gesicherte Mutter 43, die von der Öffnung an das Gehäuse 4 geschraubt ist,
und durch Drücke, welche radialen Druck auf die untere Welle 3b ausüben und
durch Längsdruck aus beiden Richtungen.
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Am Mittelteil der unteren Welle 3b vom Ritzelwellengehäuse 4 aus
vorrstehend sind in einer angemessenen Länge Ritzelzähne 30 in axialer Richtung
ausgebildet. Im Falle, daß das Ritzelwellengehäuse 4 an der Oberseite des vorher
erwähnten Rahmenwellengehäuses 2 mittels des Fixierbolzens 44 befestigt ist,
greifen die Ritzelzähne 30 mit den Rahmenzähnen 10 ineinander, welche an einer
Position etwas näher zu einem Endteil der Rahmenwelle 1 in angemessener Länge
in axialer Richtung innerhalb des Rahmenwellengehäuses 2 ausgebildet sind,
wodurch die untere Welle 3b mit der Rahmenwelle 1 ineinandergreift, wobei ihre
Wellenmitten schräg aufeinander treffen. Die untere Welle 3b erstreckt sich weiter
nach unten von der Position des Ineinandergreifens mit der Rahmenwelle 1 aus,
wobei ein großes Kegelradgetriebe 31, dessen zahnförmige Frontseite nach unten
verkipppt ist, passend mit der unteren Welle 3b an ihrem unteren Ende koaxial
montiert ist. Die untere Welle 3b ist durch ein Nadellager 33 in einem
Kegelradgetriebegehäuse 20 gelagert, welches sich an die Unterseite des
Rahmenwellengehäuses 2 anschließt, so daß es das große Kegelradgetriebe 31
umgibt. Dementsprechend ist die untere Welle 3b an beiden Seiten der Position
des Ineinandergreifens der Rahmenzähne 10 mit den Ritzelzähnen 30 durch das
Vierpunkt-Kugellager 41 und das Nadellager 33 gelagert, wobei die Biegung der
unteren Welle 3b an der Position des Ineinandergreifens innerhalb der Toleranz
gehalten wird.
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Weiter ist an der Position des Ineinandergreifens der Rahmenzähne 10 mit
den Ritzelzähnen 30 ein Preßstück 12 vorgesehen, um die Rahmenwelle 1 mit der
Druckkraft einer Druckfeder 11 in Richtung der Ritzelwelle 3 zu drücken, so daß
die Rahmenzähne 10 und die Ritzelzähne 30 ohne eine Lücke ineinandergreifen.
Die Rahmenwelle 1 ist an der Position des Ineinandergreifens durch die
Druckfeder 12 gelagert, und die untere Welle 3b ist in dem Zustand, daß sie von
beiden Seiten aus radialer Richtung sowie durch die Lagerbuchse 13 gelagert ist,
die in ein Endteil des Rahmenwellengehäuses 2 eingepaßt ist, welches gegenüber
der Verbindungsposition des Ritzelwellengehäuses 4 mit sich selbst liegt, wobei es
innerhalb des Rahmenwellengehäuses 2 in axialer Richtung frei beweglich ist.
Sowohl das linke als auch das rechte Endteil der Rahmenwelle 1 auf beiden Seiten
des Rahmenwellengehäuses 2 sind mit Verbindungsstangen 15 verbunden, die
sich jeweils über jeweilige Gelenk- und Muffenverbindungen 14,14 zu den linken
und rechten nicht gezeigten Rädern erstrecken, wobei die Räder entsprechend der
Bewegung der Rahmenwelle 1 in axialer Richtung nach links oder nach rechts
gesteuert werden.
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In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 6 einen Drehmomentsensor zur
Messung des auf das Lenkrad ausgeübten Drehmoments. Der Drehmomentsensor
6 verwendet ein Potentiometer, welches einen Widerstandshalter 60 umfaßt,
welcher an die obere Welle 3a angebracht ist, mit ihr rotiert, und an der unteren
Oberfläche einen ringförmigen Widerstand mit der Wellenmitte der oberen Welle
3a als Zentrum bildet, und einen Meßstückhalter 61, welcher an die untere Welle
3b angebracht ist, mit ihr rotiert, und an der oberen Oberfläche ein Meßstück
bildet, welches einen schleifenden Kontakt mit einem Punkt in radialer Richtung
auf den Widerstand bildet. Die obere Welle 3a der Ritzeiwelle 3 dreht sich um die
axiale Welle entsprechend der Drehung des Lenkrads. Der Widerstand der
Straßenoberfläche, welcher auf die Räder wirkt, wirkt auf die untere Welle 3b über
die Rahmenwelle 1, wodurch eine Torsion entsprechend dem auf das Lenkrad
ausgeiibten Lenkdrehmoment an der Torsionsfeder 5 erzeugt wird, die zwischen
den beiden Wellen liegt. Ein Drehmomentsensor 6 gibt die relative Auslenkung in
zirkularer Richtung aus, welche zwischen der oberen Welle 3a und der unteren
Welle 3b infolge der Torsion der Torsionsfeder 5 erzeugt wird, und zwar als ein
Potential, was der Schleifkontaktposition des Meßstücks mit dem Widerstand
entspricht. Im Falle, daß an der Torsionsfeder 5 keine Torsion erzeugt ist, in
anderen Worten, im Fall, daß keine Lenkoperation ausgeführt wird, wird er so
initialisiert, daß er das spezifische Referenzpotential ausgibt. Das Ausgangssignal
des Drehmomentsensors 6 wird in eine Steuereinheit 7 eingegeben, welches das
Signal mit dem Referenzpotential vergleicht, um die Richtung und Größe des
Lenkdrehmoments zu erkennen, erzeugt dann ein Antriebssignal für einen Motor 8
zur Unterstützung der Lenkkraft, und zwar auf eine Art, die später beschrieben
wird.
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Der Motor 8 zur Unterstützung der Lenkkraft überträgt seine Drehkraft an
die oben erwähnte untere Welle 3b über eine elektromagnetische Kupplung 16, ein
Umlaufuntersetzungsgetriebe 9, und ein kleines Kegelradgetriebe 32, welches mit
dem großen Kegelradgetriebe 31 ineinandergreift und in seinem Durchmesser
kleiner ist als das große Kegelradgetriebe 31.
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Die elektromagnetische Kupplung 16 besteht aus einer Spuleneinheit 161,
welche ringförmig ist und an ein Mittelgehäuse 81 des Motors 8 fixiert ist, einer
Bewegungseinheit 162, welche an einer Seite der Rotationsachse 80 des Motors 8
koaxial dazu angebracht ist und mit der Rotationsachse 80 rotiert und dem
ineinandergreifenden Teil 163, welches scheibenförmig ist, der Bewegungseinheit 162
gegenüberliegt und mit der Bewegungseinheit 162 über eine elektromagnetische
Kraft gekuppelt ist, die durch die Versorgungsspannung an die Spuleneinheit 161
erzeugt wird, wodurch das Kuppeln und Entkuppeln der Drehkraft des Motors 8
durchgeführt wird.
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Das Umlaufuntersetzungsgetriebe 9 besteht aus einer Sonnenwelle 90
welche in den kuppelnden Teil 163 eingepaßt ist, rotiert und ein Sonnenrad
aufweist, das an seinem einen Ende über ein Lager gelagert ist, das in den
Bewegungsteil eingepaßt ist, und das am anderen Ende über ein Lager gelagert
ist, das in einem Planetenradträger 93 eingepaßt ist, welcher später beschrieben
wird, einem äußeren Ring 91, welcher kreisförmig ist und koaxial mit der
Rotationsachse 80 an eine Gehäuseendoberfläche 82 des Motors 8 fixiert ist, einer
Vielzahl von Planetengetrieben 92, 92..., welche drehbar jeweils mit der inneren
Oberfläche des äußeren Rings 91 und mit der äußeren Oberfläche des
Sonnenrades der Sonnenwelle 90 in Kontakt sind, sich jeweils um die Wellenmitte
drehen und um die Wellenmitte des Sonnenrades drehen, und dem
Planetenradträger 93, welcher jeweilige Planetengetriebe 92, 92... drehbar lagert.
Das Umlaufuntersetzungsgetriebe 9 hat einen kleineren äußeren Durchmesser als
den des Motors 8 und ist mit dem Motor 8 und der elektromagnetischen Kupplung
16 an einer Seite der Rotationsachse integriert.
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Eine Ausgangswelle 94 des Umlaufuntersetzungsgetriebes 9 ist an einer
Position der Wellenmitte des Planetenradträgers 93 fixiert und in diesen integriert,
welcher koaxial mit der Rotationsachse 80 des Motors 8 angeordnet ist, und
erstreckt sich in angemessener Länge außerhalb des Gehäuses. An der Spitze der
Ausgangswelle 94 ist das kleine Kegelradgetriebe 32 fest mit seiner zahnförmigen
Front gegen die Spitzenseite montiert. Das kleine Kegelradgetriebe 32 ist so
konstruiert, daß es mit der Ausgangswelle 94 rotiert, entsprechend der Drehung der
Planetengetriebe 92, 92...
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Der Motor 8, die elektromagnetische Kupplung 16 und das
Umlaufuntersetzungsgetriebe 9 sind an eine Halterung 2a fixiert, welche außerhalb des
Rahmenwellengehäuses 2 vorgesehen ist und zwar so, daß diese Wellenmitten in
etwa parallel zur Wellenmitte der Rahmenwelle 1 sind und mit dem kleinen
Kegelradgetriebe 32 in das Kegelradgetriebegehäuse 20 eingepaßt sind. Innerhalb des
oben erwähnten Gehäuses 20 ist das kleine Kegelradgetriebe 32 mit dem großen
Kegelradgetriebe 31 gekoppelt, welches fest an dem unteren Endteil der oben
erwähnten unteren Welle 3b montiert ist. Die Regulierung des Spiels zwischen
dem großen Kegelradgetriebe 31 und dem kleinen Kegelradgetriebe 32 bei der
Einpassung des Umlaufuntersetzungsgetriebes 9 in das Kegelradgetriebegehäuse
20 kann leicht durchgeführt werden durch das Verändern der Dicke und/oder der
Anzahl von Unterlegscheiben, welche zwischen die aneinanderliegenden Teile des
Gehäuses des Umlaufuntersetzungsgetriebes 9 und des
Kegelradgetriebegehäuses gelegt werden.
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In die Steuereinheit 7 wird ein Ausgangssignal von einem
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 18 neben dem oben erwähnten Ausgangssignal des
Drehmomentsensors eingegeben, wobei ein Antriebssignal zum Antreiben des
Motors 8 in einer Art und Weise ausgegeben wird, die später beschrieben wird.
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Der Betrieb der Steuereinheit 7 wird nachfolgend beschrieben.
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines
Ausführungsbeispiels der Steuereinheit 7 der Servolenkung zeigt, welches auch
den Fluß der Signale illustriert.
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Ein Drehmomentsignal (nachfolgend bezeichnet als Drehmoment T),
welches von dem Drehmomentsensor 6 gemessen wird, wird jeweils in einen
Phasenkompensator 71a eingegeben, um die Phase eines spezifizierten.
Frequenzbandes des eingegebenen Signals nach vorne zu verschieben, um das
System zu stabilisieren, und in eine Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d,
welche die Rückstellbewegung des Lenkrades feststellt, um die Steuereinheit zu
veranlassen, die Regelung unter der Bedingung auszuführen, daß das Lenkrad
zurückbewegt wird. Die Phase des Drehmoments T wird durch den
Phasenkompensator 71a kompensiert und in eine Anzeigestromfunktionseinheit
73 eingegeben, welche einen Anzeigestrom 1 erzeugt, welcher einen Steuerwert
des Stroms zum Antriebs des Motors 8 darstellt, wenn das Lenkrad gedreht aber
nicht zurückgedreht wird.
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Ein Geschwindigkeitssignal (nachfolgend bezeichnet als
Fahrzeuggeschwindigkeit V), welches von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
18 gemessen wird, wird in die Anzeigestromfunktionseinheit 73 eingegeben und in
eine Rückstellstromberechnungseinheit 71e, welche einen Rückstellstrom IR
ermittelt, welcher einen Steuerwert für den Strom zum Antrieb des Motors 8
darstellt, wenn das Lenkrad zurückbewegt wird.
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Die Klemmenspannung des Motors 8 wird durch eine
Klemmenspannungserfassungseinheit 71b gemessen, welche an der Ausgangsseite einer PWM
(Pulsbreitenmodulations-)Antriebsschaltung 72 vorgesehen ist, die später
beschrieben wird. Der Antriebsstrom für den Motor 8 wird von einer
Stromerfassungsschaltung 71c erfaßt, die einen in eine Motorleitung eingefügten
Stromerfassungswiderstand (nicht gezeigt) aufweist und den in der Motorleitung
fließenden Strom erfaßt. Das Ergebnis der Klemmenspannungerfassungsschaltung
71 b wird in die Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d eingegeben, während
das von der Stromerfassungsschaltung 71c erfaßte Ergebnis in einen Subtrahierer
74b eingegeben wird, der später beschrieben wird.
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Die Anzeigestromfunktionseinheit 73 erzeugt den Anzeigestrom I basierend
auf dem Drehmoment T und der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Der Anzeigestrom I
wird in einen Addierer 71a eingegeben.
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Fig. 5 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen dem Anzeigestrom
I, der von der Anzeigestromfunktionseinheit 73 erhalten wird, und dem
Drehmoment T zeigt, wobei die vertikale Achse den Anzeigestrom 1 und die
horizontale Achse das Drehmoment T repräsentiert. Es soll hier festgehalten
werden, daß die positive Seite der horizontalen Achse das Lenkdrehmoment für
den Fall zeigt, daß das Lenkrad nach rechts gedreht wird, während die negative
Seite das Lenkdrehmoment zeigt, wenn das Lenkrad nach links gedreht wird.
Darüber hinaus zeigt die positive Seite der vertikalen Achse den Anzeigestrom für
den Motor 8, um das Lenkrad nach rechts zu drehen, und die negative Seite zeigt
den Anzeigestrom für den Motor, um das Lenkrad nach links zu drehen. Weiter
zeigt die gestrichelte Linie in Fig. 5 die Beziehung zwischen jeder
Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub0;, V&sub1;, V&sub2; oder V&sub3; (V&sub0;< V&sub1;< V&sub2;< V&sub3;, V&sub0; = 0) und dem jeweils
bestimmten Drehmoment.
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Der Bereich von -D ist D in dem Schaubild ist der Totbereich.
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Der Anzeigestrom I für den Motor 8 vergrößert sich in Übereinstimmung mit
dem Anstieg des Drehmoments T, wenn das Drehmoment T den Totbereich
verläßt, indem das Lenkrad nach rechts (oder links) gedreht wird, so daß die
unterstützende Kraft sich vergrößert. In diesem Fall vergrößert sich der
Anzeigestrom I unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit V bis das
Lenkdrehmoment T einen vorbestimmten Wert des niedrigen Drehmoments -Ts
oder Ts erreicht. Jenseits des festgelegten Wertes hängt die Beziehung zwischen
dem Drehmoment T und dem Anzeigestrom I von der Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub0;,
V&sub1;, V&sub2;, V&sub3; ab, d.h. das Verhältnis des Anzeigestroms I zu dem Drehmoment T wird
kleiner, wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit vergrößert. Die
Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub0; zeigt den Fall der stationären Lenkbewegung, wenn
das Lenkrad bei der Geschwindigkeit 0, d.h. wenn das Fahrzeug stoppt, gedreht
wird. Insbesondere im Fall der stationären Lenkbewegung ist der Anzeigestrom I in
Sättigung, wenn das Drehmoment T über einem vorbestimmten Wert liegt. Der
erhaltene Anzeigestrom I wird in den Addierer 74a eingegeben.
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Die Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d stellt die Rückbewegung des
Lenkrads auf eine später zu beschreibende Weise fest basierend auf dem
Drehmoment T und der Klemmenspannung VM. Falls erkannt wird, daß das
Lenkrad zurückbewegt wird, gibt die Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d ein
Signal aus, welches die Rückstellrichtung des Lenkrads der
Rückstellstromberechnungseinheit 71e anzeigt. Die
Rückstellstromberechnungseinheit 71e berechnet einen absoluten Wert des
Rückstellstroms IR basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit V und bestimmt die
Polarität des Rückstellstroms IR basierend auf dem Signal, welches die Rückstell
richtung des Lenkrades anzeigt und von der Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit
71d eingegeben wird. Die Polarität des Rückstellstroms IR ist die Polarität für den
Motor 8, um das Lenkrad in die von der Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d
erfaßte Rückstellrichtung zu drehen. Der Rückstellstrom IR wird in den Addierer
74a eingegeben.
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Die in der Rückstellstromberechnungseinheit 71e gesetzte Beziehung
zwischen dem Rückstellstrom IR und der Fahrzeuggeschwindigkeit V ist in einem
Schaubild von Fig. 6 gezeigt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist der absolute Wert des
Rückstellstroms IR maximal, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V, die in die
Rückstellstromberechnungseinheit 71e eingegeben wird, einen vorbestimmten niederen
Wert einnimmt, und verringert sich, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V größer
oder kleiner als der vorbestimmte Wert wird. Die Steigung der Kurve des kleiner
werdenden Rückstellstroms IR ist geringer auf der Seite, bei der die
Fahrzeuggeschwindigkeit V größer wird als auf der Seite, bei der die
Fahrzeuggeschwindigkeit V kleiner wird. In anderen Worten, der Rückstellstrom IR
wird so festgelegt, daß die Rückstellkraft für das Lenkrad sich vergrößert, wenn die
Fahrzeuggeschwindigkeit näher an einem vorbestimmten Wert niedriger
Geschwindigkeit liegt.
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Der Addierer 74a addiert den Anzeigestrom I, der von der
Anzeigestromfunktionseinheit 73 eingegeben wird, und den Rückstellstrom IR der
von der Rückstellstromberechnungseinheit 71e eingegeben wird, und gibt das
addierte Ergebnis als einen Zielwert in den Subtrahierer 74b ein, welcher einen
Regelungswert des Antriebsstroms für den Motor 8 darstellt. Der Subtrahierer 74b
subtrahiert ein Rückkopplungssignal der Stromerfassungschaltung 71c von diesem
Zielstrom. Die PWM-Antriebsschaltung 72 treibt den Motor 8 auf der Basis des
subtrahierten Ergebnisses an. Da die Stromerfassungsschaltung 71c den Strom
einschließlich eines Schwungradstromes des Motors 8 erfaßt, ist die
Stromregelungsschleife stabil.
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Der Vorgang der Regelung des Stroms für den Motor 8 durch die
Steuereinheit 7 wie oben beschrieben wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von
Fig. 7 weiter erläutert.
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Die Steuereinheit 7 liest das Drehmoment T, die Fahrzeuggeschwindigkeit
V, die Klemmenspannung VM und den Antriebsstrom jeweils von dem
Drehmomentsensor
6, dem Geschwindigkeitssensor 18, der Klemmenspannungerfassungs
schaltung 71b und der Stromerfassungsschaltung 71c (S1).
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Der Phasenkompensator 71a kompensiert die Phase des Drehmöments
T(S2). Die Anzeigestromfunktionseinheit 73 bestimmt den Anzeigestrom I auf der
Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit V und des phasenkompensierten
Drehmoments T unter Verwendung der vorher beschriebenen Funktionen (S3).
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Dann schreitet die Prozedur fort zu der
Lenkradrückstellerfassungs-Subroutine (S4). Fig. 8 zeigt ein Flußdiagramm der Subroutine.
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In der Lenkradrückstellungsfeststell-Subroutine wird geprüft, ob das
Drehmoment T größer als ein spezifizierter Wert ist (S41). Dieser spezifizierte Wert ist
der kleinste Drehmomentwert, der erforderlich ist, um das Lenkrad zu drehen.
Wenn in Schritt S41 entschieden wurde, daß das Drehmoment T größer ist als der
spezifizierte Wert, dann wird geprüft, ob eine erforderliche Zeit vergangen ist
(S42). Nachdem die erforderliche Zeit vergangen ist, wird ein Erkennungs-Flag
gesetzt, welches die Erkennung der Drehbewegung anzeigt, dann kehrt der
Programmfluß zur Hauptroutine (S43) zurück.
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Wenn andererseits das Drehmoment T in S41 für kleiner oder gleich dem
spezifizierten Wert befunden wird, wird geprüft, ob das Drehmoment T innerhalb
des Totbereichs von -D bis D der Anzeigestromfunktionseinheit 73 liegt (S44).
Wenn das Drehmoment T außerhalb des Totbereichs liegt, so wird ein
Rückstellungs-Flag zurückgesetzt, welches anzeigt, daß das Lenkrad
zurückgestellt wird, dann kehrt der Programmfluß zur Hauptroutine zurück (S48).
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Wenn das Drehmoment T innerhalb des Totbereichs liegt, wird geprüft, ob
die eingegebene Klemmenspannung VM über einem spezifizierten Wert liegt (S45).
Wenn die Klemmenspannung kleiner ist als der spezifizierte Wert, so wird das
Rückstellungs-Flag zurückgesetzt, dann kehrt der Programmfluß zur Hauptroutine
zurück (S48). In diesem Fall ist die Klemmenspannung VM eine elektromotorische
Gegenkraft für den Motor 8.
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In dem Fall, daß die Klemmenspannung VM nicht kleiner als der spezifizierte
Wert ist, wird geprüft, ob das Erkennungs-Flag gesetzt ist (S46). Wenn das
Erkennungs-Flag nicht gesetzt ist, kehrt der Programmfluß zur Hauptroutine zurück,
während, wenn das Erkennungs-Fiag gesetzt ist, welches anzeigt, daß das
Lenkrad zurückgestellt wird, und das Rückstellungs-Fiag gesetzt ist, der
Programmfluß dann zur Hauptroutine zurückkehrt (S47). Wenn entschieden wird
daß das Lenkrad zurückgestellt wird, gibt die Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit
71d ein Signal aus, welches die Rückstelleinrichtung des Lenkrads der
Rückstellstromberechnungseinheit 71e anzeigt.
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Nach der Rückkehr von der Subroutine und der Beurteilung, ob das Lenkrad
zurückgestellt wird (S5) (d.h., ob das Rückstellungs-Flag gesetzt ist), berechnet die
Rückstellstromberechnungseinheit 71e den Rückstellstrom IR auf der Basis der
Fahrzeuggeschwindigkeit V (S6). Die Polarität des Rückstellstroms IR wird auf der
Basis des Signals bestimmt, welches die Rückstellrichtung des Lenkrads anzeigt
und das von der Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit 71d eingegeben wird
welches wiederum die Polarität ist, mit der der Motor 8 das Lenkrad in der von der
Lenkradrückstellungs-Feststelleinheit erfaßten Rückstellrichtung dreht.
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Währenddessen wird, wenn das Lenkrad nicht zurückgestellt wird (das
Rückstellungs-Flag ist nicht gesetzt), der Rückstellstrom IR nicht berechnet, und
deshalb gibt die Rückstellstromberechnungseinheit 71e Null aus.
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Der Addierer 74a addiert den Anzeigestrom I zu dem Rückstellstrom IR, um
den Zielstrom für den Antrieb des Motors 8 zu erhalten (S7). Falls das Lenkrad
zurückgestellt wird, ist, da das Drehmoment T innerhalb des Totbereichs von -D
bis D liegt und der Anzeigestrom 1 Null ist, der Zielstrom gleich dem Rückstellstrom
IR. Im Gegensatz dazu ist, außer wenn das Lenkrad nicht zurückgestellt wird, da
das Drehmoment T außerhalb des Totbereichs von -D bis D liegt und der
Rückstellstrom IR Null ist, der Zielstrom gleich dem Anzeigestrom I. Der somit
erhaltene Zielstrom wird in den Subtrahierer 74b eingegeben. Die PWM-
Antriebsschaltung 72 treibt den Motor an, indem sie den Antriebsstrom so regelt,
daß er gleich dem Zielstrom ist (S8).
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Wenn festgestellt wird, daß das Lenkrad zurückgestellt wird, wird der
Rückstellstrom IR an den Motor 8 angelegt, wodurch die Lenkkraft des Lenkrades in der
Rückstellrichtung unterstützt wird. In diesem Fall wird der Antriebsstrom des
Motors 8 unabhängig vom Lenkwinkel des Lenkrades gesteuert.
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Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines anderen
Ausführungsbeispiels eines Steuersystems der Servolenkung der Erfindung zeigt, wobei
Bezugszeichen 17a eine Steuereinheit bezeichnet. Das gemessene Signal eines
ersten Drehmomentsensors 21a, welches die Drehkraft erfaßt, die auf ein Lenkrad
ausgeübt wird, das über eine Welle mit einem Lenkmechanismus (nicht gezeigt)
gekoppelt ist, wird in einem Eingangsport a&sub1; der Steuereinheit 17a als ein erstes
Meßsignal T&sub1; des Lenkdrehmoments über eine Verstärkerschaltung 4 eingegeben,
welche die Verstärkung und die obere und untere Grenze des Signals festlegt. Ein
gemessenes Signal des ersten Drehmomentsensors 21a wird als zweites
Meßsignal T&sub2; in einen Eingangsport a&sub2; eingegeben, ohne die Verstärkerschaltung
4 zu passieren. Weiter wird ein Meßsignal eines zweiten Drehmomentsensors 22a,
in einen Eingangsport a&sub3; eingegeben, welcher ähnlich dem ersten
Drehmomentsensor 21a die auf das Lenkrad ausgeübte Drehkraft mißt, welches
über eine Welle mit dem Lenkmechanismus (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Ein
Ausgangssignal von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 18 wird in einen
Eingangsport a&sub4; eingegeben. Ein Strommeßsignal Is wird in einen Eingangsport a&sub5;
eingegeben, welches ein Ausgangssignal einer Motorstromerfassungsschaltung 19
zur Erfassung eines Antriebsstroms für einen Motor 8 ist.
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Währenddessen ist eine Motorantriebsschaltung 23 zum Antrieb des Motors
8 zur Unterstützung der Lenkkraft mit einem Ausgangs-Port b&sub1; der Steuereinheit
17a verbunden.
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Das erste Meßsignal T&sub1;, welches in den Eingangs-Port a&sub1; der Steuereinheit
17a eingegeben wird, wird in einen Phasenkompensator 171 eingegeben, so daß
die Phase des ersten Meßsignals T&sub1; nach vorne verlegt wird. Das kompensierte
erste Meßsignal T&sub1; wird in eine Funktionserzeugungseinheit 173 eingegeben,
welche einen Zielstrom I ausgibt, weicher ein vorläufiger Steuerwert des
Motorantriebstroms ist. In der Funktionserzeugungseinheit 173 sind variable Funktionen
festgelegt und zwar so, daß der Zielstrom I im Verhältnis zu einem Anstieg der
Amplitude des ersten Meßsignals T&sub1; in Übereinstimmung mit der
Fahrzeuggeschwindigkeit V (V&sub1;< V&sub2;< V&sub3;), die in den Eingangs-Port A&sub4; eingegeben wird
erhöht wird, wenn das Signal T&sub1; außerhalb eines vorbestimmten Totbereichs liegt,
und um schließlich den Zielstrom zu sättigen, wenn das erste Meßsignal T&sub1;
außerhalb einem vorbestimmten Wert liegt. Diese variablen Funktionen sind so
festgelegt, daß das Verhältnis des Zielstroms I zum ersten Meßsignal T&sub1; kleiner
wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub1;, V&sub2;, V&sub3; schneller wird, und gleichzeitig
wird der Sättigungswert des Zielstroms I kleiner. Die Funktionserzeugungseinheit
173 bestimmt den Zielstrom I in Übereinstimmung mit dem ersten Meßsignal T&sub1; von
dem Phasenkompensator 171 und gibt diesen in den Addierer 174a ein.
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Das zweite Meßsignal T&sub2;, welches in den Eingangs-Port a&sub2; eingegeben wird,
wird in einer Differenziereinheit 175 differenziert, und das Ergebnis wird in den
Addierer 174a eingegeben. Der Addierer 174a addiert den Zielstrom I von der
Funktionserzeugungseinheit 173 und das Differenzierresultat von der
Differenziereinheit 175 und gibt das Ergebnis an einen Subtrahierer 174b aus.
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Das Meßsignal des zweiten Drehmomentsensors 22a, welches in den
Eingangs-Port a&sub3; eingegeben wird, wird für die Ausfalls-Sicherungsverarbeitung
verwendet, um verschiedene Arten von Steuereinheiten zu koppeln, wenn der
erste Drehmomentsensor 21a zu Bruch geht.
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Das Stromerfassungsignal Is, welches in den Eingangs-Port a&sub5; eingegeben
wird, wird an den Subtrahierer 174b ausgegeben. Der Subtrahierer 174b
subtrahiert das Stromerfassungssignal Is von dem Addierresultat des Addierers
174a. Das subtrahierte Ergebnis wird an die Motorsteuerschaltung 23 über einen
Ausgangs-Port b&sub1; ausgegeben.
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Fig. 10 zeigt ein Schaubild der Beziehung zwischen dem Lenkdrehmoment
und der Signalspannung des ersten und zweiten Meßsignals T&sub1; und T&sub2;, wobei die
vertikale Achse die Signalspannung und die horizontale Achse das
Lenkdrehmoment zeigt. Es ist hier festzuhalten, daß das erste Meßsignal T&sub1; in dem
Schaubild durch eine gestrichelte Linie und das zweite Meßsignal T&sub2; durch eine
durchgezogene Linie dargestellt ist. Die Spannung des ersten Meßsignals T&sub1; geht
über die Verstärkerschaltung 4 in Sättigung, wenn das gemessene
Lenkdrehmoment den nötigen Bereich zur Unterstützung der Lenkkraft während
des normalen Fahrens überschreitet. Dieser Bereich ist die effektive Meßbreite des
ersten Signals T&sub1;.
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Da das zweite Meßsignal T&sub2; nicht über die Verstärkerschaltung 4 verstärkt
wird, sondern direkt von dem ersten Drehmomentsensor 21a in den Eingangs-Port
a&sub2; eingegeben wird, ist andererseits die Verstärkung kleiner als die des ersten
Meßsignals T&sub1;. Deshalb ist die effektive Meßbreite des zweiten Meßsignals T&sub2;
größer als die des ersten Meßsignals T&sub1;, wodurch es ermöglicht wird, die
Information des Lenkdrehmoments im Sättigungsbereich des ersten Meßsignals T&sub1;
von dem zweiten Meßsignal T&sub2; zu erhalten. Als ein Resultat kann, selbst wenn das
Lenkdrehmoment die effektive Meßbreite des ersten Meßsignals T&sub1; überschreitet,
ein effektiver differenzierter Wert in der Differenziereinheit 175 erhalten werden,
um den Zielstrom 1 zu regeln.
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Als nächstes wird der Betrieb der auf die oben erwähnte Weise
konstruierten Steuereinheit 1 7a unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig.
11 diskutiert. Die Steuereinheit 17a liest das erste Meßsignal T&sub1;, welches in den
Eingangs-Port a&sub1; eingegeben wird, das zweite Meßsignal T&sub2;, welches in den
Eingangs-Port a&sub2; eingegeben wird, das Meßsignal der Fahrzeuggeschwindigkeit V,
welches in den Eingangs-Port a&sub4; eingegeben wird, und das Stromerfassungssignal
Is,
welches in den Eingangs-Port a&sub5; eingegeben wird (S1). Der
Phasenkompensator 171 kompensiert die Phase des ersten Meßsignals T&sub1;,
welches über den Eingangs-Port a&sub1; eingegeben wird (S2). Die Differenziereinheit
175 differenziert das zweite Meßsignal T&sub2;, welches über den zweiten Eingangs-
Port a&sub2; eingegeben wird (S3). Als Folge davon wird die Änderungsrate des
Lenkdrehmoments erhalten.
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Die Funktionserzeugungseinheit 173 bestimmt den Zielstrom I auf der Basis
des kompensierten ersten Meßsignals T&sub1; und der Fahrzeuggeschwindigkeit V,
welche in den Eingangs-Port a&sub4; eingegeben wird (S4). Nach der Bestimmung des
Zielstroms I addiert der Addierer 174a das differenzierte Ergebnis der
Differenziereinheit 175 zu dem Zielstrom I, wodurch der endgültige Steuerstrom für
den Antrieb des Motors 8 bestimmt wird. Der Subtrahierer 174b subtrahiert das
Stromerfassungssignal Is, welches in den Eingangs-Port a&sub5; eingegeben wird, von
dem Steuerstrom. Das subtrahierte Ergebnis wird über PID-Regelung durch die
Motorantriebsschaltung 23 geregelt, und die Steuerspannung des Motors wird
bestimmt (S5). Die Motorantriebsschaltung 23 treibt den Motor 8 mit dieser
Steuerspannung (S6) und unterstützt die Lenkkraft.
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Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines weiter
modifizierten Ausführungsbeispiels eines Steuersystems der Servolenkung der
Erfindung zeigt. In Fig. 12 sind dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen wie
in Fig. 9 bezeichnet, deren Beschreibung hier abgekürzt ist. Gemäß dem
Steuersystem des modifizierten Ausführungsbeispiels ist die Verstärkung des
ersten Meßsignals T&sub1;, welches das Meßsignal des ersten Drehmomentsensors 21b
ist, größer gesetzt als die Verstärkung des zweiten Meßsignals T&sub2;, welches das
Meßsignal des zweiten Drehmomentsensors 22b ist, und zwar durch Einstellung
der Meßschaltung des ersten oder zweiten Drehmomentsensors 21b oder 22b. Ein
Meßsignal des Lenkdrehmoments wird direkt in den Eingangs-Port a&sub1; der
Steuereinheit 17b von dem ersten Drehmomentsensor 21b eingegeben, ohne eine
Verstärkerschaltung zu passieren. Darüber hinaus wird ein Meßsignal von dem
zweiten Drehmomentsensor 22b, welcher ein Sensor zur Messung des
Lenkdrehmoments für die vorher erwähnte Fehlerverarbeitung ist, direkt in den
Eingangs-Port a&sub2; eingegeben, welches wiederum in ein durch die
Differenziereinheit 175 zu differenzierendes Signal und ein Signal für die Ausfalls-
Sicherungsverarbeitung aufgeteilt ist.
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Da die Verstärkung des zweiten Meßsignals T&sub2;, welches durch die
Differenziereinheit 175 differenziert wird, kleiner ist als die des ersten Meßsignals T&sub1; zur
Bestimmung des Zielstroms 1, ist die effektive Meßbreite des zweiten Meßsignals
größer, so daß es möglich ist, das Lenkdrehmoment in einem weiteren Bereich zu
steuern, indem das zweite Meßsignal anstelle des ersten Meßsignals T&sub1;
differenziert wird.
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Wie oben beschrieben ändert sich der endgültige Steuerstrom des Motors
sofort, wenn der Stromwert basierend auf dem differenzierten Wert des
Lenkdrehmoments zu dem Zielstrom I addiert wird, und dementsprechend kann die
Antriebskraft des Motors 8 ohne Verzögerung in Reaktion auf die von dem
Drehmomentsensor erfaßte Drehung des Lenkrades an den Lenkmechanismus
übertragen werden.