WO2019057905A1 - Verfahren zum erkennen von stoergroessen in einem lenkungssystem sowie lenkungssystem für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum erkennen von stoergroessen in einem lenkungssystem sowie lenkungssystem für ein kraftfahrzeug Download PDF

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Emad Farshizadeh
Arno Luengen
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Trw Automotive Gmbh
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    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting disturbances on steering systems and to a steering system for a motor vehicle.
  • motor vehicles which have a steering system with an electromechanical steering assistance, wherein the electromechanical steering assistance can provide a torque so as to assist the steering movement of the vehicle driver of the motor vehicle.
  • An electromechanical steering assistance may be designed as a power steering.
  • disturbances occur which give the driver of the motor vehicle an undesirable steering sensation, since unwanted steering excitations occur, for example from the road via the wheels, friction-based disturbances of the electromechanical steering assistance, in particular of the motor used, and / or friction-based disturbances of the steering system in general, for example, the steering gear used.
  • these disturbances can either not be detected at all or can only be detected with great effort (by correspondingly many sensors).
  • the friction-related disturbances on both the drive and the output side can not be detected by sensors.
  • the object of the invention is to provide a steering system for a motor vehicle and a method for detecting disturbances, with which the disturbances can be detected easily and inexpensively.
  • the object is achieved by a method for detecting disturbances in a steering system, wherein the steering system a
  • Steering column and electromechanical steering assistance includes, with the following steps:
  • the basic idea of the invention is that the disturbance variables acting on the steering system are estimated via the mathematical state space model so that they do not have to be detected directly by a sensor, which is not possible for all disturbance variables anyway. In this way, the corresponding costs for the numerous sensors can be saved and at the same time a more accurate overall disturbance can be determined, since disturbances which are not detectable by sensors are estimated. In this respect, the disturbances acting on the steering system can be determined more accurately.
  • the at least one disturbance variable which is estimated via the Kalman filter, is, in particular, a variable which can not be detected by sensory means and / or a variable which can not be detected metrologically.
  • the at least one disturbance variable can not be determined via intended sensors, but can only be estimated.
  • the at least one disturbance estimated via the Kalman filter is not a state variable.
  • the at least one disturbance variable is a frictional torque or frictional torque, a force originating from the road, which acts, for example, on the rack, and / or a frictional force or frictional force, for example on the rack.
  • angles of rotation (s), rotational angular velocity (s), path (s) and / or speed (s), for example of the rack are state variables which are just different from the at least one disturbance variable.
  • the at least one estimated disturbance variable is used by a compensation unit in order to compensate for the disturbance corresponding to the disturbance by means of a compensation variable.
  • the amount of compensation is an additional torque provided by the electromechanical steering assist to compensate for the disturbance corresponding disturbance. Consequently, an additional torque is provided which compensates for the corresponding estimated disturbances, in particular the disturbance corresponding to the disturbance.
  • the additional torque may be provided according to the electromechanical steering assistance, which is present anyway, so that no additional components are needed to effectively compensate for the undesirable steering excitations that occur.
  • the compensation unit comprises frequency-dependent filters and / or characteristic maps which are adjustable in order to simultaneously generate a desired steering feel in the compensation of the estimated disturbance variables. Accordingly, condition-dependent can be Determine compensation values that are calculated via the correspondingly adjustable filters or characteristic maps.
  • At least one measured variable of the motor vehicle is detected and used in order to determine the compensation variable.
  • the measured variable of the motor vehicle which can also be measured by a sensor, it is therefore possible to set the compensation variable as a function of the corresponding measured variable of the motor vehicle.
  • the at least one measured variable of the motor vehicle is used to set the frequency-dependent filters and / or characteristic maps.
  • the compensation unit can use, in addition to the estimated disturbance variable, the at least one measured variable of the motor vehicle and a previously measured measured variable of the steering system in order to determine the compensation variable.
  • the at least one measured variable of the motor vehicle is a vehicle speed and / or a steering variable.
  • the steering variable may be a steering angle, a steering angle speed and / or a steering angular acceleration, which is detected accordingly.
  • the steering variable depends, for example, with the steering movement made by the driver.
  • the vehicle speed is taken into account in order to set the filters or characteristic maps.
  • the compensation quantity can thus be determined as a function of the steering variable and of the vehicle speed in addition to the dependence on the determined disturbance variable.
  • a lower part of the steering system comprising at least the electromechanical steering assistance is modeled by means of the mathematical state space model.
  • This lower part is sufficient to be able to estimate the occurring disturbances that occur through the road, friction-based disturbance of the electromechanical steering assistance or the steering gear.
  • the lower part of the steering system comprises all components of the steering system which are provided below a sensor associated with the steering column. Accordingly, the Estimate disruptions that come from the road or the corresponding implementation. In particular, it is thus possible to distinguish these disturbances from the disturbances that occur on the drive side.
  • the at least one variable includes a rotation angle of the steering system, a motor rotation angle of the electromechanical steering assistance, a torque of the electromechanical steering assistance, and / or a torque of the steering column.
  • These four quantities can all be used in the mathematical state space model to estimate the corresponding disturbances.
  • the different quantities can be used as input variables in the corresponding state space model of an observer formed by the Kalman filter.
  • the rotation angle of the steering system is, for example, a rotation angle of a lower portion of the steering system, which is measured below a torsion bar provided in the steering system.
  • the angle of rotation of the steering system can be the angle of rotation of the steering column.
  • the variables can be measured variables, as is the case, for example, with the angle of rotation of the steering system and the torque of the steering column. Furthermore, the quantities can be determined indirectly from measured variables, as is the case for the torque of the electromechanical steering assistance.
  • the torque of the electromechanical steering assistance can be determined indirectly, namely via the currents of an electromotor of the electromechanical steering assistance.
  • the variables to be regarded as measured variables all have in common that they are measured via a correspondingly assigned sensor which is assigned to the steering system, the corresponding sensors being not suitable for determining the estimated disturbance variables themselves. In this respect, no additional sensors are used to directly detect the disturbances or the interferences associated with the disturbances. Rather, the corresponding disturbances or disturbances are estimated using the Kalman filter and the sensors that are present anyway.
  • the invention relates to a steering system for a motor vehicle, with a steering column, an electromechanical steering assistance, a steering column associated sensor, which is configured, a torque and a To detect the angle of rotation of the steering column.
  • the electromechanical steering assist includes a motor having an angular position sensor configured to detect the motor rotation angle of the motor.
  • the steering system includes a controller configured to determine a torque of the electromechanical steering assistance, wherein the controller is further configured to determine a disturbance in the steering system, which can lead to an undesirable steering feel, by means of a Kalman filter. Demenschend it is possible with the steering system that the occurring in the steering system, the steering feeling negatively influencing disturbances are estimated, without using an additional sensor for this purpose. The corresponding disturbances are determined or estimated using the Kalman filter. Accordingly, a cost-effective steering system is provided, which nevertheless provides additional information in a compact design, which are not detectable for example via sensors.
  • the steering system is designed to compensate for the disturbance in the steering system, which leads to an undesirable steering feel, too. This ensures that the driver does not notice the disturbances. The steering feel is improved accordingly.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a steering system according to the invention of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a physical substitute model of a lower part of the steering system of FIG. 1,
  • Figure 3 is a simplified physical substitute model of the lower part of the steering system of Figure 1, and
  • FIG 4 is a schematic representation of the steering system according to the invention, with which the inventive method is illustrated.
  • a steering system 10 of a motor vehicle is shown, which is designed as an electromechanically assisted steering system.
  • the steering system 10 includes an upper portion 12 that includes a steering wheel 14, a first steering column 16 and at least a portion of a second steering column 18, and a lower portion 20 that includes at least a portion of the second steering column 18, a measuring device 22, a rack 23 and an electromechanical steering assist 24.
  • the measuring device 22 has a so-called torque and angle sensor 26, which is also referred to as a torque-angle sensor (TAS).
  • TAS torque-angle sensor
  • the measuring device 22 is integrated, for example, in the second steering column 18, so that the second steering column 18 comprises an input section and a corresponding output section, in particular wherein the second steering column 18 is formed in two parts.
  • the torque and angle sensor 26 includes, for example, a torsion bar, via which the angle and the torque occurring of the steering column 16, 18 can be detected accordingly.
  • the detection of the angle can take place on a side facing the steering wheel 14 side of the torsion bar or on a side facing the rack 23 side of the torsion bar.
  • the electromechanical steering support 24 includes a motor 28 and an angular position sensor 30, via which the motor rotation angle of the motor 28 can be detected.
  • the motor 28 is in particular an electric motor.
  • the steering system 10 includes a controller 32 which is coupled to the measuring device 22 and the electromechanical steering support 24.
  • the controller 32 accordingly receives, inter alia, the angle of rotation of the steering column 16, 18 via the sensor 26, the torque of the steering column 16, 18 via the sensor 26, the motor rotation angle of the motor 28 via the angular position sensor 30 and the torque of the electromechanical steering assistance 24 via the corresponding current consumption of the motor 28.
  • the torque of the steering column 16, 18 may be a Torsionsstabmoment.
  • controller 32 is arranged to apply a mathematical state space model of the observer 34, which is designed especially for the lower part 20 of the steering system 10.
  • the lower part 20 of the steering system 10 is modeled according to the simplified physical substitute model shown in FIG. 3 based on the physical substitute model of FIG. 2, exemplified by a steering system 10 having a Ball screw is.
  • a steering system 10 having a Ball screw is exemplified by a steering system 10 having a Ball screw.
  • other types of steering systems may be provided in an analogous manner.
  • the electromechanical steering assist 24 is mapped over the moments of inertia of the engine (Jmotor), the pulley (J u iiey), the ball nut (Jbaiinut) and the ball bearing (Jbearing), wherein for the bearing friction of the motor 28 also a viscous friction (b mo gate).
  • the translation of the belt drive (ibeit) and the translation of the ball screw (ibaiinut) are taken into account.
  • the torque of the steering column 16, 18 (T CO iumn), the applied torque (T aS sist) of the electromechanical steering assistance 24 and occurring as a disturbance friction torque (Tfnction.motor) are included within the electromechanical steering assistance 24 as further input variables or disturbances.
  • the force exerted by the road and the force acting on the rack 23 (F raa d) and the frictional force on the rack 23 (Ffriction.rack) are included as disturbances in the state space model.
  • the rotation angle (cpmotor) and the rotational angular velocity (Q mo tor) of the motor 28 of the electromechanical steering support 24 and the path (s rac k) and the speed (v rac k) of the rack 23 are included as state variables in the state space model.
  • the various moments of inertia of the electromechanical steering assist 24 are combined into a total moment of inertia (Jdrive) of the drive side.
  • an entire friction torque (Tfnction.drive) of the drive side is used.
  • the mass of the rack (s) and the moment of inertia (Jpinion) of the steering column to a total mass (rridownstream) summarized on the output side.
  • a state of the steering system 10 is modeled with the state space model, which is generally understood to mean a minimal set of variables x needed to describe the corresponding system, ie, the steering system 10.
  • the state of the steering system 10 becomes appropriate considered. From this results for the state variables:
  • This equation is a differential equation, or difference equation, depending on whether continuous time evolution or discrete time evolution is considered.
  • u CO ntroi [T aS sist T se nsor] T , that is, the applied torque of the electromechanical steering support 24 and the torque detected by the measuring device 20 on the second steering column 1 8, the torque of the steering column 1 6, 1 8 (T CO iumn) differs by the missing proportion of material damping.
  • Udist represents the unknown disturbances of the state occurring in the lower part 20 of the steering system 10.
  • the matrices A and B describe the evolution of the state x and depend on the magnitudes of the mathematical state space model.
  • the matrix C describes the relationship between the current state x of the steering system 10 and the measured motor rotation angle (p mo tor and the rotation angle ( P imon of the second steering column 18th
  • equation (2) forms a linear state space model for the state of the steering system 10.
  • a Kalman filter is used.
  • the Kaiman filter is used to estimate all additional required quantities needed to determine the disturbances.
  • the method described above is based on the observer 34 in the sense of the control technology in which the steering system 10 is modeled by a mathematical state space model.
  • This mathematical state space model serves as the basis for the design of the observer 34, which is associated with the lower part 20 of the steering system 10.
  • Tdis eject that compensates for the disturbances associated with the disturbances dist, obs.
  • the compensation unit 36 can be supplied with at least one measured variable of the motor vehicle, which is used to calculate the compensation variable Tdis eject.
  • the measured variable of the motor vehicle may be a vehicle dynamics measured variable (e.g. the vehicle speed) y ve hicie and / or a steering size ysteering act, for example, an applied steering torque, a steering angle, a steering angular velocity and / or a steering angular acceleration.
  • the compensation unit 36 may include frequency-dependent filters and / or maps that are adjustable.
  • the filters or characteristic maps can be dependent on corresponding measured variables of the motor vehicle yvehicie, so that the adjustable filters and / or characteristic maps are adjusted accordingly via the measured variables of the motor vehicle in order to determine the compensation variable Tdis eject as a function of the measured variables of the motor vehicle.
  • An additional torque representing the compensation quantity Tdis eject is calculated via the compensation unit 36 in order to compensate for the disturbances corresponding to the estimated disturbances ydi St , obs, ie the torque and the force on the toothed rack 23 which produce the undesired steering feel.
  • the extra torque Tdis eject will thereby applied by the electromechanical steering support 24, so that the unwanted steering excitations that occur on the part of the road, and / or friction-based disturbances of the lower part 20 of the steering system 10 are compensated accordingly, whereby the driver of the motor vehicle does not perceive them and has an improved steering feel.

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Abstract

Ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem (10) ist beschrieben, das eine Lenksäule (16, 18) und eine elektromechanische Lenkunterstützung (24) umfasst, wobei wenigstens eine Größe des Lenkungssystems (10) erfasst wird. Wenigstens ein Teil (20) des Lenkungssystems (10) wird mittels eines mathematischen Zustandsraummodells modelliert, das zumindest die Größe umfasst. Wenigstens eine Störgröße im Lenkungssystem (10) wird mittels eines Kalman-Filters abgeschätzt, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kalman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems (10) verwendet, um die Störgröße abzuschätzen. Ferner ist ein Lenkungssystem (10) beschrieben.

Description

Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem sowie Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen an Lenkungssystemen sowie ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug. Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Lenkungssystem mit einer elektromechanischen Lenkunterstützung aufweisen, wobei die elektromechanische Lenkunterstützung ein Drehmoment bereitstellen kann, um so die Lenkbewegung des Fahrzeugführers des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Eine elektromechanische Lenkunterstützung kann als eine Servolenkung ausgebildet sein.
Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Lenkungssystems, treten Störungen auf, die dem Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs ein ungewünschtes Lenkgefühl vermitteln, da unerwünschte Lenkanregungen auftreten, beispielsweise seitens der Straße über die Räder, reibungsbasierte Störungen der elektromechanischen Lenkunterstützung, insbesondere des verwendeten Motors, und/oder reibungsbasierte Störungen des Lenkungssystems im Allgemeinen, beispielsweise des verwendeten Lenkgetriebes. Diese Störgrößen können im Stand der Technik entweder gar nicht oder nur mit sehr großem Aufwand (durch entsprechend viele Sensoren) erfasst werden. Beispielsweise lassen sich die reibungsbedingten Störgrößen sowohl antriebs- als auch abtriebsseitig nicht über Sensoren erfassen.
Als nachteilig hat sich hierbei herausgestellt, dass die Erfassung und Kompensation der Störgrößen nur teilweise möglich ist und zudem die Kosten für die Kompensation der erfassbaren Störgrößen hoch sind, da unter anderem sehr viele Sensoren verwendet werden müssen, um die unterschiedlichen Störeinflüsse zu detektieren. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen bereitzustellen, mit denen sich die Störgrößen leicht und kostengünstig erfassen lassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem gelöst, wobei das Lenkungssystem eine
Lenksäule und eine elektromechanische Lenkunterstützung umfasst, mit den folgenden Schritten:
Erfassen wenigstens einer Größe des Lenkungssystems,
Modellieren wenigstens eines Teils des Lenkungssystems mittels eines mathematischen Zustandsraummodells, das zumindest die Größe umfasst, und
Abschätzen von wenigstens einer Störgröße im Lenkungssystem mittels eines Kaiman-Filters, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kaiman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems verwendet, um die Störgröße abzuschätzen.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die auf das Lenkungssystem wirkenden Störgrößen über das mathematische Zustandsraummodell abgeschätzt werden, sodass diese nicht von einem Sensor direkt erfasst werden müssen, was ohnehin nicht für alle Störgrößen möglich ist. Hierdurch können die entsprechenden Kosten für die zahlreichen Sensoren eingespart werden und gleichzeitig eine genauere Gesamtstörung ermittelt werden, da Störgrößen abgeschätzt werden, die von Sensoren nicht erfassbar sind. Insofern lassen sich die auf das Lenkungssystem wirkenden Störgrößen genauer ermitteln.
Bei der wenigstens einen Störgröße, die über den Kaiman-Filter abgeschätzt wird, handelt es sich insbesondere um eine sensorisch nicht erfassbare Größe und/oder eine messtechnisch nicht erfassbare Größe.
Die wenigstens eine Störgröße lässt sich demnach nicht über vorgesehene Sensoren ermitteln, sondern nur abschätzen.
Mit anderen Worten handelt es sich bei der wenigstens einen Störgröße, die über den Kaiman-Filter abgeschätzt wird, um keine Zustandsgröße. Es handelt sich bei der wenigstens einen Störgröße um ein Reibungsdrehmoment bzw. Reibmoment, eine von der Straße ausgehende Kraft, die beispielsweise auf die Zahnstange wirkt, und/oder eine Reibungskraft bzw. Reibkraft, beispielsweise an der Zahnstange. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei Drehwinkel(n), Drehwinkel- geschwindigkeit(en), Weg(en) und/oder Geschwindigkeit(en), beispielsweise der Zahnstange, um Zustandsgrößen, die sich von der wenigstens einen Störgröße gerade unterscheiden.
Ein Aspekt sieht vor, dass die wenigstens eine abgeschätzte Störgröße von einer Kompensationseinheit verwendet wird, um die der Störgröße entsprechende Störung mittels einer Kompensationsgröße zu kompensieren. Hierdurch ist es möglich, dass die unerwünschten Lenkanregungen, die mit der Störgröße einhergehen, entsprechend aktiv kompensiert werden, sodass für den Fahrzeugführer ein verbessertes Lenkgefühl gegeben ist. Die ansonsten auftretenden unerwünschten Lenkanregungen werden entsprechend eliminiert, sodass sie vom Fahrzeugführer nicht mehr wahrgenommen werden können. Der Bedienungskomfort steigert sich aufgrund des verbesserten Fahrgefühls entsprechend. Zudem kann hierdurch die Sicherheit erhöht werden, da sich beispielsweise eine Störung kompensieren lässt, die zu einem Wegreißen des Lenkrads führen würde, sofern ein Schlagloch oder ähnliches überfahren wird.
Insbesondere ist die Kompensationsgröße ein zusätzliches Drehmoment, das von der elektromechanischen Lenkunterstützung bereitgestellt wird, um die der Störgröße entsprechende Störung zu kompensieren. Folglich wird ein zusätzliches Drehmoment bereitgestellt, das die entsprechenden abgeschätzten Störungen kompensiert, insbesondere die der Störung entsprechende Störgröße. Das zusätzliche Drehmoment kann von der elektromechanischen Lenkunterstützung entsprechend bereitgestellt werden, die ohnehin vorhanden ist, sodass keine zusätzlichen Komponenten benötigt werden, um die auftretenden unerwünschten Lenkanregungen wirkungsvoll zu kompensieren. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Kompensationseinheit frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder, die einstellbar sind, um bei der Kompensation der abgeschätzten Störgrößen gleichzeitig ein gewünschtes Lenkgefühl zu erzeugen. Dementsprechend lassen sich zustandsabhängige Kompensationsgrößen ermitteln, die über die entsprechend einstellbaren Filter bzw. Kennfelder berechnet werden.
Insbesondere wird zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs erfasst und verwendet, um die Kompensationsgröße zu ermitteln. Mithilfe der Messgröße des Kraftfahrzeugs, die ebenfalls über einen Sensor gemessen werden kann, ist es demnach möglich, die Kompensationsgröße in Abhängigkeit der entsprechenden Messgröße des Kraftfahrzeugs einzustellen.
Beispielsweise wird die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs verwendet, um die frequenzabhängigen Filter und/oder Kennfelder einzustellen. Dementsprechend kann die Kompensationseinheit neben der abgeschätzten Störgröße die wenigstens eine Messgröße des Kraftfahrzeugs sowie eine zuvor gemessene Messgröße des Lenkungssystems verwenden, um die Kompensationsgröße zu ermitteln.
Insbesondere ist die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Lenkungsgröße. Bei der Lenkungsgröße kann es sich um einen Lenkwinkel, eine Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Lenkwinkelbeschleunigung handeln, die entsprechend erfasst wird. Demnach hängt die Lenkungsgröße beispielsweise mit der vom Fahrzeugführer vorgenommenen Lenkbewegung zusammen. Alternativ oder ergänzend wird die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt, um die Filter bzw. Kennfelder einzustellen. Die Kompensationsgröße kann also in Abhängigkeit von der Lenkungsgröße und von der Fahrzeuggeschwindigkeit zusätzlich zur Abhängigkeit von der ermittelten Störgröße bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird mittels des mathematischen Zustandsraummodells ein zumindest die elektromechanische Lenkunterstützung umfassender unterer Teil des Lenkungssystems modelliert. Dieser untere Teil ist ausreichend, um die auftretenden Störgrößen abschätzen zu können, die durch die Straße, reibungsbasierte Störung der elektromechanischen Lenkunterstützung bzw. des Lenkgetriebes auftreten. Insbesondere umfasst der untere Teil des Lenkungssystems sämtliche Komponenten des Lenkungssystems, die unterhalb eines der Lenksäule zugeordneten Sensors vorgesehen sind. Dementsprechend lassen sich die Störungen abschätzen, die von der Straße bzw. der entsprechenden Umsetzung herrühren. Insbesondere ist es so möglich, diese Störungen von den Störungen zu unterscheiden, die an der Antriebsseite auftreten.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die wenigstens eine Größe einen Drehwinkel des Lenkungssystems, einen Motordrehwinkel der elektromechanischen Lenkunterstützung, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung und/oder ein Drehmoment der Lenksäule. Diese vier Größen können allesamt in dem mathematischen Zustandsraummodell verwendet werden, um die entsprechenden Störgrößen abzuschätzen. Dabei können die unterschiedlichen Größen als Eingangsgrößen im entsprechenden Zustandsraummodell eines durch den Kaiman-Filter gebildeten Beobachters verwendet werden. Bei dem Drehwinkel des Lenkungssystems handelt es sich beispielsweise um einen Drehwinkel eines unteren Bereichs des Lenkungssystems, der unterhalb eines im Lenkungssystem vorgesehenen Torsionsstabs gemessen wird. Generell kann es sich bei dem Drehwinkel des Lenkungssystems um den Drehwinkel der Lenksäule handeln.
Die Größen können Messgrößen sein, wie dies beispielsweise beim Drehwinkel des Lenkungssystems und dem Drehmoment der Lenksäule der Fall ist. Ferner können die Größen indirekt aus Messgrößen ermittelt werden, wie dies für das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung der Fall ist. Das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung kann indirekt bestimmt werden, nämlich über die Ströme eines Elektromotors der elektromechanischen Lenkunterstützung. Die als Messgrößen anzusehenden Größen haben allesamt gemein, dass sie über einen entsprechend zugeordneten Sensor, der dem Lenkungssystem zugeordnet ist, gemessen werden, wobei die entsprechenden Sensoren nicht geeignet sind, die abgeschätzten Störgrößen selbst zu ermitteln. Insofern werden keine zusätzlichen Sensoren verwendet, um die Störgrößen bzw. die den Störgrößen zugeordneten Störungen direkt zu erfassen. Vielmehr werden die entsprechenden Störgrößen bzw. Störungen mit Hilfe des Kaiman-Filters und der ohnehin vorhandenen Sensoren abgeschätzt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenksäule, einer elektromechanischen Lenkunterstützung, einem der Lenksäule zugeordneten Sensor, der eingerichtet ist, ein Drehmoment und einen Drehwinkel der Lenksäule zu erfassen. Die elektromechanische Lenkunterstützung umfasst einen Motor mit einem Winkellagegeber, der eingerichtet ist, den Motordrehwinkel des Motors zu erfassen. Ferner umfasst das Lenkungssystem einen Regler, der eingerichtet ist, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung zu ermitteln, wobei der Regler ferner eingerichtet ist, eine Störgröße im Lenkungssystem, die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führen kann, mittels eines Kalman-Filters zu ermitteln. Demensprechend ist es mit dem Lenkungssystem möglich, dass die im Lenkungssystem auftretenden, das Lenkgefühl negativ beeinflussenden Störgrößen abgeschätzt werden, ohne einen hierfür zusätzlichen Sensor zu verwenden. Die entsprechenden Störgrößen werden mit Hilfe des Kalman-Filters entsprechend ermittelt bzw. abgeschätzt. Dementsprechend ist ein kostengünstiges Lenkungssystem geschaffen, das dennoch zusätzliche Informationen bei einem kompakten Aufbau bereitstellt, die beispielsweise über Sensoren nicht erfassbar sind.
Insbesondere ist das Lenkungssystem eingerichtet, die Störgröße im Lenkungssystem, die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führt, auch zu kompensieren. Hierdurch wird erreicht, dass der Fahrzeugführer die Störungen nicht mitbekommt. Das Lenkgefühl ist entsprechend verbessert. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenkungssystems eines Kraftfahrzeugs, - Figur 2 ein physikalisches Ersatzmodell eines unteren Teils des Lenkungssystems von Figur 1 ,
Figur 3 ein vereinfachtes physikalisches Ersatzmodell des unteren Teils des Lenkungssystems von Figur 1 , und
Figur 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lenkungssystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht ist. In Figur 1 ist ein Lenkungssystem 10 eines Kraftfahrzeugs gezeigt, das als ein elektromechanisch unterstütztes Lenkungssystem ausgebildet ist.
Das Lenkungssystem 10 umfasst einen oberen Teil 12, der ein Lenkrad 14, eine erste Lenksäule 16 und zumindest einen Teil einer zweiten Lenksäule 18 umfasst, sowie einen unteren Teil 20, der zumindest einen Teil der zweiten Lenksäule 18, eine Messeinrichtung 22, eine Zahnstange 23 und eine elektromechanische Lenkunterstützung 24 umfasst.
Beaufschlagt der Fahrer das Lenkrad 14 mit einem Drehmoment, so wird dadurch die erste Lenksäule 16 sowie die zweite Lenksäule 18 gedreht, was von der Messeinrichtung 22, die der zweiten Lenksäule 18 zugeordnet ist, entsprechend detektiert wird. Die Messeinrichtung 22 weist hierzu einen sogenannten Drehmoment- und Winkel-Sensor 26 auf, der auch als Torque-Angle- Sensor (TAS) bezeichnet wird. Die Messeinrichtung 22 ist beispielsweise in der zweiten Lenksäule 18 integriert, sodass die zweite Lenksäule 18 einen Eingangsabschnitt und einen entsprechenden Ausgangsabschnitt umfasst, insbesondere wobei die zweite Lenksäule 18 zweiteilig ausgebildet ist.
Der Drehmoment- und Winkel-Sensor 26 umfasst beispielsweise einen Torsionsstab, über den der Winkel und das auftretende Drehmoment der Lenksäule 16, 18 entsprechend erfasst werden kann. Die Erfassung des Winkels kann an einer zum Lenkrad 14 gerichteten Seite des Torsionsstabs oder auf einer zur Zahnstange 23 gerichteten Seite des Torsionsstabs erfolgen.
Die elektromechanische Lenkunterstützung 24 umfasst einen Motor 28 sowie einen Winkellagegeber 30, über den der Motordrehwinkel des Motors 28 erfasst werden kann. Bei dem Motor 28 handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor.
Zudem umfasst das Lenkungssystem 10 einen Regler 32, der mit der Messeinrichtung 22 sowie der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 gekoppelt ist.
Der Regler 32 erhält demnach unter anderem den Drehwinkel der Lenksäule 16, 18 über den Sensor 26, das Drehmoment der Lenksäule 16, 18 über den Sensor 26, den Motordrehwinkel des Motors 28 über den Winkellagegeber 30 sowie das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 über die entsprechende Stromaufnahme des Motors 28. Bei dem Drehmoment der Lenksäule 16, 18 kann es sich um ein Torsionsstabmoment handeln.
Ferner ist der Regler 32 eingerichtet, ein mathematisches Zustandsraummodell des Beobachters 34 anzuwenden, der insbesondere für den unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 entworfen ist.
Für den Entwurf des Beobachters 34 (Kaiman-Filter) wird der untere Teil 20 des Lenkungssystems 10 gemäß dem in Figur 3 gezeigten vereinfachten physikalischen Ersatzmodell modelliert, das auf dem physikalischen Ersatzmodell gemäß Figur 2 basiert, wobei es sich beispielhaft um ein Lenkungssystem 10 mit einem Kugelgewindetrieb handelt. Andere Arten von Lenkungssystemen können jedoch in analoger Weise vorgesehen sein.
In diesem Ersatzmodell wird die elektromechanische Lenkunterstützung 24, insbesondere ihre Komponenten, sowie die mechanischen Bauteile des Lenkungssystems 10, insbesondere die zweite Lenksäule 18 sowie die Zahnstange 23, über entsprechende Massen, Trägheitsmomente, Federn mit Federkonstante, Materialdämpfung mit Dämpfungskonstanten sowie die viskosen Reibungen modelliert.
Konkret wird die elektromechanische Lenkunterstützung 24 über die Trägheitsmomente des Motors (Jmotor), der Riemenscheibe (J uiiey), der Kugelumlaufmutter (Jbaiinut) und der Kugellager (Jbearing) abgebildet, wobei für die Lagerreibung des Motors 28 zudem eine viskose Reibung (bmotor) berücksichtigt wird. Zudem wird die Übersetzung des Riementriebs (ibeit) sowie die Übersetzung des Kugelgewindetriebs (ibaiinut) berücksichtigt.
Hinsichtlich des Lenkungssystems 10 wird die Masse der Zahnstange 23 (mrack) und die elastische Anbindung der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 an die Zahnstange 23 als Feder (cgear) mit der Materialdämpfung (bgear) im Zustandsraummodell berücksichtigt. Ebenso geht in das Zustandsraummodell das Trägheitsmoment des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10, also das der zweiten Lenksäule 18 mit Ritzel, (J inion) und die entsprechende Übersetzung (ipinion) ein.
Zudem geht aus der Figur 2 hervor, dass bezüglich der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 das Drehmoment der Lenksäule 16, 18 (TCOiumn), das aufgebrachte Drehmoment (TaSsist) der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie das als Störgröße auftretende Reibungsdrehmoment (Tfnction.motor) innerhalb der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 als weitere Eingangsgrößen bzw. Störgrößen einbezogen werden. Weiterhin werden die von der Straße ausgehende Kraft und auf die Zahnstange 23 wirkende Kraft (Fraad) und die Reibungskraft an der Zahnstange 23 (Ffriction.rack) als Störgrößen in das Zustandsraummodell einbezogen.
Der Drehwinkel (cpmotor) und die Drehwinkelgeschwindigkeit (Qmotor) des Motors 28 der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie der Weg (sraCk) und die Geschwindigkeit (vraCk) der Zahnstange 23 werden als Zustandsgroßen in das Zustandsraummodell einbezogen.
Das in Figur 2 gezeigte physikalische Ersatzmodell wird für den Entwurf des Beobachters 34 jedoch vereinfacht, wie in Figur 3 dargestellt.
Dementsprechend werden die verschiedenen Trägheitsmomente der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 zu einem gesamten Trägheitsmoment (Jdrive) der Antriebsseite zusammengefasst. Zudem wird ein gesamtes Reibungsdrehmoment (Tfnction.drive) der Antriebsseite herangezogen. Auch wird die Masse der Zahnstange (n ) und das Trägheitsmoment (Jpinion) der Lenksäule zu einer Gesamtmasse (rridownstream) auf der Abtriebsseite zusammengefasst. Ausgehend von dem in Figur 3 dargestellten vereinfachten physikalischen Ersatzmodell des Lenkungssystems 10, insbesondere des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10, lassen sich Gleichungen ableiten, die das mathematische Zustandsraummodell des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10 bilden. Dieses mathematische Zustandsraummodell wird im Folgenden näher erläutert. Ein Zustand des Lenkungssystems 10 wird mit dem Zustandsraummodell modelliert, wobei unter dem Zustand generell ein minimaler Satz von Variablen x zu verstehen ist, der benötigt wird, um das entsprechende System zu beschreiben, also das Lenkungssystem 10. Hier wird der Zustand des Lenkungssystems 10 entsprechend betrachtet. Hieraus ergibt sich für die Zustandsgroßen:
Figure imgf000012_0001
Eine Zeitabhängigkeit des entsprechenden Zustande ist im Folgenden nicht explizit dargestellt, jedoch stillschweigend angenommen. Die zeitliche Entwicklung des Zustande des Lenkungssystems 1 0 ist durch die folgende Gleichung gegeben: x = Ax + Bu = A x + B [ucontrol udist] (Gleichung 1 )
Diese Gleichung ist je nachdem, ob eine kontinuierliche Zeitentwicklung oder eine diskrete Zeitentwicklung betrachtet wird, eine Differenzialgleichung bzw. eine Differenzengleichung. Dabei ist uCOntroi = [TaSsist Tsensor]T, also das aufgebrachte Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie das von der Messeinrichtung 20 erfasste Drehmoment an der zweiten Lenksäule 1 8, das sich vom Drehmoment der Lenksäule 1 6, 1 8 (TCOiumn) um den fehlenden Anteil der Materialdämpfung unterscheidet.
Ferner ist udiSt = [Tfriction,drive Frack]T, und umfasst mit Tfriction,drive das antriebsseitige trockene Reibmoment sowie mit FraCk = Fraad + Ffriction.rack die Summe aus der Kraft, in Folge von Fahrbahnanregungen und die abtriebsseitige trockene Reibkraft.
Dementsprechend stellt Udist die im unteren Teil 20 des Lenkungssystems 1 0 auftretenden unbekannten Störungen des Zustande dar.
Die Matrizen A und B beschreiben die Entwicklung des Zustande x und sind abhängig von den Größen des mathematischen Zustandsraummodells.
Des Weiteren ergibt sich aus dem mathematischen Zustandsraummodell, dass die gemessenen Motordrehwinkel cpmotor und der Drehwinkel c pimon der zweiten Lenksäule 1 8 sich ebenfalls über den entsprechenden Zustand des Lenkungssystems 1 0 wie folgt beschreiben lassen:
Ymeas
Figure imgf000012_0002
Dabei beschreibt die Matrix C den Zusammenhang zwischen dem aktuellen Zustand x des Lenkungssystems 10 und dem gemessenen Motordrehwinkel (pmotor sowie dem Drehwinkel ( Pimon der zweiten Lenksäule 18.
Zusammen mit der obenstehenden Gleichung (1 ) für die zeitliche Entwicklung des Zustands des Lenkungssystems 10 bildet die Gleichung (2) ein lineares Zustandsraummodell für den Zustand des Lenkungssystems 10.
Aus der Bestimmung der entsprechenden Größen, also des Motordrehwinkels der elektromechanischen Lenkunterstützung 24, des Drehwinkels der zweiten Lenksäule 18, dem Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie dem Drehmoment der zweiten Lenksäule 18, kann nicht unmittelbar auf die Zustandsgroßen des Lenkungssystems 10 und die entsprechenden Störgrößen Udist geschlossen werden.
Vielmehr müssen die Zustandsgroßen des Lenkungssystems 10 und die Störgrößen Udist abgeschätzt werden. Zu diesem Zweck wird ein Kaiman-Filter herangezogen. Dieser schätzt basierend auf den bestimmten Größen des Lenkungssystems 10 und dem gewählten mathematischen Zustandsraummodell die Zustandsgroßen des Lenkungssystems 10 und die unbekannten Störgrößen des mathematischen Zustandsraummodells ab. Genauer gesagt schätzt der Kaiman-Filter die auf den unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 wirkenden Störungen Tfriction.drive sowie FraCk ab, wobei, wie bereits erwähnt, Tfriction.drive das antriebsseitige trockene Reibmoment sowie Frack = Froad + Ffriction.rack die Summe aus der Kraft in Folge von Fahrbahnanregungen und die abtriebsseitige trockene Reibkraft beschreiben. Über den Kaiman-Filter werden also alle zusätzlich benötigten Größen abgeschätzt, die nötig sind, um die Störgrößen zu ermitteln. Es werden genauer gesagt, alle zur Berechnung der Störgrößen des Lenkungssystems 10 benötigten, nicht gemessenen und alle dazu benötigten, nicht messbaren Größen abgeschätzt. Anders ausgedrückt basiert das oben beschriebene Verfahren auf dem Beobachter 34 im Sinne der Regelungstechnik, bei dem das Lenkungssystem 10 durch ein mathematisches Zustandsraummodell nachgebildet ist. Dieses mathematische Zustandsraummodell dient als Grundlage für den Entwurf des Beobachters 34, der dem unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 zugeordnet ist.
Aus bekannten Eingangs- und Messgrößen uCOntroi bzw. ymeas werden vom Beobachter 34 („unterer Beobachter"), wie oben beschrieben, unbekannte Zustande- und Störgrößen abgeschätzt.
Daraus werden die Störgrößen dist,obs als Ausgangsgrößen berechnet, die den gesamten auftretenden Störungen entspricht.
Diese abgeschätzten Störgrößen dist,obs werden anschließend von einer Kompensationseinheit 36 verwendet, um eine Kompensationsgröße Tdis eject zu ermitteln, die die Störungen kompensiert, die der Störgrößen dist,obs zugeordnet sind.
Hierbei kann der Kompensationseinheit 36 zusätzlich zu der über den Beobachter 34 ermittelten Störgrößen ydist,obs zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs zugeführt werden, die zur Berechnung der Kompensationsgröße Tdis eject herangezogen wird. Bei der Messgröße des Kraftfahrzeugs kann es sich um eine fahrdynamische Messgröße (beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit) yvehicie und/oder eine Lenkungsgröße ysteering handeln, beispielsweise einem aufgebrachten Lenkmoment, einem Lenkwinkel, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Lenkwinkelbeschleunigung.
Die Kompensationseinheit 36 kann frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder umfassen, die einstellbar sind. Die Filter bzw. Kennfelder können dabei von entsprechenden Messgrößen des Kraftfahrzeugs yvehicie, ysteering abhängig sein, sodass die einstellbaren Filter und/oder Kennfelder entsprechend über die Messgrößen des Kraftfahrzeugs eingestellt werden, um die Kompensationsgröße Tdis eject in Abhängigkeit von den Messgrößen des Kraftfahrzeugs zu ermitteln.
Über die Kompensationseinheit 36 wird ein zusätzliches Drehmoment berechnet, das die Kompensationsgröße Tdis eject darstellt, um die der abgeschätzten Störgrößen ydiSt,obs entsprechende Störungen zu kompensieren, also das Drehmoment sowie die Kraft an der Zahnstange 23, die das ungewünschte Lenkgefühl erzeugen. Das zusätzliche Drehmoment Tdis eject wird dabei von der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 aufgebracht, sodass die unerwünschten Lenkanregungen, die seitens der Straße, und/oder reibungsbasierten Störungen des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10 auftreten, entsprechend kompensiert werden, wodurch der Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs diese nicht wahrnimmt und ein verbessertes Lenkgefühl hat.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Lenkungssystem 10 ist es möglich, auftretende Störgrößen in einfacher Weise zu ermitteln und zu kompensieren, ohne hierfür zahlreiche Sensoren zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem (10) mit einer Lenksäule (16, 18) und einer elektromechanischen Lenkunterstützung (24), mit den folgenden Schritten: - Erfassen wenigstens einer Größe des Lenkungssystems (10),
Modellieren wenigstens eines Teils (20) des Lenkungssystems (10) mittels eines mathematischen Zustandsraummodells, das zumindest die Größe umfasst, und
Abschätzen von wenigstens einer Störgröße im Lenkungssystem (10) mittels eines Kaiman-Filters, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kaiman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems (10) verwendet, um die Störgröße abzuschätzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine abgeschätzte Störgröße von einer Kompensationseinheit (36) verwendet wird, um die der Störgröße entsprechende Störung mittels einer Kompensationsgröße zu kompensieren.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsgröße ein zusätzliches Drehmoment ist, das von der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) bereitgestellt wird, um die der Störgröße entsprechende Störung zu kompensieren.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (36) frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder umfasst, die einstellbar sind, um ein gewünschtes Lenkgefühl zu erzeugen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs erfasst und verwendet wird, um die Kompensationsgröße zu ermitteln.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs verwendet wird, um die frequenzabhängigen Filter und/oder Kennfelder einzustellen.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Lenkungsgröße ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mathematischen Zustandsraummodells ein zumindest die elektromechanische Lenkunterstützung (24) umfassender unterer Teil (20) des Lenkungssystems (10) modelliert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (20) des Lenkungssystems (10) sämtliche Komponenten des Lenkungssystems (10) umfasst, die unterhalb eines der Lenksäule (16, 18) zugeordneten Sensors (26) vorgesehen sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Größe einen Drehwinkel des Lenkungssystems (10), einen Motordrehwinkel der elektromechanischen Lenkunterstützung (24), ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) und/oder ein Drehmoment der Lenksäule (16, 18) umfasst.
1 1 . Lenkungssystem (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenksäule (16, 18), einer elektromechanischen Lenkunterstützung (24), einem der Lenksäule (16, 18) zugeordneten Sensor (26), der eingerichtet ist, ein Drehmoment und einen Drehwinkel der Lenksäule (16, 18) zu erfassen, und einem Regler (32), wobei die elektromechanische Lenkunterstützung (24) einen Motor (28) mit einem Winkellagegeber (30) umfasst, der eingerichtet ist, den Motordrehwinkel des Motors (28) zu erfassen, wobei der Regler (32) eingerichtet ist, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) zu ermitteln, und wobei der Regler (32) ferner eingerichtet ist, eine Störgröße im Lenkungssystem (10), die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führt, mittels eines Kaiman-Filters zu ermitteln.
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