DE19822170C2 - Servolenkvorrichtung - Google Patents
ServolenkvorrichtungInfo
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- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
- B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
- B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
- B62D5/046—Controlling the motor
- B62D5/0463—Controlling the motor calculating assisting torque from the motor based on driver input
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges. Dabei wird insbesondere eine elektrisch unterstützte
Servolenkvorrichtung zur Erzeugung von Unterstützungs
drehmomenten bei der Steuerung eines Kraftfahrzeuges ausgebildet.
Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtungen sind bekannt.
Servolenkvorrichtungen haben die Aufgabe, ein vorgegebenes
gewünschtes Unterstützungsdrehmoment oder eine vorgegebene
gewünschte Unterstützungskraft für den Lenkmechanismus zu
erzeugen, damit die vom Bediener bzw. Fahrer aufzubringende
Kraft reduziert werden kann. Dies wird bei hydraulisch unt
erstützten Servolenkvorrichtungen unter Einsatz eines Netz
werkes von komplexen, zur Erzielung einer wünschenswerten
Verstärkungs- bzw. Verstärkerkurve vorgesehenen Hydraulik
kreisen erreicht. Der Verstärkerkurve ist zu entnehmen, wel
ches Unterstützungsdrehmoment bei einem bestimmten, vom Fah
rer aufgebrachten Eingangsdrehmoment erzeugt werden soll.
Der Verlauf der Verstärkerkurve ist im allgemeinen nichtli
near. Wenn der Fahrer ein niedriges Drehmoment aufbringt,
erfolgt eine geringe Verstärkung. Diese wird deutlich er
höht, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment größer
wird. Dies hat eine geringere Unterstützung durch das Servo
lenksystem während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebes zur
Folge, was ein "gutes Lenkgefühl" für den Fahrer zur Folge
hat. Für den Fahrer ist es nämlich kaum möglich, während ho
her Fahrgeschwindigkeiten hohe Eingangsdrehmomente auf die
Lenkung aufzugeben, da bei hohen Fahrgeschwindigkeiten Fahr
zeuge stark auf Lenkeingaben ansprechen.
Im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb, beispielsweise beim Ein
parken, muß der Fahrer eines Kraftfahrzeuges beträchtliche
Lenkdrehmomente aufbringen. Dann soll die Servolenkvorrich
tung in der Lage sein, in Reaktion auf ein großes, vom Fah
rer aufgebrachtes Eingangsdrehmoment ein beträchtliches Un
terstützungsdrehmoment zu erzeugen. Bei typischen Verstär
kerkurven wird diesem Umstand durch eine bei einem zunehmen
den Lenkeingangsdrehmoment größer werdende Verstärkung Rech
nung getragen. Auch ein elektrisch unterstütztes Servolenk
system muß in dieser Weise ausgelegt sein.
Das Leistungsvermögen von elektrisch unterstützten Servo
lenkvorrichtungen kann durch deren Bandbreite charakteri
siert werden, welche ein Maß für die Reaktionszeit und die
Verstärkung ist. Eine ausreichende Bandbreite ist erforder
lich, damit ohne merkbare Reaktionszeiten auf schnellste
Eingaben des Fahrers reagiert wird, und damit gleichzeitig
dem Fahrer ein "Fühlen der Straße" durch den mechanischen
Lenkmechanismus vermittelt wird. Überschreitet die dynami
sche Lenkfrequenz die Systembandbreite, so wird der Fahrer
eine Verschlechterung seines Lenkgefühls feststellen, und
zwar wird das Lenkgefühl dann "schwergängig", wenn der Elek
tromotor nicht das geforderte Unterstützungsdrehmoment auf
bringen kann. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, daß
eine ausreichende Bandbreite vorhanden ist und die Stabili
tät und die Systemschwingungen innerhalb vorgegebener zuläs
siger bzw. akzeptabler Grade gehalten werden. Bei hydrauli
schen Servosystemen können die hydraulische Stabilität und
die Schwingungen durch Verringerung der Unterstützungsver
stärkung oder durch Erhöhen der Dämpfung gesteuert werden.
Da jedoch ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch eines der Zie
le eines Einsatzes elektrisch unterstützter Servolenksysteme
ist, ist es angezeigt, nach Alternativen für eine Erhöhung
der Dämpfung zur Steuerung der Stabilität und der Schwingungen
zu suchen.
In der JP 08-91 236 A ist eine Servolenkvorrichtung offen
bart, bei der von einem Lenkdrehmomentsensor ein Lenkdrehmo
mentsignal T erzeugt wird. Auf der Basis dieses Signals T
bestimmt ein Steuerungssystem ein gewünschtes Drehmoment T0,
welches ein Elektromotor erzeugen soll. Die Berechnung des
gewünschten Drehmomentes T0 aus dem Lenkdrehmomentsignal
findet in einer Phasenkompensationseinrichtung statt, die
aus zwei in Reihe geschalteten Übertragungsgliedern besteht,
deren Übertragungsfunktionen jeweils nur Terme erster Ord
nung enthalten. Das Besondere der Steuerung besteht darin,
daß die Konstanten der Übertragungsfunktionen aus einem se
paraten Modul zeitveränderlich bereitgestellt werden.
Die in der EP 0 737 611 A2 offenbarte Servolenkvorrichtung
enthält eine Steuerung, die auf ein Lenkdrehmomentsignal hin
ein Motorantriebssignal berechnet, aufgrund dessen ein Elek
tromotor ein Unterstützungsdrehmoment für den Lenkmechanis
mus erzeugt. Die Steuerung des Elektromotors ist dabei zwei
stufig und besteht aus einer Sollstrom-Bestimmungs
einrichtung und einer nachgeschalteten Bestimmungseinrich
tung für das Motorantriebssignal. Parallel zur Sollstrom-
Bestimmungseinrichtung verläuft ein Zweig mit einer "Phasen
kompensation". Diese Phasenkompensation besteht im Wesentli
chen aus der Berücksichtigung der zeitlichen Ableitung des
Lenkdrehmomentsignals.
Auch die US 5 631 833 A betrifft eine Steuerung für eine Ser
volenkung, mit der ein Lenkdrehmomentsignal in ein Motoran
triebssignal für einen Elektromotor, der ein Unterstützungs
drehmoment erzeugt, umgewandelt wird. Die Steuerungseinrich
tung enthält dabei eine Phasenführungs-Kompensations
einrichtung sowie in Reihe hierzu und parallel zueinander
Proportional-, Integral- und Differentialglieder. Die Pha
senführungs-Kompensationseinrichtung ist im wesentlichen ein
System erster Ordnung, welches die Ableitung des Lenkdrehmo
mentsignals T berechnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch
unterstützte Servolenkvorrichtung zu schaffen, bei der eine
ausreichende, den Anforderungen eines Servolenksystems Rech
nung tragende Bandbreite vorhanden ist, und bei der die Sta
bilität und die Schwingungen des Steuersystems ohne übermäßig
großen Dämpfungseinsatz innerhalb vorgegebener Niveaus ge
halten werden, damit der angestrebte Vorteil eines geringen
Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Zudem wird angestrebt,
kostengünstige Sensoren und Betätigungselemente ohne Mikro
prozessorüberlastung einsetzen zu können.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue, elektrisch
unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraft
fahrzeuges geschaffen, ohne daß zur Erreichung der ange
strebten Wirkung und Leistung ein Einsatz kostenintensiver
Systemkomponenten und Dämpfungseinrichtungen zur Stabilisie
rung erforderlich ist.
Die elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung nach An
spruch 1 weist an einem Lenkmechanismus einen Lenkdrehmo
mentsensor zur Ermittlung eines auf ein Lenkrad aufgebrach
ten Lenkdrehmoments und zum Erzeugen eines Lenkdrehmomentsi
gnals auf. Weiterhin ist ein Elektromotor zur Erzeugung ei
nes Unterstützungslenkdrehmomentes für den Lenkmechanismus
sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Motors vor
gesehen. Die Steuerungseinrichtung weist eine Steuerungsein
richtung für eine Außenschleife zur Erzeugung eines ge
wünschten, auf das Lenkdrehmomentsignal ansprechenden
Drehmomentsignals auf. Die Steuerungseinrichtung für die Au
ßenschleife hat ein Phasenverzögerungsglied (im folgenden
Phasenverzögerungsnetz bzw. -netzwerk genannt) in Reihe und
ein Glied (im folgenden Netzwerk bzw. Netz genannt) zweiter
Ordnung, das mit dem Phasenverzögerungsnetz geschaltet ist.
Die Steuerungseinrichtung weist weiterhin eine Steuerungs
einrichtung für eine Innenschleife auf, welche dazu vorgese
hen ist, ein auf das gewünschte Drehmomentsignal ansprechen
des Motorantriebssignal zu erzeugen,
und welches weiterhin die Aufgabe hat, das Motorantriebs
signal an den Elektromotor anzulegen.
Vorteilhaft ist, daß die elektrisch unterstützte Servolenk
vorrichtung eine ausreichende Stabilität dahingehend auf
weist, daß sowohl während eines Parkmanövers als auch wäh
rend eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs die jeweils ge
wünschte Verstärkung erzeugt wird, und zwar mittels einer
gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Konstruk
tion bei verbesserter Leistung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 eine Teil-Vertikalansicht einer elektrisch unter
stützten Servolenkvorrichtung entsprechend der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Teil-Vertikalansicht einer weiteren Ausfüh
rungsform einer elektrisch unterstützten Servo
lenkvorrichtung entsprechend der vorliegenden Er
findung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrisch un
terstützten Servolenkvorrichtung gemäß der vorlie
genden Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Verstärkerkurve,
die von einer elektrisch unterstützten Servolenk
vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu
implementieren ist;
Fig. 5 ein Ortskurven-Diagramm für eine elektrisch unter
stützte Servolenkvorrichtung gemäß der vorliegen
den Erfindung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist ein elektrisch unterstütz
tes Servolenksystem 10 ein Lenkrad 12 auf, das an einem er
sten Ende 14 einer Lenkwelle 16 befestigt ist. Ein Lenkrit
zel 18, das in einem zweiten, vom ersten Ende 14 abgewandten
Endbereich 20 der Lenkwelle angeordnet ist, greift in Zähne
22 einer Lenkzahnstange 24 ein. Beide Enden der Lenkzahn
stange 24 weisen Spurstangen 26 auf, die in herkömmlicher
Weise an einer steuerbaren Rad/Reifen-Baugruppe 28 befestigt
sind.
Ein Lenkdrehmomentsensor 30 ist in die Lenkwelle 16 einge
baut, um ein von einem Fahrer auf die Lenkwelle 16 über das
Lenkrad 12 aufgebrachtes Lenkdrehmoment zu ermitteln. Bei
spielhaft für einen derartigen Drehmomentsensor ist ein Tor
sionsstab zwischen einer Eingangs- bzw. Antriebswelle und
einer Ausgangs- bzw. Abtriebswelle der Lenkwelle, der eine
relative Bewegung zwischen der Eingangs- und der Ausgangs
welle ermöglicht, die proportional zum aufgebrachten Drehmo
ment ist. Diese Bewegung kann gemessen werden, und unter
Einbeziehung der bekannten Torsionsfederkonstanten des Tor
sionsstabes kann unmittelbar daraus das aufgebrachte Drehmo
ment bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein berührungsloser sog. "Torkducer"-Rotations- bzw.
Rund-Drehmomentsensor des Herstellers GSE, Inc. eingesetzt.
Selbstverständlich ist auch der Einsatz anderer Drehmoment
sensoren möglich, sofern diese gewünschte Funktionalität und
Betriebsfähigkeit aufweisen.
Ein Elektromotor 32 weist ein Abtriebszahnrad bzw. -ritzel
34 auf, das an einer Abtriebswelle 36 befestigt ist, um mit
einem an der Lenkwelle 16 befestigten Unterstützungsan
triebszahnrad bzw. -ritzel 38 in Antriebseingriff zu kommen.
Alternativ können, wie in Fig. 2 dargestellt, die Abtriebs
welle 36' und ein Abtriebsritzel 34' des Elektromotors 32'
zu einem direkten Eingriff in die Lenkzahnstange 24' ange
ordnet sein. Die Wahl zwischen diesen beiden Alternativen
hängt vorrangig von dem verfügbaren Einbauraum ab, da die
Funktionalität und Betriebsfähigkeit beider Alternativen
gleich ist. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann
mit gleichem Erfolg auch bei Systemen eingesetzt werden,
welche einen Kugelumlaufspindel- oder einen Kugelmutter
zahnrad- bzw. -Getriebemechanismus aufweisen, wie in der Re
gel in schweren Fahrzeugen, wie zum Beispiel Lastwagen, üb
lich.
Als Elektromotor 32 kann z. B. ein handelsüblicher 12 Volt-
Gleichstrom-Motor mit oder ohne Bürsten Verwendung finden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor
als Dreiphasen-Wechselstrom-Induktionsmotor ausgebildet. Es
kann aber auch ein variabler Reluktanzmotor anstelle des In
duktionsmotors eingesetzt werden, ohne daß dadurch die Wir
kung der vorliegenden Erfindung beeinflußt bzw. beeinträch
tigt würde. Induktionsmotoren und variable Reluktanzmotoren
sind aufgrund ihrer niedrigen Reibungswerte und ihres hohen
Drehmoment/Trägheits-Verhältnisses für einen Einsatz bei
elektrisch unterstützten Servolenksystemen im Vergleich zu
größeren Elektromotoren besonders geeignet. Der Motor kann
für die Erzeugung eines Signals zum Bestimmen der Wellen
stellung und der Drehzahl zur Verwendung in verschiedenen
bekannten Motorsteuerungsschemata eine Motorwellen-
Codiereinrichtung aufweisen. Auch ein Einsatz von sensorlo
sen Motoren ist vorteilhaft. Somit läßt die vorliegende Er
findung auch den Einsatz von weniger genau steuerbaren Moto
ren zu.
Es können weitere Systemsensoren vorgesehen sein, so etwa
ein Lenkradwinkelsensor 40, der mit der Lenkwelle 16 zur Er
zeugung eines Lenkradwinkelsignals verbunden ist, welches
die relative Drehstellung der Lenkwelle 16 anzeigt. Als wei
terer Sensor kann ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 42 vor
gesehen sein, der üblicherweise von einem Getriebe angetrie
ben ist und der ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal erzeugt,
das die Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs darstellt. Die
einzelnen erzeugten Signale werden einer Elektromotor-
Steuerungseinrichtung 50 zugeführt, von dem dann zur Betätigung des
Elektromotors 32 ein Motorantriebssignal ausgeht, aufgrund
dessen das gewünschte Unterstützungsdrehmoment erzeugt wird.
Wichtige Informationen zur Auslegung einer geeigneten Steue
rungseinrichtung für das elektrisch unterstützte Servolenk
system können einem analytischen Modell entnommen werden.
Das vorstehend beschriebene System kann mathematisch durch
die nachfolgend angegebenen Bewegungsgleichungen dargestellt
werden, bei denen das Vorhandensein einer relativ hohen Un
terstützungs- bzw. Verstärkungssteifigkeit vorausgesetzt
wird:
Hierbei sind x, me, be die Zahnstangenverschiebung aus einer
Gleichgewichtsstellung, die wirksame Zahnstangenmasse bzw.
Dämpfung; θs, Js, Ks, bs sind der Drehwinkel, das Trägheitsmo
ment, die Steifigkeit bzw. die Dämpfung der Lenkwelle; Rs, Rm
sind die Radien des Lenkritzels und des Abtriebritzels; G
ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Abtriebsritzel
und dem Unterstützungsantriebsritzel; Td ist das von dem Fah
rer aufgebrachte Drehmoment und Fδ ist eine Störkraft von der
Straße; Ta ist das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment;
y ist ein an der Lenkwelle gemessenes elastisches Drehmoment
und νt ist ein Meßrauschen. Hiervon ausgehend wurde die er
findungsgemäße Vorrichtung entwickelt.
In Fig. 3, ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine in der
Steuerungseinrichtung bzw. -modul 50 des Elektromotors enthaltene Steuerlogik dar
stellt. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerungseinrichtung
51 für eine Innenschleife zum Erzeugen eines Motorantriebs
signals 55 und dessen Anlegen an den Elektromotor 32 auf,
und zwar unter Ansprechen auf ein gewünschtes Drehmomentsi
gnal, wie es allgemein bekannt ist. Das gewünschte Drehmo
mentsignal ist ein Ausgangssignal aus einer Steuerungsein
richtung 53 für eine Außenschleife, und zwar erfolgt eine
Berechnung des gewünschten Drehmomentes basierend auf ver
schiedenen von dem System erzeugten Signalen, wie weiter un
ten detailliert beschrieben wird.
Block 52 reflektiert die Beziehung zwischen dem Fahrer des
Kraftfahrzeugs, dem Lenkrad und der in der Lenksäule 54 be
festigten Lenkwelle. Wenn der Fahrer das Fahrzeug manö
vriert, erzeugt der Lenkradwinkelsensor 40 ein Lenkradwin
kelsignal 56, das dem Steuermodul 50 zugeleitet wird. Alle
vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübten Kräfte werden - in der
bevorzugten Ausführungsform mechanisch - auf den Drehmoment
sensor 30 übertragen. Ein von diesem erzeugtes Lenkdrehmo
mentsignal 58 wird dem Steuermodul 50 zugeleitet. Dem Steu
ermodul wird von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 42 wei
terhin ein entsprechendes Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 60
zugeleitet. Diese Signale werden von der Steuerungseinrich
tung 53 für die Außenschleife ver- bzw. bearbeitet, um das
gewünschte bzw. Soll-Drehmomentsignal zu erzeugen.
Unter Verwendung des Lenkdrehmomentsignals 58 und des Fahr
zeuggeschwindigkeitssignals 60 wird von dem Steuermodul 50
ein Betrag an Lenkunterstützung bestimmt, der von dem Elek
tromotor 32 zu erzeugen ist, und zwar unter Bezugnahme auf
eine in einem Permanentspeicher gespeicherte Tabelle. Wie
aus Fig. 4 ersichtlich, spiegeln die Daten in der Tabelle
eine nichtlineare Verstärkungs- bzw. Verstärkerkurve wider,
die das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkdrehmoment mit dem
von dem Elektromotor 32 zu erzeugenden Unterstützungsdrehmo
ment in Beziehung setzt. Vorteilhafterweise sieht die vor
liegende Erfindung eine ausreichende Betriebsbandbreite vor,
damit eine einzige Verstärkerkurve für einen Bereich an
Fahrzeugbetriebsgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann, so
daß sich eine Bereitstellung von mehreren geschwindigkeits
abhängigen Verstärkerkurven erübrigt. Dabei wird jedoch
nicht verkannt, daß bei einigen elektrischen Servolenkvor
richtungen ein Einsatz von unterschiedlichen Kurven für un
terschiedliche, variierenden Fahrzeuggeschwindigkeiten ähn
liche Fahrzeugbetriebszustände, wie zum Beispiel andere dy
namische Fahrzeugzustände, wünschenswert ist. Eine Anpassung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Einsatz mehrerer
Verteilerkurven ist ohne weiteres möglich, aber nicht zwin
gend erforderlich. Der aus der Tabelle erhaltene Unterstüt
zungsdrehmomentwert zeigt das Unterstützungsdrehmoment an,
das von dem Elektromotor 32 erzeugt werden sollte. Zu diesem
Zweck wird das gewünschte Drehmomentsignal unter Verwendung
dieses Wertes von der Steuerungseinrichtung 53 für die Au
ßenschleife hergeleitet. Es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres auch
ein Einsatz anderer Verstärkerkurven möglich ist, um variie
renden Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugtypen Rech
nung zu tragen.
Die Steuerungseinrichtung 53 für die Außenschleife gleicht
unter Aufnahme von Eingangssignalen, die die Fahrzeugge
schwindigkeit, das Lenkdrehmoment, den Lenkradwinkel und die
Elektromotor-Dynamik, einschließlich Rotorstellung und
-geschwindigkeit, darstellen, den aus der Tabelle erhaltenen
Unterstützungsdrehmomentwert aus, um das aktuelle bzw. tat
sächliche gewünschte Drehmomentsignal zu erhalten, das an
die Steuerungseinrichtung 51 für die Innenschleife weiterge
leitet wird. Die Steuerungseinrichtung für die Außenschleife
weist ein Phasenverzögerungsglied auf, das in Reihe mit einem
Glied zweiter Ordnung geschaltet ist.
Das Phasenverzögerungsglied kann durch folgende Beziehung
charakterisiert werden:
wobei β < 1 und die Werte für β und ω1 basierend auf den Eigen
schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind. Das Phasenver
zögerungsglied bewirkt, daß sich die Systemverstärkung bei
höheren Frequenzen verringert, während die Systemverstärkung
in dem Frequenzbereich von Fahrereingaben eine Verstärkung
von Eins aufweist. Dies führt zu einer Verbesserung der Sta
bilität durch Reduzierung der Verstärkung bei der Frequenz,
mit der das System normalerweise oszillieren würde (z. B.
∼50 Hz). Deshalb werden β und ω1 dahingehend ausgewählt, eine
Antwort des Lenksystems ausreichend schnell zu machen, um
den Lenkeingaben des Fahrers zu folgen, ohne daß Hochfre
quenzschwingungen angeregt werden.
Das Glied zweiter Ordnung kann durch die folgende Beziehung
charakterisiert werden:
wobei die Werte für ξn und (ωp/ωn)2 basierend auf den Eigen
schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind. Das Glied zwei
ter Ordnung kann, je nach den Erfordernissen, von Reihenlei
tungen, Verzögerungsglieder oder einer Kombination davon in
einer beliebigen Reihenfolge abgeleitet werden. In einer be
vorzugten Ausführungsform wird mit einem Setzen von ξn ≈ 1
und einem Verhältnis von (ωp/ωn)2 ≈ 20 ein günstiges bzw. vor
teilhaftes Ergebnis erzielt. Es wurde festgestellt, daß sich
reale bzw. reelle Pole und Nullstellen für das Glied zweiter
Ordnung als uneffektiv bei einem Stabilisieren des elektro
nisch unterstützten Servolenksystems erweisen. Als Alterna
tive ist der Einsatz eines Voreil-Verzögerungsgliedes mit
komplexen Nullstellen möglich.
Der Aufbau des Reihen-Phasenverzögerungsgliedes und des Vor
eil-Verzögerungsgliedes zweiter Ordnung der vorliegenden Er
findung kann am besten mit Hilfe eines Diagramms der Polortskurven
für das System mit und ohne Ausgleich dargestellt
werden, wie aus Fig. 5 ersichtlich. Die charakteristische
Gleichung für das Servolenksystem weist zwei Niederfrequenz-
Wurzeln auf, dargestellt als X1, X2, die, wenn nicht ausge
glichen, bei sehr niedrigen Verstärkungen instabil werden,
was die Verwendung einer Verstärkerkurve, wie sie beispiels
weise in Fig. 4 dargestellt ist, verhindert. Dies ist aus
dem Ortskurven-Diagramm ersichtlich, indem beachtet wird,
daß X1, X2 sich asymptotisch in die rechte Halbebene bewegen,
wenn die Unterstützungsverstärkung ansteigt. Übliche Ver
stärkungsanforderungen für die in Fig. 4 dargestellte Ver
stärkerkurve liegen im Bereich von 0-80. Das nicht ausgegli
chene bzw. kompensierte System geht in die rechte Halbebene,
wenn die Verstärkung 1,5 überschreitet.
Zur Behebung dieses Problems werden von dem Reihen-
Phasenverzögerungsglied und dem Voreil-Verzögerungsglied zwei
ter Ordnung komplexe Nullstellen 01, 02 hinzuaddiert, die die
leicht gedämpften Wurzeln der charakteristischen Gleichung
an sich ziehen, nunmehr dargestellt als X'1, X'2. Dies führt
zur Verhinderung von Instabilitäten und Schwingungen des
Steuersystems für alle gewünschten Verstärkungsbereiche. Die
hinzugefügten Pole X3, X4 werden nur bei solchen Verstär
kungsbereichen instabil, die außerhalb des Bereiches liegen,
der normalerweise für Servolenkanwendungen gewünscht ist. In
dem dargestellten Plot sind X3, X4 stabil für Verstärkungen,
die geringer als 150 sind, was ausreichend oberhalb des ge
wünschten Bereiches liegt. Mit der Steuerungseinrichtung für
die Außenschleife wird ein System geschaffen, bei dem eine
wünschenswerte Verstärkung während Parkmanövern und auch ei
ne ausreichende Dämpfung während eines Hochgeschwindigkeits
betriebs erfolgt, wodurch das Lenkgefühl bei Benutzung des
Gegenstandes der Erfindung bei Betrieb mit hohen Geschwin
digkeiten verbessert wird.
Claims (7)
1. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, mit
einem Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einem Lenkdrehmomentsensor (30) zum Ermitteln eines auf ein Lenkrad (12) aufgebrachten Lenkdrehmoments und zum Erzeugen eines Lenkdrehmomentsignals (58);
einem Elektromotor (32, 32') zum Erzeugen eines Unterstüt zungslenkdrehmomentes für den Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einer Steuerungseinrichtung (53) für eine Außenschleife zum Erzeugen eines gewünschten Drehmomentsignals, das auf das Lenkdrehmomentsignal (58) anspricht, wobei die Steuerungseinrichtung (53) für die Außenschleife auf weist
ein Phasenverzögerungsglied; und
ein Glied zweiter Ordnung, das in Reihe mit dem Phasenverzögerungsglied geschaltet ist; und
einer Steuerungseinrichtung (51) für eine Innenschleife zum Erzeugen eines Motorantriebssignals (55), das auf das gewünschte Drehmomentsignal anspricht, und zum Anle gen des Motorantriebssignals (55) an den Elektromotor (32, 32');
wobei das Phasenverzögerungsglied durch die folgende Be ziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für β und ω1 basierend auf den Eigen schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind;
und wobei das Glied zweiter Ordnung durch die folgende Beziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für ξn und (ωp/ωn)2 basierend auf den Ei genschaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind.
einem Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einem Lenkdrehmomentsensor (30) zum Ermitteln eines auf ein Lenkrad (12) aufgebrachten Lenkdrehmoments und zum Erzeugen eines Lenkdrehmomentsignals (58);
einem Elektromotor (32, 32') zum Erzeugen eines Unterstüt zungslenkdrehmomentes für den Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einer Steuerungseinrichtung (53) für eine Außenschleife zum Erzeugen eines gewünschten Drehmomentsignals, das auf das Lenkdrehmomentsignal (58) anspricht, wobei die Steuerungseinrichtung (53) für die Außenschleife auf weist
ein Phasenverzögerungsglied; und
ein Glied zweiter Ordnung, das in Reihe mit dem Phasenverzögerungsglied geschaltet ist; und
einer Steuerungseinrichtung (51) für eine Innenschleife zum Erzeugen eines Motorantriebssignals (55), das auf das gewünschte Drehmomentsignal anspricht, und zum Anle gen des Motorantriebssignals (55) an den Elektromotor (32, 32');
wobei das Phasenverzögerungsglied durch die folgende Be ziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für β und ω1 basierend auf den Eigen schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind;
und wobei das Glied zweiter Ordnung durch die folgende Beziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für ξn und (ωp/ωn)2 basierend auf den Ei genschaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind.
2. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Glied zweiter Ordnung komplexe Null
stellen aufweist.
3. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ferner ein Fahrzeuggeschwindigkeits
sensor (42) zum Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs und zum Erzeugen eines Fahrzeugge
schwindigkeitssignals (60) vorgesehen ist, das von der
Steuerungseinrichtung (53) für die Außenschleife zum Er
zeugen eines gewünschten, auf das Lenkdrehmomentsignal
(58) und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal (60) anspre
chenden Drehmomentsignals verwendet wird.
4. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Lenkradpositions
sensor (40) zum Ermitteln eines Lenkradwinkels und zum
Erzeugen eines Lenkradwinkelsignals (56) vorgesehen ist,
das von der Steuerungseinrichtung (53) für die Außen
schleife zum Erzeugen eines gewünschten, auf das Lenk
drehmomentsignal (58), das Fahrzeuggeschwindigkeits
signal (60) und das Lenkradwinkelsignal (56) ansprechen
den Drehmomentsignals verwendet wird.
5. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
mit einem Lenkmechanismus mit
einem Lenkrad (12) zur Entgegennahme der Fahrereingabe;
einer Lenkwelle (16), deren erstes Ende (14) mit dem Lenkrad (12) verbunden ist;
einem Lenkritzel (18), das an einem zweiten, vom ersten Ende (14) abgewandten Ende (20) der Lenkwelle (16) befe stigt ist;
einer Lenkzahnstange (24, 24') die mit dem Lenkritzel (18) zusammenlaufend in Eingriff steht.
einem Lenkrad (12) zur Entgegennahme der Fahrereingabe;
einer Lenkwelle (16), deren erstes Ende (14) mit dem Lenkrad (12) verbunden ist;
einem Lenkritzel (18), das an einem zweiten, vom ersten Ende (14) abgewandten Ende (20) der Lenkwelle (16) befe stigt ist;
einer Lenkzahnstange (24, 24') die mit dem Lenkritzel (18) zusammenlaufend in Eingriff steht.
6. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das von dem Elektromotor (32) erzeugte Un
terstützungsdrehmoment auf die Lenkwelle (16) aufge
bracht wird.
7. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken
eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das von dem Elektromotor (32) erzeugte Un
terstützungsdrehmoment auf die Lenkzahnstange (24) auf
gebracht wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/869,288 US5979587A (en) | 1997-06-06 | 1997-06-06 | Electrically assisted power steering apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19822170A1 DE19822170A1 (de) | 1998-12-10 |
DE19822170C2 true DE19822170C2 (de) | 2002-01-03 |
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