DE10051864A1

DE10051864A1 - Lenksystem

Info

Publication number: DE10051864A1
Application number: DE2000151864
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-04-25
Also published as: WO2002032743A1

Abstract

Lenksystem, das mit Hilfe eines von einem Fahrer über ein Lenkhandrad vorgegebenen Sollwertes durch mindestens einen Lenkaktuator (5) eine Regelgröße erzeugt, die zusammen mit einer Regelabweichung (7) von Sollwert und Regelgröße zur Bestimmung des am Lenkhandrad anliegenden Lenkmoments verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, durch einen Manipulationsfaktor (11) veränderte Regelabweichung (10) berechnet wird, die das Lenkmoment immer in Richtung Geradeausfahrt verändert, was zu einem guten Rückstellverhalten des Lenkhandrades führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Kraftfahr zeuge nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher defi nierten Art.

Lenksysteme, die ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Fahrzeugrädern arbeiten, werden als steer-by-wire-Lenksysteme bezeichnet. Diese Lenksysteme weisen einen mit dem Lenkhandrad gekoppelten Lenkradaktua tor auf, der sich beispielsweise aus Elektromotor, Lenkwin kel- und/oder Drehmomentsensor zusammensetzt. Dieser Lenk radaktuator ist über eine elektronische Regelung mit einem Lenkaktuator verbunden, der elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch arbeiten kann. Die Differenz zwischen einem vorgegebenen Soll-Wert und einem gemessenen Ist-Wert des Lenkeinschlages wird von einer Erfassungseinheit erfaßt und an ein Steuergerät übermittelt. Eine Elektronikeinheit be rechnet dann aus diesem Signal und in Abhängigkeit von wei teren Faktoren wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbe schleunigung, Fahrbahnoberfläche und Beladungszustand ein erforderliches Hilfsmoment, das über den Lenkaktuator auf die zu lenkenden Räder des Kraftfahrzeuges übertragen wird. Um dem Fahrer Rückmeldung über den momentanen Fahrzustand übermitteln zu können, wird über den Lenkradaktuator ein entsprechendes Signal auf das Lenkhandrad übertragen, so daß der Fahrer ein gleiches Lenkgefühl wahrnimmt, wie er es von herkömmlichen, mechanisch gekoppelten Hilfskraft- Lenksystemen gewohnt ist.

Mit Hilfe des Lenkhandrades übermittelt der Fahrer einen Lenkradwinkel (Soll-Wert) an das Lenksystem. Zwischen Lenksystem und Fahrzeug ergibt sich z. B. im Falle einer Zahnstangenlenkung als Lenkaktuator eine Zahnstangenkraft. Diese Zahnstangenkraft bewirkt einen Lenkwinkel bzw. einen Zahnstangenweg, der sich als Regelgröße am Lenkgetriebe einstellt (Ist-Wert). Im Lenksystem wird ein Lenkmoment gebildet, das dem Fahrer einen Bezug zum vorgegebenen Lenk radwinkel bzw. zum Verhalten des Fahrzeugs aus diesem Lenk winkel vermittelt. Ebenso ist es möglich aus der durch Dehnmeßstreifen ermittelten Spurstangenkraft am Lenkaktua tor den Soll-Wert für das Lenkmoment am Lenkhandrad zu er mitteln.

In dem nicht vorveröffentlichten Dokument DE 199 21 307 A1 ist ein Regelungskonzept für ein Lenksy stem beschrieben, das einen Lenkaktuator und einen Lenk handradaktuator aufweist und bei dem zunächst der Lenkwin kel erfaßt wird. Dieser wird mit einer Lenkübersetzung mul tipliziert, wodurch sich ein Sollwinkel für einen unteren Teil der Lenksäule und damit für ein Antriebsritzel ergibt. Alternativ kann auch mit einem Verschiebeweg einer Zahn stange gerechnet werden, da zwischen einem Lenksäulenwinkel und dem Verschiebeweg der Zahnstange eine lineare Beziehung über die Übersetzung des Antriebsritzels gegeben ist. An dem Lenkaktuator wird ein Verdrehwinkel des Rotors des Elektromotors gemessen und aus diesem kann der tatsächliche Istwinkel bzw. der Verschiebeweg der Zahnstange bestimmt werden. Die Regelabweichung ist die Differenz von Sollwin kel und Istwinkel. Ein Lageregler stellt die Sollposition an der Zahnstange ein. Verwendet man einen Lageregler ohne I-Anteil, bleibt immer eine stationäre Regelabweichung er halten. Diese Regelabweichung dient einerseits zur Lagere gelung der Zahnstange und andererseits als Grundlage zur Ermittlung des Lenkhandrad-Sollmomentes. Die Regelabwei chung kann auch als Virtuelle Verdrehung eines Drehstabes angesehen werden. Multipliziert man die Regelabweichung mit einem Wert, der die Steifigkeit des Drehstabes wiedergibt, so erhält man das Lenkhandrad-Sollmoment. Bei Verwendung einer nichtlinearen Kennlinie oder Funktion kann erreicht werden, daß das Lenkhandrad-Sollmoment bei großen Regelab weichungen nur gering ansteigt. Das Lenkhandrad-Sollmoment wird über den Lenkhandradaktuator gesteuert oder geregelt. Bei einer Steuerung wird nur der Motorstrom des Lenkhandra daktuators geregelt, während bei einer Regelung dem ganzen noch eine zusätzliche Regelung überlagert wird. Dabei wird das Lenkhandrad-Istmoment über einen Sensor gemessen, mit dem Lenkhandrad-Sollmoment verglichen und über das Lenk handradaktuator-Sollmoment als Stellgröße eingeregelt. Bei der reinen Steuerung hingegen entspricht die Stellgröße direkt der Sollgröße.

Nachteilig an diesem, aus dem Stand der Technik be kannten Regelungskonzept, ist, daß die Rückstellung des Lenkhandrades in die Neutralstellung nur schlecht funktio niert. Die auftretenden Radkräfte müssen die Zahnstange zurückdrücken, damit eine Regelabweichung entsteht, die über das Lenkhandrad-Sollmoment das Lenkhandrad zurück dreht. Diese Regelabweichung bewirkt aber gleichzeitig über den Lageregler des Lenkaktuators ein Lenkaktuator-Motor moment, welches die Rückstellung der Zahnstange so lange zu verhindern versucht, wie das Lenkhandrad sich noch nicht bewegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Lenksystem mit verbesserter Rückstellung darzustellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisendes, gattungsgemäßes Lenksystem gelöst.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt insbesondere dadurch, daß bei unveränderter Lageregelung eine zweite, manipulier te Regelabweichung zur Ermittlung des Lenkhandrad-Soll momentes berechnet wird. Dazu wird der Istwinkel mit einem Manipulationsfaktor multipliziert, der einen Wert kleiner 1 aufweist. Zur Berechnung des Lenkhandrad-Sollmomentes wird nun die manipulierte Regelabweichung, d. h. die manipulier te Winkeldifferenz zwischen Sollwinkel und Istwinkel, her angezogen. Dies führt dazu, daß das Lenkhandrad-Sollmoment immer in Richtung Geradeausfahrt vergrößert wird. Daraus ergibt sich ein gutes Rückstellverhalten des Lenksystems.

Der Manipulationsfaktor sollte immer so nah wie mög lich am Wert 1 gehalten werden, um neben einem guten Rück stellverhalten gleichzeitig ein gutes Fahrgefühl erzielen zu können.

Nachfolgend ist anhand der Figur ein Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Lenksystems näher beschrie ben.

Die einzige Figur zeigt eine prinzipielle Darstellung der Steuerung bzw. Regelung eines erfindungsgemäßen Lenksy stems.

Ein von einem Fahrer über ein Lenkhandrad auf einen Lenkhandradaktuator 1, der einen Elektromotor an einem obe ren Teil einer Lenksäule aufweist, eingeleiteter Lenkrad winkel 2 wird erfaßt und mit Hilfe einer Lenkübersetzung 3 in einen Soll-Lenkwinkel 4 für eine untere Lenksäule umge wandelt. Alternativ kann auch mit einem Verschiebeweg einer Zahnstange gerechnet werden, da zwischen dem Lenkwinkel an einer unteren Lenksäule und dem Verschiebeweg der Zahnstan ge eine lineare Beziehung durch die Übersetzung eines An triebsritzels besteht. An einem Lenkaktuator 5, der hier beispielhaft aus einem Elektromotor mit Kugelumlaufmecha nismus bestehen soll, wird ein Motor-Rotorwinkel gemessen, aus dem der Ist-Lenkwinkel 6 für eine untere Lenksäule bzw. ein tatsächlicher Zahnstangenweg bestimmt werden kann. Eine Regelabweichung 7 ergibt sich aus der Differenz von Soll- Lenkwinkel 4 und Ist-Lenkwinkel 6. Ein Lageregler 8 ermit telt daraus ein Lenkaktuator-Sollmoment 14, welches mit Hilfe einer feldorientierten Regelung 15 am Lenkaktuator 5 die Position Soll-Lenkwinkel 4 an der Zahnstange einstellt. Wird ein Lageregler 8 ohne I-Anteil verwendet, so bleibt immer eine stationäre Regelabweichung erhalten. Die Regel abweichung 7 kann außer zur Lageregelung an der Zahnstange auch zur Ermittlung eines Lenkhandrad-Sollmomentes 9 ver wendet werden. Die Regelabweichung 7 stellt somit auch eine Verdrehung eines virtuellen Drehstabes dar. Zur Ermittlung des Lenkhandrad-Sollmomentes 9 wird eine zweite, manipu lierte Regelabweichung 10 berechnet. Dabei wird zunächst der Ist-Lenkwinkel 6 mit einem Manipulationsfaktor 11 mul tiplizert, dessen Betrag kleiner 1 ist, was einen manipu lierten Ist-Lenkwinkel 16 ergibt. Aus Soll-Lenkwinkel 4 und manipuliertem Ist-Lenkwinkel 16 ergibt sich eine mani pulierte Regelabweichung 10. Zur Berechnung eines Lenkge fühlsmomentes 12 wird die manipulierte Regelabweichung 10 verwendet, was dazu führt, daß das Lenkgefühlsmoment 12 immer in Richtung Geradeausfahrt vergrößert wird. Dies führt wiederum zu einem guten Rückstellverhalten des Lenk systems. Das Lenkgefühlsmoment 12 kann entsprechend den subjektiven Anforderungen 17 des Fahrers individuell ange paßt werden. Zum Lenkgefühlsmoment 12 wird noch ein Dreh stabanschlagsmoment 13 addiert, welches aus der Regelabwei chung 7 bestimmt wird und wie ein Drehstabanschlag eines konventionellen Lenksystems funktioniert. Eine Lenkunter stützung 18 wird in Form einer Kennlinie 18 derart hinter legt, daß das Lenkgefühlsmoment 12 bei großer manipulierter Regelabweichung 10 dennoch nur mäßig ansteigt. Das Lenkge fühlsmoment 12 wird mit Hilfe eines Steuerungs-/Regelungs moduls 19 des Lenkhandradaktuators 1 gesteuert oder gere gelt. Bei einer reinen Steuerung wird nur der Motorstrom des Lenkhandradaktuators verändert, während bei einer Rege lung der Veränderung des Motorstroms noch ein weiterer Re gelkreis überlagert wird. Dabei wird das Lenkhandrad- Istmoment mit Hilfe eines nicht dargestellten Sensors ge messen, mit dem Lenkhandrad-Sollmoment 9 verglichen und durch den Lenkhandradaktuator 1 geregelt.

Bezugszeichen

1

Lenkhandradaktuator

2

Lenkradwinkel

3

Lenkübersetzung

4

Soll-Lenkwinkel

5

Lenkaktuator

6

Ist-Lenkwinkel

7

Regelabweichung

8

Lageregler

9

Lenkhandrad-Sollmoment

10

Regelabweichung

11

Manipulationsfaktor

12

Lenkgefühlsmoment

13

Drehstabanschlagsmoment

14

Lenkaktuator-Sollmoment

15

Feldorientierte Regelung

16

Manipulierter Ist-Lenkwinkel

17

Subjektive Anforderungen

18

Kennlinie

19

Steuerungs-/Regelungsmodul

Claims

1. Lenksystem, das mit Hilfe eines von einem Fahrer über ein Lenkhandrad vorgegebenen Sollwertes durch minde stens einen Lenkaktuator (5) eine Regelgröße erzeugt, die zusammen mit einer Regelabweichung (7) von Sollwert und Regelgröße zur Bestimmung des am Lenkhandrad anliegenden Lenkmoments verwendet wird, dadurch gekenn zeichnet, daß eine zweite, durch einen Manipula tionsfaktor (11) veränderte Regelabweichung (10) berechnet wird, die das Lenkmoment immer in Richtung Geradeausfahrt verändert, was zu einem guten Rückstellverhalten des Lenk handrades führt.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Manipulationsfaktor (11) so nah wie möglich am Wert 1 gehalten wird, um ein gutes Rück stellverhalten und gleichzeitig ein gutes Fahrgefühl zu gewährleisten.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Manipulationfaktor (11) fahrzu stands- und fahrerabhängig verändert werden kann.

4. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Regelabweichung (7) ein Drehstabanschlagsmoment (13) be stimmt wird, das einen Drehstabanschlag simuliert und wie ein mechanischer Drehstabanschlag eines konventionellen Lenksystems funktioniert.

5. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Regelabweichung (7) über einen Lenkhandradaktuator (1) auf das Lenkhandrad und somit an den Fahrer in Form eines Drehmomentes weitergegeben wird.

6. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lageregler (8) des Lenkaktua tors (5) mindestens einen P-, PI-, PD- oder PDT1-Regler enthält.

7. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lageregler (8) des Lenkaktua tors (5) einen Sollwert in eine Stellgröße umwandelt, die als Regelgröße ausgegeben wird.

8. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Drehmoment des Lenkhandrades gesteuert oder geregelt werden kann.

9. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lenkhandradaktuator (1) einen Elektromotor enthält, der auf einen Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft ausüben kann.

10. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenksystem eine Eingangswelle, die mit einem Lenkhandrad in Wirkverbindung steht, aufweist, die zur Übertragung eines für das Lenken von zu lenkenden Rädern erforderlichen Drehmomentes dient und ein Ausgangsglied aufweist, das mit den zu lenkenden Rädern in Wirkverbindung steht, und daß die Eingangswelle und das Ausgangsglied über ein drehela stisches Glied derart miteinander verbunden sind, daß zwi schen der Eingangswelle und dem Ausgangsglied eine begrenz te Verdrehbewegung möglich ist.

11. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Lenksystem ein Lenksy stem ist, das einen hydraulischen Servomotor für die Unter stützung eines in das Lenksystem eingeleiteten Lenkmoments, zwei durch einen Kolben getrennte Arbeitsräume, ein Steuer ventil für die Steuerung eines von einer Druckquelle geför derten Druckmittels zu und von den beiden Arbeitsräumen des Servomotors, welches über Arbeitsleitungen mit den Arbeits räumen verbunden ist, aufweist.