DE10128068B4

DE10128068B4 - Elektromotorisch betriebene Servolenkung mit Überlastschutz

Info

Publication number: DE10128068B4
Application number: DE2001128068
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Schleidt (FH); Thomas Altmann; Matthias von Dipl.-Ing. Küster (TU)
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2001-06-09
Filing date: 2001-06-09
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-06-10
Also published as: DE10128068A1

Abstract

Elektromotorisch betriebene Servolenkung mit Überlastschutz für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad (2), einem Elektromotor (6) und einem Lenkgetriebe (4), das mit den innerhalb bestimmter Lenkwinkelgrenzen lenkbaren Rädern (5) des Fahrzeuges gekoppelt ist, sowie mit einer Motorsteuerung (7), die auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten einen Motorstrom berechnet, bei dem der Elektromotor das vom Fahrer des Fahrzeuges in die Servolenkung eingebrachte Lenkmoment im Sinne einer Lenkkraftunterstützung verstärkt, und die außerdem auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten feststellt, ob die die Lenkwinkelgrenzen definierenden Anschläge erreicht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (7) so geschaltet bzw. programmiert ist, dass bei Geschwindigkeiten des Fahrzeuges unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit das Erreichen der Anschläge beim Vorliegen eines Motorstroms, der für einen kurzen Zeitraum größer ist als eine obere Schwelle, unterstellt wird und dass daraufhin das Stromsignal rasch reduziert wird, wobei der Motorstrom so lange an einer unteren Stromschwelle gehalten wird, bis der berechnete...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorisch betriebene Servolenkung mit Überlastschutz für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad, einem Elektromotor und einem Lenkgetriebe, das mit den innerhalb bestimmter Lenkwinkelgrenzen lenkbaren Rädern des Fahrzeuges gekoppelt ist, sowie mit einer Motorsteuerung, die auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten einen Motorstrom berechnet, bei dem der Elektromotor das vom Fahrer des Fahrzeuges in die Servolenkung eingebrachte Lenkmoment im Sinne einer Lenkkraftunterstützung verstärkt, und die außerdem auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten feststellt, ob die die Lenkwinkelgrenzen definierenden Anschläge erreicht sind.

Eine derartige Servolenkung wird in der DE 38 21 789 C2 beschrieben. Servolenkung, d.h. hilfskraftunterstützte Lenkungen, haben sich in den letzten Jahren mehr und mehr durchgesetzt. In der Regel wird mit einem hydraulischen Antrieb zur Erzeugung der Hilfskraft gearbeitet. Es finden sich aber auch immer mehr elektromotorisch betriebene Servolenkungen. Bei diesen wird das vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Lenkmoment erfasst und einer Motorsteuerung zur Verfügung gestellt. Diese berechnet einen Motorstrom, mit dem eine im Wesentlichen zum Lenkmoment proportionale Lenkkraft unterstützung er zeugt wird. Problematisch bei dieser Anordnung ist, dass beim Erreichen des maximalen Lenkwinkels, der durch Anschläge im System definiert ist, der Motorstrom überproportional anwächst, was zu einer thermischen Belastung des Motors und der Motorsteuerung und weiteren Bauteilen führt.

In der DE 38 21 789 C2 wird daher eine eine Überlastung verhindernde Einrichtung vorgeschlagen, die derart arbeitet, dass der dem Motor zuzuführende elektrische Strom dann herabgesetzt wird, wenn das erfasste Lenkmoment einen bestimmten Wert überschreitet. Diese Lösung kann insofern nicht vollständig befriedigen, da hohe Lenkmomente auch dann auftreten können, wenn die Lenkung sich nicht am Anschlag befindet. So z.B. beim Überfahren von Fahrbahnschwellen mit eingeschlagenen Rädern. Ein Absenken des Motorstromes könnte hier für den Fahrer überraschende Rückwirkungen auf sein Lenkgefühl haben.

In US 6 026 926 A ist eine Lösung beschrieben, bei der Lenkstrom einer elektrischen Hilfskraft-Lenkung begrenzt wird. Auch die Überlastung der Lenkung beim Erreichen eines Lenkanschlages wird verhindert, wobei auch die Lenkgeschwindigkeit Berücksichtigung findet.

DE 37 23 770 C2 beschreibt eine elektrische Hilfskraftlenkung, die ebenfalls belastungsabhängig, aber auch in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit arbeitet. Der Lenkstrom wird bei geringer Geschwindigkeit reduziert, wenn ein Anschlag erreicht ist. Problematisch beim bekannten Stand der Technik erscheint jedoch, dass die Dauer der Reduzierung des Lenkstromes keinen klaren Grenzen unterliegt.

Eine andere Lösung, die ebenfalls im Einsatz ist, sieht vor, dass der Motorstrom überwacht wird. Ist der Motorstrom über einen gewissen Zeitraum in einer gewissen Höhe geflossen, so wird automatisch die Stromzufuhr kontinuierlich und langsam so weit reduziert, dass die thermischen Schädigung von Bauteilen sowohl des Motors als auch der Motorsteuerung ausgeschlossen ist. Eine solche Schutzschaltung greift praktisch nur im Notfall ein, wenn die Bauteile schon kurz vor einer thermischen Überlastung stehen. Erst dann wird der Strom gesenkt, so dass sich die Bauteile abkühlen können. Wird beim Abkühlen das Lenkmoment erhöht, kommt es schnell zu einer erneuten thermischen Belastung, so dass die Schutzschaltung wieder greift und der Motorstrom unter den berechneten Wert gesenkt wird. Dabei kommt es zu unerwünschten Rückwirkungen auf das Lenkgefühl.

Die Erfindung beruht somit auf dem Problem, einen Überhitzungsschutz für motorbetriebene Servolenkeinrichtungen zu schaffen, bei dem eine drohende Erhitzung schon in einem sehr frühen Stadium unterbunden wird, und dass dabei Rückwirkungen auf das Lenkgefühl möglichst nicht auftreten, wobei eine Reduzierung der Servounterstützung jedoch nur so lange wie nötig erfolgen soll.

Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung eine elektromotorisch betriebene Servolenkung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor mit den weiteren Merkma len, dass bei Geschwindigkeiten des Fahrzeuges unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit das Erreichen der Anschläge beim Vorliegen eines Motorstroms, der für einen kurzen Zeitraum größer ist als eine obere Schwelle, unterstellt wird und dass daraufhin das Stromsignal rasch reduziert wird, wobei der Motorstrom so lange an einer unteren Stromschwelle gehalten wird, bis der berechnete Motorstrom kleiner ist, als die untere Stromschwelle.

Der erste Schritt besteht somit darin, diesen Überlastschutz auf kleine Geschwindigkeiten des Fahrzeuges zu begrenzen, die typischerweise beim Rangieren des Fahrzeuges – z.B. beim Einparken in eine Parklücke – auftreten. Nur in diesem Geschwindigkeitsbereich kann erwartet werden, dass tatsächlich der Lenkwinkel vollständig ausgeschöpft wird. Der Motorstrom wird schlagartig auf einen Wert reduziert, der einer unteren Stromschwelle entspricht. Der Motorstrom wird danach so lange an der unteren Schwelle gehalten, bis der berechnete Motorstrom kleiner ist als die untere Stromschwelle. Dies wird in der Regel nur dann auftreten, wenn der Fahrer den Lenkeinschlag zurücknimmt und wieder eine zum Lenkmoment proportionale Unterstützungskraft eingestellt werden kann. Da zuvor der Motorstrom rasch und schon nach einem kurzen Zeitraum reduziert wurde, kann nach Unterschreiten der unteren Schwelle der normale Regelalgorithmus zur Bestimmung der Lenkkraftunterstützung wieder aufgenommen werden, so dass das Fahrzeug mit einer einem normalen Lenkgefühl entsprechenden Hilfskraftunterstützung weiter rangiert werden kann.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vorliegen eines Motorstromes oberhalb einer oberen Schwelle als Warnsignal gewertet. Allerdings braucht dieser Motorstrom nur für einen relativ kurzen Zeitraum vorzuliegen, um den Überlastschutz greifen zu lassen. Kurzer Zeitraum heißt in diesem Zusammenhang, dass nicht erst abgewartet wird, dass die Bauteile an der thermischen Belastungsgrenze sind, was nur dann der Fall sein kann, wenn ein hoher Strom über einen längeren Zeitraum fließt, vielmehr wird in Kombination mit der kleinen Geschwindigkeit schon aus einem kurzzeitigen Vorliegen eines hohen Motorstromes geschlossen, dass die Lenkung am Anschlag ist.

Da in dieser Situation auch eine Erhöhung des Motormomentes keinen Nutzen hat, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der berechnete Motorstrom rasch reduziert wird und einen Bereitschaftswert einnimmt. Diese Absenkung hat keine Rückwirkung auf das Lenkgefühl, da sich die Lenkung im Anschlag befindet, so dass der Zusammenhang zwischen Lenkmoment und Lenkwinkel sowieso aufgehoben ist.

In den weiteren Unteransprüchen sind typische Werte für die genannten Schwellen und Zeiträume angegeben. Die obere Stromschwelle hat typischerweise einen Wert von ca. 90 % des maximalen Stromwertes, die untere Stromschwelle einen typischen Wert von ca. 40 % des maximalen Stromwertes. Der kurze Zeitraum, über den der Motorstrom beobachtet wird, beträgt ca. 3 Sekunden. Die Grenzgeschwindigkeit, unterhalb der die eben beschriebene Art des Überlastschutzes greift, beträgt ca. 5 km/h.

Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine schematische Darstellung einer motorbetriebenen Servolenkung,
2 ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Überlastschutzes.
Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen.
Diese zeigt eine Servolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, einer Lenksäule 3 und einem Lenkgetriebe 4, an dem die Vorderräder 5 eines Kraftfahrzeuges gekoppelt sind. Ein Elektromotor 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Lenksäule 3 verknüpft. Er wird über eine Motorsteuerung 7 gesteuert. Diese erhält mehrere Signale von verschiedenen Sensoren, so z.B. von einem Geschwindigkeitssensor 8, einem Lenkwinkelsensor 9, einem Motorstromsensor 10 und außerdem von einem Lenkkraftsensor 11, der die Kraft bzw. das Moment ermittelt, mit der das Lenkrad 2 vom Fahrer betätigt wird.
Aus den Daten des Lenkwinkelsensors können auch Informationen über die Lenkwinkelgeschwindigkeit, das ist die Winkelgeschwindigkeit, mit der das Lenkrad gedreht wird, abgeleitet werden. Eine Möglichkeit dies zu realisieren, besteht darin, die Spannungsschwankungen im Bordnetz zu filtern und zu analysieren und aus den so gewonnenen Daten die Belastung des Elektromotors 6 und damit die Lenkwinkelgeschwindigkeit zu bestimmen.
Aufgrund der Werte berechnet die Motorsteuerung in der Untereinheit 13 einen Motorstrom. Bevor ein Motor stromsteller 12 mit dem berechneten Motorstrom angesteuert wird, durchläuft das den Motorstrom repräsentierende Signal eine Schutzschaltung 14. Dabei wird im Prinzip der folgende Regelalgorithmus gemäß 2 durchlaufen. In einer ersten Fallunterscheidung 15 wird zunächst untersucht, ob die aktuelle Geschwindigkeit v des Fahrzeuges unterhalb der Grenzgeschwindigkeit v_g von ca. 5 km/h liegt. Nur wenn dies der Fall ist, wird der Regelalgorithmus weiter durchlaufen. In einer sich anschließenden zweiten Fallunterscheidung 16 wird überprüft, ob der aktuell berechnete Stromwert I_ber größer ist als eine obere Schwelle I_o. Ist dies nicht der Fall, wird als Motorstrom der berechnete Wert ausgegeben und der Regelalgorithmus beendet. Ist der berechnete Wert größer, so wird zwar auch der berechnete Wert zunächst an den Stromsteller 12 ausgegeben, gleichzeitig wird aber eine Stoppuhr (erste Aktion 17) gestartet, die so lange läuft, wie der berechnete Wert für den Motorstrom über der oberen Stromschwelle I_o liegt, was durch eine Schleife 18 im Programm erreicht wird, wobei die erste Aktion 17, nämlich der Start der Stoppuhr, allerdings nur beim ersten Mal ausgeführt wird. Wird ein oberer Zeitgrenzwert t_g von ca. 3 Sek. erreicht, was in einer dritten Fallunterscheidung 19 überprüft wird, erfolgt eine zweite Aktion 20, bei der der Motorstrom I auf eine untere Schwelle I_u gesetzt wird. Außerdem wird die Stoppuhr gestoppt und zurückgesetzt (dritte Aktion 21). Nun wird laufend überwacht, ob der berechnete Strom I_ber kleiner wird als eine untere Schwelle I_u (vierte Fallunterscheidung 22). Sobald dies der Fall ist, wird der Motorstrom I auf den berechneten Wert I_ber gesetzt und das Schutzprogramm beendet. So lange der berechnete Strom I_ber größer ist als die untere Schwelle I_u, wird die Schleife 23 durchfahren, und zwar so lange, in der vierten Fallunterscheidung 22 festgestellt wird, dass der berechnete Strom I_ber unterhalb der unteren Schwelle I_u liegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schutzschaltung der Untereinheit 13 zur Berechnung des Motorstromes nachgeschaltet. Es wäre allerdings auch denkbar, dass nicht mit dem berechneten Motorstrom I_ber die Schutzschaltung durchgeführt wird, sondern mit dem tatsächlich Motorstrom I, der dann entsprechend reduziert wird. Dazu wäre die Schutzschaltung nach dem Motorstromsteller 12 einzusetzen.
Der hier vorgeschlagene Überlastschutz soll die bekannten Schutzvorrichtungen, bei denen der Motorstrom über einen längeren Zeitraum beobachtet wird, nicht ersetzen, sondern vielmehr ergänzen.

1: Servolenkung
2: Lenkrad
3: Lenksäule
4: Lenkgetriebe
5: Vorderrad
6: Elektromotor
7: Motorsteuerung
8: Geschwindigkeitssensor
9: Lenkwinkelsensor
10: Motorstromsensor
11: Lenkkraftsensor
12: Motorstromsteller
13: Untereinheit
14: Schutzschaltung
15: erste Fallunterscheidung
16: zweite Fallunterscheidung
17: erste Aktion
18: Schleife
19: dritte Fallunterscheidung
20: zweite Aktion
21: dritte Aktion
22: vierte Fallunterscheidung
23: Schleife

Claims

Elektromotorisch betriebene Servolenkung mit Überlastschutz für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad (2), einem Elektromotor (6) und einem Lenkgetriebe (4), das mit den innerhalb bestimmter Lenkwinkelgrenzen lenkbaren Rädern (5) des Fahrzeuges gekoppelt ist, sowie mit einer Motorsteuerung (7), die auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten einen Motorstrom berechnet, bei dem der Elektromotor das vom Fahrer des Fahrzeuges in die Servolenkung eingebrachte Lenkmoment im Sinne einer Lenkkraftunterstützung verstärkt, und die außerdem auf Grund der ihr zur Verfügung gestellten Daten feststellt, ob die die Lenkwinkelgrenzen definierenden Anschläge erreicht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (7) so geschaltet bzw. programmiert ist, dass bei Geschwindigkeiten des Fahrzeuges unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit das Erreichen der Anschläge beim Vorliegen eines Motorstroms, der für einen kurzen Zeitraum größer ist als eine obere Schwelle, unterstellt wird und dass daraufhin das Stromsignal rasch reduziert wird, wobei der Motorstrom so lange an einer unteren Stromschwelle gehalten wird, bis der berechnete Motorstrom kleiner ist als die untere Stromschwelle.
Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom schlagartig auf einen Wert reduziert wird, der einer unteren Stromschwelle entspricht.
Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Stromschwelle ca. 90 % des maximalen Motorstroms beträgt.
Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Stromschwelle ca. 40 % des maximalen Motorstroms beträgt.
Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kurze Zeitraum ca. 3 s beträgt.
Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Geschwindigkeit ca. 5 km/h beträgt.