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Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1
angegeben.
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Insbesondere wird ein SbW-System (SbW = Steer-by-Wire) zugrunde gelegt,
welches einen elektrischen Lenksteller aufweist, der über ein Getriebe am
Drehstab einer Zahnstangen-Hydrolenkung angebracht ist. Der Lenksteller weist
zwei Stellmotoren auf, die über ein Getriebe gekoppelt und gegeneinander
verspannt sind. Der Fahrerlenkwunsch wird durch einen Geber (beispielsweise an
einem Lenkrad oder an einer Lenksäule) abgegriffen und dem Lenksteller als
Führungsgröße vorgegeben.
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Der Fahrerlenkwunsch wird mit Hilfe eines Lenkreglers beispielsweise an den
lenkbaren Vorderrädern eines Fahrzeuges realisiert. Bei hohen
Fahrzeuggeschwindigkeiten ist dabei eine hohe Genauigkeit und Spielfreiheit
erforderlich.
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Bekannt ist ein Verfahren zur Betätigung eines Steer-by-Wire-Lenkantriebs mittels
wenigstens zweier ansteuerbarer Stellmotoren und diesen nachgeschalteten
Getrieben, durch welche ein mit lenkbaren Rädern verbundenes Getriebeelement
simultan antreibbar ist, wobei die beiden Stellmotore derart unabhängig
voneinander steuerbar sind, dass durch sie entweder gleich gerichtete oder
entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte gleichen oder unterschiedlichen
Betrags erzeugbar sind. Bei dem mit den Rädern verbundenen Getriebeelement
handelt es sich um eine Zahnstange, auf welche die beiden Stellmotore über
jeweils ein Getriebe mit Ritzel einwirken. Im Normalbetrieb werden
entgegengesetzte Antriebskräfte erzeugt, die zu einer geringen Verspannung
führen, durch welche ein Getriebespiel (Lenkspiel) vermieden werden kann (DE
197 54 258 A1).
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gegenseitige Verspannung der
beiden Stellmotore so zu steuern, dass die (insbesondere bei einer SbW-Lenkung
erforderliche) Lenkregelung möglichst wenig beeinflusst wird.
Vorteile der Erfindung
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Der Anmeldungsgegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 1 hat folgende
Vorteile:
- - Es wird gegenseitige Unabhängigkeit von Lenkregelung (insbesondere
Lenkwinkelregelung) und Verspannungsregelung in der Gesamtregelanodnung
erzielt
- - durch Umschaltungsfunktionen kann die Verkoppelung der Lenkregelung und
der Verspannungsregelung genau definiert werden
- - die Umschaltung zwischen Betriebsarten (beispielsweise: verspannter Betrieb
oder unverspannter Betrieb oder Notbetrieb mit nur einem Stellmotor) ist durch
interne Übergangsregelung möglich
- - eine automatische Umschaltung zwischen den Betriebsarten ist möglich
- - es wird die Erzeugung einer situationsabhängigen Verspannung möglich
- - die Sicherheit des Systems wird erhöht, da Nichtlinearitäten beseitigt werden
- - es kann Spielfreiheit mit minimaler Reibung im verspannten Betrieb erreicht
werden; dadurch ergibt sich beste Genauigkeit und bestes Ansprechverhalten;
minimale Reibung kann durch genaue Dosierung der Stärke der Verspannung
erzielt werden
- - es ist kein mechanischer Aufwand zur Spielvermeidung erforderlich
- - Laufgeräusche können minimiert werden; die Stärke der Verspannung kann
zur Optimierung von Laufgeräuschen eingesetzt werden
- - im unverspannten Betrieb kann maximales Moment und beste Dynamik erzielt
werden; dadurch ist die Minimierung der Verlustleistung möglich
- - selbst bei einer Lenkregelung, die keinen expliziten Momentenregler enthält,
ist die Überwachung der Stellmotoren möglich
- - die Erfindung ist applikationsfreundlich und kostengünstig
- - es ist ein gesteuerter Betrieb möglich zur Einsparung eines Momentensensors
- - wenn die Ritzel der beiden Stellmotore mit einem gemeinsamen Mittenrad
kämmen (statt mit einer Zahnstange), das auf den Drehstab eines hydraulischen
Steuerventils wirkt, ist der Einsatz einer hydraulischen Servounterstützung
möglich
- - die Verspannung kann überwacht werden hinsichtlich des maximalen
Momentes der Stellmotoren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert
werden können.
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Bevorzugt werden die Stellmotore gesteuert durch das Überlagerungsresultat der
Ausgangsignale des Lenkreglers und eines Verspannungsreglers.
Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im
Folgenden näher erläutert.
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Schematisch ist gezeigt in
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Fig. 1 ein SbW-Fahrzeuglenksystem
Fig. 2 eine Gesamtregelanordnung mit Verspannungsregler CTC
Fig. 3 der Aufbau eines Verspannungsreglers CTC.
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Im Wesentlichen gleiche Teile in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 gibt übersichtlich die schematische Darstellung eines "Steer-by-Wire"-
Systems wieder. Der Name "Steer-by-Wire" entsteht durch die Tatsache, daß die
Lenkung nicht über die konventionelle mechanische Lenksäule, sondern mit Hilfe
eines elektrischen Lenkstellers elektronisch realisiert wird. Bevorzugt wird ein
elektrischer Lenksteller mit zwei Stellmotoren so ausgestattet, dass deren Ritzel
Ri1, Ri2 über ein Mittenrad MR gekoppelt sind. Das Mittenrad und die Ritzel
bilden ein Getriebe G (Figur. 2). Am Getriebeausgang steht das Mittenrad MR in
Wirkverbindung mit dem Drehstab eines hydraulischen Steuerventils 4 einer
Hydrolenkung. Ritzel und Mittenrad brauchen nicht spielfrei zu kämmen und
können daher preiswert sein.
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In Fig. 1 ist von einem Aufbau ausgegangen, der bekannte Komponenten einer
hydraulischen Zahnstangenhydrolenkung enthält, nämlich
- - einen hydraulischen Lenksteller 6 mit einem Zylinder und einem Kolben mit
Kolbenstangen, von denen eine in eine Zahnstange als Teil eines Lenkgetriebes 12
übergeht, an welche eine Spurstange 11 angelenkt ist; an der anderen
Kolbenstange ist eine Spurstange 10 angelenkt; an den Spurstangen greifen nicht
dargestellte Spurhebel von lenkbaren Fahrzeugrädern an,
- - als Drehmoment-Übertragungsstrang eine Lenksäule 2a, 2b mit einem
Lenkhandrad als Lenkhandhabe 3,
- - ein Lenkgetriebe 12 zur Umsetzung der Drehbewegung der Lenksäule in eine
Seitwärtsbewegung einer Zahnstange, die zugleich Kolbenstange des
hydraulischen Lenkstellers 6 ist, und
- - das Steuerventil (Servoventil) 4, das von dem Drehmoment gesteuert wird,
welches vom Lenkhandrad 3 über die Lenksäule auf das Lenkgetriebe übertragen
wird. Das Servoventil 4 (beispielsweise ein Drehschieberventil mit Drehstab)
streuert den Zu- und Abfluss von Öl über Druckleitungen 13 zum Zylinder des
Lenkstellers 6. Weitere Leitungen 14 und eine Ölpumpe 15 dienen der
Versorgung mit Drucköl.
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Weiterhin ist eine Schaltkupplung 5 mit Kupplungshubmagnet 5a vorgesehen, die
im geschlossenen Zustand die obere Teil-Lenksäule 2a mit der unteren Teil-
Lenksäule 2b drehsteif verbindet; in diesem Zustand arbeitet das dargestellte
Lenksystem als übliche hydraulische Servolenkung.
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Ergänzt wird das bisher beschriebene Lenksystem durch Elektromotore, die das
Lenksystem bei geöffneter Schaltkupplung 5 zu einem SbW-Lenksystem machen.
Der auf die obere Teil-Lenksäule 2a direkt (das heißt als Direktantrieb) oder über
ein Getriebe einwirkende Elektromotor 8 dient als Aktuator zur Ausübung von
Dreh-Kräften auf den oberen Teil 2a der Lenksäule und wird Lenkhandrad-
Aktuator genannt. Er überträgt über die Lenkhandhabe auf einen das Lenksystem
bedienenden Fahrer Kräfte, um dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl zu geben,
wobei auch die Kräfte an den Fahrzeugrädern mit berücksichtigt werden können.
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Andere Motore dienen bei geöffneter Schaltkupplung 5 als Stellmotoren Mot 1,
Mot 2 für das hydraulische Servoventil 4 und wirken auf dieses Servoventil 4 von
derselben Seite ein wie die Teil-Lenksäule 2b, die drehfest mit dem unteren Teil
der Schaltkupplung 5 verbunden ist. Der Stellmotor 7 dient also als Ventilaktuator
(sogenannter VA-Stellmotor).
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Im Normalbetrieb (also bei geöffneter Schaltkupplung 5) vermittelt der gesteuerte
elektrische Aktuator 8 dem Fahrer das Fahrgefühl. Zugleich ermittelt ein nicht
dargestellter Winkelsensor oberhalb der Schaltkupplung 5 die Auslenkung der
Lenkhandhabe 3 und steuert entsprechend die Stellmotoren Mot 1, Mot 2, die
das Servoventil 4 fortwährend einstellen, das wiederum den Lenksteller 6 steuert,
damit dieser die Fahrzeugräder lenkt.
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Bei vorbestimmbaren Störungen wird die Schaltkupplung 5 automatisch
geschlossen und je nach Störungsart auch die Stellmotoren abgeschaltet. Dann
wirkt das dargestellte Lenksystem wie eine handelsübliche hydraulische
Servolenkung.
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Wird die Erfindung nicht im Zusammenwirken mit einer hydraulischen
Servolenkung, sondern mit einer elektrischen Servolenkung benutzt, so entfallen
in Fig. 1 der Kolben im Zylinder, das Servoventil 4, die Leitungen 13, 14 und die
Pumpe 15; die Stellmotoren Mot 1, Mot 2 können dann unmittelbar als
Lenksteller der elektrischen Servolenkung eingesetzt werden.
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Fig. 2 gibt übersichtlich unter anderem die Blöcke eines vereinfacht dargestellten
erfindungsgemäßen Regelkreises für die Lenkregelung wieder. RPC ist dabei ein
Lenkregler, CTC (Constrained Torque Control) ist ein Verspannungsregler.
Stellmotoren Mot 1, Mot 2 und Getriebe G sind als einzelne Blöcke dargestellt.
Der Regelkreis weist eine Regelstrecke auf, bei der auf einen Lenkregler RPC eine
Signalwegverzweigung folgt, deren Zweige W1, W2 jeweils einen der Stellmotore
Mot 1, Mot 2 steuern, deren Momente M1, M2 auf das Getriebe G wirken,
wobei ein mit dem Drehwinkel MAS12 am Ausgang des Getriebes G
korrespondierendes Signal zum Lenkregler RPC zurückgeführt ist zum Vergleichen
mit dem vom Fahrzeugführer vorgegebenen Soll-Lenkwinkel θ_soll. In jedem
Zweig W1 bzw. W2 ist ein Addierer A1 bzw. A2 vorgesehen, dem
Korrektursignale delta_u1 bzw. delta_u2 vom Verspannungsregler CTC zugeführt
sind, welche die Verspannung steuern.
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Der Verspannungsregler CTC erhält als Eingangsgrößen die Momente M1, M2
der einzelnen Stellmotoren Mot 1, Mot 2. Die Führungsgrößen werden intern
gebildet. Weitere Eingangsgrößen für den CTC sind nicht dargestellt.
Ausgangsgrößen der CTC sind zwei Korrektursignale (Differenzspannungen)
delta_u1 und delta_u2, die der Stellgröße usq des RPC überlagert werden.
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Bevorzugt wird die Verspannung durch die Korrektursignale delta_u1 und
delta_u2 realisiert, die der Stellgröße usq am Lenkreglerausgang überlagert
werden. delta_u1 und delta_u2 entstehen durch entweder eine
Momentensteuerung oder eine Momentenregelung, wobei zu diesem Zweck die
Momente bzw. Ströme der Stellmotoren verwendet werden.
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Wie Fig. 2 zeigt, sind zwei Regelkreise einander überlagert. RPC regelt die
Summe, CTC die Differenz der Motormomente M1, M2. Die Regler sind durch
die spezielle Struktur unabhängig voneinander.
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Statt des Verspannungsreglers CTC kann auch eine Steuerung zum Einsatz
kommen, beispielsweise in Abhängigkeit vom vorgesehenen Lenkwinkel.
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Fig. 3 zeigt einen Überblick über den CTC. Der Ausgang des Getriebes (G) steht in
mechanischer Wirkverbindung mit dem Drehstab eines des hydraulischen
Steuerventils 4 (Fig. 1), das den hydraulischen Lenksteller (6) einer Hydrolenkung
steuert. Eine Verspannungsstrategieeinrichtung VS bereitet die Momente M1, M2
auf und bestimmt diverse Führungsgrößen für einen untergeordneten Regler R2.
Die Auswahl der aktuell gültigen Führungsgröße erfolgt durch den (internen oder
externen) übergeordneten Regler R1, der über Signalleitungen S1, S2 sowohl mit
der Verspannungsstrategieeinrichtung VS als auch mit dem untergeordneten
Regler R2 verbunden ist. Eingestellt werden die Momente durch den
untergeordneten Regler R2, der die Differenzspannungen delta_u1, delta_u2
ausgibt.
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Der übergeordnete Regler R1 kann mehrere Verspannungszustände auswählen:
- - Automatischer Betrieb; hier schaltet der CTC selbstständig die Verspannung
um
- - immer unverspannt
- - immer verspannt
- - untergeordneter Regler 2 (und damit Verspannungsregler CTC) ausgeschaltet
(z. B. bei Ausfall oder Fehlverhalten eines Motors).
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Die Bildung der dafür notwendigen Momentensollwerte erfolgt in der
Verspannungsstrategieeinrichtung VS.
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Der Übergeordnete Regler R1 kann nur Betriebszustände angeben. In der
Verspannungsstrategieeinrichtung VS findet dann eine Übergangsregelung statt.
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Momente werden beeinflußt vom Gesamtmoment, Winkel, Drehzahl,
Temperaturen und weiteren Fahrzeugparametern wie Fahrzeuggeschwindigkeit
etc. in der Art, daß das maximale Moment, die maximale Genauigkeit, die
minimalen Laufgeräusche oder eine minimale Erwärmung erreicht wird.
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Auch die Umschaltung der Betriebszustände bei internem oder externem
übergeordnetem Regler wird beeinflußt vom Gesamtmoment, Winkel, Drehzahl,
Temperaturen und weiteren Fahrzeugparametern wie Fahrzeuggeschwindigkeit
etc. in der Art, daß das Maximale Moment, die maximale Genauigkeit, die
minimalen Laufgeräusche oder eine minimale Erwärmung erreicht wird.
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Funktion der Verspannung
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Das Spiel im Getriebe G wird durch Verspannen der beiden Stellmotoren
beseitigt. Dabei wird ein Stellmotor zum Arbeitsmotor, während der andere als
Bremsmotor zum Verspannen dient. Die Stärke der Verspannung wird variabel
gehalten. Sie kann von dem übergeordneten Regler R1 vorgegeben werden oder
intern gebildet werden.
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Durch das Vorzeichen der Verspannung kann die Rolle der Stellmotoren
vertauscht werden. So können die Stellmotoren ihre Rolle tauschen, wenn das
Lastmoment das Vorzeichen ändert. Dadurch bleibt auch in diesem Fall und
während des Übergangs das auftretende Spiel null.
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Durch Vorzeichenänderung der Verspannung kann die Rolle der Zahnräder
vertauscht werden, dadurch ist eine Minimierung von Abrieb und
ungleichmäßiger Abnutzung erzielbar. Dadurch kann weiterhin immer ein
Zahnrad unter mechanischer Spannung bleiben, während das andere die Flanke
wechselt.
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Die Verspannung kann ausgeschaltet bzw. zu null gemacht werden, um beide
Stellmotoren auf dasselbe Antriebsmoment zu zwingen. So kann die Belastung
bei hohem Kraftaufwand auf beide Stellmotoren verteilt werden. Der
Verspannungsregler CTC überwacht dann die Momente M1, M2, um sicher zu
stellen, daß sie identisch sind.
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Die Auslegung der Verspannung kann beeinflußt werden von dem
aufzubringenden Moment, der Drehzahl der Stellmotoren, dem Lenkwinkel, der
Temperatur und weiteren Fahrzeugparametern wie z. B. von der Drehzahl des
Fahrzeugantriebsmotors oder der Fahrzeuggeschwindigkeit. Außerdem kann die
Regelung der Verspannung von übergeordneten Funktionen jederzeit aktiviert
oder deaktiviert werden.