DE10192088B4

DE10192088B4 - Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE10192088B4
Application number: DE10192088T
Authority: DE
Inventors: Shuji Maebashi Endo
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: JP3780823B2; US6751538B2; GB2367543A; WO2001089911A1; JP2001334948A; GB0201821D0; US20030120404A1; DE10192088T1; GB2367543B

Abstract

Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung, die einen Motor steuert, um auf einen Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft zu geben, basierend auf einerseits einem Stromsteuerwert, der aus einem Lenkhilfe-Sollwert berechnet wird, der seinerseits von einer Recheneinheit basierend auf dem in der Lenkwelle erzeugten Lenkmoment berechnet wird, und einem Stromwert des Motors andererseits, dadurch gekennzeichnet, dass eine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion bezüglich einer Frequenz in einem Band, in dem eine zu unterdrückende Störung vorhanden ist, auf einen Wert eingestellt wird, welcher an "1" angenähert ist, und in einem Band, in welchem eine zu übertragende Störung existiert, auf einen Wert eingestellt wird, der sich an "0" annähert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung, die von einem Motor eine Lenkhilfskraft auf das Lenksystem eines Automobils oder Kraftfahrzeugs gibt. Speziell betrifft die Erfindung eine Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung, bei der eine erwünschte komplementäre Empfindlichkeitsfunktion erhalten wird, und bei der ein mechanisches System und ein Steuersystem auf der Grundlage dieser komplementären Empfindlichkeitsfunktion ausgestaltet sind.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine elektrische Servolenkung, die auf die Lenkvorrichtung eines Automobils oder Kraftfahrzeugs mit Hilfe der Drehkraft eine Hilfslast aufbringt, bringt die Treiberkraft des Motors auf eine Lenkwelle oder eine Zahnstangenachse mit Hilfe eines Übertragungsmechanismus wie zum Beispiel Zahnräder oder Riemen über ein Untersetzungsgetriebe auf. Eine solche herkömmliche elektrische Servolenkung führt eine Regelung eines Motorstroms durch, um exakt ein Hilfsmoment (Lenkhilfsmoment) zu erzeugen. Die Regelung dient zum Einstellen einer Motorklemmenspannung mit dem Zweck, eine Differenz zwischen einem Stromsteuerwert oder Stromstellwert und einem Motorstrom-Istwert zu minimieren. Die Motor-Klemmenspannung wird im allgemeinen eingestellt aufgrund eines Tastverhältnisses einer PWM-(Pulsweitenmodulations-)Steuerung. Es sind etwa 10 Jahre vergangen, seitdem elektrische Servolenkungen auf dem Markt verfügbar sind, und der Einsatz dieser Vorrichtungen hat sich nun auf Kraftfahrzeuge mit einem Hubraum von 2000 cm³ ausgeweitet. Gleichzeitig wurde auch eine hohe Leistungstüchtigkeit der Lenkvorrichtung gefordert. In jüngerer Zeit hat nicht nur die Leistungsfähigkeit der elektrischen Servolenkung das Leistungsniveau konventioneller hydraulischer Servolenkungen erreicht, sondern es wurden neue Funktionen der elektrischen Servolenkung mit dem Ziel entwickelt, Produkte mit neuen Qualitätsmerkmalen zu schaffen.
Der allgemeine Aufbau einer elektrischen Servolenkung soll zunächst anhand der 28 erläutert werden. Eine Welle eines Lenkrads ist mit einer Spurstange der laufenden Räder über einen Torsionsstab, ein Untersetzungsgetriebe, Universalgelenke etc. verbunden. Die Welle des Lenkrads ist mit einem Drehmomentsensor ausgestattet, um ein Lenkmoment des Lenkrads zu erfassen. Ein Motor zum Unterstützen der Lenkkraft des Lenkrads ist mit der Welle über eine (nicht gezeigte) Kupplung und das Untersetzungsgetriebe gekoppelt. Eine Steuereinheit (ECU) zum Steuern der Servolenkung wird von Batterien über ein (nicht gezeigtes) Zündschloß gespeist. Die Steuereinheit errechnet einen Lenkhilfe-Sollwert I eines Hilfsbefehls auf der Grundlage eines von dem Drehmomentsensor erfaßten Lenkmoments T und einer Fahrzeuggeschwindigkeit V, die von einem (nicht gezeigten) Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor erfaßt wird. Dann steuert die Steuereinheit einen Strom, der dem Motor zuzuführen ist, basierend auf dem berechneten Lenkhilfe-Sollwert I. In 28 bedeutet SAT ein Selbstausrichtungs-Drehmoment.
Die Steuereinheit besteht hauptsächlich aus einer CPU. 29 zeigt allgemeine Funktionen, die aufgrund eines Programms in der CPU auszuführen sind.
Im Folgenden werden Funktionen und Betriebsweise der Steuereinheit 30 erläutert. Von dem Drehmomentsensor 10 wird ein Lenkmoment T erfaßt und dann zur Phasenkompensation in einen Phasenkompensator 31 eingegeben, um die Stabilität des Lenksystems zu steigern. Das in der Phase kompensierte Lenkmoment TA wird in einen Lenkhilfe-Sollwert-Rechner 32 eingegeben. Außerdem wird in diesen Lenkhilfe-Sollwert-Rechner 32 eine von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 12 erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit V eingegeben. Der Lenkhilfe-Sollwert-Rechner 32 berechnet einen Lenkhilfe-Sollwert I als Regel-Sollwert eines Stroms, der in den Motor 20 einzuspeisen ist, basierend auf dem eingegebenen Lenkmoment TA und der eingegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit V. Der Lenkhilfe-Sollwert I wird in einen Subtrahierer 30A eingegeben, außerdem in einen Differentialkompensator 34 eines Vorwärtsregelsystems zum Erhöhen einer Ansprechgeschwindigkeit. Eine von dem Subtrahierer 30A errechnete Differenz (I-i) wird an einen Proportionalrechner 35 und außerdem an einen Integrationsrechner 36 gegeben, um die Kennlinie des Rückkopplungssystems zu verbessern. Ausgangsgrößen des Differentialkompensators 34 und des Integrationsrechners 36 werden auf einen Addierer 30B gegeben und von diesem summiert. Ein Additionsergebnis vom Addierer 30B wird als Stromsteuerwert oder Stromstellwert E gewonnen, und dieser Wert wird als Motortreibersignal auf eine Motortreiberschaltung 37 gegeben. Ein Motorstromwert i des Motors 20 wird von einer Motorstrom-Detektorschaltung 38 ermittelt, und dieser Motorstromwert i wird auf den Subtrahierer 30A zurückgekoppelt.

In DE 196 15 377 A1 wird eine ähnliche grundlegende Konfiguration dargestellt. Die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 werden in diesem Dokument beschrieben.

30 ist ein Blockdiagramm, welches die Übertragungsfunktion der elektrischen Servolenkung zeigt. In der Zeichnung ist "s" ein Laplace-Operator.

Speziell hat die elektrische Servolenkung einen Vorteil insofern, als die Möglichkeit besteht, Information von der Fahrbahnoberfläche zu verarbeiten und die Information zu dem Fahrer zu transferieren, um das Fahren zu erleichtern, indem man den Freiheitsgrad bei der Ausgestaltung der Information nutzt. Aus den 28 und 30 läßt sich ersehen, daß die Empfindlichkeits-Gestaltung der Fahrbahninformation gehandhabt werden kann als Gegenstand zum Definieren einer angestrebten Übertragungskennlinie zwischen der Eingabe der Fahrbahnoberflächen-Information bezüglich der auf das Lenkmoment bezogenen Information.

Das für den Fahrer erwünschte Gefühl beim Lenken wird realisiert durch Abstimmen der Übertragungskennlinie zwischen Lenkwinkel und Lenkmoment. Im allgemeinen hängt das Bedürfnis an einem ruhigen Lenkrad oder einem ruhigen Lenkgefühl in starkem Maß von dieser Übertragungskennlinie ab. Aus dem in 30 gezeigten schematischen Blockdiagramm läßt sich erkennen, daß diese beiden Spezifikationen in einer Kompromiß-Beziehung zueinander stehen. Beispielsweise entspricht dies einem Fall, bei dem der Fahrer Reibung in der Lenkung verspürt, Ergebnis der Addition der Reibung der Servolenkung zur Verringerung der Emp findlichkeit gegenüber Lenkradflattern, welches in Erscheinung tritt, wenn das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt.

Auf dem Gebiet der elektrischen Servolenkungen ist Bedarf an einem Produkt aufgekommen, dessen Leistung diejenige der hydraulischen Servolenkung übersteigt und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit elektrischer Servolenkungen erbringt. Außerdem wird von diesem Produkt gefordert, ein stabiles und komfortables Lenkrad zu erhalten, basierend auf der Ausgestaltung eines Steuersystems und eines elektrischen Steuersystems, die die erwünschte komplementäre Empfindlichkeitsfunktion auf der Grundlage der Fahrbahninformation anpassen.

Die vorliegende Erfindung wurde im Licht der obigen Situation gemacht. Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung anzugeben, bei der eine angestrebte komplementäre Empfindlichkeitsfunktion erhalten wird, außerdem soll ein Steuersystem so ausgestaltet werden, daß diese komplementäre Empfindlichkeitsfunktion erhalten wird.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung schafft eine Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung, die einen Motor steuert, um einem Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft beizugeben, basierend auf einerseits einem Stromsteuerwert, der berechnet wird aus einem Lenkhilfe-Sollwert, welcher errechnet wird anhand des in der Lenkwelle erzeugten Lenkmoments, und einem Stromwert des Motors andererseits. Das Ziel der vorliegenden Erfindung läßt sich basierend auf der Ausgestaltung erreichen, daß eine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion bezüglich einer Frequenz so eingestellt wird, daß ein Pegel in einem Band, in dem es eine zu unterdrückende Störung gibt, sich dem Wert "1" nähert, und in einem Band, in dem eine sich zu übertragende Störung befindet, auf einen Pegel eingestellt wird, der sich dem Wert "0" annähert.

Außerdem läßt sich das Ziel der vorliegenden Erfindung effizienter durch folgende Maßnahmen erreichen: Ein Eigenwert der Servolenkung, ein Eigenwert der Aufhängung, und ein Vibrationsbereich sowie ein Bereich von Motordrehmomentschwankungen sind in dem Band enthalten, in welchem die zu unterdrückende Störung vorliegt. Alternativ wird der Eigenwert der Servolenkung auf 10 bis 13 Hz eingestellt, der Eigenwert der Aufhängung wird auf 10 bis 17 Hz eingestellt, der Vibrationsbereich wird auf 15 bis 25 Hz eingestellt, und der Bereich von Motordrehmomentschwankungen wird auf 15 bis 30 Hz eingestellt. Alternativ wird die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion aus einer Ausgestaltung eines mechanischen Steuersystems und eines elektrischen Steuersystems erhalten. Alternativ wird das mechanische Steuersystem gewonnen aus den Ausgestaltungen eines Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, eines Gummidämpfers eines Motoruntersetzungsgetriebemechanismus und eines kontaktlosen Drehmomentsensors.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Kennliniendiagramm, welches eine angestrebte komplementäre Empfindlichkeitsfunktion zeigt;
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der 30;
3 ist ein Frequenzgang, der eine Motorkennlinie zeigt;
4 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Abstimmung einer Kennlinie der Übertragung von einer Fahrbahnoberflächen-Eingabe auf ein Lenkmoment;
5(A) und (B) sind Diagramme von Beispielen einer Messung eines Lenkmoments (eines hydraulischen Systems), wenn ein Fahrzeug auf einer Straße mit Kopfsteinpflaster (Belgian road) fährt;
6(A) und (B) sind Diagramme, die Beispiele für eine Messung eines Lenkmoments (eines elektrischen Systems) zeigen, wenn ein Fahrzeug auf einer Straße mit Kopfsteinpflaster fährt;
7(A) und (B) sind Diagramme, die Beispiele für eine Lenkkennlinie zeigen, wenn ein Fahrzeug mit 100 km/h fährt;
8 ist eine Darstellung eines Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, der im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird;
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für eine Kennlinie des Mechanismus nach 3 veranschaulicht im Vergleich zu demjenigen einer herkömmlichen Vorrichtung;
10 ein Diagramm eines konventionellen Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelmechanismus;
11 ist ein Diagramm eines Schneckenrad-Halterungsteils eines Motor-Untersetzungsgetriebes;
12 ist ein Diagramm des Frequenzverhaltens, wenn an einem Schneckenrad-Halterungsteil kein Gummidämpfer angebracht ist;
13 ist ein Diagramm eines Frequenzverhaltens für den Fall, daß an einem Schneckengetriebe-Halterungsteil ein Gummidämpfer angebracht ist;
14 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentsensors, der im Rahmen der Erfindung verwendet wird;
15 ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentsensors, der im Rahmen der Erfindung verwendet wird;
16 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für den Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkung;
17 ist ein Blockdiagramm eines Mittenansprech-Verbesserungsteils;
18 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Kennlinie eines Phasenkompensationsteils;
19 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Kennlinie eines Approximations-Differenzierteils;
20 ist ein Diagramm einer kombinierten Kennlinie des Phasenkompensationsteils und des Approximations-Differenzierteils;
21 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Fahrzeuggeschwindigkeit und der Einstellung einer Verstärkung auf der Grundlage eines Lenkmoments;
22 ist ein Diagramm einer grundlegenden Hilfskennlinie;
23 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Fahrzeuggeschwindigkeits-Interpolationsberechnung;
24 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für die Struktur einer Drehmomentsteuerungs-Berechnung;
25 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Kennlinie einer Robust-Stabilisationskompensation;
26 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Steuersystem-Kennlinie;
27 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Kennlinie eines mechanischen Systems;
28 ist ein Diagramm eines Mechanismus entsprechend eines allgemeinen Beispiels für eine elektrische Servolenkung;
29 ist ein Blockdiagramm, das die allgemeine interne Struktur einer Steuereinheit zeigt; und
30 ist ein Blockdiagramm einer Übertragungsfunktion der Steuereinheit.
BESTER WEG ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Bei einer elektrischen Servolenkung gibt es einen Elektromotor, den es bei einer hydraulischen Servolenkung nicht gibt, und zwar befindet sich der Motor in der Mitte des Wegs der Übertragung der Straßeninformation zu dem Fahrer. Die Reibung und die Trägheit des Motors blockiert praktisch die gesamte Information über die Fahrbahnoberfläche. Damit hat die elektrische Servolenkung von ihrer Struktur her keine einfache Möglichkeit, Straßeninformation zu dem Fahrer zu übertragen. Andererseits hat die elektrische Servolenkung den Vorteil, daß die Existenz des Motors unnötige Störungen blockiert. Der Erfinder ist seit zahlreichen Jahren mit dem Studium einer elektrischen Servolenkung befaßt und hat dabei herausgefunden, daß die Straßeninformation sich grob in notwendige und nicht benötigte Information unterteilen läßt, wobei letztere als Störung zu unterdrücken ist, wie aus 1 hervorgeht. Eine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) in Abhängigkeit der Frequenz, welche der Fahrer empfindet, ist stets gleich oder kleiner als 1. Die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) besitzt einen flachen linearen Verlauf in der Nähe von 0 dB = 1, in dem Bereich, in welchem eine Eigenfrequenz (10 Hz bis 13 Hz) der elektrischen Servolenkung vorliegt, und in dem eine Eigenfre quenz (13 Hz bis 17 Hz) einer Aufhängung vorhanden ist, und in einem Bereich von Radvibrationen (15 Hz bis 25 Hz), und in einem Bereich von Motordrehmoment-Schwankungen (15 Hz bis 30 Hz).
In den übrigen Bereichen ist der Verlauf der komplementären Empfindlichkeitsfunktion T(s) in der Nähe von Null angesiedelt.
Die elektrische Servolenkung läßt sich auf einen Frequenzbereich bezogen ausgestalten, und daher besteht die Möglichkeit, den Kompromiß dadurch zu erreichen, daß man ihn frequenzbereichsmäßig von der in 30 dargestellten komplementären Empfindlichkeitsfunktion unterscheidet. In anderen Worten: Bei einem zufriedenstellenden Lenken ist es möglich, unnötige Störungen zu unterdrücken, die notwendigen Störungen aber auf das Lenkrad zu übertragen. Bei einer herkömmlichen hydraulischen Servolenkung wird diesem Punkt zum Beispiel durch Einstellung der Reibung des Lenksystems Rechnung getragen. Allerdings ist es nicht möglich, beiden Zielen gleichzeitig zu entsprechen. Andererseits ist es bei einer elektrischen Servolenkung möglich, die Übertragungskennlinien für die Übertragung von der Fahrbahnoberfläche auf das Lenkrad zu definieren. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, eine Kompromißlösung auf Frequenzbereichsbasis zu finden. Insbesondere wird die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) des Steuersystems in einem Bereich auf einen Wert in der Nähe von "1" eingestellt, in dem es eine zu unterdrückende Störung gibt. Die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) wird in demjenigen Bereich, in dem es zu übertragende Störungen gibt, in der Nähe von Null eingestellt werden. In anderen Worten, aus der Definition der komplementären Empfindlichkeitsfunktion T(s) läßt sich die Störung vollständig unterdrücken, wenn die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) "1" ist, und die Störung läßt sich ohne jegliche Unterdrückung übertragen, wenn die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) Null ist.
Berechnet wird die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion aufgrund der Annahme, daß ein Fahrzeug eine einfache Feder (mit der Federkonstanten Kv) als Übertragungskennlinie für das Fahrzeug besitzt, um ein SAT zu bilden (self-aligning torque), das heißt ein selbstausrichtendes Moment. Eine konstante Verstärkung erhält den Wert K/Kv/ α². In dem Band, in dem es zu unterdrückende Störung gibt, nähert sich die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion dem Wert 1. Beim Definieren der komplementären Empfindlichkeitsfunktion wird 30 folgendermaßen interpretiert. 30 läßt sich so verstehen, als zeigte sie ein Steuersystem, welches eine Steuerung mit dem Ziel ausführt, die Verlagerung des Torsionsstabs zu reduzieren. Ein Reduzieren der Verlagerung des Torsionsstabs entspricht einer Reduzierung des Lenkmoments gemäß 30. Deshalb läßt sich das Steuer- oder Regelsystem betrachten als System, welches θ_b mit θ_h als Sollwert zurückkoppelt, und welches eine Regelverstärkung K (Steifigkeit des Torsionsstabs) und die elektrische Servolenkung aufweist.
Die konstante Verstärkung des Reglers der elektrischen Servolenkung wird zu einem Gradienten der Hilfskennlinie. Deshalb ist die konstante Verstärkung in dem Bereich Null, in welchem das Drehmoment klein ist. Wird ein neuer Regler C(s) vorgesehen, indem man die Steifigkeit des Torsionsstabs und den Regler kombiniert, und wird ein Lenksystem in der Form P(s) ausgedrückt, so läßt sich das Regelsystem vereinfachen als allgemeines Regelsystem, wie es in 2 dargestellt ist. Die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion T(s) wird ausgedrückt durch die in 2 dargestellte Gleichung, wobei d(s) die von den Reifen stammende Störung darstellt. Diese Störung d(s) beinhaltet unnötige Störung sowie eine Differenz zwischen der Kennlinie des Fahrzeugs und der dynamischen Kennlinie der Feder. Deshalb besteht das Ziel der komplementären Empfindlichkeitsfunktion T(s) darin, die Differenz zwischen der dynamischen Kennlinie der einfachen Feder und der tatsächlichen dynamischen Kennlinie in einem geeigneten Band durchzulassen, während unnötige Störungen gleichzeitig unterdrückt werden.
Erfindungsgemäß wurde der Differenz zwischen der Übertragungskennlinie für die Übertragung von fahrbaren Oberflächen-Information auf das Lenkmoment und der Übertragungskennlinie für die Übertragung des Lenkwinkels auf das Lenkmoment besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Die Trägheit des Motors wird gezielt für unnötige Störung eingesetzt, und die Trägheit des Motors, die zur Zeit des Lenkens erfaßt wird, wird in dem Drehmomentsteuersystem kompensiert. In dem in 3 gezeigten Verstärkungsdiagramm ist die Übertragungskennlinie für die Übertragung vom Lenkwinkel auf das Lenkmoment verglichen in Bezug auf die Trägheit des Motors (große Trägheit, geringe Trägheit). Von einem Motor-Frequenzgang, wie er in 3 gezeigt ist, ist ersichtlich, daß der Einfluß der Motorträgheit als Phasenverzögerung in Erscheinung tritt. Der Einfluß der Motorträgheit läßt sich in dem Drehmomentsteuersystem dadurch kompensieren, daß man eine Phasenvoreilkennlinie verwendet, die eine inverse Kennlinie bezüglich der Phasenverzögerungskennlinie darstellt. In dem in 3 gezeigten Phasendiagramm zeigt eine Kennlinie A den Fall, daß keine Kompensation stattfindet, die Kennlinie B veranschaulicht den Fall mit Kompensation.
Bei der Ausgestaltung der Empfindlichkeit für die Fahrbahnoberfläche muß man den Drehmomentsensor die Information der fahrbaren Oberfläche erfassen lassen. Deshalb ist die Struktur derart ausgebildet, daß der Motor daran gehindert wird, die Information über die Fahrbahnoberfläche zu blockieren. Das Drehmomentsteuersystem ist dann so ausgelegt, daß seine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion sich der in 1 gezeigten Kennlinie annähert. Die an den Reifen entwickelte Information über die Fahrbahnoberfläche wird übertragen, nachdem die Reibungskomponente für jedes Element subtrahiert wurde. Da die Motorträgheit wie ein mechanisches Tiefpaßfilter wirkt, wird die Information über die Fahrbahnoberfläche gedämpft, wenn die Trägheit groß ist. Die Ausgestaltung der komplementären Empfindlichkeitsfunktion ist fein abgestimmt zur Anpassung des Fahrzeugs, nachdem die Stabilität des Steuersystems in ausreichender Weise sichergestellt ist, indem ein allgemeines Verfahren zum Gestalten eines Steuersystems angewendet wurde. Dies deshalb, weil die menschliche Empfindlichkeit feinsinnig ist und es keine Möglichkeit besteht, das ideale Verhalten der Übertragungskennlinie zum Ausdruck zu bringen. Gemäß einem allgemeinen Entwurfsverfahren, welches eher als konservativ zu betrachten ist, besteht keine Möglichkeit, ausreichende Maßnahmen zu ergreifen. Folglich hängt in der derzeitigen Situation die Abstimmung selbst von dem Know-how des die Abstimmung vornehmenden Technikers ab.
Um andererseits erfindungsgemäß die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion gemäß 1 zu realisieren, werden die Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelanordnung, der Gummidämpfer des Motor-Untersetzungsgetriebes, der kontaktlose Drehmomentsensor und das Drehmomentsteuersystem verbessert. Dies wird im Folgenden näher erläutert.
Um zu verhindern, daß der Motor die Straßenoberflächeninformation blockiert, sind folgende Elemente (1) bis (3) wirksam: (1) Definieren einer Motorkennlinie, die sich für Fahrbahnoberflächen-Information eignet, indem ein Status unter Einsatz eines Beobachters zurückgekoppelt wird; (2) Entkoppeln des Motors von der Lenksäulenwelle durch Einsatz eines mechanischen Kupplungsmechanismus; (3) Verwendung eines Elements geringer Reibung. 4 bis 7 zeigen Beispiele für Kennlinien einer elektrischen Servolenkung, die auf dieser Grundlage ausgestaltet wurde, verglichen mit der Kennlinie des hydraulischen Systems. 4 zeigt ein Beispiel einer Messung einer abgestimmten Fahrbahnoberflächen-Empfindlichkeit. Eine dicke Linie zeigt die Empfindlichkeit (dB), eine dünne Linie zeigt die Phase (Grad). 5 und 6 sind Diagramme von Beispielen des Messens eines Lenkmoments eines hydraulischen Systems sowie eines Lenkmoments eines elektrischen Systems, wenn ein Fahrzeug auf einer Kopfsteinpflasterstraße fährt. Der Grund dafür, daß das Lenkmoment der hydraulischen Servolenkung variiert, besteht darin, daß Vibrationen der Aufhängung mit erfaßt werden. 5(A) und 6(A) zeigen die Schwankungen des Lenkmoments im Verlauf der Zeit, und 5(B) und 6(B) zeigen den Frequenzgang von 0 bis 60 Hz. 7(A) zeigt ein Beispiel für eine Messung einer Lenkkennlinie (Lenkmoment im Verhältnis zum Lenkwinkel) der hydraulischen Servolenkung, wenn ein Fahrzeug mit 100 Km/h fährt. 7(B) zeigt ein Beispiel für eine Messung einer Lenkkennlinie (Lenkmoment im Verhältnis zum Lenkwinkel) einer elektrischen Servolenkung, wenn ein Fahrzeug mit 100 Km/h fährt. Der Grund dafür, daß das Lenkmoment der hydraulischen Servolenkung variiert, besteht darin, daß Flatter-Vibrationen erfaßt werden.
8 zeigt einen Mechanismus einer Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelanordnung, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird. 9 zeigt einen Vergleich zwischen einer Kennlinie des Mechanismus und derjenigen eines herkömmlichen Mechanismus. Eine Ritzelwelle ist koaxial bezüglich einer Eingangswelle angeordnet. Die Ritzelwelle steht mit einer Zahnstangenwelle in Eingriff. Die Zahnstangenwelle ist mit einer Zapfwelle eines Druckkissens innerhalb eines Gehäuses über eine Walze gekoppelt. Die Zapfwelle wird von Nadellagern gehalten und steht über einen Reibblock mit einer Schraubenfeder in Verbindung. Die Schraubenfeder ist in einem Halter aufgenommen, und die Druckkraft wird auf das Druckkissen ausgeübt. Der Halter wird elastisch von einer zwischen Innenwänden des Gehäuses aufgehängten Feder gehalten. Diese Walzentyp-Zahnstangen- und Ritzelanordnung ist im einzelnen in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2000-159128 der Anmelderin beschrieben.
Bei der Zahnstangen- und Ritzelanordnung vom Walzentyp gemäß vorliegender Erfindung besteht das Druckkissen zum Haltern des Ritzels aus einer Walze, dem Reibblock, den Nadellagern und dem Haltern. Deshalb ist es möglich, sowohl eine hohe Lagersteifigkeit als auch geringen Arbeitswiderstand zu erreichen. Da insbesondere der Reibblock sich in dem Druckkissen befindet, ist eine Rückwärtseingabe in den Bereich geringer Zahnstangenkraft kleiner als die rückwärtige Eingabe bei dem in 10 gezeigten herkömmlichen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus, wie aus dem in 9 gezeigten Kennlinien-Diagramm klar ersichtlich ist. Der Einsatz dieses Reibblocks dient zum Verbessern der Fahrbahnoberflächen-Information in dem kleinen Lenkwinkelbereich, der für Hochgeschwindigkeitsfahrten wichtig ist. Bei dem herkömmlichen Mechanismus (ohne den Reibblock) nach 10 wird, da der Reibblock sich nicht in dem Druckkissen befindet, die Rückwärtseingabe im Bereich kleiner Zahnstangenkräfte groß.
Der Gummidämpfer in dem Motor-Untersetzungsgetriebe gemäß der Erfindung soll im Folgenden erläutert werden.
Wie in 11 gezeigt ist, ist bei der elektrischen Servolenkung ein Gummidämpfer (Gummi) in eine Keilnut über eine Büchse in dem Schneckenwellen-Lagerteil des Motor-Untersetzungsgetriebes eingesetzt, um das Klappergeräusch des Getriebes zu verringern. In dem elastischen Gummibereich arbeiten die Verlagerung des Motors und die Verlagerung der Lenksäulenwelle unabhängig voneinander. Daher ist es möglich, die Information über die Fahrbahnoberfläche auf die Lenkradwelle zu übertragen, ohne daß sie von der Reibung und der Trägheit des Motors unterbrochen wird. Im Ergebnis ist es basierend auf diesen Mechanismen möglich, die Ausgestaltung der Empfindlichkeitsfunktion der Fahrbahnoberflächeninformation gemäß 1 zu realisieren. Allerdings führt das Einfügen des Gummidämpfers zu einer großen Bemessung des Reglers, da der Regelwert einer dynamischen Kennlinie mit geringer Eigenfrequenz entspricht.
12 zeigt einen Frequenzgang für den Fall, daß kein Gummidämpfer an dem Schneckengetriebelager angeordnet ist. 3 zeigt einen Frequenzgang für den Fall, daß ein Gummidämpfer an dem Schneckengetriebe-Lagerteil angebracht ist. Man sieht, daß der Geräuschpegel in letzterem Fall gesenkt ist.
Die Verbesserung des Drehmomentsensors, der in der elektrischen Servolenkung eingesetzt wird, soll im Folgenden erläutert werden.
Wenn die Hysterese-Kennlinie der Erfassungscharakteristik des Drehmoment-Sensors als eine Verzögerungskennlinie bei feinem Drehmoment in Erscheinung tritt, muß man diese Hysterese-Kennlinie kleinstmöglich unterdrücken. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein kontaktloser Drehmomentsensor mit geringer Hysterese-Breite verwendet, wie er in den 14 und 15 gezeigt ist. 14 zeigt einen Aufbau, bei dem sich ein kontaktloser Drehmoment-Fühler an einer Lenkradwelle befindet. 15 ist eine perspektivische Ansicht eines Teilquerschnitts der Struktur des Sensors. Ein eine Detektorschaltungseinheit bildendes Spulenjoch befindet sich auf einer Hülse am Außenumfang einer Eingangswelle (einer Sensorwelle), die aus einem magnetischen Werkstoff wie z.B. SUS und Fe besteht. Zwei Sätze von Spulen sind in dem Spulenjoch gewickelt. Die Hülse besteht aus einem leitenden, nicht magnetischen Material (z.B. Aluminium). Entlang einem ringförmigen Spulenstrang sind Fenster gebildet. Innerhalb der Eingangswelle befindet sich ein Torsionsstab.
Mit diesem Aufbau wird das Drehmoment der Eingangswelle berührungslos erfaßt, indem die Leitfähigkeit und der Nicht-Magnetismus der Hülse sowie der Magnetismus der Eingangswelle ausgenutzt werden. In anderen Worten: Ein geschlossener Zustand eines periodischen magnetischen Felds wird in Umfangsrichtung im Inneren der Hülse unter Nutzung des Skin-Effekts erzeugt. Eine spontane Magnetisierung der Eingangswelle erhöht sich oder verringert sich entsprechend einer Phasendifferenz zwischen der Phase des Magnetfelds und der Phase der Keilnuten der Eingangswelle.
Im Folgenden wird die Ausgestaltung des elektrischen Steuersystems erläutert.
Zur Realisierung der Empfindlichkeits-Gestaltung der Fahrbahnoberflächeninformation ist auch das Ansprechverhalten der Stromsteuerung in wichtiges Element. Insbesondere ist es wünschenswert, daß das Ansprechverhalten etwa zur Zeit des Beginns eines Stromflusses möglichst linear eingestellt wird, um dadurch die Lenkung in der Nähe des neutralen Punkts zu verbessern. Zur Linearisierung des Ansprechverhaltens wird eine sogenannte "Robust-Steuerung" basierend auf einem Standardmodell anstelle der Stromsteuerung verwendet, die auf einer herkömmlichen PI-Regelung basiert.
16 ist ein Gesamtblockdiagramm, welches die Steuerfunktionen der Erfindung zeigt. Ein Drehmoment C wird in einen Lenkhilfe-Sollwert-Rechenteil 100 und einen Mittenansprech-Verbesserungsteil 101 eingegeben. Ausgangsgrößen dieser Teile werden auf einen Addierer 102 gegeben. Ein Additionsergebnis von dem Addierer 102 wird auf einen Drehmoment-Steuerrechenteil 103 gegeben. Das Ausgangssignal von dem Drehmoment-Steuerrechenteil 103 gelangt als Eingangsgröße an einen Motorverluststrom-Kompensationsteil 104. Das Ausgangssignal des Motorverluststrom-Kompensationsteils 104 wird über einen Addierer 105 in einen Maximalstrom-Begrenzungsteil 106 eingegeben. Der von dem Maximalstrom-Begrenzungsteil 106 beschränkte maximale Stromwert wird auf einen Stromsteuerteil 101 gegeben. Ein Ausgangssignal des Stromsteuerteils 110 wird über eine H-Brücken-Kennlinien-Kompensationseinrichtung 111 auf eine Stromtreiberschaltung 112 gegeben. Basierend darauf treibt die Stromtreiberschaltung 112 einen Motor 113.
Ein Motorstrom i des Motors 113 wird in einen Motorwinkelgeschwindigkeits-Abschätzteil 121, einen Treiberstrom-Schaltteil 122 und in den Stromsteuerteil 110 eingegeben, jeweils über einen Motorstromversatz-Korrekturteil 120. Eine Motorklemmenspannung Vm wird in den Motorwinkelgeschwindigkeits-Abschätzteil 121 eingegeben. Die von dem Motorwinkelgeschwindigkeits-Abschätzteil 121 abgeschätzte Winkelgeschwindigkeit ω wird auf einen Motorwinkelgeschwindigkeits-Abschätzteil-/Trägheitskompensationsteil 123, einen Motorverlustmoment-Kompensationsteil 124 und eine Gierraten-Abschätzteil 125 gegeben. ein Ausgangssignal des Gierraten-Abschätzteils 125 wird auf einen Stränge-Steuerteil 126 gegeben. Ausgangsgrößen des Stränge-Steuerteils 126 und des Motorverlustmoment-Kompensationsteils 124 werden von dem Addierer 127 addiert. Das Additionsergebnis wird auf den Addierer 102 gegeben. Außerdem ist ein Strom-Dithersignal-Erzeugungsteil 130 vorgesehen. Ausgangssignale des Strom-Dithersignal-Erzeugungsteils 130 und des Motorwinkelgeschwindigkeits-Abschätzteil-/Trägheitskompensationsteils 123 werden von einem Addierer 131 addiert, das Ergebnis dieser Addition wird auf den Addierer 105 gegeben.
Basierend auf dem oben beschriebenen Aufbau besteht erfindungsgemäß der Mittenansprech-Verbesserungsteil 101 aus einem Kompensationsteil 101 für die Phase, einem Approximations-Differenzierteil 101B und einem Verstärkungseinstellteil 101C, wie aus 17 hervorgeht. Außerdem besitzt der Phasenkompensationsteil 101A einen Frequenzgang, wie er in 18 gezeigt ist, und der Approximations-Difterenzierteil 101B besitzt einen Frequenzgang, wie er in 19 gezeigt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird die kombinierte Kennlinie für die Phasenkomensation und die Approximations-Differenzierung so, wie sie in 20 gezeigt ist. Der Ver stärkungseinstellteil 101C stellt die Verstärkung dadurch ein, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit V und das Lenkmoment T gemäß 21 umgeschaltet werden. Um außerdem das instabile Lenkgefühl zu verringern, wenn das Lenkrad plötzlich zurückdreht, und um den Lenkvorgang zu stabilisieren, wird das Lenkmoment erhöht, die Lenkmoment-Änderungsgeschwindigkeit wird gesteigert, und die Verstärkung wird verringert, wenn das Lenkmoment in abnehmende Richtung weist. In anderen Worten: Die Umschaltbedingung wird folgendermaßen eingestellt: |Lenkmoment|(= A) > etwa 1,37 Nm, |Lenkmoment – Lenkmoment (eine Abtastung zuvor|(=B) > etwa 0,137 Nm, und Vorzeichen (A) <> Vorzeichen (B). Die Verstärkung nach dem Umschalten beträgt "46" bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 bis 2, sie beträgt "47" bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von 4 bis 78, und sie beträgt "41 " bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 80 oder mehr, um ein Beispiel zu geben. Oben bedeutet Vorzeichen (A) <> Vorzeichen (B), daß die Vorzeichen von (A = Lenkmoment) und (B = Lekmoment – Lenkmoment (eine Abtastung davor)) verschieden voneinander sind.
Erfindungsgemäß stellt außerdem der Lenkhilfe-Sollwert-Rechenteil 100 die Hilfskennlinie für drei repräsentative Fahrzeuggeschwindigkeiten (0, 30, 254 Km/h) als Grundkennlinie bei der Berechnung des Hilfswerts ein. Der Lenkhilfe-Sollwert-Rechenteil 100 berechnet den Hilfswert für andere Geschwindigkeiten durch Interpolieren zwischen den Grundkennlinien für jeweils 2 Km/h Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend der Fahrzeug-Interpolationsverstärkung. Dann wird die Fahrzeuggeschwindigkeit der Hilfskennlinie auf einen Wert im Bereich von 0 bis 254 Km/h eingestellt, und die Auflösung wird auf 2 Km/h eingestellt. 22 zeigt die Grund-Hilfskennlinie (Drehmoment in Relation zum Strom). Diese Grund-Hilfskennlinie wird ausgedrückt als 0 Km/h = 1o-Kennlinie, 30 Km/h = 1a-Kennlinie und 254 Km/h = 1b-Kennlinie. Für andere Fahrzeuggeschwindigkeiten wird der Hilfsstrom berechnet durch Interpolieren zwischen den Fahrzeuggeschwindigkeiten für jeweils 2 Km/h unter Verwendung eines in 23 dargestellten Fahrzeuggeschwindigkeits-Interpolationskoeffizienten eines Fahrzeugs (Km/h). Reicht die Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 bis 30 Km/h, ist der Hilfswert I = 2a(T) + γ(V) (1o(T) – 1a (T)). Reicht die Fahrzeuggeschwindigkeit von 32 bis 254 Km/h, beträgt der Hilfsstrom I = 1b(T) + γ(V)(1a(T) – 1b(T)).
Weiterhin stellt erfindungsgemäß der Drehmoment-Steuer-Rechenteil 103 eine Lenkmoment-Antwort zum Stabilisieren des mechanischen Systems der elektrischen Servolenkung ein, außerdem zum Stabilisieren der Schwingung des Gummidämpfers in dem Untersetzungsgetriebe, und zum Einjustieren des Lenkgefühls. 24 zeigt diese Struktur. Ein Ansprechverhalten-Definierteil 103B befindet sich an der hinteren Stufe einer Klemmschaltung 103A. An der hinteren Stufe des Ansprechverhalten-Definierteils 103B ist über eine Klemmschaltung 103C ein Robust-Stabilisationskompensierteil 103D angeschlossen. An der hinteren Stufe des Robust-Stabilisationskompensierteils 103D ist über eine Klemmschaltung 103E ein Phasenkompensationsteil 103E angeordnet. Über eine Klemmschaltung 103G ist daran ein Robust-Stabilisationskompensierteil 103H angeschlossen.
25 zeigt die Kennlinie des Robust-Stabilisationskompensierteil 103H, 26 zeigt die Gesamtkennlinie des Steuersystems. 27 zeigt eine Kennlinie des mechanischen Systems. Insgesamt werden die Spitze und das Tal ausgelöscht, und man erhält eine im wesentlichen flache Kennlinie.
Um außerdem erfindungsgemäß das Hochfahren ausgehend von einem Motor-Ausgangsmoment von Null durch Addieren zu verbessern, erscheint kein Strom als Motor-Ausgangssignal, auch dann nicht, wenn Motorstromflüsse eingestellt sind, was einer Abstimmung des Mittengefühls entspricht. Zu diesem Zweck wird ein Kompensationswert hinzugefügt, der das gleiche Vorzeichen besitzt wie das Ausgangssignal der Drehmomentsteuerberechnung. Der Kompensationswert wird basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit in vier Stufen umgeschaltet.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben erläutert wurde, wird erfindungsgemäß eine angestrebte komplementäre Empfindlichkeitsfunktion aus der Fahrbahnoberflächen-Information gewonnen, und das mechanische System sowie das Stromsteuersystem werden basierend auf dieser komplementären Empfindlichkeitsfunktion ausgestalte. Daher ist es möglich, ein unnatürliches Lenkgefühl zu unterbinden und ein komfortables Lenkgefühl zu erreichen.

Claims

Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung, die einen Motor steuert, um auf einen Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft zu geben, basierend auf einerseits einem Stromsteuerwert, der aus einem Lenkhilfe-Sollwert berechnet wird, der seinerseits von einer Recheneinheit basierend auf dem in der Lenkwelle erzeugten Lenkmoment berechnet wird, und einem Stromwert des Motors andererseits, dadurch gekennzeichnet, dass eine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion bezüglich einer Frequenz in einem Band, in dem eine zu unterdrückende Störung vorhanden ist, auf einen Wert eingestellt wird, welcher an "1" angenähert ist, und in einem Band, in welchem eine zu übertragende Störung existiert, auf einen Wert eingestellt wird, der sich an "0" annähert.
Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, bei der ein Eigenwert der Servolenkung, ein Eigenwert der Aufhängung und ein Vibrationsbereich sowie ein Bereich von Motor-Drehmomentschwankungen in dem Band enthalten sind, in welchem die zu unterdrückende Störung vorliegt.
Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung nach Anspruch 2, bei der der Eigenwert der Servolenkung auf 10 bis 13 Hz, der Eigenwert der Aufhängung auf 13 bis 17 Hz, der Bereich der Vibrationen auf 15 bis 25 Hz und der Bereich von Motordrehmoment-Schwankungen auf 15 bis 30 Hz eingestellt wird.
Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die komplementäre Empfindlichkeitsfunktion gewonnen wird durch eine Ausgestaltung eines mechanischen Steuersystems und eines elektrischen Steuersystems.
Steuereinheit für eine elektrische Servolenkung nach Anspruch 4, bei der das mechanische Steuersystem erhalten wird aus Ausgestaltungen eines Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus vom Walzentyp, eines Gummidämpfers, eines Motor-Untersetzungsgetriebemechanismus, und eines kontaktlosen Drehmomentsensors.