DE102004001764B4

DE102004001764B4 - Ausgleich der Reibung in einem Lenksystem eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102004001764B4
Application number: DE102004001764A
Authority: DE
Inventors: Yixin Ann Arbor Yao; Behrouz Northville Ashrafi; Ann Hayes Southfield Larsen
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2004-01-12
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: US6901320B2; DE102004001764A1; US20040138797A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems (10) in einem Fahrzeug, das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
– Festlegen eines bestimmten Lenkwertes für die Richtung von mindestens einem Vorderrad (z. B. 26a), welches mindestens eine Vorderrad (z. B. 26a) sich in einer Anordnung der Vorderräder (26a, 26b) befindet;
– Senden eines Signals, das dem bestimmten Lenkwert entspricht, an das System der Vorderräder (26a, 26b), das mindestens ein Motor-Stellglied (24a, 24b) aufweist;
– Festlegen eines Drehmoment-Regelwertes für das Motor-Stellglied (24a, 24b) durch einen Regelalgorithmus;
– Festlegen eines Wertes für den Reibungsausgleich;
– Kompensieren des bestimmten Lenkwertes, der durch mechanische Reibung beeinträchtigt ist, mit dem Wert des Reibungsausgleichs; und
– Betätigen der Vorderräder (26a, 26b) in Abhängigkeit von dem bestimmten Lenkwert,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem Verfahren mit Regelung des Störmoments durch Beobachtung festgelegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des einzigen Anspruchs. Ein derartiges Verfahren ist aus US 6 250 419 B1 bekannt.
In einem elektronischen Lenksystem arbeitet ein Motor-Stellglied, das mit den Vorderrädern verbunden ist, und auf einen Regelbefehl reagiert, der von einem Regler der Vorderräder erzeugt wird. Der Regler der Vorderräder empfängt verschiedene, gemessene und bewertete, Signale wie: Winkel des Lenkrades, Winkel der Vorderräder und Geschwindigkeit des Fahrzeugs und sendet einen Regelbefehl an das Stellglied, um die Vorderräder dem Lenkbefehl folgen zu lassen. In einem elektronischen Lenksystem gibt es keine mechanische Verbindung zwischen dem Stellsystem der Vorderräder und dem Lenkrad, obwohl beide Vorderräder mechanisch miteinander verbunden sein können, um sich synchron zu bewegen.
Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, ein elektronisches Lenksystem anzuwenden, in dem die beiden Vorderräder unabhängig voneinander gelenkt werden. Bei dieser Art des elektronischen Lenksystems sind die beiden Vorderräder nicht mechanisch miteinander verbunden. Stattdessen bewegen zwei unabhängige Stellglieder die beiden Vorderräder unabhängig.
Der Lenkmechanismus der Vorderräder eines elektronischen Lenksystems ist ein elektromechanisches System, er wird angetrieben von Elektromotoren und unterliegt dem Einfluss von Reibung, in der Form einer Kraft oder eines Drehmoments. Ein typisches elektronisches Lenksystem umfasst zum Beispiel zwei Vorderräder, jedes wird über eine Kugelumlaufspindel von einem bürstenlosen DC Motor angetrieben. In einem solchen System gibt es viele Reibungsquellen, einschließlich: der Lager der Kugelumlaufspindel, der Schnittstelle zwischen der Spindel und einer Spurstange sowie der Belastung und der seitlichen Belastung durch die Vorderräder. Die gesamte Reibung, die das elektronische Lenksystem erfährt, ist die Summe der jeweiligen Reibungen, die im System vorhanden sind. Die resultierende Reibung ist in hohem Maß nicht-linear und kann die Leistungsfähigkeit des Regel-Lenksystems negativ beeinflussen, was zu bleibender Regelabweichung, Grenzzyklen und ruckendem Gleiten führt. Daraus ergibt sich, dass die Vorderräder nicht exakt dem geforderten Befehl des Lenkrades folgen können.
Die Reibung muss deshalb ausgeglichen werden, um sicher zu stellen, dass die Vorderräder dem Eingangs-Befehl vom Lenkrad folgen, speziell bei Eingängen mit langsamem Lenkverhältnis. Obwohl die Reibung, die am Motor-Stellglied wirkt, durch verbesserte Gestaltung der Mechanik verringert werden kann, gibt es jedoch bei dieser Lösung Einschränkungen bezüglich Kosten und verfügbarem bzw. beanspruchtem Raum.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, das Festlegen des Wertes für den Reibungsausgleich zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach dem Anspruch.
In einem elektronischen Lenksystem erzeugt ein Kompensator der Reibung ein Drehmoment zum Reibungsausgleich, in gleicher Größe und entgegengesetzt dem unmittelbaren Reibmoment. Dieses Drehmoment zum Reibungsausgleich wird zu dem Regelsignal des Systems addiert, um die Reibungseffekte, die im System vorhanden sind, auszugleichen.
Obwohl die vorliegende Erfindung den Reibungsausgleich in einem elektronischen Lenksystem mit zwei unabhängigen, von Stellgliedern angetriebenen, Vorderrädern beschreibt, ist sie nicht auf ein solches Lenksystem beschränkt. Die gegenwärtige Erfindung kann auf jedes elektronische oder elektromechanische Lenksystem angepasst werden.
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Lenksystems,
2 eine schematische Darstellung des Mechanismus des Vorderrades, einschließlich eines Stellgliedes mit Kugelumlaufspindel, und seine Anordnung in einem elektronischen Lenksystem,
3 ein Diagramm für den Zusammenhang zwischen der Stromaufnahme des Motors und der Bewegung des Stellgliedes des Vorderrades, ohne Reibungsausgleich und Regelung,
4 ein Diagramm für eine typische statische Reibung, mit Coulomb-Reibung und viskoser Reibung,
5 ein Blockdiagramm einer Regelstrecke des Vorderrades mit nichtlinearer Darstellung der Reibung, und
6 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch Regelung des Störmoments durch Beobachtung (DTO).
Das elektronische Lenksystem 10 setzt sich, gemäß seiner bevorzugten Realisierung, wie sie in 1 dargestellt ist, aus einem Regelsystem 11 des Lenkrades und einem Regelsystem 19 der Vorderräder zusammen. Das Regelsystem 11 des Lenkrades weist ein Lenkrad 12 auf, das an einer Lenksäule 13 drehbar angeordnet ist. Ein Winkelsensor 14 und ein Motor-Stellglied 16 des Lenkrades sind auf der Lenksäule 13 montiert und elektrisch mit einer Regeleinheit 18 des Lenkrades verbunden. Ein Verstärker 17 des Lenkradmotors dient zum Ansteuern des Motor-Stellgliedes 16.
Das Regelsystem 19 der Vorderräder weist zwei Vorderräder 26a, 26b auf, die mechanisch über die Spurstangen 25a, 25b mit den (voneinander) unabhängigen Stellgliedern 24a, 24b der Vorderräder 26a, 26b verbunden sind. Das Regelsystem der Vorderräder 26a, 26b umfasst ebenfalls, zur Messung des Lenkwinkels der jeweiligen Vorderräder 26a, 26b, zwei Winkelsensoren 22a, 22b. Die Stellglieder 24a, 24b der Vorderräder und die Winkelsensoren 22a, 22b der Vorderräder sind elektrisch mit einer Regeleinheit 20 der Vorderräder verbunden. Zwei Verstärker 23a, 23b treiben die Motor-Stellglieder 24a, 24b.
Das elektronische Lenksystem 10 arbeitet durch abgestimmte Regelung der Regeleinheit 18 des Lenkrades 18 und der Regeleinheit der Vorderräder 20. Die Regeleinheit des Lenkrades empfängt Signale vom Winkelsensor 14 des Lenkrades, die den Winkelpositionen des Lenkrades 12 entsprechen, und Signale von der Regeleinheit 20 der Vorderräder, die zumindest die entsprechenden Winkelpositionen und Fahrmomente der Vorderräder 26a, 26b wiedergeben. Die Regeleinheit 18 des Lenkrades 12 verarbeitet die Eingangsdaten, basierend auf einem geeigneten Regel-Algorithmus des Lenkrades, und erzeugt ein Ausgangssignal für das Stellglied 16 des Lenkrades, um das Reaktions-Drehmoment am Lenkrad 12 zu regeln.
Die Regeleinheit 20 der Vorderräder empfängt ein Signal von der Regeleinheit 18 des Lenkrades, das einem geforderten Winkel des Lenkrades zugeordnet ist, sowie Signale, die mindestens den Winkelposition der Vorderräder 26a und 26b, durch die Winkelsensoren der Vorderräder 22a und 22b, entsprechen. Die Regeleinheit 20 der Vorderräder verarbeitet die Eingangsdaten, basierend auf einem geeigneten Regel-Algorithmus der Vorderräder, und erzeugt Ausgangssignale an die (voneinander) unabhängigen Stellglieder 24a und 24b der Vorderräder, um die Abweichung der Vorderräder 26a und 26b zu regeln.
Die Hauptaufgaben des Regelsystems 11 des Lenkrades sind, einen Winkelbefehl der Lenkrichtung zur Verfügung zu stellen und ein vertrautes Lenkgefühl, durch Regelung des Reaktions-Drehmoments am Lenkrad 12, zu erzeugen. Die Hauptaufgabe des Regelsystems 19 der Vorderräder ist es, sicher zu stellen, dass die Winkelposition der Vorderräder in Gleichlauf mit dem Winkelbefehl der Richtung, wie sie vom Regelsystem des Lenkrades 11 erzeugt wird, ist. Das Regelsystem 11 des Lenkrades und das Regelsystem 19 der Vorderräder sind durch die Regeleinheit 18 des Lenkrades und die Regeleinheit 20 der Vorderräder zu einem elektronischen Lenksystem 10 integriert.
2 zeigt schematisch den Mechanismus des Vorderrades als Teil des Regelsystems 19 der Vorderräder. Der Mechanismus des Vorderrades umfasst eine Kugelumlaufspindel und ihre Anordnung als Stellorgan. Das Vorderrad 26 ist über die Spurstange 25 mit der Kugelumlaufspindel 32 verbunden. Die Bewegung der Kugelumlaufspindel 32 wird durch einen Satz Stützlager 30 erleichtert und durch eine Mutter 28 bestimmt. Das Stellglied des Vorderrades 24 bewegt die Kugelumlaufspindel 32 lateral, wodurch das Vorderrad 26, über die Spurstange 25, gedreht wird. In einer bevorzugten Realisierung ist das Stellglied des Vorderrades 24 ein bürstenloser Gleichspannungsmotor. Der Mechanismus der Kugelumlaufspindel 32 und der Satz Stützlager 30 wandeln die Drehung des bürstenlosen Motors in die seitliche Bewegung des Vorderrades um.
Wie dargestellt, empfängt das Stellglied 24 des Vorderrades Regelsignale von der Regeleinheit 20 der Vorderräder. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem aufgenommenen Motorstrom, gemessen in Ampere, und der Abweichung des Vorderrades, gemessen in Millimetern, ohne jeden Reibungsausgleich und ohne Regelung der Winkelposition des Vorderrades. Dies ist das experimentelle Ergebnis des typischen ruckenden Gleitens des Vorderrad-Mechanismus, dargestellt in 2. Es ist offensichtlich, dass die Beziehung zwischen dem aufgenommenen Motorstrom und der Abweichung des Vorderrades in hohem Maß nicht-linear ist. Diese Nicht-Linearität wird hauptsächlich durch die mechanische Reibung im Lenkmechanismus 32 (in der Kugelumlaufspindel 32) des Vorderräder-Regelsystems 19 verursacht, wie in 2 dargestellt. In einem typischen Mechanismus der Vorderräder kann das Reibmoment bis zu 30% des nominalen Betätigungs-Drehmoments erreichen.
Um die Betätigung der Vorderräder im elektronischen Lenksystem nach 1 zu realisieren, wird ein Regelsystem, welches die Signale der Winkelpositionen von den Winkelsensoren 22a und 22b der Vorderräder als Rückkopplung verwendet, benutzt, um die Vorderräder in Gleichlauf mit dem Eingangsbefehl des Lenkrades zu bringen. Die in dem System vorhandene Reibung kann jedoch unerwartete bleibende Regelabweichungen, ruckelndes Gleiten, Grenzzyklen und insgesamt schlechte Leistungsfähigkeit des Systems verursachen. Obwohl es möglich ist, die mechanischen Komponenten entsprechend umzugestalten, um das Reibmoment, das an den Stellgliedern der Vorderräder 24a, 24b wirkt, zu verringern, wird dieser Ansatz in einer Kostenzunahme und größeren Beschränkung des (verfügbaren) Raums führen.
Im Allgemeinen kann die Reibung durch statische oder dynamische Modelle beschrieben werden. 4 ist eine grafische Darstellung eines bevorzugten Reibungsmodells, das eine statische Reibung, plus einer Coulomb-Reibung (Trockenreibung), und eine viskose Reibung umfasst. Das Reibungsmodell wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
wobei T_c die absolute Größe des coulombschen Reibmoments ist, b der viskose Reibungs-Koeffizient ist, T_s die absolute Größe des statischen Moments (Losbrechmoment) ist, ω die Winkelgeschwindigkeit der Motorstellglieder der Vorderräder 24a, 24b ist und T_e das externe Eingangsmoment ist. Die Funktion sgn(x) ist die Signumfunktion. Für einen Wert von x ungleich 0 erzeugt die Signumfunktion bei einem Wert eines negativen x einen Wert für eine negative 1 und bei einem Wert eines positiven x einen Wert für eine positive 1.
Die Coulomb-Reibung (Trockenreibung) ist die Reibung, die sich der Bewegung widersetzt und nicht von Geschwindigkeit und Kontaktfläche abhängig ist. Das viskose Reibmoment wird durch die Viskosität des Schmiermittels verursacht. Diese beiden Reibmomente werden in der ersten Reihe der Gleichung (1) beschrieben, wobei:
T_cl = T_c sgn(ω)
die Coulomb-Reibung und
T_v = bω
die viskose Reibung darstellt. Die statische Reibung ist die Reibung bei der Geschwindigkeit 0 und ist eine Funktion der externen Kraft. Sie wird in Gleichung (1) beschrieben als: Te für |Te| < Ts und Ts sgn < Te für |Te| ≥ Ts wenn die Geschwindigkeit v = 0 ist, wobei T_e die von außen angelegte Kraft und T_s eine statische Reibkraft (Losbrechkraft) ist.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer Regelstrecke 44 des Vorderrades mit nicht-linearer Darstellung der Reibung. 5 zeigt als Blockdiagramm die Beschreibung der Regelstrecke des Vorderrades, einschließlich der Basiskomponenten des Vorderrad-Mechanismus, im elektronischen Lenksystem 10. Ein Verstärker (für das Motor-Stellglied) 36 empfängt das Regelsignal u_c und steuert das Motor-Stellglied an, um das Drehmoment t_e zu erzeugen. Das Motor-Stellglied und seine Komponenten 38 erzeugen am Ausgang, unter der Einwirkung des Eingangsmoments τ_e und des Reibmoments τ_f, die Winkelgeschwindigkeit ω und die Abweichung Θ. Der Integrator 40 stellt die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Abweichung dar und wandelt die Winkelgeschwindigkeit ω in die Winkelabweichung Θ um. Die Reibung wird dargestellt als eine Rückkopplungs-Einheit 42, gemäß dem mathematischen Modell, beschrieben in Gleichung (1). Ist das Reibmoment τ_f = 0, wird das Eingangsmoment τ_e durch das Reibmoment nicht beeinflusst und wird, für das Motor-Stellglied der Regelstrecke des Vorderrades, vollständig zum effektiven Drehmoment, wie in 5 dargestellt.
Dynamische Modelle der Reibung, die in der Regelstrecke der Vorderräder vorhanden ist, können in der Absicht entwickelt werden, die Reibungs-Phänomene bei niedrigen Geschwindigkeiten besser vorher zu sagen. Die dynamischen Modelle werden oft als zustandsvariable Modelle bezeichnet. Die Idee ist, zusätzliche Zustandsvariable (oder innere Zustände) einzuführen, die den Grad der Reibung, zusätzlich zur Geschwindigkeit, bestimmen. Die zeitliche Änderung und Entwicklung der Zustandsvariablen wird durch einen Satz Differentialgleichungen bestimmt. Das Reibungsmodell nach LuGre, als ein Beispiel eines dynamischen Modells, versucht, das Reibungsphänomen des ruckenden Gleitens bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erfassen. Dieses dynamische Modell zeigt die Möglichkeit, die Effekte bei niedriger Geschwindigkeit zu erfassen.
Die Reibung ist theoretisch eine kontinuierliche Funktion der Zeit. Die Modelle der Zustandsvariablen, wie das LuGre-Modell, werden im Allgemeinen die Reibung in Systemen, die bei einer sehr niedrigen Geschwindigkeit, oder bei 0, arbeiten, genauer ausgleichen. In der Praxis ist eines der Hauptprobleme bei diesen Modellen, dass die Zustände nicht messbar sind. Als eine Konsequenz basiert der Reibungsausgleich auf diskontinuierlichen und statischen Modellen.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch Regelung des Störmoments durch Beobachtung (DTO). Der Beobachter der Störung ist ausgelegt, ein unbekanntes Drehmoment durch Verwenden einer Invertierung des dynamischen Modells des Vorderrades und eines Tiefpasses zu bewerten. Wie in 6 dargestellt, besteht die DTO aus einem inversen nominalen Modell 1/G(s) 58 der Regelstrecke des Vorderrades 44 und einem Tiefpass Q(s) 60. Der Ausgang τ_fo dieser DTO ist eine Bewertung des störenden Reibmoments τ_f. Dieses bewertete Moment wird zum Regelsignal u_c addiert, um die nicht-lineare Reibung τ_f auszugleichen.
Wie oben erwähnt, sind der Regler der Positions-Regelschleife C(s) 54 und der Kompensator der Geschwindigkeits-Regelschleife Cr(s) 56, dargestellt in 6, entsprechend gestaltet, basierend auf den Anforderungen des Regelsystems an Stabilität und Leistungsfähigkeit. Der nicht-lineare Reibungsausgleich kann durch Verwenden der Beobachtung des Störmoments die Reibungseffekte überwinden, um die geforderten Ziele der Leistungsfähigkeit des Regelsystems zu erreichen.

Claims

Ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems (10) in einem Fahrzeug, das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: – Festlegen eines bestimmten Lenkwertes für die Richtung von mindestens einem Vorderrad (z. B. 26a), welches mindestens eine Vorderrad (z. B. 26a) sich in einer Anordnung der Vorderräder (26a, 26b) befindet; – Senden eines Signals, das dem bestimmten Lenkwert entspricht, an das System der Vorderräder (26a, 26b), das mindestens ein Motor-Stellglied (24a, 24b) aufweist; – Festlegen eines Drehmoment-Regelwertes für das Motor-Stellglied (24a, 24b) durch einen Regelalgorithmus; – Festlegen eines Wertes für den Reibungsausgleich; – Kompensieren des bestimmten Lenkwertes, der durch mechanische Reibung beeinträchtigt ist, mit dem Wert des Reibungsausgleichs; und – Betätigen der Vorderräder (26a, 26b) in Abhängigkeit von dem bestimmten Lenkwert, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem Verfahren mit Regelung des Störmoments durch Beobachtung festgelegt wird.