DE102004021951A1

DE102004021951A1 - Verfahren zur Kompensation der Reibung in einer elektromagnetischen Lenkung

Info

Publication number: DE102004021951A1
Application number: DE200410021951
Authority: DE
Inventors: Olaf Kwasny; Holger Dr.-Ing. Manz; Nikolaus Wahnschaffe
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kompensation der Reibung ineiner elektromechanischen Lenkung wird die Drehrichtung eines ein Hilfsmoment erzeugenden elektrischen Motors erfasst. Bei Feststellung einer Drehbewegung wird unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein zusätzliches Moment (M¶K¶) zur Reibungskompensation ausgelöst, derart, dass das Kompensationsmoment (M¶K¶) während der Bewegung des Motors kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert (M¶Kmax+¶) erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts (M¶Kmax-¶) mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation der Reibung in einer elektromechanischen Lenkung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine elektromechanische Lenkung mit einem elektrischen Motor zur Erzeugung eines Hilfsmoments, die sich besonders zur Durchführung des Verfahrens eignet.

Elektromechanische Lenkungen weisen eine systemimmanente Reibung auf, die aus der Anbindung des elektrischen Motors und eines im Regelfall an diesen angekoppelten Untersetzungsgetriebes resultiert. Diese Reibung beeinträchtigt das Lenkgefühl. Je nach Ausmaß der Reibung fühlt sich die Lenkung taub an. Zudem verschwimmt das Center-Point-Feeling, das sich normalerweise dann einstellt, wenn das von Fahrer aufzubringende Moment aus der Mittelstellung heraus anwächst.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Reibung an einer elektromechanischen Lenkung zu erfassen. Hierzu wird in der DE 102 06 474 A1 vorgeschlagen, während des Fahrbetriebs die Zustandswerte des Lenkwinkels, des Lenkmoments, und der Fahrzeuggeschwindigkeit zu messen, aus den gemessenen Zustandswerten nach einer vorgegebenen Filterregel definierte Ereignisse auszuwählen und die Reibung als das Verhältnis der Summe der Lenkwinkelabsolutwerte der ausgewählten Ereignisse zu der Anzahl der Ereignisse zu bestimmen. Die ermittelten Reibungswerte dienen in der DE 102 06 474 A1 jedoch lediglich dazu, die Funktionsfähigkeit der Lenkung zu überwachen. Eine Kompensation der Reibung wird dort nicht beschrieben.

Hingegen ist aus der DE 199 20 975 A1 eine elektromechanische Lenkung bekannt, bei der die Haftreibung geschätzt und auf der Grundlage der Schätzung eine Kompensation vorgenommen wird. Zudem offenbart die DE 199 20 975 A1 , die dynamische Reibung auf der Grundlage der Winkelgeschwindigkeit oder der Winkelbeschleunigung des elektrischen Motors oder der Lenkung zu kompensieren. Wie dies konkret erfolgen soll, bleibt jedoch unklar.

Weiterhin offenbart die DE 100 25 481 A1 eine elektromechanische Lenkung, bei der der elektrische Motor stets mit einem Mindeststrom beaufschlagt wird, dessen Niveau geringfügig kleiner ist, als für die Überwindung der Reibung und Trägheit des Elektromotors benötigt wird. Hierdurch soll sich ein promptes Ansprechverhalten auf einen Lenkwunsch des Fahrers realisieren lassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Lenkgefühl weiter zu verbessern und die Abstimmbarkeit zu erleichtern. Insbesondere soll die Abstimmbarkeit des Mittengefühls verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Kompensation der Reibung in einer elektromechanischen Lenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird bei diesem die Drehrichtung eines ein Hilfsmoment erzeugenden elektrischen Motors erfasst und bei Feststellung einer Drehbewegung unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein zusätzliches Moment zur Reibungskompensation ausgelöst, und zwar derart, dass das Kompensationsmoment während der Bewegung des Motors kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.

Die Systemreibung wird so mittels eines aufgeschalteten Motormoments kompensiert. Kontinuierliche Kennlinien zwischen den Grenzwerten des Kompensationsmoments für beide Drehrichtungen sorgen für ein verbessertes Lenkgefühl und vermeiden Überempfindlichkeiten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der lenkmomentunabhängigen Kompensation der Reibung. Vielmehr spiegelt das Kompensationsmoment das tatsächliche Bewegungsverhalten des elektrischen Motors und des zugehörigen Getriebes wieder.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zur Überwindung der Haftreibung der Elektromotor bei einer Bewegung aus dem Stillstand mit einem Stromimpuls beaufschlagt werden. Sobald der Motor dreht, wird die Lenkung nach dem obengenannten Verfahren betrieben.

Weiterhin können die aus der DE 102 06 474 A1 bekannten Reibungswerte zur Einstellung der Grenzwerte und/oder des Kennlinienverlaufs zwischen den Grenzwerten herangezogen werden. Insoweit wird der Offenbarungsgehalt der DE 102 06 474 A1 hier miteinbezogen. So können beispielsweise während des Fahrbetriebs aus Zustandsgrößen des Fahrzeugs wie dem Lenkwinkel, dem Lenkmoment und der Fahrgeschwindigkeit Reibungswerte errechnet und die Grenzwerte und/oder die Kennlinie des Kompensationsmoments in Abhängigkeit der ermittelten Reibungswerte eingestellt werden. Hierdurch wird eine gute Anpassung an sich verändernde Rahmenbedingungen erzielt.

Alternativ oder ergänzend können für die Einstellung der Grenzwerte und/oder des Kennlinienverlaufs auch die Temperatur, die Drehzahl des Elektromotors und/oder das Hilfsmoment des Elektromotors berücksichtigt werden.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine elektromechanische Lenkung mit einem elektrischen Motor zur Erzeugung eines Hilfsmoments, einer Einrichtung zur Erfassung der Drehrichtung des elektrischen Motors, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Motors, in welcher bei Feststellung einer Drehbewegung des elektrischen Motors unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein Signal für ein zusätzliches Moment zur Reibungskompensation ausgelöst wird, derart, dass das Kompensationsmoment während der Bewegung des Motors kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Lenkung nach der Erfindung,
2 ein erstes Beispiel für eine Kennlinie des Kompensationsmoments M_K,
3 ein zweites Beispiel für eine Kennlinie des Kompensationsmoments M_K, und in
4 den Verlauf des Kompensationsmoments M_K und des Rotorwinkels α des elektrischen Motors für einen Lenkvorgang mit wechselnder Drehrichtung.
1 zeigt beispielhaft zeigt eine elektromechanische Lenkung 1 für ein Kraftfahrzeug. Diese umfaßt ein Lenkrad 2, das über eine Lenksäule 3 mit einem Lenkgetriebe 4 mechanisch gekoppelt ist. Von dem Lenkgetriebe 4 erstreckt sich ein Lenkgestänge 5 zu den Fahrzeugrädern 6, so dass eine an dem Lenkrad 2 manuell eingebrachte Drehbewegung in eine Lenkbewegung an den Fahrzeugrädern 6 umgesetzt wird.
Weiterhin umfaßt die Lenkung 1 einen elektrischen Motor 7 zur Unterstützung eines manuell eingebrachten Lenkmoments. Der elektrische Motor 7 wird über eine Steuereinrichtung 8 angesteuert, die ein Hilfsmoment zur Lenkunterstützung bestimmt. Dazu wertet die Steuereinrichtung 8 geeignete Fahrzeugparameter aus. In dem hier dargestellten Beispiel erhält diese unter anderem ein die Fahrzeuggeschwindigkeit charakterisierendes Signal v eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 9 sowie weitere, den Lenkwinkel und das Lenkmoment repräsentierende Signale φ und T aus einer der Lenksäule 3 oder gegebenenfalls dem Lenkgestänge 5 zugeordneten Sensoranordnung 10. Über die Sensoranordnung 10 kann überdies zusätzlich die Lenkwinkelgeschwindigkeit ω erfaßt werden. Diese läßt sich jedoch auch in der Steuereinrichtung 8 aus der Erfassung des Lenkwinkels φ ableiten. In gleicher Weise stehen in der Steuereinrichtung 8 der Winkel α des Rotors des elektrischen Motors 7 und/oder die zugehörige Winkelgeschwindigkeit ∂α/∂t zur Verfügung. Die Signale werden während des Fahrbetriebs kontinuierlich oder auch taktweise erfaßt.
Zur Kompensation der Reibung der Lenkung wird die Rotorbewegung des elektrischen Motors 7 in der Steuereinrichtung 8 ausgewertet, um unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein zusätzliches Moment M_K zur Reibungskompensation am Motor 7 zu veranlassen. Ein erstes Beispiel für eine entsprechende Kennlinie ist in 2 dargestellt. Bei Feststellung einer Bewegung des elektrischen Motors 7 wird das Kompensationsmoment M_K während der Bewegung des Motors 7 kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert M_Kmax+ erhöht. Nach Erreichen des Grenzwerts M_Kmax+ wird das maximale Kompensationsmoment M_K solange aufrechterhalten, bis sich die Drehrichtung des Motors 7 umgekehrt.
Bei einer Umkehrung der Drehrichtung des Motors 7 wird das bestehende Kompensationsmoment M_K zunächst kontinuierlich abgebaut und anschließend ein Kompensationsmoment M_K in umgekehrter Drehrichtung aufgebaut. Auch hier wird nach Erreichen eines vorgegebenen Grenzwerts M_Kmax–, der dem erstgenannten Grenzwert M_Kmax+ entspricht, jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist, das maximale Kompensationsmoment M_K solange aufrechterhalten, bis eine erneute Drehrichtungsumkehr des Motors 7 erfolgt.
Der Verlauf der Kennlinie des Kompensationsmoments M_K zwischen den Grenzwerten M_Kmax+ und M_Kmax– ist in 2 als eine lineare Funktion dargestellt. Jedoch kann der Verlauf im Prinzip beliebig in kontinuierlicher Weise erfolgen. So lassen sich beispielsweise temperaturabhängige, drehzahlabhängige und/oder lastabhängige Reibungseinflüsse im Kennlinienverlauf und/oder bei den Grenzwerten M_Kmax+ und M_Kmax– berücksichtigen.
4 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Kompensationsmoments M_K parallel zum dem Rotorwinkel α des elektrischen Motors 7. Zum Zeitpunkt t₀ wird eine Drehbewegung des Rotors festgestellt. Dementsprechend wird über die Steuereinrichtung 8 ein Kompensationsmoment M_K veranlasst, das bis zum Zeitpunkt t₁ kontinuierlich ansteigt und dort den Grenzwert M_Kmax+ erreicht. Bei der Lenkbewegung bis zum Zeitpunkt t₂ bleibt das Kompensationsmoment M_K auf dem Niveau des Grenzwerts M_Kmax+. Mit der zum Zeitpunkt t₂ einsetzenden Umkehrung der Drehbewegung erfolgt eine kontinuierliche Verminderung des Kompensationmoments M_K, bis schließlich zum Zeitpunkt t₄ der Grenzwert M_Kmax– mit umgekehrtem Vorzeichen erreicht ist. Dessen Niveau wird bis zu einer erneuten Drehrichtungsumkehr zum Zeitpunkt t₅ aufrechterhalten.
Wie in 3 beispielhaft gezeigt ist, kann die Kennlinie des Kompensationsmoments M_K zwischen den Grenzwerten M_Kmax+ und M_Kmax– auch eine Hysterese aufweisen. Dabei kann der Aufbau des Kompensationsmoments M_K von einer Nullstellung bis zu einem Grenzwert M_Kmax+ bzw. M_Kmax– schneller erfolgen, als der Abbau von dem jeweiligen Grenzwert zurück in die Nullstellung.
Falls der elektrische Motor 7 eine hohe Haftreibung aufweist, kann dieser bei einer Bewegung aus dem Stillstand mit einem Stromimpuls beaufschlagt werden. Dies wird in der Steuereinrichtung 8 beispielsweise anhand des am Lenkrad 2 anliegenden Lenkmoments sowie des Bewegungszustands des elektrischen Motors 7 ermittelt. Die Steuereinrichtung 8 generiert dann ein Signal s zur Erzeugung eines Momentenimpulses. Durch diesen Momentenimpuls wird lediglich der Rotor in Bewegung versetzt. Im Weiteren erfolgt die Bestimmung des Kompensationsmoments M_K in der oben erläuterten Art und Weise.
Die Applikationsdaten für die Grenzwerte M_Kmax+ und M_Kmax– und den Kennlinienverlauf werden bei der Abstimmung des Fahrzeugs in der Steuereinrichtung 8 abgespeichert. Es ist jedoch auch möglich, im Rahmen eines adaptiven Systems die Grenzwerte M_Kmax+ und M_Kmax– und/oder den Kennlinienverlauf durch die Auswertung von statistischen Reibungswerten während des Fahrbetriebs anzupassen, um so das Lenkgefühl noch feiner an sich verändernde Reibungseinflüsse anzupassen.
Für die Bestimmung der Reibungswerte weist die Lenkvorrichtung 1 eine Auswerteinrichtung 11 auf, in der ausgewählte Datensätze aus verschiedenen Signalen in nachfolgend erläuterter Art und Weise verarbeitet werden. Während des Fahrbetriebs werden die aktuellen Zustandswerte des Lenkwinkels φ, des Lenkmoments T, der Fahrzeuggeschwindigkeit v und in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich auch der Lenkwinkelgeschwindigkeit ω für einen bestimmten Zeitpunkt festgehalten und zu einem Datensatz zusammengefaßt. Dieser Datensatz wird über einen Auswahlfilter 12 zu der Auswerteinrichtung 11 gesendet. Über den Filter werden solche Ereignisse ausgewählt, die für die Bestimmung des Zustands der Lenkvorrichtung 1 aussagekräftig sind. Deren Auswertung erfolgt dahingehend, daß aus den Absolutwerten der Lenkwinkel φ der ausgewählten Ereignisse die Summe gebildet wird. Diese Summe wird zu der Anzahl der ausgewählten Ereignisse in Beziehung gesetzt. Die hieraus resultierende Kenngröße stellt ein Maß für die Reibung bzw. den Widerstand der Lenkvorrichtung 1 dar. So kann beispielsweise durch Quotientenbildung aus der Summe und der Ereignisanzahl ein Reibungswert definiert werden. Für die Ermittlung des Reibungswertes werden die ausgewählten Datensätze z. B. in einen Speicher geschrieben, der eine vorgegebene Anzahl von Speicherplätzen aufweist. Sind sämtliche Speicherplätze belegt, so wird stets der älteste Datensatz durch den jüngsten Datensatz überschrieben, wodurch kontinuierlich eine definierte Anzahl der jüngsten auswertungsrelevanten Ereignisse zur Verfügung steht.
Möglich ist jedoch auch eine zeitliche Taktung der Erstellung der auszuwertenden Ereignismenge. Dazu kann zum Beispiel nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums eine neue Ereignismenge angelegt und zur Darstellung des Reibungsverhältnisses ausgewertet werden.
In beiden Fällen kann nach einem Abschalten des Fahrzeugs der aktuelle Datenbestand aufrechterhalten und bei der erneuten Aufnahme des Fahrbetriebs berücksichtigt werden. Möglich ist es jedoch auch, die Erzeugung der Ereignismenge mit jeder Aufnahme des Fahrbetriebs neu zu starten.
In dem Ausführungsbeispiel berücksichtigt der Auswahlfilter 12 die Größen Fahrzeuggeschwindigkeit v, Lenkmoment T und Lenkwinkelgeschwindigkeit ω. Ein Datensatz aus Zustandswerten wird lediglich dann bei der Auswertung berücksichtigt, wenn kumulativ folgende Bedingungen vorliegen:

– die Fahrzeuggeschwindigkeit v liegt zwischen Schrittgeschwindigkeit und einer langsamen Fahrgeschwindigkeit,
– das Lenkmoment T liegt in einem vorgegebenen Bereich um den Momentennullpunkt, und
– die Lenkwinkelgeschwindigkeit ω beträgt 100° bis 300°/s.

Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine elektromechanische Lenkung 1, ist jedoch problemlos auf eine rein elektrische Lenkung übertragbar, bei der eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad 2 und den Fahrzeugrädern 6 nicht mehr gegeben ist. Die Erzeugung der Lenkmomente erfolgt dann allein über den Motor 7. Überdies können die Steuereinrichtung 8, die Auswerteinrichtung 11 und der Auswahlfilter 12 zu einer Einheit zusammengefaßt sein. Unter einer Auswerteinrichtung 11 sowie einem Auswahlfilter 12 sind auch rein softwaretechnischer Realisierungen zu verstehen, die in dafür geeigneten Medien implementiert sind.

1: Lenkung
2: Lenkrad
3: Lenksäule
4: Lenkgetriebe
5: Lenkgestänge
6: Fahrzeugrad
7: elektrischer Motor
8: Steuereinrichtung
9: Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
10: Sensoranordnung
11: Auswerteinrichtung
12: Auswahlfilter
α: Rotorwinkel des elektrischen Motors 7
φ: Lenkwinkel
ω: Lenkwinkelgeschwindigkeit
M_K: Kompensationsmoment
M_Kmax+: Grenzwert
M_Kmax–: Grenzwert
T: Lenkmoment
t_i: Zeitpunkt
v: Fahrzeuggeschwindigkeit

Claims

Verfahren zur Kompensation der Reibung in einer elektromechanischen Lenkung (1), bei dem die Drehrichtung eines ein Hilfsmoment erzeugenden elektrischen Motors (7) erfasst und bei Feststellung einer Drehbewegung unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein zusätzliches Moment (M_K) zur Reibungskompensation ausgelöst wird, derart, dass das Kompensationsmoment (M_K) während der Bewegung des Motors (7) kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert (M_Kmax+) erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors (7) kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts (M_Kmax–) mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsmoment (M_K) bei Erreichen eines Grenzwerts (M_Kmax+, M_Kmax–) bis zur nächsten Drehrichtungsumkehr aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des Kompensationsmoments zwischen den Grenzwerten (M_Kmax+, M_Kmax–) eine Hysterese aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Kompensationsmoments (M_K) von einer Nullstellung bis zu einem Grenzwert (M_Kmax+, M_Kmax–) schneller erfolgt, als der Abbau von diesem Grenzwert (M_Kmax+, M_Kmax–) zurück in die Nullstellung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (M_Kmax+, M_Kmax–) in Abhängigkeit der Temperatur, der Drehzahl des Elektromotors und/oder des Hilfsmoments des elektrischen Motors (7) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des Kompensationsmoments (M_K) in Abhängigkeit der Temperatur, der Drehzahl des elektrischen Motors (7) und/oder des Hilfsmoments des elektrischen Motors (7) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fahrbetriebs aus Zustandsgrößen des Fahrzeugs wie dem Lenkwinkel, dem Lenkmoment und der Fahrgeschwindigkeit Reibungswerte errechnet werden und die Grenzwerte (M_Kmax+, M_Kmax–) und/oder die Kennlinie des Kompensationsmoments (M_K) in Abhängigkeit der ermittelten Reibungswerte eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor (7) bei einer Bewegung aus dem Stillstand mit einem Stromimpuls beaufschlagt wird.
Elektromechanische Lenkung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, umfassend – einen elektrischen Motor (7) zur Erzeugung eines Hilfsmoments, – eine Einrichtung zur Erfassung der Drehrichtung des elektrischen Motors (7), und – eine Steuereinrichtung (8) zur Ansteuerung des Motors (7), in welcher bei Feststellung einer Drehbewegung des elektrischen Motors (7) unabhängig von einem etwaigen Hilfsmoment ein Signal für ein zusätzliches Moment (M_K) zur Reibungskompensation ausgelöst wird, derart, dass das Kompensationsmoment (M_K) während der Bewegung des Motors (7) kontinuierlich bis zu einem vorgegebenen Grenzwert (M_Kmax+) erhöht und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors (7) kontinuierlich in Richtung eines Grenzwerts (M_Kmax–) mit umgekehrtem Vorzeichen verstellt wird.
Elektromechanische Lenkung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erfassung eines vom Fahrer eingegebenen Lenkmoments vorgesehen ist, und dass die Steuereinrichtung (8) bei Vorliegen eines Lenksignals und Stillstand des elektrischen Motors (7) ein Signal (s) zur Erzeugung eines Momentenimpulses generiert.