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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation einer Rotorwinkelabweichung
eines Motors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Lenksystem
nach Anspruch 15.
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Lenksysteme,
wie zum Beispiel elektronische Servolenksysteme, weisen Abweichungen
zwischen dem vorgegebenen, durch den Fahrzeuglenker bestimmten Moment
und dem tatsächlich
durch das Lenksystem eingestellten Rotorwinkel auf. Das Moment,
das auch als Handmoment bezeichnet wird, wird über eine Lenkhandhabe, wie
einem Lenkrad oder einem Steuerknüppel und dergleichen, in das
Lenksystem eingeleitet. Aus dem Handmoment kann ein Sollrotorwinkel
(desired RW) abgeleitet werden. Idealisierter Weise wird von einer
linearen Beziehung zwischen dem Handmoment und dem Sollrotorwinkel
ausgegangen. Das Handmoment wird in bekannten Lenksystemen über ein
Torsionselement, das als Torsion Bar (TB) bezeichnet wird übertragen.
Mit Hilfe eines elektrischen oder hydraulischen Motors oder Aktuators
wird der Fahrzeuglenker unterstützt,
damit das einzuleitende Handmoment geringer ausfallen kann. Der
Aktuator überträgt auf eine
Aktuatorwelle einen Rotorwinkel (RW). Dabei folgt das Lenksystem
aber nicht vollständig
dem vorgegebenen Handmoment. Die Abweichungen werden auf zahlreiche
Ursachen zurückgeführt. Generell
werden die Abweichungen auf statische Abweichungen und dynamische
Abweichungen zurückgeführt, die
lenksystembedingt in statischen Reibungen, in einem Hystereseverhalten
des Lenksystems, in Flüssigkeitsreibungsverlusten,
in Geschwindigkeitsverlusten und vielen anderen Ursachen gesucht
werden.
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In
der
DE 199 56 713
A1 wird eine elektrische Servolenkvorrichtung beschrieben,
deren Steuereinrichtung einen Stromsteuerwert für den Motor der Servolenkvorrichtung
berechnet. Abweichungen des eingestellten Stromsteuerwerts von der
tatsächlichen
Servolenkvorrichtungsaussteuerung werden auf zusätzliche Lasten zurückgeführt, die
durch Rückwirkungen
der Fahrbahnoberfläche
auf das Zahnstangenlenkgetriebe hervorgerufen werden. Mittels eines
zusätzlichen
Elements, einem elastischen Körper,
sollen die Rückwirkungen abgefangen
werden.
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Aus
der US 2003/06088 A1 ist bekannt, eine Kompensationstabelle für die kinetische
Reibung in der Motorsteuerung zu hinterlegen.
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Ähnlich ist
auch der Lösungsvorschlag
der
DE 102 21 678
A1 , die die Reibung im Lenksystem auf ein Hysteresemoment
zurückführt, das
in der Sollmomentvorgabe berücksichtigt
werden soll. Die Hysteresekennlinie wird als Funktion des nichtkompensierten
Sollmoments ermittelt.
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Differenzierter
gliedert die
DE 199
20 975 A1 die Ursachen für die Reibungsverluste auf.
Es werden fünf
unterschiedliche Arten von Reibungen regelungstechnisch aufgeschlüsselt und
berechnet. Hierbei wird ein Schätzwert
für die
statische Reibung angenommen. Die vorgeschlagene Regelung schätzt also
die Regelabweichung der Lenkung, deren Aktuator ein getrennt erregter
DC-Motor ist.
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Insgesamt
stellen die zitierten Lenkungen den Versuch dar, das Lenkgefühl für einen
Fahrzeuglenker zu verbessern. Die bekannten Reibungskompensationen
haben teilweise die Tendenz, bei Lenksystemen mit geringer Reibung
eine Überkompensation
durchzuführen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optimierte Reibungskompensation
für Lenksysteme
zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Kompensation einer Rotorwinkelabweichung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Lenksystem nach
Anspruch 15 gelöst.
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Da
die Rotorwinkelabweichung des in einem Lenksystem verwendeten Motors über eine
stückweise linearisierte
Regelung auf Basis eines Sollrotorwinkels und dem gemessenen Rotorwinkel
kompensierend geregelt wird, wobei wenigstens einer der Regelfaktoren
der Regelungen regelweitenabhängig
verändert
wird, ist beim Betrieb eines Lenksystems nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Regelung des Lenksystems optimiert. Der Begriff „Regelweite" bezieht sich auf
die zu regelnde Abweichung. Durch die Regelung, die mit tatsächlichen
Messwerten des Lenksystems arbeitet, wird die notwendige Kompensation
bestimmt. Eine Überkompensation
wird deutlich verringert, wenn nicht sogar vermieden.
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Bevorzugte
Ausführungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Einer
der Regelfaktoren der Regelung kann durch eine Gradientenänderung
in Abhängigkeit
der Regelweite verändert
werden. Die Gradientenänderung
liefert immer den für
die aktuelle Rotorwinkelposition optimalen Regelfaktor. Er verändert sich
kontinuierlich in einem zulässigen
Wertebereich. Wenn nur noch geringe Anspassungen vorzunehmen sind,
wird der Regelfaktor so verändert,
dass ein Stellwert der Regelung nur noch minimal angepasst wird.
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Nach
einer vorzugsweisen Gestaltung des Regelkreises des Lenksystems
ist die Regelung so ausgelegt, dass bei Überschreitung des Sollrotorwinkels
durch die Kompensation die Regelung die Kompensation der Rotorwinkelabweichung
abbricht. Das vermeidet die Überkompensation,
das so genannte Überschwingen der
Regelung. Schwach reibungsgehaftete Lenkungen werden hierdurch nicht überkompensiert.
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Im
Gegensatz zu bisher bekannten, sehr komplexen Regelungen, die mit
vielen Eingangsgrößen alle möglichen
Abschätzungen
treffen, kommt das Lenksystem mit einer einzigen Regelung aus, die
alle reibungsgehafteten Abweichungen des Rotorwinkels bei Einwirkung
eines Handmoments kompensiert. Der Komplexitätsgrad sinkt, was auf die Stabilität und die
gegenseitige, sich aufschwingende Beeinflussung vorteilhafte Auswinkungen
hat.
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Der
Regler hat bewusst Wertebereiche, in denen er nicht mehr linear
arbeitet. Er ist stückweise
linearisiert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet
der lineare Anteil der Regelung einen Regler, der wenigstens einen
Regler entweder eines P-Typs oder eines I-Typs, insbesondere einen
PI-Regler, umfasst. Mit einem P-Regler,
wird die Rotorwinkelabweichung zügig
beseitigt. Mit einem PI-Regler wird die Regelabweichung reduziert.
Wenn der Regelfaktor des I-Reglers anpassbar ist, reduziert sich
die Veränderlichkeit
die Überschwingungs-
bzw. die Überkompensationsneigung.
Die Veränderlichkeit
des I-Reglers ist so gestaltet, dass der Regelfaktor des I-Reglers
betragsmäßig mit
einem maximalen Regelfaktor bei betragsmäßig von Null weit entfernten
Eingangsgrößen versehen
wird, und dass die Regelstrecke in einem betragsmäßig von
Null nahen Eingangsgrößenbereich
mit veränderlichen,
das heisst, sich betragsmäßig verringernden
Regelfaktoren versehen wird. Mit der betragsmäßigen Eingrenzung des Regelfaktors
bewegt sich die Regelung grundsätzlich
in einem technisch sinnvollen Wertebereich und driftet nicht in
eine Extremposition.
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Als
weitere Maßnahme,
den Regler in einem für
den Aktuator verwertbaren Wertebereich zu halten, kann eine Werbegrenzung
an der Stellgröße der Regelung
vorgenommen werden. Die Kompensation der Rotorwinkelabweichung wird
durch eine Stellwertbeeinflussung über einen Werbegrenzer innerhalb
eines zulässigen,
maximalen Wertebereichs eingeschränkt. Der Wertbegrenzer hat
wenigstens drei Abschnitte oder Bereiche. Innerhalb eines ersten
Bereichs arbeitet er linear, und innerhalb eines zweiten und eines
dritten Bereichs ist der Stellwert betragsmäßig auf den maximalen Stellwert
begrenzt.
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So
wie auf der Ausgangsseite des Reglers besondere Maßnahmen
der Stabilität
ergriffen werden können,
kann auch das Verfahren mit Maßnahmen
für die
Eingangsgrößen stabilisiert
werden. So kann in einem Ausführungsbeispiel
das Handmoment seinem Betrag nach auf einen maximalen Wert begrenzt
sein.
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Die
Regelung kann bei jeder Änderung
des Handmoments einsetzen. Es kann jedoch zweckmäßig sein, dass die Regelung
erst bei einer Überschreitung
eines Grenzwerts des Handmoments arbeitet und danach einsetzt. Minimale Änderungen
werden so abgefangen und die Regelung führt sich nicht permanent nach.
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Dem
Verfahren kann die Annahme zu Grunde gelegt werden, dass eine Sollrotorwinkelabweichung aus
der Differenz des Handmoments zu einem zuvor gespeicherten Handmoment,
multipliziert mit einer Getriebeübersetzung
und geteilt durch einen Faktor für
die Systemsteifigkeit bestimmt wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird eine erste Regelung, die positive Kompensationsregelung, gewählt, wenn
das Handmoment oberhalb eines Schwellwertes liegt, und eine zweite
Regelung, die negative Kompensationsregelung, gewählt, wenn
der Betrag des negativ vorzeichenbehafteten Handmoments oberhalb
eines Schwellwertes liegt. Hierbei können die Schwellwerte des Handmoments
für die
positive und die negative Kompensation betragsmäßig identisch sein.
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Natürlich soll
die Lehre in einem Lenksystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Personenkraftwagen,
eingesetzt werden. Deren reibungsabhängige Rotorwinkelabweichung
arbeitet nach einem vorteilhaften, erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
Erfindung wird nun näher
anhand. eines Ausführungsbeispieles
beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
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1 zeigt
ein Zustandsdiagramm einer erfindungsgemäßen Regelung,
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2 zeigt
ein Verfahren zur Kompensation einer Rotorwinkelabweichung für positive
Rotorwinkelabweichungen,
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3 zeigt
ein Verfahren zur Kompensation einer Rotorwinkelabweichung für negative
Rotorwinkelabweichungen.
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1 zeigt
in Form eines Zustandsdiagramms den Ablauf einer erfindungsgemäßen Regelung
für Lenksysteme.
In dem Zustand 1 werden die aktuellen Variablen zunächst durch
ein Umkopieren 10 im Umkopier- und Initialisierungsschritt
gesichert. Hernach wird durch einen Wertevergleich überprüft, ob das
eingeleitete Handmoment, das Moment, das ein Fahrzeuglenker als
Vorgabemoment an das Lenksystem weitergeben will, einen weiteren
Bearbeitungsschritt in einem neuen Zustand, dem Regelungszustand 3 und
dem Regelungszustand 5, einleiten soll, um zu einer Regelung 38, 58,
der eigentlichen Kompensationsregelung, zu kommen. Im Rahmen des
Umkopierens 10 werden die Werte des Rotorwinkels (RW),
des Handmoments (TBT) und des gewünschten Rotorwinkels (DesiredRW
bzw. DeRW) beschrieben. Der Rotorwinkel (RW) und das Handmoment
(TBT) werden mit den aktuellen Messwerten beschrieben. Der gewünschte Rotorwinkel
(DeRW) wird auf 0 gesetzt, damit er im Rahmen der Regelung 38, 58 dann
den berechneten Wert aufnehmen kann. Wenn das Handmoment größer als
ein Grenzhandmomentwert 12 (ZeroTBT) wird, in den positiven
Regelungszustand 3 verzweigt. Wenn der Betrag des Handmoments
größer als
ein Grenzhandmomentwert 14 ist, wird in den negativen Regelungszustand 5 verzweigt.
Werden die Grenzhandmomentwerte (ZeroTBT) unterschritten, so verharrt
die Regelung in dem Zustand 1, der auch als Archivierungs-
und Initialisierungszustand für
die Regelung bezeichnet werden kann.
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Die
weitere Beschreibung berücksichtigt
einen Regler nach 2 und 3, der aus
einem Integrator in Form eines I-Reglers 124, 224 und
aus einem Proportionalregler (P-Regler) 136, 236 besteht,
und durch eine Addition im Addierer 144, 244 einen
PI-Regler bildet. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung
nicht nur auf PI-Regler begrenzt ist, sondern an ihrer Stelle auch
PID-Regler oder jede andere Art von regelfaktoradaptivem Reglertyp,
wie ein reiner P-Regler oder ein Regler höherer Ordnung gewählt werden
kann. Die weiteren Ausführungen
sind der Einfachheit halber für
einen PI-Regler, bestehend aus einem I-Regler 124, einem P-Regler 136 und
einem Addierer 144, mit positiver Integration und Kompensation
oder für
einen PI-Regler, bestehend aus einem I-Regler 224, einem
P-Regler 236 und einem Addierer 244, mit negativer
Ingeration und Kompensation dargelegt.
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Die
beiden Zustände 2, 5 in 1,
die den positiven Regelungszustand zur Kompensation für eine positiven
Reibungswert, der Reibungskompensationsstellwert (FrictionComp) 150,
und den negativen Regelungszustand zur Kompensation für einen
negativen Reibungswert, der Reibungskompensationsstellwert (FrictionComp) 250,
ergeben, sind ihrer Struktur nach ähnlich aufgebaut. Jedoch wird
das unterschiedliche Vorzeichen in dem Handmoment (TBT) durch Vorzeichenmultiplikation
mit (–1)
oder durch Umkehrung der Vergleichsoperatoren berücksichtigt.
In den Zuständen 3, 5 wird
in einem ersten Vergleich 30, 50 ermittelt, ob
der I-Anteil des Positionsregler (IPart) betragsmäßig größer als
ein festgelegter I-Anteil
für eine
Nullgrenze (ZeroPart) ist. Liegt der I-Anteil (IPart) betragsmäßig oberhalb
eines I-Anteilgrenzwertes (ZeroIPart), so wird die jeweilige Kompensationsregelung 38, 58 angestoßen. Wenn
die Kompensationsgrenze für
die Kompensation (TBTReady) das Handmoment (TBT) überschreitet 32 bzw.
unterschreitet 52 und die Grenze für das untere Handmoment 34, 54 unterschritten
wird, kann ebenfalls die positive 38 oder negative Kompensationsregelung 58 in
den Zuständen 3, 5 gestartet
werden. Andernfalls wird eine Grenzwertverharrung 70 im
Sicherheitszustand 7 überprüft oder
es wird aus dem Regelungszustand 3 in den Regelungszustand 5 bzw.
umgekehrt nach einem Speicherschritt der Variablen 36, 56 gewechselt.
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Günstige Grenzen
für eine
stabile Zustandsänderung
sind zum Beispiel Grenzen von etwa 0,1 Nm. Unterhalb eines Handmoments
(TBT) von etwa 0,1 Nm geht die Regelung davon aus, dass der Fahrzeuglenker
kein Fahrmanöver
angestrebt hat. Damit wird das Fahrzeug insgesamt bei kleineren
Handmomentschwankungen stabiler im Geradauslauf. Die beiden Regelungen
nach 2 und 3 ähneln sich. Aufgrund der unterschiedlichen
Vorzeichen der Variable des gemessenen Rotorwinkels (wrsRotrangle) 110, 210,
des Handmoments (mstTorsionBarTorque) 102, 202 und
des gespeicherten Rotorwinkels (StoredRW) 100, 200 sind
der I-Regler 124, 126 in 2 bzw. der
I-Regler 224, 226 in 3 und der
P-Regler 136 in 2 bzw. der P-Regler 236 in 3 mit
positiven bzw. negativen Werten aufgebaut. Der Wert der I-Regler 124, 126 224, 226 wird in
seinem maximalen I-Wert (IPart) mit dem Grenzwert 128, 228 in
dem Begrenzer des I-Reglers 126, 226 auf einen
maximalen Wert eingeschränkt.
Aus der Differenz des Subtrahierers 112, 212 des
Handmoments (TorsionBarTorque) 102, 202 und des
gespeicherten Handmoments (StoredTBT) 104, 204 wird
mittels Multiplikation des Multiplikators 114, 214 mit
einem Positionsfaktor (TBTToPos) 106, 206 und
einem optionalen Wertbegrenzer 116, 216 mit einem
Grenzwert (maxOffsetangle) 100, 200 ein Rotorwinkel,
der auf den gespeicherten Rotorwinkel (StoredRW) 100, 200 durch
einen Addierer 118, 218 addiert werden kann.
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Nach
der Addition steht der Regelung 38, 58 der gewünschte Rotorwinkel
(DesiredRW) 120, 210 zur Verfügung von dem der gemessene
Rotorwinkel (Rotorangle) 110, 210 über einen
Subtrahierer 122, 222 abgezogen wird. Das Signal
des Subtrahierers 122, 222 wird parallel auf einen
I-Regler, bestehend aus den Elementen 124, 126, 224, 226,
und einen P-Regler 136, 236 gelegt. Die Einzelsignale
nach dem I-Regler, bestehend aus den Elementen 124, 126, 224, 226,
und nach dem P-Regler 136, 236 werden über einen
Addierer 144, 244 zu einem Signal eines PI-Reglers addiert.
Zur Werteanpassung sind Multiplikatoren 130, 140, 230, 240, 132, 134, 232, 234 vorgesehen.
Gleichzeitig stabilisieren die Wertbegrenzer 146, 148, 246, 48 die
Regelung und nehmen ihr die Schwingneigung.
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Die
Maßnahmen
der Stabilisierung über
Teilen von Signalen und Begrenzen von Signalen sind optional und
brauchen für
eine einfache Ausführung
einer erfindungsgemäßen Regelung
nicht vorhanden sein. Hinter dem Addierer 144, 244 kann
der Reibungskompensationsstellwert 150, 250 abgegriffen
werden, der auf einen Aktuator der Lenkung gegeben wird.
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