DE102005036686B4

DE102005036686B4 - Regelung eines Lenkradsystems mit passivem Widerstandsdrehmoment

Info

Publication number: DE102005036686B4
Application number: DE102005036686A
Authority: DE
Inventors: Yixin Ann Arbor Yao; Brian E. Ann Arbor Daugherty
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: US7295905B2; DE102005036686A1; US20060025911A1

Abstract

Regelungssystem für ein kabelgestütztes Lenksystem mit einem Elektromotor (20) zum Erzeugen eines Rückkopplungsdrehmoments in einem Lenkmechanismus (12), umfassend:
– eine zur Kompensation für ein passives Widerstandsdrehmoment des Motors mithilfe einer Drehmomentrückkopplungsschleife (71) ausgelegte Regelungseinrichtung (22),
– wobei die Regelungseinrichtung (22) ein Regelsignal (40) zur Regelung eines ein passives Widerstandsdrehmoment τ_p und ein aktives Drehmoment τ_a umfassenden Lenkraddrehmoments τ_L bereitstellt und die Beziehung zwischen dem passiven Widerstandsdrehmoment τ_p, dem aktiven Drehmoment τ_a und dem Lenkraddrehmoment τ_L gegeben ist durch: τL = τp + τa.

Description

Hintergrund
1. Fachgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Regelungssystem und Verfahren für ein kabelgestütztes Lenksystem mit passivem Widerstandsdrehmoment.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In einem kabelgestützten Lenksystem ist die mechanische Verbindung des Lenkrads mit den Straßenrädern eliminiert. Die Richtungsstellbefehle werden mithilfe von elektrischen Signalen ohne mechanische Verbindungen vom Lenkrad auf die Straßenräder übertragen. Die Straßenräder werden unter Verwendung eines auf einem Elektromotor basierenden Verstellregelungssystems verstellt. Das Lenkgefühl eines herkömmlichen mechanisch verbundenen Lenksystems wird mithilfe eines auf einem Elektromotor basierenden Lenkradregelungssystems simuliert. Dieses auf einem Elektromotor basierende Lenkradregelungssystem wird als Lenkregelungssystem zur Erzeugung eines artifiziellen Lenkgefühls oder Lenkradregelungssystem bezeichnet.
Im Allgemeinen besteht das Lenkradregelungssystem aus einem Elektromotor, einem Motorverstärker, dem Lenkrad, Zahnrädern oder anderen Koppelgeräten, der Lenkwelle und Sensoren. Beim Betreiben des Lenkradregelungssystem wird ein passives Widerstandsdrehmoment in der Lenkwelle erzeugt. In einem Lenkradsystem mit mechanischem Getriebe als Kopplungsgerät zwischen dem Elektromotor und der Lenkwelle ist dieses passive Widerstandsdrehmoment besonders hoch. Wenn der Fahrzeugfahrer anhält und das Lenkrad dreht, fühlt er aufgrund dieses hohen passiven Widerstandsdrehmoments einen von der Lenkeinrichtung ausgehenden, hemmenden Widerstand. Dieses passive Widerstandsdrehmoment existiert in zahlreichen allgemeinen Bewegungsregelungssystemen.
Es gibt zwei Hauptursachen des passiven Widerstandsdrehmoments: die im Motor wirkende EMF-Gegenspannung und die Trägheit infolge des Übersetzungsverhältnisses. Allerdings trägt mechanische Reibung ebenfalls zum passiven Widerstandsdrehmoment bei. Das durch die EMF-Gegenspannung und die Trägheit aus dem Übersetzungsverhältnis erzeugte passive Widerstandsdrehmoment wirkt in eine der Drehrichtung des Lenkrads entgegengesetzte Richtung.
Wenn der Fahrzeugfahrer das Lenkrad dreht, wird im Motorschaltkreis eine EMF-Gegenspannung erzeugt. Es ist bekannt, dass die EMF-Gegenspannung die angelegte Spannung aufhebt, so dass die Istspannung über der Motorarmatur die Differenz zwischen der angelegten Spannung und der EMF-Gegenspannung ist. Diese Differenz bewirkt, dass ein Strom in der Armatur fließt. Der durch die EMF-Gegenspannung verursachte Motorstrom fließt in eine dem Motorregelstrom entgegengesetzte Richtung. Deshalb wirkt das durch die EMF-Gegenspannung erzeugte Motordrehmoment in die der Drehrichtung des Lenkrads entgegengesetzte Richtung.
Die sich durch ein Übersetzungsverhältnis N zwischen dem Motor und dem Lenkrad auswirkende Trägheit wächst als eine Funktion von N zum Quadrat mal Motorträgheit J_m. Mit der durch J_s repräsentierten Lenkradträgheit ergibt sich die Gesamtträgheit des Lenkrads aufgrund des Einflusses des Übersetzungsverhältnisses N: JTotal = N2 Jm + Js (1)
Außerdem verstärkt das Übersetzungsverhältnis N das durch die EMF-Gegenspannung verursachte Widerstandsdrehmoment T_MbaCkEMF vom Motor N-mal. Das auf das Lenkrad wirkende Widerstandsdrehmoment wird ausgedrückt durch: TSbackEMF = N TMbackEMF (2)
Dieses Drehmoment ist ein hemmender passiver Widerstand, den der Fahrer beim Lenken des Fahrzeugs spüren würde. In handelsüblichen kabelgestützten Lenksystemen, die ein aktives Lenkgefühl erzeugen, ist das passive Widerstandsdrehmoment nicht akzeptabel.
Es ist bekannt, das passive Widerstandsdrehmoment bzw. das zu seiner Überwindung erforderliche auf das Lenkrad auszuübende Drehmoment aus verschiedenen fahrphysikalischen bzw. schaltungstechnischen Parametern abzuleiten oder direkt zu messen und Maßnahmen zu seiner Kompensation zu ergreifen ( DE 100 18 191 A1 ). Diese Kompensation ist jedoch nicht ausreichend, um einem Fahrer in unterschiedlichsten Fahrsituationen ein natürliches bzw. gewohntes Lenkgefühl zu vermitteln.
Aus Sicht des Voranstehenden ist augenscheinlich, dass ein Bedarf für ein Regelungssystem für ein kabelgestütztes Lenksystem zur Kompensation eines passiven Widerstandsdrehmoments und zur Erzeugung eines aktiven Lenkdrehmoments sowie weiterer erforderlicher Lenkungsfunktionen besteht.
Erläuterung der Erfindung
Zur Befriedigung des zuvor erwähnten Bedarfs sowie zur Überwindung der aufgezählten Nachteile und anderen Einschränkungen des Stands der Technik stellt die Erfindung ein Regelungssystem und -verfahren für ein kabelgestütztes Lenksystem zur Kompensation eines passiven Widerstandsdrehmoments und zur Implementierung der erforderlichen Lenkfunktion bereit. Das Lenkradregelungssystem umfasst eine Regelungseinrichtung, die zur Kompensation eines passiven Widerstandsdrehmoments und zur Erzeugung des erforderlichen aktiven Lenkdrehmoments mithilfe einer Regelungssystemstruktur mit folgenden drei Rückkopplungsschleifen konfiguriert ist: Lenkraddrehmomentrückkopplungsschleife, Lenkradrate rückkopplungsschleife und Lenkradwinkelrückkopplungsschleife.
Ratebezogene Begriffe, wie Lenkradraterückkopplungsschleife und ähnliche, sind im Zusammenhang der im Folgenden dargestellten Erfindung stets als Begriffe zu verstehen, die Änderungsgeschwindigkeiten einer physikalischen oder mathematischen Größe beschreiben, weshalb unter Rate im Folgenden stets Geschwindigkeit mitzulesen ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung basiert die Drehmomentrückkopplungsschleife auf einem geschätzten Lenkdrehmomentsignal, das aus einem Lenkwinkelsignal, einem Lenkwinkelratesignal und einem Motorstromsignal auf der Basis des geregelten Modells der Anlage berechnet wird. Das Lenkwinkelratesignal kann außerdem auf der Basis einer Differenzialquotientenberechnung des Lenkradwinkelsignals abgeschätzt werden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird die lenkradgeregelte Anlage als geschlossener Regelkreis beschrieben und modelliert. Es wird eine Beziehung zwischen dem Fahrzeugfahrerwirkdrehmoment, dem passiven Widerstandsdrehmoment und dem aktiven Lenkraddrehmoment hergestellt.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Regelungssystem eine Raterückkopplungsschleife auf der Basis der Lenkradwinkelrate.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Regelungssystem eine Lenkradwinkelrückkopplungsschleife. Die Lenkradwinkelrückkopplungsschleife basiert auf einer Lenkradwinkelmessung.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Regelung zum Erzeugen eines hohen Drehmoments zwecks Simulation eines mechanischen Anschlags konfiguriert, wenn der Lenkradwinkel größer als ein erforderlicher Anschlagwinkel ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Regelung zum Verhindern einer Drehmomentüberschreitungsbedingung durch Einstellung eines Drehmomentsättigungsgrads konfiguriert.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nach Prüfung der nachfolgenden Beschreibung unter Berücksichtigung der Zeichnungen und der beigefügten und ein Teil dieser Spezifikation bildenden Patentansprüche für Fachleute leicht erkennbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaubild eines erfindungsgemäßen kabelgestützten Lenksystems.
2 ist ein Blockschaubild der erfindungsgemäßen Regelung.
3 ist ein Blockschaubild der geregelten Anlage.
4 ist ein Blockschaubild der Schätzeinrichtung.
5 ist eine Kurvendarstellung der nichtlinearen Funktion der Anschlagregelung.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung eines kabelgestützten Lenksystems darstellt.
Ausführliche Beschreibung
In 1 ist ein die Prinzipien der Erfindung verkörperndes Lenkradregelungssystem dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Das Lenkradregelungssystem 10 ist ein Regelungssystem, das die geregelte Anlage 28 und die Regelungseinrichtung 22 umfasst.
Die geregelte Anlage 28 umfasst einen Lenkmechanismus 12, eine Lenkwelle 14, einen Lenkradwinkelsensor 16, einen Drehmomentübertragungsmechanismus (Koppelgerät) 18, einen Elektromotor 20 und einen Motorverstärker 24. Der Lenkmechanismus 12, wie z. B. ein Lenkrad, ist mit der Lenkwelle 14 verbunden. Wenn der Fahrer den Lenkmechanismus 12 dreht, dreht sich die Lenkwelle 14 mit dem Lenkmechanismus 12. Der Sensor 16 ist zwecks Erzeugung eines Lenkradwinkelsignals 30 mit der Lenkwelle 14 verbunden. Der Motor 20 ist über einen Drehmomentübertragungsmechanismus 18 mit der Lenkwelle 14 verbunden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 18 kann ein Zahnradpaar, ein Riementrieb oder ein anderer ähnlicher Mechanismus für die Drehmomentübertragung sein. Der Motor 20 stellt über den Drehmomentübertragungsmechanismus 18 und die Lenkwelle 14 ein Rückkopplungsdrehmoment am Lenkmechanismus 12 bereit, um dem Fahrer ein artifizielles Lenkgefühl zu vermitteln. Der Motorverstärker 24 treibt den Motor 20 auf der Basis des Regelsignals 40 von der Lenkradregelungseinrichtung 22 an. Der Motorverstärker 24 stellt außerdem an der Lenkradregelungseinrichtung 22 ein Motorstromsignal 32 als ein Rückkopplungssignal bereit, das bei der Erzeugung des Regelsignals 40 verwendet wird. Außerdem wird das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 52 als ein Eingangssignal für die Lenkradregelungseinrichtung 22 verwendet.
Die Lenkradregelungseinrichtung 22 empfängt das Lenkradwinkelsignal 30 und das Motorstromsignal 32 von der geregelten Anlage 28. Zur Erzeugung eines artifiziellen Lenkgefühls und zur Kompensation des passiven Drehmoments in der geregelten Anlage 28 erzeugt die Lenkradregelungseinrichtung 22 ein Regelsignal 40. Zusätzlich wird von einer Fahrzeugsteuerung ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 52 bereitgestellt.
Bezüglich der Lenkradregelungseinrichtung 22 empfängt eine Signalverarbeitungs- und Schätzeinrichtung 26 das Motorstromsignal 32 und das Lenkradwinkelsignal 30. Die Outputs der Signalverarbeitungs- und Schätzeinrichtung 26 umfassen ein gefiltertes Lenkradwinkelsignal 35, ein durch Differenzialrechnung aus dem Lenkradwinkelsignal 35 berechnetes Lenkradratesignal 36 und ein geschätztes Lenkraddrehmomentsignal 38. Diese Ausgangssignale werden an der Rückkopplungsschleifenregelung 34 bereitgestellt. Die Rückkopplungsschleifenregelung 34 berechnet das Regelsignal 40 auf der Basis des Lenkradwinkelsignals 35, des Lenkradratesignals 36 und des geschätzten Lenkraddrehmomentsignals 38.
Das Lenkradwinkelsignal 30 wird außerdem als Referenzsignal eines (nicht dargestellten) Straßenradverstellregelungssystems verwendet. Das Straßenradverstellregelungssystem kann derart ausgelegt sein, dass es ein Servoregelungssystem zum Manipulieren des physischen Winkels der Straßenräder ist.
In 2 ist ein Blockschaubild des Lenkradregelungssystems dargestellt, das die Lenkradregelungseinrichtung 22 und die geregelte Anlage 28 umfasst. Das in 2 dargestellte Lenkradregelungssystem hat drei Rückkopplungsschleifen: die Drehmomentrückkopplungsschleife 71 mit der Schätzeinrichtung 72 E(s), der Regelungseinrichtung 76 C_τ(s) und der geregelten Anlage 28; die Raterückkopplungsschleife 63 mit der Regelungseinrichtung 66 C_r(s) und der geregelten Anlage 28 sowie die Lenkradwinkelrückkopplungsschleife 53 mit der Regelungseinrichtung 56 C_p(s) und der geregelten Anlage 28. Die Hauptfunktionen der drei Rückkopplungsschleifen bestehen in der Kompensation des passiven Drehmoments und der Erzeugung des aktiven Drehmoments. Durch Anwendung dieser Dreischleifenregelungsstruktur können außerdem andere Funktionen, wie z. B. die aktive Lenkradrückstellung, der Lenkradanschlag und der Schutz gegen ein hohes aktives Drehmoment, implementiert werden.
Die Lenkradregelungseinrichtung 22 empfängt ein negativ geführtes Lenkradwinkelsignal 30 und ein Lenkradwinkelreferenzsignal 51. Das Lenkradwinkelreferenzsignal 51 und das Lenkradwinkelsignal 30 werden zwecks Erzeugung des Winkelfehlersignals 54 am Summator 50 der Winkelrückkopplungsschleife bereitgestellt. Das Winkelfehlersignal 54 vom Summator 50 wird an der Winkelregelungseinrichtung 56 bereitgestellt. Die Winkelregelungseinrichtung 56 erzeugt das Regelsignal 58. Das Regelsignal 58 wird zusammen mit dem Regelsignal 60 von der Rateregelungseinrichtung 66 im Summator 62 und dem Regelsignal 78 von der Drehmomentregelungseinrichtung 76 im Summator 82 der geregelten Anlage 28 bereitgestellt. Als ein Ergebnis wird durch das Regelsignal 40 das Lenkraddrehmoment in der geregelten Anlage 28 geregelt. Die Funktion des Regelsignals 58 als ein Teil des Regelsignals 40 besteht in der Bereitstellung der Regelung für das Lenkraddrehmoment auf der Basis der Änderung des Lenkradwinkels. Die Änderung des Regelsignals 58 ist von der Winkelregelungseinrichtung 56 abhängig. Die Winkelregelungseinrichtung 56 ist eine nichtlineare Regelung und kann unter Verwendung einer mathematischen Gleichung und/oder Verweistabelle beschrieben und implementiert werden. Die Winkelrückkopplungsschleife, die die Winkelregelungseinrichtung 56 umfasst, wird hauptsächlich zum Erzeugen des einstellbaren aktiven Lenkdrehmoments und zum Implementieren der automatischen Lenkradrückstellung verwendet, wenn der Fahrzeugfahrer das Lenkrad freigibt. Wenn der Fahrzeugfahrer das Lenkrad dreht, wird er die Lenkdrehmomentänderung spüren. Gibt der Fahrer das Lenkrad frei, wird es sich auf einen festgelegten Winkel entsprechend dem Straßenradwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit zurückstellen.
Der Differenzialprozessor 64 in der die Rateregelungseinrichtung 66 und die geregelte Anlage 28 umfassenden Raterückkopplungsschleife empfängt das Lenkradwinkelsignal 30. Der Differenzialprozessor 64 nimmt den Differenzialquotienten des Lenkradwinkelsignals 30 zur Erzeugung des Lenkradratesignals 36. Das Lenkradratesignal 36 wird an der Rateregelungseinrichtung 66 bereitgestellt. Die Rateregelungseinrichtung 66 erzeugt das Regelsignal 60. Das Regelsignal 60 wird zusammen mit dem Regelsignal 58 von der Winkelregelungseinrichtung 56 und dem Regelsignal 78 von der Drehmomentregelungseinrichtung 76 an der geregelten Anlage 28 bereitgestellt. Die Funktion des Regelsignals 60 als ein Teil des Regelsignals 40 besteht in der Bereitstellung der Regelung für die Lenkradrate auf der Basis einer Änderung des Lenkradwinkels. Die Änderung des Regelsignals 60 ist von der Rateregelungseinrichtung 66 abhängig. Die Rateregelungseinrichtung 66 ist eine nichtlineare Regelung und kann unter Verwendung einer mathematischen Gleichung und/oder Verweistabelle beschrieben und implementiert werden. Die Raterückkopplungsschleife, die die Rateregelungseinrichtung 66 umfasst, wird hauptsächlich zum Erzeugen einer geeigneten Dämpfung des Lenkrads und einer einstellbaren Lenkradrückstellungsrate verwendet. Wenn ein Fahrer des Fahrzeugs das Lenkrad freigibt, wird es sich mit einer durch eine Online-Parameterverstellung der Rateregelungseinrichtung 66 bestimmten variablen Lenkradrate auf einen festgelegten Winkel zurückstellen.
Die Schätzeinrichtung 72 der Drehmomentrückkopplungsschleife 71 empfängt das Lenkradratesignal 36, das Lenkradwinkelsignal 30 und das Motorstromsignal 32. Schätzeinrichtungen werden allgemein zum Bestimmen interner Zustände eines Systems auf der Basis von Messungen oder anderer Zustände verwendet. Eine Schätzeinrichtung ist eine mathematische Struktur, die Sensorenausgangs- und Anlageneingangssignale kombiniert. In einigen Fällen kann die Schätzeinrichtung genauer sein als ein physischer Sensor oder die dem Überwachungssensoroutput innewohnende Phasenverschiebung verringern.
Die Schätzeinrichtung 72 stellt ein auf der Basis des Lenkradratesignals 36, des Lenkradwinkelsignals 30 und des Motorstromsignals 32 geschätztes Lenkraddrehmomentsignal 38 bereit. Das geschätzte Lenkraddrehmomentsignal 38 wird an der Drehmomentregelungseinrichtung 76 bereitgestellt.
Die Drehmomentregelungseinrichtung 76 erzeugt das Regelsignal 78. Das Regelsignal 78 wird zusammen mit dem Regelsignal 60 von der Rateregelungseinrichtung 66 und dem Regelsignal 58 von der Winkelregelungseinrichtung 56 im Summator 62 der geregelten Anlage 28 bereitgestellt. Als ein Ergebnis wird das Lenkraddrehmoment in der geregelten Anlage 28 durch deren Eingangssignal 40 geregelt. Die Funktion des Drehmomentregelsignals 78 als ein Teil des Regelsignals 40 besteht in der Bereitstellung der Kompensation des passiven Widerstandsdrehmoments auf der Basis einer Änderung des geschätzten Drehmomentsignals 38. Die Änderung des Drehmomentregelsignals 78 ist von der Drehmomentregelungseinrichtung 76 abhängig. Die Drehmomentregelungseinrichtung 76 ist eine nichtlineare Regelung und kann unter Verwendung einer mathematischen Gleichung und/oder Verweistabelle beschrieben und implementiert werden. Die Drehmomentrückkopplungsschleife, die die Drehmomentregelungseinrichtung 76 umfasst, wird hauptsächlich zur Kompensation des passiven Widerstandsdrehmoments bereitgestellt.
In 3 ist ein Blockschaubild der geregelten Anlage 28 von 2 in vereinfachter Form dargestellt. Die geregelte Anlage 28, die die Lenkeinrichtungen umfasst, kann als ein Regelkreis betrachtet werden. In 3 repräsentiert Block 104 P₁(s) die Übertragungsfunktion zur Erzeugung des Lenkraddrehmoments 108 τ_L auf der Basis des Eingangssignals 105 V und der Lenkradrate 116. Das externe Drehmoment 106 τ_d repräsentiert das Fahrereingabedrehmoment. Es kann als externe Störgröße in der geregelten Anlage betrachtet werden. Block 114 P₂(s) repräsentiert die Übertragungsfunktion zwischen dem effektiven Drehmoment 112 τ_e und der Lenkradrate 116. Die Lenkradrate 116 wird am Block 104 P₁(s) bereitgestellt, so dass ein Regelkreis gebildet wird. Es ist zu beachten, dass das Motorstromsignal 112 in 3 als eine Zwischenvariable in der geregelten Anlage 28 P(s) dargestellt ist. Außerdem ist die durch Block 118 gekennzeichnete Lenkradrate 116 zwecks Bereitstellung eines Lenkradwinkels 122 integriert.
Das Eingangssignal 105 V wird als null angenommen. Wenn der Fahrer des Fahrzeugs das Lenkrad dreht, wird ein externes Drehmoment 106 τ_d in der geregelten Anlage 28 erzeugt. Selbst bei dem Eingangssignal 105 V gleich null kann durch diesen Regelkreis ein Lenkraddrehmoment 108 τ_L erzeugt werden. In dieser Situation ist das Lenkraddrehmoment 108 τ_L ein passives Widerstandsdrehmoment, das durch die im Motor wirkende EMF-Gegenspannung und die große Trägheit aus dem Übersetzungsverhältnis erzeugt wird, wie voranstehend beschrieben.
Wenn das Eingangssignal 105 V nicht gleich null ist, umfasst das Lenkraddrehmoment 108 τ_L ein passives Widerstandsdrehmoment τ_p und ein aktives Drehmoment τ_a. Um ein exakt simuliertes Lenkgefühl zu erhalten, sollte das passive Widerstandsdrehmoment τ_p gedämpft und das erforderliche variable aktive Drehmoment τ_a durch Regelung des Eingangssignal 105 V erreicht werden.
Entsprechend der voranstehenden Beschreibung kann das Lenkraddrehmoment 108 τ_L folgendermaßen dargestellt werden: τL = τp + τa, (3)wobei τ_p das passive Widerstandsdrehmoment und τ_a das aktive Drehmoment repräsentieren. Die bereitgestellte Lenkradregelung kompensiert das passive Widerstandsdrehmoment und erzeugt ein aktives Drehmoment zwecks Erzeugung eines exakt simulierten Lenkgefühls.
In 4 ist ein Blockschaubild der Schätzeinrichtung 72 und der geregelten Anlage 28 dargestellt. Der Lenkradwinkel 122 und die (aus dem Lenkradwinkel berechnete) Lenkradrate 116 im Output der geregelten Anlage 28 werden durch die Schätzeinrichtung 72 empfangen. Außerdem wird der Motorstrom 120 als eine Zwischenvariable der geregelten Anlage 28 an der Schätzeinrichtung 72 bereitgestellt.
Die Schätzeinrichtung 72 enthält eine den Block 124 P_1m(s) und den Block 134 P_2m(s) umfassende Repräsentation der modellierten geregelten Anlage. Der Block 124 P_1m(s) ist eine Übertragungsfunktion zum Modellieren des Blocks 104 P₁(s) der geregelten Anlage 28. Insbesondere repräsentiert der Block 124 P_1m(s) die Beziehung zwischen dem geschätzten Lenkraddrehmoment 132 und zwei Eingangssignalen: die geschätzte Lenkradrate 136 und das Regelsignal 140 vom Ausgang des Summators 144. Der Block 134 P_2m(s) ist eine Übertragungsfunktion zum Modellieren des Blocks 114 P₂(s) der geregelten Anlage 28. Insbesondere repräsentiert Block 134 P_2m(s) die Übertragungsfunktion zwischen dem geschätzten Lenkraddrehmoment 132 und der geschätzten Lenkradrate 136.
Der Lenkradwinkel 122 und der geschätzte Lenkradwinkel 142 werden zwecks Erzeugung eines Winkelfehlersignals 150 am Summator 148 bereitgestellt. Analog werden die Lenkradrate 116 und die geschätzte Lenkradrate 136 zwecks Erzeugung eines Ratefehlersignals 152 am Summator 148 bereitgestellt. Das Winkelfehlersignal 150 und das Ratefehlersignal 152 werden am Schätzeinrichtungskompensator 154 bereitgestellt. Der Output aus dem Schätzeinrichtungskompensator 154 wird zusammen mit dem Motorstromsignal 120 zwecks Erzeugung des Regelsignals 140 der modellierten geregelten Anlage am Summator 144 bereitgestellt. Das Regelsignal 140 und die geschätzte Lenkradrate 136 werden zwecks Erzeugung des geschätzten Lenkraddrehmoments 13 am Block 124 P_1m(s) bereitgestellt. Das geschätzte Lenkraddrehmoment 132 wird zwecks Erzeugung der geschätzten Lenkradrate 136 am Block 134 P_2m(s) bereitgestellt. Die geschätzte Lenkradrate 136 wird zwecks Erzeugung des geschätzten Lenkradwinkels 142 in Block 138 integriert. Anschließend wird in dieser Schätzeinrichtung eine Regelkreisschleife gebildet. Der Output aus dem Schätzeinrichtungskompensator 154 ist zur Verringerung des Winkelfehlersignals 150 und des Ratefehlersignals 152 konfiguriert, so dass der genaue geschätzte Lenkradwinkel 142 und die genaue geschätzte Lenkradrate 136 erhalten werden. Die Parameter des Schätzeinrichtungskompensators 154 sind zum Erreichen dieses Ziels ausgelegt und eingestellt.
Als ein Ergebnis der Anwendung der Schätzeinrichtung 72 wird das geschätzte Lenkraddrehmoment 132 erzielt. Dieses geschätzte Lenkraddrehmoment 132 kann als Rückkopplungssignal der in 2 beschriebenen Drehmomentrückkopplungsschleife, die die Drehmomentregelungseinrichtung 76 und die geregelte Anlage 28 umfasst, verwendet werden.
Unter erneutem Bezug auf 2 besteht die Auslegungsanforderung der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) darin, die Drehmomentrückkopplungsschleife 71 so zu gestalten, dass sie stabil ist, wodurch das passive Widerstandsdrehmoment τ_p gedämpft wird. Da das reale passive Widerstandsdrehmoment τ_p entsprechend der Lenkradrate variiert, ist die Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) eine verstärkungsregelnde nichtlineare Regeleinrichtung, wobei die Lenkradrate ihr Regelsignal ist. Durch die Auslegung der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) und der geeigneten Wahl ihrer Parameter kann die Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) das passive Widerstandsdrehmoment τ_p in der Gleichung (3) wirksam kompensieren.
Unter erneutem Bezug auf 2 wird die Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) zur Erzeugung des erforderlichen aktiven Drehmoments auf der Basis der Änderung des Lenkradwinkels und der entsprechenden Signale verwendet. Die Parameter der Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) können eingestellt werden, um das erforderliche aktive Drehmoment τ_a ohne den Einfluss des in der Gleichung (1) ausgedrückten passiven Widerstandsdrehmoments τ_p zu erhalten. Das Eingangssignal der Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) ist der Fehler e = θ_ref – zwischen dem Lenkradwinkelsignal 30 und dem Lenkradwinkelreferenzsignal 51. Das Ausgangsregelsignal 58 u_r = C_pe ändert sich entsprechend der Anforderung des variablen aktiven Drehmoments. Die Auslegung der Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) sollte die Schleifenstabilität, den Einfluss des passiven Widerstandsdrehmoments und die Anforderungen des aktiven Drehmoments berücksichtigen.
Die Änderung des aktiven Drehmoments stellt ein einstellbares variables Lenkgefühl für den Fahrer bereit. Das aktive Drehmoment τ_a wird durch Änderung der Verstärkung der Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) erreicht. Die Verstärkungsänderung basiert außerdem auf dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 52. Deshalb ist die Winkelregelungseinrichtung 56 eine verstärkungsregelnde nichtlineare Regeleinrichtung.
Die Rateregelungseinrichtung 66 C_r(s) der in 2 dargestellten Lenkradrateschleife ist zur Bereitstellung der Dämpfungsregelung ausgelegt. Sie unterstützt die Winkelregelungseinrichtung 56 C_p(s) durch Erzeugung einer variablen Dämpfung des Lenkradregelungssystems dabei, das Lenkgefühl, die Ansprechzeit und die Rückstellrate des Lenkrads zu verbessern. Die Parameter der Rateregelungseinrichtung 66 C_r(s) ändern sich auf der Basis des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals 52. Deshalb ist sie ebenfalls eine verstärkungsregelnde nichtlineare Regeleinrichtung.
Durch das Lenkradregelungssystem wird außerdem eine Anschlagfunktion bereitgestellt. Die Anschlagfunktion erzeugt einen hohen Wert des Drehmoments im Lenkrad, so dass der Fahrzeugfahrer das Lenkrad nicht bewegen kann, wenn die erforderlichen Anschlagwinkel erreicht sind. Die Anschlagfunktion simuliert den mechanischen Anschlag eines konventionellen Lenksystems. Da das auf dem Getriebemotor basierende Lenkradsystem ein hohes Drehmoment erzeugen kann, wird das Lenkradregelungssystem zum Erzeugen eines hohen Drehmoments verwendet, wenn der Lenkradwinkel größer als der erforderliche Anschlagwinkel ± θ_stop ist. Die Anschlagregelung kann außerdem in anderen in 1 zwischen dem Motor 20 und der Lenkwelle 14 dargestellten ähnlichen Drehmomentübertragungsmechanismen implementiert werden. In 5 ist eine Funktionskurve 160 für das Realisieren der Anschlagfunktion grafisch dargestellt. In 2 ist diese Anschlagfunktion mithilfe der Drehmoment regelungseinrichtung 76 C_τ(s) der Drehmomentrückkopplungsschleife implementiert. Wie in 5 dargestellt, ändert sich der Ausgangswert f₁(θ) mit einer Änderung des Eingangslenkradwinkels θ. Wenn der Lenkradwinkel kleiner als der Anschlagwinkel ± θ_stop ist (in diesem Beispiel ±510), behält der Ausgangswert f₁(θ) den maximalen konstanten Wert ohne Auswirkung auf den Nennregelungsoutput der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s). Wenn der Lenkradwinkel größer als der Anschlagwinkel ± θ_stop ist, wird der Ausgangswert f₁(θ) bei Kurve 160 verringert, so dass das Lenkraddrehmoment durch Regelung des Outputs der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) vergrößert wird.
Da das Lenksystem ein solch hohes aktives Drehmoment erzeugen kann, besteht auch die Möglichkeit, dass ein für den Fahrzeugfahrer zu hohes Drehmoment erzeugt wird. Eine Funktion zum Schutz vor Drehmomentüberschreitung begrenzt die Höhe des Drehmoments, das erzeugt wird, wenn der Fahrer das Lenkrad im Lenkradnennwinkelbereich von zum Beispiel –510° bis +510° dreht. Diese Funktion zum Schutz vor Drehmomentüberschreitung bei Betrieb im Lenkradnennwinkelbereich ist unter Verwendung der Regelungseinrichtung 76 C_τ(s) in der Drehmomentrückkopplungsschleife durch Einstellen der Drehmomentsättigung auf das Ausgangsregelsignal der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) implementiert. In 5 ist eine Funktionskurve 160 für das Realisieren der Funktion zum Schutz vor einer Drehmomentüberschreitung innerhalb des Nennbetriebsbereichs grafisch dargestellt. Wenn der Lenkradwinkel innerhalb des Nennbetriebsbereichs (kleiner als ±510°) liegt, wird das Ausgangsregelsignal der Drehmomentregelungseinrichtung 76 C_τ(s) in dem ein Drehmoment von 5 (Nm) repräsentierenden Bereich f₁(θ) kleiner 1 begrenzt. Mit anderen Worten, jedes Lenkraddrehmoment größer als 5 (Nm) im Lenkradnennbetriebsbereich ±510° wird zur Vermeidung des hohen Drehmoments auf 5 (Nm) begrenzt.
In 6 ist ein Prozess 200 dargestellt, der einen allgemeinen Ablauf beim Betrieb der Lenkradregelung des kabelgestützten Lenksystems zeigt. Der Prozess 200 beginnt in Schritt 201. Das externe Drehmoment τ_d vom Fahrer des Fahrzeugs wird auf das Lenkrad und die geregelte Anlage, die das passive Widerstandsdrehmoment τ_p aufweisen, übertragen. Die Messsignale von der geregelten Anlage und dem Fahrzeug werden in Schritt 202 empfangen. Diese Signale umfassen den Lenkradwinkel, den Motorstrom, Fahrzeuggeschwindigkeitssignale und die berechnete Lenkradrate vom Lenkradwinkel.
In Schritt 203 wird auf der Basis der Messsignale von Schritt 202 das geschätzte Lenkraddrehmomentsignal von der Zustandsschätzeinrichtung E(s) erzeugt. Das geschätzte Lenkraddrehmomentsignal wird in Schritt 204 der Drehmomentregelungseinrichtung C_τ(s) zwecks Bildung der Drehmomentrückkopplungsschleife mit der geregelten Anlage zugeführt.
Die Drehmomentregelungseinrichtung C_τ(s) ist zur Kompensation des passiven Widerstandsdrehmoments in der geregelten Anlage ausgelegt, wie durch Schritt 205 gekennzeichnet ist. Folglich wird in Schritt 211 das Lenkradratesignal aus Schritt 202 der Rateregelungseinrichtung C_r(s) zugeführt, um die Raterückkopplungsschleife mit der geregelten Anlage zu bilden. Die Rateregelungseinrichtung C_r(s) ist zum Erzeugen eines Dämpfungsdrehmoments ausgelegt, um in Schritt 212 das Lenkraddrehmoment und die Lenkradrückstellungsrate zu vergrößern.
Das Lenkradwinkelsignal aus Schritt 202 wird in Schritt 221 der Winkelregelungseinrichtung C_p(s) zugeführt, um die Lenkradwinkelrückkopplungsschleife mit der geregelten Anlage zu bilden. Die Winkelregelungseinrichtung C_p(s) ist zum Erzeugen des aktiven Drehmoments τ_a entsprechend der Lenkradwinkeländerung ausgelegt, wie durch Schritt 222 gekennzeichnet ist. In Schritt 301 werden die Outputs der Schritte 205, 212 und 222 kombiniert, um ein Lenkgefühl aus dem aktiven Drehmoment zu erhalten. Das aktive Drehmoment aus Schritt 301 verursacht eine physische Rückkopplung zur geregelten Anlage in Schritt 201, und der Prozess zum Erzeugen des Drehmoments für das Lenkgefühl wird wiederholt.
Eine mit dem Fachgebiet vertraute Person wird leicht erkennen, dass die voranstehende Beschreibung als eine Darstellung der Implementierung der Erfindung aufzufassen ist. Diese Beschreibung ist nicht als Einschränkung des Geltungsbereichs oder der Anwendung der Erfindung gedacht, insofern als die Erfindung einer Modifikation, Variation oder Änderung unterworfen werden kann, ohne dass vom Sinn der durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Erfindung abgewichen wird.

Claims

Regelungssystem für ein kabelgestütztes Lenksystem mit einem Elektromotor (20) zum Erzeugen eines Rückkopplungsdrehmoments in einem Lenkmechanismus (12), umfassend: – eine zur Kompensation für ein passives Widerstandsdrehmoment des Motors mithilfe einer Drehmomentrückkopplungsschleife (71) ausgelegte Regelungseinrichtung (22), – wobei die Regelungseinrichtung (22) ein Regelsignal (40) zur Regelung eines ein passives Widerstandsdrehmoment τ_p und ein aktives Drehmoment τ_a umfassenden Lenkraddrehmoments τ_L bereitstellt und die Beziehung zwischen dem passiven Widerstandsdrehmoment τ_p, dem aktiven Drehmoment τ_a und dem Lenkraddrehmoment τ_L gegeben ist durch: τL = τp + τa.
Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentrückkopplungsschleife auf einem geschätzten Lenkdrehmomentsignal basiert.
Regelungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschätzte Lenkdrehmoment auf einem Lenkwinkelsignal, einem Lenkwinkelgeschwindigkeitssignal und einem Motorstromsignal basiert.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkwinkelgeschwindigkeitssignal auf der Basis eines Lenkradwinkelsignals berechnet wird.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkradwinkelgeschwindigkeitssignal auf der Basis des Differenzialquotienten des Lenkradwinkelsignals berechnet wird.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche l bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem eine Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife umfasst ist.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife auf einer Lenkradwinkelgeschwindigkeit basiert.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkradwinkelgeschwindigkeit auf der Basis des Lenkradwinkels berechnet wird.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem eine Lenkwinkelrückkopplungsschleife umfasst ist.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwinkelrückkopplungsschleife auf einem Lenkradwinkel und auf einem Lenkradreferenzwinkel basiert.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zum Erzeugen eines hohen Drehmoments ausgelegt ist, um einen mechanischen Anschlag zu simulieren, wenn der Lenkradwinkel größer als ± θ_stop, der erforderliche Anschlagwinkel, ist.
Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zum Verhindern einer Drehmomentüberschreitungsbedingung durch Einstellung eines Drehmomentsättigungsgrads konfiguriert ist.