DE102007021625A1

DE102007021625A1 - Verfahren zur Initialisierung des Fahrerlenkwinkels an einem zweispurigen Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007021625A1
Application number: DE102007021625A
Authority: DE
Inventors: Peter Korti; Martin Krenn; Bernd Sternecker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: DE102007021625B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Initialisierung des Fahrerlenkwinkels an einem zweispurigen Kraftfahrzeug, das mit einem Lenksystem mit elektromotorischer Lenkmomentunterstützung ausgerüstet ist, wobei auf einen nicht-multiturnfähigen Winkelsensor zugegriffen wird und weiterhin zumindest eine fahrdynamische Kenngröße berücksichtigt wird. Konkret wird der Rotor-Lagewinkel des die Lenkmomentunterstützung bereitstellenden Elektromotors unter Berücksichtigung des bekannten Übersetzungsverhältnisses auf einen Relativ-Fahrerlenkwinkel zurückgerechnet und kontinuierlich aufintegriert, wobei sich der Relativ-Fahrerlenkwinkel um einen Offset vom tatsächlichen sog. Absolut-Fahrerlenkwinkel unterscheidet, und es wird dieser Offset unter Rückgriff auf einen sog. Modell-Lenkwinkel bestimmt, der aus der Ackermann-Formel, die im Wesentlichen den Lenkwinkel eines Fahrzeug-Rads zu einem Gierraten-Signal und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Relation setzt, ermittelt. Wenn möglich wird weiterhin das sog. Indexsignal eines im mechanischen Lenkstrang verbauten Drehmomentsensors, der, ausgehend von einem Absolut-Fahrerlenkwinkel von 0°, bei jeweils einer vollständigen Umdrehung einen Impuls abgibt, berücksichtigt, derart, dass bei Auftreten dieses Impulses nur eines von fünf möglichen Lenkwinkel-Segmenten zutreffend sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Initialisierung des Fahrerlenkwinkels an einem zweispurigen Kraftfahrzeug, das mit einem Lenksystem mit elektromotorischer Lenkmomentunterstützung ausgerüstet ist, wobei auf einen nicht-multiturnfähigen Winkelsensor zugegriffen wird und weiterhin zumindest eine fahrdynamische Kenngröße berücksichtigt wird. Zum bekannten Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 195 08 607 C1 verwiesen.
Grundsätzlich bekannt ist es, dass auch mithilfe eines nicht-multiturnfähigen Dreh-Winkelsensors im Lenkstrang eines Fahrzeugs, der – jedenfalls soweit es das Lenkrad und die sich daran anschließende Lenkspindel betrifft – bis zu vier vollständigen Umdrehungen (nämlich von „–720°" bis „+720°") ausführen kann, der tatsächliche, sog. absolute Fahrerlenkwinkel dadurch bestimmt werden kann, dass das Segment der vollen Lenkrad-Umdrehungen zum Zeitpunkt der Initialisierung ermittelt wird und von da an alle vollständigen Durchläufe des Sensormessbereichs mitgezählt werden. Der aktuelle Stand der Technik benutzt hierbei zum Initialisieren, d. h. zum sog. Aufsetzen des Fahrerlenkwinkels eine der beiden folgenden Verfahren:
So kann der Lenkwinkelsensor im Stillstand des Fahrzeugs initialisiert werden, indem der Fahrer das Lenkrad vom rechten Anschlag in den linken Anschlag oder vom linken Anschlag zum rechten Anschlag dreht, wobei sich eine feste Anzahl an Nulldurchgängen des Lenkrads ergeben. Danach kann eine exakte Umdrehungssegmentzuordnung eindeutig festgelegt werden.
Alternativ kann der Lenkwinkelsensor im Fahrbetrieb des Fahrzeugs initialisiert werden, indem ein Initialisierungsalgorithmus von Sensoren erfasste fahrdynamische Größen in Form der Drehgeschwindigkeiten der lenkbaren Fahrzeug-Räder sowie einen sog. Relativlenkwinkel, der durch das kontinuierlich aufintegrierte Winkelsignal des nicht-multiturnfähigen Dreh-Winkelsensors gebildet ist, zur Zuordnung eines konkreten Umdrehung-Segments (aus den möglichen Umdrehungssegmenten des Lenkrads) benutzt. Besonders zuverlässig lässt sich dieses Verfahren durchführen, wenn sich die lenkbaren Fzg.-Räder in Geradeausstellung (diese entspricht einem Lenkwinkel von 0°) befinden und somit – jedenfalls bei identischem Rad-Durchmesser – praktisch keine Drehzahlunterschiede aufweisen. Mit ausreichender Zuverlässigkeit funktioniert dieses Verfahren jedoch nur für Drehwinkel-Sensoren, die direkt im Lenkstrang angeordnet sind und demzufolge – ebenso wie das Lenkrad – nur maximal vier vollständige Umdrehungen ausführen.
Vorliegend wurde jedoch erkannt, dass ein solcher eigenständiger Drehwinkel-Sensor im Lenkstrang eines Fahrzeugs mit einem die Lenkmomentunterstützung bereitstellenden Elektromotor nicht weiter erforderlich ist, da grundsätzlich auf den ebenfalls messbaren und für die geeignete Ansteuerung dieses Elektromotors bereits mittels eines Winkelsensors gemessenen Rotor-Lagewinkel dieses Elektromotors zugegriffen werden kann, um daraus den genannten Absolut-Fahrerlenkwinkel zu ermitteln. Das Problem einer Initialisierung hierfür besteht jedoch darin, dass eine vollständige 360°-Umdrehung des Rotors des Lenkmoment-Unterstützungs-Elektromotors (dieser wird im weiteren EPS-Motor genannt) einer Drehung des Lenkrads um etwa lediglich 18° entspricht. Somit ergeben sich bei einem abzudeckenden Lenkwinkelbereich von –720° bis +720° aufgrund der Positionierung der 0°-Marke in der Mitte eines Segments sowie rechtsseitig und linksseitig desselben in Summe 81 sog. Lenkwinkel-Segmente, von denen das aktuelle Segment zur Zeit der Initialisierung ermittelt werden muss.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik, d. h. ein geeignetes Initialisierungs-Verfahren hierfür aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor-Lagewinkel des die Lenkmomentunterstützung bereit stellenden Elektromotors unter Berücksichtigung des bekannten Übersetzungsverhältnisses auf einen Relativ-Fahrerlenkwinkel zurückgerechnet wird und dieser aufintegriert wird, wobei sich der Relativ-Fahrerlenkwinkel vom tatsächlichen sog. Absolut-Fahrerienkwinkel um einen Offset unterscheidet, und dass dieser Offset unter Rückgriff auf einen sog. Modell-Lenkwinkel bestimmt wird, der aus der Ackermann-Formel, die im wesentlichen den Lenkwinkel eines Fahrzeug-Rads zu einem Gierraten-Signal und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Relation setzt, ermittelt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Bei einem Fahrzeug mit elektrischer Lenkunterstützung (und somit mit einem EPS-Motor) wird also ein sog. Relativ-Fahrerlenkwinkel, der sich um einen (additiven) Offset vom sog. Absolut-Fahrerlenkwinkel unterscheiden kann, nicht von einem separaten Drehwinkelsensor, der im bekannten Stand der Technik nahe des Lenkrads im oder am mechanischen Lenkstrang vorgesehen ist, erfasst, sondern es wird der bereits mitttels eines Winkelsensors im EPS-Motor ermittelte Rotorlagewinkel des EPS-Motors auf das Lenkrad und somit auf den Fahrerlenkwinkel zurückgerechnet. Dabei wird – zumindest dann, wenn mit einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs noch kein sicher ermittelter Offset vorliegt, in der Praxis für die Ansteuerung des EPS-Motors jedoch fortlaufend – der aus dem Rotor-Lagewinkel des EPS-Motors unter Berücksichtigung des bekannten Übersetzungsverhältnisses zwischen Fahrer-Lenkwinkel und Rotor-Lagewinkel zurückgerechnete sog. Relativ- Fahrerlenkwinkel aufintegriert bzw. es werden die vollen Umdrehungen des EPS-Rotors mitgezählt und somit ein relativer Lenkwinkel ermittelt, der jedoch noch einen Offset zum tatsächlichen sog. Absolut-Fahrerlenkwinkel aufweisen kann bzw. wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Rotor-Lagewinkel oder der aus diesem umgerechnete Fahrerlenkwinkel aufintegriert wird und danach oder zuvor die Umrechung zwischen Rotor-Lagewinkel und Fahrer-Lenkwinkel erfolgt, d. h. ob zunächst die Integration und dann das Umrechnen oder zunächst das Umrechnen und dann die Integration erfolgt.
Zur Ermittlung des genannten Offsets wird erfindungsgemäß auf einen Modell-Lenkwinkel zugegriffen, der sich aus einem für die Ansteuerung von Fahrdynamik-Regelsystemen bereits im Fahrzeug vorgesehenen Fahrzeug-Rechenmodell, was dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, ergibt. Vorgeschlagen wird hier die Verwendung der sog. Ackermann-Formel, die bekanntlich den Lenkwinkel am lenkbaren Fzg.-Rad zur gemessenen Gierrate des Fahrzeugs sowie dessen Fahrgeschwindigkeit in Relation setzt. Bekanntlich errechnet sich der Rad-Lenkwinkel (LWR) unter Berücksichtigung der mittels eines geeigneten Sensors ermittelten Gierrate (dPSI/dt) und der Ist-Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs sowie von dessen Radstand L und dessen sog. charakteristischer Geschwindigkeit (vchar) wie folgt, wobei das Zeichen „·" für eine Multiplikation, das Zeichen „/" für eine Division, das Zeichen „+" für eine Addition und „x²" für die Quadratfunktion steht: LWR = ((dPSI/dt)/v)·L·(1 + (v2/vchar2)).
Zur sog. charakteristischen Geschwindigkeit (vchar) sei an dieser Stelle nur beispielsweise kurz auf die DE 197 24955 C2 verwiesen).
Ausreichende Genauigkeit sowie insbesondere einen ausreichend stationären Zustand (= „stabile Fahrt" des Fahrzeugs) vorausgesetzt liefert diese Ackermann-Gleichung also einen aktuellen Rad-Lenkwinkel, der über das ebenfalls bekannte Übersetzungsverhältnis in einen Modell-Lenkwinkel (= Modell-Fahrer-Lenkwinkel) umgerechnet werden kann. Damit stünde zumindest theoretisch bereits die Zuordnung zwischen dem Rotor-Lagewinkel des EPS-Motors und dem tatsächlichen Absolut-Fahrer-Lenkwinkel fest.
Allerdings ist zumeist weder das Fahrzeug-Modell, mittels dessen der Modell-Lenkwinkel bestimmt wird, ausreichend genau, noch ist die Ackermann-Formel unter allen Fahrzuständen gültig bzw. nutzbar. Letzteres kann dadurch Berücksichtigung befinden, dass die Ackermann-Formel nur oberhalb einer Mindest-Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und bei Vorliegen einer Querbeschleunigung, die unterhalb einer Maximal-Querbeschleunigung liegt, genutzt wird. Ferner sollte die Ackermann-Formel im wesentlichen nur bei stabiler Fahrt des Fahrzeugs genutzt werden, bspw. oder insbesondere wenn die gemessene reale Querbeschleunigung des Fahrzeugs mit der anhand des genannten, zu Grunde gelegten Modells rechnerisch ermittelten Querbeschleunigung im wesentlichen übereinstimmt.
Bevorzugt wird jedoch ein weiteres, grundsätzlich bereits zur Verfügung stehendes und eine hilfreiche Information für die Zuordnung des ermittelten Relativ-Lenkwinkels zu einem Lenkwinkel-Segment lieferndes Signal ausgewertet. Bei diesem Signal handelt es sich um das sog. Indexsignal eines im mechanischen Lenkstrang verbauten Drehmomentsensors, der bekanntlich bei einer vollständigen Umdrehung einen Impuls abgibt. Dieses Indexsignal kann nun dahingehend berücksichtigt werden, dass bei Auftreten des besagten Impulses nur eines von fünf möglichen Lenkwinkel-Segmenten zutreffend sein kann, denn wie bereits eingangs erläutert kann der mechanische Lenkstrang nur vier vollständige Umdrehungen ausführen, von denen ein Segment der Mittelstellung (= 0° Absolut-Lenkwinkel) entspricht und jeweils zwei vollständige Umdrehungen nach links und rechts möglich sind. Berücksichtigt man weiterhin den aus der Ackermann-Gleichung ermittelten Lenkwinkel, so sollte sich alleine mit diesen beiden Informationen, nämlich dem errechneten Modell-Lenkwinkel und dem genannten Indexsignal der Rotor-Lagewinkel exakt einem Fahrer-Lenkwinkel zuordnen lassen.
Wenn der den Rotor-Lagewinkel des ESP-Motors ermittelnde Winkelsensor sowie eine elektronische Steuereinheit, in welcher der aus dem Rotor-Lagewinkel zurückgerechnete Fahrer-Lenkwinkel aufintegriert wird, dauerbestromt sind bzw. jedenfalls dann, wenn das Lenkrad verdreht wird, bestromt sind, so muss die soweit beschriebene Initialisierung des Fahrerlenkwinkels nur einmal erfolgen, nämlich bis ausgehend von einem Ursprungszustand ein mit ausreichender Sicherheit oder Genauigkeit ermittelter Offset vorliegt. Danach ist diese Prozedur nur dann wieder durchzuführen, wenn aufgrund einer Stromunterbrechung (bspw. in Folge eines „Abklemmens" der elektrischen Fahrzeug-Batterie) keine kontinuierliche Überwachung hinsichtlich einer Verdrehung des Lenkrads möglich war.
Was die Feststellung darüber betrifft, ob der Wert des Offset mit ausreichender Sicherheit oder Genauigkeit ermittelt ist, so können hierfür sich im Laufe der Offset-Ermittlung ergebende unterschiedliche Offset-Werte klassifiziert werden und es kann das Kriterium für eine Auswahl des zutreffenden Offset-Werts von der Qualität der Randbedingungen, unter denen die Offset-Werte ermittelt wurden, abhängig sein.
Konkret können sich bei der Durchführung des soweit beschriebenen Verfahrens jedenfalls dann, wenn nicht auf das Indexsignal eines Drehmomentsensors zugegriffen werden kann, verschiedene Offset-Werte als ganzzahlige Vielfache eines Winkelsegments (von vgl. oben 18°) des Rotor-Lagewinkelsensors (18°) plus/minus Toleranz ergeben. Wenn zugleich der Abstand des Lenkwinkels zur Segmentmitte sowie der Gradient der Abweichung des Modell-Lenkwinkels von einem unter Zugrundelegung eines bis dahin mittels geschätzten Offset-Werten ermittelten, noch nicht ausreichend genau bestimmten Absolut-Lenkwinkel kleiner als bestimmte Schwellwerte sind, so kann für einen konkret ermittelten Offset-Wert ein Zähler für diesen Offset-Wert um den Wert „1" inkrementiert werden. Im Falle, dass im vorhergehenden Schritt ein anderer Offset-Wert ermittelt wurde und dessen zugehörige Zähler ungleich Null ist, wird der Zähler des vorherigen Offset-Wertes um den Wert 2 verringert. Auf diese Weise werden die verschiedenen ermittelten Offset-Werte klassifiziert. Dieses Prozedere wird nun solange durchgeführt, bis der genannte Zähler eines Offset-Wertes bspw. den Wert „300" erreicht. Der zugehörige Offset-Wert wird dann als ein ausreichend sicher und genau ermittelter Offset-Wert betrachtet.
Wenn kleinere Schranken als die im vorhergehenden Absatz genannten Schwellwerte bei der Ermittlung des oder der Offset-Werte(s) eingehalten werden und somit die Qualität der Randbedingungen, unter denen dieser oder diese Offset-Wert(e) ermittelt wurde(n) sehr hoch liegt, so kann die Durchführungs-Dauer des beschriebenen Verfahrens verkürzt werden, indem anstelle des im vorhergehenden Absatz genannten Wertes von „300", den ein Zähler erreichen muss, vorrangig schrittweise ein immer niedrigerer Wert, bspw. minimal der Wert „100", gesetzt wird, jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets wird jedenfalls dann, wenn ein Zähler die festgesetzte Aufsetzdauer erreicht hat, der Fahrerlenkwinkel initialisiert und der zum Zähler zugehörige Offsetwert an eine entsprechende elektronische Steuereinheit zur Korrektur zurückgegeben, sodass diese sodann den tatsächlichen Absolut-Fahrerlenkwinkel ausgeben kann, der auf einfache Weise mittels des im EPS-Motor vorhandenen Rotor-Lagewinkelsensors ermittelt wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19508607 C1 [0001]
- DE 19724955 C2 [0009]

Claims

Verfahren zur Initialisierung des Fahrerlenkwinkels an einem zweispurigen Kraftfahrzeug, das mit einem Lenksystem mit elektromotorischer Lenkmomentunterstützung ausgerüstet ist, wobei auf einen nicht-multiturnfähigen Winkelsensor zugegriffen wird und weiterhin zumindest eine fahrdynamische Kenngröße berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor-Lagewinkel des die Lenkmomentunterstützung bereit stellenden Elektromotors unter Berücksichtigung des bekannten Übersetzungsverhältnisses auf einen Relativ-Fahrerlenkwinkel zurückgerechnet wird und dieser aufintegriert wird, wobei sich der Relativ-Fahrerlenkwinkel vom tatsächlichen sog. Absolut-Fahrerlenkwinkel um einen Offset unterscheidet, und dass dieser Offset unter Rückgriff auf einen sog. Modell-Lenkwinkel bestimmt wird, der aus der Ackermann-Formel, die im wesentlichen den Lenkwinkel eines Fahrzeug-Rads zu einem Gierraten-Signal und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Relation setzt, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin das sog. Indexsignal eines im mechanischen Lenkstrang verbauten Drehmomentsensors, der ausgehend von einem Absolut-Fahrerlenkwinkel von 0° bei jeweils einer vollständigen Umdrehung einen Impuls abgibt, berücksichtigt wird, derart, dass bei Auftreten dieses Impulses nur eines von fünf möglichen Lenkwinkel-Segmenten zutreffend sein kann.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ackermann-Formel nur oberhalb einer Mindest-Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und bei Vorliegen einer Querbeschleunigung, die unterhalb einer Maximal-Querbeschleunigung liegt, genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ackermann-Formel im wesentlichen nur bei stabiler Fahrt des Fahrzeugs genutzt wird, insbesondere wenn die gemessene reale Querbeschleunigung des Fahrzeugs mit der anhand eines Modells rechnerisch ermittelten Querbeschleunigung im wesentlichen übereinstimmt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Laufe der Offset-Ermittlung ergebende unterschiedliche Offset-Werte klassifiziert werden und dass das Kriterium für eine Auswahl des zutreffenden Offset-Werts von der Qualität der Randbedingungen, unter denen die Offset-Werte ermittelt wurden, abhängig ist.