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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lenkradaktuators
in einem „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystem.
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Elektrische
Fahrzeuglenksysteme, zu denen insbesondere auch „Steer-by-Wire"-Lenkungen
zählen, sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksysteme
zeichnen sich dadurch aus, daß zwischen einer Lenkhandhabe
(z. B. einem Lenkrad) und lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs
kein mechanischer Durchtrieb besteht. Dies bedeutet mit anderen
Worten, daß eine manuell aufgebrachte Lenkbewegung nicht
durch eine mechanische Kopplung, sondern ausschließlich elektronisch
an die lenkbaren Räder übertragen wird. In der
Regel weisen die „Steer-by-Wire"-Systeme zwei Aktuatoren
auf, wobei der eine Aktuator mit einem Radwinkelsteller gekoppelt
ist, um die lenkbaren Räder zu betätigen, und
wobei der andere Aktuator mit dem Lenkrad gekoppelt ist, um ein
gewünschtes Moment als Rückmeldung für
den Fahrer zu generieren. Das am Lenkrad spürbare Moment
wirkt gewöhnlich in Richtung einer Lenkradmittenstellung,
d. h. einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs. Ein Verfahren zur Steuerung
dieses Lenkrad-Rückstellmoments ist in der
US 5,828,972 A beschrieben.
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In
jüngerer Zeit gibt es Bestrebungen, eine automatische Spurhaltefunktion
in bestehende Fahrzeuglenksysteme zu integrieren. Lenksysteme mit automatischer
Spurhaltefunktion erfassen den Fahrbahnverlauf und steuern nachfolgend
die lenkbaren Räder des Fahrzeugs so an, daß sich
das Fahrzeug innerhalb eines vorbestimmbaren Fahrbahnbereichs bewegt,
ohne daß die Lenkung manuell betätigt werden muß.
Ein derartiges Spurhaltesystem für Fahrzeuge ist beispielsweise
in der
EP 0 640 003
B1 offenbart.
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Bei
elektromechanischen Fahrzeuglenksystemen, d. h. elektrischen Lenkungen,
bei denen zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern
eine mechanische Kopplung besteht, ist die Kombination des Lenkrad-Rückstellmoments
und des am Lenkrad spürbaren Spurhaltemoments einfach möglich,
da das Rückstellmoment aus der mechanischen Kopplung mit
den lenkbaren Fahrzeugrädern erzeugt und das Lenkrad-Spurhaltemoment
elektronisch generiert wird. In der
DE 197 38 763 C2 sowie in der
DE 198 41 709 A1 sind bereits
derartige elektromechanische Lenksysteme beschrieben.
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Bei „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystemen muß hingegen
sowohl das Rückstellmoment als auch das Spurhaltemoment
elektronisch generiert werden. Auf Grundlage dieser generierten
Werte ist ein Lenkradaktuator anschließend so anzusteuern,
daß er eine am Lenkrad spürbare, gewünschte
Stellgröße aufbringt. In der Praxis hat es sich
jedoch als schwierig erwiesen, die beiden elektronisch generierten
Momente so zu verarbeiten, daß die resultierende Stellgröße
ein gewünschtes, insbesondere stabiles Systemverhalten
des Fahrzeuglenksystems sicherstellt.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einem elektronisch generierten
Rückstellmoment sowie einem elektronisch generierten Spurhaltemoment
eine Stellgröße zur Ansteuerung des Lenkradaktuators
so zu bestimmen, daß ein „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystem
eine gewünschte, insbesondere eine stabile Systemfunktion aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Lenkradaktuators in einem „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystem
mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) es werden
ein Rückstellmoment-Grundwert und ein Spurhaltemoment-Grundwert
ermittelt;
- b) es wird ein Lenkmoment ermittelt;
- c) abhängig vom Lenkmoment werden ein erster Gewichtungsfaktor
und ein zweiter Gewichtungsfaktor bestimmt;
- d) ausgehend vom Rückstellmoment-Grundwert sowie ausgehend
vom Spurhaltemoment-Grundwert wird jeweils mit Hilfe des ersten
Gewichtungsfaktors und/oder des zweiten Gewichtungsfaktors ein modifiziertes
Rückstellmoment sowie ein modifiziertes Spurhaltemoment
ermittelt;
- e) aus dem modifizierten Rückstellmoment und dem modifizierten
Spurhaltemoment wird eine Stellgröße für
den Lenkradaktuator bestimmt;
- f) der Lenkradaktuator wird entsprechend der Stellgröße
angesteuert.
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Durch
diese Überlagerung der beiden Momentengrundwerte mittels
zweier lenkmomentabhängiger Gewichtungsfaktoren wird mit
geringem Aufwand eine Stellgröße für
den Lenkradaktuator ermittelt, die Systeminstabilitäten
verhindert und insgesamt ein gewünschtes Systemverhalten
gewährleistet.
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Zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsvariante
beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
ist. In diesen zeigen:
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1 ein
stark vereinfachtes Ablaufschema zur Bestimmung der Stellgröße
für einen Lenkradaktuator in einem „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystem;
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2 eine
Detailskizze des Ablaufschemas gemäß 1,
in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung
des Lenkradaktuators dargestellt ist;
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3 eine
Funktion zur Bestimmung eines ersten Gewichtungsfaktors in Abhängigkeit
von einem ermittelten Lenkmoment;
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4 ein
Ablaufschema zur Bestimmung eines zweiten Gewichtungsfaktors in
Abhängigkeit von der Zeit und einem ermittelten Lenkmoment;
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5 einen
Teilprozeß des Ablaufschemas gemäß 4 im
Detail; und
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6a bis 6d vier
zeitabhängige Graphen, die eine Simulation zur Bestimmung
des zweiten Gewichtungsfaktors veranschaulichen.
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Die 1 zeigt
stark vereinfacht ein Ablaufschema zur Ansteuerung eines Lenkradaktuators 10 in
einem „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksystem 12. Das
Lenksystem 12 umfaßt dabei eine bekannte Steuereinheit 14 zur
Bestimmung eines Rückstellmoment-Grundwerts MRSM und
eine bekannte Steuereinheit 16 zur Bestimmung eines Spurhaltemoment-Grundwerts
MSHM. Die Momentengrundwerte MRSM,
MSHM werden in einem Steuerungsverfahren 18 überlagert
und zu einer einzigen Stellgröße MEM für den
Lenkradaktuator 10 verarbeitet. Vorzugsweise ist der Lenkradaktuator 10 ein
Elektromotor, der abhängig von seiner Bestromung ein Motormoment
als Stellgröße MEM bereitstellt.
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Im
folgenden wird anhand der 2 bis 6 genauer
auf das Steuerungsverfahren 18 eingegangen.
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Analog
zu 1 zeigt auch die 2 das Ablaufschema
zur Ansteuerung des Lenkradaktuators 10, bei dem ausgehend
vom Rückstellmoment-Grundwert MRSM und
dem Spurhaltemoment-Grundwert MSHM die Stellgröße
MEM für den Lenkradaktuator 10 ermittelt
wird, wobei jedoch das Steuerungsverfahren 18 zur Überlagerung
der Momentengrundwerte MRSM, MSHM detaillierter
dargestellt ist. Abhängig von einem Lenkmoment Msens werden zunächst in einem ersten
Verarbeitungsprozeß 20 ein erster Gewichtungsfaktor
K1 und in einem weiteren Verarbeitungsprozeß 22 ein
zweiter Gewichtungsfaktor K2 bestimmt, wobei
der zweite Gewichtungsfaktor K2 in der vorliegenden
Ausführungsvariante gemäß 2 zusätzlich
von der Zeit t abhängt. Das Lenkmoment Msens wird
dabei fortwährend in bekannter Art und Weise von einem
Lenkmomentsensor (nicht gezeigt) ermittelt. Auf die Verarbeitungsprozesse 20, 22 zur
Bestimmung der für die Kombination der Momentengrundwerte
MRSM, MSHM maßgeblichen
Gewichtungsfaktoren K1, K2 wird
später bei der Beschreibung zu den 3 bis 6 noch
genauer eingegangen.
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Ausgehend
vom Rückstellmoment-Grundwert M
RSM wird
mit Hilfe des ersten Gewichtungsfaktors K
1 ein
modifiziertes Rückstellmoment M
RSM,mod bestimmt.
Konkret wird aus dem ersten Gewichtungsfaktor K
1 über
eine Rückstellmoment-Deaktivierungsbedingung
24 ein
dritter Gewichtungsfaktor K
3 aus dem ersten
Gewichtungsfaktor K
1 sowie aus einem optionalen,
nachgeschalteten Tiefpaßfilter
26 ein Filterfaktor
K
4 ermittelt. Es gilt:
wobei der dritte Gewichtungsfaktor
K
3 eine Boole'sche Variable ist, die abhängig
vom ersten Gewichtungsfaktor K
1 den Wert
1 oder den Wert 0 annimmt, und wobei das Tiefpaßfilter
26 durch
den Filterfaktor K
4 = Ω / s+Ω repräsentiert
wird, bei dem Ω die Filterfrequenz und s die Laplace-Variable
ist.
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Mit
dem dritten Gewichtungsfaktor K3 und dem
(optionalen) Filterfaktor K4 läßt
sich das modifizierte Rückstellmoment MRSM,mod im
weiteren wie folgt berechnen: MRSM,mod =
K3·K4·MRSM.
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Darüber
hinaus läßt sich gemäß 2 ausgehend
vom Spurhaltemoment-Grundwert MSHM mit Hilfe
des ersten Gewichtungsfaktors K1 und des
zweiten Gewichtungsfaktors K2 das modifizierte
Spurhaltemoment MSHM,mod ermitteln, wobei
gilt: MSHM,mod = K1(Msens)·K2(Msens)MSHM.
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Die
gewünschte Stellgröße MEM für
den Lenkradaktuator 10 ergibt sich dann schließlich
als Summe aus dem modifizierten Rückstellmoment MRSM,mod und dem modifizierten Spurhaltemoment MSHM,mod: MEM =
MRSM,mod + MSHM,mod.
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Der
Lenkradaktuator 10 wird schließlich so angesteuert,
daß er die Stellgröße MEM am
Fahrzeuglenkrad bereitstellt. Der Fahrer spürt dadurch
ein elektrisch erzeugtes Stellmoment, welches bei betragsmäßig
niedrigen Lenkmomenten Msens durch das Spurhaltemoment
MSHM und bei großen Lenkmomenten
Msens im wesentlichen durch das Rückstellmoment
MRSM bestimmt wird. In einem Übergangsbereich
zwischen betragsmäßig kleinen Lenkmomenten Msens und betragsmäßig großen
Lenkmomenten Msens findet eine definierte
Komponentenüberlagerung statt, d. h. die Stellgröße
MEM wird sowohl durch das Rückstellmoment
MRSM als auch durch das Spurhaltemoment
MSHM bestimmt. Dieses gewünschte Verhalten
des Fahrzeuglenksystems 12 wird durch eine geeignete Wahl
der Gewichtungsfaktoren K1, K2 ermöglicht.
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Der
Verarbeitungsprozeß 20 zur Bestimmung des ersten
Gewichtungsfaktors K1 wird nun anhand von 3 näher
erläutert. Die 3 zeigt eine Funktion K1(Msens), aus der
sich der erste Gewichtungsfaktors K1 ausschließlich
in Abhängigkeit vom ermittelten Lenkmoment Msens berechnen
bzw. ablesen läßt. Gemäß 3 ist
die Funktion K1(Msens)
abschnittsweise linear. Ausgehend von einem Lenkmoment Msens = 0 nimmt der erste Gewichtungsfaktor
K1 bei steigendem Lenkmoment Msens bis
zum Erreichen eines ersten vorgegebenen Lenkmoments Msens,1 einen
vorgegebenen Maximalwert K1,max an. Zwischen dem
ersten vorgegebenen Lenkmoment Msens,1 und einem
zweiten vorgegebenen Lenkmoment Msens,2 fällt
der erste Gewichtungsfaktor K1 vom Maximalwert K1,max linear auf einen Minimalwert K1,min und behält diesen Minimalwert
K1,min zwischen dem zweiten vorgegebenen
Lenkmoment Msens,2 und einem dritten vorgegebenen
Lenkmoment Msens,3 konstant bei.
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Die 4 zeigt
detailliert den Verarbeitungsprozeß 22 zur Bestimmung
des zweiten Gewichtungsfaktors K2. Der Verarbeitungsprozeß 22 beinhaltet
einen Teilprozeß 28, der die gemessene Zeit t, das
sensierte Lenkmoment Msens sowie einen vorgegebenen
oberen Schwellenwert Msens,o und einen vorgegebenen
unteren Schwellenwert Msens,u des Lenkmoments
Msens als Eingangsgrößen
benötigt. In dem Teilprozeß 28 werden
diese Eingangsgrößen verarbeitet und eine Startzeit
t0 sowie eine Boole'sche Variable F1 ermittelt. Auf den genauen Ablauf des Teilprozesses 28 wird
nachfolgend bei der Beschreibung zu 5 noch genauer
eingegangen. Aus der Differenz zwischen der gemessenen Zeit t und
der Startzeit t0 wird eine Zeitspanne berechnet,
die anschließend mit der Boole'schen Variablen F1, d. h. also konkret mit dem Faktor 0 oder
1, multipliziert wird. Aus dieser Berechnung resultiert ein Zeitraum Δt,
der insbesondere für F1 = 0 auch
den Wert 0 annehmen kann. Dieser Zeitraum Δt wird schließlich
mit einem vorgegebenen Zeitraum Δt verglichen, wobei gilt: K2(Msens)
= 1, falls Δt > Δtx und K2(Msens) = 0, falls Δt ≤ Δtx.
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Die 5 zeigt
den Ablauf des Teilprozesses 28 gemäß 4,
in welchem die Startzeit t0 und die Boole'sche
Variable F1 bestimmt werden. Nach dem Start
wird der Wert t0 initialisiert und die Variable
F1 = 0 gesetzt. Falls für das sensierte
Lenkmoment Msens eine erste Bedingung Msens < Msens,o ∧ Msens > Msens,u erfüllt ist, wird die
Startzeit t0 auf die aktuell gemessene Zeit
t gesetzt und der Variablen F1 der Wert
1 zugeordnet. Falls das Lenkmoment Msens nicht
zwischen den beiden vorgegebenen Schwellenwerten Msens,o,
Msens,u liegt, bleibt die Startzeit t0 konstant und die Boole'sche Variable F1 behält den Wert 0 bei.
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Für
den Fall, daß die erste Bedingung erfüllt ist,
wird im folgenden überprüft, ob für das
ermittelte Lenkmoment Msens eine zweite
Bedingung Msens ≥ Msens,o ∨ Msens ≤ Msens,u erfüllt ist. Solange
diese zweite Bedingung nicht erfüllt ist, behält
die Boole'sche Variable F1 den Wert 1 bei
und die Startzeit t0 bleibt konstant. Falls
die zweite Bedingung erfüllt ist, wird der ersten Variablen
F1 der Wert 0 zugewiesen und im folgenden
wieder die erste Bedingung überprüft.
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Zur
Bestimmung des zweiten Gewichtungsfaktors K2 gemäß den 4 und 5 wurde
eine Simulation durchgeführt, die den abstrakten Verarbeitungsprozeß 22 veranschaulicht.
Diese Simulation wird nun anhand der 6a bis
d erläutert.
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Die 6a zeigt ein Diagramm, bei dem das sensierte
Lenkmoment Msens über der Zeit
t aufgetragen ist. Eingezeichnet sind der obere Schwellenwert Msens,o, der beispielhaft mit 0,6 Nm vorgegeben
ist, und der untere Schwellenwert Msens,u,
der beispielhaft mit –0,4 Nm vorgegeben ist. Die Schwellenwerte Msens,o, Msens,u definieren
damit ein Lenkmomentenband 30, in dem betragsmäßig
kleine Lenkmomente Msens liegen.
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Das
Lenkmoment Msens ist im vorliegenden Beispiel
gemäß 6a mit einem
gedämpften, sinusförmigen Verlauf um seinen Nullpunkt
vorgegeben und weist mehrere Schnittstellen mit dem Lenkmomentenband 30 auf.
An diesen Schnittstellen steigt das Lenkmoment Msens über
bzw. fällt unter die jeweils vorgegebenen Schwellenwerte
Msens,o, Msens,u.
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Die 6b zeigt ein Diagramm, in dem die Startzeit
t0 über der Zeit t aufgetragen
ist, wobei die Startzeit t0 zunächst
mit t0 = 0 vorgegeben ist. Im folgenden
ist gut zu erkennen, daß die Startzeit t0 bei
jedem Eintritt des Lenkmoments Msens in
das Lenkmomentenband 30 sprunghaft auf die aktuelle Zeit
t springt und im übrigen konstant bleibt (vgl. auch 5).
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Die 6c zeigt ein Diagramm, bei dem der Zeitraum Δt über
der Zeit t aufgetragen ist, wobei gilt: Δt
= (t – t0)·F1 (vgl.
auch 4).
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Schließlich
zeigt die 6d ein Diagramm, bei dem
der zweite Gewichtungsfaktor K2 in Abhängigkeit
von der Zeit t aufgetragen ist. Dabei wird deutlich, daß der
zweite Gewichtungsfaktor K2 im wesentlichen
einen ersten Wert W1 annimmt, solange sich das
Lenkmoment Msens innerhalb des vorgegebenen Lenkmomentenbands 30 befindet,
und einen zweiten Wert W2, solange sich
das Lenkmoment Msens außerhalb
des vorgegebenen Lenkmomentenbands 30 befindet. Bei detaillierter
Betrachtung ist jedoch zu erkennen, daß dem zweiten Gewichtungsfaktor
K2 beim Unterschreiten des oberen Schwellenwerts Msens,o und beim Überschreiten des
unteren Schwellenwerts Msens,u (d. h. also
beim Eintritt in das vorgegebene Lenkmomentenband 30) zunächst
der zweite Wert W2 zugewiesen bleibt, und
der erste Wert W1 erst dann zugewiesen wird,
wenn das Lenkmoment Msens über
einen vorgegebenen Zeitraum Δt zwischen dem oberen Schwellenwert
Msens,o und dem unteren Schwellenwert Msens,u liegt. Im vorliegenden Beispiel gilt:
W1 = 1, W2 = 0 und Δtx ≈ 0,2 s (vgl. 6c und 6d).
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Beim Überschreiten
des oberen Schwellenwerts Msens,o oder dem
Unterschreiten des unteren Schwellenwerts Msens,u des
Lenkmoments Msens (also beim Austritt aus
dem Lenkmomentenband 30), wird dem zweiten Gewichtungsfaktor
K2 hingegen im wesentlichen zeitgleich,
also ohne eine Verzögerung um Δtx,
der Wert K2 = 0 zugewiesen.
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Das
anhand der 1 bis 6 beschriebene
Verfahren zur Ansteuerung des Lenkradaktuators 10 ermöglicht
die Kombination der aus der Steuereinheit 14 zur Bereitstellung
eines Rückstellmoments und aus der Steuereinheit 16 zur
Bereitstellung eines Spurhaltemoments gewonnenen Momentengrundwerte
MRSM, MSHM für „Steer-by-Wire"-Fahrzeuglenksysteme 12.
Das Verfahren umfaßt dabei eine Überlagerung dieser
Momentengrundwerte MRSM, MSHM zur
Stellgröße MEM, die durch
den Lenkradaktuator 10 am Lenkrad eingestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5828972
A [0002]
- - EP 0640003 B1 [0003]
- - DE 19738763 C2 [0004]
- - DE 19841709 A1 [0004]
