DE102008021848A1

DE102008021848A1 - Verfahren und System , insbesondere Servo-Lenksystem mit adaptiver Reibungskompensation

Info

Publication number: DE102008021848A1
Application number: DE102008021848A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Hopp; Sebastian Kilz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-03
Also published as: DE102008021848B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Berücksichtigung der statischen und dynamischen in einem Lenksystem. Aufgabe der Erfindung ist es Änderung der Reibung infolge der Alterung des Systems zu berücksichtigen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein die Abhängigkeit Reibung (FR) des Systems von der Geschwindigkeit (v) eines beweglichen Teiles (4 bis 9) zeigendes Reibungsmodell (Ru) angefertigt wird, dass zur Ermittlung des aktuellen Reibniveaus die in dem Modell einer definierten Geschwindigkeit (v = 0) des Teiles (4 bis 9) zugeordnete Reibung (Rn) festgestellt wird, dass die bei der Geschwindigkeit (v = 0) aktuell bestehende Reibung (Rn) gemessen wird, dass die Differenz (Fhu-FHn) zwischen der festgestellten und der tatsächlich gemessenen Reibung als aktuelle Reibungsdifferenz ermittelt wird und dass bei einer von der definierten Geschwindigkeit abweichenden Geschwindigkeit (v) des beweglichen Teils (4 bis 9) zu der sich bei dieser abweichenden Geschwindigkeit (v) aus dem Modell ergebenden Reibung die ermittelte aktuelle Reibungsdifferenz (Fhu-FHn) als Offset hinzugefügt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System, insbesondere ein Servo-Lenksystem für Kraftfahrzeuge.
Derartige Lenksysteme umfassen gewöhnlich einen Regelkreis, dessen Regelgröße zumindest von dem Lenkradmoment abhängig ist. Die in einem Steuergerät gespeicherten Vorgabefunktionen dienen dem Berechnen des Sollwerts des unterstützenden Moments in Abhängigkeit von Eingangsgrößen des Steuergerätes, insbesondere des Lenkradmomentes.
In 1 ist der übliche Aufbau eines elektromechanisch arbeitenden Servo-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welches ein Lenkrad 1 aufweist, das über einen ersten Abschnitt 2 einer Lenkstange 13, mittels eines oder mehrerer Kreuzgelenke 7 fest mit einem zweiten Abschnitt 3 der Lenkstange verbunden ist. Die Lenkstange 13 überträgt das von dem Fahrer des Kraftwagens auf das Lenkrad 2 aufgebrachten Moment auf ein Ritzel 6, das in eine Zahnstange 8 eingreift, die horizontal zur Achse des Fahrzeuges zwischen zwei gelenkten Rädern 11 angeordnet ist. Das Ritzel 6 kann auch durch ein beliebiges anderes Übertragungsmittel gebildet sein, zum Beispiel eine Schneckenwelle. Jedes gelenkte Rad 11 ist in der Lage, sich bei einer linearen Bewegung der Zahnstange 8 um eine vertikale Drehachse A zu drehen, wobei das gelenkte Rad 9 über die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 angetrieben wird.
Das Servo-Lenksystem besitzt ferner eine Servo-Steuerung, die dazu dient, auf die Zahnstange 8 eine Kraft auszuüben, die in der gleichen Richtung wirkt wie die Kraft des Ritzels 6, wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs das Drehen des Lenkrads 1 erleichtert wird. Die Servo-Steuerung umfasst einen Servomotor 9, dessen Ausgangsmoment von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert wird, welches ein Sollwertsignal S des Hilfsmomentes an den Servomotor 9 liefert. Das Ausgangsmoment des Servomotors 9 wird mittels einer nicht dargestellten Antriebswelle des Servomotors 9 auf die Zahnstange 8 und damit die Räder 11 übertragen. Wegen der erheblichen zu übertragenden Kräfte wirkt die Antriebswelle des Servomotors 9 in der Regel über ein nicht näher dargestelltes Kugelgetriebe 14 auf die Zahnstange 8.
Die Abtriebswelle des Servomotors 9 ist somit über das Kugelgetriebe 14, die Zahnstange 8 und das Ritzel 6 mechanisch mit der Lenkstange 13 verbunden. Die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebswelle und der Lenkstange 13 kann aber auch die direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenkstange 13 über ein geeignetes Getriebe direkt angreift. Die Abtriebswelle des Elektromotors unterstützt dabei den Lenkeinschlag des Lenkrads 1, indem sie mittels der vorstehend genannten mechanischen Einrichtungen auf die Lenkstange 13 ein Hilfsmoment ausübt, das direkt von dem Ausgangsmoment des Servo-Motors 9 und folglich von dem Sollwertsignal S des Hilfemoments abhängt.
Das Steuergerät 12 ist in der Regel derart aufgebaut, dass es aufgrund der ankommenden Eingangsignale, z. B. des Drehmomentes DM und/oder des Drehwinkels DW die Höhe des durch den Servo-Motor 9 auszuübenden Hilfsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert S an den Servomotor 9 ausgibt. Mit Hilfe geeigneter, in dem Steuergerät 12 gespeicherter Tabellen wird dabei das Hilfsmoment in der Regel derart bestimmt, dass in Abhängigkeit von der errechneten Differenz des Drehwinkels DW und einem von einem Lenkwinkelsensor 15 gemessenen Lenkwinkel LW der Räder 11 ein von dem Servo-Motor 9 aufzubringende es Hilfsmoment bestimmt wird. Dieses Hilfsmoment ist derart groß gewählt, dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder aufzubringenden Momentes am Lenkrad 1 Restmoment übrig bleibt, welches von dem Fahrer gut beherrschbar ist. Damit wird in der Regel das Hilfsmoment auch von Größen abhängen, die Einfluss auf das Lenkmoment der Räder besitzen, wie beispielsweise Drehwinkel-Geschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand des Fahrzeugs, Straßenverhältnisse und so weiter.
Es sind weiterhin Sonderformen elektromechanisch arbeitender Servo-Lenksysteme bekannt geworden, bei denen die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und Zahnstange 8 aufgetrennt ist. Bei diesen so genannten steer-by wire-Lenksystemen müssen die von dem Lenkrad 1 auf die Zahnstange 8 aufzubringenden Kräfte und Momente durch entsprechende elektrisch arbeitende Geräte nachgebildet werden, die weiter oben geschilderten grundsätzlichen Prinzipien bleiben dabei allerdings erhalten.
Bei elektrischen Servo-Lenksystemen wird eine Motor-Regelgröße für den Servomotor ermittelt, indem ein auf ein Lenkrad wirkendes Drehmoment mit einem bestimmten Servo-Regelungsverstärkungsfaktor multipliziert wird. Dieser Faktor, der auch noch von anderen Zustandsgrößen abhängig sein kann, wird auf Grund von Tests vorbestimmt, die auf einem Test-Fahrzeug durchgeführt werden, um eine erwünschte Servo-Charakteristik bereitzustellen. Erwünscht ist also, dass bei einem bestimmten Drehmoment an dem mit dem Lenkrad gekoppelten Drehmomentsensor auf die lenkenden Räder ein definiertes Lenkmoment ausgeübt wird.
In der Praxis kann allerdings das tatsächlich auf die Räder einwirkenden Lenkmoment erheblich von dem über die Servo-Charakteristik erwünschten Lenkmoment abweichen. Hierfür kann es eine Reihe von Gründen geben, wie beispielsweise der Änderung der Trägheit des Systems oder der Eigenschaften des Motors. Ein wesentlicher Grund ist allerdings in der Regel die Reibung des Systems. Elektromechanische Servo-Lenkungen weisen eine systemimmanente Reibung auf, die aus der Anbindung des elektrischen Motors und eines im Regelfall an diesen angekoppelten Untersetzungsgetriebes sowie der Reibung des Ritzel an der Zahnstange und der Gleitlagerung der Zahnstange selbst resultieren. Da die Reibungseffekte nicht linear sind, ergibt sich durch diese auch eine nichtlineare Abhängigkeiten dem Eingang schon des Motors eine Bewegung der Räder. Auch die Größe des Einflusses der Reibung darf nicht unterschätzt werden. So kann im ungünstigsten Fall das Reibmoment bis zu 30% (siehe US 2004/0138797A1 , Absatz [0029]) des von dem Servo-Motor abgegebenen Momentes betragen. Weiterhin sind die durch Nichtlinearitäten der Reibung bedingten Unstetigkeiten und slip-stick-Effekte nachteilig für das Lenkgefühl.
Eine weitere Abweichung von der im Modell ermittelten Reibung kann sich durch Fertigungsfehler und abweichende Betriebsdaten der verwendeten Baugruppen ergeben. Haben derartige Baugruppen eine Reibung, die erheblich größer ist als in das Fahrzeug gemessen und für die Serie vorausgesetzt wurde, dann wird ein Teil der Schubkraft des Elektromotors für die Reibung verwendet, was zu einem schwammigen Gefühl bei der Betätigung des Lenkrades führen kann.
Eine für die Serie des Lenksystems angenommene Reibung kann sich auch wegen Montagefehlern, beispielsweise bei Reparaturarbeiten, als unzutreffend erweisen. So umfasst beispielsweise das Untersetzungsgetriebe einen Schneckenantrieb und ein Schneckenrad mit einem vergleichsweise hohen Untersetzungsverhältnis. Damit das Untersetzungsgetriebe das Rückstellen und Klappergeräusche verhindert oder deutlich verringert, wird der Schneckenantrieb stark gegen das Schneckenrad gedrückt. Dies führt bei Montagefehlern zu relativ großen Änderungen der Reibung, weil der Betrag der Reibung zwischen Schneckenantrieb und dem Schneckenrad, die aneinander gepresst sind, groß ist und einen bedeutenden Einfluss auf die Änderung der Servo-Charakteristik hat.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der Einfluss der Reibung nachteilig für das Lenkgefühl ist, zu erheblichen Unstetigkeiten zwischen dem geforderten Soll-Moment und dem tatsächlich auf die Räder ausgeübten Lenk-Moment führen kann, die Zielgenauigkeit in der Lenkung nachteilig beeinflussen kann und eine feinfühlige Steuerung der Lenkung, wie Sie beispielsweise beim selbsttätigen Rückführen der Räder in die Mittellage notwendig ist, behindern kann. Hinzu kommt, dass die Reibung sich im Laufe der Zeit durchaus ändern kann, indem beispielsweise durch Einschleifen des Systems die Reibung sich vermindert oder aber durch Verschmutzung sich erhöht. Auch Änderungen im Materialzustand oder die Reparatur oder der Austausch eines Teils des Systems können hier zu späten Änderungen der Reibung führen.
Es hat daher Bemühungen gegeben, den Einfluss der Reibung während der Betriebszeit des Lenksystems zu kompensieren oder doch diesen Einfluss wenigstens zu mindern. So ist es beispielsweise aus der DE 199 20 975 A1 bekannt, bei einer elektromechanischen Servo-Lenkung die Haftreibung zu schätzen und auf Grundlage der Schätzung eine Kompensation der Haftreibung vorzunehmen. Zudem deutet die genannte Literaturstelle die Möglichkeit an, die dynamische Reibung auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeiten oder der Winkelbeschleunigung des elektrischen Motors oder der Lenkung zu kompensieren. Allerdings wird in dieser Schrift nicht gesagt wie dies konkret erfolgen könnte.
Weiterhin offenbart die DE 100 25 481 A1 eine elektromechanische Lenkung, bei der der elektrische Servo-Motor stets mit einem Strom beaufschlagt wird, dessen Niveau geringfügig kleiner ist als für die Überwindung der Reibung und Trägheit des Elektromotors nötig. Hierdurch soll ein promptes Ansprechverhalten der Lenkung auf einen Lenkungswunsch des Fahrers erreicht werden. Die dort beschriebenen Maßnahmen kompensieren nicht die sich ändernde Reibung und es gehen auch nicht auf spezifische Eigenheiten des entsprechenden Lenkungsmuster ein, sondern orientieren sich nur an der Serie”!
In der US 2004/0138797 A1 werden für eine Servolenkung des Typs steer by wire eine große Anzahl unterschiedlicher Reibmodelle angedeutet, die recht kompliziert aufgebaut sind und deren Bedeutung für die Praxis schwer abgeschätzt werden kann. Aufgrund der vielen, ineinander verschachtelten Regelungsschleifen bestehen aber Bedenken, ob die vorgestellten Modelle aufgrund ihrer umfangreichen, nacheinander erfolgenden Berechnungen die gewünschten Steuersignal mit der für die Praxis notwendigen Geschwindigkeit zur Verfügung stellen können.
Die oben beschriebenen Überlegungen gelten nicht nur speziell für Servo-Lenksysteme sondern analog für alle mit Reibung behafteten Systeme. Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einem Verfahren der sich aus Anspruchs 1 ergebenden Gattung und von einem System der sich aus Anspruch 5 ergebenden Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem derartigen Verfahren beziehungsweise System eine Möglichkeit zu beschreiben, durch die in einfacher Weise nicht nur die Charakteristik der Reibung an den tatsächlichen Betrieb des jeweiligen Systems angepasst werden kann, sondern zusätzlich auch noch die Änderung der Reibung infolge der Alterung des Systems mit berücksichtigt werden kann.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalkombination gelöst und hinsichtlich des Systems durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil nach Anspruch 5 ergebenden Merkmalkombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, dass vorab, beispielsweise im Labor, ein Reibungsmodell angefertigt wird, indem, von der Geschwindigkeit abhängig, die Reibung gemessen wird, welche für die Bewegung der beweglichen Teile des Systems bei der jeweiligen Geschwindigkeit benötigt wird. Der prinzipielle Verlauf einer derartigen Abhängigkeit ist unter dem Namen Stribeck-Kurve an sich bekannt. Die tatsächlichen Werte der Stribeck-Kurve für das jeweilige System ergeben sich aus den bei den einzelnen Geschwindigkeiten gemessenen Kraftwerten beziehungsweise Reibwerten.
Das so gewonnene Reib-Modell wird in den Systemen gespeichert und beschreibt somit das Reibverhalten eines Systems der Serie in seinem Anfangszustand. Wie weiter oben schon ausführlich geschildert wurde, kann aber das tatsächliche Reibverhalten eines bestimmten Systems der Serie aus vielen Gründen von dem durchschnittlichen Reibverhalten der einzelnen Systeme dieser Serie erheblich abweichen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass das Reibverhalten des Systems sich zusätzlich noch im Laufe der Zeit ändern kann. Um diese Einflussgrößen zu berücksichtigen wird wie folgt vorgegangen. Es wird das tatsächliche Reibverhalten des Systems bei einer bestimmten Geschwindigkeit gemessen und/oder berechnet. Die so bestimmte tatsächliche Reibung bei der definierten Geschwindigkeit wird mit der von dem Modell bei dieser Geschwindigkeit angezeigten Reibung verglichen. Die Differenz zeigt an, um welchen Betrag oder welchen Prozentsatz die tatsächliche Reibung im Augenblick besser oder schlechter als bei dem Modell ist.
Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist nun die Erkenntnis, dass die Stribeck-Kurve sich im Verlauf der Zeit zwar verschieben kann, wobei sich aber nicht der Verlauf der Kurve ändert sondern diese nur parallel zur Achse der Geschwindigkeit verschoben wird. Versuche haben gezeigt, dass mit der Annahme, dass sich die Stribeck Kurve infolge der Alterung des Systems nur parallel verschiebt aber nicht ihren grundsätzlichen Verlauf ändert, in der Praxis Messergebnisse erzielt werden, die mit dem tatsächlichen Reibverhalten eines Systems gut übereinstimmen.
Es zeigt sich somit, dass mit einer einzigen Messung der aktuellen Reibung bei einer definierten Geschwindigkeit das aktuelle Reibverhalten eines Systems über den gesamten Geschwindigkeitsbereich in einfacher Weise dadurch bestimmt werden kann, dass man die Werte aus der um die Differenz des aktuellen Messwertes gegenüber dem entsprechenden Modellwert (bei gleicher definierter Geschwindigkeit) verschobenen Stribeck-Kurve bei den jeweiligen Geschwindigkeiten ausliest. Mit anderen Worten, die Differenz bildet einen Offset zu der Stribeck Kurve des Reibmodells.
Eine Schwierigkeit kann dabei darin bestehen, dass die Messung der aktuellen Reibung bei einer beliebigen definierten Geschwindigkeit nicht mit der gebotenen Genauigkeit durchgeführt werden kann, sondern man hier auch auf Schätzungen angewiesen ist. Hierzu empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 2 die aktuelle Haftreibung des Systems zu bestimmen. Die Haftreibung tritt nämlich gerade dann (noch) auf, wenn die beweglichen Teile des Systems sich gerade in Bewegung setzen. Dieser Zeitpunkt ist aber vergleichsweise einfach feststellbar, da sich in diesem Fall sowohl der mit dem Lenkrad gekoppelte Drehwinkelsensor als auch Rotor des Motors in Bewegung setzen müssen. Stellt man zu diesem Zeitpunkt die auf die Zahnstange insgesamt ausgeübte Kraft fest, so kennt man mit großer Genauigkeit die aktuelle Haftreibung des Systems. Da aber auch aus dem Reibungsmodell die Haftreibung ausgelesen werden kann ist auch die Differenz zwischen beiden Größen bekannt, die dann den Offset für die Stribeck-Kurve des Modells bildet.
An dieser Stelle soll nochmals betont werden, dass das beschriebene Verfahren nicht nur auf ein Lenksystem oder Servo-Lenksystem anwendbar ist sondern auf alle mit Reibung behafteten Systeme, bei denen in einfacher Weise die aktuelle Reibung bestimmt werden soll. Gemäß der Merkmalkombination nach Anspruch 6 bildet ein Servo-Lenksystem nur einen Sonderfall eines beschriebenen, mit Reibung behafteten Systems.
Um den Zeitpunkt festzulegen, bei dem die aktuelle Haftreibung des Systems beziehungsweise Servo-Lenksystems gemessen werden, kann empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Anwendung der Merkmalkombination nach Anspruch 6. Dabei kann die beginnende Bewegung der Zahnstange oder eines unmittelbar mit der Zahnstange verbundenen beweglichen Bauteils, wie beispielsweise die beginnende Bewegung des Ritzels oder des Rotors vom Motor, den Messzeitpunkt festlegen. Die beginnende Bewegung lässt sich mittels des Drehwinkelsensors oder des Drehlagen-Sensors des Rotors feststellen.
Um abzusichern, dass bei der Messung der beginnenden Bewegung tatsächlich nur die Haftreibung gemessen wurde, sind in Weiterbildung der Erfindung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 7 eine Reihe von Möglichkeiten auszuschließen, die das Messergebnisse verfälschen können. So sollte zum einen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unterhalb eines gewissen Höchstwertes liegen, da bei hohen Geschwindigkeiten die Coriolis-Kraft der Räder und die Querbeschleunigung gegenüber der Reibungskraft zu groß wird und das Ergebnis verfälscht.
Anderseits sollte die Geschwindigkeit aber auch oberhalb eines bestimmten Minimalwertes liegen, da andernfalls die Haftreibung der Reifen auf der Fahrbahn gegenüber der Haftreibung des Lenksystems einen zu großen Einfluss hat. Entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 10 wird empfohlen, dass die Geschwindigkeit zwischen 50 km/h und fünf km/h liegt.
Weiterhin sollte der Drehwinkel während der Messzeit möglichst klein sein und sich nur innerhalb eines kleinen, symmetrisch zur Nulllage des Lenkrades liegenden Drehwinkelbereich befinden, damit nicht die Kräfte der Querbeschleunigung in das Messergebnis eingehen. Gemäß den Merkmalen nach Anspruch 9 wird vorgeschlagen, dass eine Messung nur dann vorgenommen wird, wenn der Drehwinkel zwischen –10° und +10° liegt. Weiter oben war schon erläutert worden, dass die Messung beim Übergang der Lenkung von einem bewegungslosen Zustand in eine Bewegung vorgenommen werden soll. Um sicher zu gehen, dass die ineinander greifenden, beweglichen Teile der Lenkung sich auch im Haftzustand befinden, sollen der Drehmomentsensor und/oder der Drehwinkelsensor wenigstens 0,25 Sekunden den Wert 0 messen.
Weiterhin ist entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 11 auszuschließen, dass eine Behinderung der Bewegung des beweglichen Teiles des Lenksystems das Ergebnis verfälscht, welche keine Haftreibung ist. So darf beispielsweise nicht eine Blockade durch Vereisung, Rost oder festgefressene oder verklemmte Teile die Messung verfälschen. (Dagegen ist ”leichtes” Vereisen oder ”normales” Rosten, der Grund warum durch die vorliegende Erfindung die Reibung nachgeführt wird. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Reibwerterkennung berücksichtigt u. a. die Alterung (durch z. B. Rost). Entsprechendes gilt, wenn die Lenkung gegen einen Anschlag arbeitet, beispielsweise an den Anschlägen der Lenkung. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass für die Messung nur ein bestimmter Lenkwinkel-Bereich zugelassen wird und eine Messung nur zulässig ist, wenn sich innerhalb einer vorgegebenen Zeit zuvor die zueinander beweglichen Teile sich auch hinreichend zueinander bewegt haben. Im übrigen besteht entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 12 die Möglichkeit, keine Messwerte als gültig zuzulassen, die nicht innerhalb eines bestimmten Messbereiches liegen.
Mit Vorteil lassen sich die gemessenen Reibwerte entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 12 absichern. Dabei wird über mehrere nacheinander zu geeigneten Zeitpunkten gemessene Reibwerte der Mittelwert gebildet, damit sich mögliche zufällige Abweichungen gegeneinander aufheben können. Besonders günstig ist es, hier einen gleitenden Mittelwert einzusetzen. Damit ist gemeint, dass aus der Gruppe der gemessenen und gemittelten Werte der jeweils zuerst gemessene Wert gegen den neu hinzugekommenen letzten Messwert ersetzt wird. Der gemessenen Mittelwert wird in den Lenksystem gespeichert und der gespeicherte Wert wird auch dann beibehalten, falls das Fahrzeug einige Zeit geparkt oder abgestellt beziehungsweise der Motor abgeschaltet wird.
Die vorliegende Erfindung schafft nicht nur die Möglichkeit, bei Vorliegen der entsprechenden Randbedingungen jederzeit die aktuelle Reibung zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung schafft auch die Optionen für ein erfindungsgemäßes Lenksystem, bei welchem die gemessene Reibung mittels einer geeigneten Kompensationsschaltung kompensiert werden kann. Entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 14 wird bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem aus dem Soll-Moment, welches von dem Fahrer über den Drehmomentsensor eingegeben wird, in dem Steuergerät ein Steuersignal für den Motor als Stellenaggregat berechnet. Durch das erfindungsgemäße, eingangs beschriebene Verfahren ist es möglich, die augenblicklich gültige Reibung beziehungsweise Reibkraft zu bestimmen. Über eine Kompensationsschaltung wird dann ein der augenblicklich gültigen Reibung entsprechendes Kompensationssignal derart auf das Steuersignal aufgeschaltet, dass es der Reibkraft entgegenwirkt und diese im wesentlichen aufhebt, wie dies im Zusammenhang mit den Merkmalen nach Anspruch 15 beschrieben ist.
Die Erfindung ist somit in der Lage jederzeit eine Aussage über den augenblicklich gültigen Wert der Reibung zu machen. Diese Aussage berücksichtigt sowohl die augenblickliche Geschwindigkeit des beweglichen Teils als auch die Alterung des Systems und die aktuelle Temperatur des Systems. Dies ergibt sich daraus, dass sich der jeweilige Offset an den augenblicklichen Zustand des Systems anpasst, da ja immer der aktuelle Wert der Reibung berücksichtigt wird, der sich mit der Temperatur und der Alterung ändern kann.
Es muss betont werden, dass die mit der beschriebenen Kompensation versehene Servolenkung nicht eine elektromechanische Servo-Lenkung sein muss. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass die Lenkung mit einem Elektromotor als Stellaggregat versehen ist. Wesentlich ist nur, dass die betroffene Lenkung mit Mitteln versehen ist, über welche man durch geeignete Signale die Steuerung des, gegebenenfalls hydraulisch arbeitenden Stellaggregates durch das Kompensationssignal beeinflussen kann. Auch für Servo-Lenkungen des Typs steer by wire ist die Erfindung gut geeignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
1 in skizzierter Form einen gebräuchlichen Aufbau eines Servo-Lenksystems,
2 den typischen Verlauf einer Stribeck-Kurve,
3 das erfindungsgemäße Prinzip der Verschiebung der Stribeck-Kurve um einen Offset und
4 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Berücksichtigung der aktuellen Reibung hinsichtlich des Steuersignals des Stellaggregates.
Die in 2 gezeigte Stribeckkurve beschreibt den Verlauf der Reibkraft FR in Abhängigkeit von der Reibgeschwindigkeit v im Falle hydrodynamischer Reibung. Der Verlauf der Kurve lässt sich einteilen in Haftreibung I, Grenzreibung II, Mischreibung III und Flüssigkeitsreibung IV. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist auf der Abszisse die Geschwindigkeit nicht linear aufgetragen.
Findet keine Relativbewegung statt, so herrscht Haftreibung FH im Geschwindigkeitsabschnitt I. Sobald eine Kraft angreift, die größer als die Haftreibungskraft FH ist, beginnt die Relativbewegung (Geschwindigkeitsabschnitte II bis IV). Zunächst trennen nur einige Moleküle des Schmierstoffs teilweise den Grundkörper vom Gegenkörper, es herrscht Grenzreibung (Geschwindigkeitsabschnitt II). Sobald sich ein dünner Schmierfilm bildet und nur noch einige Rauheitshügel von Grund- und Gegenkörper ohne Trennung durch den Schmierstoff aufeinander abgleiten, liegt Mischreibung (Geschwindigkeit abschnitt III) vor. Der Übergang von der Mischreibung zur Flüssigkeitsreibung (hydrodynamische bzw. elasto-hydrodynamische Reibung, Geschwindigkeit abschnitt IV), bei der Grund- und Gegenkörper vollständig durch den Schmierstoff getrennt sind, wird als Ausklinkpunkt bezeichnet. Da mit zunehmender Geschwindigkeit immer mehr Schichten des Schmierstoffs aufeinander abgleiten, steigt die Reibkraft im Bereich der Flüssigkeitsreibung wieder an.
Für die Erfindung wesentlich ist die Erkenntnis, dass sich z. B. durch Alterung, Temperatur und so weiter, die Höhe der der Reibung zwar ändern kann nicht aber ihr Verlauf. Dies ist in 3 verdeutlicht. Die Kurve Ru zeigte den ursprünglichen Verlauf der Reibung, wie er in einem Test-System gemessen und in einem Reib- Modell des Systems niedergelegt ist. Aus Ru ergibt sich nicht nur der Verlauf der Reibung FR des Test-Systems über der Geschwindigkeit v, sondern auch die Haftreibung FHu des Testsystems, bei der sich das bewegliche Teil des Systems (z. B. Zahnstange, Drehmomentsensor, Drehwinkelsensor oder Rotor des Motors) in Bewegung setzt.
Um nun die aktuelle Reibung des Systems trotz Alterung, geänderter Betriebstemperatur und so weiter zu bestimmen ist es nur notwendig, die augenblickliche Haftreibung FHn zu messen. Die Haftreibung legt am System gerade dann (noch) an, wenn das bewegliche Teil aus seiner statischen Lage sich in Bewegung setzt. Dieser Zeitpunkt ist aber über zumindest eine der genannten Sensoren ohne Schwierigkeiten bestimmbar. Zu diesem Zeitpunkt wird dann die auf die Zahnstange insgesamt ausgeübte Kraft gemessen. Das ist die Kraft, die insgesamt über das Lenkrad und den Motor auf die Zahnstange ausgeübt wird.
Für die Erfindung wichtig ist die Erkenntnis, dass die Differenz zwischen FHn und FHn als Offset für die Stribeck-Kurve gesehen werden kann. Verschiebt man also man also die ursprüngliche Stribeck-Kurve Ru parallel derart, dass sie durch FHn geht, so kann man die aktuell bei jeder Geschwindigkeit wirksame Reibung aus der durch die Verschiebung gebildeten Kurve Rn ablesen. In 3 ist noch ein Mittelwertbilder 39 angedeutet, der eine Anzahl von Messungen der Differenzen der Haftreibung (FHn – FHu) mittelt. Das kann bevorzugt durch eine gleitende Mittelwertbildung geschehen, bei der jeweils der älteste des Kollektivs der gemittelten Messwerte durch den jeweils jüngsten Messwert ersetzt wird.
In 4 ist die Kompensation der Reibung zu einem aktuellen Zeitpunkt in einem Servo-Lenksystem in Form eines Blockschaltbildes angedeutet. Es wird wiederum davon ausgegangen, dass durch eine Verschiebung der Stribeck Kurve um einen geeigneten Offset ein Kurvenverlauf Rn vorliegt, aus dem die Reibung bei der aktuellen Geschwindigkeit entnommen werden kann. Eine geeignete Umsetzung dieser physikalische Gesetzmäßigkeit zu Kompensation der Reibungseffekte kann derart geschehen, dass die Lenkwinkelgeschwindigkeit φ'L eines Drehwinkelsensors für die Geschwindigkeit des reibungsbehafteten Objektes (Zahnstange) angenommen wird.
Zur Kompensation wird zunächst die reale Zahnstangenkraft FZSist berechnet, indem von der Zahnstangensollkraft FZSsoll der aktuellen Reibungsanteil FR(φL) eines Reibungsrechners 41 in einem ersten Subtrahierer 42 abgezogen wird. Der aktuelle Reibungsanteil wird, wie weiter oben schon eingehend beschrieben, in dem Reibungsrechner 41 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet. Sofern die reale Zahnstangenkraft positiv ist, also die Reibung entgegen der Sollkraft wirkt, ergibt sich die notwendige Kompensationskraft |FZSkomp| aus der Differenz eines zweiten Subtahierers 43 zwischen der Sollkraft FZSsoll und der realen Zahnstangenkraft FZSist. Die Kompensationskraft muss dann zu der berechneten Zahnstangensollkraft FZSsoll in geeigneter Weise derart zugefügt werden, dass der Reibung entgegengewirkt wird.
In 4 ist noch ein Entscheider 40 angedeutet, der die berechneten Werte der realen Zahnstangenkraft FZSist nur dann als gültig für die weitere Berechnung zulässt, wenn diese innerhalb eines bestimmten Wertebereiches liegen. Damit soll verhindert werden, dass unzulässige Reibwerte der Berechnung der Kompensationskraft zu Grunde gelegt werden können. Eine derartige Begrenzung scheint schon deshalb notwendig, weil bei einer krassen Fehlberechnung des Reibungswertes andernfalls eine viel zu hohe Kompensation |FZSkomp| berechnet werden könnte, die zu einem stark geänderten Lenkgefühl und im schlimmsten Fall zu einer Instabilität der Lenkung führen könnte.
Die Kennlinie FR(φL). ist die Darstellung der aktuellen Stribeckkurve Rn für das entsprechende Lenksystem. Idealerweise wird die Sollkraft FZSsoll über alle Teilsollkräfte gebildet, die den Fahrerwunsch und Regelungs- und Steuereingriffe betreffen. Haptische Vorteile erhält man zudem, wenn die Zugabe der Reibkraft nur in Richtung des Fahrerwunschs bzw. in Richtung der Regelung- und Steuereingriffe erfolgt. So erreicht man eine auf den Fahrerwunsch adaptierte Kompensation der Reibung im Lenksystem.
Zusammenfassend lässt sich die Erfindung kurz wie folgt beschreiben. Elektromechanische Lenksysteme sind aufbaubedingt reibungsbehaftet. Bislang werden entweder keine oder statische (statisch bedeutet in diesem Fall, dass die Reibungskompensation nur einen festen unveränderlichen Reibungsanteil kompensiert (z. B. ausschließlich Haftreibung)) Reibungskompensationen eingesetzt, aber ohne dass sich diese über die Zeit an die sich ändernden Reibungsverhältnisse anpasst.
Dabei besteht folgendes Problem. Durch Korrosion oder Verschleiß können sich die Reibungsverhältnisse in Lenksystemen verändern. Werden entsprechende Kompensationsalgorithmen nicht mit Reibungsverhältnissen zu dem aktuellen Zeitpunkt abgeglichen, kann sich dies zu Lasten der Haptik negativ auswirken.
Als Lösung des Problems wird folgendes vorgeschlagen. Wird als Basis der Reibung der Haftreibungsanteil (siehe 1) verwendet, so kann über die oben vorgesellte Methode die in 1 dargestellt Stribeckkurve nachgeführt werden. Wechselt das Lenksystem den Zustand vom Stillstand (Lenkwinkelgeschwindigkeit φ'L = 0 in Bewegung (Lenkwinkelgeschwindigkeit |φ'L| > φ'L,grenz), so muss das Kraftniveau (Fgrez) beim Bewegungsstart detektiert werden. Dieses Kraftniveau stellt im Grenzfall genau die Haftreibung dar.
Ein Lernalgorithmus sollte die folgenden Bedingungen enthalten, um die Kraftniveaus sicher erfassen zu können:

• Wenn das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt, ist Sorge zu tragen, dass Bewegungen vom Fahrweg nicht zu Fehldetektionen führen.
• Wenn das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit fährt, ist Sorge zu tragen, dass keine Reifenreibung oder -verspannungen zu Fehldetektionen führen.
• Das Lenksystem muss sich außerhalb der Anschläge befinden, damit ein Halten im Anschlag nicht als Stillstand detektiert wird.
• Idealerweise sollten nur Lenkbewegungen um den Mitten-Bereich zu Detektion herangezogen werden.
• Das Lenksystem darf nicht anderweitig blockiert sein (Frost, Kurzschlüsse, etc.), damit dieses nicht als Stillstand detektiert wird.

Aus den derart erfassten Fgrenz Kraftniveaus kann mittels eines gleitenden Mittelwertes die Haftreibung (FR(φL = 0)) berechnet werden.
Wenn die Haftreibung detektiert wurde können, wie in 3 dargestellt, die gesamten Reibungsverhältnisse im Lenksystem nachgeführt werden.
Die Reibung in elektromechanischen Lenksystemen (die Probleme gelten in gleicher Weise auch für hydraulische Lenksysteme, nur muss die Anwendung dieser Methode angepasst werden) führt zum einen zu haptischen Defiziten. Das Anlenken bedarf relativ viel Kraft und kann nach Überwinden der Haftreibung sich „unstetig” anfühlen. Wird zum anderen das elektromechanische Lenksystem in Regelschleifen oder Steuerketten eingesetzt, führt die Reibung, durch dessen stark nicht linearen Einfluss, zu Verschlechterung der Regelgüte oder zu starken Abweichungen zwischen Soll- und Istwert der Steuerung.
Um dem bei elektromechanischen Servo-Lenksystemen abzuhelfen wird folgendes vorgeschlagen. Wird zur Darstellung der Reibung ein detaillierteres, an die Physik angelehntes, Modell verwendet, lässt sich eine Reibungskompensation sehr hoher Güte erzeugen. Als Grundlage dient der Zusammenhang von der Geschwindigkeit eines reibungsbehafteten Objekts und dessen Reibung. Dieser Zusammenhang, auch bekannt als „Stribeckkurve”, ist in 2 dargestellt.
Eine geeignete Umsetzung dieser physikalische Gesetzmäßigkeit zu Kompensation der Reibungseffekte kann derart geschehen, dass die Lenkwinkelgeschwindigkeit φ'L für die Geschwindigkeit des reibungsbehafteten Objektes angenommen wird. Die Kompensation erfolgt dadurch, dass zunächst die reale Zahnstangenkraft FZSist aus der Zahnstangensollkraft FZSsoll reduziert um den Reibungsanteil FR(φL) berechnet wird. Sofern die reale Zahnstangenkraft positiv ist, also die Reibung entgegen der Sollkraft wirkt, ergibt sich die Kompensationskraft |FZSkomp| aus dessen Differenz mit der Sollkraft (siehe 3):
Die Kennlinie FR(φL). ist die Darstellung der Stribeckkurve für das entsprechende Lenksystem. Idealerweise wird die Sollkraft über alle Teilsollkräfte gebildet, die den Fahrerwunsch und Regelungs- und Steuereingriffe betreffen. Haptische Vorteile erhält man zudem, wenn die Zugabe der Reibkraft nur in Richtung des Fahrerwunschs bzw. in Richtung der Regelung- und Steuereingriffe erfolgt. So erreicht man eine auf den Fahrerwunsch adaptierte Kompensation der Reibung im Lenksystem.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0138797 A1 [0009, 0015]
- DE 19920975 A1 [0013]
- DE 10025481 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Berücksichtigung der statischen und dynamischen Reibung beziehungsweise Reibkraft (Fr) in einem mit statischer und dynamischer Reibung behafteten System, insbesondere Lenksystem, bei dem eine vorgegebene Eingangsgröße (FZSsoll) aufgrund der Reibung zu einer entsprechend geänderten Ausgangsgröße FZSist) führt, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Abhängigkeit der statischen und dynamischen Reibung (FR) des Systems von der Geschwindigkeit (v) mindestens eines beweglichen Teiles (4 bis 9) des Systems beschreibendes Reibungsmodell (Ru) angefertigt wird, dass dieses Reibungsmodell (Ru) in dem System gespeichert wird, dass zur Ermittlung des aktuellen Reibniveaus des Systems die in dem Modell einer definierten Geschwindigkeit (v = 0) des Teiles (4 bis 9) zugeordnete Reibung (Rn) festgestellt wird, dass die bei der definierten Geschwindigkeit (v = 0) aktuell tatsächlich bestehende Reibung (Rn) gemessen wird, dass die Differenz (Fhu – FHn) zwischen der festgestellten und der tatsächlich gemessenen Reibung als aktuelle Reibungsdifferenz ermittelt wird, dass zur Bestimmung der aktuellen Reibung des Systems bei einer von der definierten Geschwindigkeit abweichenden Geschwindigkeit (v) des beweglichen Teils (4 bis 9) zu der sich bei dieser abweichenden Geschwindigkeit (v) aus dem Modell ergebenden Reibung die ermittelte aktuelle Reibungsdifferenz (Fhu – FHn) als Offset hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Modell die Haftreibung (FHu) des Systems entnehmbar ist, dass zur Bestimmung des aktuellen Reibungsniveaus des Systems die aktuelle Haftreibung (FHn) des Systems bestimmt wird und dass die Reibungsdifferenz als Differenz zwischen der aktuellen Haftreibung (FHn) und der aus dem Modell entnehmbaren Haftreibung (FHu) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Geschwindigkeit (v = 0) in dem Geschwindigkeitsbereich gelegt wird, bei dem die Haftreibung in Grenzenreibung übergeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Haftreibung (FHu) bei der Anfertigung des Modells das bewegliche Teil (4 bis 9) beziehungsweise die beweglichen Teile aus der Ruhelage in Bewegung versetzt werden und dass die für den Übergang aus der Ruhelage in die Bewegung des Systems benötigte Kraft (FR) als Haftreibung (FHu) definiert wird.
Mit statischer und dynamischer Reibung beziehungsweise Reibkraft behaftetes System, bei dem eine vorgegebene Eingangsgröße aufgrund der Reibung zu einer entsprechend geänderten Ausgangsgröße führt, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Berücksichtigung der statischen und dynamischen Reibung mit einem Reibungsrechner (41) versehen ist, durch welchen die aktuelle Reibung des Systems bestimmbar ist, dass der Reibungsrechner (41) mit einem Reibungsmodell (Ru) versehen ist, welches die Abhängigkeit der statischen und dynamischen Reibung des Systems von der Geschwindigkeit mindestens eines beweglichen Teiles (4 bis 9) des Systems beschreibt, dass in dem Reibungsrechner (41) eine Erkennungseinrichtung vorgesehen ist, die zur Ermittlung des aktuellen Reibniveaus (FHn) des Systems die in dem Modell einer definierten Geschwindigkeit (v = 0) des Teiles zugeordnete Reibung (Rn) feststellt, dass in dem Reibungsrechner (41) eine Messeinrichtung vorgesehen ist, welche die aktuelle tatsächliche Reibung (Rn) des Systems bei der definierten Geschwindigkeit (v = 0) des Systems misst, dass in dem Reibungsrechner ein Vergleicher vorgesehen ist, der die Reibungsdifferenz (FHu – FHn) zwischen der festgestellten Reibung und der bei der bestimmten Geschwindigkeit (v = 0) des Systems gemessenen tatsächlichen Reibung bildet, dass in dem Reibungsrechner ein Addierer vorgesehen ist, welcher zur Bestimmung der aktuellen Reibung (Rn) des Systems bei einer von der definierten Geschwindigkeit abweichenden Geschwindigkeit (v) zu der sich bei dieser abweichenden Geschwindigkeit (v) aus dem Modell ergebenden Reibung (Ru) die ermittelte Reibungsdifferenz (Rn – Ru) als Offset hinzugefügt.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Servo-Lenksystem eines Fahrzeugs, vorzugsweise elektromechanisches Servo-Lenksystem ist und dass das bewegliche Teil die Zahnstange (8) des Lenksystems oder ein mittelbar oder unmittelbar mit der Zahnstange verbundenes bewegliches Bauteil (4 bis 9) des Lenksystems ist.
Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibniveau nur unter bestimmten Randbedingungen des Fahrzustandes des das Lenksystem aufweisenden Fahrzeugs ermittelt wird.
Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibniveau nur dann ermittelt wird wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer Höchstgeschwindigkeit liegt und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit oberhalb einer Mindestgeschwindigkeit liegt und/oder der Drehwinkel (5) des Lenkrades (1) in einem vorgegebenen, zur Mittellage des Lenkrades (1) vorzugsweise symmetrischen Drehwinkelbereich liegt.
Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelbereich zwischen –10° und +10° liegt und vorzugsweise mindestens 0,25 Sekunden im wesentlichen unverändert ist und/oder das Drehmoment des Lenkrades (1) mindestens 0,25 Sekunden im wesentlichen null ist.
Lenksystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestgeschwindigkeit bei 5 km/h und/oder die Höchstgeschwindigkeit bei 50 km/h liegt.
Lenksystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, eine Überwachungsschaltung (40) vorgesehen ist, durch welche das ermittelte Reibniveau nur dann als gültiger Wert anerkannt wird, wenn es innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches liegt.
Lenksystem nach einem der Ansprüche sechs bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelwertschaltung (39) vorgesehen ist, welche den gleitenden Mittelwert über die aktuelle Reibung des Systems bildet und diesen Wert zur weiteren Verarbeitung ausgibt.
Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der von der Mittelwertschaltung (39) gemittelten Reibwerte von der Schwankungsbreite dieser Reibwerte abhängt.
Lenksystem mit einer Eingabeeinrichtung zur Eingabe eines Sollwertes, welcher der von dem Fahrer gewünschten Kraft entspricht, mit der die Zahnstange (8) eine Kraft ausübt, mit einer Steuervorrichtung (12), die mittels eines Motors (9) Kraft auf die Zahnstange (8) aufbringt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem mit einer Kompensationsschaltung (4) versehen ist, welche den aktuellen Reibungswert des Systems bestimmt und ein Kompensationssignal (FZSkomp) berechnet, welches dem Sollwert FZSsoll) hinzugefügt wird, damit unter Berücksichtigung der berechneten aktuellen Reibung (Rn) an der Zahnstange (8) die gewünschte Kraft ausgeübt wird.
Lenksystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (4) mit einem Reibungsrechner (41) versehen ist, welcher die aktuelle Reibung (Rn) berechnet, dass die Kompensationsschaltung (4) mit einem ersten Subtrahierer (42) versehen ist, welcher den Sollwert (FZSsoll) um die aktuelle Reibung (FR) vermindert und so einen Istwert FZSist) ausgibt, der die unter Berücksichtigung der Reibung (Rn) von der Zahnstange (8) infolge des Sollwertes tatsächlich ausübbare Kraft beschreibt, dass die Kompensationsschaltung (4) mit einem zweiten Subtrahierer (43) versehen ist, welcher den Istwert (FZSist) des ersten Subtrahierers (42) von dem Sollwert (FZSsoll) abzieht und so einen Kompensationswert FZSkomp) ausgibt, der dem Sollwert (FZSsoll) hinzugefügt werden muss, damit unter Berücksichtigung der Reibung von der Zahnstange (8) eine dem Sollwert entsprechende Kraft ausgeübt wird.
Lenksystem nach Anspruch einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibungsrechner (41) entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 5 aufgebaut ist.
Verfahren zur Berücksichtigung der statischen und dynamischen Reibung beziehungsweise Reibkraft in einem Servo-Lenksystem insbesondere elektromechanische im Servo-Lenksystem, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Arbeitsschritte derart gestaltet sind, dass sie der Arbeitsweise des Systems nach einem der Ansprüche 5 bis 16 entsprechen.