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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromechanisches Servo-Lenksystem für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Beseitigung von durch den Motor bedingten Moment-Schwankungen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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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.
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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 1 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 11 über die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 angetrieben wird.
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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 Motor 9, dessen Ausgangsmoment von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert wird, welches ein Sollwertsignal S des Hilfsmomentes an den Motor 9 liefert. Das Ausgangsmoment des Motors 9 wird mittels einer nicht dargestellten Antriebswelle des Motors 9 auf die Zahnstange 8 und damit die Räder 11 übertragen. Wegen der erheblichen zu übertragenden Kräfte wirkt die Antriebswelle des Motors 9 in der Regel über einen nicht näher dargestellten Kugelgewindetrieb 14 auf die Zahnstange 8.
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Die Abtriebswelle des Motors 9 ist somit über den Kugelgewindetrieb 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 Motors 9 und folglich von dem Sollwertsignal S des Hilfemoments abhängt.
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Das Steuergerät 12 ist in der Regel derart aufgebaut, dass es aufgrund der ankommenden Eingangsignale, z. B. des von dem Drehmomentsensor 4 stammenden Drehmomentes DM und/oder des von dem Drehwinkelsensor 5 stammenden Drehwinkels DW die Höhe des durch den Motor 9 auszuübenden Hilfsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert S an den Motor 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 Motor 9 aufzubringendes 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.
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Die Verwendung eines Elektromotors zur Erzeugung eines den Fahrer unterstützenden Momentes bei der Betätigung der Lenkung hat erhebliche Vorteile. So benötigt eine derartige elektromechanische Servo-Lenkung weniger Bauraum, ermöglicht eine Vielzahl von Komfortmerkmalen und kommt schließlich ohne die bei hydraulischen Servolenkungen notwendige Flüssigkeit aus, wobei die die Flüssigkeit leitenden Leitungen möglicherweise verletzt werden können, so dass hier besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen. Hinzu kommt, dass in der Regel bei hydraulischen Servolenkungen der Druck in den Flüssigkeitsleitungen ständig aufrechterhalten werden muss, so dass hier ein höher ständiger Verbrauch an Energie notwendig ist.
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Leider ist das von Elektromotoren abgegebene Moment bei einem konstanten Eingangsignal dieser Motoren notwendigerweise mit Schwankungen versehen die vielfach auch als mechanischer Ripple und elektrischer Ripple bezeichnet werden. Der mechanische Ripple hängt von konstruktiven Merkmalen des verwendeten Motors ab, wie die Zahl der Pole und die Zahl der Schlitze des Motors.
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Weiterhin ist noch ein so genannter elektrischer Ripple bekannt, der von der Abweichung der induzierten elektrischen Felder von der Sinusform abhängt. Dieses Problem hängt auch damit zusammen, dass die mit einer elektromechanischen Servo-Lenkung versehenen Fahrzeugen mit einer Gleichspannung (also Batterie) versehen sind, wobei die Gleichspannung der Batterie in ein mehrere Phasen (z. B. 3 sinusförmige Phasen, 2 Phasen, 4 Phasen und so weiter) besitzendes Drehfeld umgewandelt werden muss. Die Umwandlung der Gleichspannung in (zum Beispiel drei) exakt sinusförmige Spannungen ist aufwändig und zum Teil mit Fehlern behaftet.
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Der als Moment-Pulsationen sich äußernde Ripple liegt weiterhin in der nicht identischen Wicklungsverteilung des Motors in den Phasen, in der unsymmetrische Flussverteilung, in Streufeldern bezüglich des Maschinenflusses und elektrischen Unsymmetrien (StatorWiderstand und Stator-Induktivität der einzelnen Maschinenphasen/Maschinenstränge) des Motors begründet. Ein zusätzlicher Grund für Ripple liegt an den Totzeiten, die durch die Zeiten begründet sind, die für die Übertragung der ansteuernden Signale und dem Ansprechen des Motors benötigt werden.
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Greift der Motor in der üblichen Weise über ein Getriebe an der Zahnstange der Lenkung an, so werden die bei einem konstanten Fahrerwunsch, z. B. Drehmomente am Lenkrad, sich ergebenden Schwankungen des Motormomentes infolge des Ripples über die Zahnstange und die Lenkstange zu dem Lenkrad zurück übertragen und machen sich dort unangenehm bemerkbar. Dabei ist zu beachten, dass der Motor ein erheblich stärkeres Moment auf die Zahnstange der Lenkung aufbringt als der Fahrer, so dass auch kleine Schwankungen des Motormomentes am Lenkrad irritierend wirken.
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Es sind daher eine Reihe von Versuchen unternommen worden um den am Lenkrad spürbaren Ripple zu beseitigen. So ist aus der
US 6,927,548 B2 ein Servo-Lenksystem bekannt, bei dem Schaltungsanordnungen vorgesehen sind, welche die Phase und die Amplitude des den Motor betätigenden Stromes korrigieren. Diese Druckschrift beschäftigt sich im Wesentlichen mit dem Ripple, welcher durch die Verzerrung des elektrischen Feldes des Motors bedingt ist. Die dort angegebenen Schaltungen sind zudem recht aufwändig.
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Aus der
EP 1 308 368 A2 ist eine Servo-Lenkung bekannt geworden, bei der der Servo-Motor an der Lenkstange angreift. Die von der Fahrzeugegeschwindigkeit abhängenden Steuersignale des Fahrzeugmotors werden in dabei durch Korrekturwerte modifiziert, welche von der Drehstellung des Motor-Rotors abhängen. Die Modifikation geschieht mithilfe von Korrekturwerten, die in einer Tabelle gespeichert sind. Dabei sind die Korrekturwerte in Form von Faktoren gespeichert, welche den möglichen Drehlagen des Rotors zugeordnet sind. Die Korrektur berücksichtigt nur die Drehlage des Motor-Rotors, nimmt aber auf andere, den Ripple beeinflussende Größen keine Rücksicht.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein gattungsgemäßes elektromechanisches Servo-Lenksystem hinsichtlich der Korrektur von Schwankungen der Motorwirkung weiter zu verbessern sowie ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen. Mit Motorwirkung ist dabei ganz allgemein die Ausgangsgröße des Motors gemeint, die durch ein Moment oder durch eine ausgeübte Kraft gegeben sein kann.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein elektromechanisches Servo-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Um ohne größere Rechenzeit gut verwertbare Informationen für die Berechnung des Korrekturwertes zu bekommen, empfiehlt es sich, dass die den Ripple beeinflussenden Größen voneinander getrennt im Labor unter vorgegebenen Randbedingungen in Abhängigkeit von der Drehlage des Motor-Rotors gemessen werden und mittels entsprechender Datensätze in dem Fehlermodell installiert werden. Bei der Bestimmung des Korrekturwertes wird dann von der aktuellen Drehlage des Motor-Rotors ausgegangen und die einzelnen, aufgrund der aktuell gemessenen Größen ausgegebenen Werte können über das Fehlermodell berücksichtigt werden.
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Eine Möglichkeit zur Bestimmung eines präzisen Korrekturwertes besteht darin, die Wirkung der weiteren Größen in Form von verstärkenden oder schwächenden Faktoren in dem Fehlermodell abzulegen. Eine Möglichkeit, mehrere denen Ripple beeinflussende Größen zu berücksichtigen, kann darin bestehen, dass jeweils immer nur die Änderung der Stärke des Ripple in Abhängigkeit von der jeweiligen Größe in dem Fehlermodell festgehalten wird. So kann man beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen über eine Rotor-Umdrehung gehende Ripple-Kurven vermessen und die unterschiedliche Stärke des Ripple bei den einzelnen Temperaturen festhalten. Entsprechend wird bei den anderen Größen vorgegangen. Diese, die Stärke des Ripple beschreibenden Faktoren werden dann entsprechend dem aktuell gemessenen Wert der Größe bei der Bestimmung des Korrekturwertes als Multiplikatoren berücksichtigt. Gegebenenfalls können die gespeicherten Werte aber auch zumindest zum Teil als Summanden zur Bestimmung des Korrekturwertes herangezogen werden.
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Für den Einfluss der den Ripple ändernden Größen können sich vergleichsweise einfache Abhängigkeiten ergeben. In diesem Fall empfiehlt es sich, nicht die einzelnen gemessenen Werte zu speichern sondern eine Gleichung zu hinterlegen, aus der dann in Abhängigkeit von dem gerade gemessenen Wert der betreffenden Größe der entsprechende korrigierende Faktor oder Summand ausgelesen werden kann. Unterstellt man beispielsweise, dass die gemessenen Werte (Ripple-Stärke), abhängig von der Temperatur, alle auf einer Geraden liegen, so genügt es in dem Fehlermodell die Gerade zu beschreiben und den Korrekturfaktor in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert auslesen. Hat man mehrere den Ripple beeinflussende Größen in dem Fehlermodell, so erhält man ein geschlossenes Gleichungssystem, aus dem dann der Korrekturwert berechnet werden kann. Um zu den Werten zu gelangen, werden beispielsweise die Kraft oder das Drehmoment des Motors bei verschiedenen Temperaturen gemessen, wobei gleichzeitig die anderen Größen nicht verändert werden. Die gemessenen Werte werden unverändert oder modifiziert in das Fehlermodell eingetragen. Zwischenwerte lassen sich durch Interpolation bestimmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
- 1 in skizzierter Form einen gebräuchlichen Aufbau eines Servo-Lenksystems,
- 2 beispielhaft einen tatsächlichen Verlauf des von dem Motor abgegebenen Drehmomentes in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Rotors und
- 3 in skizzierter Form den möglichen Aufbau einer Korrektureinrichtung in dem Steuergerät des Lenksystems.
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2 zeigt beispielhaft den möglichen Verlauf des von dem Motor abgegebenen Momentes in Abhängigkeit von dem Drehwinkel w bei einem Konstanten Eingangsignal des Motors (und auch im übrigen konstanten Randbedingungen) für ein Servo-Lenksystem. Der gewünschte Verlauf ist als zur x-Achse parallel verlaufende Linie dargestellt. Das tatsächlich abgegebene Moment schwankt somit um das gewünschte Soll-Moment. Der dargestellte Verlauf über 360°, also eine volle Umdrehung des Rotors, wiederholt sich dann. Die aus 2 ersichtlichen Schwankungen stellen den so genannten Ripple dar, welcher mithilfe der vorliegenden Erfindung beseitigt werden soll. Erwünscht ist somit der durch die waagerechte Linie dargestellte Verlauf des Soll-Momentes.
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3 beschreibt in vereinfachter und in Blöcken dargestellter Form die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Korrektureinrichtung, welche einen Teil des zu der Servolenkung gehörenden Steuergerätes 12 bildet. Wie aus 3 ersichtlich wird innerhalb des Steuergerätes 12 entsprechend der bestehenden Programmierung infolge eines Fahrerwunsches durch einen Sollwertgeber 29 von dem Motor 9 ein soll-Moment angefordert. Dies geschieht mittels eines durch einen Strom oder eine Spannung dargestellten Signals SMnk, welches üblicherweise unkorrigiert dem Motor 9 zugeführt wird.
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Führt man aber das unkorrigierte Signal SMnk direkt dem Motor 9 zu, so erscheint an dem Motor-Rotor ein Moment, welches einen Ripple besitzt, wie in 2 dargestellt. Es ist somit gewünscht, statt dessen das Signal SMnk derart zu korrigieren, dass das vom Motor 9 abgegebene Moment auch den gewünschten Verlauf hat, im vorliegenden Falle also eine parallel zur x-Achse verlaufende Linie. Um das zu erreichen muss das dem gewünschten Soll-Moment entsprechende, nicht korrigierte Signal SMnk derart abgewandelt werden, dass es an den Stellen erhöht wird, an denen der Motor 9 entgegen dem gewünschten Soll-Moment ein vermindertes Moment abgibt. Umgekehrt muss das Signal SMnk an den Stellen herabgesetzt werden, an denen der Motor 9 entgegen dem gewünschten Soll-Moment einen erhöhtes Moment abgibt. Mit anderen Worten, es ist ein Korrektursignal zu schaffen, welches im Wesentlichen invers zu den Schwankungen des Ripple in 2 verläuft.
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Dies geschieht mithilfe eines Fehlermodells 28, dem ein Signal w zugeführt wird, welches die aktuellen Drehlage des Rotors des Motors 9 angibt. In dem Fehlermodell 28 sind die Korrekturwerte gespeichert, die in Abhängigkeit von der Drehlage des Rotors abgegeben werden müssen, damit der Motor 9 infolge des korrigierten Eingangsignals auch das gewünschte Moment liefert. Die Korrekturwerte wurden vorher im Labor gemessen, indem man in Abhängigkeit von der Drehlage des Motor-Rotors das Drehmomentes dieses Motors bei einem konstanten Eingangsignal gemessen hat. Der am Ausgang des Fehlermodells 28 erscheinende Korrekturwert K wird in einer Überlagerungseinrichtung 31 auf das unkorrigierte Soll-Moment SMnk aufgeschaltet und das somit korrigierte Signal SMk auf den Eingang des Motors 9 gegeben.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass die Stärke des Ripple auch von anderen Größen als nur der Drehlage w des Rotors abhängt. Dabei wurden als wesentlich folgende Größen festgestellt: die an dem Motor anliegende Spannung EMK, die Temperatur T, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors n, die System-Totzeiten bei der Umrichter-Steuerung und die Höhe des Soll-Momentes SMnk selbst. Infolgedessen sind im Fehlermodell 28 eine Reihe von Tabellen beziehungsweise Speicherbereichen eingerichtet, in denen die Stärke des Ripple in Abhängigkeit von der jeweiligen, (die Stärke der) den Ripple ändernden Größe abgelegt sind. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Ripple bei einer Änderung der jeweiligen Größe über den Verlauf einer Umdrehung des Rotors zwar im Wesentlichen nicht seine Form wohl aber seine Stärke ändert. Diese Änderungen der Stärke werden als von der Änderung der Größen abhängige Faktoren gespeichert, mit denen mit denen die Amplitude des Ripple multipliziert werden muss um zu einer verbesserten Korrektur zu gelangen.
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So steigt die Stärke des Ripple bei sonst gleich bleibenden Randbedingungen beispielsweise mit wachsender Temperatur und sinkt mit wachsender Spannung am Motor. Entsprechende Abhängigkeiten kann man weiterhin hinsichtlich der Höhe des Soll-Momentes SMnk und hinsichtlich der Umdrehungsgeschwindigkeit n des Rotors feststellen.
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Da dem Fehlermodell 28 über das Signal w die augenblickliche Drehlage des Rotors bekannt ist, ist es nicht notwendig, dem Fehlermodell 28 zusätzlich noch ein die Drehgeschwindigkeit des Rotors beschreibendes Signale zuzuführen, da mit geringfügigen Softwaremaßnahmen aus der sich ändernden Drehlage des Motors auch auf die Drehgeschwindigkeit des Motors geschlossen werden kann.
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Zusammenfassend lässt sich die Erfindung wie folgt beschreiben. Hinsichtlich der Ausgangssituation ist zu bemerken, dass bei elektromechanischen Lenksystemen (siehe 1) häufig ein mehrphasiger permanenterregter Synchronmotor (PMSM), mehrphasiger Asynchronmotor oder mehrphasig geschaltete Reluktanzmaschine zur Generierung der Lenkunterstützungskraft eingesetzt wird. Ein herausragendes Entwicklungsziel ist hierbei die Güte des generierten Unterstützungsmomentes (beziehungsweise der unterstützenden Kraft). Bedingt durch den hohen mechanischen Verstärkungsfaktor des Lenkgetriebes (Übersetzungsfaktor: (insgesamt) 14 ... 30 je nach Lenksystem) werden kleinste Momentenpulsationen des Antriebsmomentes von der Antriebsmaschine durch das elektromechanische Lenkgetriebe verstärkt und sind als sogenannter „Ripple“ als Momentenschwankungen am Lenkrad zu spüren. Diese Momentenpulsationen sind unerwünscht weil sie das Lenkgefühl negativ beeinflussen.
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Die Momentenpulsationen im generierten Lenkunterstützungsmornent entstehen durch mechanische (z.B. nicht identische Wicklungsverteilung in den Phasen, unsymmetrische Flussverteilung, Streufelder bzgl. des Maschinenflusses) und elektrische Unsymmetrien (Statorwiderstand und Statorinduktivitäten der einzelnen Maschinenphasen/-Stränge) in dem Motor.
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Alle lenkungsrelevanten Signale, wie zum Beispiel das aus den Fahreranforderungen generierte Sollmoment, die aktuelle Umdrehungsgeschwindigkeit des Lenkantriebsmotors, die aktuelle Systemumgebungstemperatur sowie maschineninterne Zustandsgrößen beispielsweise die elektromotorische Gegenkraft des Antriebmotors (EMK) stehen dem Lenkungsteuergerät zur internen Verarbeitung zur Verfügung. Diese Eingangssignale werden genutzt um unter Kenntnis eines Fehlermodells von dem Motor 9 ein Korrektursignal für die Momentenpulsation zu berechnen, derart, dass das momentane Unterstützungsmoment keine Momentenpulsationen aufweist.
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Es wird mittels Fehlermodell und folgenden Eingangsgrößen zur Speisung des Fehlermodells ein Korrekturwert berechnet, um den das zuvor generierte Sollmoment korrigiert wird. Das derart korrigierte Sollmoment wird dann zur Umsetzung an den Motor 9 übergeben, Eingangsgrößen für Fehlermodell sind:
- - Sollmoment unkorrigiert / [Nm]
- - Temperatur des Motors / [°C-] (Wicklungstemperatur und Magnettemperatur)
- - Lagewinkelsignal (w)
- - Elektromotorische Kraft (EMK) / [V]
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Das Fehlermodell wird experimentell durch Prüfstandsversuche bzw. Frequenzanalyse (FFT) ermittelt und stellt die Abhängigkeit der Momentenpulsationen von oben genannten Eingangsgrößen dar. Das Fehlermodell kann sowohl analytisch in Form eines geschlossenen Gleichungssystems als auch als hinterlegtes Kennlinienfeld implementiert werden.
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Unter Berücksichtigung des Sollmoment-Korrekturwertes wird ein Sollmoment für den Motor 9 generiert das den durch die Motorunsymmetrie hervorgerufenen Momentpulsationen entgegenwirkt.
