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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Regelung einer
Lenkunterstützung für ein Fahrzeug.
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Bei
herkömmlichen Verfahren zur Regelung einer Lenkunterstützung
von Fahrzeugen wird über Unterstützungskennlinien
definiert, um welchen Betrag das durch Vorderachskräfte
entstehende Lenkmoment reduziert wird. Diese Vorgehensweise resultiert
aus dem Funktionsprinzip hydraulischer Lenkungen und wurde für
die Regelung von elektrischen Lenkunterstützungen weitgehend übernommen.
Sie hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:
- – Um über
den gesamten Geschwindigkeitsbereich das enge Abstimmungsfenster
zu treffen, das eine komfortable und trotzdem präzise wirkende
Lenkung ermöglicht, ist ein erheblicher Abstimmungsaufwand
erforderlich. Da die Vorderachskräfte durch unterschiedliche
Fahrwerksvarianten und Vorderachslasten vom Fahrzeugtyp und teilweise
auch von der Baureihe eines Fahrzeugtyps abhängen, muss
dieser Abstimmungsaufwand trotz mehr oder weniger gleichem Abstimmungsziel
stets neu erbracht werden.
- – Da das Lenkmoment ein skaliertes Abbild der Vorderachskräfte
darstellt, werden alle Störungen der Vorderachskräfte
im Lenkmoment abgebildet. Meist handelt es sich dabei um Störungen,
die den Fahrkomfort reduzieren und deren Abbildung im Lenkmoment
die Fahrsicherheit beeinträchtigen können, wie
z. B. Lenkungsstößigkeit beim Überfahren
von Bodenunebenheiten, Lenkungsflattern oder Lenkmomentschwankungen
durch Seitenwind.
- – Eine Seitenkraft, die an der Vorderachse angreift,
wirkt erst mit einem Zeitversatz nach einer Lenkradwinkeländerung.
Dieser Zeitversatz bildet sich damit bei herkömmlichen
Lenkunterstützungen auch im Lenkmoment gegenüber
der Lenkradwinkeländerung ab. Untersuchungen zeigen einen
starken Einfluss dieses Zeitversatzes auf die Beurteilung der Lenkpräzision,
des Sicherheitsgefühls und des Geradeauslaufes des Fahrzeuges.
- – Trotz des oben genannten erheblichen Abstimmungsaufwands
lässt sich nicht verhindern, dass das optimale Abstimmungsfenster
zur Lenkunterstützung aufgrund von Fertigungstoleranzen
oder nach einem Reifenwechsel nicht oder nicht mehr erreicht wird.
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Aus
DE 10 2006 031 716
A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer elektrischen oder
elektromechanischen Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere
zur Erfassung der Reibung in der Lenkvorrichtung, bekannt. Dabei
werden während des Fahrbetriebs in gewissen Betriebszuständen
charakteristische Kenngrößen, unter anderem der
jeweilige Lenkwinkel, die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und
das vom Elektromotor der Lenkvorrichtung bereitgestellte Unterstützungsmoment
ermittelt und geeignet weiterverarbeitet. Weiterhin wird die Querbeschleunigung
des Fahrzeugs oder eine dieser entsprechenden Größe
gemessen, die als mit der an den lenkbaren Rädern aufzubringenden
Lenkkraft korrelierend zusammen mit dem eingestellten Lenkwinkel
eine Kenngröße für das benötigte
Lenkmoment definiert. Das so definierte Lenkmoment wird dann zumindest
mit dem vom Elektromotor bereitgestellten Moment verglichen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur elektronischen Regelung einer Lenkunterstützung für
ein Fahrzeug anzugeben, das insbesondere einfach an fahrzeugspezifische
Eigenschaften anpassbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
gelöst, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektronischen
Regelung einer Lenkunterstützung für ein Fahrzeug
wird ein momentanes Soll-Lenkmoment für ein am Lenkrad
des Fahrzeuges anliegendes Lenkmoment bestimmt und als Führungsgröße für
die Regelung verwendet. Dabei erfolgt die Bestimmung des momentanen
Soll-Lenkmomentes in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit
und einem Lenkradwinkel. Vorteilhafterweise können bei
der Bestimmung des am Lenkrad anzulegenden Soll-Lenkmoments des
weiteren eine Lenkgeschwindigkeit und/oder vorgebbare fahrzeugspezifische
Parameter unter Verwendung gespeicherter Kennfelder verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich
von herkömmlichen Verfahren prinzipiell dadurch, dass ein
Soll-Lenkmoment für ein am Lenkrad des Fahrzeuges anliegendes
Lenkmoment anstelle einer von einer Vorderachskraft abhängigen Lenkunterstützung
bestimmt und als Führungsgröße verwendet
wird. Dabei wird das Soll-Lenkmoment in Abhängigkeit von
der Fahrgeschwindigkeit und dem Lenkradwinkel – und bei
einer vorteilhaften Weiterbildung auch in Abhängigkeit
von der Lenkgeschwindigkeit und/oder vorgebbaren fahrzeugspezifischen Parametern
unter Verwendung gespeicherter Kennfelder – bestimmt. Dabei
können die Eingangsgrößen der Kennfelder
die Fahrgeschwindigkeit und/oder der Lenkradwinkel und/oder die
Lenkgeschwindigkeit und/oder eine aus diesen Größen,
teilweise in Abhängigkeit von den fahrzeugspezifischen
Parametern bestimmte kinematische Größe sein.
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Damit
ist das ermittelte Soll-Lenkmoment und somit die Führungsgröße
der Regelung vorteilhaft unabhängig von einer momentanen
Vorderachskraft und auf sie einwirkenden fahrzeugunabhängigen
und -abhängigen Einflüssen, wie z. B. Bodenunebenheiten
oder Seitenwind, der Fahrzeugbereifung oder Fertigungstoleranzen
bei der Herstellung oder der Montage von Bauteilen der Vorderachse. Außerdem
entfällt das oben erwähnte Problem des Zeitversatzes
zwischen der Wirkung einer Vorderachskraft und einer Lenkradwinkeländerung.
Ferner kann die Lenkunterstützung in einfacher Weise durch Vorgabe
der fahrzeugspezifischen Parameter an das Fahrzeug angepasst werden,
so dass eine aufwändige Abstimmung an einen Fahrzeugtyp
und/oder eine Baureihe eines Fahrzeugstyps entfällt. Insgesamt
erhöht die Erfindung den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit
des Fahrzeuges durch eine verbesserte Lenkmomentencharakteristik
und vereinfacht die fahrzeugspezifische Anpassung der Lenkunterstützung.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen
beschrieben. Dabei zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm für die Bestimmung eines Grundlenkmomentes,
und
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2 ein
Ablaufprogramm für die Bestimmung eines Zusatzlenkmomentes.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In
dem anhand der 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel wird ein momentanes Soll-Lenkmoment
für ein am Lenkrad des Fahrzeuges anliegendes Lenkmoment
bestimmt. Das momentane Soll-Lenkmoment wird gebildet durch Addition
eines Grundlenkmomentes GL, dessen Bestimmung in 1 dargestellt
ist, und eines Zusatzlenkmomentes ZL, dessen Bestimmung in 2 dargestellt
ist.
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Durch
das Grundlenkmoment GL wird ein Lenkmoment ohne Berücksichtigung
von den Lenkkomfort verbessernden Eigenschaften der Lenkung ermittelt.
Den Lenkkomfort verbessernde Eigenschaften der Lenkung werden durch
das Zusatzlenkmoment ZL berücksichtigt. Dazu zählt
vorteilhaft eine die Lenkung stabilisierende Reibung und Dämpfung innerhalb
des Lenksystems, ohne die die Lenkung nervös wirken würde
und dem Fahrer ein unsicheres Fahrgefühl vermittelt werden
würde.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Bestimmung eines Grundlenkmomentes GL, das
unter Verwendung eines in einem Speicher abgelegten ersten Kennfeldes
K1 aus einer momentanen Fahrgeschwindigkeit v und einem Querbeschleunigungswert
a bestimmt wird. Dabei wird durch das erste Kennfeld K1 dem Betrag
abs1 des Querbeschleunigungswertes a und der Fahrgeschwindigkeit
v ein Betrag des Grundlenkmoments GL zugeordnet. Das Grundlenkmoment
GL wird daraus durch Multiplikation mit dem Vorzeichen Sign1 des
Querbeschleunigungswertes a bestimmt.
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Der
Querbeschleunigungswert a wird aus der momentanen Fahrgeschwindigkeit
v und einem momentanen Lenkradwinkel u in Abhängigkeit
von einem Radstand RS, einem Eigenlenkgradienten EG und einer Lenkübersetzung
iL bestimmt. Dabei sind der Radstand RS, der Eigenlenkgradient EG
und die Lenkübersetzung iL vorgebbare fahrzeugspezifische Parameter,
durch die das Verfahren in einfacher Weise an das jeweilige Fahrzeug
anpassbar ist.
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In
die Bestimmung des Querbeschleunigungswertes a gehen ferner geeignete
Verstärkungsoperationen Gain0 und Gain1 und mathematische Funktionen
fcn1, fcn2 und fcn3 ein. Dabei wird mit einer ersten Verstärkungsoperation
Gain0 beispielsweise eine Einheit der Fahrgeschwindigkeit v umgerechnet,
z. B. km/h in m/s. Die mathematischen Funktionen fcn1, fcn2 und
fcn3 dienen der Ermittelung des Querbeschleunigungswertes a aus
der Fahrgeschwindigkeit v und dem Lenkradwinkel u.
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Mittels
einer ersten Funktion fcn1 wird beispielsweise der Wert der Fahrgeschwindigkeit
v quadriert. Der quadrierte Wert wird durch einen ermittelten Kurvenradius
r der Bahnkurve des Fahrzeuges dividiert, um den Querbeschleunigungswert
a in bekannter Weise als eine Zentrifugalbeschleunigung der Bewegung
des Fahrzeuges zu bestimmen.
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Dabei
wird der Kurvenradius r aus dem Lenkradwinkel u unter Verwendung
einer geeigneten trigonometrischen zweiten Funktion fcn2 sowie einer dritten
Funktion fcn3 ermittelt, wobei mit Hilfe der dritten Funktion fcn3,
beispielsweise einer Übertragungsfunktion eines PT1-Gliedes,
das Eigenlenkverhalten des Fahrzeuges über die Einbeziehung
des Eigenlenkgradienten EG berücksichtigt wird.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Bestimmung eines Zusatzlenkmomentes ZL aus
der Fahrgeschwindigkeit v, dem Lenkradwinkel u und einer Lenkgeschwindigkeit
w.
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Dabei
wird anhand eines gespeicherten zweiten Kennfeldes K2 eine Sollreibung
des Lenksystems aus der momentanen Fahrgeschwindigkeit v und dem
Betrag abs2 des momentanen Lenkradwinkels u bestimmt. Ferner wird
anhand eines dritten Kennfeldes K3 eine Solldämpfung des
Lenksystems aus der momentanen Fahrgeschwindigkeit v und dem Betrag
abs3 der Lenkgeschwindigkeit w bestimmt. Durch Addition der Sollreibung
und der Solldämpfung und Multiplikation des Resultats mit
dem Vorzeichen Sign2 der Lenkgeschwindigkeit w wird ein Soll-Zusatzlenkmoment
SZL gebildet, das der Lenkbewegung immer entgegen wirkt und somit
ein dämpfendes Hystereseverhalten des Lenkmoments gegenüber
dem Lenkwinkel erzeugt.
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Die
Annäherung des Zusatzlenkmomentes ZL an das Soll-Zusatzlenkmoment
SZL wird durch die weiteren dargestellten Verfahrensschritte geregelt,
die ein lenkwinkelverzögertes Verhalten (PT1-Verhalten)
des Zusatzlenkmomentes ZL gegenüber dem Lenkradwinkel u
realisieren.
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Dazu
wird mittels einer ersten Subtraktionsoperation sub1 und eines ersten
Zeitverzögerungsgliedes M1 die jeweils letzte Abweichung
Ai des Zusatzlenkmoments ZL vom Soll-Zusatzlenkmoment SZL
bestimmt und mit einem Annäherungsfaktor k (Wert zwischen
0 und 1) multipliziert. Dies ergibt eine neue Abweichung Ai+1 des Zusatzlenkmoments ZL vom Soll-Zusatzlenkmoment
SZL. Anschließend wird mittels einer zweiten Subtraktionsoperation
sub2 durch Subtraktion der neuen Abweichung Ai+1 vom Soll-Zusatzlenkmoment
SZL das neue Zusatzlenkmoment ZL errechnet.
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Der
Annäherungsfaktor k definiert, um welchen relativen Anteil
die letzte Abweichung Ai zwischen dem Soll-Zusatzlenkmoment
SZL und dem momentanen Zusatzlenkmoment ZL jeweils reduziert wird.
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Der
Annäherungsfaktor k wird aus einem Annäherungswert
z gebildet, der definiert, um welchen relativen Anteil die Abweichung
zwischen dem Soll-Zusatzlenkmoment SZL und dem momentanen Zusatzlenkmoment
ZL pro Grad Lenkwinkel u reduziert wird. Um den Annäherungsfaktor
k aus dem Annäherungswert z zu bestimmen, wird z mittels
einer vierten mathematischen Funktion fcn4 mit einem Lenkwinkeländerungsbetrag
|Δu| potenziert.
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Dabei
ist der Lenkwinkeländerungsbetrag |Δu| der Betrag
abs4 einer Lenkwinkeländerung, welche mittels eines zweiten
Zeitverzögerungsgliedes M2 durch Substraktion eines vorhergehenden
Wertes von einem momentanen Wert des Lenkradwinkels u gebildet wird.
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Damit
ergibt sich die für ein PT1 Verhalten charakteristische
Sprungantwort des Zusatzlenkmomentes ZL in Form einer Exponentialfunktion.
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Die
beschriebene Vorgehensweise ergibt unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit
v immer das gleiche Annäherungsverhalten des Zusatzlenkmoments
ZL an das Soll-Zusatzlenkmoment SZL. Zur Realisierung einer Fahrgeschwindigkeitsäbhängigkeit
wird der Annäherungswert z über ein viertes Kennfeld
K4 in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit v bestimmt.
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Sowohl
das gemäß der obigen Beschreibung bestimmte Grundlenkmoment
GL als auch das Zusatzlenkmoment ZL sind unabhängig von
den tatsächlichen Vorderachskräften. Somit bilden
sich Störungen der Vorderachskräfte nicht im Lenkmoment ab,
was sich vorteilhaft auf den Lenkkomfort auswirkt.
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Es
gibt jedoch Fahrzustände, die dem Fahrer über
das Lenkmoment vermittelt werden sollten, wie z. B. so genannte μ-Sprünge
in Kurven beim Überfahren vereister Flächen. Um
derartige Fahrzustände angemessen zu berücksichtigen,
kann das oben beschriebene Ausführungsbeispiel geeignet
erweitert werden.
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Eine
vorteilhafte derartige Erweiterung sieht einen Vergleich der tatsächlichen
Querbeschleunigung des Fahrzeuges mit dem Querbeschleunigungswert
a vor, der in der oben beschriebenen Weise aus dem Lenkradwinkel
u und der Fahrgeschwindigkeit v bestimmt wird. Werden Abweichungen
festgestellt, die einen vorgebbaren Schwellwert überschreiten,
wird zu dem gemäß der obigen Beschreibung ermittelten
Soll-Lenkmoment ein zusätzliches Störmoment addiert,
welches von der festgestellten Abweichung abhängen kann.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des beschriebenen Ausführungsbeispiels
besteht die Möglichkeit Seitenkraftstörungen,
die der Fahrer zum sicheren Führen seines Fahrzeugs im
Lenkmoment spüren soll, mittels eines Querbeschleunigungs-, Giergeschwindigkeits-
und/oder Zahnstangenkraftbeobachter zu ermitteln und bei der Ermittlung
des Soll-Lenkmoments zusätzlich zu berücksichtigen. Das
Soll-Lenkmoment kann dann aus der Summe des Grundlenkmoments GL,
des Zusatzlenkmoments ZL und einem der Seitenkraftstörung
entsprechenden Seitenkraftstöranteil gebildet werden.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des beschriebenen Ausführungsbeispiels
besteht die Möglichkeit, Seitenkraftstörungen,
die der Fahrer zum sicheren Führen seines Fahrzeugs im
Lenkmoment spüren soll, mittels eines Störkraftanteilfaktors
zu berücksichtigen. Der Faktor ist abhängig von
der Seitenkraftstörung und wirkt als Multiplikator auf
die Summe aus Grundlenkmoment GL und Zusatzlenkmoment ZL und bildet
als Produkt das Soll-Lenkmoment.
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- v
- Fahrgeschwindigkeit
- u
- Lenkradwinkel
- w
- Lenkgeschwindigkeit
- GL
- Grundlenkmoment
- SZL
- Soll-Zusatzlenkmoment
- ZL
- Zusatzlenkmoment
- a
- Querbeschleunigungswert
- r
- Kurvenradius
- iL
- Lenkübersetzung
- K1,
K2, K3, K4
- Kennfelder
- abs1
- Betrag
des Querbeschleunigungswertes
- abs2
- Betrag
des Lenkradwinkels
- abs3
- Betrag
der Lenkgeschwindigkeit
- abs4
- Betrag
der Lenkwinkeländerung
- Sign1
- Vorzeichen
des Querbeschleunigungswertes
- Sign2
- Vorzeichen
der Lenkgeschwindigkeit
- RS
- Radstand
- EG
- Eigenlenkgradient
- iL
- Lenkübersetzung
- fcn1,
..., fcn4
- mathematische
Funktionen
- sub1,
sub2
- Subtraktionsoperationen
- Gain0,
Gain1
- Verstärkungsoperationen
- M1,
M2
- Zeitverzögerungsglieder
- Ai, Ai+1
- Abweichungen
des Zusatzlenkmoments vom Soll-Zusatzlenkmoment
- k
- Annäherungsfaktor
- z
- Annäherungswert
- |Δu|
- Lenkwinkeländerungsbetrag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006031716
A1 [0003]