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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Servo-Lenksystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere ein elektromechanisches Servo-Lenksystem gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Servo-Lenksystems gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 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 aufgebrachte 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 durch einen Servomotor 9 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 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.
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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 direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenkstange 13 über ein geeignetes Getriebe direkt angreift. In dem Fall sitzt der Servo-/Unterstützungsmotor an der Lenkstange. 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 Hilfsmoments abhängt.
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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 abgelegter Berechnungsalgorithmen 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 aufzubringendes Hilfsmoment bestimmt wird. Dieses Hilfsmoment ist derart groß gewählt, dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder aufzubringenden Momentes am Lenkrad ein 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 Drehwinkelgeschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand des Fahrzeugs, Straßenverhältnisse und so weiter.
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Mit den schwerer werdenden Fahrzeugen und den ansteigenden Ansprüchen an den Fahrkomfort ist auch das von den Servomotoren ausgeübte Hilfsmoment der Servolenkung stark gestiegen. Auf diese Weise ergibt sich eine erheblich größere Verstärkung der auf das Lenkrad wirkenden Drehmomente. Dies gilt auch dann, wenn Anregungen des Fahrweges über das Lenksystem auf das Lenkrad übertragen werden. Es wurden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, um diese Störungen zu reduzieren, wobei die Bekämpfung dieser Störungen gezielt auf die unterschiedlichen Störquellen ausgerichtet wird, um die hieraus resultierenden Störungen entkoppelt bekämpfen zu können. Eine hiervon abweichende Vorgehensweise hat sich als unbrauchbar erwiesen, da eine große Summe von sich einander überlagernden Störsignalen nicht mehr reproduzierbar ist und somit nicht mehr durch geeignete Steuersignale beeinflusst werden kann. Dem Hersteller großer Fahrzeugserien bleibt daher nur die Möglichkeit, die Störungen einzelner Störquellen gezielt zu untersuchen und gezielt zu bekämpfen, da die Fahrzeuge nicht einzeln und für sich abgestimmt werden können.
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Bei elektromechanischen Lenksystemen ist der mechanische Wirkungsgrad eine entscheidende Größe für die haptischen Eigenschaften. Der mechanische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Leichtgängigkeit (lenkradseitige Anregung) und Stoßempfindlichkeit (straßenseitige Anregung) des Lenksystems. Bei Lenkgetrieben ist der Wirkungsgrad richtungsverschieden, so dass unterschieden werden muss zwischen Führungswirkungsgrad (lenkradseitige Anregung) und dem Störwirkungsgrad (straßenseitige Anregungen). Der Störwirkungsgrad ist bei Zahnstangenlenkungen gegenüber dem Führungswirkungsgrad erhöht. Dies führt zu einer unerwünschten Übertragung der von der Fahrbahn ausgehenden Störungen auf das Lenkrad.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2006 051 747 A1 ist eine Fahrzeuglenkvorrichtung bekannt, umfassend einen Motor zum Erzeugen eines Hilfsmoments zum Ergänzen eines durch einen Fahrer eines Fahrzeugs ausgeübten Lenkmoments, eine Lenkwellenreaktionsmoment-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines an einer Lenkwelle des Fahrzeugs erzeugten Lenkwellenreaktionsmoments und eine Straßenoberflächen-Reaktionsmoment-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Straßenoberflächen-Reaktionsmoments, das durch Räder des Fahrzeugs von einer Straßenoberfläche erhalten wird. Weiter umfasst die Fahrzeuglenkvorrichtung eine Zielstromberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Zielstromwertes zum Antreiben des Motors, wobei die Zielstromberechnungseinrichtung eine erste Kompensationseinrichtung einschließt zum Berechnen eines ersten Kompensationsbetrages zum Kompensieren für das Hilfsmoment basierend auf dem Lenkwellenreaktionsmoment, und eine zweite Kompensationseinrichtung zum Berechnen eines zweiten Kompensationsbetrages zum Kompensieren für das Hilfsmoment basierend auf dem Straßenoberflächen-Reaktionsmoment. Die Zielstromberechnungseinrichtung berechnet dabei den Zielstrom so, dass eine Kompensation in Bezug auf ein Gesamtreibungsmoment, das in einem gesamten Lenkmechanismus des Fahrzeugs erzeugt wird, und einen Gradienten des Straßenoberflächen-Reaktionsmoments basierend auf dem ersten Kompensationsbetrag und dem zweiten Kompensationsbetrag vorgenommen wird.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Servo-Lenksystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Servo-Lenksystems zu schaffen, mittels derer die Kompensation von Störanregungen auf ein Lenkrad verbessert wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung besteht im Prinzip darin, dass eine Erkennungseinrichtung vorgesehen ist, welche zwischen lenkradseitigen und straßenseitigen Anregungen zu unterscheiden in der Lage ist, dass eine Kompensationseinrichtung vorgesehen ist, welche das zur Beseitigung der straßenseitigen Störungen notwendige Kompensationsmoment berechnet, dass eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist, welche dem Sollmoment-Signal das von der Kompensationseinrichtung abgegebene Kompensationssignal überlagert, und dass eine Antriebseinheit abhängig von dem so gebildeten korrigierten Sollmoment-Signal gesteuert wird.
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Dabei umfasst die Erkennungseinrichtung einen Entscheider, welcher in Abhängigkeit von internen Signalen des Lenksystems und/oder der ESP-Lenkwinkelsensorik entscheidet, ob es sich bei den gemessenen Signalen um eine Führungsgröße, eine Störgröße oder um beide Größen handelt.
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In einer Ausführungsform umfasst das Servo-Lenksystem einen Situations-Erkenner, welcher aufgrund interner Signale des Lenksystems und/oder einer ESP-Lenkwinkelsensorik die aktuelle Fahrsituation bestimmt und ein an die Fahrsituation angepasstes Adaptionssignal ausgibt, wobei ein Korrigierer vorgesehen ist, in welchem das Kompensationssignal entsprechend der aktuellen Fahrsituation durch das Adaptionssignal korrigiert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Entscheider mit einer Fuzzy-Logik ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Entscheider mit einem Laufzeiterkenner ausgebildet, der die Reihenfolge des Erscheinens eines Signals an dem dem Lenkrad zugeordneten Lenkwinkelsensor und an dem der Antriebseinheit zugeordneten Lenkwinkelsensor überprüft und anhand der Reihenfolge des Erscheinens des Signals an den beiden Lenkwinkelsensoren entscheidet, ob es sich um eine lenkradseitige oder eine straßenseitige Anregung handelt.
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Die Ausführungen für das Servo-Lenksystem gelten auch vollinhaltlich für das parallel beanspruchte Verfahren zum Betreiben eines solchen Servo-Lenksystems.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 einen schematischen Aufbau einer elektromechanischen Servolenkung,
- 2 einen beispielhaften Verlauf von Führungs- und Störungswirkungsgrad bei einem elektromechanischen Zahnstangen-Lenksystem,
- 3 das erfindungsgemäße Wirkprinzip zur Minimierung der Stoßempfindlichkeit und zur Vermeidung von straßenseitigen Störanregungen und
- 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung des erfinderischem Prinzips der Reduktion straßenseitigen am Störempfindlichkeit bei einem elektromechanischen Lenksystem.
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Nachdem Einzelheiten zu 1 schon eingangs erläutert wurden, zeigt 2 beispielhaft den Führungs- und Störungswirkungsgrad bei elektromechanischen Zahnstangen-Lenksystemen. Der Störwirkungsgrad ist bei der Zahnstangenlenkung gegenüber dem Führungswirkungsgrad erhöht. Dies kann zu einer unerwünschten, von der Fahrbahn ausgehenden Störung auf das Lenkrad führen. Vorteilhaft ist es, wenn der Führungswirkungsgrad deutlich erhöht gegenüber dem Störwirkungsgrad ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die geforderte Feinfühligkeit der Lenkung bei gleichzeitig geringer straßenseitiger Stoßempfindlichkeit gegeben ist.
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3 zeigt die Möglichkeit, die lenkradseitige von einer straßenseitigen Anregung unterscheiden zu können. Hierzu kann ein Entscheider dienen, wie er in 3 näher beschrieben ist. Unter Nutzung von lenksysteminternen Signalen und/oder Signalen der ESP-Lenkwinkelsensorik wird via Softwarealgorithmus detektiert, ob ein lenkradseitiger eingeleiteter Lenkbefehl vorliegt oder ob es sich um eine straßenseitige Störanregung handelt. Bei erkannter straßenseitiger Anregung wird ein Kompensationsmoment generiert, derart, dass die Störanregung durch die elektrische Antriebsmaschine des Lenksystems fahrsituationsabhängig kompensiert wird und die Störung nicht an das Lenkrad gelangt.
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In 3 sind die einzelnen Blöcke mit einer ausführlichen Beschreibung versehen, so dass diese Figur selbsterklärend ist. Der Entscheider gemäß 3 kann sich entsprechend der Darstellung nach 4 einer Fuzzy-Erkennungslogik bedienen. Fuzzy-Logik ist eine Theorie, welche vor allem für die Darstellung des menschlichen (und damit unscharfen) Wissens entwickelt wurde. Sie ist eine Verallgemeinerung der zweiwertigen Booleschen Logik um einen weiteren unscharfen Wahrheitswert, der zwischen wahr (1) oder falsch (0) liegt. Beispielsweise kann der Wahrheitswert den Wert 0,5 annehmen, so dass damit auch unscharfe Angaben wie „ein bisschen“, „ziemlich“ oder „stark“ mathematisch behandelt werden können. Damit arbeiten fuzzylogikunterstützte Programme näher am menschlichen Denken als übliche Programme.
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Mit Hilfe der Fuzzy-Logik werden gemäß 4 aufgrund der entsprechenden Eingangssignale eindeutige Entscheidungen getroffen, die in der Tabelle „Aktionsentscheidung“ abgelegt werden und so für die Entscheidung zur Verfügung stehen, ob eine festgestellte Anregung nun als straßenseitige Anregung kompensiert werden soll oder als lenkradseitige Anregung nicht kompensiert werden soll.
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Eine andere Möglichkeit zur Unterscheidung von straßenseitigen Anregungen gegenüber lenkradseitigen Anregungen ist eine Laufzeiterkennung. Aufgrund der Systemträgheit bzw. endlichen Übertragungsgeschwindigkeit des Lenksystems sprechen bei einer durch den Fahrer durchgeführten Lenkbewegung zunächst der Lenkradlenkwinkelsensor und dann der Motorwinkellagesensor an (Winkelsignal des Lenkradsensors eilt dem Motorwinkellagesensor vor). Bei einer straßenseitigen Anregung (z.B. unebene Straße/Kopfsteinpflaster, Schlagloch, ...) eilt das Motorwinkellagesensorsignal dem Lenkradlenkwinkelsignal vor (Signalvorlaufvergleich/-phasenvergleich). Somit ist es möglich, zwischen der Führungs- und der Störgröße zu unterscheiden.
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Im nächsten Schritt erfolgt eine Plausibilitätsprüfung, ob der Fahrer selbst lenken wollte. Dieses wird durch Analyse des Handmoments des Fahrers erreicht. Ist dieses Moment nahezu konstant oder von der Bewegungsrichtung entgegen dem Störmoment, wollte der Fahrer scheinbar nicht lenken bzw. in die andere Richtung lenken, und es handelt sich um eine Störgröße. Bei gleichgerichtetem Moment handelt es sich bei der Auslenkung um den Fahrerwunsch, wobei die Führungsgröße in der Regel immer größer als die Störgröße sein sollte, auch wenn diese in die gleiche Lenkrichtung wirken. In 4 ist dazu eine Entscheidungsmatrix angegeben, mit der der Regelalgorithmus entscheidet, in welchen Fällen eine Kompensation vorzunehmen ist.
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Bei Einkopplung einer Störgröße wird im nächsten Schritt ermittelt, wie groß die Führungs- und die Störgröße jeweils ist und welche Kompensation vorzunehmen ist. Dazu misst eine Drehmomenteinheit das Handmoment des Fahrers (=Führungsgröße). Das erfasste Störmoment wird ermittelt über den gemessenen Motorwinkel, der mit einem Faktor multipliziert wird. Dieser Faktor ist von der Konstruktion der Lenkung abhängig und statisch.
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Das Störmoment wird als adaptierte Stellgröße dem Antriebsmotor zugeführt. Je nachdem, welche Rückkopplung an der Lenkung über die Fahrbahnbeschaffenheit gewünscht ist, kann der Faktor eingestellt werden (fahrtypabhängig (z.B. personalisierbar), fahrsituationsabhängig, fahrgeschwindigkeitsabhängig, korreliert mit Fahrzeugdämpfereinstellungen (komfortabel - sportlich) etc.).
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Unabhängig davon, ob nun die Entscheidung über die Art der Anregung (straßenseitig oder lenkradseitig) mittels Laufzeitvergleich oder mittels des Entscheides nach 4 mit Fuzzy-Logik getroffen wird, empfiehlt es sich, die Kompensationen der Störsignale von der aktuellen Fahrsituation abhängig zu machen. Dies ist durch die entsprechend bezeichneten Blöcke in 3 und in 4 angedeutet. Wird beispielsweise festgestellt, dass sich das Fahrzeug auf einer schnellen Geradeausfahrt (Autobahn) befindet, so macht es wenig Sinn, ein einmaliges Schlagloch als Störung auf das Lenkrad zu übertragen. In diesem Fall wird man daher die straßenseitigen Anregung stark kompensieren. Umgekehrt ist es nicht sinnvoll, bei einer Fahrt über grobes Kopfsteinpflaster oder einen Feldweg durch eine sehr starke Kompensation der Straßenanregung zu versuchen, den Fahrer darüber im unklaren zu lassen, dass er sich auf einer schlechten Wegstrecke befindet. Im Übrigen stände in diesem Fall die Bewegung des Lenkrades im Gegensatz zur Bewegung des Fahrzeugsaufbaus, was leicht zu Irritationen des Fahrers und damit zu seiner Ablenkung vom Fahrgeschehen führen könnte. Dabei sei angemerkt, dass nicht alle in 4 dargestellten Eingangsgrößen für den Entscheider und die Fahrsituationserkennung notwendig sind, sondern einzelne Eingangsgrößen weggelassen werden können.
