DE102009002743B4 - Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems sowie aktives Lenksystem - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems in einem Fahrzeug, wobei mittels des aktiven Lenksystems eine Lenkübersetzung zwischen einem vom Fahrer vorgebbaren Lenkradwinkel und einem Radeinschlagswinkel durch Überlagerung eines Überlagerungswinkels modifizierbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:a) Erfassen eines Offsets zwischen einem angeforderten Überlagerungswinkel und einem tatsächlichen Überlagerungswinkel; undb) Reduzieren dieses Offsets in einer mit dem durch den Fahrer erzeugten Lenkvorgang, synchronisierten Weise, wobei eine Reduzierungsrate dieser Reduzierung in Abhängigkeit von wenigstens einer durch den Fahrer vorgegebenen Eingangsgröße gewählt wird, welche wenigstens die Lenkradgeschwindigkeit umfasst, wobei die Schritte a) und b) erst durchgeführt werden, wenn eine externe Anforderung zur Erfassung des Offsets vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierungsrate des Offsets mittels eines Ratenbegrenzungs-Moduls (210) begrenzt wird, wobei das Ratenbegrenzungsmodul (210) die Offsetänderungsrate zwischen einer Minimalrate (Rlow) und einer Maximalrate (Rhigh) begrenzt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein aktives Lenksystem, das zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.
• Ein aktives Lenksystem (auch als „aktive Vorderachsenlenkung“ oder kurz: AFS-System, AFS = „active front steering“ bezeichnet) ermöglicht es, die Lenkübersetzung vom Lenkradwinkel zum Radeinschlagswinkel (d. h. zum Winkel zwischen dem jeweiligen Rad und der Fahrbahn) durch Addition eines Zusatz- oder Überlagerungswinkels, welcher von einem einen Elektromotor aufweisenden Aktuator bereitgestellt wird, zu modifizieren. Dieser Winkel wird im Folgenden als Motorwinkel bezeichnet. Dabei wird der gewünschte Radeinschlagswinkel durch einen geeigneten Algorithmus berechnet. Das Tuning des Algorithmus kann während der Fahrt geändert werden, wie z. B. bei Einstellung eines Komfort- oder Sport-Betriebsmodus.
• Während eines Hochfahrens, während einer Initialisierung oder während einer Änderung bestimmter Einstellungen (wie z. B. der Einstellung eines Komfort- oder Sport-Betriebsmodus) kann eine Abweichung bzw. Differenz zwischen dem Sollwert für den Motorwinkel und dem tatsächlichen Motorwinkel auftreten. Ohne weitere Maßnahmen wird der Aktuator dann versuchen, den Sollwert für den Motorwinkel mit voller Drehzahl des Elektromotors einzustellen. Dies hat jedoch zur Folge, dass der Radeinschlagswinkel ohne Einflussnahme des Fahrers bzw. ungeachtet von dessen Fahr- oder Lenkabsicht verändert wird, so dass der Fahrer den Eindruck erhält, dass das Fahrzeug außer Kontrolle gerät.
• Aus der DE 10 2006 041 236 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Servolenksystems bekannt, bei welchem zur Realisierung eines variablen Übersetzungsverhältnisses ein Zusatzwinkel generiert und ein Eingangswinkel eines Lenkgetriebes aus einer Überlagerung des Lenkradwinkels mit diesem Zusatzwinkel erzeugt wird. Dabei ermittelt ab einem vorgegebenen Einschaltzeitpunkt eine Synchronisierungsfunktion die aktuelle Differenz zwischen einem gewünschten Teilsollzusatzwinkel und einem momentanen Ist-Zusatzwinkel als Synchronisierungsaufwand. Der Synchronisierungsaufwand kann angepasst an die momentane Fahrsituation des Kraftfahrzeugs reduziert werden, wobei diese Reduzierung bei einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit schnell erfolgt. Bei einer höheren Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt die Reduzierung des Synchronisierungsaufwandes in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Lenkgeschwindigkeit.
• Aus der DE 10 2006 041 237 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Servolenksystems bekannt, wobei ein Lenkradschiefstand abhängig von der Fahrsituation mittels einer Positionierungsfunktion fortlaufend zu Null reduziert wird, wobei diese Positionierung je nach Fahrsituation langsam oder zügig erfolgt.
• Aus der gattungsbildenden DE 10 2006 023 562 A1 ist ein Verfahren zum kennlinien- oder kennfeldabhängigen Variieren der Winkelübersetzung zwischen einem Lenkradwinkel eines Lenkrads und dem Radlenkwinkel bekannt, wobei vom Fahrer manuell oder automatisch eine von wenigstens zwei Kennlinien oder Kennfeldern, denen unterschiedliche Winkelübersetzungen zwischen dem Lenkradwinkel und dem Radlenkwinkel zugeordnet sind, auswählbar ist.
• Aus der US 6 832 144 B2 ist ebenfalls ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Variieren der Lenkradübersetzung eines Fahrzeugs bekannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems sowie ein aktives Lenksystem bereitzustellen, durch welche die vorstehenden Probleme teilweise oder vollständig vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.
• Ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems in einem Fahrzeug, wobei mittels des aktiven Lenksystems eine Lenkübersetzung zwischen einem vom Fahrer vorgebbaren Lenkradwinkel und einem Radeinschlagswinkel durch Überlagerung eines Überlagerungswinkels modifizierbar ist, weist u.a. folgende Schritte auf:
• Erfassen eines Offsets zwischen einem angeforderten Überlagerungswinkel und einem tatsächlichen Überlagerungswinkel, und
• Reduzieren dieses Offsets, wobei eine Reduzierungsrate dieser Reduzierung in Abhängigkeit von wenigstens einer durch den Fahrer vorgegebenen Eingangsgröße gewählt wird.
• Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine allmähliche, sanfte Eliminierung bzw. Kompensation einer Abweichung zwischen einem tatsächlichen Motorwinkel und dem gewünschten Motorwinkel bzw. dem Sollwert für den Motorwinkel erzielt. In Testläufen konnte nachgewiesen werden, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Eliminierung des Offset-Winkels erzielt werden kann, ohne dass diese Eliminierung für den Fahrer wahrnehmbar ist.
• Gemäß der Erfindung wird die Eliminierung des Offset-Winkels, im Folgenden auch als „Offset-Kompensation“ bezeichnet, in synchronisierter Weise während der Lenkung des Fahrzeuges durch den Fahrer durchgeführt.
• Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Eingangssignale, welche bei der Reduzierung bzw. Eliminierung des Offset-Winkels verwendet werden neben der Lenkradgeschwindigkeit, den Radeinschlagswinkel und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit. Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere berücksichtigt, wie der Fahrer das Fahrzeug lenkt (schnelle Lenkung, Lenkung zurück in die mittlere „Geradeaus“-Position etc.).
• Gemäß einer Ausführungsform wird der Überlagerungswinkel mittels eines Elektromotors bereitgestellt, wobei sich bei bestimmten Systemzuständen (z. B. während des Hochfahrens des Systems) Offsets ergeben können.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird erst durchgeführt, wenn eine externe Anforderung zur Erfassung des Offset-Winkels zwischen dem gewünschten Radeinschlagswinkel und dem gemessenen Radeinschlagswinkel vorliegt. Wenn ein Offset-Winkel existiert, jedoch keine Erfassung des Offset-Winkels angefordert wird, wird in einer Ausführungsform der ungeänderte Sollwert für den Motorwinkel ausgegeben.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein schematisches Übersichtsdiagramm eines AFS-Systems, in welchem ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert wird;
• 2 ein Blockdiagramm mit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Modulen;
• 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Ratenbegrenzungs-Moduls aus 2; und
• 4 ein Diagramm für ein Beispiel des sich ergebenden Radeinschlagswinkels während der Durchführung des Algorithmus.
• 1 zeigt ein schematisches Übersichtsdiagramm eines AFS-Systems, in welchem ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert wird.
• Das AFS-System umfasst insbesondere ein mit einem vom Fahrer 5 betätigten Lenkrad 10 in Wirkverbindung stehendes Wellgetriebe 20 (auch: Überlagerungsgetriebe oder AFS-Getriebe). Ein durch dieses Wellgetriebe erzeugter Überlagerungswinkel bzw. Motorwinkel wird über einen Elektromotor (z. B. einen Hohlwellenmotor) 25 eingestellt, um den Radeinschlagswinkel der Räder (linkes Rad 11 und rechtes Rad 12) auf einen durch das AFS-System erzeugten Radeinschlagswinkel δ_Rad einzustellen, wobei dieser Winkel δ_Rad gegeben ist durch δ_Rad = δ_drv + δ_Motor .
• Das Wellgetriebe 20 addiert bzw. subtrahiert somit einen vorgebbaren Motorwinkel δ_Motor zum Fahrerlenkwinkel δ_drv. Die Summe dieser beiden Winkel wirkt dann auf das Lenkgetriebe, welches den Radeinschlag erzeugt.
• Dabei bezeichnet δ_drv den vom Fahrer vorgegebenen Fahrerlenkwinkel (resultierend aus dem Lenkradwinkel δ_SW), und δ_Motor bezeichnet den durch den Elektromotor 25 über das AFS-Getriebe 20 erzeugten und dem Fahrerlenkwinkel δ_drv überlagerten Motorwinkel. Gemäß 1 ist ferner eine hydraulische oder elektrische Antriebsunterstützung (kurz: PAS) 50 vorgesehen.
• Im Weiteren werden folgende Definitionen verwendet: $$\text{Offset}-\text{Winkel}=\text{geforderter Motorwinkel}-\text{gemessener Motorwinkel}$$

  

  $$\text{Sollwert f}\ddot{\text{u}}\text{r Motorwinkel}=\text{geforderter Motorwinkel}-\text{Korrekturwinkel von SOC}$$

  
• Wenn keine Synchronisationsanforderung vorliegt, wird Gleichung (2) zu: $$\text{Sollwert f}\ddot{\text{u}}\text{r Motorwinkel}=\text{geforderter Motorwinkel}$$

  
• Wenn eine Synchronisationsanforderung vorliegt, wird Gleichung (2) zu: $$\begin{array}{l}\text{Sollwert f}\ddot{\text{u}}\text{r Motorwinkel}=\\ \text{geforderten Motorwinkel}-\text{Offset}-\text{Winkel}\ast \text{Funktion F}\left(\text{W}\_\text{SteWhl},\dots \right)\end{array}$$

  
• Die Funktion F ist unter anderem abhängig von der Lenkradgeschwindigkeit (W_SteWhl) und bestimmt, um wie viel der Offset-Winkel reduziert werden darf. Der resultierende, geänderte Offset y_k ist also = Offset-Winkel * F.
• Somit wird, wenn keine Synchronisationsanforderung vorliegt, der Sollwert gleich dem geforderten Motorwinkel gesetzt, wohingegen bei Vorliegen der Synchronisationsanforderung ein von der Lenkradgeschwindigkeit abhängiger Faktor bei der Offset-Kompensation einbezogen wird.
• 2 zeigt zunächst anhand eines Blockdiagramms die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Module. Hierbei handelt es sich um ein Ratenbegrenzungs-Modul 210 (= „RateLimiter“), ein Zustandsentscheidungs-Modul 220 (= „StateDecision“), ein Offset-Arbitrations-Modul 230 (= „OffsetArbitration“) und ein Differenz-Modul 240 (= „Difference“).
• Die Hauptaufgabe des Ratenbegrenzungs-Moduls 210 besteht darin, den durch die AFS-Regelung erzeugten Offset zu reduzieren.
• Die Hauptaufgabe des Differenz-Moduls 240 besteht in der Berechnung des Offset-Winkels (geforderter Winkel - gemessener Winkel).
• Die Hauptaufgabe des Offset-Arbitrations-Moduls 230 besteht in der Ausgabe des neu berechneten Sollwerts (entweder des ungeändert geforderten Winkels oder bei Synchronisationsanforderung des geänderten geforderten Winkels nach Gleichung (4)).
• Der geänderte Offset y_k wird mittels des Ratenbegrenzungs-Moduls 210 in synchronisierter Weise abhängig von der Lenkradgeschwindigkeit und der Offset-Reduzierungsgeschwindigkeit reduziert.
• Die Rate R wird wie folgt gemäß Gleichung (5) berechnet: $$\text{R}=\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\text{y}}_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}{\text{mit der Randbedingung R}}_{\text{low}}<\text{R}<{\text{R}}_{\text{high}}$$

  
• Die Variable x_k ist die Eingangsgröße für das Ratenbegrenzungs-Modul 210,
  t_s = t_k - t_k-1 bezeichnet eine feste Abtastzeit. Die Variable y_k-1 bezeichnet die Ausgangsgröße des vorangegangenen Schrittes. Die Rate wird dann entsprechend begrenzt, und es wird die Berechnung für den nächsten Ausgabeschritt wie folgt ausgeführt: $$y_k=t_s\cdot R_{high}+y_{k-1}\text{wenn R}>{\text{R}}_{\text{high}}$$

  

  $$y_k=t_s\cdot R_{low}+y_{k-1}\text{wenn R}<{\text{R}}_{\text{low}}$$

  

  $$y_k=x_k\text{wenn R zwischen}{R}_{high}\text{und}{R}_{low}.$$

  

  Hieraus resultiert das in 3 dargestellte Verhalten.
• Bei der vorstehend erläuterten Implementierung wurde der Ratenbegrenzungsalgorithmus so ausgelegt, dass nur der Offset gespeichert wird. Eine modifizierte Implementierung ist in den nachfolgenden Gleichungen (9) - (15) angegeben. $$y_k=x_k-{\Delta }_k$$

  

  Somit wird Gleichung (5) zu: $$\text{R}=\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\text{y}}_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}=\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-\left({\text{x}}_{\text{k}-1}-{\Delta }_{\text{k}-1}\right)}{{\text{t}}_{\text{s}}}=\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\text{x}}_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}+\frac{{\Delta }_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}$$

  
• Die Ausgangsgleichungen ändern sich ebenfalls, indem y durch x und Δ ersetzt wird.
• Wenn R > R_high : $$x_k-{\Delta }_k=t_s\cdot R_{high}+x_{k-1}-{\Delta }_{k-1}$$

  
• Hieraus folgt: $${\Delta }_k={\Delta }_{k-1}+x_k-x_{k-1}-t_s\cdot R_{high}$$

  
• Wenn R < R_low : $$x_k-{\Delta }_k=t_s\cdot R_{high}+x_{k-1}-{\Delta }_{k-1}$$

  
• Hieraus folgt: $${\Delta }_k={\Delta }_{k-1}+x_k-x_{k-1}-t_s\cdot R_{low}$$

  

  $${\Delta }_k={\Delta }_{k-1}$$

  
• Der Referenz-Offset X(k) wird immer auf Null eingestellt, so dass der erfasste Offset auf Null reduziert wird. Da X(k) immer Null beträgt, erhält man die folgenden Gleichungen: $$\begin{array}{l}\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\Delta }_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}=\frac{{\text{x}}_{\text{k}}-\left({\text{x}}_{\text{k}-1}-{\text{y}}_{\text{k}-1}\right)}{{\text{t}}_{\text{s}}}\\ \frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\Delta }_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}=\frac{\left({\text{x}}_{\text{k}}-{\text{x}}_{\text{k}-1}\right)+{\text{y}}_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}\\ \frac{{\text{x}}_{\text{k}}-{\Delta }_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}=\frac{{\text{y}}_{\text{k}-1}}{{\text{t}}_{\text{s}}}\end{array}$$

  
• Die Erzeugung eines neuen Offset-Wertes ergibt sich somit wie folgt: $$\begin{array}{ll}{\Delta }_k={\Delta }_{k-1}+t_s.R_{high}\hfill & \text{falls R}>{\text{R}}_{\text{high}}\hfill \\ {\Delta }_k={\Delta }_{k-1}+t_s.R_{low}\hfill & \text{falls R}<{\text{R}}_{\text{low}\text{.}}\hfill \\ {\Delta }_k=x_k=0\hfill & {\text{falls R}}_{\text{low}}<\text{R}<{\text{R}}_{\text{high}}\hfill \end{array}$$

  
• 4 zeigt ein Diagramm für ein Beispiel des sich ergebenden Radeinschlagswinkels während der Durchführung des Algorithmus. Dabei sind in 4a der durch das variable Übersetzungsverhältnis des aktiven Lenksystems eingestellte Winkel (VGR= „variable gear ratio“) und der Lenkradwinkel aufgetragen. In 4b ist der Offset-Winkel, d. h. die Differenz zwischen dem geforderten Motorwinkel und dem gemessenen Motorwinkel aufgetragen, sowie der zur Reduzierung dieses Offsets eingestellte Winkel (SOC= „Synchronization and offset compensation“ = Synchronisations- und Offset-Kompensationswinkel).

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines aktiven Lenksystems in einem Fahrzeug, wobei mittels des aktiven Lenksystems eine Lenkübersetzung zwischen einem vom Fahrer vorgebbaren Lenkradwinkel und einem Radeinschlagswinkel durch Überlagerung eines Überlagerungswinkels modifizierbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Erfassen eines Offsets zwischen einem angeforderten Überlagerungswinkel und einem tatsächlichen Überlagerungswinkel; und b) Reduzieren dieses Offsets in einer mit dem durch den Fahrer erzeugten Lenkvorgang, synchronisierten Weise, wobei eine Reduzierungsrate dieser Reduzierung in Abhängigkeit von wenigstens einer durch den Fahrer vorgegebenen Eingangsgröße gewählt wird, welche wenigstens die Lenkradgeschwindigkeit umfasst, wobei die Schritte a) und b) erst durchgeführt werden, wenn eine externe Anforderung zur Erfassung des Offsets vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierungsrate des Offsets mittels eines Ratenbegrenzungs-Moduls (210) begrenzt wird, wobei das Ratenbegrenzungsmodul (210) die Offsetänderungsrate zwischen einer Minimalrate (R_low) und einer Maximalrate (R_high) begrenzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Fahrer vorgegebenen Eingangsgrößen neben der Lenkradgeschwindigkeit den aktuellen Radeinschlagswinkel und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungswinkel mittels eines Elektromotors bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn keine externe Anforderung zur Erfassung des Offsets vorliegt, ein geforderter Überlagerungswinkel als Sollwert für den Überlagerungswinkel gewählt wird.
5. Aktives Lenksystem für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

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