DE102011118849B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Elektromotors (2) einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Mittel zur Ermittlung eines Soll-Moments des Elektromotors (2) und eine Steuereinheit (3) zur Umsetzung des Soll-Moments (M_soll) in Soll-Phasenströme (i_soll) des Elektromotors (2), wobei dem Elektromotor (2) mindestens ein Sensor (6) zur Erfassung der Ist-Phasenströme (i_ist) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ein Modell (F) einer Steuerstrecke umfasst, um aus dem Soll-Moment (M_soll) die Soll-Phasenströme (i_soll) zu ermitteln, wobei das Modell (F) mindestens einen Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) umfasst, wobei mindestens die Ist-Phasenströme (i_ist) einem Beobachter (7) zugeführt werden, der mindestens anhand der Ist-Phasenströme (i_ist) einen Korrekturwert (P₁*, P₂*, ...,P_n*) für den mindestens einen Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) des Modells (F) ermittelt, der von dem Modell (F) übernommen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 5.
• Üblicherweise werden bei Servolenkungen, insbesondere elektromechanische Servolenkungen, stromgeregelte Servoregler eingesetzt. Derartige Regelungen haben den Vorteil, dass diese Abweichungen einfach ausregeln. Nachteilig an diesen Regelungen ist hingegen, das diese Schwingungsneigungen aufweisen. Rein gesteuerte Verfahren sind diesbezüglich erheblich robuster. Allerdings muss bei einer reinen Steuerung die Steuerstrecke bzw. Führungsstrecke sehr genau vorab bekannt sein, da ansonsten Abweichungen zu entsprechend großen Fehlern am Ausgang führen können. Bezogen auf eine Servolenkung heißt das, dass die Servolenkung unerwünschte Lenkmomente generieren würde, was nicht akzeptabel ist.
• Aus der DE 699 30 820 T2 ist beispielsweise ein Steuerungssystem für eine elektrische Servolenkung bekannt. Diese umfasst einen Drehmomentsensor zum Detektieren des Lenkdrehmoments, wenn ein Kraftfahrzeugführer das Kraftfahrzeug steuert. Weiter umfasst die Servolenkung einen Phasenkompensator, um die Frequenzkennlinie des Signals des Drehmomentsensors zu verbessern, und eine Drehmomentsteuereinheit zum Berechnen eines Unterstützungsdrehmomentstroms, mit dem der Motor beaufschlagt wird. Der Strom des Motors wird von einem Sensor bzw. Stromdetektor erfasst. Ebenso wird der Rotorwinkel erfasst. Beide Größen werden einer Drehgeschwindigkeitsbeobachtungseinheit zugeführt, die eine Steuergröße an eine Dämpfungssteuerungseinheit abgibt. Die Dämpfungssteuerungseinheit gibt einen Korrekturwert ab, der auf das Ausgangssignal der Drehmomentsteuerungseinheit addiert wird. Das als Steuerungssystem bezeichnete System verhält sich daher wie ein geregeltes System bzw. ist ein geregeltes System.
• Aus der DE 10 2007 044 579 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug bekannt, umfassend mindestens ein Mittel zur Ermittlung eines Soll-Momentes des Elektromotors und eine Steuereinheit zur Umsetzung des Soll-Momentes in Soll-Phasenströme des Elektromotors, wobei dem Elektromotor mindestens ein Sensor zur Erfassung der Ist-Phasenströme zugeordnet ist.
• Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung zu schaffen, deren Abweichungen am Ausgang des Elektromotors vernachlässigbar klein sind.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug mindestens ein Mittel zur Ermittlung eines Soll-Momentes des Elektromotors und eine Steuereinheit zur Umsetzung des Soll-Momentes in Phasenströme des Elektromotors, wobei die Steuereinheit ein Modell einer Steuerstrecke umfasst, um aus dem Soll-Moment die Soll-Phasenströme zu ermitteln, wobei das Modell mindestens einen Parameter umfasst, wobei dem Elektromotor mindestens ein Sensor zur Erfassung der Ist-Phasenströme zugeordnet ist, wobei mindestens die Ist-Phasenströme einem Beobachter zugeführt werden, der mindestens anhand der Ist-Phasenströme einen Korrekturwert für den mindestens einen Parameter des Modells ermittelt, der von dem Modell übernommen wird. Dadurch werden die Parameter des Modells während des Betriebes adaptiv nachgeführt, so dass die Abweichungen am Ausgang des Elektromotors minimiert werden ähnlich einer Regelung, wobei jedoch die Stabilität einer reinen Steuerung erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Informationen über die Ist-Phasenströme für Diagnosezwecke sehr nützliche Informationen enthalten. Beispielsweise lassen sich Kurzschlüsse, Leitungsunterbrechungen oder hohe Übergangswiderstände sehr leicht detektieren, indem die Soll-Phasenströme mit den Ist-Phasenströmen verglichen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sehr einfach ein „Null-Moment“ überprüft werden kann. Ist der Soll-Phasenstrom Null, so soll der Elektromotor kein Moment generieren und die Ist-Phasenströme müssten Null sein. Werden nun Phasenströme, ungleich Null gemessen, so muss das Modell, entsprechend korrigiert werden. Dabei kann das Modell mehr als einen Parameter aufweisen, wobei nicht zwangsläufig alle Parameter des Modells durch den Beobachter korrigiert werden müssen. Vorzugsweise werden dem Beobachter daher neben den Ist-Phasenströmen auch die Soll-Phasenströme zugeführt.
• In einer Ausführungsform wird dem Beobachter zusätzlich mindestens eine der nachfolgenden Größen Rotorlage, Rotordrehzahl, Motortemperatur oder Höhe der Versorgungsspannung des Elektromotors zugeführt, die bei der Korrektur des oder der Parameter berücksichtigt werden. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass einzelne Größen alternativ oder zusätzlich auch direkt der Steuereinheit zugeführt werden können, insbesondere die Versorgungsspannung des Elektromotors und/oder die Drehzahl.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Handmoments oder eines Drehwinkels, wobei mittels einer Einheit dem Sensörsignal ein Soll-Moment für den Elektromotor zugeordnet wird. Dies kann beispielsweise mittels Kennlinien erfotgen. Vorzugsweise wird der Einheit zusätzlich mindestens die Kraftfahrzeuggeschwiridigkeit zugeführt, so dass beispielsweise bei höheren Kraftfahrzeuggeschwindigkeiten das Soll-Moment reduziert wird. Zusätzlich kann auch die Temperatur des Elektromotors berücksichtigt werden, um bei tiefen Temperaturen das Soll-Moment zu erhöhen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug.
• Die Vorrichtung 1 umfasst einen Elektromotor 2, eine Steuereinheit 3, mindestens einen Sensor 4 zur Erfassung eines Handmoments M_H an einer Lenkhandhabe eines Kraftfahrzeugs, eine Einheit 5, mindestens einen Sensor 6 zur Erfassung der Ist-Phäsenströme i_ist des Elektromotors 2 und einen Beobachter 7.
• Der Sensor 4 erfasst ein Handmoment M_H , das als eine Eingangsgröße der Einheit 5 zugeordnet ist, wo dem Handmoment M_H ein Soll-Moment M_soll des Elektromotors 2 zugeordnet wird. Die Zuordnung zwischen Handmoment M_H und Soll-Moment M_soll kann dabei algebraisch, über Tabellen oder Kennlinien erfolgen. Dabei wird der Einheit 5 zusätzlich ein Datensignal der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit V zugeführt. Dabei wird das Soll-Moment M_soll bei höheren. Geschwindigkeiten V reduziert. Die Berücksichtigung der Kraftfahrzeuggeschwihdigkeit V kann dabei kontinuierlich öder gestuft erfolgen., Am Ausgang der Einheit 5 liegt dann ein Soll-Moment M_soll als Eingangsgröße für die Steuereinheit 3 an. Die Steuereinheit 3 umfasst ein Modell F der Steuerstrecke, wobei als Eingangsgröße des Modells F das Soll-Moment M_soll in Soll-Phasenströme i_soll für den Elektromotor 2 in Form einer reinen Steuerung umgerechnet wird. Das Modell F weist dabei verschiedene Parameter P₁, P₂, ..., P_n auf, die die physikalischen Parameter der Steuerstrecke berücksichtigen, wie beispielsweise ohmsche Widerstände, Induktivitäten des Elektromotors 2 etc. Über eine Leistungselektronik 8, die insbesondere Leistungstreiber umfasst, werden dann berechnete Soll-Phasenströme i_soll in reale Soll-Phasenströme i_soll zum Ansteuern des Elektromotors 2 umgesetzt. Die Leistungselektronik 8 kann dabei wie dargestellt Bestandteil der Steuereinheit 3 sein oder aber als separate Baueinheit ausgebildet sein. Der Elektromotor 2 erzeugt dann ein Ist-Moment M_ist , das als Unterstützungsmoment den Lenkvorgang unterstützt. Das Ist-Moment M_ist entspricht umso mehr dem Soll-Moment M_soll , je genauer das Modell F die reale Steuerstrecke beschreibt.
• Daher wird das Modell F bzw. dessen Parameter P₁...P_n während des Betriebes adaptiv angepasst. Dies erfolgt durch den Beobachter 7. Dem Beobachter 7 werden dabei mindestens die Ist-Phasenströme i_ist des Elektromotors 2 durch den Sensor 6 zugeführt. Zusätzlich werden dem Beobachter die Roforlage φ, die Rotordrehzahl n und die Temperatur T des Elektromotors 2 zugeführt. Diese Größen können mittels Sensoren erfasst und/oder aus anderen Werten geschätzt oder abgeleitet werden. Weiter wird dem Beobachter 7 die Versorgungsspannung U_Bat des Elektromotors 2 zugeführt. Aus den Abweichungen zwischen i_soll und i_ist bestimmt dann der Beobachter 7 korrigierte Parameter P₁*...P_n*, wobei die Berechnung der korrigierten Parameter P₁*...P_n* vorzugsweise mittels eines weiteren Modells erfolgt. Die korrigierten Parameter P₁*...P_n* werden dann in dem Modell F der Steuereinheit 3 zukünftig berücksichtigt. Da die Anpassung der Parameter P₁...P_n fortlaufend wiederholt wird, bildet von Mal zu Mal das Modell F die reale Steuerstrecke exakter nach. Dies erlaubt eine reine Steuerung des Elektromotors 2, die aufgrund der Nachführung des Modells F eine hohe Genauigkeit des Ist-Verhaltens des Elektromotors 2 gewährleistet.
• Dabei sei angemerkt, dass einzelne Größen, wie beispielsweise die Versorgungsspannung U_Bat , auch direkt in der Steuereinheit 3 als weitere Eingangsgrößen neben dem Soll-Moment M_soll berücksichtigt werden können, Weiter sei angemerkt, dass mindestens einige der korrigierten Parameter P₁*...P_n* permanent gespeichert werden, d.h. nach einem Neustart des Kraftfahrzeuges als Start-Parameter des Modells F verwendet werden. Dabei ist es jedoch auch möglich, dass einzelne Parameter beim Neustart stets als Startwert verwendet werden, die dann im Laufe des Betriebes durch den Beobachter korrigiert werden. Dies gilt insbesondere für Parameter, die stark von der Temperatur beeinflusst sind.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Elektromotor

3

Steuereinheit

4

Sensor

5

Einheit

6

Sensor

7

Beobachter

8

Leistungselektronik

F

Modell

i_ist

Ist-Phasenstrom

i_soll

Soll-Phasenstrom

M_H

Handmoment

M_ist

Ist-Moment

M_soll

Soll-Moment

n

Rotordrehzahl

P₁...P_n

Parameter

P₁*...P_n*

korrigierte Parameter

T

Motortemperatur

U_Bat

Versorgungsspannung

V

Kraftfahrzeuggeschwindigkeit

φ

Rotorlage

Claims (8)

1. Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Elektromotors (2) einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Mittel zur Ermittlung eines Soll-Moments des Elektromotors (2) und eine Steuereinheit (3) zur Umsetzung des Soll-Moments (M_soll) in Soll-Phasenströme (i_soll) des Elektromotors (2), wobei dem Elektromotor (2) mindestens ein Sensor (6) zur Erfassung der Ist-Phasenströme (i_ist) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ein Modell (F) einer Steuerstrecke umfasst, um aus dem Soll-Moment (M_soll) die Soll-Phasenströme (i_soll) zu ermitteln, wobei das Modell (F) mindestens einen Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) umfasst, wobei mindestens die Ist-Phasenströme (i_ist) einem Beobachter (7) zugeführt werden, der mindestens anhand der Ist-Phasenströme (i_ist) einen Korrekturwert (P₁*, P₂*, ...,P_n*) für den mindestens einen Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) des Modells (F) ermittelt, der von dem Modell (F) übernommen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachter (7) zusätzlich mindestens eine der nachfolgenden Größen Rotorlage (φ), Rotordrehzahl (n), Motortemperatur (T) oder Höhe der Versorgungsspannung (U_Bat) des Elektromotors (2) zugeführt wird, die bei der Korrektur des oder der Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) berücksichtigt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens einen Sensor (4) zur Erfassung eines Handmoments (M_H) oder eines Drehwinkels umfasst, wobei mittels einer Einheit (5) dem Sensorsignal ein Soll-Moment (M_soll) für den Elektromotor (2) zugeordnet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit (5) zusätzlich mindestens die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit (V) zugeführt wird.
5. Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors (2) einer Servolenkung in einem Kraftfahrzeug, mittels mindestens einem Mittel zur Ermittlung eines Soll-Moments (M_soll) des Elektromotors (2) und einer Steuereinheit (3) zur Umsetzung des Soll-Moments (M_soll) in Soll-Phasenströme (i_soll) des Elektromotors (2), wobei dem Elektromotor (2) mindestens ein Sensor (6) zur Erfassung der Ist-Phasenströme (i_ist) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) ein Modell (F) einer Steuerstrecke umfasst, um aus dem Soll-Moment (M_soll) die Soll-Phasenströme (i_soll) zu ermitteln, wobei das Modell (F) mindestens einen Parameter (P₁ P₂, ...,P_n) umfasst, wobei mindestens die Ist-Phasenströme (i_ist) einem Beobachter (7) zugeführt werden, der mindestens anhand der Ist-Phasenströme (i_ist) einen Korrekturwert (P₁*, P₂*, ..., P_n* ) für den mindestens einen Parameter (P₁, P₂, ...,P_n) des Modells (F) ermittelt, wobei der Korrekturwert (P₁*, P₂*, ..., P_n*) des Parameters (P₁, P₂, ..., P_n) von dem Modell (F) übernommen wird.
6. Verfahren nach Ansprüch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachter (7) zusätzlich mindestens eine der nachfolgenden Größen Rotorlage (φ), Rotordrehzahl (n), Motortemperatur (T) oder Höhe der Versorgungsspannung (U_Bat) des Elektromotors (2) zugeführt wird, die bei der Korrektur des oder der Parameter (P₁, P₂, ..., P_n) berücksichtigt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Sensors (4) ein Handmoment (M_H) oder ein Drehwinkel erfasst wird, wobei mittels einer Einheit (5) dem Sensorsignal ein Sollmoment (M_soll) für den Elektromotor (2) zugeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit (5) zusätzlich mindestens die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit (V) zugeführt wird.

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