DE102011120917A1 - Method for operating vehicle steering system used for actuating steerable wheels of motor car, involves coupling correction moment, which reduces load moment, into linkage by electrical servo motor when external impact is detected - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenksystem und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeuglenksystems.The invention relates to a vehicle steering system and a method for operating such a vehicle steering system.
Zur Reduzierung der bei Betätigung des Lenkrads in einem Kraftfahrzeug notwendigen Kraft, insbesondere bei Lenkvorgängen im Stand oder während des Rangierens bei geringer Fahrgeschwindigkeit, werden in vielen Fahrzeugen Servolenkungen eingesetzt. Die Servolenkung unterstützt ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment, indem ein Lenkhilfsmoment in das Lenkgestänge eingebracht wird.To reduce the force required on actuation of the steering wheel in a motor vehicle, in particular when steering while standing or while maneuvering at low driving speed, power steering systems are used in many vehicles. The power steering supports an applied by the driver steering torque by a steering assist torque is introduced into the steering linkage.
Bei äußeren Ställen auf die lenkbaren Räder
Die höheren Belastungswerte bei elektrischen Servolenkungen gehen aus den in
Die
Die genannten Fahrzeuglenksysteme versuchen, die Belastungen sowie den Zustand der Lenksysteme abzuschätzen. Sie wenden sich jedoch nicht der Problemstellung zu, wie Fahrzeuglenksysteme vor übermäßigen mechanischen Belastungen wirksam geschützt werden können.The mentioned vehicle steering systems try to estimate the loads and the condition of the steering systems. However, they do not address the problem of how to effectively protect vehicle steering systems from excessive mechanical loads.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeuglenksystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuglenksystems anzugeben, wobei das Fahrzeuglenksystem bei von außen auftretenden Stößen entlastet werden soll.Object of the present invention is to provide a vehicle steering system and a method for operating a vehicle steering system, wherein the vehicle steering system to be relieved of external shocks.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuglenksystems angegeben. Das Fahrzeuglenksystem umfasst ein Lenkgestänge zur Betätigung der lenkbaren Räder eines Kraftfahrzeuges und eine elektrische Servolenkung. Die elektrische Servolenkung umfasst einen elektrischen Servomotor zur Erzeugung eines Lenkhilfsmoments, welches zur Unterstützung eines Lenkmoments in das Lenkgestänge eingebracht wird. Dabei wird zumindest eine Kenngröße der elektrischen Servolenkung kontinuierlich überwacht und auf diese Weise ein von außen auf das Lenkgestänge einwirkender Stoß detektiert. Dieser Stoß verursacht ein Belastungsmoment in dem Lenkgestänge. Wird ein solcher Stoß detektiert, wird der elektrische Servomotor derart angesteuert, dass dieser ein Korrekturmoment in das Lenkgestänge einkoppelt, welches das durch den äußeren Stoß verursachte Belastungsmoment verringert. Das Korrekturmoment wird dabei vorzugsweise unmittelbar nach der Stoßdetektion für kurze Zeit eingekoppelt, um einer mechanischen Überlastung des Lenksystems vorzubeugen. Die „Einkopplungsdauer”, d. h. die Zeitspanne in der das Korrekturmoment wirksam ist, liegt dementsprechend in der Größenordnung der Dauer des äußeren Stoßes, also üblicherweise unter einer Sekunde, insbesondere im Bereich einiger Millisekunden.According to one aspect of the invention, a method of operating a vehicle steering system is provided. The vehicle steering system comprises a steering linkage for actuating the steerable wheels of a motor vehicle and an electric power steering. The electric power steering comprises an electric servo motor for generating a steering assist torque, which is introduced to support a steering torque in the steering linkage. In this case, at least one characteristic of the electric power steering system is continuously monitored and in this way detects an impact acting from outside on the steering linkage. This shock causes a load torque in the steering linkage. If such a shock is detected, the electric servomotor is driven such that it couples a correction torque in the steering linkage, which reduces the load torque caused by the external impact. The correction torque is preferably coupled in for a short time immediately after the impact detection in order to prevent mechanical overloading of the steering system. The "launch time", d. H. the period in which the correction torque is effective, is accordingly in the order of magnitude of the duration of the external shock, so usually less than a second, in particular in the range of a few milliseconds.
Bei dem Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung wird der in konventionellen Fahrzeuglenksystemen verwirklichte Grundsatz aufgegeben, dass die Steuerung des Servomotors zu jedem Zeitpunkt jede instabile Motorbedingung vermeidet, um eine direkte Unterstützung des vom Fahrer an das Lenksystem weitergegebenen Lenkmoments zu gewährleisten. Eine instabile Motorbedingung in diesem Sinne wäre beispielsweise ein Generatorbetrieb des Servomotors, der durch den äußeren Stoß bedingt ist. Eine konventionelle Steuerung einer elektrischen Servolenkung versucht daher unter allen Umständen, ein Überdrehen des elektrischen Servomotors zu verhindern. Dies kann zu Belastungsspitzen führen. Zu Gunsten des Schutzes der Mechanik des Fahrzeuglenksystems wird dieser Grundsatz teilweise aufgegeben. Die Mechanik des Fahrzeuglenksystems wird vor den Folgen der kurzzeitig auftretenden Überbelastung durch äußere Stöße geschützt. Dies erfolgt, indem mittels des Servomotors ein Korrekturmoment in das Lenkgestänge eingekoppelt wird. In the method according to aspects of the invention, the principle realized in conventional vehicle steering systems is abandoned that the control of the servomotor at all times avoids any unstable engine condition to ensure direct support of the steering torque transmitted by the driver to the steering system. An unstable engine condition in this sense would be, for example, a generator operation of the servomotor, which is due to the external shock. A conventional control of an electric power steering therefore tries under all circumstances to prevent over-rotation of the electric servomotor. This can lead to peak loads. In favor of the protection of the mechanics of the vehicle steering system, this principle is partially abandoned. The mechanics of the vehicle steering system is protected against the consequences of short-term overloading by external impacts. This is done by a correction torque is coupled into the steering linkage by means of the servo motor.
Es soll beispielhaft eine typische Situation, bei der eine Lastspitze auftreten kann, betrachtet werden. Wird während eines Einparkvorgangs durch einen Kontakt der gelenkten Räder eines Kraftfahrzeuges mit einer Bordsteinkante ein äußerer Stoß in das Lenkgestänge eingetragen, so kann, gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens, das Lenkhilfsmoment verringert werden. Diese Verringerung des normalerweise aufgebrachten Lenkhilfsmoments stellt ein Korrekturmoment dar. Konkret entspricht das Korrekturmoment der Differenz zwischen dem im Normalbetrieb (d. h. ohne von außen einwirkenden Stoß) aufgebrachten Lenkhilfsmoment und dem verringerten Lenkhilfsmoment.By way of example, consider a typical situation where a peak load can occur. If, during a parking operation, an external shock is introduced into the steering linkage by contact of the steered wheels of a motor vehicle with a curb, the steering assist torque can be reduced, according to one aspect of the method according to the invention. Specifically, the correction torque corresponds to the difference between the steering assist torque applied during normal operation (i.e., without external impact) and the reduced steering assist torque.
Bevorzugt wird das Lenkhilfsmoment verringert, indem ein Drehmoment des Servomotors verringert wird. Dies kann durch eine Verringerung des drehmomenterzeugenden Stroms des Servomotors erfolgen. Je nach Typ des verwendeten Servomotors kann es sich bei diesem Strom um den Rotorstrom oder (z. B. bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor) um einen Statorstrom handeln. Ein Korrekturmoment kann außerdem aufgebracht werden, indem eine Steifheit der elektrischen Servolenkung verringert wird. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass eine felderzeugende Spannung des Servomotors verringert wird. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine programmierbare Schutzfunktion in die Steuerung der elektrischen Servolenkung integriert werden. Die Charakteristik dieser Schutzfunktion kann durch entsprechende Veränderung der Kennlinien für die vorgenannten Größen angepasst werden.Preferably, the steering assist torque is reduced by reducing a torque of the servomotor. This can be done by reducing the torque-generating current of the servomotor. Depending on the type of servo motor used, this current may be the rotor current or, for example, a brushless DC motor, a stator current. Correction torque may also be applied by reducing stiffness of the electric power steering. This is preferably done by reducing a field-generating voltage of the servomotor. According to one embodiment of the invention, a programmable protective function can be integrated into the control of the electric power steering. The characteristic of this protective function can be adjusted by corresponding change of the characteristic curves for the aforementioned quantities.
Eine weitere Möglichkeit zur Einkopplung eines Korrekturmoments besteht darin, einen Generatorbetrieb des Servomotors kontrolliert zuzulassen. Bevorzugt erfolgt dabei eine vollständige Konversion der durch den Stoß auf den Servomotor übertragenen mechanischen Energie in elektrische Energie.Another possibility for coupling a correction torque is to allow a controlled generator operation of the servomotor. In this case, a complete conversion of the mechanical energy transferred into the electric motor by the impact on the servomotor preferably takes place.
Die oben genannten Aspekte der Erfindung betreffen im Wesentlichen eine Verringerung des ursprünglichen Lenkhilfsmoments. Durch diese Maßnahmen kann ein schützendes Korrekturmoment aufgebracht werden, welches die Einwirkungen des äußeren Stoßes verringert. Ein weiterer Aspekt der Erfindung reicht noch weiter. Entsprechend kann sogar ein dem ursprünglichen Lenkhilfsmoment entgegen gerichtetes Korrekturmoment in das Lenkgestänge eingekoppelt werden. Bei einer solchen Ausführungsform weicht die elektrische Servolenkung einer durch den äußeren Stoß verursachten Belastungsspitze aus. Dadurch kann der Schutz vor einer mechanischen Überbelastung des Fahrzeuglenksystems weiter verbessert werden.The above-mentioned aspects of the invention essentially relate to a reduction in the original steering assist torque. By these measures, a protective correction torque can be applied, which reduces the effects of the external impact. Another aspect of the invention goes further. Accordingly, even a correction torque directed counter to the original steering assist torque can be coupled into the steering linkage. In such an embodiment, the electric power steering deviates from a load peak caused by the external impact. As a result, the protection against mechanical overloading of the vehicle steering system can be further improved.
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Größe des Belastungsmoments und des Lenkhilfsmoments ermittelt oder abgeschätzt. Die Größe des Belastungsmoments kann beispielsweise aus einer ermittelten Leistung des Servomotors im Generatorbetrieb ermittelt werden. Diese Generatorleistung erlaubt es, Rückschlüsse auf die von außen zugeführte Stoßkraft bzw. Energie zu ziehen. Eine Summe aus Belastungsmoment, Lenkhilfsmoment und Korrekturmoment liegt bevorzugt unterhalb einer vorgegebenen Belastungsgrenze des Lenkgestänges. Die Größe des Korrekturmoments kann entsprechend eingestellt werden.According to one aspect of the method according to the invention, a magnitude of the load torque and the steering assist torque is determined or estimated. The magnitude of the load torque can be determined, for example, from a determined power of the servomotor in the generator mode. This generator power makes it possible to draw conclusions about the externally supplied impact force or energy. A sum of load torque, steering assist torque and correction torque is preferably below a predetermined load limit of the steering linkage. The size of the correction torque can be adjusted accordingly.
Zur Feststellung eines von außen einwirkenden Stoßes wird zumindest eine Kenngröße der elektrischen Servolenkung kontinuierlich überwacht. Bei dieser Kenngröße handelt es sich bevorzugt um einen drehmomenterzeugenden Motorstrom des Servomotors. Es wurde erkannt, dass ein von außen einwirkender Stoß anhand eines starken Anstiegs oder Peaks des drehmomenterzeugenden Motorstroms detektiert werden kann. Die eigentliche Detektion eines Peaks kann mit Hilfe üblicher Verfahren, z. B. durch Überwachung der zeitlichen Ableitung des Motorstroms, erfolgen.To determine a shock acting from the outside, at least one parameter of the electric power steering system is continuously monitored. This characteristic is preferably a torque-generating motor current of the servomotor. It has been recognized that an external impact can be detected by a large increase or peak of the torque-generating motor current. The actual detection of a peak can with the help of conventional methods, eg. B. by monitoring the time derivative of the motor current done.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest eine erste und eine zweite Kenngröße der elektrischen Servolenkung kontinuierlich überwacht. Es kann ein Kenngrößentupel aus zumindest einem Messwert der ersten Kenngröße und einem zeitgleich aufgenommenen Messwert der zweiten Kenngröße gebildet werden. Dieses Kenngrößentupel wird mit einem vorbestimmten Normal-Betriebsbereich eines mehrdimensionalen Kennfeldes verglichen. Das Kennfeld kann durch Wertebereiche der zumindest ersten und zweiten Kenngröße aufgespannt werden. Falls das Kenngrößentupel außerhalb des Normalbetriebsbereichs liegt, kann ein Korrekturmoment in das Lenkgestänge eingekoppelt werden.According to a further embodiment of the method according to the invention, at least a first and a second parameter of the electric power steering system are continuously monitored. It can be formed a characteristic tuple of at least one measured value of the first characteristic and a simultaneously recorded measured value of the second characteristic. This characteristic tuple is compared with a predetermined normal operating range of a multi-dimensional map. The characteristic map can be spanned by value ranges of the at least first and second parameters. If the indicator tuple is outside the Normal operating range is located, a correction torque can be coupled into the steering linkage.
Die in der obigen Ausführungsform verwendete Erkennung eines äußeren Stoßes ist bereits in der vom gleichen Anmelder am 2. August 2010 eingereichten und nicht vorveröffentlichten Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
Der Normal-Betriebsbereich wird bevorzugt durch empirische Belastungsversuche ermittelt. Es ist möglich, mehrere vorzugsweise einander umfassende, also geschachtelte Normal-Betriebsbereiche zu definieren. So kann ein Grad der auftretenden Belastung klassifiziert werden, wobei ein Korrekturmoment beispielsweise lediglich dann aufgebracht wird, wenn ein vorbestimmter Belastungsgrad überschritten wird. Zur Bildung der Kenngrößentupel kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Kenngrößen miteinander kombiniert werden. Auch Kenngrößen unterschiedlicher Art können miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann ein Fahrerlenksignal, z. B. ein Fahrerlenkmoment, ein Fahrerlenkwinkel oder deren Ableitungen (Lenkmomentenanstieg, Lenkwinkelgeschwindigkeit, Lenkwinkelbeschleunigung) und ein durch dieses Fahrerlenksignal bedingtes Motorsignal, z. B. ein Motormoment, ein Motordrehwinkel (Motorposition) oder deren Ableitungen (Motorwinkelgeschwindigkeit, Motorbeschleunigung) zu einem Kenngrößentupel kombiniert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zusätzlich eine zeitliche Korrelation zwischen dem Fahrerlenksignal und einem entsprechenden Motorsignal zu berücksichtigen. Auch eine interne Spannung des Servomotors und eine Bordnetzspannung, die an dem Fahrzeuglenksystem anliegt, können zu einem Kenngrößentupel kombiniert werden. Beispielsweise können Kenngrößentupel auch ausschließlich aus Kenngrößen des Servomotors gebildet werden, vorzugsweise aus einer Motorwinkelgeschwindigkeit und einem Motormoment.The normal operating range is preferably determined by empirical load tests. It is possible to define several preferably mutually comprehensive, ie nested normal operating ranges. Thus, a degree of the occurring load can be classified, wherein a correction torque is applied, for example, only when a predetermined load level is exceeded. In principle, any desired number of parameters can be combined with one another to form the characteristic tuple. Also parameters of different types can be combined. In particular, a driver steering signal, for. As a driver's steering torque, a driver's steering angle or their derivatives (steering torque increase, steering angle speed, steering angle acceleration) and a conditional by this driver steering signal engine signal, z. For example, an engine torque, a motor rotation angle (motor position) or their derivatives (motor angular velocity, engine acceleration) are combined to form a characteristic tuple. Another possibility is to additionally consider a temporal correlation between the driver steering signal and a corresponding engine signal. Also, an internal voltage of the servomotor and a vehicle electrical system voltage applied to the vehicle steering system can be combined to form a characteristic tuple. For example, characteristics tuples can also be formed exclusively from parameters of the servomotor, preferably from a motor angular velocity and an engine torque.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeuglenksystem angegeben. Dieses umfasst ein Lenkgestänge zur Betätigung der lenkbaren Räder eines Kraftfahrzeuges und eine elektrische Servolenkung mit einem Servomotor zur Erzeugung eines Lenkhilfsmoments. Das Fahrzeuglenksystem kann außerdem eine Steuereinheit umfassen, die kontinuierlich zumindest eine Kenngröße der Servolenkung überwacht. Diese Steuereinheit ist zur Detektion eines von außen auf das Lenkgestänge einwirkenden Stoßes ausgelegt. Außerdem kann die Steuereinheit dazu ausgelegt sein, im Falle eines äußeren Stoßes einen Servomotor derart anzusteuern, dass von diesem ein dem Belastungsmoment des Stoßes entgegenwirkendes Korrekturmoment in das Lenkgestänge eingekoppelt wird.In accordance with another aspect of the invention, a vehicle steering system is provided. This comprises a steering linkage for actuating the steerable wheels of a motor vehicle and an electric power steering with a servo motor for generating a steering assist torque. The vehicle steering system may also include a control unit that continuously monitors at least one characteristic of the power steering. This control unit is designed to detect a shock acting from outside on the steering linkage. In addition, the control unit may be designed to control a servo motor in the event of an external impact in such a way that a correction moment counteracting the load moment of the impact is coupled into the steering linkage therefrom.
Gleiche oder ähnliche Vorteile, wie sie bereits im Hinblick auf das Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung erwähnt wurden, treffen auch auf das Fahrzeuglenksystem gemäß Aspekten der Erfindung zu und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.The same or similar advantages as already mentioned with regard to the method according to aspects of the invention also apply to the vehicle steering system according to aspects of the invention and therefore need not be further explained.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of advantageous embodiments with reference to the accompanying drawings. Showing:
Der Servomotor
Zum Schutz vor mechanischer Überbelastung kann die Steuereinheit
Die Detektion eines von außen einwirkenden Stoßes wird im Folgenden anhand der
Der drehmomenterzeugende Strom Iq gibt einen Hinweis auf die Energie des von außen in das Fahrzeuglenksystem eingetragenen Stoßes. Dies zeigen die folgenden Überlegungen.The torque-generating current Iq gives an indication of the energy of the shock introduced from outside into the vehicle steering system. This is shown by the following considerations.
Die mechanische Energie an der Abtriebswelle des Servomotors
Die von einem äußeren Stoß in das Fahrzeuglenksystem eingetragene Energie Wimpact kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
Das Motordrehmoment MMotor ist wiederum durch die folgende Gleichung beschrieben:
Das oben genannte Zeitintegral, welches die Stoßenergie bestimmt, ist also direkt von dem drehmomenterzeugenden Motorstrom Iq abhängig. Somit kann sowohl das Auftreten eines äußeren Stoßes als auch dessen Energie anhand des drehmomenterzeugenden Stroms Iq des Servomotors
Eine weitere Möglichkeit, einen äußeren Stoß zu detektieren, wird anhand von
In dem Moment, in dem ein äußerer Stoß im Fahrzeuglenksystem detektiert wird, kann die Steuereinheit
Noch eine weitere Möglichkeit, einen Stoß zu detektieren, wird anhand von
Aus Gründen der Anschaulichkeit wird das Verfahren beispielhaft durch Kenngrößen-Paare
Die beiden Kenngrößen MFahrer und ωMotor werden kontinuierlich überwacht und bilden Kenngrößen-Paare
Unter „kontinuierlicher Messung” ist hier eine Messung in genügend kleinen, vorzugsweise regelmäßigen Zeitabständen zu verstehen, wobei die Zeitabstände in der Größenordnung weniger Millisekunden liegen. Um dies zu verdeutlichen, sind in
Außerhalb des Normal-Betriebsbereichs
Vorzugsweise erfolgt in allen Überlastbereichen
Bei mittleren bis stärkeren äußeren Stößen liegt das jeweilige Kenngrößen-Paar
Besonders schweren äußeren Stößen (siehe
Gemäß
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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