DE102012104253B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von Strörungen in einem elektrischen Lenksystem - Google Patents

Abstract

Verfahren zur gleichzeitigen Kompensation einer Mehrzahl von während des Betriebs einer elektrischen Lenkvorrichtung (2; 31) auftretenden periodischen Störungen (M(f1o), M(f2o), ..., M(fno)), wobei die elektrische Lenkvorrichtung (2; 31) einen Momentensteller (7) umfasst und wobei in Abhängigkeit von einem ein Stellmoment des Momentenstellers (7) charakterisierenden Signal (Mservo) und einem ein aktuelles Drehstabmoment charakterisierenden Signal (MTBmess) unter Verwendung eines Modells (Gnom(s)) der Lenkvorrichtung (2; 31) mindestens ein die zu kompensierenden Störungen (M(f1o), M(f2o), ..., M(fno)) entsprechendes Kompensationssignal (M(f1o), M(f2o), ..., M(fno)) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den zu kompensierenden Störungen (M(f1o), M(f2o), ..., M(fno)) auftretende weitere Störungen MStoer zusammen mit Modellfehlern (∆s) des Modells (Gnom(s)) gemeinsam in Form einer unstrukturierten Störung (M Stoer) abgebildet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Kompensation von einer Mehrzahl von während des Betriebs einer elektrischen Lenkvorrichtung auftretenden periodischen Störungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Kompensation einer Mehrzahl von während des Betriebs einer elektronischen Lenkvorrichtung auftretenden periodischen Störungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
• Aus der DE 10 2009 028 448 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen und Kompensieren von Lenkraddrehschwingungen in einem EPS- Lenksystem bekannt. Für die Kompensation der Lenkraddrehschwingungen ist ein frequenzvariabler Stör- und Zustandsgrößenberechner vorgesehen. Wird das Vorliegen einer Störungsfrequenz erkannt, so wird der frequenzvariable Stör- und Zustandsgrößenberechner aktiviert. Dieser berechnet in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten dominanten Störungsfrequenz, einem durch einen frequenzvariablen Bandpaß gefilterten Drehstabmoment und ggfs. weiteren Meßgrößen, ein zusätzliches Motormoment, das in seiner Amplitude, Frequenz und Phasenlage geeignet ist, die erkannte dominante Störfrequenz zu kompensieren. Der Bandpass ist erforderlich, weil das im Stör- und Zustandsgrößenberechner implementierte Modell einer zur beobachtenden Strecke nicht hinreichend genau über einen großen Frequenzbereich bestimmbar ist.
• Zwar ist mit dem bekannten Verfahren eine für viele Anwendungen ausreichend gute Kompensation von Lenkraddrehschwingungen verursacht durch sinusförmige Störfrequenzen möglich, jedoch benötigt die Realisierung des Verfahrens u.a. aufgrund der aufwendigen Filterung des Eingangssignals eine relativ hohe Rechenleistung.
• Des Weiteren kann mit dem bekannten Verfahren nur eine einzige sinusförmige Störung kompensiert werden. Es gibt aber auch Situationen, in denen das Kompensieren einer einzelnen sinusförmigen Störfrequenz nicht ausreichend ist. Beispielsweise treten aufgrund der Bremsscheibengeometrie bei einem sogenannten Cold Brake Judder periodische Schwingungen der 1. und 2. Ordnung, bei sogenannten Hot Brake Judder sogar Schwingungsformen der 5. bis 10 Ordnung auf. Eine gleichzeitige Kompensation mehrerer periodischer Störsignale ist jedoch keine triviale Aufgabe. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Erweiterung eines Stör- und Zustandsgrößenberechners bei dem Vorliegen von zwei periodischen Störsignalen, die jeweils entsprechend bandpaßgefiltert werden, aufgrund entstehender unterschiedlicher Laufzeiten bzw. Phasen der Signale zu instabil wird und durch das Entstehen von ungewollten Wechselwirkungen eine Kompensation der Störsignale nicht mehr möglich ist.
• Des weiteren besteht bei Störgrößenberechnern das grundsätzliche Problem, dass Modellierungsfehler bzw. Ungenauigkeiten in dem Modell der Regelstrecke, das ein Bestandteil des Störgrößenberechners ist, in der mittels des Störgrößenberechners ermittelten bzw. rekonstruierten Störgröße (die wiederum für die Bildung des Kompensationssignals maßgeblich ist) abgebildet werden. Dieses Problem verstärkt sich noch bei der Festlegung der zu kompensierenden Störung auf eine bestimmte Struktur bzw. auf ein Sinussignal. Ohne die Verwendung eines eingangsseitigen Bandpasses würden alle eingangsseitig wirkenden Störungen sowie die Modellierungsfehler der Regelstrecke in Form eines Offset auf das mittels des Störgrößenberechners ermittelte Kompensationssignal wirken, was wiederum durch den Fahrer am Lenkrad als konstantes Offsetmoment bzw. Haltemoment wahrgenommen werden würde.
• Aus der DE 10 2010 031 211 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation von Lenkraddrehschwingungen während des Betriebs eines Lenksystems bekannt. Ein Drehstabmoment oder eine in Abhängigkeit von dem Drehstabmoment gebildete Größe wird einem Stör- und Zustandsgrößenberechner zugeführt. Mittels des frequenzvariablen Stör- und Zustandsgrößenberechners wird ein Kompensationsmoment ermittelt.
• Aus der DE 102 35 039 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines bei einer Betätigung eines Lenkrads wirkenden Lenkmoments bei Kraftfahrzeugen bekannt. Ein auf Störeinflüssen beruhender Störmomentenanteil des Lenkmomentes wird ermittelt. Mittels eines Momentenerzeugers wird ein störkraftgemindertes Lenkmoment erzeugt.
• Aus der DE 10 2009 047 586 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation von Störinformationen in einem elektrischen Lenksystem in einem Fahrzeug bekannt. Das Lenksystem umfasst einen ansteuerbaren Momentensteller. Der Momentensteller umfasst einen Rotor. Ein eine aktuelle Rotorlage oder eine aktuelle Rotorgeschwindigkeit beschreibendes Rotorsignal wird erfasst. Aus dem erfassten Rotorsignal wird ein Störsignal extrahiert. Das Störsignal wird einem kombinierten Stör- und Zustandsberechner zugeführt. Mittels des kombinierten Stör- und Zustandsberechner wird in Abhängigkeit von dem Störsignal ein Kompensationsmoment erzeugt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Kompensation von Störungen in einem elektrischen Lenksystem zu schaffen, das eine Kompensation mehrerer, gleichzeitig auftretender, periodischer Störungen ermöglicht. Insbesondere soll eine Kompensation von durch cold brake judder und hot brake judder erzeugte Störung ermöglicht werden. Unter periodischen und insbesondere unter sinusförmigen Störungen sollen also nicht nur Signale der Form y(t) = A·sin(2π·f·t) verstanden werden, sondern beispielsweise auch Signale der Form y(t) = A(t)·sin(2π·f(t)·t), bei welcher sich die Amplitude A(t) und die Frequenz f(t) über die Zeit ändern, und insbesondere auch Signale der Form y(t) = A₁(t)·sin(2π·f₁(t)·t) + A₂(t)·sin(2π·f₂(t)·t), wobei f₁(t) und f₂(t) unterschiedlicher Ordnung sind (beispielsweise ist f₂(t) die zweite Ordnung von f₁(t)). Periodische Störungen sollen also auch solche Signale umfassen, bei welchen sich die Amplitude der Schwingung sowie deren Frequenz (insbesondere durch eine zeitliche Veränderung der Verzögerung) zeitlich ändern können. Auch Störungen, die eine Überlagerung von zwei oder mehreren Frequenzen darstellen (insbesondere wenn eine zweite Frequenz eine höhere Ordnung der ersten Frequenz darstellt), werden vorliegend unter dem Begriff „periodische Störung“ verstanden.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung geht zunächst von einem System aus, das zur Kompensation einer einzigen während des Betriebs eines elektrischen Lenksystems auftretenden periodischen (beispielsweise sinusförmigen) Störung geeignet ist, und bei welchem in Abhängigkeit von einem ein Stellmoment eines Momentenstellers charakterisierenden Signal und einem ein aktuelles Drehstabmoment charakterisierenden Signal und unter Verwendung eines Modells des Lenksystems ein Kompensationssignal gebildet wird, das der zu kompensierenden periodischen Störung entspricht. Unter einem Drehstabmoment soll vorliegend jedes Moment verstanden werden, dass einem Drehstabmoment hinreichend genau entspricht und das dem vom Fahrer aufgebrachten und zwischen dem Fahrer einerseits und dem Ritzel des Lenksystems andererseits wirkenden Moment entspricht. Insbesondere braucht das Drehstabmoment nicht zwingend mittels eines an dem Drehstab angeordneten Momentensensors erfasst werden sondern kann mittels anderer Sensoren erfasst und/oder berechnet werden, beispielsweise in Abhängigkeit von einem aktuellen Motormoment.
• Ein mögliches Ausgangssystem der Erfindung ist beispielsweise das zuvor beschriebene und aus der DE 10 2009 028 448 A1 bekannte System, mit welchem eine gleichzeitige Kompensation von mehreren Störungen bzw. von Störungen höherer Ordnung jedoch aus den oben genannten Gründen nicht möglich ist. Die Rekonstruktion des Störsignals bzw. die Bestimmung des Kompensationssignals erfolgt dort in einer Funktionseinheit, die einen Stör- und Zustandsgrößenberechner darstellt.
• Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass zusätzlich auftretende Störungen, also insbesondere unstrukturierte Störungen, sowie Modellfehler bzw. Ungenauigkeiten zwischen dem Modell des Lenksystems und dem tatsächlichen Lenksystem gemeinsam in Form einer unstrukturierten Störung abgebildet werden. Damit wird verhindert, dass sowohl die Modellfehler bzw. die Abweichungen der modellierten Strecke von der tatsächlichen Regelstrecke, also dem tatsächlichen Lenksystem, als auch unstrukturierte Störungen, die nicht den zu kompensierenden Störungen entsprechen, das Kompensationssignal und damit das in Abhängigkeit von dem Kompensationssignal erzeugte und dem Momentensteller zugeführte Stellmoment störend beeinflussen. Erfindungsgemäß werden also alle Signalanteile, die weder dem (rekonstruierten) Drehstabmoment noch den rekonstruierten Störungen bzw. den erzeugten Kompensationssignalen entsprechen, in einer Größe abgebildet, die somit als zusätzliche unstrukturierte Störung mit niedriger Dynamik aufgefasst werden kann.
• Grundsätzlich haben sich für die Ermittlung von Lenkraddrehschwingungen auch als „Beobachter“ bezeichnete Stör- und Zustandsberechner bewährt. Wie oben bereits dargestellt, eignen sich die bekannten Stör- und Zustandsberechner jedoch nicht für die Kompensation von periodischen Schwingungen (Störungen) höherer Ordnung sowie der Kompensation einer Mehrzahl von gleichzeitig auftretenden Störungen. Ein weiteres Problem liegt darin, dass vorhandene Modellierungsfehler bzw. Ungenauigkeiten in dem Modell der Regelstrecke (beispielsweise aufgrund von Serienstreuungen) in der geschätzten Störung, die wiederum Grundlage für die Bildung der Kompensationssignale ist, abgebildet werden. Ohne eine Verwendung des oben bereits genannten Bandpasses werden deshalb alle auftretenden Störungen sowie die Modellfehler auf die strukturierte Störung abgebildet, was zu einem Offset bei dem gebildeten Kompensationssignal führt, was wiederum am Lenkrad als konstantes Offsetmoment bzw. Haltemoment wahrgenommen wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt deshalb die Bestimmung der zusätzlichen unstrukturierten Störung in einer im folgenden als Stör- und Zustandsberechner mit zusätzlicher unstrukturierter Störung („SZB + uS“) bezeichneten Funktionseinheit, in welcher die auftretenden unstrukturierten Störungen zusammen mit den Modellfehlern in einer gemeinsamen Größe in Form einer zusätzlichen unstrukturierten Störung abgebildet werden. Damit wird erreicht, dass von den insgesamt auftretenden Störsignalen nur die zu kompensierenden sinusförmigen Störungen für die Ermittlung der Kompensationssignale herangezogen werden. Da die weiteren Störungen für die Bildung der Kompensationssignale nicht berücksichtigt werden, kann die unstrukturierte Störung beziehungsweise ein Fehler im Modell der Regelstrecke die Kompensation der Störungen nicht negativ beeinflussen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die zusätzliche unstrukturierte Störung als Prädiktionsfilter realisiert, welches die Abweichungen bzw. die Differenz zwischen den prädizierten Systemzuständen, die auf der Basis des Streckenmodells ermittelt werden, und des prädizierten Systemzustands, der unter Verwendung der Messgröße und der aktuell geschätzten Störgrößen ermittelt wird, auf die unstrukturierte Störung abbildet.
• Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Lenksystem einen Momentensteller aufweist, der beispielsweise von einem Lenkungsregler des Lenksystems ansteuerbar ist und dass dem Stör- und Zustandsberechner mit zusätzlicher unstrukturierter Störung als Eingangsgröße direkt eine von dem Lenkungsregler erzeugte Größe zugeführt wird. Der Stör- und Zustandsberechner mit zusätzlicher unstrukturierter Störung erhält die von dem Lenkungsregler erzeugte Größe also direkt, das heißt ohne eine Vorverarbeitung wie beispielsweise die in den aus der DE 10 2009 028 448 A1 bekannten Verfahren vorgesehene Bandpassfilterung. Da die Vorverarbeitung, insbesondere das Filtern, entfallen kann, lässt sich das Verfahren mit geringem Aufwand realisieren. Bei dem Stellmoment kann es sich beispielsweise um ein Moment handeln, das der Momentensteller auf einen Drehstab des Lenksystems ausübt.
• Grundsätzlich können mit erfindungsgemäß modifizierten Stellmomenten Störungen in dem Drehstabmoment kompensiert und somit der Drehstab bezüglich der ausgewählten Frequenzen beruhigt werden, was zu einer zusätzlichen Schwingung des Rotors bzw. des Rotorlagesignals bei den entsprechenden Frequenzen führen kann.
• Erfindungsgemäß ist es also nun möglich, Störsignale zu rekonstruieren und damit Kompensationssignale zu erzeugen, die periodischen Störungen unterschiedlicher Ordnungen entsprechen. Hierdurch wird eine gleichzeitige Kompensation mehrerer periodischer, beispielsweise sinusförmiger Störungen erreicht. Zu jeder Störung kann ein entsprechendes periodisches Störsignal bzw. Kompensationssignal ermittelt werden. Anhand der ermittelten periodischen Störsignale bzw. Kompensationssignale können die einzelnen periodischen Störungen kompensiert werden.
• Aufgrund von Dickenschwankungen einer Bremsscheibe herrührende Lenkraddrehschwingung werden als brake judder kompensiert werden. Bedingt durch die Geometrie von Bremsscheiben können bei kalten Bremsen überwiegend Sinusschwingungen der ersten und zweiten Ordnung auftreten (sog. cold brake judder). Bei heißgelaufenen Bremsen können sogar Sinusschwingungen höherer Ordnung, insbesondere der fünften bis zur zehnten Ordnung (sog. hot brake judder) auftreten. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können nun insbesondere auch alle Arten von brake judder kompensiert werden.
• Auch wenn die Eingangsgröße ungefiltert, beispielsweise ohne Bandpassfilterung, dem Störgrößenbeobachter zugeführt wird, kann der Störgrößenbeobachter gleichzeitig zu allen Sinusschwingungen jeweils zugehörige periodische Störsignale erzeugen. Darüber hinaus können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren andere Arten von Lenkraddrehschwingungen, beispielsweise diejenigen, die aus einer Unwucht in einem Rad (shimmy) herrühren, kompensiert werden.
• Die in dem Lenksystem auftretenden periodischen, insbesondere sinusförmigen, Störungen können von einer Radumlauffrequenz des Lenksystems beziehungsweise eines Rads des Fahrzeugs, in das das Lenksystem eingebaut ist, abhängen. Beispielsweise kann die Radumlauffrequenz der Grundfrequenz (erste Ordnung) der oben beschriebenen Sinusschwingungen entsprechen. Dementsprechend kann als Grundfrequenz beispielsweise eine Drehfrequenz einer Radachse und/oder eines Rads der Lenkvorrichtung oder eine aus der Drehfrequenz abgeleitete Frequenz ermittelt werden. Störungen können jedoch auch von Komponenten des Lenksystems selbst erzeugt werden, beispielsweise von dem Elektromotor (und dort insbesondere von dem Rotor), der das Motormoment für die Servounterstützung erzeugt. Mittels des vorgestellten Lösungsvorschlags können grundsätzlich auch solche Motorordnungen kompensiert werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Lenksystems handeln. Die Vorrichtung ist zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Rechner, vorzugsweise mit einem Mikroprozessor und einem Speicherelement, aufweist, wobei in dem Rechner, vorzugsweise in dem Speicherelement, ein Computerprogramm abgelegt ist und das Computerprogramm so programmiert ist, dass die Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Rechner abläuft.
• Weitere Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen und in den Zeichnungen angegeben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines Fahrzeugs;
• 2 ein Blockdiagramm eines Regelsystems mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Störgrößen- und Zustandsberechner mit zusätzlich unstrukturierter Störung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
• 3 eine Differenzialgleichung zur Verdeutlichung einer möglichen mathematische Beschreibung eines erfindungsgemäßen Störgrößen- und Zustandsberechners mit zusätzlich unstrukturierter Störung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
• 4 mehrere Signalverläufe eines nicht kompensierten Signals sowie von mittels verschiedener Verfahren kompensierter Signale, die mögliche Ansteuersignale des Momentenstellers exemplarisch darstellen.
• In 1 ist ein Lenksystem 1 dargestellt, das eine Lenkvorrichtung 2 und ein Steuergerät 3 umfasst. In dem Steuergerät 3 ist ein Mikroprozessor 4 angeordnet, der über eine Datenleitung, beispielsweise ein Bussystem, mit einem Speicherelement 5, verbunden ist. In dem Speicherelement 5 sind Speicherbereiche ausgebildet, in denen Funktionsmittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise in Form eines Computerprogramms, abgespeichert sind. In dem Speicherelement 5 können ferner Kennfelder abgelegt sein.
• Über eine Signalleitung 6 ist das Steuergerät 3 mit einem Momentensteller 7 verbunden, der beispielsweise als Elektromotor ausgebildet ist, so dass eine Steuerung des Elektromotors durch das Steuergerät 3 ermöglicht wird. Der Elektromotor wirkt über ein Getriebe 8 auf einen Drehstab 9, sodass er ein Stellmoment auf den Drehstab ausüben kann. An dem Drehstab 9 ist ein Lenkmittel, beispielsweise ein Lenkrad 10, angeordnet.
• Die Lenkvorrichtung weist ferner ein Lenkgetriebe 11 auf, das als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildet ist. Das Lenkgetriebe 11 ist über ein Ritzel 12a und eine Zahnstange 12b auf jeder Fahrzeugseite mit einem Lenkgestänge 13, das jeweils von einem Rad zusammenwirkt, verbunden.
• Der Momentensteller 7 weist einen Rotor 15 auf. Es kann vorgesehen sein, dass mittels eines Rotorlagesensors 16 die aktuelle Rotorlage erfassbar ist. Diese wird über eine Datenleitung 17 dem Steuergerät 3 zugeführt. Aus der Rotorlage Alternativ oder ergänzend kann das das Lenksystem 1 einen nicht dargestellten Rotorgeschwindigkeitssensor aufweisen.
• Mittels eines Drehzahlsensors 18 kann eine Raddrehzahl erfasst und über eine Datenleitung 19a an das Steuergerät 3 übermittelt werden. Mittels eines Drehmomentsensors 20 kann ein aktuelles Drehstabmoment erfasst werden und über eine Datenleitung 19b an das Steuergerät 3 übermittelt werden.
• Die Datenleitungen 6, 17, 19a und 19b können in vielfältig bekannter Weise ausgeführt sein. Vorzugsweise wird ein Bussystem zur Kommunikation zwischen dem Steuergerät 3 und den Sensoren bzw. Aktoren eingesetzt.
• Durch geeignete Programmierung des Steuergeräts 3 ist auf dem in 1 dargestellten Lenksystem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar.
• In 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, anhand dessen im folgenden eine mögliche Ausführungsform der Erfindung gezeigt wird, welche die Kompensation von Störungen, insbesondere von in dem Lenksystem 1 auftretenden Lenkraddrehschwingungen 1. und/oder 2. Ordnung ermöglicht. Darüberhinaus können sogar Lenkraddrehschwingungen beliebiger Ordnung, die beispielsweise bei hot brake judder auftreten, kompensiert werden. 2 veranschaulicht insbesondere die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen frequenzvariablen und/oder frequenzstatischen Störgrößen- und Zustandsberechners mit zusätzlich unstrukturierter Störung und dessen Wirkzusammenhang mit dem Lenkungsregler für die Servounterstützung, extern anliegenden Störungen sowie der Regelstrecke bzw. der eigentlichen Lenkung.
• In 2 ist ein Lenkungsregler 21 gezeigt, der in einer separaten Einheit, vorzugsweise jedoch in dem Steuergerät 3, durch geeignete Programmierung realisiert ist, und der in Abhängigkeit von gemessenen und/oder berechneten Eingangsgrößen ein Signal M_servo berechnet, das einer Ansteuerung des Momentenstellers 7 bzw des Elektormotors zugrundegelegt wird.
• Das Signal M_servo wird einem Addierer 23 zugeleitet und es wird ein Stellmoment M’_servo gebildet. Das Stellmoment M’_servo dient als Eingangsgröße für eine Berechnungseinheit, die vorzugsweise als Störgrößen- und Zustandsberechner mit zusätzlich unstrukturierter Störung ausgebildet ist. Dieser frequenzvariable und/oder frequenzstatische Störgrößen- und Zustandsberechner mit zusätzlich unstrukturierter Störung wird im folgenden auch als Störgrößenbeobachter 25 oder als „SZB + uS“ bezeichnet. Sämtliche Schätzungen bzw. Rekonstruktionen von extern anliegenden Störungen sowie sämtliche berechnete interne Lenkungszustände sind in 2 durch einen Unterstrich dargestellt.
• Mittels des Störgrößenbeobachters 25 werden die tatsächlich anliegenden sinusförmigen Störungen M(f_1o), M(f₂₀), ..., M(f_no) rekonstruiert bzw. es werden die entsprechenden Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no) gebildet. Außerdem wird ein gemessenes Drehstabmoment MTB _mess rekonstruiert und es werden in einer weiteren Größe, die als zusätzliche Störung M _stoer bezeichnet wird, sämtliche unstrukturierten Größen gemeinsam mit den vorhandenen Modellfehlern abgebildet.
• In der in 2 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform wird das aus dem Signal M_servo gebildete Stellmoment M’_servo als Eingangsgröße dem Störgrößenbeobachter 25 zugeführt, ohne dass das Signal M_servo hierzu mittels eines zusätzlichen Signalverarbeitungsverfahrens, beispielsweise einer Filterung, vorverarbeitet wird.
• Der erfindungsgemäße Störgrößenbeobachter 25 ist als regelungstechnischer Beobachter derart ausgebildet, dass damit sowohl frequenzvariable als auch frequenzstabile Störsignale beziehungsweise entsprechende Störungen M(f_1o), M(f₂₀), ..., M(f_no) unterschiedlicher Ordnung kompensiert werden können. Dazu werden die sinusförmigen Störsignale M(f_1o), M(f₂₀), ..., M(f_no) in Form von Kompensationssignalen M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no) rekonstruiert. Die Frequenz f_1o (Grundfrequenz) repräsentiert beispielhaft eine Schwingung erster Ordnung (Grundschwingung), die Frequenz f_2o eine Schwingung zweiter Ordnung, und die Frequenz f_no eine Schwingung n-ter Ordnung (Oberschwingungen). Das erfindungsgemäße Verfahren kann dementsprechend zum Kompensieren unterschiedlicher sinusförmiger Störungen unterschiedlicher Ordnungen eingesetzt werden Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch geeignet, lediglich eine sinusförmige Störung M(f_1o) erster Ordnung (n = 1) durch Erzeugen und Aufaddieren eines entsprechenden Kompensationssignals M(f_1o) zu kompensieren.
• Die berechneten Kompensationssignale M(f₁₀), M(f_2o), ..., M(f_no) werden über gesonderte Skalierelemente 27 mit einem Faktor multipliziert und danach dem ersten Addierer 23 zugeleitet. Als Faktor kann beispielsweise der Wert-1 gewählt werden, so dass der erste Addierer 23 die Kompensationssignale M(f₁₀), M(f_2o), ..., M(f_no) dem Signal M_servo überlagert, wodurch das Stellmoment M’_servo gebildet wird.
• Treten nun in dem in 2 beispielhaft dargestellten Regelungssystem Lenkraddrehschwingungen bzw. periodische Störungen M_LDS erster Ordnung M(f_1o), zweiter Ordnung M(f_2o) und/oder höherer Ordnung M(f_no) auf, die beispielsweise von einer Unwucht in einem Rad 14 (shimmy) oder durch Dickenschwankungen in einer Bremsscheibe (brake judder) herrühren, so beeinflussen diese Störungen das Stellmoment M’_servo, wodurch ein Signal M’’_servo gebildet wird. Dies ist in 2 beispielhaft durch einen Addierer 29 dargestellt ist. Selbstverständlich können die Störungen genausogut ausgangsseitig, also zusammen mit dem gemessenen Drehstabmoment (MTB_mess) aufgenommen werden.
• In 2 ist ferner eine schematisierte Lenkvorrichtung 31 in Form eines Funktionsblocks dargestellt. Die Lenkvorrichtung 31 kann als eine Übertragungsfunktion G_real(s) betrachtet werden, mittels derer in Abhängigkeit von dem am Eingang anliegenden Signal M''_servo ein beispielsweise mittels des Drehmomentsensors 20 messbares Drehstabmoment MTB_mess gebildet wird. Eine als G_nom(s) bezeichnete Übertragungsfunktion stellt ein Modell der Lenkvorrichtung 31 und damit der tatsächlichen Übertragungsfunktion G_real(s) dar. Dieses Modell G_nom(s) liegt dem Störgrößenbeobachter 25 zugrunde. Das Modell und damit die nominelle Übertragungsfunktion G_nom(s) weichen jedoch von der tatsächlichen Lenkvorrichtung 31 und damit der durch die Lenkvorrichtung 31 tatsächlich realisierten Übertragungsfunktion G_real(s) ab. Solche Abweichungen entstehen beispielsweise durch Ungenauigkeiten, Fehler und Abstrahierungen bei der Modellerstellung und insbesondere aufgrund von Serienstreuungen. Außerdem können Abweichungen zwischen der tatsächlichen Regelstrecke und der modellierten Strecke dadurch entstehen, dass während des Betriebs der Lenkvorrichtung 2, 31 innerhalb der Lenkvorrichtung Störungen auftreten, beispielsweise (Stör-)Schwingungen, die in dem Momentensteller 7 entstehen. Die insgesamt zwischen der tatsächlichen Regelstrecke und dem Modell bestehenden sogenannten Modellfehler sind in 2 als ∆(s) dargestellt. In der Lenkvorrichtung 31 ist dieser Zusammenhang schematisch dadurch gezeigt, dass die tatsächliche Übertragungsfunktion G_real(s) als eine Kombination des Modells G_nom(s) und des Modellfehlers ∆(s) bzw. durch eine Überlagerung der jeweils gebildeten Ausgangsignale dargestellt ist.
• Das in der Lenkvorrichtung 2 bzw. am Ausgang des die Lenkvorrichtung 2 repräsentierenden Funktionsblocks gemessene Drehstabmoment MTB_mess wird dem Störgrößenbeobachter 25 als Signal zugeführt. Anhand des nominalen Streckenmodells G_nom(s) und in Abhängigkeit von dem Stellmoment M’_servo sowie dem gemessenen Drehstabmoment MTB_mess werden Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_o) ermittelt. Hierbei werden die zuvor bereits ermittelten und auf das Signal M_servo aufaddierten (vgl. Addierer 23 in 2) Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), M(f_o) berücksichtigt. Durch diese quasi interne Rückführung wird die Kompensation der Störgrößen M(f₁₀), M(f_2o), M(f_no) aufrechterhalten, auch wenn diese Störgrößen aufgrund der erfolgten Kompensation in dem gemessenen Drehstabmoment MTB_mess nicht mehr vorliegen.
• Der Störgrößenbeobachter 25 berechnet das Störsignal M _Stoer, welches sowohl die von außen auftretenden unstrukturierten Störungen M_Stoer sowie Fehler in dem Streckenmodell G_nom(s) charakterisiert. Die Zustandsgröße MTB _mess stellt eine Rekonstruktion des Drehstabmoments MTB_mess dar, das an der Lenkvorrichtung 2 bzw. am Ausgang der als Funktionsblock in 2 dargestellten Lenkvorrichtung 31 gemessenen wird.
• In 3 ist eine mögliche Ausführungsform des Störgrößenbeobachters 25 in Form einer Differenzialgleichung wiedergegeben. Jede Zeile der Differenzialgleichung entspricht einer Zustandsgröße des Störgrößenbeobachters 25. Diejenigen Zustandsgrößen, die einen internen Systemzustand der Lenkvorrichtung 2, 31 beschreiben, bilden einen Vektor x ^ . Zustandsgrößen, die Störgrößen entsprechen, bilden einen Vektor x ^_d . Beide Vektoren zusammen bilden einen Zustandsvektor [x ^, x ^_d]^t des Störgrößenbeobachters 25.
• In dem in 3 gezeigten exemplarischen Störgrößenbeobachters 25 entsprechen die oberen drei Zeilen den internen Zuständen der Regelstrecke gemäß einem Lenkungsmodell. Der Vektor x ^ hat in diesem Beispiel also drei Komponenten. Die unteren fünf Zeilen entsprechen den Störgrößen, wobei die unterste Zeile der Bestimmung der Zustandsgröße M _Stoer dient.
• Die oberen sieben Zeilen 39 bilden somit einen Teil des Störgrößenbeobachters 25, der die periodischen Störsignale rekonstruiert bzw. die Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_o) ermittelt. Hierbei dienen Bereiche 40 der in 3 links dargestellten Matrix der Rekonstruktion der periodischen, insbesondere sinusförmigen, Störungen M(f_1o), M(f_2o), ... M(f_no) und damit der Bildung der Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), M(f_no).
• Die unterste Zeile realisiert ein Prädiktionsfilter 41. Das Prädiktionsfilter 41 bildet eine Abweichung zwischen den im Teil 39 prädizierten Systemzuständen auf der Grundlage des Streckenmodells G_nom(s) unter Kenntnis der Messgröße MTB_mess und der aktuell geschätzten periodischen Störsignale und damit der Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no) auf das nicht periodische Störsignal M _Stoer ab. Das so gebildete Signal M _Stoer beinhaltet also sämtliche nicht modellierten Störungen, insbesondere die tatsächlich in dem Lenksystem bzw. von außen auftretenden unstrukturierten Störungen M _Stoer, sowie Abweichungen, die aus Ungenauigkeiten des Modells entstehen.
• Der Störgrößenbeobachter 25 führt eine Messgrößenverfolgung (siehe erste Spalte 42 der in 3 links dargestellten Matrix) durch, die die Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)_ berücksichtigt. Die unstrukturierte Störung M_Stoer, die mit den periodischen Störsignalen M(f₁₀), M(f_2o), ..., M(f_no) unkorreliert ist, werden nicht auf die periodischen Kompensationssignale M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no), sondern auf das nicht periodische Störsignal M _Stoer abgebildet. Anders als bei dem aus der DE 10 2009 028 448 A1 bekannten Verfahren benötigt der Störgrößenbeobachter 25 keine Vorverarbeitung und insbesondere keine Filterung der Eingangsgröße M_servo.
• Der Störgrößenbeobachter 25, insbesondere die in den Matrizen in der Gleichung von 3 angegebenen Koeffizienten, können an Eigenschaften des konkret in Verbindung mit dem Verfahren verwendeten Lenksystems 1 angepasst werden. Hierbei kann vorgesehen werden, dass die Dynamik des Störgrößenbeobachters 25 für die einzelnen Zustände (Messgrößenverfolgung; periodische, insbesondere sinusförmige Störungen; unstrukturierte Störung) entsprechend der gewünschten Eigenschaften des Lenksystems 1 beziehungsweise dessen Regelung gezielt appliziert wird. Insbesondere kann die Dynamik an eine Anregungsfrequenz angepasst werden, so dass bei niedrigen Frequenzen nur eine geringe Dynamik vorliegt.
• Anhand von 4 ist die vorteilhafte Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens (unteres Diagramm in 4) im Vergleich mit anderen vorstellbaren Lösungsansätzen verdeutlicht. Die in 4 dargestellten Diagramme zeigen auf einer gemeinsamen Zeitachse t den Verlauf verschiedener Signale, die teilweise mittels eines Simulators berechnet worden sind. Das erste (obere) Diagramm zeigt ein Signal, beispielsweise ein Drehstabmoment MTB_mess, wie es in einer Lenkvorrichtung 2 typischerweise auftreten kann. Dieses mit dem Bezugszeichen 45 versehene Signal ist in dem ersten Diagramm ohne eine Kompensation von Störgrößen dargestellt. Das Signal 45 weist die Charakteristik eines brake-judder- Signals erster und zweiter Ordnung in einem Frequenzbereich von 25 Hz bis 1 Hz auf. Ferner sind in dem Signal 45 eine Sinusschwingung mit 1 Hz sowie ein Sprung ungefähr zu einem Zeitpunkt t₀ = 5 s vorhanden. Die 1 Hz Sinusschwingung repräsentiert das niederdynamische Lenkverhalten eines Fahrers und der Sprung zeigt die durch eine Aktion des Fahrers verursachte Änderung des Signalverlaufs, was beispielsweise einem Anlenken oder einem Ausweichen entspricht.
• Das zweite Diagramm zeigt ein kompensiertes Signal 47, das mittels des aus der DE 10 2009 028 448 A1 bekannten, jedoch um eine Ordnungsdetektion erweiterten Verfahrens ermittelt wurde.
• Das dritte Diagramm zeigt ein weiteres kompensiertes Signal 49, bei dem ein Stör- und Zustandsberechner verwendet worden ist, der nicht zum Berechnen des nicht periodischen Störsignals ausgebildet ist, das heißt keine Zustandsgröße für die unstrukturierte Störung beziehungsweise für Fehler im Streckenmodell aufweist. Man erkennt, dass das Signal 49 einen Offset aufweist, der sich für den Benutzer des Lenksystems 1 in einem konstanten Moment am Drehstab 9 beziehungsweise am Lenkrad 10 bemerkbar macht, so dass der Fahrer hier ein Gegenmoment aufbringen müsste.
• Das untere Diagramm zeigt ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens kompensiertes Signal 51. Man erkennt, dass dieses Signal kaum noch die Störsignale aufweist, sondern lediglich den Sprung zum Zeitpunkt t₀ sowie die Sinusschwingung mit 1 Hz, die einem simulierten Verlauf eines störungsfreien Drehstabmoments (das heißt eines Drehstabsmoments, das allenfalls geringe Lenkraddrehschwingungen aufweist) entsprechen.
• Insgesamt erlaubt das hier beschriebene Verfahren die Kompensation von Störgrößen, ohne das Auftreten eines beispielsweise durch Modellierungsungenauigkeiten verursachten Offset, wie beispielhaft im dritten Diagramm in 4 mit dem Signalverlauf 49 gezeigt. Außerdem ermöglicht es die vorliegende Erfindung erstmals, eine Mehrzahl von parallel auftretenden sinusförmigen Störungen und insbesondere Störungen beliebiger Ordnungen und Frequenzgemische mit der oben beschriebenen Güte zu kompensieren. Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit ist die Kompensation von cold brake judder und hot brake judder. Zudem lässt sich das Verfahren leicht an die Eigenschaften des konkret verwendeten Lenksystems 1 sowie an vorgegebene Anforderungen an die Regelung des Lenksystems 1 anpassen. Da für das erfindungsgemäße Verfahren ein Bandpassfilter nicht erforderlich ist, lässt sich das Verfahren mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand durchführen. Und dadurch, dass Modellfehler zusammen mit den eventuell auftretenden unstrukturierten Störungen in einer Größe M _Stoer abgeschätzt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt zuverlässig und robust.

Claims (9)

1. Verfahren zur gleichzeitigen Kompensation einer Mehrzahl von während des Betriebs einer elektrischen Lenkvorrichtung (2; 31) auftretenden periodischen Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)), wobei die elektrische Lenkvorrichtung (2; 31) einen Momentensteller (7) umfasst und wobei in Abhängigkeit von einem ein Stellmoment des Momentenstellers (7) charakterisierenden Signal (M_servo) und einem ein aktuelles Drehstabmoment charakterisierenden Signal (MTB_mess) unter Verwendung eines Modells (G_nom(s)) der Lenkvorrichtung (2; 31) mindestens ein die zu kompensierenden Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) entsprechendes Kompensationssignal (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den zu kompensierenden Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) auftretende weitere Störungen M_Stoer zusammen mit Modellfehlern (∆s) des Modells (G_nom(s)) gemeinsam in Form einer unstrukturierten Störung (M _Stoer) abgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des mindestens einen Kompensationssignals (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) mittels eines Störgrößenbeobachters (25) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unstrukturierte Störung mittels eines Prädiktionsfilters (41) ermittelt wird, wobei Abweichungen zwischen prädizierten Systemzuständen, die auf der Basis des Modells G_nom(s) der Lenkvorrichtung (2; 31) ermittelt werden, und eines prädizierten Systemzustands, der in Abhängigkeit von der erfassten Messgröße (MTB_mess) und von aktuell geschätzten Werten für die Störgrößen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) gebildet wird, auf die unstrukturierte Störung (M _Stoer) abgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Stellmoments (M_servo) ohne Veränderung durch einen zusätzlichen Filter, insbesondere einen Bandfilter, für die Bestimmung des Kompensationssignals (M(f_1o), M(f_2o), M(f_no)) herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störgrößenbeobachter (25) eine Komponente (42) zur Realisierung einer Messgrößenverfolgung umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Störgrößenbeobachter (25) mindestens eine Komponente (40) für eine Modellierung der periodischen Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) umfasst und das Ergebnis der Modellierung zur Bildung des jeweiligen Kompensationssignals (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) herangezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der auftretenden periodischen Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) ein Kompensationssignal (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) gebildet wird.
8. Vorrichtung zur gleichzeitigen Kompensation einer Mehrzahl von während des Betriebs einer elektrischen Lenkvorrichtung (2; 31) auftretenden periodischen Störungen (M(f_1o), M(f_2o), M(f_no)), wobei die elektrische Lenkvorrichtung (2; 31) einen Momentensteller (7) umfasst und wobei in Abhängigkeit von einem ein Stellmoment des Momentenstellers (7) charakterisierenden Signal (M_servo) und einem ein aktuelles Drehstabmoment charakterisierenden Signal (MTB_mess) unter Verwendung eines Modells (G_nom(s)) der Lenkvorrichtung (2; 31) mindestens ein die zu kompensierenden Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) entsprechendes Kompensationssignal (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Störgrößenbeobachter (25) zur Bestimmung des mindestens einen Kompensationssignals (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) umfasst, wobei der Störgrößenbeobachter (25) derart ausgebildet ist, dass zusätzlich zu den zu kompensierenden Störungen (M(f_1o), M(f_2o), ..., M(f_no)) auftretende weitere Störungen M_Stoer und Modellfehler (∆s) des Modells (G_nom(s)) gemeinsam in Form einer unstrukturierten Störung (M _Stoer) abgebildet werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 7 aufweist.

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