DE102012204870A1

DE102012204870A1 - Auf Reibung basierende Funktionszustandsanzeige für ein elektrisches Servolenkungssystem

Info

Publication number: DE102012204870A1
Application number: DE102012204870A
Authority: DE
Inventors: Youssef A. Ghoneim
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: US8634986B2; US20120253588A1; CN102730055A; CN102730055B; DE102012204870B4

Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln eines Funktionszustandswerts (SOH-Werts) für ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) in einem Fahrzeug umfasst, das ein erster Wert für ein selbstausrichtendes Drehmoment (SAT-Wert) unter Verwendung eines Reifendynamikmodells geschätzt wird, welches modellierte Dynamiken im linearen Bereich einer Querkraft, die auf die Fahrzeugreifen wirkt, umfasst. Das Verfahren umfasst auch, dass ein zweiter SAT-Wert unter Verwendung eines erweiterten Zustandsbeobachters und von Nennparametern für das EPS-System geschätzt wird und eine Varianz zwischen dem ersten und zweiten SAT-Wert berechnet wird. Der Controller überwacht ein Fortschreiten der berechneten Varianz über eine kalibrierte Zeitspanne hinweg unter Verwendmitteln, und er führt automatisch eine Steuermaßnahme unter Verwendung des SOH-Werts aus. Ein EPS-System für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad, Drehmoment- und Winkelsensoren, eine Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel, einen Lenkmotor und den Controller. Es ist auch ein Fahrzeug offenbart, das den gleichen Controller aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zur Ermittlung des Funktionszustands eines elektrischen Servolenkungssystems.
HINTERGRUND
Die elektrische Servolenkung (EPS) ist ein direkter Ersatz für die hydraulische Servolenkung, aber sie verbraucht im Betrieb signifikant weniger Energie. Die hydraulische Servolenkung verwendet einen mechanischen Drehmomentsensor, um das Drehmoment zu messen, das von einem Fahrer auf ein Lenkrad aufgebracht wird. Der Drehmomentsensor ist mit einem Ventil gekoppelt, welches wiederum ein Hydraulikfluid leitet, um dadurch das aufgebrachte Drehmoment zu verstärken. Die EPS arbeitet auf ähnliche Weise, jedoch wird ein elektronischer Drehmomentsensor verwendet, um das Lenkraddrehmoment zu messen, und ein Elektromotor wird verwendet, um zusätzliches Drehmoment auf die Lenkzahnstange aufzubringen. Ein Ausfall eines jeden der beiden Systeme kann ein Lenken des Fahrzeugs relativ schwierig machen.
Die Fähigkeiten der EPS können besonders attraktiv sein, wenn sie an Bord eines Hybridfahrzeugs verwendet wird, das eine Brennkraftmaschine und einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren aufweist. Hybridfahrzeuge laufen typischerweise bis hin zu einer Schwellenwert-Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Elektrofahrzeugmodus (EV-Modus). Die Kraftmaschine ist in dem oder den EV-Modi ausgeschaltet. Daher ist mechanische Leistung unterbrochen, die gewöhnlich durch ein Kraftmaschinendrehmoment bereitgestellt wird, was die Verwendung eines herkömmlichen hydraulischen Servolenkungssystems unter Verwendung einer kraftmaschinengetriebenen Fluidpumpe ausschließt.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hier ein Verfahren zur Ermittlung eines Funktionszustandswerts (SOH-Werts) für ein an einer Lenksäule montiertes elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) in einem Fahrzeug offenbart, das Reifen und einen Controller aufweist. Die Ausführung des vorliegenden Verfahrens unter Verwendung des fahrzeugeigenen Controllers ermittelt schließlich einen SOH-Wert für das EPS-System, indem unter Verwendung eines Reifendynamikmodells ein erster Wert für ein selbstausrichtendes Drehmoment (SAT-Wert) geschätzt wird. Das Reifendynamikmodell umfasst modellierte Dynamiken im linearen Bereich der Querkraft, die auf die Reifen des Fahrzeugs während eines Lenkmanövers einwirkt. Das Verfahren umfasst, dass ein zweiter SAT-Wert unter Verwendung eines erweiterten Zustandsbeobachters des Controllers und von Nennparametern für das EPS-System geschätzt wird, und dass dann eine Varianz zwischen dem ersten und zweiten SAT-Wert berechnet wird. Die Tendenz oder das Fortschreiten der berechneten Varianz wird unter Verwendung des Controllers über eine kalibrierte Zeitspanne hinweg überwacht, um dadurch den SOH-Wert zu ermitteln. Das Verfahren umfasst, dass unter Verwendung des SOH-Werts automatisch eine geeignete Steuermaßnahme ausgeführt wird.
Ein EPS-System für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad, einen Drehmomentsensor, einen Winkelsensor, eine Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel, einen Lenkmotor, der ein variables Motorunterstützungsdrehmoment mit einem Drehmomentniveau an die Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel weiterleitet, das teilweise vom Lenkwinkel und vom Lenkdrehmoment von den jeweiligen Lenkwinkel- und Drehmomentsensoren abhängt, und einen Controller mit einem erweiterten Zustandsbeobachter. Der Controller ist zum Ausführen des vorstehenden Verfahrens ausgestaltet.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem an einer Lenksäule montierten elektrischen Servolenkungssystem (EPS-System) und einem Controller, der zur Ermittlung eines Funktionszustandswerts (SOH-Werts) des EPS-Systems ausgestaltet ist;
2 ist eine schematische Darstellung eines modellierten an einer Lenksäule montierten EPS-Systems;
3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Reifendynamikmodells, das von dem vorliegenden Controller verwendet werden kann;
4 ist ein schematisches Flussdiagramm für einen beispielhaften erweiterten Zustandsbeobachterabschnitt des Controllers; und
5 ist ein Ablaufplan, der eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens zur Ermittlung des SOH-Werts für das in 1 und 2 gezeigte EPS-System beschreibt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen und mit 1 beginnend, enthält ein Fahrzeug 10 ein an einer Lenksäule montiertes elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) 20 und einen Controller 50. Der Controller 50 ist schematisch als eine einzige Einheit gezeigt, jedoch können die verschiedenen Elemente des Controllers 50 auf mehrere spezialisierte Controller oder elektronische Steuereinheiten (ECUS) verteilt sein, z. B. eine Motorsteuereinheit, eine Lenkungssteuereinheit usw.
Der vorliegende Controller 50 ist zur Ermittlung eines Funktionszustandswerts (SOH-Werts) des EPS-Systems 20 ausgestaltet. Der Begriff ”SOH-Wert” bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, einen numerischen Wert, der die relative Gesundheit oder Funktionsfähigkeit des EPS-Systems 20 relativ zu einem kalibrierten korrekt funktionierenden Standard beschreibt. Der Controller 50 ist ferner ausgestaltet, um eine Steuermaßnahme auszuführen, die für den ermittelten SOH-Wert geeignet ist, wie etwa das Aufzeichnen eines Diagnosecodes und/oder das Anzeigen von Informationen für einen Fahrer des Fahrzeugs 10 über eine Anzeige 17, z. B. einen Anzeigebildschirm, eine Anzeigeleuchte, ein Symbol usw.
Das Fahrzeug 10 enthält ein Lenkrad 12. Das Lenkrad 12 dreht sich in Ansprechen auf Fahrerlenkeingaben, welche in 1 zusammengefasst durch den Doppelpfeil 19 dargestellt sind. Das Lenkrad 12 ist mit einer Lenksäule 14 wirksam verbunden, welche wiederum mit einem Lenkungsmechanismus 16 verbunden ist. Bei einer Ausführungsform ist der Lenkungsmechanismus 16 eine Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel, obwohl in Abhängigkeit von der Konstruktion andere Lenkungsanordnungen verwendet werden können. Die Lenkungsanordnung 16 schließlich orientiert Vorderreifen 25 mit Bezug auf eine Straßenoberfläche 27, indem sie beispielsweise Lenkstangen 18 an einem Satz von Vorderachsen (nicht gezeigt) bewegt, wie in der Technik gut verstanden wird.
Ein Drehmomentsensor 23 und ein optionaler Lenkwinkelsensor 21 können mit Bezug auf die Lenksäule 14 positioniert sein. Der Drehmomentsensor 23 misst und überträgt ein Drehmomentsensorsignal (Pfeil 123) an den Controller 50. Auf ähnliche Weise misst der Lenkwinkelsensor 21 ein Lenkwinkelsignal (Pfeil 121) und überträgt dieses an den Controller 50. Der Controller 50 verarbeitet die Signale 121, 123 zusammen mit zusätzlichen Fahrzeugbetriebsdaten (Pfeil 11), beispielsweise einer Fahrzeuggeschwindigkeit, Masse usw., und ermittelt den Lenkungsunterstützungsbetrag, den ein Lenkmotor 32 zum Ausführen des gegenwärtigen Lenkmanövers benötigt. Der Controller 50 steht über Motorsteuersignale (Pfeil 13) mit dem Lenkmotor 32 in Verbindung. Der Lenkmotor 32 reagiert auf die Motorsteuersignale (Pfeil 13), indem er ein Motordrehmoment (Pfeil 15) erzeugt und durch ein Untersetzungsgetriebe 33 (siehe 2) an den Lenkungsmechanismus 16 liefert.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 50 die Motorsteuersignale (Pfeil 13) unter Verwendung eines Controllerbereichsnetzwerks (CAN), eines seriellen Busses, eines oder mehrerer Datenrouter, und/oder anderer geeigneter Netzwerkverbindungen an den Lenkmotor 32 übertragen. Hardwarekomponenten des Controllers 50 können einen oder mehrere digitale Computer umfassen, die jeweils einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltungen (A/D- und D/A-Schaltungen) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen aufweisen.
Jeder Satz von Algorithmen oder durch einen Computer ausführbaren Anweisungen, der im Controller 50 vorhanden ist oder für diesen leicht zugänglich und ausführbar ist, einschließlich beliebiger Algorithmen oder Computeranweisungen, die zum Ausführen des vorliegenden Verfahrens 100, wie es nachstehend mit Bezug auf 2 erläutert wird, benötigt werden, können in einem konkreten nicht vorübergehenden von einem Computer lesbaren Speicher 54 gespeichert und nach Bedarf von zugehörigen Hardwareabschnitten des Controllers 50 ausgeführt werden, um die offenbarte Funktionalität bereitzustellen. Ein erweiterter Zustandsbeobachter 52 (siehe auch 4) ist als Teil der Softwarefunktionalität des Controllers 50 umfasst, wobei der Zustandsbeobachter 52 ein Zustandsraumrückkopplungs-Steuergesetz anwendet, wie in der Technik gut verstanden wird. Der Controller 50 ist außerdem mit einem Reifendynamikmodell 56 und einem EPS-Systemmodell 58 programmiert oder hat darauf auf andere Weise Zugriff.
Das EPS-Systemmodell 58 berücksichtigt die Reibung des EPS-Systems 20 und die äquivalente Massenträgheit und Dämpfung des Lenkmotors 32 und des Lenkungsmechanismus 16, z. B. einer Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel, wobei dieses Beispiel hier nachstehend zu Darstellungszwecken verwendet wird. Kennlinien mit hoher Reibung sind in jedem EPS-System ungewünscht, da sie die Leistung nachteilig beeinflussen können. Aufgrund des hohen Niveaus der Drehmomentunterstützung, die von dem Lenkmotor 32 bereitgestellt wird, kann eine Zunahme bei der Reibung erfolgen, ohne dass sie von einem Fahrer wahrgenommen wird. Im Fall eines Verlustes der Drehmomentunterstützung jedoch wird es schwieriger werden, das Fahrzeug 10 zu lenken.
Die Reibung im EPS-System 20 kann geschätzt werden, indem der Motorstrom und die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden und indem das selbstausrichtende Drehmoment (SAT) ermittelt wird. Da das SAT nicht direkt gemessen werden kann, überwacht der vorliegende Ansatz stattdessen eine Abweichung eines SAT-Werts, der von dem Reifendynamikmodell 56 im linearen Bereich der Reifenquerkraft beschafft wird, wie nachstehend mit Bezug auf 3 erläutert wird, von einer SAT-Schätzung, die unter Verwendung des Zustandsbeobachters 52 aus den kombinierten Dynamiken des Motors 32 und des Lenkungsmechanismus 16 und unter der Annahme von Nennparametern des Lenkungsmechanismus 16 beschafft wird. Ein Fortschreiten der Abweichung bei diesen auf unterschiedliche Weise ermittelten SAT-Werten wird dann verwendet, um die Abweichung der Reibung innerhalb des EPS-Systems 20 von einem Nennwert anzuzeigen.
Mit Bezug auf 2 stellt das vorliegende Verfahren 100 ein fehlerbasiertes Modell für ein EPS-System vom Säulentyp bereit, wie etwa das EPS-System 20 von 1. In einem derartigen System ist der Lenkmotor 32 mit einer Lenkungsanordnung 26 verbunden, die beide schematisch dargestellt sind. Die Lenkungsanordnung 26 umfasst die Lenkwelle 14 von 1, das Lenkrad 12 von 1 zur Aufnahme eines Moments (J_hw) und die Sensoren 21 und 23 (siehe 1), durch ein Untersetzungsgetriebe 33. Das Unterstützungsdrehmoment, das in 2 als T_a dargestellt ist, wird durch die Untersetzungszahnräder (nicht gezeigt) auf die Lenkwelle 14 von 1 aufgebracht. Das Unterstützungsdrehmoment (T_a) ist das Produkt aus dem Motordrehmoment und der Übersetzung (n) des Getriebes 33 und dieses Drehmoment unterstützt einen Fahrer beim Drehen des Lenkrads 12. Die Summe aus dem Fahrerdrehmoment (T_d) und dem Unterstützungsdrehmoment (T_a) dreht die Lenkwelle 14 sowohl gegen das selbstausrichtende Drehmoment (SAT), das in 2 als Pfeile T_sa von den Reifen 25 dargestellt ist, als auch gegen jede Reibung im EPS-System 20.
Die Arbeitsweise des EPS-Systems 20 von 1 und 2 kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden: J_swθ .._sw = T_d – T_ts – K_swθ_sw – B_swθ ._sw – T_fr,c wobei J_sw, B_sw und K_sw die Trägheits-, Dämpfungs- bzw. Steifigkeitskomponenten des Lenkrads 12 sind, T_ts die Ausgabe des Drehmomentsensors 23 ist, T_d das Fahrerdrehmoment am Lenkrad 12 ist, θ_sw der Lenkwinkel ist, der vom Sensor 21 von 1 erfasst wird, und T_fr,c die Lenksäulenreibung ist (typischerweise vernachlässigbar). Der Drehmomentsensor 23 ist hier als ein Torsionsstab mit einer linearen Feder und einem Dämpfungseffekt modelliert, d. h.: T_ts = B_tsθ ._ts + K_tsθ_ts wobei θ_ts die Verformung des Torsionsstabs des Drehmomentsensors 23 ist und gleich ist zu: θ_ts = θ_sw – θ_p wobei θ_p der Ritzelwinkel ist und proportional zu dem Winkel des gesteuerten Rads ist, d. h. dem Winkel, der zwischen einer Projektion der Längsachse des Fahrzeugs 10 und der Schnittlinie der Radebene und der Straßenoberfläche 27 existiert.
Die Bewegungsgleichung des Lenkmotors 32 kann ausgedrückt werden als:
wobei J_m und B_m jeweils die Trägheits- und Dämpfungskoeffizienten des Lenkmotors 32 sind, T_m das Motordrehmoment wie vorstehend erwähnt ist, R_a und L_a jeweils der Widerstand und die Induktivität des Lenkmotors 32 sind, i der Ankerstrom ist, v die Spannung ist und K_t und K_e jeweils die Drehmomentkonstante und die Gegen-EMK sind, wobei alle Werte Eigenschaften des Lenkmotors 32 sind.
Der Controller 50 von 1 kann eine Motorsteuereinheit enthalten, die eine Proportional-Integral-Reglerfunktionalität (PI-Reglerfunktionalität) verwendet, wie in der Technik verstanden wird. Die Motorsteuereinheit
Der Controller 50 von 1 kann eine Motorsteuereinheit enthalten, die eine Proportional-Integral-Reglerfunktionalität (PI-Reglerfunktionalität) verwendet, wie in der Technik verstanden wird. Die Motorsteuereinheit verwendet die Ausgabe eines Lenkungssteuereinheitsabschnitts des Controllers 50 als Referenzstrom für das benötigte Drehmoment, d. h.:
wobei K_p und K_i die jeweiligen proportionalen und integralen Verstärkungen sind. Die Bewegung des Lenkungsmechanismus 16 kann als ein starrer Gesamtkörper beschrieben werden. Daher können die Dynamiken des Lenkungsmechanismus 16 modelliert werden als:
wobei J_rp die Trägheit des Lenkungsmechanismus 16 ist, z. B. einer Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel. Auf ähnliche Weise ist B_rp der Dämpfungskoeffizient, n ist die Übersetzung des Untersetzungsgetriebes 33 (siehe 1), C_fr ist die Coulombreibung, die auf die Lenkzahnstange der Lenkungsanordnung 26 wirkt, T_a ist das Unterstützungsdrehmoment (d. h. nT_m) und M_z ist das SAT.
Das von einem Fahrer des Fahrzeugs 10 aufgebrachte Drehmoment, d. h. T_d, soll zusammen mit dem Unterstützungsdrehmoment T_a vom EPS-System 20 zwei Reaktionsdrehmomente überwinden, wenn das Fahrzeug 10 die Richtung wechselt: (1) das SAT M_z, das von den Reifen 25 und der Straßenoberfläche 27 erzeugt wird, und (2) das Drehmoment, das durch die Coulombreibung und eine Viskosereibung vom EPS-System 20 selbst erzeugt wird.
Mit Bezug auf 3 ist ein Beispiel der Informationen, die im Reifendynamikmodell 56 enthalten sind, schematisch gezeigt. Die vertikale Achse 61 stellt eine Amplitude dar und die horizontale Achse 63 stellt die Fahrtrichtung des in 1 gezeigten Fahrzeugs 10 dar. Eine Querkraft, die auf einen gegebenen Reifen 25 wirkt, ist durch einen Pfeil 64 dargestellt, wobei die Reifenkontaktbreite (Pfeil 76) durch die Fläche zwischen Verläufen 71 und 73 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Zusätzliche Größen, die in 4 dargestellt sind, umfassen die Reifenschlupfzone (Pfeil 60), die zwischen Punkten 70 und 72 liegt, den Reifenhaftungsbereich (Pfeil 62), der zwischen Punkten 72 und 74 liegt, den pneumatischen Verlauf (Pfeil 65), welcher die Zone ist, die mit der Querkraft (Pfeil 64) beginnt und bei Punkt 77 endet, die Fahrzeugzielrichtung (Pfeil 68) und die Reifenkontaktlänge (Pfeil 78). Pfeil 75 stellt das selbstausrichtende Drehmoment (T_sa) dar. Der Schlupfwinkel (α) der Vorderreifen 25 liegt zwischen der Fahrtrichtung (Pfeil 63) und der Zielrichtung (Pfeil 68), d. h. der Orientierung der Reifen 25. Der lineare Bereich des Reifendynamikmodells 56 ist allgemein durch den Pfeil 80 angezeigt.
SAT-Eigenschaften werden auf der Grundlage der Querkraftverteilung eines Reifenkontaktflecks erläutert, welcher der Teil des Reifens 25 in Kontakt mit der Straßenoberfläche 27 ist, wobei dieser Teil durch den Doppelpfeil 78 dargestellt wird. Die Querkraft (Pfeil 64) baut sich im Kontaktfleck zu Punkt 72 hin auf, bei dem die Profilscherkraft die verfügbare Reibung überwindet. Dies ist der Haftungsbereich, der durch den Doppelpfeil 62 angegeben ist. Ein Schlupf tritt dann im Schlupfbereich (Doppelpfeil 60) auf, wenn sich der Reifen 25 von 1 und 2 mit einem Schlupfwinkel (α) dreht.
Die asymmetrische Verteilung des Kraftaufbaus bewirkt, dass der Wirkungspunkt der Querkraft (Pfeil 64) durch den pneumatischen Verlauf (Doppelpfeil 65) zum Hinterende des Kontaktflecks hin positioniert wird. Wie in der Technik verstanden wird, bezeichnet der Begriff ”pneumatischer Verlauf” den Abstand vom Mittelpunkt des Reifens 25 zu einem Punkt, bei dem die Querkräfte entwickelt werden. Mit anderen Worten beeinflusst die asymmetrische Querkraftverteilung, die durch die Haftungs-/Schlupfbedingung verursacht wird, den pneumatische Verlauf (Doppelpfeil 65). Daher gibt die SAT-Veränderung die Haftungs-/Schlupfbedingung im Reifenkontaktfleck an, da das SAT gleich der Querkraft (Pfeil 64) multipliziert mit dem pneumatischen Verlauf (Doppelpfeil 65) ist.
Um das Straßenmoment korrekt zu schätzen, muss zuerst die Ausrichtungskomponente geschätzt werden. Da das vorliegende Verfahren 100 arbeitet, wenn sich der Reifen 25 im linearen Bereich (Pfeil 80) der Reifenquerkraft F_y befindet, ist der Schlupfwinkel α proportional zu der niederfrequenten Ausrichtungskomponente des Straßenmoments M_z. Folglich: M_z1 = –L_pF_xf, F_xf = C_fα_f wobei L_p der pneumatische Verlauf (Pfeil 65 von 4) ist, C_f die Kurvensteifigkeit der Vorderreifen 25 ist, F_xf die Querkraft der Vorderreifen ist und α_f der Schlupfwinkel der Vorderreifen ist. Der letzte Wert kann wie folgt berechnet werden:
wobei δ der Lenkwinkel der Vorderräder ist, v_y die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs am Schwerpunkt ist, v_x die Längsgeschwindigkeit des Schwerpunkts ist, ψ . die Gierrate des Fahrzeugs 10 ist und α der Abstand vom Schwerpunkt des Fahrzeugs 10 zu dessen Vorderachsen ist.
Da die Fehlererkennung im linearen Bereich (Pfeil 80 von 3) aktiv sein wird, kann die Quergeschwindigkeit (v .y) wie folgt berechnet werden:
wobei b der Abstand vom Schwerpunkt des Fahrzeugs 10 zu der Hinterachse ist, C_r die Kurvensteifigkeit beider Reifen der Hinterachse (nicht gezeigt) ist, g die Gravitationsbeschleunigung ist, I_z das Trägheitsmoment des gesamten Fahrzeugs 10 um die Gierachse des Fahrzeugs 10 herum ist, m die Gesamtmasse des Fahrzeugs ist und y der Fahrbahnwinkel ist, d. h. die Neigung der Straßenoberfläche 27 von 2, die aus Informationen wie etwa der Querbeschleunigung und der Gierrate geschätzt werden kann.
Aus den vorstehenden Gleichungen kann der Controller 50 die Quergeschwindigkeit v_y und folglich M_z1 wie folgt berechnen:
Mit Bezug auf 4 ist ein Blockdiagramm für eine mögliche Ausführungsform des Zustandsbeobachters 52 gezeigt. Der Zustandsbeobachter 52 modelliert das EPS-System 20 [engl.: EFS system], um dessen interne Zustände zu schätzen. Mit einem gegebenen Satz von Steuereingängen (u) und Steuerausgängen (y) wird eine Zustandsschätzung durchgeführt. Folglich kann ein Zustand (x) eines Systems modelliert werden als: x(k + 1) = Ax(k) + Bu(k) y(k) = Cx(k) + Du(k) wobei (k) die Zeit darstellt und A, B, C und D Kalibrierungswerte sind. Das Zustandsbeobachtermodell kann dann hergeleitet werden als: (k + 1) = Ax ^(k) = L[y(k) – y ^(k)] + Bu(k) y ^(k) = Cx ^(k) + Du(k) wobei L in dieser Gleichung eine Verstärkungsmatrix der Schätzvorrichtung ist. Die vorstehenden Zustandsgleichungen versteht der Fachmann auf dem Gebiet leicht.
Somit schätzt der Controller 50 den zweiten SAT-Wert (M_z2) unter Verwendung des EPS-Systemmodells 58, z. B. der vorstehend erwähnten Dynamiken von Motor/Zahnstange und Ritzel, und unter Verwendung des erweiterten Zustandsbeobachters 52. Die Funktionalität der SAT-Schätzvorrichtung beruht auf dem Modell des Lenkungsmechanismus 16, das in 2 gezeigt ist und vorstehend erörtert wurde und mathematisch wie folgt dargestellt werden kann:
In diesen Gleichungen stellt w die externe Störung dar, etwa die Drehmomentlast, d. h. die Differenz zwischen dem Drehmomentwert (Pfeil 123 von 1), der vom Lenkdrehmomentsensor 23 von 1 und 2 gemessen wird, und dem Straßendrehmoment (T_r). Durch Kombinieren der internen Dynamiken g (θp, θ .p, t) mit einer externen Störung w kann die verallgemeinerte Störung f(θp, θ .p, w, t) gebildet werden. Die vorstehende Gleichung wird dann umgeschrieben zu:
Der Controller 50 kann dann mit Bezug auf 3 ein verbessertes kanonisches Zustandsraummodell wie folgt herleiten:
wobei x = ⌊θ_p θ ._p f⌋^T die zu schätzende Störung enthält.
Als Nächstes wird das Zustandsraummodell vom Zustandsbeobachter 52 diskretisiert, indem ein Halteglied nullter Ordnung angewendet wird: x(k + 1) = Φx(k) + Γu(k) y(k) = Hx(k) + Ju(k)
Unter Verwendung des Zustandsbeobachters 52 ergibt sich das Folgende: x ^(k + 1) = Φx ^(k) + Γu(k) + L(y(k) – y ^(k)) y ^(k) = Hx ^(k) + Ju(k)
Indem L = ΦL_c definiert wird, verringert sich der Schätzwert auf: x ^(k + 1) = Φx -(k) + Γu(k) wobei der neue Zustand, d. h. die diskrete Schätzvorrichtung, gegeben ist durch: (k) = x ^(k) + L_c(y(k) – y(k))
Der Verstärkungsvektor L_c der SAT-Schätzvorrichtung wird dann ermittelt, indem die Pole (ß) der diskreten charakteristischen Gleichung λ(z) wie folgt platziert werden: λ(z) = |zI – (Φ – ΦLH)| = (z – β)³, β = e^–ωT
Wieder wird ein Halteglied nullter Ordnung angewendet:
wobei T die diskrete Abtastzeit ist. Somit:
Mit Bezug auf 5 stellt das vorliegende Verfahren 100 ein Fehlerdetektionsschema für ein in 1 gezeigtes an einer Säule montiertes EPS-System 20 dar, das sowohl elektrische als auch mechanische Komponenten des EPS-Systems 20 verwendet. Unter Verwendung von Parameterschätztechniken, wie sie vorstehend erläutert wurden, werden die elektrischen Parameter des Lenkmotors 32, d. h. der Widerstand und die Gegen-EMK, ermittelt. Die geschätzten Parameter werden dann mit den a priori geschätzten Parametern eines ”gesunden” Systems verglichen, um Fehler zu detektieren. Die mechanischen Parameter des Lenkmotors 32 werden auf der Grundlage des SAT diagnostiziert, das erstens aus den Reifendynamiken im linearen Bereich der Reifenquerkraft und zweitens aus den Parametern von Motor/Zahnstange und Ritzel geschätzt wird. Die Varianz der Differenz des SAT, das über die zwei Ansätze erhalten wird, zeigt die Abweichung der mechanischen Parameter von ihrem Nennwert an.
Eine Ausführungsform des Verfahrens 100 beginnt bei Schritt 102, bei dem der erste SAT-Wert (M_z1) unter Verwendung des Reifendynamikmodells 56 geschätzt wird, welches die modellierten Dynamiken im linearen Bereich einer Querkraft umfasst, die auf die Reifen 25 wirkt, wie in 3 gezeigt ist.
Schritt 104 umfasst, dass der zweite SAT-Wert (M_z2) unter Verwendung eines erweiterten Zustandsbeobachters 52 und von Nennparametern für das EPS-System 20 geschätzt wird.
Schritt 106 umfasst, dass eine Varianz (ΔM_z) zwischen dem ersten SAT-Wert (M_z1) und dem zweiten SAT-Wert (M_z2) berechnet wird. Die Schritte 102–106 können in einer Schleife wiederholt werden, sodass die Tendenz oder das Fortschreiten dieser Varianz später vom Controller 50 überwacht werden kann, welcher den Schritt 108 ausführt, nachdem eine zum Ermitteln des Fortschreitens der Abweichung ausreichende Anzahl von Abtastwerten aufgezeichnet worden ist.
Schritt 108 umfasst, dass ein Fortschreiten der berechneten Varianz über eine kalibrierte Zeitspanne hinweg unter Verwendung des Controllers 50 überwacht wird und der SOH-Wert für das EPS-System 20 unter Verwendung dieses Fortschreitens ermittelt wird.
Schritt 110 umfasst, dass eine Steuermaßnahme unter Verwendung des SOH-Werts automatisch ausgeführt wird. Bei Schritt 108 ermittelt der Controller 50 den Fehlerbereich für die Varianz (ΔM_z). Der Controller 50 kann einen Funktionszustandswert (SOH-Wert) für das EPS-System 20 unter Verwendung des Fortschreitens der Abweichung, wie sie bei Schritt 106 ermittelt wurde, berechnen. Zum Beispiel kann bei einer möglichen SOH-Prognose die folgende Gleichung vom Controller 50 angewendet werden:
wobei k in dieser Gleichung eine einstellbare Verstärkung ist und wobei 0 < k < 1. Folglich kann ein SOH-Wert von 1 einem sich korrekt verhaltenden EPS-System 20 entsprechen, während ein SOH von 0 einem unmittelbar bevorstehenden Ausfall des EPS-Systems 20 entsprechen kann.
Bei Schritt 110 kann der Controller 50 eine geeignete Steuermaßnahme auf der Grundlage des SOH-Werts ausführen, der bei Schritt 108 aufgezeichnet wurde. Eine mögliche Ausführungsform des Schritts 110 umfasst, dass eine Skala von SOH-Werten in verschiedene Bänder unterteilt wird, z. B. ”gut”, ”verschlechtert”, ”verschlissen” und ”Ausfall bevorstehend”. Jedem Band kann ein spezieller Bereich von SOH-Werten zugeordnet werden, z. B. 1 bis 0,75 für ”gut” usw. Diagnosecodes können für die verschiedenen Bänder gesetzt werden, wobei der Code zur Bezugnahme durch einen Wartungstechniker oder durch eine automatisierte Ferndetektion und Meldung, wenn das Fahrzeug 10 mit einer Telematikeinheit ausgestattet ist, aufgezeichnet wird.
Wir vorstehend erwähnt, kann das Fahrzeug 10 mit der Anzeige 17 ausgestattet sein. Bei einem bevorstehenden Ausfall kann der Anwender von dem Controller 50 unter Verwendung der Anzeige 17 gewarnt werden, z. B. indem eine Meldung oder ein Symbol angezeigt wird. Die Anzeige 17 kann bei einer vereinfachten Ausführungsform eine einfache Warnleuchte auf dem Armaturenbrett sein, die möglicherweise von einem akustischen Signal begleitet wird, um den Anwender in ausreichendem Maße vor dem bevorstehenden Ausfall zu warnen. Ergebnisse, die zwischen die Extreme ”gut” und ”Ausfall bevorstehend” fallen, können über die Anzeige 17 dargestellt oder als Diagnosecodes aufgezeichnet werden oder beides, in Abhängigkeit von der Schwere des SOH-Werts und des Fortschreitens der Abweichung.
Obwohl die besten Arten, um die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

Elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) für ein Fahrzeug, umfassend: ein Lenkrad, das ausgestaltet ist, um einen Satz von Fahrerlenkeingaben zu empfangen, der ein Lenkdrehmoment und einen Lenkwinkel umfasst; einen Drehmomentsensor, der ausgestaltet ist, um das Lenkdrehmoment zu messen; einen Winkelsensor, der ausgestaltet ist, um den Lenkwinkel zu messen; eine Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel; einen Lenkmotor, der betrieben werden kann, um ein variables Motorunterstützungsdrehmoment an die Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel mit einem Drehmomentniveau weiterzuleiten, welches teilweise vom Lenkwinkel und vom Lenkdrehmoment abhängt; und einen Controller mit einem erweiterten Zustandsbeobachter; wobei der Controller ausgestaltet ist, um: einen ersten Wert für ein selbstausrichtendes Drehmoment (SAT-Wert) unter Verwendung eines Reifendynamikmodells zu schätzen, wobei das Reifendynamikmodell modellierte Dynamiken im linearen Bereich einer Querkraft, die auf die Reifen wirkt, umfasst; einen zweiten SAT-Wert unter Verwendung eines erweiterten Zustandsbeobachters und von Nennparametern für das EPS-System zu schätzen; eine Varianz zwischen dem ersten SAT-Wert und dem zweiten SAT-Wert zu berechnen; ein Fortschreiten der berechneten Varianz über eine kalibrierte Zeitspanne hinweg unter Verwendung des Controllers zu überwachen, um dadurch den SOH-Wert zu ermitteln; und eine Steuermaßnahme unter Verwendung des SOH-Werts automatisch auszuführen.
EPS-System nach Anspruch 1, wobei der Controller betrieben werden kann, um den SOH-Wert als einen numerischen Wert zwischen 0 und 1 unter Verwendung einer einstellbaren Verstärkung zu berechnen.
EPS-System nach Anspruch 2, wobei die automatische Ausführung einer Steuermaßnahme das Aufzeichnen eines Diagnosecodes und/oder das Anzeigen eines Symbols oder einer Meldung im Fahrzeug umfasst.
Fahrzeug, umfassend: ein Lenkrad; Reifen, die in Ansprechen auf Fahrereingaben, welche durch das Lenkrad empfangen werden, lenkbar sind; ein elektronisches Servolenkungssystem (EPS-System) mit einem Getriebe und einem Lenkmotor, wobei das EPS-System ausgestaltet ist, um ein Motorunterstützungsdrehmoment an das Getriebe bereitzustellen, um dadurch ein Lenken der Reifen zu unterstützen; und einen Controller, der ausgestaltet ist, um einen Satz von Anweisungen aus einem konkreten/nicht vorübergehenden Speicher auszuführen, der umfasst, dass: ein erster selbstausrichtender Drehmomentwert (SAT-Wert) unter Verwendung eines Reifendynamikmodells geschätzt wird, wobei das Reifendynamikmodell modellierte Dynamiken in dem linearen Bereich einer Querkraft, die auf die Reifen wirkt, umfasst; ein zweiter SAT-Wert unter Verwendung eines erweiterten Zustandsbeobachters und von Nennparametern für das EPS-System geschätzt wird; eine Varianz zwischen dem ersten SAT-Wert und dem zweiten SAT-Wert berechnet wird; ein Fortschreiten der berechneten Varianz über eine kalibrierte Zeitspanne hinweg unter Verwendung des Controllers überwacht wird, um dadurch den SOH-Wert zu ermitteln; und eine Steuermaßnahme unter Verwendung des SOH-Werts automatisch ausgeführt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei das Getriebe eine Anordnung mit einer Zahnstange und einem Ritzel ist.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Controller ausgestaltet ist, um den SOH-Wert als einen numerischen Wert zwischen 0 und 1 unter Verwendung einer einstellbaren Verstärkung zu berechnen.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Controller die Steuermaßnahme automatisch ausführt, indem er einen Diagnosecode aufzeichnet und/oder ein Symbol oder eine Meldung im Fahrzeug anzeigt.