DE102014105088A1 - Regulator for an electromechanical steering system, steering system with such a controller and motor vehicle with such a steering system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regler (1) für ein elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem, welcher zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst, wobei der Regler (1) ausgebildet ist, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln. Die Störungen sind dabei frequenzabhängig modelliert, wobei der Regler (1) derart ausgelegt ist, dass Störungen wenigstens eines ersten festgelegten Frequenzbereiches an das Lenkmittel übertragen werden und Störgrößen wenigstens eines zweiten festgelegten Frequenzbereiches unterdrückt werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein elektromechanisches Lenksystem mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Regler. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Lenksystem.The present invention relates to a controller (1) for an electromechanical motor vehicle steering system, which comprises a servo motor for influencing a force exerted on a steering means of the steering system, wherein the controller (1) is formed, an engagement of the servo motor taking into account disturbances acting on the steering system to regulate. The interference is modeled frequency-dependent, wherein the controller (1) is designed such that disturbances of at least a first predetermined frequency range are transmitted to the steering means and disturbances of at least a second predetermined frequency range are suppressed. Furthermore, the present invention relates to an electromechanical steering system with a controller designed according to the invention. Moreover, the present invention relates to a motor vehicle with a steering system designed according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft einen Regler für ein elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem, welcher zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst, wobei der Regler ausgebildet ist, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln.The invention relates to a controller for an electromechanical motor vehicle steering system, which comprises a servo motor for influencing a force exerted on a steering means of the steering system, wherein the controller is designed to control an engagement of the servo motor taking into account disturbances acting on the steering system.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Lenkmittel, einen Stellmotor zur Beeinflussung einer auf das Lenkmittel ausgeübten Kraft und einen Regler zur Regelung des Eingriffs des Stellmotors.Moreover, the invention relates to an electromechanical steering system for a motor vehicle comprising a steering means, a servomotor for influencing a force exerted on the steering means and a regulator for controlling the engagement of the servomotor.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektromechanischen Lenksystem.Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with an electromechanical steering system.
Elektromechanische Lenksysteme werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Kraft zu reduzieren, die ein Kraftfahrzeugführer zum Bedienen eines Lenkmittels des Kraftfahrzeuges, üblicherweise eines Lenkrades, aufwenden muss. Ein besonderer Vorteil der elektromechanischen Lenkung ist dabei, dass die Lenkung beziehungsweise eine auf das Lenkmittel ausgeübte Kraft adaptiv beeinflusst werden kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und Handmoment.Electromechanical steering systems are often used in motor vehicles to reduce the force that a motor vehicle driver must use to operate a steering means of the motor vehicle, usually a steering wheel. A particular advantage of the electromechanical steering is that the steering or a force exerted on the steering means can be influenced adaptively, in particular as a function of the vehicle speed and manual torque.
Ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Servolenksystems ist beispielsweise aus der Druckschrift
Problematisch hierbei ist, dass durch das Wegregeln von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen die Rückmeldung hinsichtlich der Fahrbahnbeschaffenheit für den Kraftfahrzeugführer gering ist. Besonders problematisch ist insbesondere bei der Entwicklung von elektromechanischen Lenksystemen für Hochleistungsfahrzeuge die schwache Rückmeldung durch eine reine Ansteuerung des unterstützenden Stellmotors des elektromechanischen Lenksystems. Ein Grund hierfür ist die hohe Massenträgheit des Motors. Eine solche Ansteuerung der Unterstützungseinheit erzeugt daher ein als künstlich wahrgenommenes Lenkgefühl.The problem here is that the feedback on the road condition for the motor vehicle driver is low by the out of the way of disturbances acting on the steering system. Particularly problematic in particular in the development of electromechanical steering systems for heavy-duty vehicles, the weak feedback by a pure control of the supporting servomotor of the electromechanical steering system. One reason for this is the high inertia of the motor. Such a control of the support unit therefore generates a perceived as artificially steering feel.
Zur Reduzierung diese Problems ist es bekannt, ein elektromechanisches Lenksystem als rückmeldungsoptimierte EPS (EPS: Electric Power Steering) auszubilden, bei welchem auf die Unterstützungskraft des Unterstützungsmotors und nicht auf das Motormoment geregelt wird. Ein solches elektromechanisches Lenksystem ist in der Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Regler für ein elektromechanisches Lenksystem bereitzustellen, insbesondere derart, dass ein Kraftfahrzeugführer eine verbesserte Rückmeldung von Fahrbahnzuständen erhält, wobei die Unterstützung durch den Stellmotor vorteilhafterweise nicht beeinträchtigt werden soll.Against this background, it is an object of the invention to provide an improved controller for an electromechanical steering system, in particular such that a motor vehicle driver receives improved feedback of road conditions, wherein the assistance by the servo motor should advantageously not be affected.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Regler für eine elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem, welcher zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst, vorgeschlagen, wobei der Regler ausgebildet ist, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln, wobei die Störungen frequenzabhängig modelliert sind und der Regler derart ausgelegt ist, dass Störungen wenigstens eines ersten festgelegten Frequenzbereiches an das Lenkmittel übertragen werden und Störungen wenigstens eines zweiten festgelegten Frequenzbereichs unterdrückt werden. Von außen einwirkende Störungen sind dabei insbesondere durch die Fahrbahnbeschaffenheit hervorgerufene Anregungen im Lenksystem sowie fahrdynamische Einflüsse. Vorzugsweise ist das Lenkmittel ein Lenkrad.To achieve the object, a controller for an electromechanical motor vehicle steering system, which comprises a servo motor for influencing a force exerted on a steering means of the steering system, proposed, wherein the controller is adapted to regulate an engagement of the servo motor, taking into account disturbances acting on the steering system, wherein the disturbances are frequency-dependent modeled and the controller is designed such that disturbances of at least a first predetermined frequency range are transmitted to the steering means and disturbances of at least a second predetermined frequency range are suppressed. External disturbances are, in particular, suggestions due to the road surface in the steering system as well as driving dynamics influences. Preferably, the steering means is a steering wheel.
Ein Übertragen von Störungen an das Lenkmittel sieht insbesondere ein Durchlassen dieser Störungen an das Lenkmittel vor. Ein Übertragen von Störungen an das Lenkmittel sieht ferner insbesondere ein Verstärken dieser Störungen vor, derart, dass die Störungen für den Kraftfahrzeugführer über das Lenkmittel verbessert wahrnehmbar sind.A transmission of disturbances to the steering means provides in particular a passage of these disturbances to the steering means. A transmission of disturbances to the steering means further provides in particular an amplification of these disturbances, such that the disturbances for the motor vehicle driver can be perceived improved via the steering means.
Ein Unterdrücken von Störungen sieht insbesondere ein Kompensieren dieser Störungen vor, insbesondere ein Kompensieren durch entsprechende Reglereingriffe.Suppressing interference in particular provides for compensating for these disturbances, in particular compensation by means of appropriate controller interventions.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein erster festgelegter Frequenzbereich Frequenzen zwischen 0 Hz und 6 Hz (Hz: Hertz) umfasst und/oder ein weiterer erster festgelegter Frequenzbereich Frequenzen zwischen 6 Hz und 16 Hz umfasst. Das heißt, dass Störungen in dem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 6 Hz und/oder Störungen in dem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz an das Lenkmittel übertragen werden.In particular, it is provided that a first defined frequency range comprises frequencies between 0 Hz and 6 Hz (Hz: Hertz) and / or a further first defined frequency range comprises frequencies between 6 Hz and 16 Hz. That is, disturbances in the frequency range between 0 Hz and 6 Hz and / or disturbances in the frequency range between 6 Hz and 16 Hz are transmitted to the steering means.
Der Frequenzbereich zwischen 0 und 6 Hz bildet dabei insbesondere den normalen Lenkbereich ab, das heißt insbesondere Einflüsse auf das Lenksystem, die insbesondere beim Parkieren, bei Slalomfahrten und/oder beim Spurwechsel auftreten.In this case, the frequency range between 0 and 6 Hz in particular forms the normal steering range, that is to say in particular influences on the steering system which occur in particular when parking, during slalom rides and / or when changing lanes.
Von dem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz sind insbesondere sogenannte Nutzinformationen umfasst. Das sind Einflüsse, die dem Kraftfahrzeugführer insbesondere Rückmeldungen über die Fahrbahnbeschaffenheit, wie beispielsweise Spurrillen, auftretendes Aquaplaning, auftretendes Unter- und/oder Übersteuern des Kraftfahrzeugs, und/oder die Seitenkraftreserve liefern können. Durch das Durchlassen beziehungsweise Verstärken von Frequenzen insbesondere in diesem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz, vorzugsweise zumindest in einem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 15 Hz, werden vorteilhafterweise Reibwertübergänge der Straßenoberfläche für den Kraftfahrzeugführer verbessert wahrnehmbar. Zudem wird vorteilhafterweise eine auftretende Tendenz des Kraftfahrzeugs zum Untersteuern besser für den Kraftfahrzeugführer erfahrbar. Zudem werden Informationen über die Beschaffenheit der Straßenoberfläche über das Lenkmittel verbessert an den Kraftfahrzeugführer weitergegeben.Of the frequency range between 6 Hz and 16 Hz in particular so-called payload information is included. These are influences that can provide the motor vehicle driver in particular feedback on the road condition, such as ruts, occurring aquaplaning, occurring under- and / or oversteer of the motor vehicle, and / or the lateral power reserve. By passing through or amplifying frequencies, in particular in this frequency range between 6 Hz and 16 Hz, preferably at least in a frequency range between 6 Hz and 15 Hz, friction coefficient transitions of the road surface for the motor vehicle driver are advantageously perceived. In addition, an occurring tendency of the motor vehicle to understeer is better experienced for the motor vehicle driver. In addition, information about the nature of the road surface via the steering means is improved passed on to the motor vehicle driver.
Vorteilhafterweise umfasst ein zweiter festgelegter Frequenzbereich Frequenzen größer 16 Hz. Störungen dieses Frequenzbereiches werden somit vorteilhafterweise unterdrückt beziehungsweise bedämpft. Von diesem Frequenzbereich sind insbesondere Störinformationen umfasst, dass sind Einflüsse die insbesondere durch eine Radunwucht, Brems-Lenkradschwingungen und/oder Lenkradstöße hervorgerufen werden können. Durch eine Unterdrückung beziehungsweise Kompensation dieser Störinformationen mittels des erfindungsgemäßen Reglers wird vorteilhafterweise das Fahrerlebnis weiter verbessert.Advantageously, a second fixed frequency range includes frequencies greater than 16 Hz. Disturbances of this frequency range are thus advantageously suppressed or damped. From this frequency range in particular noise information includes that are influences that can be caused in particular by a Radunwucht, brake steering wheel vibrations and / or steering wheel shocks. By suppression or compensation of this interference information by means of the controller according to the invention advantageously the driving experience is further improved.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Regler ein verallgemeinertes Regelkreismodell mit einer verallgemeinerten Regelstrecke zugrunde liegt, wobei die Regelstrecke auf einem linearen Vorderachs-Lenkungsmodell basiert. Lineare Vorderachs-Lenkungsmodelle sind bereits im Stand der Technik bekannt. Vorteilhafterweise ist der Regler hierdurch einfacher applizierbar.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the controller is based on a generalized closed loop control model with a generalized controlled system, wherein the controlled system is based on a linear front axle steering model. Linear front axle steering models are already known in the art. Advantageously, the controller is thereby easier to apply.
Das verallgemeinerte Regelkreismodell lässt sich dabei beschreiben durch: Vorteilhafterweise regelt der erfindungsgemäße Regler auf die Unterstützungskraft des Stellmotors. Das heißt, dass insbesondere vorgesehen ist, dass der erfindungsgemäße Regler nicht auf das Motormoment des Stellmotors regelt. Hierdurch sind vorteilhafterweise die dominierenden rotatorischen Trägheiten mit in dem zugrunde liegenden Regelkreis enthalten. Ein elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem wird hierdurch vorteilhafterweise rückmeldungsoptimiert, wodurch vorteilhafterweise ein weiter verbessertes Lenkgefühl bereitgestellt ist.The generalized control loop model can be described by: Advantageously, the controller according to the invention controls the assisting force of the servomotor. This means that it is provided in particular that the regulator according to the invention does not regulate the motor torque of the servomotor. As a result, the dominant rotational inertias are advantageously contained in the underlying control loop. An electromechanical motor vehicle steering system is thereby advantageously feedback-optimized, whereby advantageously a further improved steering feel is provided.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Regler ein H∞-Regler mit einer Übertragungsfunktion höherer Ordnung ist, welcher vorteilhafterweise derart modifiziert ist, dass die Störungen frequenzabhängig modelliert sind. Dem erfindungsgemäßen Regler liegt somit ein auf einem modifizierten EPS-Modellbasierender H∞-Regelungsansatz zugrunde. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Ausgestaltung des Reglers, die Trägheit des Stellmotors im haptisch relevanten Frequenzbereich mehr und in Störbereichen weniger stark zu kompensieren. Hierdurch werden vorteilhafterweise Einflüsse aus dem Nutzinformationen enthaltenden Frequenzbereich über das Lenkmittel an den Fahrer weitergeleitet. Darüber hinaus werden Störinformationen, wie insbesondere durch eine Radunwucht, durch Brems-Lenkradschwingungen und/oder durch Lenkradstöße hervorgerufene Einflüsse, durch den Regler kompensiert. Ein weiterer besonderer Vorteil der Auslegung des Reglers als H∞-Reglers ist, dass das System stabilisiert wird. Darüber hinaus erfüllt der H∞-Regler vorteilhafterweise die quantitativen Regelkreiseigenschaften. Des Weiteren ist durch den H∞-Regler das System vorteilhafterweise robust gegen Modellunsicherheiten und Störungen.According to a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that the controller is a H ∞ controller with a higher order transfer function, which is advantageously modified such that the disturbances are modeled frequency dependent. The regulator according to the invention is thus based on a H ∞ control approach based on a modified EPS model. Advantageously, this embodiment of the controller makes it possible to compensate for the inertia of the servomotor more in the haptically relevant frequency range and less in interference regions. As a result, influences from the frequency range containing useful information are advantageously forwarded to the driver via the steering means. In addition, noise information, such as in particular by a Radunwucht, caused by brake steering wheel vibrations and / or by steering wheel shocks influences, compensated by the controller. Another particular advantage of designing the controller as a H ∞ controller is that the system is stabilized. In addition, the H ∞ controller advantageously meets the quantitative control loop characteristics. Furthermore, the H ∞ controller advantageously makes the system robust against model uncertainties and disturbances.
Für den Entwurf des Reglers als H∞-Regler ist es dabei erforderlich, dass die P-Matrix den vollen Spaltenrand besitzt.For the design of the controller as a H ∞ controller, it is necessary that the P-matrix has the full column edge.
Die Übertragungsfunktion des verallgemeinerten Regelkreises ergibt sich zu:
Die Regler K-Matrix des Reglers ist dabei durch die Lösung des Optimierungsproblems (H∞ Standard Problem)
Vorteilhafterweise ermöglicht dieser erfindungsgemäß modifizierte H Regler eine virtuelle Entkopplung des Stellmotors von der Zahnstange des Lenksystems vorteilhafterweise mit einer sehr geringen Phasenverzögerung und vorteilhafterweise ohne Instabilitäten. Ferner kann sich vorteilhafterweise durch die mittels des erfindungsgemäßen Reglers erzielbare frequenzabhängige Kompensation der Trägheit des Stellmotors die Zahnstange des Lenksystems bei externer Anregung in definierten Zuständen frei bewegen. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Regler vorteilhafterweise einen physikalisch korrekten Lenkungsrücklauf gemäß der am Rad wirkenden Kräfte. Der Lenkungsrücklauf auf Schwimmwinkel bei Manövern im Grenzbereich führt zudem vorteilhafterweise zur Selbststabilisierung des Kraftfahrzeugs.Advantageously, this inventively modified H controller advantageously enables a virtual decoupling of the servomotor from the rack of the steering system with a very low phase delay and advantageously without instabilities. Furthermore, can advantageously by the achievable by means of the controller according to the invention frequency-dependent compensation of the inertia of the servo motor, the rack of the steering system for external excitation in defined states move freely. In addition, the controller according to the invention advantageously allows a physically correct steering return according to the forces acting on the wheel. The steering return to slip angle during maneuvers in the border area also leads advantageously to self-stabilization of the motor vehicle.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die komplexe Übertragungsfunktion des H∞-Reglers durch ein Second Order Section Model modelliert wird. Durch eine solche Darstellung werden Quantisierungsfehler der Koeffizienten, die im Rahmen der Implementierung auf digitalen Steuergeräten entstehen, vorteilhafterweise minimiert.In particular, it is provided that the complex transfer function of the H ∞ controller is modeled by a Second Order Section Model. Such a representation advantageously minimizes quantization errors of the coefficients that arise in the context of implementation on digital control units.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die komplexe Übertragungsfunktion eine Übertragungsfunktion n-ter Ordnung ist, wobei die Übertragungsfunktion als eine Mehrzahl von FIR-Filtern (FIR: Finite Impulse Response) modelliert ist, deren Ordnung kleiner n ist. Besonders bevorzugt sind FIR-Filter zweiter Ordnung vorgesehen, welche seriell aneinander geschaltet, also kaskadiert, sind, und somit in Summe die Übertragungsfunktion des Reglers nachbilden. Vorteilhafterweise wird durch den Einsatz der FIR-Filter eine ungünstige einseitige Aufteilung von Pol-Nullstellen der Filterkoeffizienten in der komplexen Ebene vermieden. Zudem sind FIR-Filter vorteilhafterweise besonders tolerant gegenüber Quantisierungsfehlern der Filterkoeffizienten.A further advantageous embodiment of the invention provides that the complex transfer function is an n-order transfer function, the transfer function being modeled as a plurality of finite impulse response (FIR) filters whose order is smaller than n. Particular preference is given to providing second-order FIR filters which are connected to one another in series, ie cascaded, and thus emulate the transfer function of the controller as a whole. Advantageously, an unfavorable unilateral division of pole zeros of the filter coefficients in the complex plane is avoided by the use of the FIR filters. In addition, FIR filters are advantageously particularly tolerant of quantization errors of the filter coefficients.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Lenkmittel, einen Stellmotor zur Beeinflussung einer auf das Lenkmittel ausgeübten Kraft und einen Regler zur Regelung des Eingriffs des Stellmotors vorgeschlagen, wobei der Regler ein erfindungsgemäßer Regler ist.To solve the object mentioned above, an electromechanical steering system for a motor vehicle is further proposed comprising a steering means, a servomotor for influencing a force exerted on the steering means and a regulator for controlling the engagement of the servomotor, wherein the controller is an inventive controller.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenksystem vorgeschlagen.To achieve the object mentioned above, a motor vehicle with an electromechanical steering system according to the invention is further proposed.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit
Aus
Der Regler
Der Regler
Dabei stellt sich die Übertragungsfunktion des verallgemeinerten Regelkreises wie folgt dar:
Durch Lösung des Optimierungsproblems
Die generalisierte Regelstrecke P basiert auf dem linearen Vorderachs-Lenkungsmodell, das aus der Modellierung der notwendigen EPS-Systemeigenschaften entsteht. The generalized controlled system P is based on the linear front axle steering model that results from the modeling of the necessary EPS system properties.
Der H∞-Regler
Die Führungsgröße
Über ein Kalman-Filter
Als Eingangssignal wird dem Regler
Zur Veranschaulichung der mittels eines erfindungsgemäß ausgebildeten elektromechanischen Lenksystems bereitgestellten Unterstützungskraft ist in
Dabei ist die Verstärkung in dB (dB: Dezibel) über der Frequenz in Hz (Hz: Hertz) dargestellt. Auf der Achse
Wie aus dem Amplitudengang
Anders verhält es sich bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Regler, wie aus dem Amplitudengang
Der erfindungsgemäß ausgebildete Regler ist dabei derart ausgelegt, dass der Regler robust gegen Störungen in einem ersten Frequenzbereich
In einem weiteren ersten Frequenzbereich
Störungen, die in einen zweiten Frequenzbereich
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Merkmale dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.The features illustrated in the figures and explained in connection with these serve to illustrate the invention and are not limiting for these.
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