DE102015006491A1

DE102015006491A1 - Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs

Info

Publication number: DE102015006491A1
Application number: DE102015006491.6A
Authority: DE
Inventors: Michele Sigilló
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs, bei dem von einer Steuerung – eine Stellgröße T1 eines Stellmotors bestimmt wird, – um ausgehend von einer Ist-Position X als Zustandsgröße – eine Sollposition Xd als Sollposition zu erreichen, und bei dem – auf Basis der Stellgröße T1 ein Stellwert des elektrischen Stellantriebs berechnet wird, wobei die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung der zweiten zeitlichen Ableitung der Soll-Position d2Xd/dt2 und einer erreichten Stelländerung ΔX|τ – ΔX|0 berechnet wird, mit ΔX|τ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt τ und ΔX|0 = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt t = t0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und in einer bevorzugten Ausführungsform einer elektromechanischen Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 17.
Die klassischen Regelansätze mit P-Reglern, PI-Reglern oder PID-Reglern sind nicht gut geeignet für die hohen dynamischen Anforderungen im Hinblick auf minimale Regelabweichungen und dynamische Störgrößen, wie sie im Betrieb von Kraftfahrzeugen auftreten.
In Lenksystemen mit elektrischer Hilfskraftunterstützung, auch elektrischen Servolenkungen genannt, werden zum Beispiel Kugelumlaufgetriebe zur Umsetzung der Drehbewegung eines Elektromotors in eine Axialbewegung der Zahnstange eingesetzt. Dabei kann der Elektromotor neben der mechanischen Verbindung zwischen Lenkhandhabe und Zahnstange als elektrischer Hilfsantrieb dienen oder für eine Steer-by-Wire-Lenkung eingesetzt werden. Bei Steer-by-Wire-Lenkungen wird der vom Fahrer an der Lenkhandhabe eingestellte Lenkwunsch den lenkbaren Fahrzeugrädern nicht auf direktem mechanischen Weg übermittelt, sondern auf elektrischem oder hydraulischem Weg. Entsprechend dem Stand der Technik wird das vom Fahrer an der Lenkhandhabe aufgebrachte Lenkmoment von einem Lenkmomentsensor gemessen. In Abhängigkeit von der aus dem Lenkmomentsensor stammenden Information über das Handlenkmoment werden Steuerbefehle an eine Stelleinrichtung des Elektromotors gegeben. Im Falle einer Steer-by-Wire-Lenkung wird anstelle des aufgebrachten Lenkmoments ein vom Fahrer aufgebrachter Lenkwinkel gemessen und daraus Steuerbefehle für den Elektromotor zur Ansteuerung der Lenkung bestimmt. Ein Regelalgorithmus berechnet das benötigte Drehmoment des Elektromotors, um die Zahnstange in die gewünschte Position zu bringen.
Der Regelalgorithmus oder das Regelverfahren sind bevorzugt so ausgelegt, dass die Position des elektrischen Antriebs, im Falle der Regelung einer elektrischen Servolenkung entsprechend die Position der Zahnstange, mit möglichst geringer Zeitverzögerung und ohne Überschwingungen dem vorgegeben Sollwert folgt. Außerdem ist es erwünscht, dass die Positionsregelung ein robustes und gegenüber internen und externen Störgrößen unempfindliches Regelverhalten aufweist.
Herkömmlicherweise sind diese Regelalgorithmen auf den eingangs erwähnten klassischen Regelsystemen mit P-, PI- oder PID Reglern aufgebaut, die auf einer linearen, zeitinvarianten mathematischen Beschreibung der Fahrzeuglenkung basieren. Die Qualität der Regelung hängt dabei hauptsächlich von der Genauigkeit des mathematischen Modells und der Linearität des Systems ab. Im Falle von Lenksystemen für Kraftfahrzeuge sind diese klassischen Regelansätze in der Regel nicht geeignet den hohen dynamischen Anforderungen des Betriebes im Kraftfahrzeug gerecht zu werden. Linearitätsabweichungen oder zeitabhängige Störungen des Systems, zum Beispiel durch Änderungen der Fahrzeugdynamik, die unter anderem abhängig ist vom Straßen- und Beladungszustand, können dabei nur begrenzt von den herkömmlichen Regelsystem gehandhabt werden. Diese internen und externen Störgrößen haben erheblichen Einfluss auf die Stabilität und die Regelgenauigkeit einer Lenkung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelverfahren und einen entsprechenden Regelalgorithmus zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs bereitzustellen, das eine verbesserte Regelgenauigkeit mit geringen Überschwingungen aufweist.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
Danach ist ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs, bei dem von einer Steuerung

– eine Stellgröße T1 eines Stellmotors bestimmt wird,
– um ausgehend von einer Ist-Position X als Zustandsgröße
– eine Sollposition Xd als Sollposition zu erreichen, und bei dem
– auf Basis der Stellgröße T1 ein Stellwert des elektrischen Stellantriebs berechnet wird, vorgesehen, wobei die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung der zweiten zeitlichen Ableitung der Soll-Position d²Xd/dt² und einer erreichten Stelländerung ΔX|_τ – ΔX|₀ berechnet wird, mit ΔX|_τ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt τ und ΔX|₀ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt t = t0.

Die Sollposition Xd ist nicht als feststehender Wert, sondern als vom jeweiligen Fahrzustand abhängiger Wert zu verstehen. Insbesondere ein eingegebener Lenkwinkel ist während der Fahrt variabel und demzufolge als Funktion von der Zeit darstellbar.
Durch diese Regelung wird der Stellantrieb mit einer verbesserten Regelgenauigkeit mit geringen Überschwingungen angesteuert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung der zeitlichen Ableitung der Ist-Position dX/dt berechnet wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung des zeitlichen Integrals der Abweichung ΔX zwischen der Soll-Position Xd und der Ist-Position X entsprechend ∫ t / t0(ΔX|_τ)dτ berechnet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform berechnet sich die Stellgröße T1 als T1 = 1 / UV·{Y}, wobei Y eine Summe ist und die Summanden P = μ·a1·K1·(ΔX – ΔX|₀) und DD = U2· d²Xd / dt²·F2 aufweist, und wobei die Variablen wie folgt definiert sind:
UV = Übersetzungsverhältnis oder Reglerverstärkung,
K1, a1 = Tuning-Parameter,
F2 = Wichtungsfunktion,
U2 = Wichtungsfaktor,
μ = Wichtungsfaktor.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Größe Y den Summanden I1 = μ·a1·η·a2·K1·∫ t / t0(ΔX|_τ)dτ aufweist, wobei die Variable a2 ein Tuning-Parameter ist und η ein weiterer Wichtungsfaktor ist. Alle Wichtungsfaktoren, wie die bereits eingeführten Wichtungsfaktoren μ und η, spielen dabei für die softwaretechnische Umsetzung eine nur untergeordnete Rolle. Sie können ohne weiteres den Zahlenwert 1 besitzen. Physikalisch dienen sie zur Adaption der Maßeinheiten.
Weiterhin kann es zur Verbesserung des Reglerverhaltens vorgesehen sein, dass die Größe Y die Summanden D1 = K1· d(ΔX – ΔX|₀) / dt und/oder D2 = U1· dX / dt·F1 aufweist, wobei U1 ein Wichtungsfaktor und F1 eine Wichtungsfunktion ist.
Bevorzugt kann es dabei vorgesehen sein, dass die Größe Y die beiden Summanden D1 = K1· d(ΔX – ΔX|₀) / dt und D2 = U1· dX / dt·F1 aufweist.
Die Größe Y kann auch den Summanden I2 = a2·K1·∫ t / t0d(ΔX|_τ)/dtdτ aufweisen. Weiterhin kann die Größe Y den Summanden
aufweisen, wobei β1 ein Tuning-Parameter ist. Die Größe Y kann zudem den Summanden DD2 = U3· dX / dt²·F2 aufweisen, wobei U3 ein weiterer Wichtungsfaktor und F2 eine weitere Wichtungsfunktion ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Stellgröße T1 des Stellmotors als T1 = 1 / UV·{Y) mit Y = P + DD + I1 + D1 + D2 + I2 + S berechnet.
Es kann vorgesehen sein, dass F1 und/oder F2 eine konstante Funktion ist.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass F1 und/oder F2 durch
cos(ω3·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + cos(ω2·t)] und/oder
sin(ω3·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + sin(ω2·t)] bestimmt ist,
wobei q1 und q2 weitere Wichtungsfaktoren sind.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs ist besonders geeignet für die Regelung einer elektromechanischen Lenkung.
Dabei ist die Zustandsgröße des Stellantriebs vorzugsweise die Position der Zahnstange und/oder der Verschwenkungswinkel eines Rades.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Stellmotor ein Elektromotor, der ein Antriebsmoment mittels eines Getriebes, beispielsweise eines Kugelgewindetriebs oder eines Schneckenradgetriebes, auf die Zahnstange überträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Stellgröße T1 das von dem Stellmotor abgegebene Drehmoment sein, wobei auf Basis der Stellgröße T1 ein Sollstromwert und/oder ein Sollspannungswert bestimmt wird, der dem Stellmotor zugeführt wird. Es ist aber auch denkbar und möglich, direkt den Strom und/oder die Spannung, die den Wicklungen des Elektromotors zugeführt wird, als Stellgröße zu verwenden. Es sind dann in den oben dargestellten Berechnungsvorschriften entsprechende Umrechnungsfaktoren vorzusehen.
Das Regelverfahren, wie es in den Patentansprüchen 1 bis 3 dargestellt ist, ist auch dazu geeignet, ein gewünschtes Drehmoment für die Lenkbewegung eines Kraftfahrzeuges einzuregeln. In diesem Fall kann als die Position X, die die Zustandsgröße darstellt, das am Lenkrad der Lenkbewegung des Fahrers entgegenwirkende Gegenmoment (= das Rückstellmoment oder das Ist-Drehmoment), das dem Fahrer als Reaktion auf seine in das Lenkrad eingebrachte Lenkbewegung entgegengesetzt werden soll, angesetzt werden. Als Stellgröße T1 dient dann das vom Stellmotor abgegebene Drehmoment oder auch der dem Elektromotor zugeführte Strom. Als Soll-Position Xd ist entsprechend das gewünschte Soll-Drehmoment, das der Lenkbewegung entgegengesetzt werden soll, anzusetzen. Dabei kann das gewünschte Soll-Drehmoment beispielsweise von der Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle und/oder der Änderung der Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle abgeleitet werden. Zusätzlich können noch weitere Parameter, wie beispielsweise die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, zur Bestimmung des Soll-Drehmoments herangezogen werden. Die Werte können dabei vorbestimmt tabellarisch abgelegt sein oder mit einer Funktion zur Laufzeit berechnet werden. Das Ist-Drehmoment kann in einfacher Weise mit einem entsprechend dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensor bestimmt werden.
Weiterhin vorgesehen ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einem Regler, der dazu eingerichtet ist, ein Verfahren mit wenigstens einem der vorhergehend genannten Merkmale auszuführen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 und 3: schematische Darstellung einer elektromechanischen Lenkung, entsprechend 1 mit mechanischer Kopplung und entsprechend 3 in Steer-by-wire Bauart ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern, sowie
2: eine schematische Darstellung der Regelung der elektromechanischen Lenkung aus 1 oder 3.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lenkung 1 mit elektrischer Hilfskraftunterstützung mit einem Lenkrad 2, einer Lenkwelle 3a, 3b einer Konsole 4, einem Stellantrieb 5 und einer Zahnstange 6. Im Beispiel ist eine elektromechanische Hilfskraftlenkungen gezeigt, bei der ein mechanischer Durchgriff vom Lenkrad 2 zu einem Lenkgetriebe 20 und letztendlich zu den Rädern 8 vorhanden ist. Das Lenkrad 2 ist mit der Lenkwelle 3a verbunden.
Die Lenkwelle 3a ist in der Konsole 4 axial und in der Höhe verstellbar gelagert. Über eine mit der Lenkwelle 3a drehfest gekoppelten unteren Lenkwelle 3b erfolgt eine Übertragung der Drehung des Lenkrads in ein Lenkgetriebe 20, wodurch eine axiale Verschiebung der Zahnstange 6 und entsprechend eine Verschwenkung der Räder 8 erfolgt. Zur Unterstützung der Lenkbewegung dient als elektrische Hilfskraftunterstützung der Stellantrieb 5, der über eine Steuerung 21 angesteuert wird, und die Verschwenkung der Räder 8 unterstützt. In der Konsole 4 ist auch ein nicht dargestellter Lenksensor angeordnet, der den aktuellen Drehwinkel, also die Lage der Lenkwelle 3a und damit des Lenkrades 2 erfasst. Der aktuelle Drehwinkel 13 der Lenkwelle 3a, der auch als Lenkwinkel bezeichnet wird, repräsentiert im Beispiel eine mit der Sollposition Xd verknüpfte Größe. Zur Darstellung der Verschwenkung der Räder durch die axiale Verschiebung der Zahnstange 6 ist diese an ihren freien Enden mit Spurstangen 7 verbunden und über diese Spurstangen 7 mit lenkbaren Rädern 8 gekoppelt. Die Zahnstange 6 ist in einem nicht dargestellten Lenkungsgehäuse in ihrer Längsrichtung verschiebbar gelagert. Der Stellantrieb 5 zur Unterstützung der Lenkbewegung weist einen nicht dargestellten Stellmotor M und ein Getriebe auf. Das Ausgangsmoment des Stellmotors M wird mittels einer nicht dargestellten Antriebswelle des Elektromotors auf die Zahnstange 6 und damit auf die Räder 8 übertragen. Wegen der erheblichen zu übertragenden Kräfte wirkt die Antriebswelle des Elektromotors in der Regel über einen nicht näher dargestellten Kugelgewindetrieb auf die Zahnstange 6. Es sind aber auch andere Koppelgetriebe denkbar und möglich, wie dies im Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Der Stellantrieb 5 wird über eine elektronische Steuerung 21 angesteuert. Für die Ansteuerung empfängt die Steuerung über eine Signalleitung Signale des Lenksensors und wertet diese in einer entsprechenden Regeleinheit aus. Die erfindungsgemäße Lehre ist auch auf Servolenkungen mit hydraulischer Hilfskraftunterstützung sowie auf Servolenkungen vom Steer-by-wire-Typ anwendbar. Servolenkungen vom Steer-by-Wire-Typ besitzen keinen mechanischen Durchgriff vom Lenkrad 2 auf das Lenkgetriebe 20. Dies wäre im Beispiel durch ein Lenksystem, bei dem die untere Lenkwelle 3b nicht vorhanden ist, gegeben, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Die Zahnstange 6 kann dann auch als Schubstange ohne Verzahnung ausgebildet sein, die im Beispiel entsprechend 3 ausschließlich über den Stellantrieb 5 verschoben wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Regeleinheit 9 der elektromechanischen Hilfskraftlenkung aus 1 oder 3. Der von einem Fahrer am Lenkrad 2 aufgebrachte Lenkwinkel β wird in dem Lenksensor 10 gemessen. Daraus wird in einer Signalverarbeitungseinheit 24 eine Sollposition Xd bestimmt. Die ermittelte Sollposition Xd sowie eine Ist-Position der Zahnstange 6 oder des Verschwenkwinkels des Rades 8 als Ist-Wert X wird an die Regeleinheit übermittelt. Als mögliche weitere Eingangsgrößen sind im Beispiel die Fahrzeuggeschwindigkeit V und/oder das am Lenkrad aufgebrachte Drehmoment T_TS und/oder weitere gemessene oder berechnete Größen 22 vorgesehen. Nach einer Vorverarbeitung 11 der Eingangsgrößen kommt die Regelungsstrecke 12, die schließlich in einer Ausgangsgröße 23 resultiert. Nach einer Nachbearbeitung 13 stellt die Ausgangsgröße eine Sollgröße, das Stelldrehmoment T1 des Elektromotors dar. Bei der erfindungsgemäßen Regelung wird ein jeweiliges Stelldrehmoment T1 des Elektromotors zu einem jeweiligen Zeitpunkt bestimmt. Auf Basis dieses Stelldrehmoments T1 wird dann in bekannter Weise im Elektroantrieb (PWM) 14 ein jeweiliger Sollstrom I bestimmt, der dem Elektromotor 15, der das Drehmoment aufbringt, zugeführt wird. Es können parallel zur Regelstrecke spezielle Verarbeitungsschritte 16 vorgesehen sein, die auch Auswirkungen auf das Stelldrehmoment T1 haben können.
Das Stelldrehmoment T1 wird in der Regelstrecke auf Basis der erreichten Änderung der Positionsabweichung (ΔX – ΔX|₀) und auf Basis der zweiten zeitlichen Ableitung der Soll-Position, der Stellbeschleunigung bestimmt.
Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn die zeitliche Ableitung der Ist-Position dX / dt und/oder die zweite zeitliche Ableitung der Soll-Position d²Xd / dt², zur Berechnung des Stelldrehmoments T1 genutzt wird.
Weiterhin verbessert werden kann die Regelung, wenn zusätzlich die integrale Stelländerung und noch weiter die bereits verrichtete Lenkarbeit sowie die Schwankung in Form der zeitlichen Integration der Stellrichtung mit in die Bestimmung des Stelldrehmoments T1 einbezogen wird.
In der dargestellten Ausführungsform berechnet sich das Stelldrehmoment des Elektromotors T1 aus der Summe T1 = 1 / UV·{P + I1 + I2 + D1 + D2 + DD + S) von:

• Proportionalteil (P): P = μ·a1·K1·(ΔX – ΔX|₀) Produkt aus der erreichten Änderung der Positionsabweichung multipliziert mit einem konstanten ersten Faktor K1;
• Doppeldifferentialanteil (DD): DD = U2· d²Xd / dt²·F2 Produkt aus der zweiten zeitlichen Änderung der Sollposition Xd und einem zweiten Faktor F2, der konstant oder durch eine Funktion dargestellt ist. Dieser Term DD entspricht der Stellbeschleunigung;
• erster Integralanteil (I1): I1 = μ·a1·η·a2·K1·∫ t / t0(ΔX|_τ)dτ zeitliches Integral aus der Stellpositionsabweichung, multipliziert mit dem konstanten ersten Faktor K1 und multipliziert mit zwei Konstanten μ·a1 und η·a2, dieser Term entspricht der momentan verrichteten Stellarbeit;
• zweiter Integralanteil (I2): I2 = a2·K1·∫ t / t0d(ΔX|_τ)/dtdτ zeitliches Integral aus der zeitlichen Änderung der Stellpositionsabweichung, die mit dem konstanten ersten Faktor K1 und mit der zweiten Konstante a2 multipliziert wird, dieser Term dient als Maß für die aufgelaufenen Schwankungen bzw. Änderungen der Stellpositionsabweichung;
• erster Differentialanteil (D1): D1 = K1· d(ΔX – ΔX|₀) / dt Produkt aus der zeitlichen Änderung der erreichten Stelländerung multipliziert mit dem ersten konstanten Faktor K1;
• zweiter Differentialanteil (D2): D2 = U1· dX / dt·F1 Produkt aus der zeitlichen Änderung der Position multipliziert mit dem ersten Faktor F1, der konstant oder durch eine Funktion dargestellt ist, und multipliziert mit der ersten Konstante U1. Dieser Term entspricht der Stellgeschwindigkeit;
• Integrale Schwankung der Stellrichtung (S):
Integral aus der Summe der integrierten Richtung der Geschwindigkeit der Stellpositionsabweichung und der Stellpositionsabweichung. Dieser Term entspricht der Verluste im Regelsystem, insbesondere der Reibung.

Die Kurzzeichen in den Formeln und in der Beschreibung sind entsprechend den folgenden Angaben definiert:
X = Ist-Position
Xd = Sollposition
ΔX|_τ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt τ
ΔX|₀ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt t = t0
UV = Übersetzungsverhältnis-Reglerverstärkung

K1, a1, a2, β1 = Tuning-Parameter
ω1, ω2, ω3 = Kreisfrequenzwerte (bevorzugt ω1 = 3/s, ω2 = 1/s, ω3 = 2/s, wobei ”s” für die Maßeinheit Sekunde steht.)
U1, U2, q1, q2 = Wichtungsfaktoren. Dabei sind die Tuning-Parameter und die Kreisfrequenzwerte und die Wichtungsfaktoren bevorzugt alle ungleich Null.
Ausgangspunkt der besonders bevorzugten Ausführungsform dieser Reglung ist der Stabilitätssatz von Ljapunow. Der Ljapunow-Ansatz sagt aus, dass ein System dadurch stabil wird, dass dem System ständig Energie entzogen wird. Im Falle eines passiven Systems erfolgt dieser Entzug von Energie normalerweise durch Reibung. Entsprechend dem Ljapunow-Ansatz wird hier der Stellgröße der Term S aufgeprägt. Der Term S entspricht einer künstlich erzeugten Reibung, die gemäß dem Stabilitätssatz von Ljapunow äußeren Destabilisierungseinflüssen entgegen wirkt.
S kann als Maß für die Güte der Regelung verwendet werden. Wenn das Vorzeichen andauernd wechselt, ist der Regler nicht genau genug ausgelegt. Die Parameter, wie die Konstanten und Faktoren, können dann entsprechend adaptiert werden. Dies kann im Regler automatisch erfolgen. Mit der automatischen Adaption kann eine Anpassung an das jeweilige Fahrzeug und besonders an den jeweiligen Fahrer erreicht werden. Zur Erhöhung der Systemdynamik werden die Faktoren F1 und F2 durch Funktionen gebildet.
In einer ersten Ausführungsform sind F1 und F2 wie folgt bestimmt:
F1 = sin(ω1·t), F2 = cos(ω3·t).
In einer zweiten Ausführungsform sind F1 und F2 durch
F1 = sin(ω1·t) + λ·|ΔX|·[sin(ω2·t)] und F2 = cos(ω3·t) + λ·|ΔX|·[cos(ω2·t)]
bestimmt, wobei λ ein weiterer Wichtungsfaktor ist.
Und in einer bevorzugten Ausführungsform sind F1 und F2 gegeben durch:
F1 = sin(ω1·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + sin(ω2·t)] und
F2 = cos(ω3·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + cos(ω2·t)].
Es ist dabei denkbar und möglich, die sin-Funktion in F1 durch eine cos-Funktion auszutauschen und gleichzeitig die cos-Funktion in F2 durch eine sin-Funktion auszutauschen.
Weiter ist es denkbar und möglich für F1 und/oder F2 eine beliebige Kombination der zuvor genannten Funktionen für F1 und F2 im Regler einzusetzen. Insbesondere kann für F1 eine konstante Größe oder eine der zuvor genannten Funktion und für F2 ebenfalls eine konstante Größe oder eine der zuvor genannten Funktionen im Regler eingesetzt werden.
Die Funktionen F1 und F2 prägen der Sollgröße eine sinusförmige bzw. cosinusförmige Anregung, sowie im Fall der bevorzugten Ausführungsform ein exponentielles Abklingen auf. Dadurch kann der Ansatz „Persistence of excitation” (Erhaltung der Erregung) verfolgt werden.
Die Zeit t wird in der Regelung von t auf t0 zurückgesetzt, wenn das Auto gestartet wird oder wenn beispielsweise die Stellgröße Null ist. Die Zeit t kann auch bei jedem Beginn der Bewegung des Kraftfahrzeugs nach einem Anhalten von t auf t0 zurückgesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich ein zweiter Doppeldifferentialanteil DD2 eingesetzt werden: DD2 = U3· d²X / dt²·F2, wobei U3 ein weiterer Wichtungsfaktor ist.
Die Stellgröße T1 berechnet sich dann zu: T1 = 1 / UV·{P + DD + I1 + I2 + D1 + D2 + S + DD2).
Zusätzlich können in den Ausführungsformen noch weitere spezielle Verarbeitungen von Drehmoment, Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkwinkelgeschwindigkeit und weiteren Größen vorgesehen sein, beispielsweise für Sicherheitsfunktionen oder andere Spezialfunktionen die in der Vorverarbeitung 11 oder in den speziellen Verarbeitungsschritten 16 eine Rolle spielen. Es ist auch denkbar und möglich, die Tuning-Parameter auf Basis weiterer Messgrößen oder berechneten Größen, wie beispielsweise von Drehmoment und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Lenkwinkel und/oder Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder anderen Größen zu variieren.
Es ist selbstverständlich, dass zur Berechnung der Stellgröße T1 durch den Regler nicht sämtliche der aufgezählten Terme berücksichtigt werden müssen. Wie zuvor bereits beschrieben, können die genannten Terme einzeln oder in verschiedensten Kombinationen berücksichtigt werden. So hat sich im Rahmen der Entwicklung gezeigt, dass der Term S zur Darstellung der Regelung nicht stets erforderlich ist. Je nach Komplexität des zu regelnden Systems können bereits Verbesserungen des Regelverhaltens gegenüber dem Stand der Technik auf Basis des in Patentanspruch 1 dargestellten Regelverfahrens erreicht werden. Durch die Hinzunahme von weiteren Termen, wie sie in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert sind, kann das Regelverhalten jeweils verbessert und an mehr komplexe Systeme angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer elektromechanischen Servolenkung für ein Kraftfahrzeug weist auch bei Linearitätsabweichungen oder zeitabhängigen Störungen des Systems eine sehr hohe Regelgenauigkeit des elektrischen Antriebs mit sehr geringen Überschwingungen auf. Obwohl die Regelung nur Obergrenzen für die Parameter und keine exakten Werte verarbeitet, wird eine hohe Präzision der Stellgröße des elektrischen Antriebs durch die erfindungsgemäße Regelung erreicht.

Claims

Verfahren zur Regelung eines elektrischen Stellantriebs, bei dem von einer Steuerung – eine Stellgröße T1 eines Stellmotors bestimmt wird, – um ausgehend von einer Ist-Position X als Zustandsgröße – eine Sollposition Xd als Sollposition zu erreichen, und bei dem – auf Basis der Stellgröße T1 ein Stellwert des elektrischen Stellantriebs berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung der zweiten zeitlichen Ableitung der Soll-Position d²Xd/dt² und einer erreichten Stelländerung ΔX|_τ – ΔX|₀ berechnet wird, wobei ΔX|_τ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt τ und ΔX|₀ = Differenz Soll-Ist-Position zum Zeitpunkt t = t0 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung der zeitlichen Ableitung der Ist-Position dX/dt berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors unter Verwendung des zeitlichen Integrals der Abweichung ΔX zwischen der Soll-Position Xd und der Ist-Position X entsprechend ∫ t / t0(ΔX|_τ)dτ berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 berechnet wird als T1 = 1 / UV·{Y}, wobei Y eine Summe ist und die Summanden P = μ·a1·K1·(ΔX – ΔX|₀) und DD = U2· d²Xd / dt²·F2 aufweist, und wobei die Variablen wie folgt definiert sind: UV = Übersetzungsverhältnis oder Reglerverstärkung, K1, a1 = Tuning-Parameter, F2 = Wichtungsfunktion, U2 = Wichtungsfaktor, μ = Wichtungsfaktor.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe X den Summanden I1 = μ·a1·η·a2·K1·∫ t / t0(ΔX|_τ)dτ aufweist, wobei die Variable a2 ein Tuning-Parameter ist und η ein Wichtungsfaktor ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe Y die Summanden D1 = K1· d(ΔX – ΔX|₀) / dt und/oder D2 = U1· dX / dt·F1 aufweist, wobei U1 ein Wichtungsfaktor und F1 eine Wichtungsfunktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe Y den Summanden I2 = a2·K1·∫ t / t0d(ΔX|τ)/dtdτ aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe Y den Summanden

aufweist, wobei β1 ein Tuning-Parameter ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe Y den Summanden DD2 = U3· d²X / dt²·F2 aufweist, wobei U3 ein weiterer Wichtungsfaktor und F2 eine weitere Wichtungsfunktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 des Stellmotors berechnet wird als T1 = 1 / UV·{Y} mit Y = P + DD + I1 + D1 + D2 + I2 + S.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass F1 und/oder F2 eine konstante Funktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass F1 und/oder F2 durch cos(ω3·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + cos(ω2·t)] bestimmt ist, wobei λ, q1 und q2 weitere Wichtungsfaktoren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass F1 und/oder F2 durch sin(ω3·t) + λ·|ΔX|·[e^{(–q1·(t-t0)-q2·|ΔX|)} + sin(ω2·t)] bestimmt ist, wobei λ, q1 und q2 weitere Wichtungsfaktoren sind.
Verfahren zur Regelung einer Kraftfahrzeuglenkung mit elektrischem Hilfsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße des Stellantriebs X die Position einer Zahnstange (6) und/oder ein Verschwenkungswinkel eines Rades ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb ein Elektromotor ist, der ein Antriebsmoment mittels eines Kugelgewindetriebs auf die Zahnstange überträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße T1 das von dem Stellmotor abgegebene Drehmoment ist, wobei auf Basis der Stellgröße T1 ein Sollstromwert und/oder ein Sollspannungswert bestimmt wird, der dem Stellmotor zugeführt wird.
Elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einem Regler, wobei der Regler dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.