DE102017121952A1

DE102017121952A1 - Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem sowie Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017121952A1
Application number: DE102017121952.8A
Authority: DE
Inventors: Emad Farshizadeh; Arno Lüngen
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-21
Also published as: WO2019057905A1; US20200290671A1; CN111094109B; US11668615B2; CN111094109A

Abstract

Ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem (10) ist beschrieben, das eine Lenksäule (16, 18) und eine elektromechanische Lenkunterstützung (24) umfasst, wobei wenigstens eine Größe des Lenkungssystems (10) erfasst wird. Wenigstens ein Teil (20) des Lenkungssystems (10) wird mittels eines mathematischen Zustandsraummodells modelliert, das zumindest die Größe umfasst. Wenigstens eine Störgröße im Lenkungssystem (10) wird mittels eines Kalman-Filters abgeschätzt, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kalman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems (10) verwendet, um die Störgröße abzuschätzen. Ferner ist ein Lenkungssystem (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen an Lenkungssystemen sowie ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Lenkungssystem mit einer elektromechanischen Lenkunterstützung aufweisen, wobei die elektromechanische Lenkunterstützung ein Drehmoment bereitstellen kann, um so die Lenkbewegung des Fahrzeugführers des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Eine elektromechanische Lenkunterstützung kann als eine Servolenkung ausgebildet sein.
Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Lenkungssystems, treten Störungen auf, die dem Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs ein ungewünschtes Lenkgefühl vermitteln, da unerwünschte Lenkanregungen auftreten, beispielsweise seitens der Straße über die Räder, reibungsbasierte Störungen der elektromechanischen Lenkunterstützung, insbesondere des verwendeten Motors, und/oder reibungsbasierte Störungen des Lenkungssystems im Allgemeinen, beispielsweise des verwendeten Lenkgetriebes. Diese Störgrößen können im Stand der Technik entweder gar nicht oder nur mit sehr großem Aufwand (durch entsprechend viele Sensoren) erfasst werden. Beispielsweise lassen sich die reibungsbedingten Störgrößen sowohl antriebs- als auch abtriebsseitig nicht über Sensoren erfassen.
Als nachteilig hat sich hierbei herausgestellt, dass die Erfassung und Kompensation der Störgrößen nur teilweise möglich ist und zudem die Kosten für die Kompensation der erfassbaren Störgrößen hoch sind, da unter anderem sehr viele Sensoren verwendet werden müssen, um die unterschiedlichen Störeinflüsse zu detektieren.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen bereitzustellen, mit denen sich die Störgrößen leicht und kostengünstig erfassen lassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem gelöst, wobei das Lenkungssystem eine Lenksäule und eine elektromechanische Lenkunterstützung umfasst, mit den folgenden Schritten:

- Erfassen wenigstens einer Größe des Lenkungssystems,
- Modellieren wenigstens eines Teils des Lenkungssystems mittels eines mathematischen Zustandsraummodells, das zumindest die Größe umfasst, und
- Abschätzen von wenigstens einer Störgröße im Lenkungssystem mittels eines Kalman-Filters, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kalman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems verwendet, um die Störgröße abzuschätzen.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die auf das Lenkungssystem wirkenden Störgrößen über das mathematische Zustandsraummodell abgeschätzt werden, sodass diese nicht von einem Sensor direkt erfasst werden müssen, was ohnehin nicht für alle Störgrößen möglich ist. Hierdurch können die entsprechenden Kosten für die zahlreichen Sensoren eingespart werden und gleichzeitig eine genauere Gesamtstörung ermittelt werden, da Störgrößen abgeschätzt werden, die von Sensoren nicht erfassbar sind. Insofern lassen sich die auf das Lenkungssystem wirkenden Störgrößen genauer ermitteln.
Ein Aspekt sieht vor, dass die wenigstens eine abgeschätzte Störgröße von einer Kompensationseinheit verwendet wird, um die der Störgröße entsprechende Störung mittels einer Kompensationsgröße zu kompensieren. Hierdurch ist es möglich, dass die unerwünschten Lenkanregungen, die mit der Störgröße einhergehen, entsprechend aktiv kompensiert werden, sodass für den Fahrzeugführer ein verbessertes Lenkgefühl gegeben ist. Die ansonsten auftretenden unerwünschten Lenkanregungen werden entsprechend eliminiert, sodass sie vom Fahrzeugführer nicht mehr wahrgenommen werden können. Der Bedienungskomfort steigert sich aufgrund des verbesserten Fahrgefühls entsprechend. Zudem kann hierdurch die Sicherheit erhöht werden, da sich beispielsweise eine Störung kompensieren lässt, die zu einem Wegreißen des Lenkrads führen würde, sofern ein Schlagloch oder ähnliches überfahren wird.
Insbesondere ist die Kompensationsgröße ein zusätzliches Drehmoment, das von der elektromechanischen Lenkunterstützung bereitgestellt wird, um die der Störgröße entsprechende Störung zu kompensieren. Folglich wird ein zusätzliches Drehmoment bereitgestellt, das die entsprechenden abgeschätzten Störungen kompensiert, insbesondere die der Störung entsprechende Störgröße. Das zusätzliche Drehmoment kann von der elektromechanischen Lenkunterstützung entsprechend bereitgestellt werden, die ohnehin vorhanden ist, sodass keine zusätzlichen Komponenten benötigt werden, um die auftretenden unerwünschten Lenkanregungen wirkungsvoll zu kompensieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Kompensationseinheit frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder, die einstellbar sind, um bei der Kompensation der abgeschätzten Störgrößen gleichzeitig ein gewünschtes Lenkgefühl zu erzeugen. Dementsprechend lassen sich zustandsabhängige Kompensationsgrößen ermitteln, die über die entsprechend einstellbaren Filter bzw. Kennfelder berechnet werden.
Insbesondere wird zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs erfasst und verwendet, um die Kompensationsgröße zu ermitteln. Mithilfe der Messgröße des Kraftfahrzeugs, die ebenfalls über einen Sensor gemessen werden kann, ist es demnach möglich, die Kompensationsgröße in Abhängigkeit der entsprechenden Messgröße des Kraftfahrzeugs einzustellen.
Beispielsweise wird die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs verwendet, um die frequenzabhängigen Filter und/oder Kennfelder einzustellen. Dementsprechend kann die Kompensationseinheit neben der abgeschätzten Störgröße die wenigstens eine Messgröße des Kraftfahrzeugs sowie eine zuvor gemessene Messgröße des Lenkungssystems verwenden, um die Kompensationsgröße zu ermitteln.
Insbesondere ist die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Lenkungsgröße. Bei der Lenkungsgröße kann es sich um einen Lenkwinkel, eine Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Lenkwinkelbeschleunigung handeln, die entsprechend erfasst wird. Demnach hängt die Lenkungsgröße beispielsweise mit der vom Fahrzeugführer vorgenommenen Lenkbewegung zusammen. Alternativ oder ergänzend wird die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt, um die Filter bzw. Kennfelder einzustellen. Die Kompensationsgröße kann also in Abhängigkeit von der Lenkungsgröße und von der Fahrzeuggeschwindigkeit zusätzlich zur Abhängigkeit von der ermittelten Störgröße bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird mittels des mathematischen Zustandsraummodells ein zumindest die elektromechanische Lenkunterstützung umfassender unterer Teil des Lenkungssystems modelliert. Dieser untere Teil ist ausreichend, um die auftretenden Störgrößen abschätzen zu können, die durch die Straße, reibungsbasierte Störung der elektromechanischen Lenkunterstützung bzw. des Lenkgetriebes auftreten.
Insbesondere umfasst der untere Teil des Lenkungssystems sämtliche Komponenten des Lenkungssystems, die unterhalb eines der Lenksäule zugeordneten Sensors vorgesehen sind. Dementsprechend lassen sich die Störungen abschätzen, die von der Straße bzw. der entsprechenden Umsetzung herrühren. Insbesondere ist es so möglich, diese Störungen von den Störungen zu unterscheiden, die an der Antriebsseite auftreten.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die wenigstens eine Größe einen Drehwinkel des Lenkungssystems, einen Motordrehwinkel der elektromechanischen Lenkunterstützung, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung und/oder ein Drehmoment der Lenksäule. Diese vier Größen können allesamt in dem mathematischen Zustandsraummodell verwendet werden, um die entsprechenden Störgrößen abzuschätzen. Dabei können die unterschiedlichen Größen als Eingangsgrößen im entsprechenden Zustandsraummodell eines durch den Kalman-Filter gebildeten Beobachters verwendet werden. Bei dem Drehwinkel des Lenkungssystems handelt es sich beispielsweise um einen Drehwinkel eines unteren Bereichs des Lenkungssystems, der unterhalb eines im Lenkungssystem vorgesehenen Torsionsstabs gemessen wird. Generell kann es sich bei dem Drehwinkel des Lenkungssystems um den Drehwinkel der Lenksäule handeln.
Die Größen können Messgrößen sein, wie dies beispielsweise beim Drehwinkel des Lenkungssystems und dem Drehmoment der Lenksäule der Fall ist. Ferner können die Größen indirekt aus Messgrößen ermittelt werden, wie dies für das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung der Fall ist. Das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung kann indirekt bestimmt werden, nämlich über die Ströme eines Elektromotors der elektromechanischen Lenkunterstützung. Die als Messgrößen anzusehenden Größen haben allesamt gemein, dass sie über einen entsprechend zugeordneten Sensor, der dem Lenkungssystem zugeordnet ist, gemessen werden, wobei die entsprechenden Sensoren nicht geeignet sind, die abgeschätzten Störgrößen selbst zu ermitteln. Insofern werden keine zusätzlichen Sensoren verwendet, um die Störgrößen bzw. die den Störgrößen zugeordneten Störungen direkt zu erfassen. Vielmehr werden die entsprechenden Störgrößen bzw. Störungen mit Hilfe des Kalman-Filters und der ohnehin vorhandenen Sensoren abgeschätzt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenksäule, einer elektromechanischen Lenkunterstützung, einem der Lenksäule zugeordneten Sensor, der eingerichtet ist, ein Drehmoment und einen Drehwinkel der Lenksäule zu erfassen. Die elektromechanische Lenkunterstützung umfasst einen Motor mit einem Winkellagegeber, der eingerichtet ist, den Motordrehwinkel des Motors zu erfassen. Ferner umfasst das Lenkungssystem einen Regler, der eingerichtet ist, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung zu ermitteln, wobei der Regler ferner eingerichtet ist, eine Störgröße im Lenkungssystem, die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führen kann, mittels eines Kalman-Filters zu ermitteln. Demensprechend ist es mit dem Lenkungssystem möglich, dass die im Lenkungssystem auftretenden, das Lenkgefühl negativ beeinflussenden Störgrößen abgeschätzt werden, ohne einen hierfür zusätzlichen Sensor zu verwenden. Die entsprechenden Störgrößen werden mit Hilfe des Kalman-Filters entsprechend ermittelt bzw. abgeschätzt. Dementsprechend ist ein kostengünstiges Lenkungssystem geschaffen, das dennoch zusätzliche Informationen bei einem kompakten Aufbau bereitstellt, die beispielsweise über Sensoren nicht erfassbar sind.
Insbesondere ist das Lenkungssystem eingerichtet, die Störgröße im Lenkungssystem, die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führt, auch zu kompensieren. Hierdurch wird erreicht, dass der Fahrzeugführer die Störungen nicht mitbekommt. Das Lenkgefühl ist entsprechend verbessert.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenkungssystems eines Kraftfahrzeugs,
- 2 ein physikalisches Ersatzmodell eines unteren Teils des Lenkungssystems von 1,
- 3 ein vereinfachtes physikalisches Ersatzmodell des unteren Teils des Lenkungssystems von 1, und
- 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lenkungssystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht ist.

In 1 ist ein Lenkungssystem 10 eines Kraftfahrzeugs gezeigt, das als ein elektromechanisch unterstütztes Lenkungssystem ausgebildet ist.
Das Lenkungssystem 10 umfasst einen oberen Teil 12, der ein Lenkrad 14, eine erste Lenksäule 16 und zumindest einen Teil einer zweiten Lenksäule 18 umfasst, sowie einen unteren Teil 20, der zumindest einen Teil der zweiten Lenksäule 18, eine Messeinrichtung 22, eine Zahnstange 23 und eine elektromechanische Lenkunterstützung 24 umfasst.
Beaufschlagt der Fahrer das Lenkrad 14 mit einem Drehmoment, so wird dadurch die erste Lenksäule 16 sowie die zweite Lenksäule 18 gedreht, was von der Messeinrichtung 22, die der zweiten Lenksäule 18 zugeordnet ist, entsprechend detektiert wird. Die Messeinrichtung 22 weist hierzu einen sogenannten Drehmoment- und Winkel-Sensor 26 auf, der auch als Torque-Angle-Sensor (TAS) bezeichnet wird. Die Messeinrichtung 22 ist beispielsweise in der zweiten Lenksäule 18 integriert, sodass die zweite Lenksäule 18 einen Eingangsabschnitt und einen entsprechenden Ausgangsabschnitt umfasst, insbesondere wobei die zweite Lenksäule 18 zweiteilig ausgebildet ist.
Der Drehmoment- und Winkel-Sensor 26 umfasst beispielsweise einen Torsionsstab, über den der Winkel und das auftretende Drehmoment der Lenksäule 16, 18 entsprechend erfasst werden kann. Die Erfassung des Winkels kann an einer zum Lenkrad 14 gerichteten Seite des Torsionsstabs oder auf einer zur Zahnstange 23 gerichteten Seite des Torsionsstabs erfolgen.
Die elektromechanische Lenkunterstützung 24 umfasst einen Motor 28 sowie einen Winkellagegeber 30, über den der Motordrehwinkel des Motors 28 erfasst werden kann. Bei dem Motor 28 handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor.
Zudem umfasst das Lenkungssystem 10 einen Regler 32, der mit der Messeinrichtung 22 sowie der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 gekoppelt ist.
Der Regler 32 erhält demnach unter anderem den Drehwinkel der Lenksäule 16, 18 über den Sensor 26, das Drehmoment der Lenksäule 16, 18 über den Sensor 26, den Motordrehwinkel des Motors 28 über den Winkellagegeber 30 sowie das Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 über die entsprechende Stromaufnahme des Motors 28. Bei dem Drehmoment der Lenksäule 16, 18 kann es sich um ein Torsionsstabmoment handeln.
Ferner ist der Regler 32 eingerichtet, ein mathematisches Zustandsraummodell des Beobachters 34 anzuwenden, der insbesondere für den unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 entworfen ist.
Für den Entwurf des Beobachters 34 (Kalman-Filter) wird der untere Teil 20 des Lenkungssystems 10 gemäß dem in 3 gezeigten vereinfachten physikalischen Ersatzmodell modelliert, das auf dem physikalischen Ersatzmodell gemäß 2 basiert, wobei es sich beispielhaft um ein Lenkungssystem 10 mit einem Kugelgewindetrieb handelt. Andere Arten von Lenkungssystemen können jedoch in analoger Weise vorgesehen sein.
In diesem Ersatzmodell wird die elektromechanische Lenkunterstützung 24, insbesondere ihre Komponenten, sowie die mechanischen Bauteile des Lenkungssystems 10, insbesondere die zweite Lenksäule 18 sowie die Zahnstange 23, über entsprechende Massen, Trägheitsmomente, Federn mit Federkonstante, Materialdämpfung mit Dämpfungskonstanten sowie die viskosen Reibungen modelliert.
Konkret wird die elektromechanische Lenkunterstützung 24 über die Trägheitsmomente des Motors (J_motor ), der Riemenscheibe (J_pulley ), der Kugelumlaufmutter (J_ballnut ) und der Kugellager (J_bearing ) abgebildet, wobei für die Lagerreibung des Motors 28 zudem eine viskose Reibung (b_motor ) berücksichtigt wird. Zudem wird die Übersetzung des Riementriebs (i_belt ) sowie die Übersetzung des Kugelgewindetriebs (i_ballnut ) berücksichtigt.
Hinsichtlich des Lenkungssystems 10 wird die Masse der Zahnstange 23 (m_rack ) und die elastische Anbindung der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 an die Zahnstange 23 als Feder (c_gear ) mit der Materialdämpfung (b_gear ) im Zustandsraummodell berücksichtigt. Ebenso geht in das Zustandsraummodell das Trägheitsmoment des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10, also das der zweiten Lenksäule 18 mit Ritzel, (J_pinion ) und die entsprechende Übersetzung (i_pinion ) ein.
Zudem geht aus der 2 hervor, dass bezüglich der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 das Drehmoment der Lenksäule 16, 18 (T_column ), das aufgebrachte Drehmoment (T_assist ) der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie das als Störgröße auftretende Reibungsdrehmoment (T_{friction,motor} ) innerhalb der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 als weitere Eingangsgrößen bzw. Störgrößen einbezogen werden.
Weiterhin werden die von der Straße ausgehende Kraft und auf die Zahnstange 23 wirkende (F_road ) und die Reibungskraft an der Zahnstange 23 (F_{friction,rack} )als Störgrößen in das Zustandsraummodell einbezogen.
Der Drehwinkel (φ_motor ) und die Drehwinkelgeschwindigkeit (Ω_motor ) des Motors 28 der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie der Weg (s_rack ) und die Geschwindigkeit (v_rack ) der Zahnstange 23 werden als Zustandsgrößen in das Zustandsraummodell einbezogen.
Das in 2 gezeigte physikalische Ersatzmodell wird für den Entwurf des Beobachters 34 jedoch vereinfacht, wie in 3 dargestellt.
Dementsprechend werden die verschiedenen Trägheitsmomente der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 zu einem gesamten Trägheitsmoment (J_drive ) der Antriebsseite zusammengefasst. Zudem wird ein gesamtes Reibungsdrehmoment (T_{friction,drive} ) der Antriebsseite herangezogen. Auch wird die Masse der Zahnstange (m_rack ) und das Trägheitsmoment (J_pinion ) der Lenksäule zu einer Gesamtmasse (m_downstream ) auf der Abtriebsseite zusammengefasst.
Ausgehend von dem in 3 dargestellten vereinfachten physikalischen Ersatzmodell des Lenkungssystems 10, insbesondere des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10, lassen sich Gleichungen ableiten, die das mathematische Zustandsraummodell des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10 bilden. Dieses mathematische Zustandsraummodell wird im Folgenden näher erläutert.
Ein Zustand des Lenkungssystems 10 wird mit dem Zustandsraummodell modelliert, wobei unter dem Zustand generell ein minimaler Satz von Variablen $\vec{x}$
zu verstehen ist, der benötigt wird, um das entsprechende System zu beschreiben, also das Lenkungssystem 10. Hier wird der Zustand des Lenkungssystems 10 entsprechend betrachtet. Hieraus ergibt sich für die Zustandsgrößen: $\vec{x} = (\begin{matrix} φ_{d r i v e} \\ Ω_{d r i v e} \\ s_{d o w n s t r e a m} \\ v_{d o w n s t r e a m} \end{matrix})$
Eine Zeitabhängigkeit des entsprechenden Zustands ist im Folgenden nicht explizit dargestellt, jedoch stillschweigend angenommen. Die zeitliche Entwicklung des Zustands des Lenkungssystems 10 ist durch die folgende Gleichung gegeben: $\dot{\vec{x}} = A \vec{x} + B \vec{u} = A \vec{x} + B [{\vec{u}}_{c o n t r o l} {\vec{u}}_{d i s t}]$
Diese Gleichung ist je nachdem, ob eine kontinuierliche Zeitentwicklung oder eine diskrete Zeitentwicklung betrachtet wird, eine Differenzialgleichung bzw. eine Differenzengleichung. Dabei ist ${\vec{u}}_{control} = {[\begin{matrix} T_{assist} & T_{sensor} \end{matrix}]}^{T},$
also das aufgebrachte Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie das von der Messeinrichtung 20 erfasste Drehmoment an der zweiten Lenksäule 18, das sich vom Drehmoment der Lenksäule 16, 18 (T_column ) um den fehlenden Anteil der Materialdämpfung unterscheidet.
Ferner ist ${\vec{u}}_{dist} = {[\begin{matrix} T_{friction,drive} & F_{rack} \end{matrix}]}^{T},$
und umfasst mit T_{friction,drive} das antriebsseitige trockene Reibmoment sowie mit F_rack = F_road + F_{friction,rack} die Summe aus der Kraft, in Folge von Fahrbahnanregungen und die abtriebsseitige trockene Reibkraft.
Dementsprechend stellt ${\vec{u}}_{dist}$
die im unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 auftretenden unbekannten Störungen des Zustands dar.
Die Matrizen A und B beschreiben die Entwicklung des Zustands $\vec{x}$
und sind abhängig von den Größen des mathematischen Zustandsraummodells.
Des Weiteren ergibt sich aus dem mathematischen Zustandsraummodell, dass die gemessenen Motordrehwinkel φ_motor und der Drehwinkel φ_pinion der zweiten Lenksäule 18 sich ebenfalls über den entsprechenden Zustand des Lenkungssystems 10 wie folgt beschreiben lassen:
Dabei beschreibt die Matrix C den Zusammenhang zwischen dem aktuellen Zustand $\vec{x}$
des Lenkungssystems 10 und dem gemessenen Motordrehwinkel (φ_motor sowie dem Drehwinkel φ_pinion der zweiten Lenksäule 18.
Zusammen mit der obenstehenden Gleichung (1) für die zeitliche Entwicklung des Zustands des Lenkungssystems 10 bildet die Gleichung (2) ein lineares Zustandsraummodell für den Zustand des Lenkungssystems 10.
Aus der Bestimmung der entsprechenden Größen, also des Motordrehwinkels der elektromechanischen Lenkunterstützung 24, des Drehwinkels der zweiten Lenksäule 18, dem Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 sowie dem Drehmoment der zweiten Lenksäule 18, kann nicht unmittelbar auf die Zustandsgrößen des Lenkungssystems 10 und die entsprechenden Störgrößen ${\vec{u}}_{dist}$
geschlossen werden.
Vielmehr müssen die Zustandsgrößen des Lenkungssystems 10 und die Störgrößen ${\vec{u}}_{dist}$
abgeschätzt werden.
Zu diesem Zweck wird ein Kalman-Filter herangezogen. Dieser schätzt basierend auf den bestimmten Größen des Lenkungssystems 10 und dem gewählten mathematischen Zustandsraummodell die Zustandsgrößen des Lenkungssystems 10 und die unbekannten Störgrößen des mathematischen Zustandsraummodells ab. Genauer gesagt schätzt der Kalman-Filter die auf den unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 wirkenden Störungen T_{friction,drive} sowie F_rack ab.
Über den Kalman-Filter werden also alle zusätzlich benötigten Größen abgeschätzt, die nötig sind, um die Störgrößen zu ermitteln. Es werden genauer gesagt, alle zur Berechnung der Störgrößen des Lenkungssystems 10 benötigten, nicht gemessenen und alle dazu benötigten, nicht messbaren Größen abgeschätzt.
Anders ausgedrückt basiert das oben beschriebene Verfahren auf dem Beobachter 34 im Sinne der Regelungstechnik, bei dem das Lenkungssystem 10 durch ein mathematisches Zustandsraummodell nachgebildet ist. Dieses mathematische Zustandsraummodell dient als Grundlage für den Entwurf des Beobachters 34, der dem unteren Teil 20 des Lenkungssystems 10 zugeordnet ist. Aus bekannten Eingangs- und Messgrößen ${\vec{u}}_{control}$
bzw. ${\vec{y}}_{meas}$
werden vom Beobachter 34 („unterer Beobachter“), wie oben beschrieben, unbekannte Zustands- und Störgrößen abgeschätzt. Daraus werden die Störgrößen ${\vec{y}}_{dist,obs}$
als Ausgangsgrößen berechnet, die den gesamten auftretenden Störungen entspricht.
Diese abgeschätzten Störgrößen ${\vec{y}}_{dist,obs}$
werden anschließend von einer Kompensationseinheit 36 verwendet, um eine Kompensationsgröße T_dist,reject zu ermitteln, die die Störungen kompensiert, die der Störgrößen ${\vec{y}}_{dist,obs}$
zugeordnet sind.
Hierbei kann der Kompensationseinheit 36 zusätzlich zu der über den Beobachter 34 ermittelten Störgrößen ${\vec{y}}_{dist,obs}$
zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs zugeführt werden, die zur Berechnung der Kompensationsgröße T_dist,reject herangezogen wird. Bei der Messgröße des Kraftfahrzeugs kann es sich um eine fahrdynamische Messgröße (beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit) ${\vec{y}}_{vehicle}$
und/oder eine Lenkungsgröße ${\vec{y}}_{steering}$
handeln, beispielsweise einem aufgebrachten Lenkmoment, einem Lenkwinkel, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Lenkwinkelbeschleunigung.
Die Kompensationseinheit 36 kann frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder umfassen, die einstellbar sind. Die Filter bzw. Kennfelder können dabei von entsprechenden Messgrößen des Kraftfahrzeugs ${\vec{y}}_{vehicle}, {\vec{y}}_{steering}$
abhängig sein, sodass die einstellbaren Filter und/oder Kennfelder entsprechend über die Messgrößen des Kraftfahrzeugs eingestellt werden, um die Kompensationsgröße T_dist,reject in Abhängigkeit von den Messgrößen des Kraftfahrzeugs zu ermitteln.
Über die Kompensationseinheit 36 wird ein zusätzliches Drehmoment berechnet, das die Kompensationsgröße T_dist,reject darstellt, um die der abgeschätzten Störgrößen ${\vec{y}}_{dist,obs}$
entsprechende Störungen zu kompensieren, also das Drehmoment sowie die Kraft an der Zahnstange 23, die das ungewünschte Lenkgefühl erzeugen. Das zusätzliche Drehmoment T_dist,reject wird dabei von der elektromechanischen Lenkunterstützung 24 aufgebracht, sodass die unerwünschten Lenkanregungen, die seitens der Straße, und/oder reibungsbasierten Störungen des unteren Teils 20 des Lenkungssystems 10 auftreten, entsprechend kompensiert werden, wodurch der Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs diese nicht wahrnimmt und ein verbessertes Lenkgefühl hat.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Lenkungssystem 10 ist es möglich, auftretende Störgrößen in einfacher Weise zu ermitteln und zu kompensieren, ohne hierfür zahlreiche Sensoren zu verwenden.

Claims

Verfahren zum Erkennen von Störgrößen in einem Lenkungssystem (10) mit einer Lenksäule (16, 18) und einer elektromechanischen Lenkunterstützung (24), mit den folgenden Schritten: - Erfassen wenigstens einer Größe des Lenkungssystems (10), - Modellieren wenigstens eines Teils (20) des Lenkungssystems (10) mittels eines mathematischen Zustandsraummodells, das zumindest die Größe umfasst, und - Abschätzen von wenigstens einer Störgröße im Lenkungssystem (10) mittels eines Kalman-Filters, die zu unerwünschten Lenkanregungen führt, wobei der Kalman-Filter das Zustandsraummodell des Lenkungssystems (10) verwendet, um die Störgröße abzuschätzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine abgeschätzte Störgröße von einer Kompensationseinheit (36) verwendet wird, um die der Störgröße entsprechende Störung mittels einer Kompensationsgröße zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsgröße ein zusätzliches Drehmoment ist, das von der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) bereitgestellt wird, um die der Störgröße entsprechende Störung zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (36) frequenzabhängige Filter und/oder Kennfelder umfasst, die einstellbar sind, um ein gewünschtes Lenkgefühl zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs erfasst und verwendet wird, um die Kompensationsgröße zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs verwendet wird, um die frequenzabhängigen Filter und/oder Kennfelder einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messgröße des Kraftfahrzeugs eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Lenkungsgröße ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mathematischen Zustandsraummodells ein zumindest die elektromechanische Lenkunterstützung (24) umfassender unterer Teil (20) des Lenkungssystems (10) modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (20) des Lenkungssystems (10) sämtliche Komponenten des Lenkungssystems (10) umfasst, die unterhalb eines der Lenksäule (16, 18) zugeordneten Sensors (26) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Größe einen Drehwinkel des Lenkungssystems (10), einen Motordrehwinkel der elektromechanischen Lenkunterstützung (24), ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) und/oder ein Drehmoment der Lenksäule (16, 18) umfasst.
Lenkungssystem (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenksäule (16, 18), einer elektromechanischen Lenkunterstützung (24), einem der Lenksäule (16, 18) zugeordneten Sensor (26), der eingerichtet ist, ein Drehmoment und einen Drehwinkel der Lenksäule (16, 18) zu erfassen, und einem Regler (32), wobei die elektromechanische Lenkunterstützung (24) einen Motor (28) mit einem Winkellagegeber (30) umfasst, der eingerichtet ist, den Motordrehwinkel des Motors (28) zu erfassen, wobei der Regler (32) eingerichtet ist, ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkunterstützung (24) zu ermitteln, und wobei der Regler (32) femer eingerichtet ist, eine Störgröße im Lenkungssystem (10), die zu einem unerwünschten Lenkgefühl führt, mittels eines Kalman-Filters zu ermitteln.