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Stand der Technik
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Die beanspruchte Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems und ein Lenksystem.
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Es ist bekannt, dass die Regelstrecke für eine Zahnstangenpositionsregelung hochgradig nichtlinear ist. Die angreifenden Gegenkräfte ändern sich stark abhängig von der aktuellen Fahrsituation. Beispielsweise ist die Reibung der Räder im Stand am höchsten und nimmt mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Auch kann die Konstruktion der Achse einen Verlauf von Gegenkräften stark beeinflussen. Darüber hinaus wird ausgehend von dem Lenkrad und der Lenksäule eine Gegenkraft und eine Trägheit in das Lenksystem eingebracht und wechselwirken mit der Achse. Folglich sind heutige Zahnstangenpositionsregler als Kompromiss für alle Betriebspunkte ausgelegt.
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Ein derartiges Lenksystem mit einem Zahnstangenpositionsregler ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 026 147 A1 bekannt, wobei das Lenksystem als Steer-by-Wire-Lenksystem ausgebildet ist. Dabei wird mittels eines Reglers in Abhängigkeit von einer Soll-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von einer Ist-Zahnstangenposition ein Unterstützungsmoment für einen Lenkmotor ermittelt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2015 006 491 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei mittels eines Reglers und unter Berücksichtigung einer Fahrzeuggeschwindigkeit ein Unterstützungsmoment für einen Elektromotor ermittelt wird, und wobei dem Regler wenigstens eine Soll-Zahnstangenposition und eine Ist-Zahnstangenposition zugeführt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems nach dem Anspruch 1 und ein Lenksystem nach einem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Verfahren umfasst: Ermitteln eines ersten Moments in Abhängigkeit von einer Soll-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von einer Ist-Zahnstangenposition mittels eines Reglers, Ermitteln eines zweiten Moments in Abhängigkeit von der Soll-Zahnstangenposition, in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit mittels einer Vorsteuerung, Ermitteln eines Unterstützungsmoments in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Moment, und Einbringen des Unterstützungsmoments in ein Lenkgetriebe des Lenksystems.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die Auslegung des Reglers deutlich vereinfacht und die Kombination aus Regelung und Vorsteuerung kann in allen Betriebspunkten eine hohe Performance des Reglers gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines ersten Teilmoments des zweiten Moments in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit. Auf diese Art und Weise werden Gegenkräfte im Sinne des ersten Teilmoments vorgesteuert, welche in einer statischen Situation, d. h. bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit und konstanter Zahnstangenposition, wirken.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines zweiten Teilmoments des zweiten Moments in Abhängigkeit von einer Ist-Zahnstangengeschwindigkeit oder einer Soll-Zahnstangengeschwindigkeit und in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Durch die Berücksichtigung der Zahnstangengeschwindigkeit ist es unter Zuhilfenahme der Fahrzeuggeschwindigkeit möglich, die Reibung zwischen Reifen und Straße bei der Vorsteuerung zu berücksichtigen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines dritten Teilmoments des zweiten Moments in Abhängigkeit von einem Produkt einer Ist-Zahnstangenbeschleunigung oder einer Soll-Zahnstangenbeschleunigung mit einem vorermittelten, insbesondere vorab ermittelten, ersten Faktor. Durch die Einbeziehung der Zahnstangenbeschleunigung kann eine Trägheit der Hilfskraftlenkung berücksichtigt und kompensiert werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren umfasst: Ermitteln eines vierten Teilmoments des zweiten Moments in Abhängigkeit von einem Produkt eines Ist-Drehstabmoments mit einem vorermittelten, insbesondere vorab ermittelten, zweiten Faktor. Durch eine Einbeziehung des Ist-Drehstabmoments werden eine Trägheit und Reibung aus der Lenksäule und ausgehend vom Lenkrad berücksichtigt und kompensiert.
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Ein weiterer Aspekt betrifft das Lenksystem, wobei das Lenksystem ein Steuergerät mit einem Regler und einer Vorsteuerung, eine Antriebseinheit und ein Lenkgetriebe umfasst. Mittels des Reglers ist ein erstes Moment in Abhängigkeit von einer Soll-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von einer Ist-Zahnstangenposition eines Positionssensors ermittelbar. Mittels der Vorsteuerung ist ein zweites Moment in Abhängigkeit von der Soll-Zahnstangenposition, in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition und in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit eines Geschwindigkeitssensors ermittelbar. Ein Unterstützungsmoment ist in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Moment ermittelbar. Das Unterstützungsmoment ist mithilfe der Antriebseinheit in das Lenkgetriebe des Lenksystems einbringbar.
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Weiter Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Lenksystem in schematischer Form; und
- 2-11 jeweils ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Lenksystems.
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1 zeigt in schematischer Form ein Lenksystem 2 mit einer Hilfskraftlenkung 4. Des Weiteren kann das Lenksystem 2 wie gezeigt auch eine Überlagerungslenkung 6 umfassen. Das Lenksystem 2 weist ein Lenkgetriebe 8 auf, das beispielsweise als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildet ist. In dieser Beschreibung wird überwiegend von einer Zahnstangenlenkung ausgegangen, wobei das Lenkgetriebe ein Ritzel 10 und eine Zahnstange 12 umfasst. Das Lenkgetriebe 8 ist über das Ritzel 10 und die Zahnstange 12 auf jeder Fahrzeugseite mit einem Lenkgestänge 14 verbunden, das jeweils mit einem Rad 16 zusammenwirkt. Grundsätzlich stellt das Lenksystem 2 eine von einer Vielzahl möglicher Ausführungsformen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen dar. Beispielsweise kann sich eine Antriebseinheit auch an der Lenksäule befinden. Andere Ausführungsformen können somit durch andere Lenkgetriebe oder durch eine andere Anordnung von Antrieben ausgeführt sein. Insbesondere ist das Lenksystem 2 in einer Ausführungsform ein Steer-By-Wire Lenksystem. Ferner können weitere Sensoren in dem Lenksystem angeordnet sein, auf deren Anordnung und Ausführung an dieser Stelle nicht eingegangen wird.
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An einem Drehstab 18 ist ein Lenkmittel 20, beispielsweise ein Lenkrad angeordnet. Mittels der Überlagerungslenkung 6 kann der vom Fahrzeugführer aufgebrachte Lenkmittelwinkel in einem Normalbetrieb des Lenksystems 2 hin zum Lenkgetriebe 8 vergrößert oder verkleinert werden. Diese Lenkwinkeldifferenz, die von der Überlagerungslenkung 6 in das Lenkgetriebe 8 eingebracht wird, wird auch als Zusatzlenkwinkel bezeichnet. Selbstverständlich kann anstatt eines Drehstabes 26 auch eine Lenksäule zwischen dem Lenkmittel 28 und der Überlagerungslenkung 6 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform ist der Drehstab zwischen der Überlagerungslenkung 6 und der Hilfskraftlenkung 4 angeordnet.
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Die Hilfskraftlenkung 4 umfasst einen Motor, der auch als Antriebseinheit 22 bezeichenbar ist, und ein Getriebe 24. Ein Steuergerät 26 ist der Hilfskraftlenkung 4 zugeordnet. Die Antriebseinheit 22 wirkt über das Getriebe 24 auf die Zahnstange 12. Das Steuergerät 26 weist einen Mikroprozessor 28 auf, der über eine Datenleitung mit einem Speicherelement 30 verbunden ist. Der Mikroprozessor 28 ist auch als digitales Rechengerät bezeichenbar, auf dem die hier beschriebenen Verfahren ausgeführt werden können. Das Speicherelement 30 ist auch als Speichermedium bezeichenbar. Auf dem Speicherelement 30 kann ein auf dem Mikroprozessor 28 auszuführendes Computerprogramm abgespeichert sein.
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Dem Steuergerät 26 wird ein von einem Sensor 32 ermitteltes Drehstabmoment 34 zugeführt. In Abhängigkeit von dem zugeführten Drehstabmoment 34 ermittelt das Steuergerät 26 ein Unterstützungsmoment 36, welches einen Sollwert für ein einzubringendes Unterstützungsmoment darstellt und beispielsweise entsprechend umgewandelt als Stellgröße der Antriebseinheit 22 zugeführt wird.
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Die Hilfskraftlenkung 4 umfasst einen Positionssensor 38, welcher eine Ist-Zahnstangenposition 40 ermittelt und diese dem Steuergerät 26 zugeführt. Des Weiteren umfasst das Kraftfahrzeug einen Geschwindigkeitssensor 42, welcher eine Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 ermittelt und diese dem Steuergerät 26 zugeführt. Alternativ kann die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 auch von einem weiteren Steuergerät dem Steuergerät 26 zugeführt werden.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Lenksystems. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst die Antriebseinheit 22 sowie den Positionssensor 38 und den Geschwindigkeitssensor 42. Ein Block 202 ermittelt eine Soll-Zahnstangenposition 41. An einer Additionsstelle 204 wird eine Regeldifferenz 206 in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition 40 und in Abhängigkeit von Soll-Zahnstangenposition 41 ermittelt. Die Regeldifferenz 206 wird einem Regler 208 zugeführt, welcher ein erstes Moment 36_1 ermittelt.
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Eine Vorsteuerung 210 ermittelt ein zweites Moment 36_2 in Abhängigkeit von der Soll-Zahnstangenposition 41, in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition 40 und in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44. Das Unterstützungsmoment 36 wird in Abhängigkeit von der Summe des ersten und des zweiten Moments 36_1, 36_2 ermittelt, wobei die Summe durch die Additionsstelle 212 gebildet wird. Das Unterstützungsmoment 36 wird der Antriebseinheit 22 als Signal zugeführt, um das Unterstützungsmoment 36 als physikalische Größe in das Lenkgetriebe einzubringen.
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3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Ermittlung des zweiten Moments 36_2. Ein erster Block 310 ermittelt ein erstes Teilmoment 36_2_a des zweiten Moments 36_2. Der erste Block 310 dient zur Vorsteuerung und Ermittlung von Kompensationskräften, die Kräften entgegenwirken, welche in einer statischen Situation vorliegen. Die statische Situation umfasst eine im Wesentlichen konstante Fahrzeuggeschwindigkeit und eine im Wesentlichen konstante Zahnstangenposition. Vorgenannte Kräfte können beispielsweise durch Querkräfte bei einer Kurvenfahrt, eine Arbeit der Achse sowie eine Rückstellung der Achsen verursacht sein. Eine Querbeschleunigung und die Fahrzeugmasse sind wesentliche Einflussgrößen auf die Querkraft bei einer Kurvenfahrt. Der Lenkvorgang und die aktuelle Zahnstangenposition beeinflussen eine Hubarbeit der Achse. Die Rückstellung der Achse ergibt sich in Abhängigkeit von Konstruktionsmerkmalen der Achse. Unterschiedliche konstruktive Ausbildungen der Achse bedingen, dass in Abhängigkeit von einer Ist-Zahnstangenposition und Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit unterschiedliche Rückstellkräfte wirken. Die vorgenannten Kräfte können gemeinsam vorgesteuert und/oder kompensiert werden, da eine Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit und der Ist-Zahnstangenposition besteht.
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Ein zweiter Block 320 ermittelt ein zweites Teilmoment 36_2_b des zweiten Moments 36_2. Das zweite Teilmoment 36_2_ist zur Kompensation der Reibung vorgesehen, welche sich mit erhöhter Fahrzeuggeschwindigkeit verringert. Ein dritter Block 330 ermittelt ein drittes Teilmoment 36_2_c des zweiten Moments 36_2. Das dritte Teilmoment 36_2_c ist zur Kompensation einer Masseträgheit der beteiligten mechanischen Komponenten im Bereich der Lenkung und/oder Hilfskraftlenkung vorgesehen. Ein vierter Block 340 ermittelt ein viertes Teilmoment 36_2_d des zweiten Moments 36_2. Das vierte Teilmoment 36_2_d ist zur Kompensation der Trägheit und Reibung ausgehend von der Lenksäule vorgesehen.
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Das zweite Moment 36_2 wird mittels einer Additionsstelle 350 gebildet, welcher die ersten bis vierten Teilmomente 36_2_a bis 36_2_d zugeführt werden. Die ersten bis vierten Teilmomente 36_2_a bis 36_2_d werden in einer nicht gezeigten Ausführungsform gefiltert, wobei ein geeigneter Filter beispielsweise ein Moving Average-Filter oder ein Tiefpass-Filter 1. Ordnung ist.
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4 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 310 aus 3. Ein Kennfeld 400 ermittelt das erste Teilmoment 36_2_a in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 und in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition 40. Das Kennfeld 401 liegt beispielsweise in vorab applizierter Form vor. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt des Kennfeldes 400 eine Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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5 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 310 aus 3. Alternativ zu dem Kennfeld 400 aus 4 wird mithilfe einer ersten Kennlinie 500 ein Teilmoment 536 in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition 40 ermittelt. Mithilfe einer zweiten Kennlinie 502 wird ein Faktor 538 in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 ermittelt. Der Faktor 538 entspricht somit einem vorermittelten Faktor. Das erste Teilmoment 36_2_a ist gemäß einem Block 504 das Produkt aus dem Teilmoment 536 und dem Faktor 538. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt der Kennlinien 500, 502 eine jeweilige Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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6 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 310 aus 3. Mithilfe einer Kennlinie 600 wird ein maximales Moment 36_2_max in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 ermittelt. Mithilfe einer Kennlinie 602 wird die zu dem maximalen Moment 36_2_max passende Zahnstangenposition 40_36 ermittelt. Ein Block 604 ermittelt das erste Teilmoment 36_2_a in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition 40, in Abhängigkeit von dem maximalen Moment 36_2_max und der dazu passenden Zahnstangenposition 40_36. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt der Kennlinien 600, 602 eine jeweilige Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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Der Block 604 interpoliert die Gegenkraft beispielsweise in folgender Weise. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 30km/h beträgt die maximale Gegenkraft 2000N. Die Zahnstangenposition, an der 2000N wirken, beträgt 50mm. Ist die aktuelle Zahnstangenposition 25 mm ergeben sich 1000 N = (25mm/50mm) * 2000N. Ist die aktuelle Zahnstangenposition größer oder gleich 50mm, so ergeben sich 2000 N als Gegenkraft.
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7 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 320 aus 3. Mithilfe eines Kennfeldes 700 wird das zweite Teilmoment 36_2_b in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 und in Abhängigkeit von einer Zahnstangengeschwindigkeit 702 ermittelt. Hierdurch wird eine Kompensationskraft im Sinne des zweiten Teilmoments 36_2_b ermittelt, die die Reibung zwischen Reifen und Straße abbildet. Mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt die Reibung zwischen Reifen und Straße ab. Mit steigender Zahnstangengeschwindigkeit steigt die Reibung. Die Zahnstangengeschwindigkeit 702 kann als Ist-Wert oder als Soll-Wert vorliegen und in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition oder in Abhängigkeit von der Soll-Zahnstangenposition ermittelt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt des Kennfeldes 700 eine Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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8 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 320 aus 3. Aus der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 wird mithilfe einer Kennlinie 800 ein Skalierungsfaktor 802 ermittelt. Der Skalierungsfaktor 802 entspricht somit einem vorermittelten Faktor. In Abhängigkeit von der Zahnstangengeschwindigkeit 702 wird mittels einer Kennlinie 804 ein Teilmoment 806 ermittelt, welches gemäß einer Multiplikationsstelle 808 mit dem Skalierungsfaktor 802 multipliziert wird, woraus sich das zweite Teilmoment 36_2_b ergibt. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt der Kennlinien 800 802 eine Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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9 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 320 aus 3. Mithilfe einer Kennlinie 900 wird in Abhängigkeit von der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 44 ein Teilmoment 902 ermittelt. In Abhängigkeit von der Zahnstangengeschwindigkeit 702 wird mithilfe einer Kennlinie 904 ein Skalierungsfaktor 906 ermittelt. Der Skalierungsfaktor 906 entspricht somit einem vorermittelten Faktor.Gemäß der Multiplikationsstelle 908 wird das zweite Teilmoment 36_2_b in Abhängigkeit von den Teilmoment 902 und dem Skalierungsfaktor 906 ermittelt. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt der Kennlinie 900 eine Rechenvorschrift - beispielsweise ein Polynom - verwendet.
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10 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 330 aus 3. Das dritte Teilmoment 36_2_c ergibt sich gemäß einer Multiplikationsstelle 1002 aus einer Multiplikation einer Zahnstangenbeschleunigung 1004 mit einem Trägheitsfaktor 1006. Der Trägheitsfaktor 1006 entspricht somit einem vorermittelten Faktor. Die Zahnstangenbeschleunigung 1004 wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Ist-Zahnstangenposition oder der Soll-Zahnstangenposition ermittelt.
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11 zeigt eine Ausführungsform des Blocks 340 aus 3. Das vierte Teilmoment 36_2_d ergibt sich gemäß einer Stelle 1002 aus einer Multiplikation des Ist-Drehstabmoments 34 mit einem Skalierungsfaktor 1104. Der Skalierungsfaktor 1104 entspricht somit einem vorermittelten Faktor.
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Zur Reduzierung von Lenkraddrehschwingungen wird das vierte Teilmoment 36_2_d in nicht gezeigter Form mit -1 multipliziert, d. h. das Vorzeichen verdreht. Damit wird eine Verstärkung anstatt einer Kompensation erreicht. Folglich wird die Zahnstange in ihrer Beschleunigung gehemmt und die unerwünschten Drehschwingungen werden reduziert und somit die Leistung des Reglers verbessert.
