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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Vorgabewertes für ein Motormoment eines elektrischen Servomotors eines Fahrzeug-Lenksystems an einer angetriebenen Fahrzeug-Achse, welcher Vorgabewert aus einer Vorsteuerungs-Komponente und einer Regler-Komponente zusammengesetzt ist und wobei eine aktive Rücklauffunktion hinsichtlich eines Rückführens des Lenksystems in dessen Neutralposition vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektronische Steuer- und Recheneinheit oder ein auf einer solchen installierbares Computerprogramm oder Coputerprogrammprodukt, welche(s) ausführbaren Programmcode umfasst und gestaltet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
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Bei frontangetriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen können externe Störungen an den gelenkten Rädern der üblicherweise lenkbaren Vorderachse dazu führen, dass sich diese Störungen oder Anregungen entlang des Lenksystems bis hin zum Lenkrad des Fahrers fortpflanzen, wo sie für den Fahrer insbesondere als leichte Drehschwingungen wahrnehmbar sind. Da dies unerwünscht ist, wurden bereits verschiedene Maßnahmen zur Behandlung dieser Problematik untersucht, wobei ein Fokus auf antriebsbedingte Störungen in Form der sog. Torque-Steer-Effekte gelegt wurde, vgl. bspw. die eingangs drittgenannte Schrift
EP 1 990 254 B1 , welche sich mit der Rücklaufgeschwindigkeit des Lenkrads von einem eingeschlagenen Zustand der lenkbaren und angetriebenen Räder in deren Neutralstellung befasst.
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In der für die Bildung des Oberbegriffs des vorliegenden unabhängigen Patentanspruchs herangezogenen
DE 10 2012 107 597 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Soll-Vorgabewerts für ein Motormoment eines elektrischen Servomotors in einer Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wonach der Soll-Vorgabewert unter Verwendung einer Motormoment-Vorsteuerungs-Komponente, die einen gesteuerten Anteil bildet, und einer Motormoment-Regler-Komponente, die einen geregelten Anteil bildet, festgelegt wird. Dabei werden beide Motormoment-Komponenten funktional miteinander verrechnet. Diese Hilfskraftlenkung enthält ebenfalls eine aktive Rücklauffunktion.
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Schließlich ist in der eingangs genannten
DE 11 2016 005 072 T5 ein Verfahren zur Erleichterung des Lenkens eines Fahrzeugs beim Fahren entlang einer Straße beschrieben, umfassend die Schritte Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit, Bestimmen einer Krümmung der Straße und Bestimmen einer erforderlichen Gierrate zum Befahren dieser Strassenkrümmung, wobei auch äußere Kräfte berücksichtigt werden, so beispielsweise ein Seitenwind-Einfluss oder eine Querneigung der Straße. Lediglich der Vollständigkeit halber ist vorliegend noch die
DE 10 2016 204 018 A1 genannt, die ein Verfahren zur Bestimmung der Querneigung einer Fahrbahn beschreibt.
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Hiermit soll nun ein hinsichtlich der Nicht-Spürbarkeit von externen Störungen weiter verbessertes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs und ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorsteuerungs-Komponente der Rücklauffunktion aus einem die Fahrdynamik des Fahrzeugs berücksichtigenden Anteil und einem eine Querneigung der aktuell befahrenen Fahrbahn berücksichtigenden Anteil zusammensetzt, und dass auch in die Regler-Komponente der Rücklauffunktion eine Neigung der Fahrbahn mit eingeht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche; weiterhin beansprucht wird eine elektronische Steuer- und Recheneinheit oder ein auf einer solchen installierbares Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, welche(s) ausführbaren Programmcode umfasst und gestaltet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Das hier vorgeschlagene und in einer elektronischen Steuereinheit auszuführende bzw. ausgeführte Verfahren bietet Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik in Situationen, in denen ein natürlicher ungestörter Lenkmomentenverlauf nicht gegeben ist, wie beispielsweise beim Überfahren von Längsspurrillen oder bei Fahrbahnquerneigungen, indem eine Glättung oder Stabilisierung des Lenkmomentenverlaufs erfolgt, was das Lenkgefühl insgesamt deutlich verbessert und damit durch ein gesteigertes Sicherheitsgefühl auch die Fahrzeugbeherrschung durch den Fahrer erleichtert. Um nämlich den Nachteil eines größeren Zeitverzugs bei einem rein geregelten Ansatz zu kompensieren, wird zusätzlich ein im Folgenden näher beschriebener vorsteuernder Funktionsanteil, nämlich die sog. Vorsteuerung-Komponente der Rücklauffunktion vorgesehen. Damit wird in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrzeugzuständen, welche Einfluss auf die Fahrzeuglängsdynamik haben und somit die unerwünschten sog. Torque-Steer-Effekte verursachen können, ein Zusatzlenkmoment des elektrischen Servomotors angefordert, welches eine lenkungsrückstellende Wirkung hat.
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Die besagte Vorsteuerungs-Komponente setzt sich aus einem querneigungsabhängigen und einem fahrzeugdynamikabhängigen Anteil zusammen. Der querneigungsabhängige Vorsteueranteil berücksichtigt die gravitationsbedingte Verschiebung des vom Fahrer aufzubringenden Lenkmoments aufgrund der Fahrbahnneigung und verschiebt das Niveau des Vorsteueranteils entsprechend. Dabei kann die Querneigung der Fahrbahn beispielsweise wie eingangs genannt bestimmt werden.
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Der weitere fahrzeugdynamikabhängige Vorsteueranteil der Rücklauffunktion berücksichtigt die aktuellen Lenkungszustände sowie die beispielsweise in einem übergreifenden Fahrdynamik-Regler, welcher als elektronische Steuer- und Recheneinheit in dem Fachmann bekannter Weise in Kraftfahrzeugen integriert ist, vorliegenden Informationen zur Längsdynamik des Fahrzeugs. Dabei wird mit dem gemessenen Lenkradwinkel (= Verdrehwinkel des Lenkrads) und der daraus abgeleiteten Lenkrate (= Lenkradwinkel-Änderungsgeschwindigkeit) und Lenkbeschleunigung (= zeitliches Differential der Lenkrate) das aktuelle Verhalten des Lenksystems einbezogen. So kann über den Lenkradwinkel beispielsweise auch die Sensitivität der Vorsteuerung um die Lenkrad-Mittellage (= Neutralposition bei geradeaus fahrendem Fahrzeug) eingestellt bzw. vorgegeben werden. So kann beispielsweise mit zunehmender Lenkrate und Lenkbeschleunigung der Einfluss der Vorsteuerung reduziert werden (Anspruch 3) bzw. im Extremfall kann die Vorsteuerung sogar ausgeblendet werden, womit Systeminstabilitäten sicher vermieden werden können. Auch kann die Vorsteuerung ausgeblendet werden, wenn ausreichend hohe Lenkmomente im Lenksystem wirken. Sollte sich jedoch der Lenkradwinkel in seinem Betrag vergrößern, womit ausgehend einem gewissen Lenkzustand die Lenkrichtung berücksichtigt wird, so können die vorstehend genannten Vorsteuerung-Einflüsse wieder berücksichtigt, d.h. nicht ausgeblendet werden.
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Eine weitere Einflussgröße auf eine erfindungsgemäße Vorsteuerungs-Komponente kann gemäß Anspruch 2 ein hier sog. angefordertes Antriebsmoment eines bzw. des Fahrzeug-Antriebsaggregats sein, womit die bislang vorrangig berücksichtigten Torque-Steer-Effekte Eingang in das erfindungsgemäße Verfahren finden. Üblicherweise erfolgt diese Anforderung seitens des Fahrers mit seinem Fahrpedal, so dass die Fahrpedalstellung als unmittelbar vom Fahrer beeinflusste Eingangsgröße genutzt werden kann, um einen Zeitverzug des Vorsteuereingriffs im Vergleich zur Reaktion rein auf Basis der Fahrzeugrad-Drehmomente weiter reduzieren zu können. Somit können die Eingriffe durch die Vorsteuerungs-Komponente umso stärker ausgeprägt werden, je größer die letztlich von den Momenten am angetriebenen und gelenkten Fahrzeug-Rad verursachten und für die unerwünschten Torque-Steer-Effekte ursächlichen Längskräfte am Fahrzeug-Rad sind. Dabei kann nicht nur die Fahrpedalstellung bzw. das angeforderte Antriebsmoment berücksichtigt werden, sondern es können gleichermaßen die tatsächlich am gelenkten Rad wirkenden Antriebsmomente und insbesondere auch dort wirkende Bremsmomente entsprechend berücksichtigt werden, nämlich solchermaßen, dass mit betragsmäßig höheren Momenten die Vorsteuerungs-Komponente größeren Einfluss gewinnt bzw. stärker ausgeprägt wird.
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Im Weiteren wird nun auf die Regler-Komponente eines erfindungsgemäß bestimmten Vorgabewertes für ein Motormoment eines elektrischen Servomotors eines Fahrzeug-Lenksystems an einer angetriebenen Fahrzeug-Achse eingegangen. Hier ist die Führungsgröße der Regelung das im Lenksystem im Zusammenhang mit einem Verdrehen der lenkbaren Räder anfallende Lenkmoment, das als Soll-Lenkmoment in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel und von der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegeben wird. Das Soll-Lenkmoment wird beispielsweise anhand von in einer elektronischen Steuereinheit, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, hinterlegter Tabellen aus dem Lenkradwinkel und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ermittelt. Selbstverständlich können hierbei auch weitere Randbedingungen bzw. Vorgaben für bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden, bspw. wenn ein betragsmäßig höheres oder niedrigeres Lenkmoment-Niveau (bspw. im Hinblick auf ein sportliches oder komfortables Lenkgefühl für den Fahrer) vom Fahrer wählbar ist.
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Erfindungsgemäß wird das Soll-Lenkmoment auch an eine gegebenenfalls vorliegende Neigung der Fahrbahn angepasst; vorzugsweise kann sowohl die Fahrbahnquerneigung als auch eine Längsneigung (= Steigung oder Gefälle) der Fahrbahn berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich Fehleingriffe des Reglers durch die aufgrund der Neigungen verschobenen Eingriffsschwellen vermeiden. Des Weiteren wird das Soll-Lenkmomentenniveau vorzugsweise auch an die (weiter oben bereits erläuterte) Lenkrate angepasst.
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Die Regelabweichung ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Soll-Lenkmoment und dem geschätzten Ist-Fahrerhandmoment. Der Eingriffszeitpunkt des Reglers wird durch Unterschreiten des Soll-Lenkmoments durch das geschätzte aktuelle Lenkmoment detektiert. Unterscheiden sich die Vorzeichen von Soll-Lenkmoment und Ist-Lenkmoment, d.h. wird beispielsweise ein Lenken des Fahrers im Uhrzeigersinn erkannt, obwohl das Soll-Lenkmoment gegen den Uhrzeigersinn gerichtet sein sollte, so ist die Regelung unabhängig von sonstigen Nebenbedingungen immer aktiv.
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Dabei werden aus dem Betrag der geeignet gefilterten Regelabweichung ein Proportional-Anteil (P-Anteil) und ein Integral-Anteil (I-Anteil) der Regler-Komponente bzw. Regelung berechnet. Um den Zeitverzug der Regeleingriffe bei einer Änderung der Lenkrichtung zu reduzieren, wird der I-Anteil der Regelung auf null gesetzt, sobald ein Nulldurchgang der Regelabweichung oder ein Nulldurchgang des Lenkradwinkels stattgefunden hat oder die Regelabweichung den Wert Null angenommen hat. Ferner wird der I-Anteil der Regelung nicht weiter erhöht, wenn der Schlupf der Räder an der angetriebenen lenkbaren Fahrzeugachse oberhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt oder wenn der Differenzschlupf zwischen den beiden angetriebenen gelenkten Rädern eine vorgebbare Schwelle überschreitet. Schließlich wird die Summe aus dem P-Anteil und dem I-Anteil absolut begrenzt und bildet den Rohwert des Zusatzlenkmoments. Aus diesem wird nach Berücksichtigung der Lenkungsdynamik und der Fahrzeugdynamik das finale von der Regler-Komponente gegebenenfalls anzufordernde Zusatzlenkmoment gebildet.
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Ob und in welchem Umfang die Regler-Komponente tatsächlich zu einem angeforderten Servo-Motormoment des elektrischen Servomotors führt, kann noch von weiteren Randbedingungen abhängen. So kann aus dem Summenradmoment (der beiden Räder) an der angetriebenen lenkbaren Fahrzeugsachse und aus dem Summenbremsmoment an dieser Achse und aus der Fahrpedalstellung (bzw. allgemeiner aus dem angeforderten Antriebsmoment) jeweils ein Faktor berechnet werden, wonach über das Maximum dieser drei Faktoren der Anteil der Regler-Komponente dann eingeblendet werden kann. Dabei können im Gegensatz zu den bisher realisierten Konzepten Regler-Eingriffe auch bereits bei relativ geringen Radmomenten zugelassen werden. Dadurch kann die hier vorgeschlagene Funktion nicht nur in Torque-Steer-Situationen eingreifen, sondern auch übermäßig starke fahrbahninduzierten Lenkradbewegungen (die beispielsweise beim diagonalen Überfahren eines Übergangs vom Bankett zur Fahrbahn mit leichtem Höhenunterschied entstehen) reduzieren.
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Mittels des Lenkradwinkels kann analog zur Vorsteuerung auch in der Regelung der Eingriffsbereich des Reglers um die Lenkrad-Mittellage limitiert werden. Durch Berücksichtigung des Lenkmoments kann die Regler-Komponente wiederum ausgeblendet werden, sobald ein ausreichend hohes rückstellendes Moment vorhanden ist. Durch Ausblenden des Reglers mit steigender Lenkrate können zu hohe Energieeinträge in das Lenksystem durch die Regelung vermieden werden. Unabhängig davon kann eine Aktivierung der Regelung erfolgen, sofern detektiert wird, dass sich das Lenkrad mit ausreichend hoher Dynamik von seiner Mittellage entfernt.
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Um störende Eingriffe in Geschwindigkeitsbereichen zu vermeiden, in denen Torque Steer-Effekte üblicherweise selten auftreten, kann die Regler-Komponente schließlich noch in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit skaliert werden, d.h. die Größe der Regler-Komponente kann auch von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig sein. Weiterhin kann es mehrere Sondersituationen geben, die bei der Funktionsgestaltung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt werden können, um die funktionale Güte eines solchen Verfahrens weiter zu erhöhen und das Lenkgefühl zu optimieren.
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Da die Torque Steer-Effekte ebenso wie die Vorsteuerung bzw. Regelung unmittelbar an die Radkräfte bzw. an das Fahrpedal oder Bremspedal des Fahrers des Fahrzeugs gekoppelt sind, manifestieren sich sprunghafte Änderungen der Fahrpedalstellung bzw. Bremspedalstellung gleichermaßen in der Stellgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich im Motormoment der Rücklauffunktion des elektrischen Servomotors, was jedoch für den Fahrer des Fahrzeugs an seinem Lenkrad spürbar ist. Um diesen Effekt abzumindern, kann bei erkannter sprunghafter Änderung der Fahrpedalstellung und/oder des Summen-Radmoments bzw. Antriebsmoments an der gelenkten und angetriebenen Fahrzeug-Vorderachse und/oder des Summen-Bremsmoments, welches an der Vorderachse oder auf das Fahrzeug wirkt, die Rate bzw. Änderungsgeschwindigkeit der besagten Stellgröße limitiert werden. Hierfür kann über PDT1-Filter für die Fahrpedalstellung und/oder für das Summenradmoment an der Vorderachse bzw. das Summenbremsmoment der Gradient ermittelt und geglättet werden, um anschließend anhand vorgebbarer Schwellen schnelle Änderungen obiger Größen zu detektieren. Da ab höheren Rad-Schlupfwerten tendenziell ein geringeres Radmoment auf die Fahrbahn übertragen werden kann, macht es zudem Sinn, die Stellgröße der Gesamtfunktion in diesen Fällen zu reduzieren, sofern der Differenzschlupf an der Vorderachse klein genug ist. Eingriffe der Schlupfregelung führen durch die spontane Änderung der Radkräfte ebenfalls zu zusätzlichen Störungen in der Lenkung, die analog zu den eben behandelten spontan geänderten Fahrereingaben berücksichtigt werden können. Hierfür können die Eingriffe der dem Fachmann bekannten Antriebs- oder Bremsmoment-Schlupfregelung an der Vorderachse beobachtet werden und bei erkannten Eingriffen kann wiederum der Gradient der besagten Stellgröße im erfindungsgemäßen Verfahren limitiert werden.
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Des Weiteren sind Torque Steer-Effekte oftmals nicht symmetrisch, sondern manifestieren sich unterschiedlich stark auf linker und rechter Fahrzeugseite. Deshalb kann vorgesehen sein, dass die besagte Stellgröße einer erfindungsgemäßen Gesamtfunktion in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Lenkradwinkels unterschiedlich stark ausprägt wird. Weiterhin kann ein geschätzter Fahrbahnreibwert zur Anpassung der Höhe der besagten Stellgröße an die Fahrbahnoberfläche genutzt werden. Auf FahrbahnOberflächen mit höherem Reibwert sind die Radseitenkräfte tendenziell höher, weshalb die Gesamtfunktion hier etwas schwächer als für Niederreibwertoberflächen ausgeprägt werden kann. Ohne diese Maßnahme müsste man die Funktion auf den sicherheitskritischeren Fall hin auslegen, so, dass die Funktionseingriffe gleichzeitig nicht störend sind. Dies würde allerdings für das andere Reibwertextrem dazu führen, dass die Eingriffe zu schwach sind, wodurch wieder keine ausreichende Lenkungsrückstellung gewährleistet wäre.
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Die Summe aus der Momentenanforderung der Vorsteuerung sowie der Momentenanforderung der Regelung wird addiert und es wird vorzugsweise der daraus resultierende Wert in seiner absoluten Höhe mittels des bereits verwendeten Soll-Lenkmomentenkennfelds begrenzt, so sodass selbst bei einem kompletten Momenteneinbruch kein größeres Lenkmoment als bei regulärem Lenkverhalten erzeugt werden kann. Schließlich kann hierauf ein Kompensationsmoment für spontane Radlaständerungen addiert werden und es kann das finale Stellmoment des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines dynamischen Gradienten limitiert werden.