DE102019108996A1

DE102019108996A1 - Kaskadierte positionsregelarchitektur für lenkungssysteme

Info

Publication number: DE102019108996A1
Application number: DE102019108996.4A
Authority: DE
Inventors: Prerit Pramod; Kai Zheng; Mariam Swetha George; Tejas M. Varunjikar
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2019-10-10
Also published as: CN110341785A; US11203379B2; CN110341785B; US20190308664A1

Abstract

Es werden technische Lösungen für eine Störungsvorsteuerungskompensation beschrieben, um die Störungsabweisungseigenschaften eines Positionsregelsystems unter Verwendung einer kaskadierten Regelstruktur mit einem inneren Geschwindigkeitsregelkreis und einem äußeren Positionsregelkreis zu verbessern. In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein System einen Positionsregler, der einen Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und eine gemessene Zahnstangenposition empfängt und einen Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und der gemessenen Zahnstangenposition berechnet. Das System beinhaltet ferner einen Geschwindigkeitsregler, der den Geschwindigkeitsbefehl und eine gemessene Motorgeschwindigkeit empfängt und einen Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der gemessenen Motorgeschwindigkeit berechnet. Das System justiert eine Position einer Zahnstange, indem es einen Drehmomentbetrag erzeugt, der dem Anlegen des Eingabedrehmomentbefehls an einen Motor entspricht.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/653,065, die am 5. April 2018 eingereicht wurde und die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Lenkungssysteme und sie spricht insbesondere technische Probleme an, die eine Positionsregelung in Lenkungssystemen unter Verwendung einer kaskadierten Positionsregelarchitektur betreffen.
Von Fahrzeugen genutzte Lenkungssysteme können einen Positionsregler beinhalten, der eine Zahnstange gemäß einem Positionsbefehl positioniert. Beispiele für Lenkungssysteme mit einem derartigen Positionsregler können ein Steer-by-Wire-System (SbW-System), das einen Straßenradaktor (RWA) beinhaltet, ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) und dergleichen beinhalten. Der Positionsregler kann den Positionsbefehl von einem menschlichen Fahrer oder einem autonomen Fahrer, etwa einem fortschrittlichen Fahrassistenzsystem (ADAS), empfangen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden technische Lösungen für eine Technik zur Störungsvorsteuerungskompensation beschrieben, um die Störungsabweisungseigenschaften eines Positionsregelsystems unter Verwendung einer kaskadierten Regelstruktur mit einem inneren Geschwindigkeitsregelkreis und einem äußeren Positionsregelkreis zu verbessern. In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein System einen Positionsregler, der einen Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und eine gemessene Zahnstangenposition empfängt und einen Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und der gemessenen Zahnstangenposition berechnet. Das System beinhaltet ferner einen Geschwindigkeitsregler, der den Geschwindigkeitsbefehl und eine gemessene Motorgeschwindigkeit empfängt und einen Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der gemessenen Motorgeschwindigkeit berechnet. Das System justiert eine Position einer Zahnstange, indem es einen Drehmomentbetrag erzeugt, der dem Anlegen des Eingabedrehmomentbefehls an einen Motor entspricht.
In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren, dass von einem Positionsregler ein Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen einem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und einer gemessenen Zahnstangenposition, die als ein erster Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird. Das Verfahren beinhaltet ferner, dass von einem Geschwindigkeitsregler ein Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und einer gemessenen Motorgeschwindigkeit, die als zweiter Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird, wobei der Geschwindigkeitsregler mit dem Positionsregler einen kaskadierten Regelkreis bildet, um das Nachführen einer Zahnstangenposition bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet ferner, dass durch einen Motor eine Position einer Zahnstange justiert wird, indem ein Drehmomentbetrag erzeugt wird, der dem Eingabedrehmomentbefehl entspricht.
In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Lenkungssystem einen Motor, eine Zahnstange und mehrere Regler, die einen Positionsregler und einen Geschwindigkeitsregler umfassen. Die Regler führen ein Verfahren zum Bereitstellen einer Zahnstangenpositionsnachführung unter Verwendung eines kaskadierten Regelkreises aus, der einen Geschwindigkeitsrückkopplungskreis und einen Positionsrückkopplungskreis umfasst. Das Verfahren beinhaltet, dass von dem Positionsregler ein Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen einem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und einer gemessenen Zahnstangenposition, die als erster Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird. Das Verfahren beinhaltet ferner, dass von dem Geschwindigkeitsregler ein Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und einer gemessenen Motorgeschwindigkeit, die als zweiter Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird, wobei der Geschwindigkeitsregler mit dem Positionsregler einen kaskadierten Regelkreis bildet, um eine Zahnstangenpositionsnachführung bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet ferner, dass durch einen Motor eine Position einer Zahnstange justiert wird, indem ein Drehmomentbetrag erzeugt wird, der dem Eingabedrehmomentbefehl entspricht.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung besser ergeben, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
Figurenliste
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird speziell offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Das Vorstehende und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:

1 ein fortschrittliches Fahrerassistenzsystem in einem Fahrzeug in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt;
2 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems ist;
3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Steer-by-Wire-Systems ist;
4 eine kaskadierte Positionsregelarchitektur eines Lenkungssystems in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt;
5 eine kaskadierte Positionsregelarchitektur eines Lenkungssystems in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt; und
6 eine kaskadierte Positionsregelarchitektur eines Lenkungssystems für eine Antwort zweiter Ordnung in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die Begriffe Modul und Teilmodul bezeichnen, so wie sie hier verwendet werden, eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen, etwa eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Wie festzustellen ist, können die nachstehend beschriebenen Teilmodule kombiniert und/oder weiter unterteilt werden.
1 stellt ein fortschrittliches Fahrerassistenzsystem in einem Fahrzeug in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Es ist festzustellen, dass das gezeigte und beschriebene Lenkungssystem 40 in einem autonomen oder semiautonomen Fahrzeug oder in einem herkömmlicheren Fahrzeug verwendet werden kann. In einem Fahrzeug 100 kann ein fortschrittliches Fahrassistenzsystem (ADAS) 110 mit einem Lenkungssystem 40, mit einem oder mehreren Straßenrädern 44 (über eine oder mehrere Steuerungseinheiten) und mit anderen Steuerungseinheiten in dem Fahrzeug 100 gekoppelt sein. Das ADAS 110 kann einen oder mehrere Prozessoren 112 und eine oder mehrere Speichervorrichtungen 114 beinhalten.
Das ADAS 110 empfängt ein oder mehrere Eingabesignale, die Daten und/oder Befehle beinhalten, von den Steuerungseinheiten wie etwa dem Regler 16 des Lenkungssystems 40. Das ADAS 110 kann ferner ein oder mehrere Eingabesignale von einem oder mehreren Sensoren 116 wie etwa einer Kamera, einem Radar, einem Lidar oder beliebigen anderen Sensoren empfangen. Das ADAS 110 kann ferner Signale, die Daten und/oder Befehle beinhalten, an die Steuerungseinheiten wie etwa einen Regler 16 des Lenkungssystems 40 senden. Das ADAS 110 kann ferner eine Eingabe von dem menschlichen Fahrer empfangen, etwa ein Ziel, eine oder mehrere Vorlieben und dergleichen.
Das ADAS 110 kann Benachrichtigungen für den Fahrer bereitstellen, etwa während einer Interaktion mit dem Fahrer und/oder in Ansprechen auf eine oder mehrere Bedingungen in dem Fahrzeug 100. Die Benachrichtigungen können Audiobenachrichtigungen, visuelle Benachrichtigungen, haptische Benachrichtigungen, Drehmomentbenachrichtigungen und dergleichen umfassen. Zum Beispiel können Audio-/visuelle Benachrichtigungen über eine Fahrer-Fahrzeug-Informationseinheit, über Lautsprecher, mit denen das Fahrzeug 100 ausgestattet ist, und dergleichen gesendet werden. Die haptischen Benachrichtigungen können über einen Sitz, über das Lenkungssystem 40 und dergleichen bereitgestellt werden. Die Drehmomentbenachrichtigung kann über das Lenkungssystem 40 gesendet werden, zum Beispiel durch Erzeugen einer Drehmomentüberlagerung, die zu einem Unterstützungsdrehmoment addiert werden kann, das zum Unterstützen des Fahrers beim Betreiben des Fahrzeugs 100 erzeugt wird.
In einem oder mehreren Beispielen bestimmt das ADAS 110 eine Fahrwegstrajektorie für das Fahrzeug 100 auf automatische Weise. Die Sensoren 116 werden verwendet, um mehrere ADAS-Merkmale bereitzustellen, welche eine seitliche Bewegung des Fahrzeugs 100 betreffen, etwa einen Spurhalteassistenten, einen Spurzentrierungsassistenten, einen Totzonenassistenten usw. Diese Merkmale können dem Fahrer dabei helfen, Zusammenstöße zu vermeiden, etwa einen seitlichen Zusammenstoß, einen frontalen Zusammenstoß usw. Beim Bereitstellen dieser Funktionalität beurteilt das ADAS 110 die Absicht des Fahrers, etwa Beschleunigung, Spurwechsel usw. ADAS-Merkmale wie etwa LKA (Spurhalteassistent) können sich auf sensorbasierte Spurinformationen stützen, um den Abstand des Fahrzeugs von einer Fahrspurmarkierung oder die Wahrscheinlichkeit des Fahrzeugs dafür, beruhend auf einer seitlichen Bewegung auf eine andere Spur zu wechseln, zu detektieren. Mit Bezug auf eine Fahrereingabe sind diese Informationen jedoch oft verzögert. Aufgrund der Physik gibt es eine bestimmte Verzögerung, nachdem der Fahrer ein Handraddrehmoment aufbringt, bevor die Fahrzeugbewegung beeinflusst wird. Für eine Kollisionsvermeidungsanwendung ist diese Verzögerung nicht wünschenswert, da es zu spät sein könnte, einen potentiellen zeitlichen Zusammenstoß vorherzusagen und eine notwendige Drehmomentüberlagerung aufzubringen.
Hier beschriebene technische Lösungen ermöglichen, dass eine vorhergesagte Fahrzeugtrajektorie schneller als eine sensorbasierte Trajektorienvorhersage bestimmt wird. Zur Überwindung der technischen Probleme bei der sensorbasierten Fahrzeugtrajektorienvorhersage verwenden die hier beschriebenen technischen Lösungen Lenkungssignale, etwa ein Torsionsstabdrehmoment (tbar-Drehmoment), um die Fahrzeugtrajektorie vorherzusagen. Die vorhergesagte Trajektorie (oder der vorhergesagte Pfad) kann verwendet werden, um die Absichten des Fahrers zu erkennen und bei Bedarf zu handeln, um eine potentielle Kollision (von der Seite, frontal usw.) abzuschwächen.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen sind sowohl für EPS-Systeme (elektrische Servolenkungssysteme) als auch SbW-Systeme (Steer-by-Wire-Systeme) anwendbar. Mit Bezug auf die Figuren, in denen die technischen Lösungen mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben werden, ohne sie einzuschränken, ist 2 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) 40 in einem Fahrzeug 100, das zur Implementierung der offenbarten Ausführungsformen geeignet ist, und 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines SbW-Systems 40 zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsformen. Sofern es nicht speziell anderweitig beschrieben ist, bezieht sich das vorliegende Dokument auf ein Lenkungssystem 40, das entweder ein EPS oder ein SbW oder ein beliebiger anderer Typ von Lenkungssystem sein kann, in dem die hier beschriebenen technischen Lösungen verwendet werden können.
In 2 ist der Lenkungsmechanismus 36 ein System mit einer Zahnstange und einem Ritzelzahnrad und beinhaltet eine (nicht gezeigte) mit Zähnen versehene Zahnstange in einem Gehäuse 50 und ein (ebenfalls nicht gezeigtes) Ritzelzahnrad, das sich unter einem Getriebegehäuse 52 befindet. Wenn die Fahrereingabe, die hier nachstehend als Handrad oder Lenkrad 26 bezeichnet wird, gedreht wird, dreht sich die obere Lenkwelle 29 und die untere Lenkwelle 51, die mit der oberen Lenkwelle 29 durch ein Kreuzgelenk 34 verbunden ist, dreht das Ritzelzahnrad. Eine Drehung des Ritzelzahnrads bewegt die Zahnstange, welche Spurstangen 38 (nur eine ist gezeigt) bewegt, wodurch wiederum die Lenkungsachsschenkel 39 (nur einer ist gezeigt) bewegt werden, welche ein oder mehrere lenkbare Räder oder Reifen 44 (nur eines/einer ist gezeigt) drehen oder einschlagen. Obwohl hier ein System mit einer Zahnstange und einem Ritzelzahnrad beschrieben ist, kann die EPS in anderen Ausführungsformen eine EPS mit Lenksäulenunterstützung (CEPS), eine EPS mit Ritzelzahnradunterstützung (PEPS), eine EPS mit dualer Ritzelzahnradunterstützung oder eine beliebige andere Art von EPS sein.
Eine elektrische Servolenkungsunterstützung wird durch die Regelvorrichtung bereitgestellt, die allgemein durch Bezugszeichen 24 bezeichnet ist und den Regler 16 und einen Elektromotor 46 beinhaltet, welcher ein synchroner Permanentmagnetmotor (PMSM) oder ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC) oder ein beliebiger anderer Typ von Motor sein kann und hier im Nachstehenden als Motor 46 bezeichnet ist. Der Regler 16 wird durch eine Leitung 12 von der Fahrzeugstromversorgung 10 mit Leistung versorgt. Der Regler 16 empfängt ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 14, das die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentiert, von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 17. Ein Lenkungswinkel wird durch einen Positionssensor 32 gemessen, welcher ein Sensor mit optischer Codierung, ein Sensor mit variablem Widerstand oder ein beliebiger anderer geeigneter Typ von Positionssensor sein kann und dem Regler 16 ein Positionssignal 20 zuführt. Die Motorgeschwindigkeit kann mit einem Tachometer oder einer beliebigen anderen Vorrichtung gemessen werden und an den Regler 16 als Motorgeschwindigkeitssignal 21 übertragen werden. Eine als ω_m bezeichnete Motorgeschwindigkeit kann gemessen, berechnet oder durch eine Kombination daraus bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Motorgeschwindigkeit ω_m als die Änderung der Motorposition θ, die von einem Positionssensor 32 gemessen wird, über ein vorbestimmtes Zeitintervall berechnet werden. Beispielsweise kann die Motorgeschwindigkeit ω_m als die Ableitung der Motorposition θ aus der Gleichung ω_m = Δθ/Δt bestimmt werden, wobei Δt die Abtastzeit ist und Δθ die Änderung der Position während des Abtastintervalls ist. Alternativ kann die Motorgeschwindigkeit aus der Motorposition als die zeitliche Änderungsrate der Position abgeleitet werden. Es ist festzustellen, dass es zahlreiche gut bekannte Methoden zum Durchführen der Funktion einer Ableitung gibt.
Wenn das Lenkrad 26 gedreht wird, erfasst ein Drehmomentsensor 28 das Drehmoment, das von dem Fahrzeugfahrer auf das Lenkrad 26 aufgebracht wird. Der Drehmomentsensor 28 kann einen (nicht gezeigten) Torsionsstab und einen (ebenfalls nicht gezeigten) Sensor mit variablem Widerstand beinhalten, welcher ein variables Drehmomentsignal 18 an den Regler 16 im Verhältnis zu dem Betrag an Verdrehung am Torsionsstab ausgibt. Obwohl dies ein Typ von Drehmomentsensor ist, wird eine beliebige andere geeignete Drehmomenterfassungsvorrichtung, die mit bekannten Signalverarbeitungstechniken verwendet wird, genügen. In Ansprechen auf die verschiedenen Eingaben sendet der Regler einen Befehl 22 an den Elektromotor 46, der eine Drehmomentunterstützung für das Lenkungssystem durch eine Schnecke 47 und ein Schneckenrad 48 bereitstellt, wodurch Drehmomentunterstützung für die Fahrzeuglenkung bereitgestellt wird.
In dem dargestellten Regelsystem 24 verwendet der Regler 16 das Drehmoment, die Position und die Geschwindigkeit und dergleichen, um ein oder mehrere Befehle zum Liefern der erforderlichen Ausgabeleistung zu berechnen. Der Regler 16 ist in Kommunikation mit den verschiedenen Systemen und Sensoren des Motorregelsystems angeordnet. Der Regler 16 empfängt Signale von jedem der Systemsensoren, quantifiziert die empfangenen Informationen und stellt in Ansprechen darauf ein oder mehrere Ausgabebefehlssignale bereit, in diesem Fall beispielsweise für den Motor 46. Der Regler 16 ist ausgestaltet, um die entsprechenden Spannungen aus einem (nicht gezeigten) Umrichter heraus zu entwickeln, welcher optional in den Regler 16 integriert sein kann und hier als Regler 16 bezeichnet wird, sodass beim Anlegen an den Motor 46 das gewünschte Drehmoment oder die gewünschte Position erzeugt wird. In einem oder mehreren Beispielen arbeitet der Regler 24 in einem Regelungsmodus mit Rückkopplung als Stromregler, um den Befehl 22 zu erzeugen. Alternativ arbeitet der Regler 24 in einem oder mehreren Beispielen in einem Vorsteuerungsmodus, um den Befehl 22 zu erzeugen. Da diese Spannungen in Beziehung zu der Position und der Geschwindigkeit des Motors 46 und dem gewünschten Drehmoment stehen, werden die Position und/oder die Geschwindigkeit des Rotors und das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment ermittelt. Ein Positionscodierer ist mit der Lenkwelle 51 verbunden, um die Winkelposition θ zu detektieren. Der Codierer kann die Drehposition auf der Grundlage einer optischen Detektion, einer Magnetfeldschwankung oder eines anderen Verfahrens erfassen. Typische Positionssensoren beinhalten Potentiometer, Resolver, Synchros, Codierer und dergleichen sowie Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente beinhalten. Der Positionscodierer gibt ein Positionssignal 20 aus, das die Winkelposition der Lenkwelle 51 und damit diejenige des Motors 46 anzeigt.
Ein gewünschtes Drehmoment kann durch einen oder mehrere Drehmomentsensoren 28 bestimmt werden, die Drehmomentsignale 18 übertragen, welche ein aufgebrachtes Drehmoment anzeigen. Eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen beinhalten einen derartigen Drehmomentsensor 28 und die Drehmomentsignale 18 davon, die auf einen nachgiebigen Torsionsstab, T-Stab, eine Feder oder eine ähnliche (nicht gezeigte) Vorrichtung ansprechen können, die ausgestaltet ist, um eine Antwort bereitzustellen, die das aufgebrachte Drehmoment anzeigt.
In einem oder mehreren Beispielen kann ein oder können mehrere Temperatursensoren 23 an dem Elektromotor 46 angeordnet sein. Der Temperatursensor 23 ist vorzugsweise ausgestaltet, um die Temperatur des Erfassungsabschnitts des Motors 46 direkt zu messen. Der Temperatursensor 23 überträgt ein Temperatursignal 25 an den Regler 16, um die hier beschriebene Verarbeitung und Kompensation zu ermöglichen. Typische Temperatursensoren umfassen Thermoelemente, Thermistoren, Thermostate und dergleichen sowie Kombinationen, die mindestens einen der vorstehenden Sensoren umfassen, welche bei geeigneter Platzierung ein kalibrierbares Signal bereitstellen, das proportional zu der speziellen Temperatur ist.
Das Positionssignal 20, das Geschwindigkeitssignal 21 und ein oder mehrere Drehmomentsignale 18 werden neben weiteren an den Regler 16 angelegt. Der Regler 16 verarbeitet alle Eingabesignale, um Werte zu erzeugen, die jedem der Signale entsprechen, was dazu führt, dass ein Rotorpositionswert, ein Motorgeschwindigkeitswert und ein Drehmomentwert zur Verarbeitung in den hier beschriebenen Algorithmen zur Verfügung stehen. Messsignale wie die vorstehend erwähnten werden je nach Wunsch auch häufig linearisiert, kompensiert und gefiltert, um die Eigenschaften zu verbessern oder ungewünschte Eigenschaften des beschafften Signals zu beseitigen. Zum Beispiel können die Signale linearisiert werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern oder um einen großen Dynamikbereich des Signals anzusprechen. Zudem kann eine frequenz- oder zeitbasierte Kompensation und Filterung verwendet werden, um Rauschen zu beseitigen oder ungewünschte Spektralkennlinien zu vermeiden.
Um die beschriebenen Funktionen und die gewünschte Verarbeitung auszuführen sowie die Berechnungen dafür (z.B. die Identifikation von Motorparametern, Regelalgorithmen und dergleichen) kann der Regler 16 ohne Einschränkung Prozessoren, Computer, DSPs, Arbeitsspeicher, Massenspeicher, Register, Zeitgeber, Interrupts, Kommunikationsschnittstellen und Eingabe/Ausgabe-Signalschnittstellen und dergleichen beinhalten, sowie Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfassen. Beispielsweise kann der Regler 16 eine Eingabesignalverarbeitung und -filterung beinhalten, um eine genaue Abtastung und Umwandlung oder Beschaffung von diesen Signalen aus Kommunikationsschnittstellen zu ermöglichen. Zusätzliche Merkmale des Reglers 16 und bestimmter Prozesse darin werden hier zu einem späteren Zeitpunkt gründlich erörtert.
3 stellt ein beispielhaftes SbW-System in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Das SbW-System 40 beinhaltet einen Handradaktor (HWA) 70 und einen Straßenradaktor (RWA) 80. Der Regler 16 ist in zwei Blöcke aufgeteilt, nämlich einen Regler 16A und einen Regler 16B, die jeweils dem HWA 70 bzw. dem RWA 80 zugeordnet sind. In anderen Beispielen kann der Regler 16 auf eine beliebige andere Weise verteilt sein.
Der HWA 70 beinhaltet eine oder mehrere mechanische Komponenten, etwa das Lenkrad 26 (das Handrad), eine Lenksäule und einen Motor/Umrichter, der an der Lenksäule entweder durch einen Getriebemechanismus oder durch ein Direktantriebssystem angebracht ist. Der HWA 70 beinhaltet ferner den Mikroregler oder Mikrocontroller 16A, der den Betrieb der mechanischen Komponenten steuert. Der Mikroregler 16A empfängt und/oder erzeugt Drehmoment über die eine oder die mehreren mechanischen Komponenten. Beispielsweise kann der Mikroregler 16A eine Drehmomentbefehlsanforderung an einen Motor/Umrichter senden, der dieses Drehmoment erzeugen wird.
Der RWA 80 beinhaltet eine oder mehrere mechanische Komponenten, etwa eine Lenkungszahnstange, die mit einem Motor/Umrichter durch eine Anordnung mit einer Kugelmutter/ein Kugelrollspindelgetriebe oder eine Ritzelzahnradanordnung gekoppelt ist, und die Zahnstange ist mit den Straßenrädern/Reifen 44 des Fahrzeugs durch Spurstangen verbunden. Der RWA 80 beinhaltet den Mikroregler oder Mikrocontroller 16B, der den Betrieb der mechanischen Komponenten steuert. Der Mikroregler 16B empfängt und/oder erzeugt Drehmoment über die eine oder die mehreren mechanischen Komponenten. Beispielsweise kann der Mikroregler 16B eine Drehmomentbefehlsanforderung an einen Motor/Umrichter senden, der dieses Drehmoment erzeugen wird.
Die Mikroregler 16A und 16B sind durch elektrische Verbindungen gekoppelt, die das Übertragen/Empfangen von Signalen ermöglichen. Wie hier beschrieben ist, kann ein Regler eine Kombination aus dem HWA-Regler 16A und dem RWA-Regler 16B oder beliebige der speziellen Mikroregler beinhalten.
In einem oder mehreren Beispielen kommunizieren die Regler 16A und 16B des SbW-Systems 40 miteinander durch eine CAN-Schnittstelle (oder durch andere ähnliche digitale Kommunikationsprotokolle). Eine Lenkung des Fahrzeugs 100, das mit dem SbW-System 40 ausgestattet ist, wird durch Verwendung des Lenkgetriebes ausgeführt. Der RWA 80 empfängt ein elektronisches Kommunikationssignal einer Drehung des Lenkrads durch den Fahrer. Ein Fahrer steuert das Lenkrad, um die Richtung des Fahrzeugs 100 zu steuern. Der Winkel vom HWA 70 wird an den RWA 80 gesendet, der eine Positionsregelung ausführt, um einen Verfahrweg der Zahnstange zu regeln, um das Straßenrad zu lenken. Aufgrund des Fehlens einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Straßenrädern wird dem Fahrer jedoch nicht ohne weiteres ein Gefühl für die Straße ohne eine Drehmomentrückkopplung bereitgestellt (anders als in dem vorstehend beschriebenen Fall einer EPS).
In einem oder mehreren Beispielen simuliert der HWA 70, der mit der Lenksäule und dem Lenkrad gekoppelt ist, das Gefühl des Fahrers für die Straße. Der HWA 70 kann eine taktile Rückkopplung in der Form von Drehmoment auf das Lenkrad aufbringen. Der HWA 70 empfängt ein Zahnstangenkraftsignal von dem RWA 80, um ein geeignetes Drehmomentgefühl für den Fahrer zu erzeugen. Alternativ können auch der Handradwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden, um ein gewünschtes Drehmomentgefühl für den Fahrer zu erzeugen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind das SbW-System und das EPS-System, die hier beschrieben sind, beispielhaft und die hier beschriebenen technischen Lösungen sind auf jede Art von Lenkungssystem anwendbar und daher bezeichnet ein „Lenkungssystem“ hierin jede Art von Lenkungssystem, sofern es nicht speziell anders beschrieben wird.
In Lenkungssystemen kann typischerweise als Alternative zu einer (vollständigen oder teilweisen) Zustandsrückkopplung mit Bezug auf einen Vorsteuerungs-Ansatz eine kaskadierte Regelstruktur mit einem inneren Geschwindigkeitsregelkreis und einem äußeren Positionsregelkreis verwendet werden. Diese Architekturen werden zur Positionsregelung verwendet, wobei allgemeine Kompensatoren wie etwa PID-Regler für beide Kreise verwendet werden. Diese Kompensatoren erlauben keine intuitive und leichte Abstimmung und stellen ferner nicht immer die Fähigkeit zur robusten Störungsabweisung bereit. Diese technischen Probleme werden durch die hier beschriebenen technischen Lösungen angesprochen, welche eine kaskadierte Regelstruktur mit speziellen Kompensatoren für jeden der beiden Kreise bereitstellen. Mit dieser Struktur wird die resultierende Übertragungsfunktion mit Positionsnachführung im geschlossenen Kreis (unter speziellen Bedingungen) rein von der zweiten Ordnung, was es im Vergleich mit typischen Architekturen erleichtert und flexibler macht, die Antwort abzustimmen. Ferner ermöglichen die hier beschriebenen technischen Lösungen, dass das Regelsystem über eine verbesserte Störungsabweisung verfügt. Die Gesamtregelstruktur wird dadurch intuitiv verständlich und leicht einstellbar, wobei eine signifikante Flexibilität bereitgestellt wird, um die Eigenschaften der Befehlsnachführung und der Störungsabweisung des Gesamtpositionsregelsystems zu modifizieren.
4 stellt ein Blockdiagramm eines kaskadierten Positionsregelsystems mit einem inneren Geschwindigkeitsregelkreis zusammen mit einem äußeren Positionsregelkreis dar. In der Figur ist eine Lenkungssystemanlage 400 gezeigt, die eine Zahnstangengeschwindigkeitsanlage 420 und eine Zahnstangenpositionsanlage 430 beinhaltet, welche durch P_ω (420) bzw. P_θ (430) dargestellt sind, während die elektrische Anlage 410 des Motors durch P_e (410) dargestellt wird. Die elektrischen und mechanischen Anlagen sind in gepunkteten Linien gezeigt und die Regelstrukturen 440 und 450 (welche den Betrieb der Anlagen steuern) sind nicht typischerweise in kaskadierten Positionsregelarchitekturen enthalten. Da die Störungsrückkopplung (T̃_d) die effektive Anlage vom Regelsignal aus betrachtet vor ihrer Addition nicht verändert, wird darauf hingewiesen, dass sie für die Beschreibung nicht berücksichtigt wird, die zur Auswahl der verschiedenen Reglerparameter präsentiert wird. Es versteht sich jedoch, dass für kleine Anlagenungenauigkeiten (Modellierungsfehler) die Reaktionen des geschlossenen Kreises effektiv gleichbleiben. Die Übertragungsfunktionen für die mechanischen Anlagen können mithilfe der kumulierten Trägheit J und der Dämpfung b wie folgt dargestellt werden. $P_{ω} = \frac{1}{J s + b}$
$P_{θ} = \frac{1}{s}$
Ferner wird der Regler (405) für das elektromagnetische Drehmoment des Motors durch C_e modelliert. Bei der vorstehenden Erörterung wurde die elektrische (Regelkreis-)Dynamik ignoriert oder mathematisch wurde angenommen, dass C_eP_e ≈ 1, was eine angemessene Annahme ist, da der Regelkreis des elektrischen Drehmoments so abgestimmt ist, dass er erheblich schneller als die mechanische Dynamik ist. Dies führt dazu, dass der Motordrehmomentbefehl im Wesentlichen gleich dem tatsächlichen elektromagnetischen Drehmoment des Motors wie folgt ist. $T_{c} \approx T_{a}$
Ferner wird die Zahnstangenkraft-Schätzvorrichtung (450) oder die Störungs-Schätzvorrichtung durch mindestens zwei Übertragungsfunktionen D_t (452) und D_ω (454) dargestellt. Der Zahnstangenkraft-Schätzwert T̃_d besteht aus diesen beiden Übertragungsfunktionen und kann mathematisch wie folgt dargestellt werden. ${\tilde{T}}_{d} = D_{t} T_{a} + D_{ω} ω_{m}$
Die Übertragungsfunktionen D_t und D_ω werden durch einen Zustandsbeobachter zum Schätzen der Zahnstangenkraft (T_d) beschafft, die hier als die Störung bezeichnet wird. In einem oder mehreren Beispielen beinhaltet die Zahnstangenkraft-Schätzvorrichtung 450 den Störungsbeobachter, der die Anlagenmatrix um die Störung (Zahnstangenkraft) erweitert, welche als Zustand mit einer unbekannten anfänglichen Sprungeingabe modelliert wird. In einem derartigen Fall sind die Gleichungen der (erweiterten) Anlage wie folgt. $[\begin{matrix} \dot{ω} \\ {\dot{T}}_{d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - b / J & - 1 / J \\ 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} ω \\ T_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 1 / J \\ 0 \end{matrix}] [T_{a}]$
$y = C x$
$[ω] = [\begin{matrix} 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} ω \\ T_{d} \end{matrix}]$
Die Beobachtergleichungen werden unter Verwendung von Schätzwerten der Anlagenmatrizen zusammen mit Beobachterverstärkungen wie folgt erhalten. $\begin{array}{l} \dot{\hat{x}} = \hat{A} \hat{x} + \hat{B} u + L (y - \hat{y}) \\ = \hat{A} \hat{x} + \hat{B} u + L (C x - \hat{C} \hat{x}) \\ = (\hat{A} - L \hat{C}) \hat{x} + \hat{B} u + L C x \end{array}$
$[\begin{matrix} \dot{\hat{ω}} \\ {\dot{\hat{T}}}_{d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \hat{b} / \hat{J} - L_{1} & - 1 / \hat{J} \\ - L_{2} & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} \hat{ω} \\ {\hat{T}}_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 1 / \hat{J} \\ 0 \end{matrix}] [T_{a}] + [\begin{matrix} L_{1} & 0 \\ L_{2} & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} ω \\ T_{d} \end{matrix}]$
Hier repräsentieren Ĵ und b̂ geschätzte oder beste bekannte Werte der kumulierten Trägheit und Dämpfung für das System.
Durch Ausführen der Laplace-Transformation auf diese Matrixgleichung wird die geschätzte Zahnstangenkraft wie folgt erhalten. $\begin{array}{l} {\hat{T}}_{d} = \frac{- L_{2} / \hat{J}}{s^{2} + (\hat{b} / \hat{J} + L_{1}) s - L_{2} / \hat{J}} T_{a} + \frac{- L_{2} s + (s + \hat{b} / \hat{J})}{s^{2} + (\hat{b} / \hat{J} + L_{1}) s - L_{2} / \hat{J}} ω \\ = D_{t} T_{a} + D_{ω} ω \end{array}$
In diesen Fällen werden die Beobachterverstärkungen auf analytische Weise abgestimmt, um spezielle Übertragungsfunktionen zu erreichen, oder indem Standardtechniken verwendet werden, wie etwa die Polplatzierung oder LQE.
Um die eine oder die mehreren Ausführungsformen, die hier mit speziellen Regelkreissystemen beschrieben sind, besser zu erläutern, werden zu Beginn einige Herleitungen mit vereinfachenden Bedingungen beschrieben. Zunächst wird die gemessene Geschwindigkeit des Motors 46 als Funktion der echten Geschwindigkeit und von Messrauschen wie folgt beschafft. $\begin{matrix} ω_{m} = F_{ω} θ_{m} \\ = F_{ω} P_{θ} ω + ω_{n} \end{matrix}$
Hier wird ω_n so aufgefasst, dass sie das äquivalente Rauschen der Geschwindigkeitsmessung (Schätzung) ist, welches eine Funktion des echten Rauschens der Positionsmessung ist. Die Übertragungsfunktion F_ω ist im Wesentlichen so konstruiert (so weit wie möglich), dass sie eine Ableitung ist, welche die Motorpositionsanlage P_θ kompensiert, während das Rauschen aus der Positionsmessung (θ_m) herausgefiltert wird. Die Positionsmessung beinhaltet die Position der Zahnstange, welche auf dem Eingabepositionsbefehl (θ_c) zusammen mit einem Positionsrauschen (θ_n) beruht, das aufgrund mehrerer Faktoren eingeführt werden kann. Als Beispiel kann F_ω mit einer Ableitung und mit einem Tiefpassfilter mit Zeitkonstante τ_ω wie folgt konstruiert sein. $F_{ω} = \frac{s}{τ_{ω} s + 1}$
Die Geschwindigkeitsantworten auf verschiedene externe Eingaben können wie nachstehend beschrieben ermittelt werden, wobei T_b ein Eingabedrehmoment beruhend auf dem Eingabepositionsbefehl ist, T_c ein Drehmomentbefehl ist, der auf T_b und auf einem oder mehreren Rückkopplungstermen beruht. Die Rückkopplungsterme können einen Störungsschätzwert T̃_d beinhalten, der von einer Störungsschätzvorrichtung 450 berechnet wird. Die Rückkopplungsterme können ferner eine ideale Ableitung (H_ω) beinhalten, die ausgestaltet ist, um einen Regler 440 zu betreiben und damit ein exakter Kehrwert der Motorpositionsanlage 430 ist. Die nachstehenden Gleichungen stellen ferner als T_a einen endgültigen Drehmomentbefehl dar, der durch die elektrische Anlage 410 erzeugt wird und der an die mechanische Anlage (420 und 430) angelegt wird. Die Störung T_d beeinflusst diesen endgültigen Drehmomentbefehl und damit die Motorgeschwindigkeit und die Motorposition.
Das Regelsystem 400 zeigt ferner den Motorpositionsregler 470, der eine Motorgeschwindigkeit (ω_c) beruhend auf einem Positionsfehler (θ_e) ermittelt. Die ermittelte Motorgeschwindigkeit kann diejenige sein, mit welcher der Motor 46 bewegt werden soll. Der Positionsfehler wird als die Differenz zwischen dem Eingabepositionsbefehl (θ_c) und der gemessenen Position der Zahnstange (θ_m) berechnet. Bei einem oder mehreren Beispielen wird ein Geschwindigkeitsfehler (ω_e) beruhend auf einer Differenz zwischen der berechneten Motorgeschwindigkeit (ω_c) und einer gemessenen Motorgeschwindigkeit (ω_m) berechnet. Der Motorgeschwindigkeitsfehler wird verwendet, um den Eingabedrehmomentbefehl T_b durch einen Motorgeschwindigkeitsregler 460 zu berechnen. Die Geschwindigkeitsantworten auf verschiedene externe Eingaben können wie nachstehend beschrieben ermittelt werden: $\begin{array}{l} ω = P_{ω} (T_{a} - T_{d}) \\ \begin{array}{r} = {(1 + P_{ω} P_{e} C_{e} (C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} P_{θ})}^{- 1} (P_{ω} P_{e} C_{e} C_{ω} ω_{c} \\ + P_{ω} P_{e} C_{e} (H_{ω} - C_{ω}) F_{ω} θ_{n} - P_{ω} T_{d}) \end{array} \\ = M_{ω c} ω_{c} + M_{ω m} θ_{n} + M_{ω d} T_{d} \end{array}$
Hier ist M_ωc eine Übertragungsfunktion zum Nachführen der berechneten Motorgeschwindigkeit ω_c; M_ωn ist eine Übertragungsfunktion zum Nachführen des Zahnstangenpositionsrauschens θ_n; und M_ωd ist eine Übertragungsfunktion zur Störungsabweisung (Störung = T_d).
Die Übertragungsfunktion M_ωc zum Nachführen der Geschwindigkeitsantwort kann wie folgt geschrieben und manipuliert werden. $\begin{matrix} M_{ω c} = {(1 + P_{ω} P_{e} C_{e} (C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} P_{θ})}^{- 1} P_{ω} P_{e} C_{e} C_{ω} ω_{c} \\ \approx {(1 + P_{ω} (C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} P_{θ})}^{- 1} P_{ω} C_{ω} ω_{c} \end{matrix}$
Hier wird angenommen, dass die Dynamik der elektrischen Regelung ideal ist, d.h. P_eC_e ≈ 1, da die elektrische Drehmomentregelung typischerweise so abgestimmt ist, dass sie viel schneller als die mechanische Dynamik ist. Ferner wird angenommen, dass F_ω eine ideale Ableitung ist und damit ein idealer Kehrwert der Motorpositionsanlage P_θ. Dies impliziert, dass F_ωP_θ ≈ 1. Die Übertragungsfunktion M_ωc zum Nachführen der Geschwindigkeitsantwort wird dann wie folgt. $\begin{matrix} M_{ω c} = {(1 + P_{ω} (C_{ω} - H_{ω}))}^{- 1} P_{ω} C_{ω} \\ = {(P_{ω}^{- 1} - H_{ω} + C_{ω})}^{- 1} C_{ω} \end{matrix}$
Wenn angenommen wird, dass der Term $P_{ω}^{- 1} - H_{ω}$
der Kehrwert einer „effektiven Anlage“ P_ωe ist, d.h. $P_{ω e} = {(P_{ω}^{- 1} - H_{ω})}^{- 1},$
dann kann die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises wie folgt geschrieben werden. $M_{ω c} = {(1 + P_{ω e} C_{ω})}^{- 1} P_{ω e} C_{ω}$
Es wird darauf hingewiesen, dass dies eine Übertragungsfunktion ist, bei der die effektive Anlage die tatsächliche Anlage ersetzt. Wenn die Zustandsrückkopplung folglich so gewählt wird, dass sie eine Verstärkung von -b_v ist, wobei b_v als „virtuelle Dämpfung“ bezeichnet wird, wird die effektive Anlage zu Folgendem. $P_{ω e} = \frac{1}{J s + b + b_{v}}$
Um ferner eine ideale Antwort eines Geschwindigkeitsregelkreises erster Ordnung zu erhalten, wird ein Proportional-Integral-Regler (Pl-Regler) als Regler C_ω 460 verwendet. Der PI-Regler 460 ist mit Verstärkungen als Funktionen der Anlagenparameter und des Terms der virtuellen Dämpfung ausgestaltet. $C_{ω} = K_{ω} (\tilde{J} + \frac{\tilde{b} + b_{v}}{s})$
Das Verwenden des Pl-Reglers 460 führt unter der Annahme genauer Parameterschätzwerte zu der folgenden Antwort des Geschwindigkeitsregelkreises. $M_{ω c} = \frac{K_{ω}}{s + K_{ω}}$
Hier hilft der Wert der virtuellen Dämpfung beim Festhalten der Kennlinie erster Ordnung auch bei Modellierungsunsicherheiten, die durch Untersuchen der Übertragungsfunktion der effektiven Anlage verstanden werden können. Wenn b_v so gewählt wird, dass sie hoch genug ist, wird die effektive $Anlage \approx \frac{1}{b_{v}}$
und der Kompensator wird zu $K_{ω} \frac{b_{v}}{s}$
und die Anlage sowie Reglerparameter beeinflussen die Antwort des Regelkreises nicht sehr stark, da sie im Vergleich mit dem Term der virtuellen Dämpfung vernachlässigbar werden. Die Übertragungsfunktion zur Störungsabweisung kann wie folgt (unter der Annahme einer genauen Parameterschätzung) auf ähnliche Weise erhalten werden. $\begin{array}{l} M_{ω d} = {(P_{ω}^{- 1} - H_{ω} + C_{ω})}^{- 1} \\ \approx \frac{1}{J s + b + b_{v}} \frac{s}{s + K_{ω}} \end{array}$
Entsprechend stellt das virtuelle Dämpfen zusätzlich zu hoher Bandbreite zusätzliche Flexibilität beim Abstimmen der Störungsabweisungseigenschaften des Systems 400 mit geschlossenem Regelkreis bereit. Die Aufnahme des Integrierers in den Geschwindigkeitsregelkreis führt zu schrittweisem Nachführen des Regelkreises sowie zur Störungsabweisung des Regelkreises (Anlageneingang).
Der Positionsregelkreis zur Positionsnachführung wird als nächstes bestimmt, indem die Ableitung aus der vorherigen Ableitung fortgesetzt wird. $ω = M_{ω c} ω_{c} + M_{ω n} θ_{n} + M_{ω d} T_{d}$
$P_{θ}^{- 1} θ = M_{ω c} C_{θ} (θ_{c} - θ_{m}) + M_{ω n} θ_{n} + M_{ω d} T_{d}$
$\to θ = M_{θ c} θ_{c} + M_{θ d} T_{d} + M_{θ n} θ_{n}$
Beruhend auf der Übertragungsfunktion zur Positionsnachführung wird ein Proportionalregler (P-Regler) als Positionsregler C_θ 470 verwendet und so ausgestaltet, dass er eine Verstärkung K_θ aufweist. Entsprechend wird die Übertragungsfunktion des Regelkreises wie folgt (bei gegebener vorstehender Antwort des Geschwindigkeitsregelkreises). $M_{θ c} = \frac{K_{ω} K_{θ}}{s^{2} + K_{ω} s + K_{ω} K_{θ}}$
Folglich weist der Regelkreis zur Positionsnachführung eine ideale Antwort zweiter Ordnung auf. Das Regelsignal wird für alle externen Ausgaben wie folgt berechnet, wobei der gleiche vorstehend beschriebene Ansatz befolgt wird. $\begin{matrix} T_{a} = {(1 + P_{e} C_{e} ((C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} + C_{ω} C_{θ}) P_{θ} P_{ω})}^{- 1} (P_{e} C_{e} C_{ω} C_{θ} θ_{c} \\ - P_{e} C_{e} ((C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} + C_{ω} C_{θ}) P_{θ} T_{ω} T_{d} \\ + P_{e} C_{e} ((C_{ω} - H_{ω}) F_{ω} + C_{ω} C_{θ}) θ_{n}) \end{matrix}$
$T_{a} = U_{c} θ_{c} + U_{d} T_{d} + U_{n} θ_{n}$
5 stellt ein Blockdiagramm eines kaskadierten Positionsregelsystems in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen dar. In dem dargestellten Blockdiagramm sind zur Vereinfachung die elektrische Anlage P_e 410 und der entsprechende Regler C_e 405 nicht gezeigt, welche als ideale Kehrwerte voneinander (hier beschrieben) aufgefasst werden. Ferner ist als der Geschwindigkeitsregler 460 ein PI-Regler im Geschwindigkeitsregelkreis gezeigt und als der Positionsregler 470 ist ein P-Regler in dem Positionsregelkreis unter Verwendung der hier beschriebenen Übertragungsfunktionen gezeigt.
In einem oder mehreren Beispielen werden für eine gewünschte Eigenfrequenz ω_f und ein gewünschtes Dämpfungsverhältnis ζ die Verstärkungen des Positionsreglers 470 und des Geschwindigkeitsreglers 460 wie folgt konfiguriert. $K_{ω} = 2 ξ ω_{f}$
$K_{θ} = \frac{ω_{f}}{2 ξ}$
Der Eingabepositionsbefehl (θ_c) wird im Positionsregelkreis modifiziert (505). Die Modifikation beruht auf der gemessenen Zahnstangenposition. Der modifizierte Positionsbefehl wird von dem Positionsregler 470 verwendet, um einen Geschwindigkeitsbefehl zu erzeugen.
Der Geschwindigkeitsbefehl wird unter Verwendung der gemessenen Motorgeschwindigkeit, die in dem Geschwindigkeitsregelkreis zurückgekoppelt wird, justiert (515). In einem oder mehreren Beispielen wird die gemessene Geschwindigkeit als eine Ableitung der gemessenen Zahnstangenposition bestimmt. Der modifizierte Geschwindigkeitsbefehl wird von dem Geschwindigkeitsregler 460 verwendet, um den Eingabedrehmomentbefehl T_b zu erzeugen, der auf die mechanische und elektrische Anlage aufgebracht werden soll.
Der Eingabedrehmomentbefehl wird in dem Störungsrückkopplungskreis unter Verwendung einer Störungsschätzung modifiziert. In einem oder mehreren Beispielen wird der Störungsschätzwert T̃_d unter Verwendung eines Störungsreglers 510 skaliert, der unter Verwendung eines Verstärkungsparameters K_d konfiguriert ist. Die Ausgabe des Störungsreglers 510 wird zu dem Eingabedrehmomentbefehl addiert (535), um einen justierten Drehmomentbefehl T_c zu erzeugen. In einem oder mehreren Beispielen wird der Eingabedrehmomentbefehl ferner unter Verwendung des Reglers 440 für virtuelle Dämpfung modifiziert, welcher für den virtuellen Dämpfungsterm b_v konfiguriert ist. Die Ausgabe T_h des Reglers für virtuelle Dämpfung wird zu dem Eingabedrehmomentbefehl addiert (525), um einen Drehmomentbefehl T_x zu erzeugen. In einem oder mehreren Beispielen kann der Drehmomentbefehl T_x wie vorstehend beschrieben durch den Störungsschätzwert modifiziert werden.
6 stellt ein Blockdiagramm einer Architektur mit einem kaskadierten Positionsregelsystem in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Hier wird die hier beschriebene Auswahl der Verstärkungen veranschaulicht. Mit der dargestellten Regelarchitektur kann der Regelkreis intuitiv und leicht abgestimmt werden und erreicht die Ziele des Nachführens von Sprungbefehlen und des Abweisens von Sprungstörungen und sie weist die zusätzliche Flexibilität des Verbesserns der Eigenschaften der Störungsabweisung unabhängig von der Befehlsnachführung auf. Beispielsweise kann durch Abstimmen der Parameter des Positionsreglers 470, des Geschwindigkeitsreglers 460, des Störungsreglers 510 und des Reglers 440 für virtuelle Dämpfung das System 400 abgestimmt werden, um den Eingabepositionsbefehl auf verbesserte Weise nachzuführen.
Testergebnisse unter Verwendung der hier beschriebenen Regelarchitektur wurden aufgenommen, um die Antworten der Positionsausgabe und des Drehmomentsignals für die verschiedenen externen Eingaben (einschließlich des Positionsbefehls, der Zahnstangenkraftstörung und des Rauschens des Positionssensors), für variierende Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse zu prüfen. Bei den beispielhaften Testergebnissen stieg die Bandbreite des Systems mit zunehmenden Eigenfrequenzen für ein kritisch gedämpftes System an. Gleichzeitig verbesserte sich die Störungsabweisung und die Reaktion auf Rauschen hat abgenommen. Bei variierenden Dämpfungsverhältnissen zeigte das System erwartete Reaktionen und es wurde beobachtet, dass sich das System von einem nicht ausreichend gedämpften System zu einem kritisch gedämpften System und schließlich zu einem übermäßig gedämpftem System entwickelte. Die Testergebnisse bestätigten außerdem, dass die durch die hier beschriebenen technischen Lösungen bereitgestellte Struktur das Manipulieren der Störungsabweisungseigenschaften des Systems unabhängig von der Befehlsantwort ermöglicht.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen sprechen technische Probleme mit Lenkungssystemen wie etwa Steer-by-Wire-Systemen (SbW-Systemen) an, welche einen Straßenradaktor (RWA) mit Positionsregler beinhalten. Die Positionsregelung wird unter Verwendung von Regelarchitekturen mit Rückkopplung wie etwa PID ausgeführt, welche eine Positionsrückkopplung verwenden. Das Abstimmen von Kalibrierungen für eine derartige Regelung ist für gewöhnlich nicht sehr intuitiv und im Fahrzeug wird ein großer Abstimmungsaufwand benötigt. Außerdem ist es schwierig, PID explizit auf Robustheit gegenüber Systemparameterschwankungen abzustimmen. Die hier beschriebenen technischen Lösungen sprechen die technischen Probleme an, indem sie eine spezielle kaskadierte Regelstruktur verwenden, die aufgrund dessen, dass die Bandbreite in Regelparameter eingebaut ist, intuitiv und leicht abzustimmen ist. Ferner stellt die durch die technischen Lösungen bereitgestellte Architektur eine robuste Positionsnachführung trotz Parameterschwankungen bereit.
Die Regelstruktur mit kaskadierten Regelkreisen verwendet eine Positions- und Geschwindigkeitsrückkopplung zur Positionsnachführung. Ferner wird in einem oder mehreren Beispielen ein virtueller Dämpfungsterm zum Nachführungsbefehl addiert, um die Robustheit zu verbessern. Des Weiteren ermöglicht die Regelkreisstruktur, dass Regelungskalibrierungen unter Verwendung von Systemparametern (Trägheit, Dämpfung) leicht bestimmt werden können.
Die vorliegenden technischen Lösungen können ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt auf jedem möglichen Niveau der Integration technischer Details sein. Das Computerprogrammprodukt kann ein oder mehrere computerlesbare Speichermedien beinhalten, die darin computerlesbare Programmanweisungen aufweisen, um zu veranlassen, dass ein Prozessor Aspekte der vorliegenden technischen Lösungen ausführt.
Aspekte der vorliegenden technischen Lösungen werden hier mit Bezug auf Flussdiagrammveranschaulichungen und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der technischen Lösungen beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Flussdiagrammveranschaulichungen und/oder der Blockdiagramme und Kombinationen aus Blöcken in den Flussdiagrammveranschaulichungen und/oder Blockdiagrammen durch computerlesbare Programmanweisungen implementiert werden können.
Die Flussdiagramme und Blockdiagramme in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und die Arbeitsweise von möglichen Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lösungen. Diesbezüglich kann jeder Block in den Flussdiagrammen oder Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt von Anweisungen repräsentieren, welcher eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Implementieren der beschriebenen logischen Funktionen umfasst. In einigen alternativen Implementierungen können die in den Blöcken beschriebenen Funktionen außerhalb der Reihenfolge auftreten, die in den Figuren beschrieben ist. Beispielsweise können zwei aufeinanderfolgend gezeigte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können in Abhängigkeit von der betroffenen Funktionalität manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden.
Außerdem soll erwähnt werden, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder der Flussdiagrammveranschaulichungen und Kombinationen aus Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammveranschaulichungen durch spezialisierte hardwarebasierte Systeme implementiert werden können, welche die beschriebenen Funktionen oder Handlungen ausführen oder Kombinationen aus spezialisierter Hardware und Computerabweisungen ausführen.
Außerdem ist festzustellen, dass alle Module, Einheiten, Komponenten, Server, Computer, Endgeräte oder Vorrichtungen, die hier beispielhaft beschrieben sind und Anweisungen ausführen, computerlesbare Medien wie etwa Massenspeichermedien, Computermassenspeichermedien oder Datenmassenspeichervorrichtungen (entfernbar und/oder nicht entfernbar) wie etwa beispielsweise Magnetplatten, optische Platten oder Bänder umfassen oder anderweitig darauf Zugriff haben können. Computerspeichermedien können flüchtige und nicht flüchtige, entfernbare und nicht entfernbare Medien enthalten, die mit einem beliebigen Verfahren oder einer beliebigen Technologie zum Speichern von Informationen implementiert sind, etwa computerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten. Diese Computerspeichermedien können Teil der Vorrichtung sein oder für diese zugänglich oder damit verbindbar. Alle hier beschriebenen Anwendungen oder Module können unter Verwendung von computerlesbaren/ausführbaren Anweisungen implementiert werden, die durch diese computerlesbaren Medien gespeichert oder anderweitig vorgehalten werden.
Obwohl die technischen Lösungen im Detail in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es leicht zu verstehen, dass die technischen Lösungen nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt sind. Stattdessen können die technischen Lösungen modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die im Vorstehenden hier nicht beschrieben sind, welche aber mit dem Gedanken und dem Umfang der technischen Lösungen übereinstimmen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der technischen Lösungen beschrieben wurden, versteht es sich außerdem, dass Aspekte der technischen Lösungen nur einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Daher dürfen die technischen Lösungen nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die vorstehende Beschreibung beschränkt sind.

Claims

System, das umfasst: einen Positionsregler, der ausgestaltet ist, um: einen Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und eine gemessene Zahnstangenposition zu empfangen; und einen Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und der gemessenen Zahnstangenposition zu berechnen; einen Geschwindigkeitsregler, der ausgestaltet ist, um: den Geschwindigkeitsbefehl und eine gemessene Motorgeschwindigkeit zu empfangen; und einen Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der gemessenen Motorgeschwindigkeit zu berechnen; und wobei das System eine Position einer Zahnstange justiert, indem es einen Drehmomentbetrag erzeugt, der dem Anlegen des Eingabedrehmomentbefehls an einen Motor entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei der Positionsregler und der Geschwindigkeitsregler angeordnet sind, um einen kaskadierten Regelkreis zu bilden, der jeweils einen Positionsregelkreis und einen Geschwindigkeitsregelkreis umfasst, wobei der kaskadierte Regelkreis das Nachführen einer Zahnstangenposition bereitstellt.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Dämpfungsregler umfasst, der ausgestaltet ist, um: einen ersten Drehmomentbefehl zu berechnen, indem er die gemessene Motorgeschwindigkeit unter Verwendung eines Dämpfungsterms skaliert; und den Eingabedrehmomentbefehl zu modifizieren, indem er den ersten Drehmomentbefehl zu dem Eingabedrehmomentbefehl addiert, um die Zahnstangenposition nachzuführen.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Störungsregler umfasst, der ausgestaltet ist, um: eine Zahnstangenkraft zu schätzen, die auf die Zahnstange einwirkt; und den Eingabedrehmomentbefehl unter Verwendung der Zahnstangenkraft, die geschätzt wird, zu modifizieren.
System nach Anspruch 4, wobei die Zahnstangenkraft, die geschätzt wird, unter Verwendung eines konfigurierbaren Parameters skaliert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einem konfigurierbaren Parameter des Positionsreglers berechnet wird.
System nach Anspruch 6, wobei der Positionsregler ein Proportionalregler ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einem konfigurierbaren Parameter des Geschwindigkeitsreglers berechnet wird.
System nach Anspruch 8, wobei der Geschwindigkeitsregler ein Proportional-Integral-Regler ist.
Verfahren, das umfasst, dass: von einem Positionsregler ein Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen einem Zahnstangenpositions-Eingabebefehl und einer gemessenen Zahnstangenposition, die als erster Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird; von einem Geschwindigkeitsregler ein Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und einer gemessenen Motorgeschwindigkeit, die als zweiter Rückkopplungsterm bereitgestellt wird, berechnet wird, wobei der Geschwindigkeitsregler einen kaskadierten Regelkreis mit dem Positionsregler bildet, um eine Nachführung einer Zahnstangenposition bereitzustellen; und durch einen Motor eine Position einer Zahnstange justiert wird, indem ein Drehmomentbetrag erzeugt wird, der dem Eingabedrehmomentbefehl entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass: von einem Dämpfungsregler ein erster Drehmomentbefehl berechnet wird, indem die gemessene Motorgeschwindigkeit unter Verwendung eines Dämpfungsterms skaliert wird; und der Eingabedrehmomentbefehl modifiziert wird, indem der erste Drehmomentbefehl zu dem Eingabedrehmomentbefehl addiert wird, um die Zahnstangenposition nachzuführen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Geschwindigkeitsbefehl beruhend auf einem konfigurierbaren Parameter des Positionsreglers berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Positionsregler ein Proportionalregler ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Eingabedrehmomentbefehl beruhend auf einem konfigurierbaren Parameter des Geschwindigkeitsreglers berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Geschwindigkeitsregler ein Proportional-Integral-Regler ist.