DE102019112643B4

DE102019112643B4 - Zahnstangenstörfestigkeitsprüfung zum bestimmen des frequenzgangs einer elektrischen servolenkung

Info

Publication number: DE102019112643B4
Application number: DE102019112643.6A
Authority: DE
Inventors: Bo Yu; Ian Y. Hwa
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110606120A; CN110606120B; US10768075B2; DE102019112643A1; US20190383707A1

Abstract

Verfahren (400) zum Bestimmen eines Frequenzgangs eines Servolenkungssystems (20) mit einem Lenkhilfsmotor (26), der konfiguriert ist, um beim Aktivieren ein Hilfsdrehmoment um eine Achse einer Lenkwelle (25) zu erzeugen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Übertragen (402) eines vorgegebenen Lenkwinkels (θ₄₂) über eine Steuerung (50) an ein mit der Lenkwelle (25) verbundenes Drehstellglied (42);
als Reaktion (404) auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels (θ₄₂), Betätigen des Drehstellglieds (42) auf den vorgegebenen Lenkwinkel (θ₄₂), wobei das Drehstellglied (42) seine Position durch Ausüben eines Lenkraddrehmoments beibehält und die Lenkwelle (25) mit dem Drehstellglied (42) durch einen nachgiebigen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe verbunden ist;
Übertragen (406) eines Zahnstangenstörkraft-Steuersignals (F₄₉) durch die Steuerung (50) an mindestens ein Stellglied (49), wobei das mindestens eine Stellglied (49) mit einer Zahnstange gekoppelt und konfiguriert ist, um die Zahnstange in einer im Wesentlichen linearen Richtung zu betätigen;
als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals (F₄₉), Erzeugen (408) eines ersten Frequenzgangs und eines zweiten Frequenzgangs durch das mindestens eine Stellglied (49), wobei der Lenkhilfsmotor (26) während des ersten Frequenzgangs deaktiviert und während des zweiten Frequenzgangs aktiviert wird;
Überwachen (410) eines Drehmomentaufnehmers durch die Steuerung (50), der ein Lenkabtriebsdrehmoment der Lenkwelle (25) misst, das während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs auftritt;
Bestimmen (412) einer Übertragungsfunktion durch die Steuerung (50), basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs überwachten Lenkabtriebsdrehmoment, wobei die Übertragungsfunktion den Frequenzgang durch das Servolenkungssystem (20) anzeigt.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzganges eines Servolenkungssystems mit einem Lenkhilfsmotor. Insbesondere richtet sich die Erfindung an ein System und Verfahren zum Durchführen einer Zahnstangenstörfestigkeitsprüfung zum Bestimmen des Frequenzgangs eines Servolenkungssystems.
Lenksysteme beinhalten in der Regel ein Lenkrad, das mit den Vorderrädern eines Fahrzeugs verbunden ist, wobei ein Fahrer das Lenkrad betätigt, um die Richtung der Bewegung des Fahrzeugs zu steuern. Viele Fahrzeuge sind mit einem Servolenkungssystem ausgestattet, um den Gesamtaufwand zum Drehen des Lenkrads zu reduzieren. Wenn ein Fahrzeug nicht mit einem Servolenkungssystem ausgestattet ist, muss der Fahrer möglicherweise viel Kraft aufwenden, um das Lenkrad zu drehen. Der Kraftaufwand zum Drehen des Lenkrads kann bei niedrigeren Geschwindigkeiten und beim Abstellen des Fahrzeugs besonders ausgeprägt sein. Einige Fahrzeuge können auch ein Hinterachslenksystem aufweisen, das die Hinterräder steuert, wobei das Vorder- und Hinterachslenksystem zusammenwirken, um ein Vierradlenksystem zu schaffen.
Ein Servolenkungssystems beinhaltet elektrische oder hydraulische Stellglieder zum Erweitern der mechanischen Kraft , die der Fahrer auf das Lenkrad ausübt. So beinhaltet beispielsweise ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS) einen Elektromotor, der über einen Antriebsmechanismus mit einer Welle entlang einer Lenkachse oder Zahnstange gekoppelt ist. Der Elektromotor erzeugt ein Hilfsdrehmoment und ist in Verbindung mit einer Lenkhilfssteuerung, die Algorithmen zum Berechnen des vom Elektromotor erzeugten Hilfsdrehmoments speichert.
Der Frequenzgang eines Systems stellt die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Systems bei verschiedenen Frequenzen dar. Der Frequenzgang eines Servolenkungssystems basiert auf den in der Lenkhilfssteuerung gespeicherten Algorithmen, die zum Berechnen des Hilfsdrehmoments verwendet werden. Allerdings ist es zumindest in einigen Fällen nicht möglich, auf die in der Lenkhilfssteuerung gespeicherten Algorithmen zuzugreifen. Dies kann problematisch werden, da bestehende Prüfverfahren zum Schätzen des Frequenzgangs den Zugriff auf die in der Lenksteuerung gespeicherten Algorithmen erfordern können.
Obwohl die bestehenden Prüfverfahren ihren Zweck erfüllen, bedarf es daher eines neuen und verbesserten Systems und Verfahrens zum Bestimmen des Frequenzgangs eines Servolenkungssystems.
DE 10 2016 107 060 A1 offenbart Verfahren und eine Vorrichtung für das Bestimmen der Lenkleistungsfähigkeit. Das Verfahren umfasst ein Koppeln wenigstens einer Lastquelle mit dem Lenksystem und ein Koppeln eines Abschnitts des Lenksystems mit einer Winkeleingabequelle. Das Verfahren umfasst auch ein Ausgeben von einem oder mehreren Steuersignalen an die wenigstens eine Lastquelle durch einen Prozessor, um eine Last auf das Lenksystem auszuüben, und ein Ausgeben von ein oder mehreren Steuersignalen an die Winkeleingabequelle durch den Prozessor, um eine Eingabe auf das Lenksystem auszuüben. Das Verfahren umfasst ein Empfangen von Drehmomentdaten, die eine Leistungsfähigkeit des Lenksystems anzeigen, basierend auf der Last, die auf das Lenksystem durch die wenigstens eine Lastquelle ausgeübt wird, und die Eingabe, die durch die Winkeleingabequelle angewandt wird.
DE 10 2016 209 741 A1 offenbart ein Verfahren zur Charakterisierung eines Gleitreibungszustands in einem Lenksystem. Das Verfahren beinhaltet die Übertragung eines periodischen Lenksteuersignals an ein Drehstellglied, um Drehung einer Lenkwelle durch einen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe, über einen Bereich von Lenkwinkeln, zu veranlassen, und die Anwendung einer axialen Kraft auf eine Zahnstange, um einer Zahnstangenverschiebung aus einer mittleren Position zu widerstehen. Ein Lenkdrehmomentausgabewert wird über einen Drehmomentaufnehmer gemessen. Eine Steuermaßnahme wird ausgeführt, wenn eine gemessene Differenz zwischen einem Maximalwert eines Lenkdrehmoments, das zum Initiieren der Zahnstangenverschiebung/losbrechmoment erforderlich ist, und einem Minimalwert des Lenkdrehmoments nach einem Losbrechen, bei Inbetriebnahme und jeder nachfolgenden Lenkrichtungsumkehr, einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet. Ein System beinhaltet das Drehstellglied, das Lenksystem, den Drehmomentaufnehmer, den Torsionnstab, die Trägheitsscheibe, das Linearstellglied (er), das eine axiale Kraft entlang der Zahnstangenachse bereitstellt, um einer Zahnstangenverschiebung aus einer mittleren Position zu widerstehen, und die Steuerung, wie oben erwähnt, programmiert ist.
KURZDARSTELLUNG
Die Lösung vorstehend genannter der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzganges eines Servolenkungssystems mit einem Lenkhilfsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß mehreren Aspekten wird ein Verfahren zum Bestimmen des Frequenzgangs eines Servolenkungssystems offenbart. Ein Lenkhilfsmotor ist konfiguriert, um beim Aktivieren ein Hilfsdrehmoment um eine Achse einer Lenkwelle zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet das Übertragen eines vorgegebenen Lenkwinkels über eine Steuerung an ein mit der Lenkwelle verbundenes Drehstellglied. Als Reaktion auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels beinhaltet das Verfahren das Betätigen des Drehstellglieds in den vorgegebenen Lenkwinkel. Das Drehstellglied hält die Position durch Ausüben eines Lenkraddrehmoments aufrecht. Die Lenkwelle ist mit dem Drehstellglied über einen nachgiebigen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe verbunden. Das Verfahren beinhaltet das Übertragen eines Zahnstangenstörkraft-Steuersignals durch die Steuerung an mindestens ein Stellglied, wobei das mindestens eine Stellglied mit einer Zahnstange gekoppelt und konfiguriert ist, um die Zahnstange in einer im Wesentlichen linearen Richtung zu betätigen. Als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals beinhaltet das Verfahren das Erzeugen eines ersten Frequenzgangs und eines zweiten Frequenzgangs durch das mindestens eine Stellglied, wobei der Lenkhilfsmotor während des ersten Frequenzgangs deaktiviert und während des zweiten Frequenzgangs aktiviert wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Überwachen eines Drehmomentaufnehmers durch die Steuerung, der ein Lenkabtriebsdrehmoment der Lenkwelle misst, das während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs auftritt. Schließlich beinhaltet das Verfahren das Bestimmen einer Übertragungsfunktion durch die Steuerung, basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs überwachten Lenkabtriebsdrehmoment. Die Übertragungsfunktion zeigt den Frequenzgang des Servolenkungssystems an.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren das Bestimmen der Übertragungsfunktion durch Berechnen einer mechanischen Übertragungsfunktion basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs gemessenen Lenkabtriebsdrehmoments.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner das Bestimmen der mechanischen Übertragungsfunktion basierend auf: $R D F 2 S W T_{n a} (s) = M T F_{1} (s) = \frac{S W T_{n a} (s)}{R D F_{n a} (s)}$
wobei RDF2SWT_na(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor ist, SWT_na das Lenkraddrehmoment ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor ist und RDF_na die Zahnstangenstörkraft ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor ist.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner das Bestimmen einer geschätzten Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment mit Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor durch: $R D F 2 S W T_{w a} (s) = \frac{S W T_{w a} (s)}{R D F_{w a} (s)}$
wobei RDF2SWT_wa(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment mit Unterstützung durch den Hilfsmotor ist, SWT_wa das Lenkraddrehmoment bei aktiviertem Lenkhilfsmotor ist und RDF_wa eine Zahnstangenstörkraft bei aktiviertem Lenkhilfsmotor ist.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Übertragungsfunktion weiter berechnet durch: $L_{1} (s) = \frac{R D F 2 S W T_{n a} (s)}{R D F 2 S W T_{w a} (s)} - 1$
In einem Aspekt der Erfindung werden Algorithmen zum Bestimmen des Steuersignals der Lenkdrehmomentunterstützung in einem Speicher einer Lenksteuerung gespeichert. Die Steuerung kann nicht auf die im Speicher der Lenksteuerung gespeicherten Algorithmen zugreifen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren das Bestimmen einer Verstärkungsspanne des Servolenkungssystems durch die Steuerung. Die Verstärkungsspanne ist ein zusätzlicher Betrag an Verstärkung, der erforderlich ist, damit die Größe des Servolenkungssystems 0 Dezibel beträgt, wenn eine Phase des Servolenkungssystems -180 Grad beträgt.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren das Bestimmen einer Phasenspanne des Servolenkungssystems durch die Steuerung durch Berechnen einer Menge an Phasenverschiebung, die für das Servolenkungssystem erforderlich ist, bei einem Betrag von -180 Grad, wenn die Größe des Servolenkungssystems Null ist.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren das Bestimmen eines Nyquist-Plots durch die Steuerung, der die Verstärkungsspanne und die Phasenspanne beinhaltet, und dann das Berechnen einer Stabilitätsspanne basierend auf dem Nyquist-Plot der Verstärkungsspanne und der Phasenspanne.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Zahnstangenstörkraft eine variable Wellenform, die entweder eine sinusförmige Welle, ein weißes Rauschsignal oder ein Multisinussignal ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzgangs für ein Servolenkungssystem für entweder ein Steer-by-Wire oder ein autonomes Fahrzeug offenbart. Ein Lenkhilfsmotor ist konfiguriert, um beim Aktivieren ein Hilfsdrehmoment um eine Achse einer Lenkwelle zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet das Übertragen eines vorgegebenen Lenkwinkels über eine Steuerung an ein mit der Lenkwelle verbundenes Drehstellglied. Die Lenkwelle ist mit dem Drehstellglied über einen nachgiebigen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe verbunden. Als Reaktion auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels wird das Drehstellglied auf den vorgegebenen Lenkwinkel betätigt und hält die Position durch das Ausüben eines Lenkraddrehmoments aufrecht. Das Verfahren beinhaltet ferner das Übertragen eines Steuersignals für die Zahnstangenstörkraft durch die Steuerung an mindestens ein Stellglied. Das mindestens eine Stellglied ist mit einer Zahnstange gekoppelt und konfiguriert, um die Zahnstange in einer im Wesentlichen linearen Richtung zu betätigen. Als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals beinhaltet das Verfahren das Erzeugen eines ersten Frequenzgangs durch das mindestens eine Stellglied, wobei der Lenkhilfsmotor während des ersten Frequenzgangs deaktiviert wird. Das Verfahren beinhaltet auch das Erzeugen eines zweiten Frequenzgangs durch das Stellglied. Der Lenkhilfsmotor wird aktiviert und der vorgegebene Lenkwinkel wird beim zweiten Frequenzgang auf Null gesetzt. Das Verfahren beinhaltet auch das Erzeugen eines Lenkwinkel-Frequenzgangs basierend auf dem vorgegebenen Lenkwinkel. Der Lenkhilfsmotor wird aktiviert und das Stellglied wird während des Lenkwinkel-Frequenzgangs abgeschaltet. Das Verfahren beinhaltet das Überwachen eines mit der Lenkwelle gekoppelten Drehgebers durch die Steuerung. Der Drehgeber misst einen Lenkwinkel, der während des ersten Frequenzgangs, des zweiten Frequenzgangs und des Lenkwinkel-Frequenzgangs zu beobachten ist. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Übertragungsfunktion durch die Steuerung, basierend auf dem Lenkwinkel, der während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs überwacht wird. Die Übertragungsfunktion zeigt den Frequenzgang des Servolenkungssystems an. Das Verfahren beinhaltet auch das Bestimmen der Auswirkungen eines Vorsteueralgorithmus auf das Servolenkungssystem durch die Steuerung, basierend auf dem während des Lenkwinkel-Frequenzgangs überwachten Lenkwinkel.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Servolenkungssystem offenbart. Das System beinhaltet einen nachgiebigen Torsionsstab, eine Trägheitsscheibe, eine Zahnstange, die einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt definiert, ein erstes Stellglied, das auf dem ersten Endabschnitt der Zahnstange angeordnet ist, und ein zweites Stellglied, das auf dem zweiten Endabschnitt der Zahnstange angeordnet ist, eine Lenkwelle, die um eine Lenkachse drehbar ist, ein Ritzelzahnrad, das die Zahnstange mit der Lenkwelle verbindet, einen Lenkhilfsmotor, der konfiguriert ist, um ein Hilfsmoment um die Lenkachse der Lenkwelle zu erzeugen, einen Drehmomentaufnehmer, der konfiguriert ist, um ein Lenkabtriebsdrehmoment der Lenkwelle zu messen, ein Drehstellglied, das mit der Lenkwelle verbunden ist, und eine Steuerung. Die Lenkwelle ist mit dem Drehstellglied über den nachgiebigen Torsionsstab und die Trägheitsscheibe verbunden. Die Steuerung steht in Verbindung mit dem ersten Stellglied, dem zweiten Stellglied und dem Drehstellglied. Die Steuerung ist konfiguriert, um einen vorgegebenen Lenkwinkel an das Drehstellglied zu übertragen. Das Drehstellglied wird auf den vorgegebenen Lenkwinkel betätigt und hält die Position durch das Ausüben eines Lenkraddrehmoments aufrecht. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um ein Zahnstangenstörkraft-Steuersignal an das erste Stellglied und das zweite Stellglied zu übertragen. Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um das erste Stellglied und das zweite Stellglied anzuweisen, einen ersten Frequenzgang und einen zweiten Frequenzgang zu erzeugen. Der Lenkhilfsmotor wird während des ersten Frequenzgangs deaktiviert und während des zweiten Frequenzgangs aktiviert. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um den Drehmomentaufnehmer für das Lenkabtriebsdrehmoment der Lenkwelle zu überwachen, das während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs auftritt. Schließlich ist die Steuerung konfiguriert, um eine Übertragungsfunktion basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs überwachten Lenkabtriebsdrehmoment zu bestimmen. Die Übertragungsfunktion zeigt den Frequenzgang des Servolenkungssystems an.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Prüfsystems zum Bestimmen des Frequenzgangs eines Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
2 ist ein Steuersystemdiagramm des in 1 dargestellten Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
3A ist eine Grafik eines Bode-Diagramms, das eine exemplarische Größenreaktion für das Prüfsystem in 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
3B ist eine Grafik eines Bode-Diagramms, das eine exemplarische Phasenreaktion für das Prüfsystem in 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
3C ist eine Grafik eines Bode-Diagramms, die eine Erklärung dafür bereitstellt, wie eine Verstärkungs- und Phasenspanne für ein System basierend auf der Größe und dem Phasenverhalten gemäß einer exemplarischen Ausführungsform bestimmt wird;
4 ist ein Prozessablaufdiagramm zum Bestimmen des Verhaltens des in 1 dargestellten Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
5 ist ein Steuersystemdiagramm eines Servolenkungssystems, das in einem Steer-by-Wire- oder einem autonomen Fahrzeug gemäß einer exemplarischen Ausführungsform verwendet wird; und
6 ist ein Prozessablaufdiagramm zum Bestimmen des Verhaltens des in 5 dargestellten Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Erfindung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
1 ist eine schematische Abbildung eines exemplarischen Lenkungsprüfsystems 10 mit einem Servolenkungssystem 20, einer Steuerhardware 40 und einer Steuerung 50. Das Servolenkungssystem 20 kann in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) verwendet werden. Das Fahrzeug kann jedes selbstfahrende radgetriebene Beförderungsmittel sein, wie beispielsweise ein Auto, ein Lastwagen, ein Geländewagen, ein Lieferwagen, ein Wohnmobil, ein Motorrad, ein unbemanntes Landfahrzeug usw., ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug ein halbautonomes oder ein vollständig autonomes Fahrzeug sein. Ein vollständig autonomes Fahrzeug kann sich selbst manövrieren und in der Lage sein, in einer Umgebung ohne menschlichen Eingriff zu navigieren. Das Servolenkungssystem 20 von 1 beinhaltet eine längliche Zahnstange 22, ein Getriebegehäuse 24, eine Lenkwelle 25, einen Lenkhilfsmotor 26, ein Antriebsgehäuse 28 und einen innerhalb des Antriebsgehäuses 28 angeordneten Antriebsmechanismus 30. Der Antriebsmechanismus 30 ist ein Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus und kann Vorrichtungen wie beispielsweise ein Getriebe, Ketten oder Riemen beinhalten.
Das Servolenkungssystem 20 kann auch als elektrisches Servolenkungssystem (EPS) bezeichnet werden. Ein EPS-System beinhaltet einen Elektromotor (d. h. den Lenkhilfsmotor 26), der ausgelegt ist, um ein Hilfsdrehmoment um eine Achse A-A der Lenkwelle 25 zu erzeugen. Das Hilfsdrehmoment kann die Gesamtkraft reduzieren, die erforderlich ist, um ein Lenkrad (nicht dargestellt) des Servolenkungssystems 20 zu drehen. In einer Ausführungsform kann das Servolenkungssystem 20 eine oder mehrere zusätzliche Lenksteuerungen 60 beinhalten, wie beispielsweise eine elektronische Steuereinheit (ECU) für den Lenkhilfsmotor 26. Die Lenksteuerung 60 kann in den Lenkhilfsmotor 26 integriert oder entfernt im Fahrzeug montiert werden (nicht dargestellt). Die Steuerungen 50 und 60 sind eine nicht generalisierte elektronische Steuervorrichtung mit einem vorprogrammierten digitalen Computer oder Prozessor, Speicher oder nicht flüchtigem computerlesbaren Medium zum Speichern von Daten, wie Steuerlogik, Anweisungen, Bilddaten, Nachschlagetabellen usw., und einer Vielzahl von Ein-/Ausgangs-Peripheriegeräten oder Anschlüssen. Die Prozessoren beider Steuerungen 50 und 60 sind konfiguriert, um die Steuerlogik oder Anweisungen auszuführen.
Die Lenksteuerung 60 ist mit dem Lenkhilfsmotor 26 über eine beliebige drahtgebundene Verbindung, wie z. B. ein Fahrzeugbusnetz, elektronisch verbunden. Die Lenksteuerung 60 überträgt ein Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆, das als Eingabe vom Lenkhilfsmotor 26 empfangen wird. Das Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆ zeigt einen Betrag an Drehmomentunterstützung an, den der Lenkmotor 26 erzeugen muss, wenn er die mechanische Kraft erhöht, die von einem Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt wird (nicht dargestellt). Dementsprechend erzeugt der Lenkhilfsmotor 26 als Reaktion auf das Empfangen des Lenkmoment-Assistenzsteuersignals T₂₆ ein Drehmoment des Hilfsmotors T_A.
Es ist zu beachten, dass das Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆ und das Drehmoment des Hilfsmotors T_A beide unbekannte Werte sind. Insbesondere werden die Algorithmen zum Bestimmen des Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆ in einem Speicher der Lenksteuerung 60 gespeichert. Die Steuerung 50 kann jedoch nicht auf die im Speicher der Lenksteuerung 60 gespeicherten Algorithmen zugreifen. Das heißt, die im Speicher der Lenksteuerung 60 gespeicherten Algorithmen sind unbekannt. Wie im Folgenden näher erläutert, ist die Steuerung 50 konfiguriert, um eine Übertragungsfunktion L₁(s) zu bestimmen, die für die vom Servolenkungssystem 20 erzeugte Reaktion repräsentativ ist. Die Steuerung 50 bestimmt die Übertragungsfunktion L₁(s), indem sie entweder das in 4 dargestellte Verfahren 400 oder das in 6 dargestellte Verfahren 600 ausführt (das spezifische Verfahren basiert auf der Konfiguration des Servolenkungssystems 20). Obwohl die Erfindung die Steuerung 50 beschreibt, welche die Übertragungsfunktion L₁(s) bestimmt, ist zu beachten, dass in einer anderen Ausführungsform eine separate Steuerung zum Bestimmen der Übertragungsfunktion L₁(s) verwendet werden kann.
In der nicht einschränkenden Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, ist das Servolenkungssystem 20 ein EPS-System mit Riemenantrieb. Es ist jedoch zu beachten, dass sich das Servolenkungssystem 20 nicht auf die veranschaulichte Konfiguration beschränkt. Tatsächlich kann das Servolenkungssystem 20 jede andere Art von EPS-System sein, wie beispielsweise ein Einzelritzel-EPS-System, ein Doppelritzel-EPS-System oder ein Säulen-EPS-System. Es sollte auch beachtet werden, dass in einigen Ausführungsformen das Servolenkungssystem 20 in einem Steer-by-Wire-System eingesetzt werden kann. Des Weiteren kann das Servolenkungssystem 20 in einigen Ausführungsformen auch in einer Vielzahl von verschiedenen autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden. So ist beispielsweise das Servolenkungssystem 20 in einer Ausführungsform Teil eines vollständig autonomen Fahrzeugsystems, das keine manuellen Bedienelemente wie beispielsweise ein Lenkrad beinhaltet.
In Fortführung von 1 definiert die Zahnstange 22 einen ersten Endabschnitt 33 und einen zweiten Endabschnitt 35, die auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange 22 angeordnet sind. Der Antriebsmechanismus 30 und das Antriebsgehäuse 28 sind näher am zweiten Endabschnitt 35 der Zahnstange 22 im Vergleich zum ersten Endabschnitt 33 positioniert, während das Getriebegehäuse 24 näher am ersten Endabschnitt 33 der Zahnstange 22 im Vergleich zum zweiten Ende der Zahnstange 22 positioniert ist. Eine Motorachse B-B des Lenkhilfsmotors 26 ist in Bezug auf den Antriebsmechanismus 30 ausgerichtet, um die elektrische Unterstützung eines Lenkbetriebs durch den Antriebsmechanismus 30 zu erleichtern.
Das Getriebegehäuse 24 ist im Vergleich zum zweiten Endabschnitt 35 der Zahnstange 22 näher am ersten Endabschnitt 33 der Zahnstange 22 positioniert und enthält ein drehbares Ritzelzahnrad 62. Das Ritzelzahnrad 62 verbindet die Zahnstange 22 mit der Lenkwelle 25. Das Ritzelzahnrad 62 ist konfiguriert, um in einer Hin- und Herbewegung entlang einer linearen Achse R-R der Zahnstange 22 zu verschieben, wobei die Verschiebungsrichtung durch einen doppelköpfigen Pfeil mit der Bezeichnung D1/D2 angezeigt wird. Insbesondere kann das Ritzelzahnrad 62 in eine erste Richtung D1 entlang der linearen Achse R-R zum ersten Endabschnitt 33 der Zahnstange und in eine zweite Richtung D2 zum zweiten Endabschnitt 35 der Zahnstange 22 verschoben werden.
Die Verschiebungsrichtung des Ritzelzahnrads 62 basiert auf der Drehung der Lenkwelle 25. Mit anderen Worten, wenn ein Fahrer ein Lenkrad dreht (nicht dargestellt), verschiebt dies wiederum das Ritzelzahnrad 62 entlang der Zahnstange 22 und zum Lenken der Vorderräder eines Fahrzeugs (nicht dargestellt). So kann beispielsweise das Drehen der Lenkwelle 25 im Uhrzeigersinn um die Achse A-A dazu führen, dass sich das Ritzelzahnrad 62 in die erste Richtung D1 verschiebt, und das Drehen gegen den Uhrzeigersinn um die Achse A-A kann dazu führen, dass das Ritzelzahnrad 62 in die entgegengesetzte zweite Richtung D2 verschoben wird. Die Hin- und Herbewegung in den Richtungen D1 und D2 entlang der linearen Achse R-R bewegt die Zahnstange 22 in eine entsprechende Richtung, um die Vorderräder eines Fahrzeugs zu steuern (nicht dargestellt).
In einigen Ausführungsformen können der Lenkhilfsmotor 26 und das Antriebsgehäuse 28 auf oder entlang der Lenkachse A-A positioniert werden, um eine Säule oder ein Ritzel-EPS-System zu bilden. In einer Ausführungsform kann ein Säulen-EPS-System auch eine Lenksäule und eine Zwischenwelle beinhalten, wobei der Lenkhilfsmotor 26 ein Lenkhilfedrehmoment an einen separaten Antriebsmechanismus liefert, der benachbart zur Lenksäule montiert ist. Im Gegensatz dazu kann ein Ritzel-EPS-System den Lenkhilfsmotor 26 angrenzend an das Getriebegehäuse 24 platzieren, sodass ein Hilfsdrehmoment direkt auf das drehbare Ritzelzahnrad 62 wirkt. Unabhängig von der spezifischen Art der Lenkkonfiguration können eine Vorrichtung 27 und eine Grundplatte 29 verwendet werden, um das Servolenkungssystem 20 in einer Testumgebung zu sichern.
Die Steuerungshardware 40 beinhaltet ein Drehstellglied 42, einen Drehmomentaufnehmer 44 und einen Drehgeber 46. Das Drehstellglied 42, der Drehmomentaufnehmer 44 und der Drehgeber 46 sind jeweils koaxial entlang der Lenkachse A-A miteinander ausgerichtet. In einer Ausführungsform kann das Drehstellglied 42 ein Elektromotor zum Erzeugen von Drehmoment um die Lenkachse A-A sein. Der Drehmomentaufnehmer 44, der mit dem Drehstellglied 42 gekoppelt ist, ist eine beliebige Vorrichtung, die zum Messen eines Drehmoments konfiguriert ist, das von der Lenkwelle 25 des Servolenkungssystems 20 auftritt. Es sollte beachtet werden, dass axiale Variationen in den verschiedenen Komponenten der Steuerungshardware 40 vorhanden sein können. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen eine Verlängerungswelle 45 vorgesehen werden. Die Verlängerungswelle 45 kann wie dargestellt mit der Lenkwelle 25 durch einen Satz von elastischen Kupplungen 48 gekoppelt werden. Die elastischen Kupplungen 48 sind konfiguriert, um die Verbindung des Drehstellglieds 42 mit der Lenkwelle 25 zu erleichtern.
Neben der Verlängerungswelle 45 kann die Steuerungshardware 40 auch einen nachgiebigen Torsionsstab 54 und eine Trägheitsscheibe 52 beinhalten. Sowohl der nachgiebige Torsionsstab 54 als auch die Trägheitsscheibe 52 sind koaxial entlang der Lenkachse A-A angeordnet. Zusammen sind der Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 konfiguriert, um das Verhalten einer Lenksäule und einer Zwischenwelle, Kupplungen und anderer Komponenten zu simulieren, die zum Verbinden eines Lenkrads (nicht dargestellt) mit dem Ritzelzahnrad 62 verwendet werden. Die vom Torsionsstab 54 und von der Trägheitsscheibe 52 erzeugte Elastizität und Trägheit kann je nach Art des Servolenkungssystems 20 variieren und ist konfiguriert, um Steifigkeits- und Trägheitseigenschaften von Abschnitten des Servolenkungssystems 20 zu simulieren, die nicht Teil des Lenkungsprüfsystems 10 sind. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform können die Torsionsstabdrehzahlen von 0,4 Nm/deg für ein nachgiebiges Teil bis 106 Nm/deg für ein steifes Teil reichen.
Der nachgiebige Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 verbinden das Drehstellglied 42 mit der Lenkwelle 25. Das Drehstellglied 42 überträgt über den nachgiebigen Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 eine Lenkeingabe an die Lenkwelle 25. Insbesondere übt das Drehstellglied 42 ein Lenkraddrehmoment um die Lenkachse A-A der Lenkwelle 25 aus, basierend auf einem von der Steuerung 50 empfangenen vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂. Das Lenkraddrehmoment ist von ausreichender Größe, um einer Drehbewegung um die Lenkachse A-A im Wesentlichen zu widerstehen. Insbesondere wird das Drehstellglied 42 in den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ betätigt und hält die Position durch Ausübung des Lenkraddrehmoments aufrecht. Da die Lenkwelle 25 über den nachgiebigen Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 mit dem Drehstellglied 42 verbunden ist, ist die Lenkwelle 25 ebenfalls auf den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ ausgerichtet. In einer Ausführungsform ist der vorgegebene Lenkwinkel Null Grad (0°), was den Winkel darstellt, in dem das Lenkrad (nicht dargestellt) positioniert ist. Es ist jedoch zu beachten, dass der vorgegebene Lenkwinkel θ₄₂ nicht auf Null Grad begrenzt ist. Der Drehgeber 46 ist konfiguriert, um einen Lenkwinkel θ₄₆ der Lenkwelle 25 zu messen. Der Drehmomentaufnehmer 44 ist konfiguriert, um ein Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄ zu messen. Sowohl der Lenkwinkel θ₄₆ als auch das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄ werden durch die Steuerung 50 überwacht.
Das Servolenkungssystem 20 beinhaltet auch mindestens ein Stellglied 49, das mit der Zahnstange 22 gekoppelt ist. Das mindestens eine Stellglied 49 ist konfiguriert, um die Zahnstange 22 in einer im Wesentlichen linearen Richtung zu betätigen. Insbesondere ist das Stellglied 49 konfiguriert, um eine Zahnstangenstörkraft auf die Zahnstange 22 auszuüben, wobei die Zahnstangenstörkraft die Zahnstange 22 betätigt. Die Zahnstangenstörkraft wird in einer im Wesentlichen linearen Richtung aufgebracht. Das heißt, die Zahnstangenstörkraft ist im Wesentlichen parallel zur linearen Achse R-R der Zahnstange 22. Die Steuerung 50 ist elektronisch über eine beliebige drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit jedem der Stellglieder 49, dem Drehstellglied 42, dem Drehmomentaufnehmer 44 und dem Drehgeber 46 verbunden.
In der nicht-einschränkenden Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, sind zwei Stellglieder 49 vorgesehen. Insbesondere ist ein erstes Stellglied 49 am ersten Endabschnitt 33 der Zahnstange 22 und ein zweites Stellglied 49 am zweiten Endabschnitt 35 der Zahnstange 22 angeordnet. Das erste Stellglied 49 und das zweite Stellglied 49 sind jeweils mit einer entsprechenden Zugstange 75 eines Fahrzeugs verbunden (nicht dargestellt). In einem Beispiel kann eines der Stellglieder 49 einen Zahnstangenkrafteingang aufbringen und das verbleibende Stellglied 49 kann Reaktionskräfte bereitstellen. Die Reaktionskraft kann beispielsweise eine Wechselwirkung zwischen den Reifen eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) und einer Fahrbahnoberfläche darstellen. Obwohl das Lenkungsprüfsystem 10 mit zwei Stellgliedern 49 dargestellt ist, ist zu berücksichtigen, dass in einigen Ausführungsformen nur ein Stellglied verwendet werden kann.
Die Steuerung 50 überträgt ein Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉ an die Stellglieder 49. Als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉ üben die Stellglieder 49 die Zahnstangenstörkraft auf die Zahnstange 22 aus. Insbesondere wird die Zahnstangenstörkraft auf die Zahnstange 22 entlang der Achse R-R der Zahnstange 22 ausgeübt, wobei die Frequenz der Zahnstangenstörkraft während eines Frequenzgangs verändert wird. Wie im Folgenden erläutert, regt der Frequenzgang die Steuerungshardware 40 durch Variation der Frequenz der Zahnstangenstörkraft an. Die Steuerung 50 variiert die Frequenz des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉, während die Amplitude der Zahnstangenstörkraft auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Amplitude der Zahnstangenstörkraft stellt die Größe dar. In einigen Ausführungsformen kann die Amplitude beispielsweise in Newton gemessen werden. Des Weiteren wird die Frequenz des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉ über eine Vielzahl von Amplitudenwerten ausgewertet.
Die auf die Zahnstange 22 ausgeübte Zahnstangenstörkraft liegt in Form einer variablen Wellenform vor. So kann beispielsweise die variable Wellenform eine sinusförmige Welle, ein weißes Rauschsignal oder ein Multisinussignal sein. Weißes Rauschen kann Frequenzen im Bereich von etwa 5 bis etwa 30 Hertz in gleichen Mengen enthalten, und eine Multisinuswelle ist ein periodisches Signal, das sich aus einer harmonisch zusammengesetzten Summe von sinusförmigen Komponenten zusammensetzt.
Der Frequenzgang ist ein Indikator für den Frequenzgang des Servolenkungssystems 20 bei unterschiedlichen Amplitudenwerten (d. h. bei unterschiedlichen Kräften). In einer exemplarischen Ausführungsform, ist die auf die Zahnstange 22 ausgeübte Zahnstangenstörkraft eine sinusförmige Welle mit einer Amplitude von etwa 400 Newton und einer Frequenz von etwa 5 Hertz, die etwa acht Sekunden andauert, gefolgt von einer Amplitude von 400 Newton bei 5,5 Hertz für acht Sekunden. Der Frequenzgang kann durch Erhöhen der Frequenz bei etwa 0,5 Hertz fortgesetzt werden, bis der Frequenzwert etwa 30 Hertz erreicht. Ein weiterer Frequenzgang kann dann bei anderen Amplitudenwerten wie beispielsweise 600 Newton, 800 Newton und 1.000 Newton durchgeführt werden. Die Steuerung 50 kann die Daten aufzeichnen, während der Frequenzgang entweder diskret oder kontinuierlich durchgeführt wird. Wie in den 3A und 3B dargestellt, können die Größe (3A) und Phase (3B) des vom Servolenkungssystem 20 erzeugten Frequenzgangs verwendet werden, um andere Attribute des Servolenkungssystems 20 zu bestimmen, wie beispielsweise den Verstärkungsfaktor, die Phasenspanne und die Stabilitätsspanne, ohne darauf beschränkt zu sein.
2 verdeutlicht das in 1 dargestellte Lenksystem 20 als Steuerungssystem 100. Das Steuerungssystem 100 empfängt als Eingabe eine Zahnstangenstörkraft 120. Die Zahnstangenstörkraft 120 stellt die Axialkraft dar, die von den Stellgliedern 49 (1) als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉ ausgeübt wird. (1). In der Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, stellt das Steuerungssystem 100 jedes EPS-System dar, das sich in Fahrzeugen befinden kann, die keine Steer-by-Wire- oder autonome Steuerung verwenden. Stattdessen wird, wie nachstehend erläutert und in 5 dargestellt, ein Positioniersteuerungssystem 500 mit einer Vorsteuerung verwendet, um ein EPS-System darzustellen, das sich in einem Steer-by-Wire oder einem autonomen Fahrzeug befindet.
Unter Bezugnahme auf die beiden 1 und 2 bestimmt der in der Lenksteuerung 60 gespeicherte vorbestimmte Hilfsmomentregelalgorithmus (1), der durch Block 104 in 2 angezeigt wird, das Lenkmomentstützsteuersignal T₂₆. Der Lenkhilfsmotor 26 (einschließlich eines durch Block 106 in 2 angegebenen Regelalgorithmus) erzeugt das Drehmoment des Hilfsmotors T_A basierend auf dem Steuersignal T₂₆. Das Drehmoment des Hilfsmotors T_A wird mechanisch über den Antriebsmechanismus 30 und andere mechanische Komponenten des Servolenkungssystems 20 in das Lenkradhilfsmoment SWT_A umgewandelt. Die mechanische Übertragungsfunktion vom Hilfsmotordrehmoment T_A auf das Lenkradhilfsmoment SWT_A wird durch Block 108 in 2 dargestellt. Die Regelalgorithmen und mechanischen Eigenschaften der Blöcke 104, 106 und 108 sind unbekannt.
Eine mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ mit der Zahnstangenstörkraft 120 als Eingabe wird durch Block 102 dargestellt. Die Ausgabe der mechanischen Übertragungsfunktion MTF₁ wird mit dem Lenkradhilfsmoment SWT_A von Block 108 an einem Summierungsknoten 110 kombiniert, um eine Ausgabe des Servolenkungssystems 20 zu erzeugen. Insbesondere ist die Ausgabe ein Lenkraddrehmoment (SWT). Das Lenkraddrehmoment SWT stellt ein internes Lenkraddrehmoment dar, das durch die Zahnstangenstörkräfte erzeugt wird. Das Lenkraddrehmoment SWT ist unbekannt, weshalb das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄ (1) als Näherungswert verwendet werden.
Die mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ basiert auf der Deaktivierung des Lenkhilfsmotors 26. Insbesondere wird der Lenkhilfsmotor 26 so deaktiviert, dass kein Drehmoment erzeugt wird. So kann beispielsweise in einer Annäherung der Lenkhilfsmotor 26 durch Abschalten der Stromversorgung deaktiviert werden. Die mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ wird durch die Steuerung 50 berechnet, indem der Lenkhilfsmotor 26 deaktiviert und die Zahnstangenstörkraft durch die Stellglieder 49 aufgebracht wird. Mit anderen Worten, stellt die mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ die Wirkung oder den Einfluss der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment SWT (d. h. das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄) dar und wird in Gleichung 1 ausgedrückt als: $R D F 2 S W T_{n a} (s) = M T F_{1} (s) = \frac{S W T_{n a} (s)}{R D F_{n a} (s)}$
wobei RDF2SWT_na(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment SWT ohne Unterstützung durch den Hilfemotor 26 darstellt, SWT_na das Lenkraddrehmoment ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor 26 ist, RDF_na eine Zahnstangenstörkraft ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor 26 ist, und die Variable s die Laplace-Variable ist.
Sobald die mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ berechnet ist, bestimmt die Steuerung 50 eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment SWT beim Aktivieren des Lenkhilfsmotors 26. Das heißt, es wird zunächst ein Frequenzgang mit aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 durchgeführt. Die Steuerung 50 berechnet dann Gleichung 2, die wie folgt lautet: $R D F 2 S W T_{w a} (s) = M T F_{1} (s) = \frac{S W T_{w a} (s)}{R D F_{w a} (s)}$
wobei RDF2SWT_wa(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment SWT bei aktiviertem Hilfsmotor 26 darstellt, SWT_wa das Lenkraddrehmoment bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 ist, RDF_wa eine Zahnstangenstörkraft bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 ist und die Variable s die Laplace-Variable ist. Die Übertragungsfunktion kann mit einer MATLAB-Funktion, wie beispielsweise tfSchätzen, einer Fast-Fourier-Transformation oder anderen geeigneten Techniken geschätzt werden. Das Verfahren zum Berechnen der Übertragungsfunktion L₁(s) wird im Folgenden näher beschrieben.
In der in 2 veranschaulichten Ausführungsform ist das Steuerungssystem 100 ein Rückmeldesystem. Mit anderen Worten wird der Abtrieb (d. h. das Lenkraddrehmoment SWT) in die Eingabe (d. h. den vorgegebenen Hilfsdrehmomentregelalgorithmus 104) zurückgeführt. Die Steuerung 50 (1) führt den vorgegebenen Hilfsdrehmomentalgorithmus 104 aus, um das Hilfsdrehmoment-Steuersignal T₂₆ zu bestimmen. Der vorgegebene Hilfsdrehmomentalgorithmus 104 berechnet das Hilfsdrehmoment-Steuersignal T₂₆ basierend auf dem letzten Wert des Lenkraddrehmoments SWT. Das Open-Loop-System ist durch ein gestricheltes Kästchen 122 in 2 mit der Bezeichnung [L₁(s) x (-1)]) gekennzeichnet. Mit anderen Worten entspricht das Open-Loop-System 122 dem negativen Wert der Übertragungsfunktion L₁(s). Unter Bezugnahme auf die beiden 1 und 2 wird die Übertragungsfunktion L₁(s) durch die Gleichung 3 wie folgt bestimmt: $L_{1} (s) = \frac{R D F 2 S W T_{n a} (s)}{R D F 2 S W T_{w a} (s)} - 1$
Das heißt, die Übertragungsfunktion L₁(s) wird bestimmt, indem die Übertragungsfunktion RDF2SWT_na(s) mit der Übertragungsfunktion RDF2SWT_wa(s) zum Bestimmen eines Quotienten geteilt und dann der Wert eins vom Quotienten subtrahiert wird. Der negative Wert der Übertragungsfunktion L₁(s) stellt die Übertragungsfunktion der drei Blöcke des Open-Loop-Systems 122 dar, nämlich den vorgegebenen Hilfsdrehmomentregelalgorithmus oder Block 104, den Lenkhilfsmotor mit seinem Regelalgorithmus oder Block 106 und die mechanische Übertragungsfunktion vom Hilfsmotordrehmoment T_A auf das Lenkradhilfsmoment SWT_A oder Block 108.
3A veranschaulicht einen exemplarischen Größenverlauf und 3B veranschaulicht einen exemplarischen Phasenverlauf des in 1 dargestellten Servolenkungssystems 20. Der Frequenzgang des Servolenkungssystems 20 (1) ist ein Maß für die Größe und die Phasenlage der Ausgabe (d. h. das Lenkraddrehmoment SWT) in Abhängigkeit von der Frequenz im Vergleich zur Eingabe (d. h. die Zahnstangenstörkraft). Die durchgehenden und gestrichelten Linien stellen einen geschätzten oder berechneten Frequenzgang verschiedener Implementierungen des Servolenkungssystems 20 dar.
Unter Bezugnahme auf die 1, 3A und 3B wurde ein exemplarischer Frequenzgang bei Frequenzen von etwa 5 bis etwa 30 Hertz und bei Amplituden von etwa 400, 600, 800 und 1.000 Newton durchgeführt. Des Weiteren wurde der Frequenzgang mit und ohne Aktivierung des Lenkhilfsmotors 26 durchgeführt. Mit anderen Worten bestimmt die Steuerung 50 das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉, das zum Erzeugen eines ersten Frequenzgangs benötigt wird. Der Lenkhilfsmotor 26 wird während des ersten Frequenzgangs deaktiviert. So kann beispielsweise die Lenksteuerung 60 deaktiviert oder ausgeschaltet werden, während der erste Frequenzgang durchgeführt wird. Die Steuerung 50 bestimmt auch das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉, das zum Erzeugen eines zweiten Frequenzgangs benötigt wird. Der zweite Frequenzgang wird ähnlich wie der erste Frequenzgang durchgeführt, jedoch ist nun der Lenkhilfsmotor 26 aktiviert.
3A veranschaulicht eine Spitzenreaktion 198, die den Spitzenamplitudenwert der Größe darstellt. In dem dargestellten Beispiel liegen die Spitzenamplitudenwerte zwischen etwa 15 und etwa 19 Dezibel (dB). Sowohl die Größenreaktion in 3A als auch die in 3B dargestellte Phasenreaktion beinhalten ebenfalls eine gedämpfte Reaktion 202. In einigen Ausführungsformen kann die gedämpfte Reaktion 202 durch einen Kerbfilter erzeugt werden.
Nachdem die Übertragungsfunktion L₁(s) bestimmt wurde, können andere Attribute des Servolenkungssystems 20 (1) geschätzt werden, wie beispielsweise der Verstärkungsfaktor, der Phasenfaktor und der Stabilitätsfaktor. Systeme mit einer höheren Verstärkungs- und Phasenspanne sind in der Lage, größeren Änderungen der Systemparameter standzuhalten, bevor sie instabil werden. Mit Blick nun auf 3C wird ein Diagramm mit einem exemplarischen Größendiagramm 130 und einem Phasendiagramm 132 zur Veranschaulichung der Berechnung von Verstärkungsspanne und Phasenspanne eines Systems bereitgestellt. Das Größendiagramm 130 veranschaulicht eine Verstärkungsspanne G_m, und das Phasendiagramm 132 veranschaulicht eine Phasenspanne φm.
Die Verstärkungsspanne G_m stellt eine zusätzliche Menge einer Verstärkung dar, die erforderlich ist, damit die Größe (normalerweise in dB gemessen) 0 erreicht, wenn die Phase des Systems -180 Grad beträgt. Das heißt, die Steuerung 50 (1) bestimmt die Verstärkungsspanne G_m des Servolenkungssystems 20 durch Berechnen eines zusätzlichen Verstärkungsbetrags, der für die Größe von 0 dB erforderlich ist, wenn die Phase des Servolenkungssystems 20 -180 Grad beträgt. Die Steuerung 50 bestimmt die Phasenspanne φ_m des Servolenkungssystems 20, indem sie die für das Servolenkungssystem 20 erforderliche Phasenverschiebung von -180 Grad berechnet, wenn die Größe 0 Dezibel beträgt.
Das Nyquist-Stabilitätskriterium ist eine grafische Technik zum Bestimmen der Stabilität eines Rückkopplungssteuerungssystems. Die Technik beinhaltet das Erstellen eines Nyquist-Plots, der zum Bestimmen der Verstärkungsspanne, der Phasenspanne und der Stabilitätsspanne verwendet wird. Die Steuerung 50 bestimmt die Verstärkungsspanne G_m als kleinste Verstärkungszunahme, um eine Einkreisung um einen kritischen Punkt zu erzeugen. Der Nyquist-Plot beinhaltet auch die Phasenspanne φ_m, die als kleinste Phasenänderung gezeichnet wird, um eine Einkreisung um den kritischen Punkt zu erzeugen. Der kritische Punkt wird auf dem Niquist-Plot als -1 dargestellt.
Die Stabilitätsspanne kann auch basierend auf dem Nyquist-Plot berechnet werden. Insbesondere ist die Stabilitätsspanne der kürzeste Abstand zu -1 auf dem Niquist-Plot. Obwohl die Verstärkungsspanne, die Phasenspanne und die Stabilitätsspanne beschrieben sind, kann die Steuerung andere Attribute des Servolenkungssystems 20 bestimmen, wie beispielsweise die Leistung und Bandbreite der Störunterdrückung.
4 ist ein Prozessablaufdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren 400 zum Bestimmen der Übertragungsfunktion L₁(s) (dargestellt in 2) veranschaulicht, welche die vom Servolenkungssystem 20 erzeugte Reaktion anzeigt. Im Allgemeinen unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 4 beginnt das Verfahren bei Block 402. In Block 402 überträgt die Steuerung 50 den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ an das Drehstellglied 42. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 404 übergehen.
In Block 404 wird als Reaktion auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels θ₄₂ von der Steuerung 50 das Drehstellglied 42 auf den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ betätigt und hält die Position durch das Ausüben des Lenkraddrehmoments. Wie vorstehend erwähnt, da die Lenkwelle 25 über den nachgiebigen Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 mit dem Drehstellglied 42 verbunden ist, ist die Lenkwelle 25 ebenfalls auf den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ ausgerichtet. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 406 übergehen.
In Block 406 überträgt die Steuerung 50 das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉ an die Stellglieder 49. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 408 übergehen.
In Block 408 erzeugen die Stellglieder 49 als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉ die Zahnstangenstörkraft, die auf die Zahnstange 22 ausgeübt wird. Wie vorstehend erläutert, bestimmt die Steuerung 50 das Steuersignal für die Zahnstangenstörkraft F₄₉, das zum Erzeugen des ersten Frequenzgangs benötigt wird, wobei der Lenkhilfsmotor 26 deaktiviert ist. Die Steuerung 50 bestimmt auch das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉, das zum Erzeugen des zweiten Frequenzgangs benötigt wird, wobei der Lenkhilfsmotor 26 aktiviert ist. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 410 übergehen.
In Block 410 überwacht die Steuerung 50 den Drehmomentaufnehmer 44 auf das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄, das ein Messwert ist. Wie vorstehend erwähnt, entspricht das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄ ungefähr dem in 2 dargestellten Lenkraddrehmoment SWT. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 412 übergehen.
In Block 412 bestimmt die Steuerung 50 die Übertragungsfunktion L₁(s) basierend auf dem Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄, das der Drehmomentaufnehmer 44 während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs beobachtet. Das Lenkabtriebsdrehmoment T₄₄ zeigt das Verhalten des Servolenkungssystems 20 an. Die Übertragungsfunktion L₁(s) wird basierend auf der vorstehend beschriebenen Gleichung 3 bestimmt. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 414 übergehen.
In Block 414 bestimmt die Steuerung 50 die Verstärkungsspanne G_m und die Phasenspanne φ_m basierend auf der Größenreaktion und der Phasenreaktion. Wie vorstehend erwähnt, wird die Stabilitätsspanne basierend auf einem Nyquist-Plot der Verstärkungsspanne G_m und der Phasenspanne φ_m bestimmt. Das Verfahren 400 kann dann enden.
Mit Blick nun auf 5 wird das geschlossenschleifige Positionssteuerungssystem 500 einschließlich der Vorsteuerung dargestellt. Es ist zu beachten, dass das in 2 dargestellte System auf einem EPS-System mit einer Zwischenwelle basiert, welche die Lenksäule mit der Zahnstange verbindet. Im Gegensatz dazu weisen Steer-by-Wire-Systeme keine Zwischenwelle auf. Das heißt, es besteht keine physikalische Verbindung zwischen Lenksäule und Zahnstange. Stattdessen kann eine mit Emulationsfunktionen ausgestattete Lenksäule oder ein Lenkungsemulator einem Fahrer über ein verbundenes Lenkrad eine Lenkrückmeldung bereitstellen. Bei einem Steer-by-Wire-System ist die Eingangswelle des Lenkungsemulators mit dem in 1 dargestellten Steuerungssystem 40 verbunden und ersetzt die Lenkwelle 25 eines herkömmlichen EPS-Systems. Einige autonome Fahrzeuge können auch die Steer-by-Wire-Technologie verwenden. Das Steuerungssystem 500 stellt ein Steer-by-Wire-System dar, das keine physikalische Verbindung zwischen Lenksäule und Zahnstange aufweist.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet das Steuerungssystem 500 einen vorbestimmten Positionsteuerungsalgorithmus 504, der in der Lenksteuerung 60 gespeichert ist (1), der auf einer Rückkopplungssteuerung basiert. In einer Ausführungsform kann auch ein zusätzlicher Vorsteuerungsalgorithmus 505 einbezogen werden. Anstatt das Lenkraddrehmoment SWT als Ausgabe des Servolenkungssystems 20 zu messen (1), misst das Steuerungssystem 500 einen Lenkwinkel SWA. Der Lenkwinkel SWA ist der Lenkwinkel θ₄₆, gemessen mit dem Drehgeber 46 in 1. In einer weiteren Ausführungsform kann der Lenkwinkel SWA von Sensoren (nicht dargestellt) erhalten werden, die sich entlang der Lenkachse A-A der Lenkwelle 25 befinden, oder alternativ durch eine indirekte Annäherung basierend auf Zahnstangenpositionssignalen entlang der Achse R-R der Zahnstange 22 (1).
In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist für das Steuerungssystem 500 eine Eingabe 550 vorgesehen, die einen vorgegebenen Lenkwinkel anzeigt. In einer Ausführungsform kann die Eingabe 550 ein autonomer Befehl zum Manövrieren und Navigieren eines Fahrzeugs sein. Der autonome Befehl kann von der Steuerung 50 an die Lenksteuerung 60 über eine Kommunikationsverbindung T₄₃ übertragen werden, wie in 1 dargestellt. Alternativ kann die Eingabe 550 auch von einem Fahrer erzeugt werden, der ein Lenkrad betätigt (nicht dargestellt). Es ist zu beachten, dass die Eingabe 550 in manchen Fällen Null sein kann. Mit anderen Worten ist der autonome Befehl, das Lenkrad bei Null Grad zu halten. Alternativ bedeutet dies, dass der Fahrer das Lenkrad des Fahrzeugs nicht bewegt, wenn das Fahrzeug nicht autonom gesteuert wird.
Die Eingabe 550 wird mit dem Lenkwinkel SWA an einer Verbindungsstelle 552 kombiniert. Die Differenz zwischen dem vom Drehgeber 46 gemessenen Lenkwinkel SWA und der Eingabe 550 stellt den Fehler E in der Steuerung 500 dar. Mit anderen Worten wird der tatsächliche Lenkwinkel SWA mit dem vorgegebenen Lenkwinkel verglichen, um den Fehler E zu bestimmen. Wie in 5 zu sehen ist, wird der Fehler E dann dem Hilfsmomentregelalgorithmus 504 zur Verfügung gestellt.
Die Ausgabe sowohl des Positionsteuerungsalgorithmus 504 als auch des Vorsteuerungsalgorithmus 505 wird an einem Summierungspunkt 554 kombiniert. Die Summe der Ergebnisse der beiden Algorithmen 504 und 505 erzeugt das Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆. Wie vorstehend erwähnt, erzeugt der Lenkhilfsmotor 26 das Drehmoment des Hilfsmotors T_A (der Lenkhilfsmotor 26 einschließlich eines entsprechenden Steueralgorithmus wird durch Block 506 in 5 dargestellt) basierend auf dem Lenkmoment-Assistenzsteuersignal T₂₆. Das Hilfsmotordrehmoment T_A erzeugt über den Antriebsmechanismus 30 und andere mechanische Komponenten des Servolenkungssystems 20 den Lenkradhilfswinkel SWA_A. Die mechanische Übertragungsfunktion vom Hilfsmotordrehmoment T_A auf das Lenkradhilfswinkel SWA_A wird durch Block 508 in 5 dargestellt.
Die Reaktion des Steuerungssystems 500 basiert auf der Übertragungsfunktion L₁(s) (dargestellt in 5) und den Auswirkungen des Vorsteuerblocks 505 zum Lenkwinkel SWA. Unter Bezugnahme auf die beiden 1 und 5 basiert die erste mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ auf der Zahnstangenstörkraft 120 und wird durch Block 502 angezeigt. Die Ausgabe der mechanischen Übertragungsfunktion MTF₁ und des Lenkradhilfswinkels SWA_A aus Block 508 werden an einem Summierungsknoten 510 kombiniert, um den Lenkwinkel SWA zu erzeugen. Der Lenkwinkel SWA stellt die Winkelverschiebung der Lenkwelle 25 als Reaktion auf die durch die Stellglieder 49 auf die Zahnstange 22 ausgeübte Zahnstangenstörkraft dar. Mit anderen Worten und obwohl das Drehstellglied 42 seine Position beibehält und die Lenkwelle 25 über den nachgiebigen Torsionsstab 54 und die Trägheitsscheibe 52 mit dem Drehstellglied verbunden ist, kann als Reaktion auf die Ausübung der Zahnstangenstörkraft 102 noch eine gewisse Drehung auftreten. In einer Ausführungsform kann sich die Lenkwelle 25 um etwa 3,5 Grad drehen.
Die mechanische Übertragungsfunktion MTF₁ basiert auf der Deaktivierung des Lenkhilfsmotors 26 und wird in Gleichung 4 ausgedrückt als: $R D F 2 S W A_{n a} (s) = M T F_{1} (s) = \frac{S W A_{n a} (s)}{R D F_{n a} (s)}$
wobei RDF2SWA_a(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf den Lenkradwinkel SWA ohne Unterstützung durch den Hilfemotor 26 darstellt, SWA_na der Lenkwinkel ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor 26 ist und RDF_na eine Zahnstangenstörkraft ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor 26 ist.
Bevor die Übertragungsfunktion L₁(s) bestimmt wird, bestimmt die Steuerung 50 eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf den Lenkwinkel SWA, wenn der Lenkhilfsmotor 26 aktiviert ist und die Eingabe 550 Null ist. Das heißt, es wird zunächst ein Frequenzgang mit aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 durchgeführt. Die Steuerung 50 berechnet dann Gleichung 5, die wie folgt lautet: $R D F 2 S W A_{w a} (s) = \frac{S W T_{w a} (s)}{R D F_{w a} (s)}$
wobei RDF2SWA_wa(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkradwinkel SWA bei aktiviertem Hilfsmotor 26 darstellt, SWA_wa der Lenkwinkel SWA bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 ist, und RDF_wa eine Zahnstangenstörkraft bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 ist. Die Übertragungsfunktion L₁(s) wird durch die Gleichung 6 wie folgt bestimmt: $L_{1} (s) = \frac{R D F 2 S W A_{n a} (s)}{R D F 2 S W A_{w a} (s)} - 1$
Das heißt, die Open-Loop-Übertragungsfunktion L₁(s) wird bestimmt, indem die Übertragungsfunktion RDF2SWA_na(s) mit der Übertragungsfunktion RDF2SWA_wa(s) geteilt wird, um einen Quotienten zu bestimmen, und dann der Wert eins vom Quotienten subtrahiert wird. Die Übertragungsfunktion L₁(s) stellt die drei Blöcke des Open-Loop-Systems 522 dar, nämlich den vorgegebenen Positionssteuerungsalgorithmus 504, den Lenkhilfsmotor mit seinem Steueralgorithmus oder Block 506 und die mechanische Übertragungsfunktion vom Drehmoment T_A des Hilfsmotors auf den Lenkradhilfswinkel SWA_A oder Block 508.
Nachdem die Übertragungsfunktion L₁(s) für das Open-Loop-System 522 bestimmt wurde, identifiziert die Steuerung 50 dann die Vorsteuereffekte auf den Lenkwinkel SWA. Die Steuerung 50 identifiziert den Vorsteuerungsregelalgorithmus 505, indem sie zuerst die Stellglieder 49 trennt. Die Steuerung 50 überwacht dann den Drehgeber 46, um die Auswirkungen des Vorsteueralgorithmus 505 auf den Lenkwinkel SWA zu bestimmen. Das bedeutet, dass die einzige Eingabe, die das Steuerungssystem 500 erhält, die Eingabe 550 ist. Mit anderen Worten, um die Auswirkungen des Vorsteuerregelalgorithmus 505 zu bestimmen, wird die Zahnstangenstörkraft 120 auf Null gesetzt und das Steuerungssystem 500 empfängt nur die Eingabe 550. Es ist zu beachten, dass der Istwert des Vorsteueralgorithmus 505 nicht erforderlich ist.
Ein Ansatz zum Bestimmen der Auswirkungen des Vorsteueralgorithmus 505 auf das Servolenkungssystem 20 wird nun näher beschrieben. Es ist zu beachten, dass eine perfekte oder ideale Vorsteuerung dazu führen würde, dass das Produkt der Übertragungsfunktionen für die Blöcke 505, 506 und 508 gleich eins ist (505 x 506 x 508 = 1). Ein idealer Vorsteueralgorithmus 505 ist einer, bei dem eine entsprechende Übertragungsfunktion die Invertierung des Produkts der Übertragungsfunktionen für die Blöcke 506 und 508 ist, weshalb der Lenkwinkel SWA genau der Eingabe 550 folgt und der Fehler E Null ist. Um das Produkt der Übertragungsfunktionen für die Blöcke 505, 506 und 508 und damit die Auswirkungen des Vorsteueralgorithmus 505 zu bestimmen, wird ein dritter Frequenzgang durchgeführt. Der dritte Frequenzgang kann auch als Lenkwinkel-Frequenzgang bezeichnet werden.
Die Steuerung 50 bestimmt zunächst das Lenkwinkelbefehlssignal, das zum Erzeugen des Lenkwinkel-Frequenzgangs benötigt wird. Der Lenkwinkel-Frequenzgang erfolgt durch Übertragen des Lenkwinkelbefehlssignals für den Lenkwinkel-Frequenzgang, wie die Eingabe 550 an das Steuerungssystem 500 (5), von der Steuerung 50 an die Lenksteuerung 60 über die Kommunikationsverbindung T43 (1), während der Lenkhilfsmotor 26 aktiviert ist. Die Steuerung 50 bestimmt eine geschätzte Übertragungsfunktion aus dem Lenkwinkelbefehl 550 auf den Lenkwinkel SWA, der als Cmd2SWA_FF(s) bezeichnet wird und auf dem vom Drehgeber 46 gemessenen Lenkwinkel θ₄₆ basiert. Die geschätzte Übertragungsfunktion Cmd2SWA_FF(s) vom Lenkwinkelbefehl 550 auf den Lenkwinkel SWA wird in Gleichung 7 bestimmt als: $Cmd 2 {SWA}_{FF} (s) = \frac{S W A_{f f} (s)}{550_{f f} (s)}$
wobei SWA_ff der Lenkwinkel bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 und deaktiviertem Stellglied 49 ist, und 550_ff der vorgegebene Lenkwinkel bei aktiviertem Lenkhilfsmotor 26 und deaktiviertem Stellglied 49 ist. Eine Übertragungsfunktion, die das Produkt der Übertragungsfunktionen für die Blöcke 505, 506 und 508 darstellt, wird dann durch die Gleichung 8 wie folgt bestimmt: $505 \times 506 \times 508 (s) = Cmd 2 {SWA}_{FF} (s) \times [1 + L_{1} (s)] - L_{1} (s)$
Wie in 5 zu sehen ist, ist der Vorsteuerregelalgorithmus 505 mit dem Block 506 (der den Lenkhilfsmotor 26 in 1 einschließlich seines Steueralgorithmus darstellt) und dem Block 508 (der die mechanische Übertragungsfunktion vom Drehmoment des Hilfsmotors T_A in 1 darstellt) auf den Lenkradhilfswinkel SWA_A in Reihe geschaltet. Nachdem die Vorsteuereffekte bestimmt sind, kann die Steuerung 50 weitere Attribute des Servolenkungssystems 20 bestimmen, wie beispielsweise die Verstärkungsspanne, die Phasenspanne und die Stabilitätsspanne, die vorstehend beschrieben sind. Andere Attribute wie Bandbreite und Lenkwinkel-Trackingleistung können ebenfalls bestimmt werden.
Daher ist zu beachten, dass für ein Steer-by-Wire- oder ein autonomes Lenksystem ein erster Frequenzgang, ein zweiter Frequenzgang und der Lenkwinkel-Frequenzgang (auch als dritter Frequenzgang bezeichnet) durchgeführt werden sollen. Der erste Frequenzgang und der zweite Frequenzgang werden beide durch die Zahnstangenstellglieder 49 (die in 1 dargestellt sind) durchgeführt. Der Lenkhilfsmotor 26 wird deaktiviert und das Drehstellglied 42 wird während des ersten Frequenzdurchlaufs deaktiviert. Der Lenkhilfsmotor 26 wird während des zweiten Frequenzgangs aktiviert. Insbesondere wird während des zweiten Frequenzgangs das Drehstellglied 42 aktiviert und der vorgegebene Lenkwinkel θ₄₂ zum Beibehalten seines aktuellen Wertes angewiesen, wenn ein Steer-by-Wire-System eingesetzt wird. Wenn das Lenksystem 20 jedoch für den autonomen Betrieb bestimmt ist, wird das Drehstellglied 42 deaktiviert und der vorgegebene Lenkwinkel θ₄₂ (der über die Kommunikationsverbindung T₄₃ übermittelt wird, auf Null gesetzt.
Im Gegensatz dazu verwendet der Lenkwinkel-Frequenzgang nicht die Zahnstangenstellglieder 49. Stattdessen basiert der Lenkwinkel-Frequenzgang auf der Änderung des vorgegebenen Lenkwinkels θ₄₂. Das Ändern des vorgegebenen Lenkwinkels θ₄₂ ist ähnlich wie das Ändern der Zahnstangenstörkraft, mit der Ausnahme, dass die maximalen Winkelamplituden etwa 15°, 30° und 90° betragen können. Es ist zu beachten, dass die Spitzenamplituden basierend auf einer maximalen Winkelgeschwindigkeit für jede gegebene Frequenz reduziert werden können. So kann beispielsweise die maximale Winkelgeschwindigkeit bei 500°/s begrenzt werden, sodass die Spitzenamplitude auf 500/(2πf) begrenzt ist, wobei f die Frequenz ist. Es ist auch zu beachten, dass das Zahnstangenstellglied 49 nicht einfach deaktiviert, sondern ausgerückt ist (d. h. physikalisch vom System getrennt ist). Dadurch wird sichergestellt, dass keine Störungen übertragen werden und dass die Kraft ein Nullwert ist.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung insgesamt fünf Frequenzgänge beschreibt. Das heißt, es werden zwei Frequenzgänge durchgeführt, um den Frequenzgang eines EPS-Systems zu bestimmen, das keine Steer-by-Wire- oder autonome Steuerung verwendet (d. h. die Ausführungsform wie in 2 dargestellt). Es werden drei Frequenzgänge beschrieben, um den Frequenzgang eines EPS-Systems zu bestimmen, das Teil eines Steer-by-Wire- oder autonomen Fahrzeugs ist (d. h. die Ausführungsform wie in 5 dargestellt). Insbesondere ist zu beachten, dass der erste Frequenzgang, der zweite Frequenzgang und der Lenkwinkel-Frequenzgang für ein Steer-by-Wire- oder ein autonomes Lenksystem durchgeführt werden sollen.
Die Frequenzgänge für die Ausführungsformen, wie sie in den beiden 2 und 5 beschrieben sind (d. h. ein EPS-System, das keine Steer-by-Wire- oder autonome Steuerung verwendet, sowie ein EPS-System, das Teil eines Steer-by-Wire- oder autonomen Fahrzeugs ist), bei denen der Lenkhilfsmotor 26 aktiviert ist, können bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten ausgeführt werden. So können beispielsweise die Frequenzgänge bei 0 km/h und bei 100 km/h durchgeführt werden. Dies liegt daran, dass die Systemreaktion aufgrund von Kalibrierdifferenzen variieren kann. Ein simuliertes Fahrzeuggeschwindigkeitssignal kann von der Steuerung 50 über die Kommunikationsverbindung T₄₃ an die Lenksteuerung 60 gesendet werden, um verschiedene Stufen der kalibrierten Unterstützung einzustellen.
6 ist ein Prozessablaufdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren 600 zum Bestimmen der Übertragungsfunktion L₁(s) und die Effekte des Vorsteueralgorithmus 505 des Steuerungssystems 500 in 5 veranschaulicht. Im Allgemeinen unter Bezugnahme auf die 1, 5 und 6 beginnt das Verfahren bei Block 602. In Block 602 kann die Lenksteuerung 60 als Eingabe 550 von der Steuerung 50 einen Wert ungleich Null empfangen. Wie bereits erwähnt, kann in einigen Ausführungsformen die Eingabe 550 Null sein (d. h. das Lenkrad wird in einem Winkel von Null Grad gehalten). Mit anderen Worten, der Block 602 ist optional. Das Verfahren 600 kann dann mit Block 604 oder, bei autonomen Fahrzeugen ohne Lenkrad, mit Block 608 fortfahren.
In Block 604 überträgt die Steuerung 50 den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ an das Drehstellglied 42. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 606 übergehen.
In Block 606 wird als Reaktion auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels θ₄₂ von der Steuerung 50 das Drehstellglied 42 auf den vorgegebenen Lenkwinkel θ₄₂ betätigt und hält die Position durch das Ausüben des Lenkraddrehmoments. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 608 übergehen.
In Block 608 überträgt die Steuerung 50 das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉ an die Stellglieder 49. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 610 übergehen.
In Block 610 erzeugen die Stellglieder 49 als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals F₄₉ die Zahnstangenstörkraft, die auf die Zahnstange 22 ausgeübt wird. Wie vorstehend erläutert, bestimmt die Steuerung 50 das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉, das zum Erzeugen eines ersten Frequenzgangs benötigt wird. Der Lenkhilfsmotor 26 wird während des ersten Frequenzgangs deaktiviert, und das Drehstellglied 42 wird ausgerückt. Die Steuerung 50 bestimmt auch das Zahnstangenstörkraft-Steuersignal F₄₉, das zum Erzeugen des zweiten Frequenzgangs benötigt wird, wobei der zweite Frequenzgang vorstehend beschrieben wird. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 612 übergehen.
In Block 612 überwacht die Steuerung 50 den Drehgeber 46 auf den Lenkwinkel SWA. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 614 übergehen.
In Block 614 bestimmt die Steuerung 50 die Übertragungsfunktion L₁(s) basierend auf dem Lenkwinkel SWA, den der Drehgeber 46 während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs beobachtet. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 616 übergehen.
In Block 616 bestimmt die Steuerung 50 die Auswirkungen des Vorsteuerregelalgorithmus 505. Es ist zu beachten, dass der Block 616 optional ist. Insbesondere, wenn die Eingabe 550 Null ist, kann der Block 616 entfallen. Die Auswirkungen des Vorsteuerregelalgorithmus 505 können basierend auf dem dritten Frequenzgang, der auch als Lenkwinkel-Frequenzgang bezeichnet wird, bestimmt werden. Sobald die Auswirkungen des Vorsteueralgorithmus 505 bestimmt sind, kann das Verfahren 600 enden.
Im Allgemeinen auf die Figuren bezogen, sieht das offenbarte System und Verfahren verschiedene technische Auswirkungen und Vorteile beim Bestimmen des Frequenzgangs des Servolenkungssystems vor. Insbesondere erfordert der offenbarte Ansatz keinen Zugriff auf die Steueralgorithmen, die zum Berechnen des vom Lenkhilfsmotor erzeugten Hilfsdrehmoments beim Bestimmen des Frequenzgangs verwendet werden. Systeme und Verfahren, die derzeit zum Bestimmen des Frequenzgangs eines Servolenkungssystems verfügbar sind, erfordern typischerweise Kenntnisse der Algorithmen zum Steuern des Lenkhilfsmotors. Für den Fall, dass die Algorithmen nicht zugänglich sind, besteht ein alternativer Ansatz darin, die mechanischen Eigenschaften jeder Komponente zu messen. Die Messung aller Lenksystemkomponenten kann jedoch zeitaufwändig und mühsam werden. Im Gegensatz dazu bestimmen das offenbarte System und Verfahren das Verhalten des Servolenkungssystems durch Aufbringen einer Störkraft auf die Zahnstange und bestimmen den Frequenzgang des Servolenkungssystems. Somit benötigt das offenbarte System im Gegensatz zu einigen derzeit verfügbaren Lenksystemen keinen Zugriff auf die verschiedenen Algorithmen zum Steuern des Lenkhilfsmotors.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der Erfindung entfernen, werden als im Rahmen der Erfindung befindlich vorausgesetzt. Solche Varianten sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Verfahren (400) zum Bestimmen eines Frequenzgangs eines Servolenkungssystems (20) mit einem Lenkhilfsmotor (26), der konfiguriert ist, um beim Aktivieren ein Hilfsdrehmoment um eine Achse einer Lenkwelle (25) zu erzeugen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Übertragen (402) eines vorgegebenen Lenkwinkels (θ₄₂) über eine Steuerung (50) an ein mit der Lenkwelle (25) verbundenes Drehstellglied (42); als Reaktion (404) auf das Empfangen des vorgegebenen Lenkwinkels (θ₄₂), Betätigen des Drehstellglieds (42) auf den vorgegebenen Lenkwinkel (θ₄₂), wobei das Drehstellglied (42) seine Position durch Ausüben eines Lenkraddrehmoments beibehält und die Lenkwelle (25) mit dem Drehstellglied (42) durch einen nachgiebigen Torsionsstab und eine Trägheitsscheibe verbunden ist; Übertragen (406) eines Zahnstangenstörkraft-Steuersignals (F₄₉) durch die Steuerung (50) an mindestens ein Stellglied (49), wobei das mindestens eine Stellglied (49) mit einer Zahnstange gekoppelt und konfiguriert ist, um die Zahnstange in einer im Wesentlichen linearen Richtung zu betätigen; als Reaktion auf das Empfangen des Zahnstangenstörkraft-Steuersignals (F₄₉), Erzeugen (408) eines ersten Frequenzgangs und eines zweiten Frequenzgangs durch das mindestens eine Stellglied (49), wobei der Lenkhilfsmotor (26) während des ersten Frequenzgangs deaktiviert und während des zweiten Frequenzgangs aktiviert wird; Überwachen (410) eines Drehmomentaufnehmers durch die Steuerung (50), der ein Lenkabtriebsdrehmoment der Lenkwelle (25) misst, das während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs auftritt; Bestimmen (412) einer Übertragungsfunktion durch die Steuerung (50), basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs und des zweiten Frequenzgangs überwachten Lenkabtriebsdrehmoment, wobei die Übertragungsfunktion den Frequenzgang durch das Servolenkungssystem (20) anzeigt.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, , dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend das Bestimmen der Übertragungsfunktion durch: Berechnen einer mechanischen Übertragungsfunktion basierend auf dem während des ersten Frequenzgangs gemessenen Lenkabtriebsdrehmoment (T44) durch die Steuerung (50).
Verfahren (400) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend das Bestimmen der mechanischen Übertragungsfunktion basierend auf: $R D F 2 S W T_{n a} (s) = M T F_{1} (s) = \frac{S W T_{n a} (s)}{R D F_{n a} (s)}$
wobei RDF2SWT_na(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkraddrehmoment ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor (26) ist, SWT_na das Lenkraddrehmoment ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor (26) ist und RDF_na die Zahnstangenstörkraft ohne Unterstützung durch den Lenkhilfsmotor (26) ist.
Verfahren (400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend das Bestimmen einer geschätzten Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf das Lenkrad mit Unterstützung des Lenkhilfsmotors (26) durch: $R D F 2 S W T_{w a} (s) = \frac{S W T_{w a} (s)}{R D F_{w a} (s)}$
wobei RDF2SWT_wa(s) eine geschätzte Übertragungsfunktion von der Zahnstangenstörkraft auf die geschätzte Drehmomentübertragungsfunktion des Lenkrads mit Unterstützung des Hilfsmotors darstellt, SWT_wa das Lenkraddrehmoment ist, wenn der Lenkhilfsmotor (26) aktiviert ist, und RDF_wa eine Zahnstangenstörkraft ist, wenn der Lenkhilfsmotor (26) aktiviert ist.
Verfahren (400) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend das Bestimmen der Übertragungsfunktion durch: $L_{1} (s) = \frac{R D F 2 S W T_{n a} (s)}{R D F 2 S W T_{w a} (s)} - 1$
Verfahren (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Algorithmen zum Bestimmen des Lenkmoment-Assistenzsteuersignals in einem Speicher einer Lenksteuerung (60) gespeichert werden und wobei die Steuerung (50) nicht auf die im Speicher der Lenksteuerung (60) gespeicherten Algorithmen zugreifen kann.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend: Bestimmen einer Verstärkungsspanne des Servolenkungssystems (20) durch die Steuerung (50), wobei die Verstärkungsspanne ein zusätzlicher Verstärkungsbetrag ist, der erforderlich ist, damit die Größe des Servolenkungssystems (20) 0 Dezibel beträgt, wenn eine Phase des Servolenkungssystems (20) -180 Grad beträgt.
Verfahren (400) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend: Bestimmen einer Phasenspanne des Servolenkungssystems (20) durch die Steuerung (50) durch Berechnen einer Menge an Phasenverschiebung, die für das Servolenkungssystem (20) erforderlich ist, bei einem Betrag von -180 Grad, wenn die Größe des Servolenkungssystems (20) 0 Dezibel beträgt.
Verfahren (400) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfassend: Bestimmen eines Nyquist-Plots durch die Steuerung (50), der die Verstärkungs- und Phasenspanne beinhaltet; und Berechnen einer Stabilitätsgrenze basierend auf dem Nyquist-Plot.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenstörkraft eine variable Wellenform ist, die entweder eine sinusförmige Welle, ein weißes Rauschsignal oder ein Multisinussignal ist.