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Diese Erfindung betrifft elektrische Servolenksysteme, bei denen ein Elektromotor dazu eingerichtet ist, ein Unterstützungsdrehmoment auf eine Lenkungskomponente, beispielsweise eine Lenksäule, aufzubringen, um den für die Steuerung des Fahrzeugs erforderlichen Fahreraufwand zu reduzieren.
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In einem typischen elektrischen Servolenksystem ist ein Drehmomentsensor vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, dass die Höhe des Drehmoments in einer Lenksäule gemessen wird. Aus dieser Messung berechnet eine Steuervorrichtung den Wert eines Drehmomentanforderungssignals, das das Drehmoment angibt, das durch einem an der Lenksäule befestigten Elektromotor zu erzeugen ist. Der Motor übt ein Drehmoment auf die Säule aus, das dem durch den Fahrer geforderten entspricht, und reduziert so die zum Drehen des Lenkrades erforderliche Kraft.
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Der Zusammenhang zwischen dem Lenksäulendrehmoment und dem Unterstützungsdrehmoment kann durch eine Verstärkungskurve festgelegt sein. Dies ist eine Zuordnung zwischen dem Säulendrehmoment und dem Unterstützungsdrehmoment, wobei für ein gegebenes Eingangsdrehmoment ein Multiplikatorwert definiert ist, der einen Betrag bestimmt, mit dem das Eingangssignal multipliziert wird. Um eine Verstärkung aufzubringen, ist der Wert des Multiplikators für ein gegebenes Eingangsdrehmoment nicht eins, 1,0. Wenn der Multiplikator beispielsweise 2,0 ist, dann ist das Ausgangsunterstützungsdrehmoment das Doppelte des gemessenen Drehmoments; ist es 0,5, so ist es das halbe gemessene Säulendrehmoment. Anstelle eines Multiplikators ist es auch möglich, den Zusammenhang zwischen Eingangsdrehmoment und Unterstützungsdrehmoment über eine Nachschlagetabelle oder auf eine andere geeignete Weise zu definieren. Die Verstärkungskurve wird dann fest in die Nachschlagetabelle kodiert.
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Die Fahrzeughersteller verlangen, dass die Lenksysteme eine geringe Reibung aufweisen. Der Grund dafür ist, dass eine hohe Reibung des Lenksystems die Wahrnehmung des Fahrers eines hochwertigen Lenksystems negativ beeinflusst. Erfahrene Fahrer berichten, dass ein Lenksystem mit geringer Reibung eine scharfe und präzise Rückmeldung über den Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn liefert; dagegen berichten sie, dass ein Lenksystem mit hoher Reibung eine vage Rückmeldung über den Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn liefert. Die Fahrzeughersteller verlangen ferner, dass die Reibungswerte kontrolliert werden: von Teil zu Teil, über den Betriebstemperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereich und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
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Die Fahrzeughersteller verlangen auch, dass Lenksysteme eine gute Klapperfestigkeit aufweisen, z. B. bei Anregung durch eine raue Fahrbahnoberfläche. In einem elektrischen Servolenksystem kann ein Klappern zum Beispiel im Getriebe vorhanden sein, das den Motor mit der Lenksäule verbindet. Die Anforderungen an Reibung und Klappern führen zu einem Kompromiss bei der mechanischen Konstruktion: Eine Konstruktion mit geringer Reibung hat ein gewisses Spiel, das zu Klappern führt; eine Konstruktion mit wenig Klappern hat kein Spiel, was zu hoher Reibung führt. Eine Konstruktion, die versucht, beide Anforderungen zu erfüllen, nutzt in der Regel: enge Fertigungstoleranzen, fortgeschrittene Materialauswahl und fortgeschrittene Auswahl an Schmiermitteln (Fetten).
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Es gibt mehrere verschiedene Formen der unerwünschten Reibung, eine davon ist die Haftreibung oder statische Reibung. Dies ist eine Kraft zwischen zwei oder mehr Teilen des Lenksystems, die vorhanden ist, wenn sie sich nicht relativ zueinander bewegen, und die überwunden werden muss, wenn die zwei oder mehr Teile zu bewegen sind. Im Fall des Lenksystems wird dies für den Fahrer deutlich, wenn er versucht, das Lenkrad aus einer statischen Position zu drehen oder die Richtung zu ändern, in der das Lenkrad gedreht wird.
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Bekanntlich wird eine elektrische servounterstützte Lenkvorrichtung bereitgestellt, bei der ein Reibungskompensationsdrehmoment auf die Lenkung ausgeübt wird, um sowohl die Haftreibung als auch die Gleitreibung zu kompensieren. Die Vorrichtung erzeugt das Reibungskompensationsdrehmoment basierend auf Annahmen über die Höhe der im Lenkmechanismus vorhandenen Haftreibung, die bei der Konstruktion oder Inbetriebnahme der Lenkeinrichtung getroffen wurden.
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Ein Objekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkvorrichtung bereitzustellen, die ein verbessertes Lenkgefühl bietet, wobei die Auswirkungen von Haftreibung und Gleitreibung mindestens teilweise überwunden werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt sieht die Erfindung eine elektrische Servolenkvorrichtung von der Art vor, die Folgendes umfasst:
- einen Lenkmechanismus, der ein Lenkrad wirkfähig mit den Laufrädern des Fahrzeugs verbindet;
- einen Elektromotor, der mit dem Lenkmechanismus wirkverbunden ist;
- einen Drehmomentsignalgeber, der dazu eingerichtet ist, ein Drehmomentsignal zu erzeugen, das das durch einen Abschnitt des Lenkmechanismus getragene Drehmoment angibt;
- einen Säulenwinkelstellungssignalgeber zum Erzeugen eines Säulenwinkelsignals, das die Winkelstellung des Lenkrads oder der Lenksäule angibt; und
- eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, das Säulendrehmomentsignal und das Säulenwinkelsignal zu empfangen und daraus ein Drehmomentanforderungssignal zu erzeugen, das für ein Drehmoment repräsentativ ist, das durch den Motor auf den Lenkmechanismus aufzubringen ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung Folgendes umfasst:
- eine erste Signalverarbeitungsschaltung, die ein vom Säulendrehmomentsignal abhängiges Eingangssignal empfängt und ein Unterstützungsdrehmomentsignal ausgibt, wobei der Zusammenhang zwischen dem Eingang und dem Ausgang der ersten Signalverarbeitungsschaltung durch eine Verstärkungskurve definiert ist;
- eine zweite Signalverarbeitungsschaltung, die ein Reibungskompensationsdrehmomentsignal erzeugt, wobei der Wert des Reibungskompensationsdrehmomentsignals aus Beobachtungen sowohl des Säulendrehmomentsignals als auch des Säulenwinkelsignals im Zeitverlauf abgeleitet wird; und
- eine Drehmomentanforderungssignalerzeugungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Drehmomentanforderungssignal in Abhängigkeit sowohl vom Reibungskompensationsdrehmomentsignal als auch vom Unterstützungsdrehmomentsignal zu erzeugen; und
- wobei das Reibungskompensationsdrehmomentsignal den Fahrer mindestens teilweise darin unterstützt, die Auswirkungen von Haft- und/oder Gleitreibung im Lenkmechanismus zu überwinden;
- wobei die Vorrichtung ferner umfasst:
- einen Reibungsschätzer, der eine Schätzung der Haftreibung im Lenkmechanismus erzeugt; und
- wobei das durch die zweite Signalverarbeitungsschaltung erzeugte Reibungskompensationsdrehmomentsignal in Abhängigkeit von der Schätzung der Reibung angepasst wird.
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Durch Anpassen des Reibungskompensationsdrehmomentsignals in Abhängigkeit von der geschätzten Reibung kann die Vorrichtung Änderungen dieser Reibung während der Benutzung der Vorrichtung und im Zeitverlauf dynamisch kompensieren.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann das Reibungskompensationsdrehmomentsignal erzeugen, indem sie einen dimensionslosen Reibungskompensationsfaktor erzeugt und diesen Faktor mit einem Reibungskompensationsdrehmomentniveau multipliziert, das in Abhängigkeit von der geschätzten Reibung angepasst wird.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann daher ein angepasstes Verstärkungsniveau als Mechanismus zum Anpassen des Reibungskompensationsdrehmomentsignals verwenden und das Kompensationsdrehmoment mit zunehmender bzw. abnehmender Verstärkung erhöhen oder verringern.
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Der Reibungskompensationsfaktor kann einen Wert im Bereich von +1 bis -1 aufweisen und kann in einer Anordnung anhand einer Gleichung der Form:
bestimmt werden, wobei X und Y selbst Skalierungsfaktoren sind.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann einen Reibungskompensationsfaktor, der eine erste Komponente umfasst, die aus Beobachtungen des Säulendrehmomentsignals im Zeitverlauf abgeleitet ist, und eine zweite Komponente, die aus Beobachtungen des Säulenwinkelsignals im Zeitverlauf abgeleitet ist, erzeugen.
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Die beiden Komponenten können unabhängig voneinander sein, sodass der Wert der einen unabhängig vom Wert der anderen ist.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Reibungskompensationsdrehmomentsignal in Abhängigkeit von der Summe der beiden unabhängigen Komponenten zu erzeugen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Haftreibung kompensierende Drehmomentsignal sogar variieren kann, wenn einer der Komponentenwerte null bleibt. Wenn beispielsweise beobachtet wird, dass das Drehmoment vor der Lenkbewegung zunimmt, wird eine gewisse Kompensation vorgenommen. Dies ist, wie anschließend deutlich wird, vorteilhaft bei der Milderung der Auswirkungen der Haftreibung im System, indem es dem Fahrer hilft, das Drehmoment zu überwinden, das sonst zur Überwindung dieser Haftreibung erforderlich ist.
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Natürlich liegt es im Rahmen der Erfindung für die zweite Signalverarbeitungsschaltung, sowohl das Säulendrehmomentsignal als auch das Säulenwinkelsignal gemeinsam zu beobachten, um das Haftreibungskompensationssignal zu erzeugen, ohne zwei separate Komponenten zu erzeugen. Konzeptionell ist es aber am einfachsten, die Erfindung in Bezug auf das Signal als Ergebnis von zwei unabhängigen Komponenten zu betrachten.
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Die Reibungsschätzung kann durch Beobachten der Änderung des Drehmoments in einem Abschnitt der Lenksäule in Abhängigkeit des Säulenwinkels gebildet werden.
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Die Schätzung der Reibung darf nur dann aktualisiert werden, wenn die zugrunde liegenden Fahrzeug- und Lenksystembedingungen entsprechend sind.
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Der Reibungsschätzer kann dazu eingerichtet sein, bei jedem Richtungswechsel des Lenksystems eine Schätzung der Lenksystemreibung zu erzeugen.
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Die der Reibungsschätzung zugrunde liegenden Fahrzeug- und Lenksystembedingungen und die daraus resultierenden Lenkungsdatentests können eines oder mehrere der folgenden Kriterien erfüllen, um sicherzustellen, dass die Schätzungen nur dann erfolgen, wenn die Bedingungen entsprechend sind:
| Zu vermeidendes Fahrzeug-/Lenkverhalten | Für die Schätzung erforderliche Bedingungen |
| | |
| Reifenscheuern beim Parken vermeiden | Fahrzeuggeschwindigkeit über einem Mindestwert |
| Wesentliche aerodynamische Auswirkungen des Fahrzeugs auf die Reifenbelastung vermeiden | Fahrzeuggeschwindigkeit unter einem Höchstwert |
| Wesentliche reifenbelastenden Auswirkungen aufgrund von Querbeschleunigung vermeiden | Absoluter unterer Säulenwinkel kleiner als ein Höchstwert |
| Inakzeptable Schätzfehler aufgrund von Säulendämpfungseffekten vermeiden | Absolute untere Säulengeschwindigkeit geringer als ein Höchstwert Umkehrzeit über einem Mindestwert. |
| Inakzeptable Schätzfehler aufgrund von Säulenträgheitseffekten vermeiden | Absolute untere Säulengeschwindigkeit geringer als ein Höchstwert Umkehrzeit über einem Mindestwert |
| Inakzeptable Schätzfehler durch fehlerhafte Fahrer- oder Fahrbahneingaben vermeiden | Niedrigerer Säulendrehwinkel und insgesamt niedrigeres Säulendrehmoment, das sich während der gesamten Lenkumkehrung konsistent ändert. Umkehrzeit unter einem Höchstwert |
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Die Vorrichtung kann einen Speicher enthalten, der den geschätzten Reibungswert speichert.
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Der Reibungsschätzer kann einen Reibungsschätzungsmanager enthalten, der einen Vertrauenswert erzeugt, der das Vertrauen in den geschätzten Reibungswert angibt.
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Der Reibungsschätzer kann das Reibungskompensationsdrehmomentniveau durch Vermischen eines festen Reibungskompensationsdrehmomentniveaus mit einem adaptiven Reibungskompensationsdrehmomentniveau erzeugen, wobei das feste Reibungskompensationsdrehmomentniveau einen festen Wert darstellt und das adaptive Reibungskompensationsdrehmomentniveau eine Funktion der Reibungsschätzung ist.
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Der Reibungsschätzer kann ein Verhältnis bestimmen, bei dem die beiden Niveaus vermischt werden, das eine Funktion des Vertrauenswerts der Reibungsschätzung ist.
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Der Reibungsschätzer kann die beiden Niveaus vermischen, sodass die Vermischung ganz oder überwiegend aus dem festen Reibungskompensationsdrehmomentniveau besteht, wenn es wenig oder kein Vertrauen in die Schätzung gibt.
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Wenn das Vertrauen in die Reibungsschätzung einen Vertrauensschwellenwert, zum Beispiel ein Vertrauen von 80 Prozent oder höher, überschreitet, kann die Vermischung ein Reibungskompensationsdrehmomentniveau erzeugen, das hauptsächlich oder ausschließlich eine Funktion des adaptiven Reibungskompensationsdrehmomentniveaus ist.
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Der Reibungsschätzungsmanager kann zwei Vertrauenswerte erzeugen, die mit der Reibungsschätzung verknüpft sind, wobei der eine ein langfristiger Vertrauenswert ist, der ein Vertrauensniveau in die Reibungsschätzung über eine erste Zeitspanne angibt, und der andere ein kurzfristiger Vertrauenswert ist, der ein Vertrauensniveau in die Reibungsschätzung über eine zweite, kürzere Zeitspanne angibt, wobei der kurzfristige Vertrauenswert aus einer oder mehreren neueren Reibungsschätzungen erzeugt wird und der langfristige Vertrauenswert abhängig vom Wert des kurzfristigen Vertrauenswerts festgelegt wird, wobei die Gewichtung ein abstimmbarer Parameter ist.
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Der Reibungsschätzungsmanager kann einen langfristigen Vertrauenswert erzeugen, der im Zeitverlauf von einem hohen Vertrauenswert in einen niedrigen Vertrauenswert verfällt, wenn der kurzfristige Vertrauenswert in dieser Zeitspanne nicht aktualisiert wurde.
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Der Reibungsschätzungsmanager kann bewirken, dass das langfristige Vertrauen in Richtung 0 % verfällt, wenn keine aktualisierte Reibungsschätzung vorliegt, und dass die kurzfristige Schätzung in Richtung der langfristigen Schätzung verfällt, wenn keine aktualisierte Reibungsschätzung vorliegt.
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Alternativ kann der Reibungsschätzungsmanager bewirken, dass der kurzfristige Vertrauenswert in Richtung einer gewichteten Version des langfristigen Vertrauens, bei der die Gewichtung ein abstimmbarer Parameter ist, verfällt.
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Der kurzfristige Vertrauenswert kann beim Einstellen der Vermischung verwendet werden.
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Der Reibungsschätzungsmanager kann die Vertrauensschätzung bzw. Vertrauensschätzungen durch Verwendung einer ersten Strategie, wenn die Lenkvorrichtung bei fahrendem Fahrzeug verwendet wird, und einer zweiten Strategie, wenn das Fahrzeug abgestellt und die Lenkvorrichtung inaktiv ist, aktualisieren. In Betrieb befindliche Fahrzeuge können daran erkannt werden, dass die Zündung eingeschaltet ist, und abgestellte Fahrzeuge können daran erkannt werden, dass die Zündung ausgeschaltet ist.
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Es kann vorteilhaft sein, eine gewisse Reibung im System zu belassen und somit nicht vollständig zu kompensieren, um ein natürlicheres Lenkgefühl zu vermitteln. Die zweite Verarbeitungseinrichtung kann das durch die zweite Signalverarbeitungsschaltung erzeugte Reibungskompensationsdrehmomentsignal in Abhängigkeit sowohl von einer Sollreibung als auch von der geschätzten Reibung festlegen.
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Sie kann das Reibungskompensationsdrehmomentsignal in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Sollreibung und der geschätzten Reibung anpassen. Die Vorrichtung kann die Reibungskompensationsdrehmomentkomponente mit einer festen Reibungskompensationsdrehmomentkomponente vermischen.
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Ein Schlüsselaspekt der Erfindung ist die Verwendung von tatsächlichen Reibungsschätzungen, die einen Einblick in die Veränderungen der Reibung im System im Zeitverlauf und in den Umgang mit dem Vertrauen in diese Schätzungen geben.
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Die Drehmomentanforderungssignalerzeugungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Drehmomentanforderungssignal durch Summieren des Reibungskompensationsdrehmomentsignals mit dem Unterstützungsdrehmomentsignal zu erzeugen.
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Um sicherzustellen, dass das Reibungskompensationsdrehmomentsignal auf alle Änderungen der Lenkrichtung sowohl bei Geradeausfahrt als auch bei Kurvenfahrt reagiert, und um sicherzustellen, dass die Reaktion proportional zu Änderungen des Säulendrehmoments erfolgt, kann die zweite Signalverarbeitungsschaltung so eingerichtet sein, dass sie die erste Komponente und die zweite Komponente jeweils proportional zu den Änderungen der Fahrsignale variiert. Die erste und zweite Komponente können daher zeitunabhängig variieren, also nur durch Änderungen der zugrunde liegenden Fahrsignale. Unter Fahrsignal verstehen wir das Säulendrehmomentsignal oder das Säulenwinkelsignal.
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Die erste Komponente kann daher von einem kumulierten Säulendrehmomentsignal abhängig sein, das einen Wert aufweist, der sich aus historisch beobachteten Werten des Säulendrehmomentsignals ableitet.
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In ähnlicher Weise kann die zweite Komponente von einem kumulierten Säulenwinkelsignal abhängig sein, das einen Wert aufweist, der sich aus historisch beobachteten Werten des Säulenwinkelsignals ergibt.
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Ein kumuliertes Säulendrehmomentsignal kann durch die zweite Verarbeitungsschaltung mit einem Wert in einem Bereich von -N bis +N erzeugt werden, wobei der Wert bei +N für einen anhaltenden Anstieg des Säulendrehmomentsignals gesättigt ist, bei -N für eine anhaltende Abnahme des Säulendrehmomentsignals gesättigt ist und sich über den Bereich von -N bis +N proportional verhält und alle Änderungen des Säulendrehmomentsignals verfolgt. Der Wert von N kann eine beliebige positive Zahl sein und wird am zweckmäßigsten auf N=1 eingestellt.
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Die erste Komponente kann einen Wert aufweisen, der proportional zu einem zunehmenden Säulendrehmomentsignal ansteigt, solange das Säulendrehmomentsignal ansteigt, bis die Höhe die Obergrenze +N erreicht, und dann an dieser Obergrenze bleibt, solange das Säulendrehmomentsignal nicht abnimmt, und der proportional zu einem abnehmenden Säulendrehmomentsignal abnimmt, bis die Größe die Untergrenze -N erreicht, und dann an dieser Untergrenze bleibt, solange das Säulendrehmomentsignal nicht ansteigt.
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Die erste Komponente hat keinen Ruhewert; sie behält ihren letzten Wert so lange bei, wie der Signalwert des Säulendrehmoments eine gewisse Zeit lang bei einem beliebigen Wert liegt.
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Die zweite Komponente kann ebenfalls auf die gleiche Weise variieren, jedoch in Abhängigkeit von der kumulierten Änderung des Säulenwinkelstellungssignals statt des Säulendrehmomentsignals.
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Somit kann die zweite Komponente einen Wert in einem Bereich zwischen einer Untergrenze -M und einer Obergrenze +M aufweisen, wobei der Wert proportional zu einer zunehmenden Säulenposition ansteigt, bis die Höhe die Obergrenze +M erreicht, und an dieser Obergrenze bleibt, solange das Säulenpositionssignal nicht abnimmt, und die proportional zu einer abnehmenden Säulenposition abnimmt, bis die Höhe die Untergrenze erreicht, und dann an dieser Untergrenze bleibt, solange die Säulenposition nicht ansteigt, wobei der Wert der zweiten Komponente keinen Ruhewert aufweist und den letzten Wert beibehält, wenn die Säule zu Drehen aufhört. Der Wert von M kann eine beliebige positive Zahl sein und wird am zweckmäßigsten auf M=1 eingestellt.
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Der Anmelder hat erkannt, dass eine proportionale Reaktion am meisten bevorzugt ist, da sie es ermöglicht, den Wert der Haftreibungskompensation auf eine Weise zu erreichen, die für den Fahrer am wenigsten störend ist. Die Reaktion des Reibungskompensationsfaktors ist proportional zur Änderung der Fahrsignale.
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In einer praktischen Anordnung kann die zweite Signalverarbeitungsschaltung so eingerichtet sein, dass sie jede der beiden Komponenten durch Erzeugen einer skalierten Differenz, gefolgt von einem begrenzten Integrator, erzeugt. Die skalierte Differenz kann durch Beobachten der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Zeitabtastungen des Fahrsignals (Drehmoment oder Säulenwinkel) und anschließender Skalierung um den Faktor 1/Grenzwert gebildet werden, um ein Signal „skaliertes Delta“ zu bilden, d. h. Differenzierung des Eingangssignals mit anschließender Skalierung. Der begrenzte Integrator kann dann das Signal „skaliertes Delta“ kumulativ summieren und die Summierung auf den Bereich -N bis +N bzw. -M bis +M begrenzen, um die erforderliche Sättigung bei den Grenzwerten zu erhalten. Die benötigte Komponente ist die Ausgabe des begrenzten Integrators. Die Skalierung kann so gewählt werden, dass die resultierende Integration den Bereich +/-1 aufweist, aber es ist auch möglich, keine Skalierung und einen resultierenden Bereich +/-Grenzwert vorzusehen. Andere Varianten sind im Rahmen der Erfindung möglich.
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Die Obergrenze und die Untergrenze jedes der beiden Komponenten +/-M und +/-N können auf +1 und -1 eingestellt sein, und die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann so eingerichtet sein, dass sie die beiden Komponenten mit einer zusätzlichen Skalierung kombiniert, um einen Reibungskompensationsfaktor zu erhalten, der ebenfalls im Bereich von +1 bis -1 liegt, der wie oben erwähnt in einer Anordnung unter Verwendung einer Gleichung der Form:
bestimmt sein kann, wobei X und Y Skalierungsfaktoren sind.
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Am komfortabelsten können diese beide im Bereich von 0,0 bis 1,0 und so, dass X + Y = 1, eingestellt werden, obwohl eine im Wesentlichen gleiche Gewichtung von 0,5 vorzuziehen ist, sodass im Falle, dass N und M auf 1 und X+Y=1 gesetzt sind, die Funktion einen Reibungskompensationsfaktor im Bereich +1 bis -1 ergibt. Der Kompensationsfaktor ist somit die Summe der beiden unabhängigen Komponenten. Die Summe dieser unabhängigen Komponenten ergibt einen Reibungskompensationsfaktor (und damit ein Drehmoment), der der Ausführung jedes einzelnen Lenkmanövers vorgreift (da der Fahrer das Lenkrad mit einem Drehmoment beaufschlagen muss, damit sich das Lenksystem zu drehen beginnt). Um die negativen Auswirkungen der Reibung des Lenksystems wirksam zu kompensieren, ist es wichtig, dass das Reibungskompensationsdrehmoment während der Ausführung des Manövers durch den Fahrer aufgebracht wird. Im Gegensatz dazu würde ein Reibungskompensationsdrehmoment, das nur auf dem Säulendrehmoment basiert, eher zu früh aufgebracht werden, während ein Reibungskompensationsdrehmoment, das auf dem Säulendrehwinkel basiert, eher zu spät aufgebracht wird.
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Die erste Signalverarbeitungseinrichtung kann eine Verstärkungskurve verwenden, die eine Zuordnung des gewünschten Unterstützungsdrehmoments zum Eingangssignalwert umfasst, wobei die Verstärkung linear oder nichtlinear mit einer Zunahme des Eingangssignalwerts ansteigt. Das von der Vorrichtung erzeugte Unterstützungsdrehmoment ist entweder der aus der Verstärkungskurve ausgegebene Wert oder dieser Wert zuzüglich eines zusätzlichen Versatzdrehmoments, das auf die Ausgabe der Verstärkungskurve aufgebracht wird. Selbstverständlich kann eine weitere Verarbeitung der Signale erfolgen, um den endgültigen Unterstützungsdrehmomentwert zu erreichen.
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Die Vorrichtung kann einen Bereich des elektronischen Speichers umfassen, in dem die Funktion, die die Skalierungsfaktoren oder Verstärkungskurven definiert, und/oder Nachschlagetabellen gespeichert sind. Die Obergrenze N und Untergrenze M jeder der ersten und zweiten Komponente und das Reibungskompensationsfaktorkennfeld (oder die zugehörigen Parameter X und Y) können fest oder zeitlich veränderlich sein. Sie können beispielsweise in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Säulenposition oder der Temperatur, die die Temperatur eines Teils der Lenkvorrichtung oder die Umgebungstemperatur sein kann, variiert werden.
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Der Drehmomentsignalgeber kann einen einzelnen Drehmomentsensor umfassen, der mit der Lenksäule oder einer anderen daran befestigten mechanischen Komponente verbunden ist.
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Die Signalverarbeitungseinheit kann durch einen Prozessor implementiert werden, der Programmanweisungen ausführt, die in einem Speicherbereich gespeichert sind. Die Anweisungen können den Prozessor veranlassen, eine Reihe von verschiedenen Schritten oder Funktionen auszuführen, die die verschiedenen Untereinheiten der Signalverarbeitungseinheit definieren. Es ist jedoch möglich, die Signalverarbeitungseinheit mit diskreten elektronischen Komponenten wie digitalen Logikgattern zu realisieren, wobei jede Untereinheit durch eine Gruppe von Logikgattern gebildet wird.
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Die Vorrichtung kann eine Motorantriebsschaltung umfassen, die das Drehmomentanforderungssignal empfängt und geeignete Signale an eine Motorantriebsstufe anlegt, um den Motor zu veranlassen, das erforderliche Drehmoment auszugeben. Diese Antriebsstufe umfasst in der Regel eine Brückenschaltung.
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Es wird nun anhand von Beispielen nur eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf und gemäß Darstellung in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Servolenksystems gemäß dem Stand der Technik ist;
- 2 ein Blockdiagramm ist, das die Regelung des Motors in dem System von 1 darstellt;
- 3 ein Blockdiagramm ist, das die Funktionsschritte der Signalverarbeitungseinrichtung in einer Ausführungsform einer Lenkungsanordnung gemäß der Erfindung zur Erzeugung des Drehmomentanforderungssignals (TDemand) veranschaulicht;
- 4 eine Zuordnung für zwei Komponenten ist, die bei der Erzeugung eines Reibungskompensationssignals verwendet wird;
- 5 ein Blockdiagramm ist, das zeigt, wie ein Fahrsignal, das ein Drehmomentsignal oder ein Säulenwinkelsignal sein kann, dazu verwendet wird, ein kumuliertes Signal für die Eingabe in das Kennfeld von 4 zu erzeugen;
- 6 zeigt, wie der Reibungskompensationsfaktor über das Kennfeld wandert, wenn der Fahrer während eines Beispielmanövers ein Drehmoment aufbringt und anschließend das Lenkrad dreht;
- 7 ein Blockdiagramm ist, das veranschaulicht, wie der Reibungskompensationsfaktor zum Erzeugen des Reibungskompensationssignals verwendet wird;
- 8 (a) und 8 (b) ein Beispielfahrsignal und das resultierende kumulierte Signal zeigen, die innerhalb der Ausführungsform der in den Figuren dargestellten Erfindung erzeugt werden;
- 9 eine Ausführungsform einer elektrischen Servolenkung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die ein verbessertes Reibungsanpassungs- und - kompensationsschema verwendet;
- 10 (a) bis 10 (c) die Hysteresekennlinie veranschaulicht, die sich aus dem Säulendrehmoment über dem kumulierten Säulenwinkel bei Umkehrungen ergibt;
- 11 (a) bis 11 (c) die Hysteresekennlinie veranschaulicht, die sich aus kumuliertem Gesamtdrehmoment über dem kumulierten Säulenwinkel bei Umkehrungen ergibt;
- 12 veranschaulicht die Teilhysteresekurven für eine Umkehrung von Gegenuhrzeigersinn zu Uhrzeigersinn (CCW-CW) und für eine Umkehrung von Uhrzeigersinn zu Gegenuhrzeigersinn (CW-CCW); und
- 13 zeigt im Detail die Funktion, die der Reibungsschätzer beim Erzeugen der Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung ausführt.
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Ein typisches elektrisches Servolenksystem ist in 1 der begleitenden Zeichnungen dargestellt. Das System umfasst einen Elektromotor 1, der über ein (optionales) Getriebe 3 auf eine Antriebswelle 2 wirkt. Die Antriebswelle 2 ist mit einem Schneckengetriebe 4 abgeschlossen, das mit einem Lenkrad an einem Abschnitt einer Lenksäule 5 oder einer Welle zusammenwirkt, die mit der Lenksäule wirkverbunden ist. Beispielsweise kann der Motor auf eine Zahnstange des Lenksystems wirken. Selbstverständlich ist dies nicht als Einschränkung des angestrebten Schutzumfangs zu verstehen, und es sind andere Servolenksysteme in Betracht gezogen, auf die die Erfindung anwendbar ist. So kann beispielsweise anstelle eines Säulenantriebssystems, bei dem der Motor wie dargestellt auf die Lenksäule wirkt, das System eine sogenannte Riemenantriebsausführung sein, bei der der Motor direkt mit der Zahnstange verbunden ist.
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Die Lenksäule 5 trägt einen Drehmomentsensor 6, der dazu eingerichtet ist, das durch die Lenksäule getragene Säulendrehmoment Tcol zu messen, das durch den Fahrer des Fahrzeugs erzeugt wird, wenn das Lenkrad (nicht dargestellt) und somit die Lenksäule gegen die Widerstandskraft der Fahrzeuglaufräder (ebenfalls nicht dargestellt) gedreht wird. Das Ausgangssignal, hierin als Drehmomentsignal Tcol aus dem Drehmomentsensor 6 bezeichnet, wird einem ersten Eingang einer Signalverarbeitungseinheit 7 zugeführt.
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Ein Winkelstellungssensor 10 ist ebenfalls an der Lenksäulenwelle vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, ist dieser mit dem Drehmomentsensor 6 gekoppelt, da er die Position durch Überwachen des Signalausgangs des Drehmomentsensors misst. Dadurch entsteht ein Ausgangssignal, das die Winkelstellung Qcol der Lenksäule angibt, die hierin als Säulenstellungssignal bezeichnet wird. Der Ausgang des Stellungssensors, Qcol, wird einem zweiten Eingang der Signalverarbeitungseinheit 7 zugeführt. Diese kann eine elektronische Prozessoreinheit oder eine andere elektronische Schaltungsanordnung umfassen.
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Die Signalverarbeitungseinheit 7 reagiert auf die beiden Eingangssignale und erzeugt als Ausgang ein Drehmomentanforderungssignal 8, das an eine Motorsteuerung 9 weitergeleitet wird. Die Motorsteuerung 9 wandelt das Drehmomentanforderungssignal 8 in Antriebsströme für den Elektromotor 1 um. Zum Erzeugen dieses Anforderungssignals umfasst die Verarbeitungseinheit eine Reihe von Teilschaltungen, die jeweils einen einzelnen Verarbeitungsschritt oder einen bestimmten Satz von Schritten ausführen.
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Der Wert des Drehmomentanforderungssignals 8 entspricht dem Betrag des Unterstützungsdrehmoments, das der Elektromotor 1 auf die Lenksäule aufbringt. Der Wert variiert von einem Mindestwert, der dem maximalen Ausgangsdrehmoment für den Motor in einer Richtung entspricht, über ein Nulldrehmoment, wenn das Anforderungssignal null ist, bis hin zu einem maximalen Motordrehmoment in der entgegengesetzten Richtung.
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Die Motorsteuerung 9 empfängt als Eingang das Drehmomentanforderungssignal und erzeugt Ströme, die dem Motor zugeführt werden, um das gewünschte Drehmoment an der Motorantriebswelle 2 zu erzeugen. Dieses Unterstützungsdrehmoment, das auf die Lenksäulenwelle 5 wirkt, reduziert die Kraft, die durch den Fahrer zum Drehen des Lenkrads benötigt wird. Dies bildet einen geschlossenen Regelkreis, wie in 2 dargestellt.
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Das Drehmomentanforderungssignal 8 besteht aus mindestens zwei Teilen. Der erste Teil ist ein Unterstützungsdrehmoment Tassist, das von der Höhe des Drehmoments abhängt, das ein Fahrer über das Lenkrad auf die Lenksäule aufbringt und aus dem Wert des Drehmomentsignals Tcol bestimmt wird. Der zweite Teil ist eine (optionale) Dämpfungsdrehmomentanforderung, die bereitgestellt wird, um das Lenkgefühl zu verbessern und/oder die Sicherheit des Systems zu erhöhen. Darüber hinaus können weitere Drehmomentanforderungssignale verwendet werden, um beispielsweise den Auswirkungen von Seitenwind auf das Fahrzeug entgegenzuwirken, die dieses aus der vorgesehenen Weg abdrängen können.
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Wie vorstehend erwähnt, wird das Unterstützungsdrehmomentsignal in Abhängigkeit vom Drehmoment in der Lenksäule abgeleitet, das durch den Drehmomentsensor 6 gemessen wird. Der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Drehmoment und dem Unterstützungssignal ist im Wesentlichen linear. Es können jedoch auch andere mögliche Beziehungen verwendet werden, um das Drehmoment auf das Unterstützungssignal abzubilden. Wie in der Fachwelt allgemein bekannt, definiert der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgang eine Verstärkungskurve. Mit zunehmendem gemessenen Drehmoment nimmt die Höhe des Unterstützungssignals im Allgemeinen zu. Ferner versteht sich, dass das Unterstützungsdrehmomentsignal von anderen Parametern wie gegebenenfalls der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Lenksäulenposition abhängig sein kann. In diesem Fall wird in der Regel der Wert des Unterstützungsdrehmomentsignals bei hohen Geschwindigkeiten reduziert, um die Stabilität zu erhöhen, und bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten erhöht, um das Einparken zu erleichtern.
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3 zeigt schematisch mehr Details der Signalverarbeitungseinrichtung der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung 7 eine erste Signalverarbeitungsschaltung 12, die die Verstärkungskurve auf ein Eingangssignal anwendet, das eine Funktion des Säulendrehmoments ist. Die Ausgabe dieser Verstärkungskurve definiert das Unterstützungsdrehmoment. Darüber hinaus umfasst sie auch eine zweite Verarbeitungsschaltung 13, die in diesem Beispiel parallel zur ersten Schaltung 12 ist. Die zweite Schaltung empfängt als Eingabe das Säulendrehmomentsignal Tcol und erzeugt ein zusätzliches Signal, das das Drehmomentanforderungssignal unter bestimmten Fahrzeugbetriebsbedingungen modifiziert. Der Zweck der Modifikation ist, wie im Folgenden erläutert, die Einführung einer zusätzlichen Drehmomentkomponente, die einen Reibungseffekt im System mindestens teilweise aufhebt. Wesentlich ist, dass der Vorschlag der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, das negative Gefühl durch Haftreibung im System zu reduzieren.
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Die zweite Verarbeitungsschaltung 13 dient dazu, unter definierten Bedingungen ein Drehmomentanforderungssignal anzulegen. Diese Bedingungen sind, dass das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment steigt oder sinkt, und als unabhängiger Faktor, dass sich die Lenksäule in die eine oder andere Richtung bewegt und nicht stillsteht. Insbesondere wird die zusätzliche Drehmomenthöhe bis zum Erreichen eines Grenzwertes proportional erhöht oder allmählich aufgebaut und analog dazu abgebaut, wenn der Fahrer ein Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung aufbringt oder die Drehung umkehrt. Wichtig ist, dass das zusätzliche Drehmoment aufgebaut wird, wenn nur eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, sodass der Aufbau mit der Einführung eines vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments beginnt, noch bevor sich die Säule zu bewegen beginnt. In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, dass das Drehmoment und der Säulenwinkel einen unabhängigen Einfluss auf den Wert des Kompensationssignals haben.
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Der Anmelder erkannt, dass es möglich ist, vorherzusagen, dass die Lenkung von statisch zu drehend übergehen wird, indem das durch den Fahrer aufgebrachte Drehmoment beobachtet und daraus eine Komponente in das Drehmomentanforderungssignal eingeführt wird, die ein widerstrebendes Drehmoment aufgrund von Haftreibung im System aufhebt, das der Fahrer andernfalls überwinden müsste. Durch weiteres Kombinieren mit einer zusätzlichen Größe, wenn sich die Lenkung zu bewegen beginnt, kann ein sehr gutes Lenkgefühl erreicht werden, wobei der Fahrer nur wenig Haftreibung im Lenksystem wahrnimmt.
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Die negative Wahrnehmung der Reibung im Lenksystem durch den Fahrer entsteht sowohl, wenn der Fahrer aus einem nicht drehenden Lenkzustand heraus zu lenken versucht, als auch, wenn der Fahrer die Drehrichtung des Lenksystems zu ändern versucht.
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Zum Aufbauen dieser zusätzlichen Komponente beobachtet oder überwacht die zweite Signalverarbeitungsschaltung unabhängig sowohl das Drehmomentsignal Tcol als auch das Positionssignal Qcol. Wenn sie eine Erhöhung oder Verringerung eines der Signale beobachtet, wird die zusätzliche Komponente aufgebaut, bis sie einen Grenzwert erreicht, sofern die Bedingung weiterhin erfüllt ist, oder bis sie wieder abgebaut werden soll.
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Der Wert des hinzuzufügenden zusätzlichen Reibungskompensationsdrehmomentsignals wird durch eine Zuordnung zwischen einem Signal, das sich auf das kumulierte Säulendrehmoment bezieht, das sich aus dem Säulendrehmoment ableitet, und einem Signal, das sich auf den kumulierten Säulendrehwinkel bezieht, definiert, das sich aus dem Säulenwinkelsignal ableitet, das einen Reibungskompensationsfaktor liefert, der wiederum mit einem Reibungskompensationsdrehmomentsignalniveau multipliziert wird. Ein Beispiel für eine Zuordnung ist in 4 dargestellt. Selbstverständlich sind im Rahmen dieser Erfindung auch andere Zuordnungen möglich. 7 zeigt, wie das Reibungskompensationsdrehmomentniveau auf die Zuordnung angewendet wird, um den endgültigen Wert des Reibungskompensationsdrehmoments zu erhalten. Man beachte, dass die Funktionalität von 7 vollständig durch die zweite Signalverarbeitungsschaltung 12 in dieser Ausführungsform realisiert wird.
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Es ist zu erkennen, dass die Zuordnung auf zwei wertunabhängigen Komponenten basiert, von denen eine erste von Beobachtungen des Säulendrehmomentsignals und die zweite von Beobachtungen des Säulenpositionssignals abhängt.
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In der Regel wird der Bereich für die Säulenwinkelkomponente so gewählt, dass der vollständige Übergang von null auf entweder die Obergrenze oder Untergrenze über 0,1 bis 1,0 Grad der Säulenbewegung erfolgt. Ebenso wird der Bereich für die Säulendrehmomentsignalkomponente so gewählt, dass der vollständige Übergang von null auf entweder die Obergrenze oder Untergrenze erfolgt, wenn sich das Drehmomentsignal um 0,1 bis 1,0 Nm ändert.
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5 zeigt ein spezifisches Realisierungsverfahren zum Erzeugen der beiden Komponenten, aus denen das Reibungskompensationsdrehmomentsignal besteht. Für die Säulendrehmomentkomponente besteht die Realisierung in dieser Ausführungsform aus einer skalierten Differenz gefolgt von einem begrenzten Integrator. Die skalierte Differenz bildet die Differenz zwischen den nachfolgenden Zeitabtastungen des Fahrsignals und skaliert diese um den Faktor 1/Grenzwert, um das Signal „skaliertes Delta“ zu bilden. „Grenzwert“ ist der Größenwert des oberen/unteren Drehmoments. Der begrenzte Integrator summiert das Signal „skaliertes Delta“ kumulativ und begrenzt die Summierung auf den Bereich -1 bis +1. Die erste Komponente nimmt daher einen Wert im Bereich von -1 bis +1 an, der bei anhaltender Erhöhung oder Verringerung des durch den Fahrer aufgebrachten Drehmoments an der Obergrenze oder Untergrenze gesättigt ist.
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Die zweite Komponente wird auf genau die gleiche Weise, jedoch basierend auf der Säulenposition, erzeugt.
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Die 8(a) und 8 (b) zeigen ein Beispiel für ein Fahrsignal, das das Säulendrehmomentsignal oder das Säulenwinkelsignal sein kann, und das entsprechend erzeugte kumulierte Signal. Die Sättigung an den Grenzwerten ist deutlich zu erkennen, ebenso wie die Verfolgung kleiner Änderungen im Fahrsignal.
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Die beiden Komponenten werden anschließend summiert, am besten mit etwas zusätzlicher Skalierung, um einen Reibungskompensationsfaktor zu erhalten, der ebenfalls im Bereich von +1 bis -1 liegt:
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Die 0,5-Terme stellen sicher, dass der erforderliche Ausgangsbereich von +1 bis -1 erreicht wird. Selbstverständlich könnten auch andere Terme verwendet werden, und die beiden Komponenten könnten auf Wunsch ungleich gewichtet sein.
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Man beachte, dass dies der mathematische Ausdruck des in 4 gezeigten Kennfeldes (geneigte Ebene) ist. Eine Änderung der Gewichtungen verändert die Neigung der geneigten Ebene. Komplexere Formen sind möglich, aber das erfordert eine Nachschlagetabelle oder eine komplexere Gleichung.
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Dieser Reibungskompensationsfaktor kann anschließend mit dem Reibungskompensationsdrehmomentniveau multipliziert werden, das typischerweise einem vordefinierten Reibungswert entspricht, der in einem Speicher der Vorrichtung gespeichert sein kann, um einen Drehmomentwert zu erhalten. So ist beispielsweise ein Reibungswert von 2 Nm bis 3 Nm typisch, der das Drehmoment darstellt, das ein Fahrer aufbringen muss, um die dem System innewohnende Reibung beim Drehen des Lenkrads zu überwinden, sodass ein Verstärkungsfaktor von 2 Nm bis 3 Nm angewendet werden kann, um diese auszugleichen.
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6 zeigt eine typische Verlaufskurve von „kumuliertem Säulendrehmoment“ und „kumuliertem Säulenwinkel“ über die Zuordnung für eine Änderung der Lenkraddrehung von der Gegenuhrzeigerrichtung zur Uhrzeigerrichtung. Der Fahrer leitet die Richtungsänderung durch Erhöhen des Säulendrehmoments (erster Pfeil) ein, das kumulierte Säulendrehmomentsignal steigt von -1 auf 0, der Reibungskompensationsdrehmomentfaktor steigt von -1 auf -0,5, um die erwartete Änderung der Drehrichtung zu unterstützen. Die Drehrichtung des Lenksystems beginnt sich zu ändern (2. Pfeil), der Säulenwinkel beginnt sich zu vergrößern, der kumulierte Säulenwinkel steigt von -1 in Richtung +1, während das kumulierte Säulendrehmoment weiter von 0 auf 1 steigt, das Reibungskompensationsdrehmoment steigt von -0,5 auf +1, was die Bestätigung der Änderung der Lenkrichtung widerspiegelt.
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Für eine Lenksystemausführung, bei der die Reibungshöhe der Lenkung fest ist und sich nicht ändert, von Teil zu Teil sowie mit Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Alter, ist die obige feste Reibungskompensation ausreichend. Bei Ausführungen von Lenksystemen, bei denen diese Abweichungen auftreten, können einige Änderungen in der Höhe der Reibungskompensation von Vorteil sein.
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Der Anmelder hat erkannt, dass die Kompensation leicht durch Ändern des Wertes der Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Reibung im Lenkmechanismus angepasst werden kann. Damit wird ein neuartiges Mittel zur Anpassung des oben genannten Reibungskompensationsdrehmomentwertes an Veränderungen der Reibung im Lenksystem eingeführt, die durch Schwankungen wie Teil zu Teil, Temperatur, Feuchtigkeit und Alter entstehen. Das Ergebnis ist, dass der Fahrer das Lenksystem unabhängig vom Zustand des zugrunde liegenden mechanischen Lenksystems als ein Lenksystem mit konstant niedriger Reibung wahrnimmt.
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In einer Ausführungsform im Rahmen der Erfindung, die im Folgenden beschrieben wird, erfolgt die Anpassung durch dynamische Veränderung der „Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung“ in 7 durch Hinzufügen weiterer Merkmale zur Lenkvorrichtung. In dem beschriebenen Beispiel erzeugt das System zwei verschiedene „Säulendrehmoment“-Signale. Das „obere Säulendrehmoment“ ist das Drehmoment, das durch einen Drehmomentsensor gemessen wird, der auf das durch den Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment reagiert. Das „gesamte untere Säulendrehmoment“ ist das gesamte Drehmoment, das sowohl durch den Fahrer als auch durch einen elektrischen Servolenkungsmotor aufgebracht wird, und ist ein Maß für die Gesamtbelastung des Lenksystems (einschließlich Reibung). Die Kompensation verwendet das „obere Säulendrehmoment“, da es am besten geeignet ist, um den Fahrer vorab über die Änderung der Lenkstellung zu informieren. Die Schätzung verwendet das „gesamte untere Säulendrehmoment“, da es am besten zum Messen der Reibung des Lenksystems geeignet ist.
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Wie in 9 gezeigt, enthält die Vorrichtung zusätzlich zur gesamten Funktionalität der Ausführungsform von 3 einen Reibungsschätzer 20, der als Eingabe das gesamte untere Säulendrehmoment und den Winkel der Säule 2 heranzieht, daraus eine Schätzung der Reibung des Lenksystems erzeugt und ein angepasstes Reibungskompensationsdrehmomentniveau ausgibt. Mit „angepasst“ ist gemeint, dass sich der Wert bei der Nutzung des Systems im Zeitverlauf ändert, um Veränderungen in der Reibung im System widerzuspiegeln. Da die Fahrer die Reibung des Lenksystems nur für eine kleine Klasse von Lenkmanövern wahrnehmen, d. h. in erster Linie kleine langsame Lenkeingaben um den Mittelpunkt herum, während sich das Fahrzeug mit angemessener Geschwindigkeit bewegt, kann sich der Reibungsschätzer in 9 darauf konzentrieren, nur die tatsächliche Lenksystemreibung für die gleiche Klasse von Lenkmanövern zu schätzen. Das bedeutet, dass jeder Versuch des Fahrers (absichtlich oder unabsichtlich), das Reibungsniveau des Lenksystems zu „erfahren“, dazu führt, dass dem Anpassungsmechanismus neue Informationen über die Reibung des Lenksystems zur Verfügung stehen, was dazu führt, dass eine angemessene Reibungskompensation angewandt wird, sodass die „Erfahrung“ des Fahrers bezüglich der Reibung des Lenksystems auf ein Sollniveau geregelt wird.
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Die Vorrichtung stellt zwar sicher, dass jeder Versuch, die Reibung des Lenksystems zu erfahren, eine Tendenz zur Regelung der Reibung des Lenksystems zur Folge hat, es besteht jedoch die Gefahr, dass das gesammelte Wissen über die Reibung des Lenksystems in dem Fall nicht mehr aktuell ist, in dem das Fahrzeug entweder längere Zeit abgestellt oder in einer Weise betrieben wurde, die eine Anpassung nicht zulässt (z. B. bei niedriger Geschwindigkeit oder überwiegend außermittig gefahren). Dies würde bedeuten, dass, wenn das Fahrzeug anschließend in einer Weise gefahren wird, bei der Reibung erfahren wird, ein transientes Verhalten auftritt, bei dem ein ungeeignetes Maß an Reibungskompensation (zu viel oder zu wenig) angewendet wird, bis die Anpassung auf den neuen Reibungszustand reagiert.
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Der Reibungsschätzer 20 umfasst einen Schätzblock 21, der Reibungsschätzungen erzeugt, und einen Reibungsschätzungsmanager 22, der einen Vertrauenswert auf die Reibungsschätzung anwendet. Der Vertrauenswert und die Schätzung werden zusammen mit einem festen Reibungskompensationsniveau verarbeitet, um die Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung zu erzeugen.
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Der Schätzungsmanager 22 legt einen Vertrauenswert (z. B. 0 % bis 100 %) für die Reibungsschätzung des Lenksystems fest. Wenn ein Fahrzeug über einen Zeitraum so gefahren wurde, dass neue Informationen über die Reibung des Lenksystems aus den jüngsten Reibungsschätzungen erzeugt werden, kann vernünftigerweise davon ausgegangen werden, dass die Schätzung der Reibung des Lenksystems genau ist, und das Vertrauen ist hoch. Wurde ein Fahrzeug eine Zeit lang auf eine Weise gefahren, die keine neuen Reibungsinformationen des Lenksystems erzeugt, kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass die Schätzung der Reibung des Lenksystems genau ist, und das Vertrauen wird gering sein.
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Wenn ein Fahrzeug eine Zeit lang geparkt ist und keine Reibungsschätzungen erhalten werden, weil die Fahrzeuglenkvorrichtung inaktiv ist (Schlüssel abgezogen), hängt das Vertrauen in die Reibungsschätzung des Lenksystems von der Dauer des Parkens des Fahrzeugs ab. Ist die Parkdauer kurz (Minuten), kann man vernünftigerweise erwarten, dass die Reibung des Lenksystems am Ende der Parkzeit mit der Reibung zu Beginn der Parkdauer vergleichbar ist. Ist die Parkdauer lang (Stunden), kann man vernünftigerweise nicht mehr erwarten, dass die Reibung des Lenksystems am Ende der Parkzeit mit der Reibung zu Beginn der Parkdauer vergleichbar ist.
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In Ermangelung neuer Reibungsschätzungen für das Lenksystem können historische Daten (vom selben Lenksystem) eine Erwartung hinsichtlich des Reibungsniveaus bei einem bestimmten Lenksystem liefern. Die Erfindung enthält zu diesem Zweck kurz- und langfristige Reibungsschätzungen des Lenksystems.
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Die berechnete Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung wird in Abhängigkeit vom Vertrauen moduliert, sodass Schätzungen mit hohem Vertrauen mit voller Drehmomentgültigkeit angewendet werden, während Schätzungen mit niedrigem Vertrauen mit niedriger Drehmomentgültigkeit angewendet werden. Dieser Ansatz verhindert die Anwendung ungeeigneter Reibungskompensationsniveaus durch Sicherstellen, dass nur auf Schätzungen mit hohem Vertrauen mit voller Gültigkeit reagiert wird. In Ermangelung von Reibungsinformationen über ein bestimmtes Lenksystem kann es immer noch sinnvoll sein, einen Grad der Reibungskompensation anzuwenden, um eine bekannte Tendenz zu korrigieren, dass eine ganze Gruppe von Teilen übermäßige Reibung aufweist.
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Die Vorrichtung in 9 enthält einen Reibungsschätzungsblock 21. Der Reibungsschätzungsblock 21 erzeugt eine Schätzung der Lenksystemreibung, in diesem Beispiel jedes Mal, wenn das Lenksystem die Richtung ändert. Die Reibungsschätzung kann durch Beobachten der Änderung des durch die Lenkwelle des Lenkmechanismus aufgenommenen Gesamtdrehmoments in Abhängigkeit vom Säulenwinkel gebildet werden. Der Schätzer darf nur dann aktualisieren, wenn die zugrunde liegenden Fahrzeug- und Lenksystembedingungen entsprechend sind. Es ist ein Merkmal der beschriebenen Ausführungsform von 9, dass die Bedingungen, die für die Schätzung der Lenksystemreibung geeignet sind, auch für die Bewertung der Lenksystemreibung geeignet sind.
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Die für die Reibungsschätzung zugrunde liegenden Fahrzeug- und Lenksystembedingungen und die daraus resultierenden Lenkungsdatentests können denen in Tabelle 1 oben entsprechen.
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Man beachte, da der Winkelweg der Lenkwelle für eine Umkehrung fest ist und die Anforderung besteht, dass sich der untere Lenkwinkel während der gesamten Lenkumkehrung in konsistenter Weise ändert, führen die Umkehrzeitbegrenzung und die untere Begrenzung der Säulengeschwindigkeit zu einer wirksamen Begrenzung sowohl der Säulengeschwindigkeit als auch der Säulenbeschleunigung.
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Ziel des Reibungsschätzers ist es, die Hysterese des Gesamtdrehmoments gegen den Lenkwellenwinkel zu schätzen. 10 zeigt das typische Verhalten des Wellenwinkels über dem Wellendrehmoment bei einer Richtungsumkehr der Lenkung. Eine CW-CCW-Lenkumkehrung ist durch einen zunehmenden Winkel, der in einen abnehmenden Winkel übergeht, und ein zunehmendes Gesamtdrehmoment, das in ein abnehmendes Drehmoment übergeht, gekennzeichnet. Typischerweise geht die Änderung des Drehmoments der Änderung des Winkels voraus (aufgrund der Trägheit des Lenkmechanismus). Ein Diagramm des Drehmoments über dem Winkel zeigt eine Hysteresekennlinie mit einer charakteristischen Steigung. Typischerweise nimmt die Steigung mit der Geschwindigkeit zu und ist auf das Lenkdrehmoment zurückzuführen, das erforderlich ist, um der Komponente der Reifenquerkräfte entgegenzuwirken, die über die Spurstangen und das Lenkgetriebe auf die Lenksäulenwelle übertragen werden.
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Ein einfaches und robustes Verfahren zum Schätzen der Hysterese der obigen Figur ist das Betrachten des Verhaltens des kumulierten Wellenwinkelsignal und kumulierten Wellendrehmomentsignals während einer Richtungsumkehr der Lenkung. Die Bildung von kumulierten Signalen ist in der vorhergehenden Erfindung beschrieben. 11 zeigt dieses Verhalten. Die verschiedenen Hysteresekennlinien fallen zu einer einzigen Hysteresekennlinie zusammen.
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11 zeigt die Hysteresekennlinie, die sich aus dem kumulierten Gesamtdrehmoment über dem kumulierten Säulenwinkel ergibt, und 12 zeigt die partiellen Hysteresekurven für eine Drehrichtungsumkehr von Uhrzeigersinn zu Gegenuhrzeigersinn (CW-CCW) und für eine Drehrichtungsumkehr von Gegenuhrzeigersinn zu Uhrzeigersinn (CCW-CW). Die CW-CCW-Lenkumkehrung beginnt an dem Punkt, an dem der kumulierte untere Säulenwinkel seine obere Grenze verlässt, und endet an dem Punkt, an dem der kumulierte untere Säulenwinkel seine untere Grenze erreicht. Ebenso beginnt die CCW-CW-Umkehrung der Lenkung an dem Punkt, an dem der kumulierte Winkel seine untere Grenze verlässt, und endet an dem Punkt, an dem der kumulierte Winkel seine obere Grenze erreicht. In beiden Fällen ist die Reibungsschätzung der durchschnittliche Abstand des kumulierten Gesamtdrehmoments von der angegebenen „reibungsfreien“ Linie (der charakteristischen Steigung).
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Allgemein wird der Bereich des kumulierten Winkelsignals durch den Winkelbereich bestimmt, über den eine Reibungsschätzung durchgeführt werden soll. Ein kleiner Bereich bedeutet, dass mehr Lenkumkehrungen, aber nur eine kleine Anzahl von Datenpunkten für jede Umkehrung berücksichtigt werden; ein großer Bereich bedeutet, dass weniger Lenkumkehrungen, aber eine größere Anzahl von Datenpunkten für jede Umkehrung berücksichtigt werden. Üblicherweise wird ein Kompromiss gefunden. Der optimale Bereich des kumulierten Gesamtdrehmomentsignals ist der Bereich, der sicherstellt, dass das kumulierte Gesamtdrehmomentsignal seinen Grenzwert an dem Punkt erreicht, an dem auch der kumulierte Winkel seinen Grenzwert erreicht.
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Es kann gezeigt werden, dass der optimale Bereich eine Funktion von Reibung, Winkelbereich, Neigung und einer Reserve (zur Berücksichtigung von Rauschen) ist. Da der optimale Bereich von dem Wert abhängt, den die Vorrichtung zu schätzen versucht, ist es notwendig, dass der geschätzte Wert (aus früheren Fahrmanövern) zurückgemeldet wird, um den geeigneten Bereich für spätere Fahrmanöver zu bestimmen. Es lässt sich zeigen, dass dieser Prozess konvergent ist: Wenn die anfängliche Schätzung zu hoch ist, fallen die nachfolgenden Schätzungen niedriger aus und führen den Gesamtschätzer, einschließlich der Rückmeldung, auf den richtigen Wert; ebenso, wenn die anfängliche Schätzung zu niedrig ist, fallen die nachfolgenden Schätzungen höher aus und führen den Gesamtschätzer, einschließlich der Rückmeldung, wiederum auf den richtigen Wert.
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Die Reibungsschätzung kann optional mit einer Geschwindigkeitskorrektur versehen werden, um Änderungen in der Reibungsmessung bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten aufgrund der aerodynamischen Belastung und anderer Faktoren zu berücksichtigen (in 9 nicht dargestellt).
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Die kurz- und langfristige Schätzung und das Vertrauen werden durch den Reibungsschätzungsgenerator gemäß der folgenden Tabelle 2 aktualisiert:
Tabelle 2: Aktualisierung der kurz- und langfristigen Schätzung und des Vertrauens während der Fahrt
| Ereignis | Kurzfristige Schätzung | Kurzfristiges Vertrauen | Langfristige Schätzung | Langfristiges Vertrauen |
| Aktualisierung der Reibungsschätzung | Schnelle Aktualisierung der Reibungsschätzung | Schnelle Erhöhung in Richtung 100% | Langsame Aktualisierung in Richtung kurzfristiger Schätzung | Langsamen Erhöhung in Richtung 100 % |
| Zeiteinfluss | Schnelle Aktualisierung in Richtung langfristiger Schätzung | Schnelle Verringerung in Richtung gewichteten langfristigen Vertrauens | Keine Aktualisierung | Langsame Erhöhung in Richtung 0 % |
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Jede Aktualisierung der Reibungsschätzung stellt neue Reibungsinformationen dar, die in den Reibungsschätzer eingehen. Die neuen Reibungsinformationen wirken sich zunächst auf die kurzfristige Schätzung und das kurzfristige Vertrauen aus und werden dann an die langfristige Schätzung und das langfristige Vertrauen weitergegeben: die kurzfristige Schätzung wird basierend auf den neuen Reibungsinformationen aktualisiert, die langfristige Schätzung wird basierend auf der neuen kurzfristigen Schätzung aktualisiert, das kurz- und langfristige Vertrauen wird in Richtung 100% erhöht (das kurzfristige wird um mehr als das langfristige erhöht).
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Der Zeitablauf stellt einen Verlust an Reibungsinformationen dar, da die gewonnenen Reibungsinformationen gealtert sind. Der Alterungsprozess wirkt sich zunächst auf die langfristige Schätzung und das langfristige Vertrauen aus und wird dann an die kurzfristige Schätzung und das kurzfristige Vertrauen weitergegeben. Das langfristige Vertrauen verfällt in Richtung 0 %. Die kurzfristige Schätzung verfällt in Richtung der langfristigen Schätzung, das kurzfristige Vertrauen verfällt in Richtung einer gewichteten Version des langfristigen Vertrauens. Dieser Verfallsprozess berücksichtigt die Tatsache, dass die langfristige Schätzung und das langfristige Vertrauen eine Untergrenze darstellen, auf die sich die kurzfristige Schätzung und das kurzfristige Vertrauen bei Fehlen neuer Aktualisierungen zubewegen.
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Um ein gutes Mittengefühl zu erreichen, ist es sowohl wünschenswert, dass die kurzfristige Reibungsschätzung auf echte Änderungen im Lenksystem reagiert, als auch, dass die kurzfristige Reibungsschätzung nicht auf Schätzungsfehler reagiert. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass die kurzfristige Reibungsschätzung im Allgemeinen langsam auf Änderungen der Reibung im Lenksystem, aber schneller auf systematische Reibungsänderungen reagiert:
- - nach einem Schlüsselschaltzyklus, bei dem die Lenkvorrichtung aktiviert wird;
- - nach einer Änderung der Reifen-Fahrbahn-Reibung.
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Die vorgeschlagene Konstruktion enthält zwei Elemente, um diese gewünschte Reaktion zu gewährleisten (in 9 nicht dargestellt):
- Verstärkung bei Einschaltung: bietet eine schnellere kurzfristige Lernaktualisierung für eine voreingestellte Anzahl von kurzfristigen Aktualisierungen zu Beginn eines Schlüsseleinschaltzyklus;
- Gleichgewichtsfilter: erkennt ein systematisches positives oder negatives Ungleichgewicht des Schätzers und ermöglicht ein schnelleres kurzfristiges Lernen für Aktualisierungen, die sich an dem erkannten Ungleichgewicht ausrichten.
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Wenn das Fahrzeug geparkt ist, wird das Lenksystem abgeschaltet, und es stehen keine neuen Reibungsinformationen zur Verfügung. Die nachstehende Tabelle 3 fasst zusammen, wie die Informationen über die Lenkungsreibung zu Beginn der Parkdauer verwendet werden können, um einen zuverlässigen Hinweis auf die Reibung des Lenksystems am Ende der Parkdauer zu liefern. Bei einer kurzen Parkdauer (Minuten) wird die Reibungsanpassung mit Werten fortgesetzt, die vom Beginn der geparkten Dauer an gespeichert wurden. Die Begründung dafür ist, dass sich die Reibung des Lenksystems in dieser kurzen Zeit wahrscheinlich nicht geändert hat. Bei einer langen Parkdauer: Die langfristige Schätzung wird wiederhergestellt, und das langfristige Vertrauen wird entsprechend gealtert und wiederhergestellt; die kurzfristige Schätzung und das kurzfristige Vertrauen basieren dann auf den wiederhergestellten langfristigen Werten. Bei einer mittleren Parkdauer werden die langfristige Schätzung und das langfristige Vertrauen auf die gleiche Weise wie bei einer langen Parkdauer wiederhergestellt; die kurzfristige Schätzung und das kurzfristige Vertrauen sind eine Vermischung aus den Werten für die kurze Parkdauer und die lange Parkdauer (die Vermischung richtet sich nach der Parkdauer).
Tabelle 3: Aktualisierung der kurz- und langfristigen Schätzung und des kurz- und langfristigen Vertrauens nach dem Parken des Fahrzeugs
| Parkdauer | Kurzfristige(s) | Langfristige(s) |
| Schätzung | Vertrauen | Schätzung | Vertrauen |
| Kurz (Minuten) | Mit kurzfristiger Schätzung vom Ende der vorherigen Fahrsitzung fortfahren | Mit kurzfristigem Vertrauen vom Ende der vorherigen Fahrsitzung fortfahren | | Mit langfristige m Vertrauen vom Ende der vorherigen Fahrsitzung fortfahren |
| Mit langfristiger Schätzung vom Ende der vorherigen Fahrsitzung fortfahren |
| Mittel | Vermischung aus kurzen und langen Parkdauerwerten | Vermischung aus kurzen und langen Parkdauerwerten | Langfristiges Vertrauen basierend auf Parkdauer reduzieren |
| Lang (Stunden) | Mit langfristiger Schätzung vom Ende der vorherigen Fahrsitzung fortfahren | Gewichtete Version des langfristigen Vertrauens | |
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13 zeigt den Reibungskompensationsdrehmomentverstärkungsblock des Reibungsschätzers 21.
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Das Reibungskompensationsdrehmomentniveau umfasst zwei Teile, die miteinander vermischt sind, z. B. durch einfache Addition, wobei jeder Teil eine Gewichtung erhält, die die Vermischung definiert:
- - einen adaptiven Teil des Reibungskompensationsdrehmomentniveaus; und
- - einen festen Teil des Reibungskompensationsdrehmomentniveaus.
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In dem Fall, dass das kurzfristige Reibungsvertrauen hoch ist, hat das adaptive Reibungskompensationsdrehmomentniveau Vorrang und wird mit voller Gültigkeit angewendet. In dem Fall, dass das kurzfristige Reibungsvertrauen niedrig ist, hat das feste Reibungskompensationsdrehmomentniveau Vorrang und wird mit voller Gültigkeit angewendet. In dem Fall, dass das kurzfristige Reibungsvertrauen auf einem Zwischenwert liegt, ist die Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung eine gewichtete Summe sowohl des adaptiven Reibungskompensationsdrehmomentniveaus als auch des festen Reibungskompensationsdrehmomentniveaus.
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Das adaptive Reibungskompensationsdrehmomentniveau wird durch Vergleichen der kurzfristigen Reibungsschätzung mit einem Sollwert der Lenksystemreibung bestimmt. Der Sollreibungswert ist das Maß an Reibung, das der Fahrer nach entsprechender Kompensation erfahren soll, da es unerwünscht ist, das gesamte Reibungsgefühl zu beseitigen. Das feste Reibungskompensationsdrehmomentniveau ist ein festes Drehmomentniveau, das auf ein einzelnes Bauteil, eine Gruppe von Bauteilen oder einen kompletten Fertigungslauf angewendet werden kann, um dieses Bauteil bzw. diesen Satz von Bauteilen wieder auf ein nominales (und akzeptableres) Reibungsniveau des Lenksystems zurückzubringen.
