DE102021209079A1

DE102021209079A1 - Lenksystem und Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems

Info

Publication number: DE102021209079A1
Application number: DE102021209079.6A
Authority: DE
Inventors: Felix Heinrich; Henrik Liesner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassen deine Lenkhandhabe (2), mindestens eine Sensorik (3) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ) an der Lenkhandhabe (2), mindestens ein Steuergerät (4) zur Ermittlung eines Soll-Lenkwinkels in Abhängigkeit des Lenkradwinkels (φ), mindestens einen Servo-Motor (5), wobei der Servo-Motor (5) mit einer Zahnstange (12) verbunden ist, und mindestens eine Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung eines Ist-Lenkwinkels, wobei das Steuergerät (4) derart ausgebildet ist, den Servo-Motor (5) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels anhand mindestens einer Kennlinie anzusteuern und einen Offset (O) zwischen Soll-Lenkwinkel und Ist-Lenkwinkel zu ermitteln, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Zahnstange (12) mechanisch entkoppelt sind, wobei das Steuergerät (4) weiter derart ausgebildet ist, eine Richtungsänderung einer Lenkeingabe an der Lenkhandhabe (2) zu erfassen, wobei bei einem Offset (O) größer mindestens einem Schwellwert das Steuergerät (4) die Kennlinie derart verschiebt, dass eine Neutralstellung um den Offset (O) in Richtung des Offsets (O) verschoben wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Lenksystems.
Aus der DE 10 2019 202 003 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit einer elektronischen Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines auf gelenkte Räder wirkenden Lenkstellers mittels eines Stellsignals bekannt, um die gelenkten Räder gemäß einer wählbaren Zuordnungsfunktion in Abhängigkeit einer an einer Lenkhandhabe aufgebrachten Handhabestellung zu verschwenken, wobei sowohl die Handhabestellung als auch eine Lenkgeschwindigkeit der Lenkhandhabe erfasst wird. Weiter wird eine Radstellung der gelenkten Räder erfasst und eine Stellungsabweichung unter Berücksichtigung der Zuordnungsfunktion bestimmt. Wenn eine vorgebbare Mindestfahrgeschwindigkeit und/oder eine vorgebbare Mindestlenkgeschwindigkeit überschritten wird, erfolgt ein Anpassen der Radstellung durch Beaufschlagen des Stellsignals für den Lenksteller mit einem Korrektursignal, das die Stellungsabweichung mit einer vorgebbaren Korrekturfunktion reduziert. Das Lenksystem kann dabei insbesondere als steer-by-wire-System ausgebildet sein.
Aus der DE 10 2017 115 850 A1 ist ein Verfahren zur Zahnstangenpositionsregelung für ein steer-by-wire-Lenksystem bekannt, wobei ein Modul zur Regelung einer Zahnstangenposition vorgesehen ist, das in einer Feedback Struktur aus den Differenzen zwischen Soll-Werten und Schätz-Werten der Zahnstangenposition und einer Zahnstangengeschwindigkeit einen Positionsfehler ermittelt, woraus eine Stellgröße für eine Ansteuerung einer Zahnstange bestimmt wird, wobei in einer Feedforward Struktur eine Störgrößenkompensation der Stellgröße durch Zahnstangenkraftschätzung erfolgt.
Aus der DE 10 2018 122 987 A1 ist ein steer-by-wire-Lenksystem bekannt, umfassend ein Lenkradstellglied, das eine befahrene Position für ein Straßenradstellglied eines Fahrzeugs bereitstellt, das eine Zahnstange des Fahrzeugs basierend auf der vom Lenkradstellglied befahrbaren Position in eine Zahnstangenposition bewegt. Weiter weist das Lenksystem einen Controller auf, um einen Lenkradmomentbefehl zu erzeugen, wobei das Lenkradstellglied ein Rückkopplungsdrehmoment basierend auf dem Lenkradmomentenbefehl erzeugt. Der Controller berechnet einen Schleppfehler basierend auf einer Differenz zwischen der befohlenen Position und der Zahnstangenposition. Weiter wird in Abhängigkeit des Schleppfehlers ein Aufholmotordrehmomentenwert bestimmt, um den Lenkraddrehmomentbefehl unter Verwendung des Aufholmotordrehomentwertes zu modifizieren, wobei das Lenkradstellglied einen Drehmomentbetrag erzeugt, der im Wesentlichen eine Summe aus dem Rückkopplungsdrehmoment und dem Aufholmotordrehmoment ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Lenksystem ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkhandhabe und einer Zahnstange weiter zu verbessern sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Lenksystems zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lenkhandhabe, mindestens eine Sensorik zur Erfassung eines Lenkradwinkels an der Lenkhandhabe, mindestens ein Steuergerät zur Ermittlung eines Soll-Lenkwinkels in Abhängigkeit des Lenkradwinkels, mindestens einen Servo-Motor, wobei der Servo-Motor mit einer Zahnstange verbunden ist, und mindestens eine Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung eines Ist-Lenkwinkels. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, den Servo-Motor zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels anhand mindestens einer Kennlinie anzusteuern und einen Offset zwischen Soll-Lenkwinkel und Ist-Lenkwinkel zu ermitteln, wobei die Lenkhandhabe und die Zahnstange mechanisch entkoppelt sind. Weiter ist das Steuergerät derart ausgebildet, eine Richtungsänderung einer Lenkeingabe an der Lenkhandhabe zu erfassen, wobei bei einem Offset größer mindestens einem Schwellwert das Steuergerät die Kennlinie derart verschiebt, dass eine Neutralstellung um den Betrag des Offsets in Richtung des Offsets verschoben wird. Das führt dazu, dass der Offset bei einer Richtungsänderung der Lenkradbewegung nicht erst abgebaut werden muss, bevor eine Richtungsänderung der Zahnstangenbewegung erfolgt. Stattdessen entspricht die Ist-Lenkradposition durch die Mittenverschiebung (Neutralstellungsverschiebung) der Ist-Position der Zahnstange, sodass dann die Zahnstange bei Richtungswechsel unverzüglich der Vorgabe der Lenkhandhabe folgt. Dies ermöglicht eine schnelle Fahrzeugreaktion beispielsweise bei einem plötzlichen Ausweichmanöver. Der Erfindung liegt dabei folgende Erkenntnis zugrunde. Bei einer Leistungsbeschränkung des Servo-Motors (degradiertes System) kann der Ist-Winkel dem Soll-Winkel nicht so schnell folgen. Zusätzlich kann es auch möglich sein, dass der Soll-Lenkwinkel auch betragsmäßig nicht erreichbar ist. Kommt es dann zu einer Richtungsänderung an der Lenkhandhabe, baut der Servo-Motor zunächst im Rahmen seiner Möglichkeiten den Offset ab. Das Lenksystem lenkt also noch in die ursprüngliche Richtung, bis der Offset abgebaut ist. Verstärkt wird das Problem häufig noch dadurch, dass durch das langsamere Folgen des Ist-Lenkwinkels der Kraftfahrzeugführer noch stärker einlenkt, was den Aufbau des Offsets verstärkt. Durch die Verschiebung der Neutralstellung wird dies wirkungsvoll kompensiert. Die Ursache für die Degradierung des Systems kann dabei vielfältig sein, beispielsweise kann temporär ein Teilsystem des Servo-Motors ausfallen, was später noch näher erläutert wird. Die Leistungsbeschränkung kann dabei temporär oder dauerhaft sein. Die Lenkhandhabe ist beispielsweise als Lenkrad oder Joy-Stick ausgebildet. Die Sensorik zur Erfassung eines Lenkradwinkels ist beispielsweise als Drehwinkelsensor oder als Drehmomentsensor ausgebildet. Die Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung des Ist-Lenkwinkels ist beispielsweise als Rotorlagesensor des Servo-Motors ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit zu ermitteln, wobei der Schwellwert für den Offset in Abhängigkeit der Lenkradwinkelgeschwindigkeit bestimmt wird. Dabei kann dieser Schwellwert reduziert werden, sodass das Lenksystem bei schnellen Lenkbewegungen schnell reagiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, eine zeitliche Dauer eines Offsets zu erfassen und eine Anpassung der Kennlinie nur vorzunehmen, wenn der Offset länger als eine vorgegebene Zeit vorgelegen hat. Hierdurch wird vermieden, dass das Lenksystem zu hart auf Lenkbewegungen reagiert, insbesondere wenn der Abbau des Offsets auch ohne Verschiebung der Neutralstellung schnell abgebaut werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Servo-Motor aus zwei Halbmotoren gebildet, die einen gemeinsamen Rotor aufweisen. Dabei werden die Halbmotoren und deren jeweils zugeordnete Leistungselektronik vorzugsweise aus voneinander unabhängigen Spannungsquellen versorgt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, bei einer Verschiebung der Kennlinie eine Warnmeldung für einen Kraftfahrzeugführer zu generieren.
Das Lenksystem kann vorzugsweise als steer-by-wire-Lenksystem ausgebildet sein oder aber als Lenksystem mit Überlagerungsgetriebe.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lenksystems,
2 einen beispielhaften Verlauf einer Zahnstangenposition über der Zeit ohne Neutralpunkt-Verschiebung und
3 einen beispielhaften Verlauf einer Zahnstangenposition mit Neutralpunkt-Verschiebung.

In der 1 ist schematisch ein Blockschaltbild eines Lenksystems 1 für ein Kraftfahrzeug in Form eines steer-by-wire-Lenksystems dargestellt. Das Lenksystem 1 weist eine Lenkhandhabe 2 in Form eines Lenkrades auf, dem eine Sensorik 3 zur Erfassung eines Lenkradwinkels φ zugeordnet ist. Die Sensorik 3 ist datentechnisch mit einem Steuergerät 4 verbunden. Das Steuergerät 4 steuert einen Servo-Motor 5 an. Der Servo-Motor 5 weist zwei Halbmotoren 6, 7 auf, denen jeweils eine eigene Leistungselektronik 8, 9 zugeordnet ist. Die beiden Halbmotoren 6, 7 sind symmetrisch ausgebildet. Die beiden Halbmotoren 6, 7 weisen einen gemeinsamen Rotor 10 auf, dem ein Rotorlagesensor 11 zugeordnet ist. Der Rotor 10 ist über ein nicht dargestelltes Getriebe mit einer Zahnstange 12 verbunden. Das Steuergerät 4 ermittelt mittels mindestens einer Kennlinie aus dem Lenkradwinkel φ einen Soll-Lenkwinkel an den nicht dargestellten Fahrzeugrädern. Dabei ist dem Soll-Lenkwinkel eine Zahnstangenposition zugeordnet. Über die bekannte Übersetzung kann die Zahnstangenposition in eine Rotorlage des Servo-Motors 5 umgerechnet werden. Die Daten des Rotorlagesensors 11 werden an das Steuergerät 4 zurückgemeldet, sodass das Steuergerät 4 einen Offset zwischen Soll-Lenkwinkel und Ist-Lenkwinkel bestimmen kann. Weiter ist dargestellt, dass der erste Halbmotor 6 und dessen Leistungselektronik 8 durch eine erste Spannungsversorgung U1 und der zweite Halbmotor 7 und dessen Leistungselektronik 9 durch eine zweite Spannungsversorgung U2 versorgt werden. Kommt es nun zum Ausfall einer Spannungsversorgung U1, U2 oder eines Halbmotors 6, 7 oder Leistungselektronik 8, 9, so steht nur noch das halbe Drehmoment am Rotor 10 zur Verfügung. Dies führt dazu, dass der Ist-Lenkwinkel nicht mehr so schnell dem Soll-Lenkwinkel folgen kann. Dies ist in 2 dargestellt. Dabei ist die Soll- und Ist-Position Z der Zahnstange 12 in mm über der Zeit t in s dargestellt, was aber auch dem Verlauf von Soll- und Ist-Lenkwinkel entspricht. Dabei ist die Soll-Position mit a) und die Ist-Position mit b) gekennzeichnet. Dabei baut sich ein Offset zwischen Soll- und Ist-Zahnstangenposition auf. Zum Zeitpunkt t₀ lenkt dann der Kraftfahrzeugführer in die Gegenrichtung, d.h. die Soll-Position der Zahnstange 12 wird kleiner. Die Ist-Position ist jedoch noch immer kleiner und das Lenksystem 1 versucht, den Offset zu kompensieren. Als Folge steigt die Ist-Zahnstangenposition weiter an, obwohl der Kraftfahrzeugführer bereits zurücklenkt. Zum Zeitpunkt t₁ sind dann Soll- und Ist-Position gleich (abzüglich gewisser Toleranzen) und die Ist-Position folgt der Soll-Position. Dabei kann die Ist-Position bis zur Neutralstellung gut folgen. Anschließend baut sich erneut wieder ein Offset auf.
Anhand von 3 soll nun die Wirkung der Erfindung erläutert werden. Dabei ist mit a) die Soll-Position gemäß 2 eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t₀ erfasst nun das Steuergerät 4 einen Richtungswechsel der Eingaben an der Lenkhandhabe 2 sowie einen Offset O größer einem Schwellwert. Daraufhin verschiebt das Steuergerät 4 seine Kennlinie, wobei die Neutralstellung um den Betrag des Offsets O in Richtung des Offsets O verschoben wird. Als Folge ergibt sich eine neue Soll-Position, die gestrichelt als a' gezeigt ist. Durch diese Verschiebung um den Offset ist der Offset zwischen der korrigierten Soll-Position a`) und der Ist-Position b) zum Zeitpunkt t₀ null und die Ist-Position folgt der Soll-Position unmittelbar.
Bis zur Neutralstellung bei 0 mm kann die Ist-Position folgen. Wird dann weiter in die Gegenrichtung gelenkt, baut sich erneut ein Offset zwischen der korrigierten Soll-Position a`) und der Ist-Position auf. Wird dann erneut zum Zeitpunkt t₂ gegengelenkt, erfolgt erneut eine Verschiebung der Neutralstellung und die Ist-Position kann wieder unmittelbar der Soll-Position folgen.
Bezugszeichenliste

1: Lenksystem
2: Lenkhandhabe
3: Sensorik
4: Steuergerät
5: Servo-Motor
6, 7: Halbmotoren
8, 9: Leistungselektronik
10: Rotor
11: Rotorlagesensor
12: Zahnstange
O: Offset
a): Soll-Position
a`): korrigierte Soll-Position
b): Ist-Position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019202003 A1 [0002]
DE 102017115850 A1 [0003]
DE 102018122987 A1 [0004]

Claims

Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassen deine Lenkhandhabe (2), mindestens eine Sensorik (3) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ) an der Lenkhandhabe (2), mindestens ein Steuergerät (4) zur Ermittlung eines Soll-Lenkwinkels in Abhängigkeit des Lenkradwinkels (φ), mindestens einen Servo-Motor (5), wobei der Servo-Motor (5) mit einer Zahnstange (12) verbunden ist, und mindestens eine Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung eines Ist-Lenkwinkels, wobei das Steuergerät (4) derart ausgebildet ist, den Servo-Motor (5) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels anhand mindestens einer Kennlinie anzusteuern und einen Offset (O) zwischen Soll-Lenkwinkel und Ist-Lenkwinkel zu ermitteln, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Zahnstange (12) mechanisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) weiter derart ausgebildet ist, eine Richtungsänderung einer Lenkeingabe an der Lenkhandhabe (2) zu erfassen, wobei bei einem Offset (O) größer mindestens einem Schwellwert das Steuergerät (4) die Kennlinie derart verschiebt, dass eine Neutralstellung um den Offset (O) in Richtung des Offsets (O) verschoben wird.
Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) weiter derart ausgebildet ist, eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit zu ermitteln, wobei der Schwellwert für den Offset (O) in Abhängigkeit der Lenkradwinkelgeschwindigkeit bestimmt wird.
Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) derart ausgebildet ist, eine zeitliche Dauer eines Offsets (O) zu erfassen und eine Anpassung der Kennlinie nur vorzunehmen, wenn der Offset länger als eine vorgegebene Zeit vorgelegen hat.
Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Servo-Motor (5) aus zwei Halbmotoren (6, 7) gebildet ist, die einen gemeinsamen Rotor (10) aufweisen.
Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) derart ausgebildet ist, bei einer Verschiebung der Kennlinie eine Warnmeldung für einen Kraftfahrzeugführer zu generieren.
Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems (1), wobei das Lenksystem (1) eine Lenkhandhabe (2), mindestens eine Sensorik (3) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ) an der Lenkhandhabe (2), mindestens ein Steuergerät (4) zur Ermittlung eines Soll-Lenkwinkels in Abhängigkeit des Lenkradwinkels (φ), mindestens einen Servo-Motor (5), wobei der Servo-Motor (5) mit einer Zahnstange (12) verbunden ist, und mindestens eine Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung eines Ist-Lenkwinkels umfasst, wobei das Steuergerät (4) den Servo-Motor (5) zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels ansteuert und einen Offset (O) zwischen Soll-Lenkwinkel und Ist-Lenkwinkel ermittelt, wobei die Lenkhandhabe (2) und die Zahnstange (12) mechanisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) eine Richtungsänderung einer Lenkeingabe an der Lenkhandhabe (2) erfasst, wobei bei einem Offset (O) größer mindestens einem Schwellwert das Steuergerät (4) die Kennlinie derart verschiebt, dass eine Neutralstellung um den Offset (O) in Richtung des Offsets (O) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit ermittelt wobei der Schwellwert für den Offset (O) in Abhängigkeit der Lenkradwinkelgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) eine zeitliche Dauer eines Offsets (O) erfasst und eine Anpassung der Kennlinie nur vorgenommen wird, wenn der Offset (O) länger als eine vorgegebene Zeit vorgelegen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Servo-Motor (5) aus zwei Halbmotoren (6, 7) gebildet ist, die einen gemeinsamen Rotor (10) antreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) bei einer Verschiebung der Kennlinie eine Warnmeldung für einen Kraftfahrzeugführer generiert.