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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines geregelten Handmoments für ein Steer-by Wire Lenksystem, das einem von einem Fahrer auf ein Lenkrad aufgebrachten Lenkmoment entgegenwirkt, sowie ein Lenksystem. Insbesondere ist das Handmoment als ein Rückmeldemoment ausgebildet. Das Rückmelde- oder auch Handmoment kann dabei u.a. einen dämpfenden Anteil aufweisen. Das Handmoment oder Rückmeldemoment kann als ein Gesamt-Handmoment oder Gesamt-Rückmeldemoment bezeichnet werden oder ausgebildet sein.
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Bei Steer-by-Wire Lenksystemen wird ein Lenkwinkel des Lenkrads elektronisch erfasst. Um ein stabiles Lenkverhalten zu erreichen, wird die Bewegung des Lenkrads gedämpft. Zu diesem Zweck wird ein Drehmoment auf das Lenkrad aufgebracht, das der Lenkbewegung des Fahrers entgegenwirkt.
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Basierend auf dem elektronisch erfassten Lenkwinkel wird ein Radlenkwinkel mittels eines Stellmotors an der Vorderachse eingestellt.
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Bei Steer-by-Wire Lenksystemen besteht keine mechanische Koppelung zwischen Lenkrad und Rädern, sodass theoretisch eine beliebige Übersetzung eines Lenkwinkels auf einen Radlenkwinkel eingestellt werden kann. Allerdings ist der Verfahrweg des Stellmotors an der Vorderachse begrenzt. Aus dem maximalen Verfahrweg des Stellmotors ergibt sich folglich in Kombination mit dem Übersetzungsverhältnis des Lenkwinkels auf den Radlenkwinkel ein maximaler Lenkwinkel.
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Sobald der maximale Lenkwinkel erreicht ist, soll eine weitere Lenkbewegung über den maximalen Lenkwinkel hinaus verhindert werden. Zu diesem Zweck wird ein auf das Lenkrad wirkendes Drehmoment deutlich erhöht, sobald sich der Lenkwinkel dem maximalen Lenkwinkel annähert.
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Nachteilig hierbei ist, dass es bei einer Annäherung an den maximalen Lenkwinkel zu einem abrupten Anstieg des auf das Lenkrad wirkenden Drehmoments kommt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein auf das Lenkrad aufgebrachtes Drehmoment derart zu regeln, dass ein fließender Anstieg bzw. Abfall des Drehmoments beim Lenken in einem Bereich nahe des maximalen Lenkwinkels erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines geregelten Handmoments für ein Steer-by-Wire Lenksystem, das einem von einem Fahrer auf ein Lenkrad aufgebrachten Lenkmoment entgegenwirkt. Das Handmoment wird als eine Führungsgröße geregelt oder basierend auf einer Führungsgröße geregelt, welche sich aus den aufsummierten Ausgangswerten von mindestens zwei Funktionen ergibt, wobei eine erste Funktion der mindestens zwei Funktionen gegenüber einer zweiten Funktion der mindestens zwei Funktionen dominierend ist, und wobei ein Ausgangswert der ersten, dominierenden Funktion als Eingangsgröße der zweiten Funktion wirkt, um einen Ausgangswert der zweiten Funktion zu schwächen.
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Hierdurch erfolgt eine Überblendung der beiden Funktionen, was bedeutet, es wird ein fließender Übergang zwischen den Funktionen erzeugt. Indem ein Ausgangswert der ersten Funktion zur Schwächung der zweiten Funktion dient, werden zudem binäre Aktivierungen vermieden. Das heißt, sobald die dominierende Funktion aktiv wird, geht der Ausgangswert der zweiten Funktion gegen Null und hat keinen nennenswerten Einfluss mehr auf die Führungsgröße des Regelkreises, dem Handmoment.
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Vorzugsweise setzt sich das Handmoment zumindest aus einem Endanschlagmoment, welches auf dem Ausgangswert der ersten, dominierenden Funktion basiert, und einem regulären Dämpfungsmoment, welches auf dem Ausgangswert der zweiten Funktion basiert, zusammen. Das reguläre Dämpfungsmoment wirkt immer dann, wenn das Endanschlagdämpfungsmoment nicht aktiv ist. Insbesondere wird durch das reguläre Dämpfungsmoment kompensiert, dass in einem Steer-by-wire-Lenksystem eine deutlich geringere Systemreibung wirkt als in einem konventionellen Lenksystem. Das Endanschlag-Dämpfungsmoment sorgt hingegen dafür, dass ein Überlenken, also ein Lenkwinkel über den maximalen Lenkwinkel hinaus, vermieden wird. Indem der Ausgangswert der ersten Funktion als Eingangsgröße in der zweiten Funktion enthalten ist, um einen Ausgangswert der zweiten Funktion zu schwächen, nimmt das reguläre Dämpfungsmoment ab, sobald ein Endanschlag-moment wirkt. Das bedeutet, dass überwiegend entweder das reguläre Dämpfungsmoment oder das Endanschlag-Dämpfungsmoment wirkt. Es existiert jedoch ein Lenkwinkelbereich, in dem die vorhergehend erwähnte Überblendung stattfindet, das heißt, dass zusätzlich zum Endanschlag-moment ein abgeschwächtes reguläres Dämpfungsmoment wirkt.
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Dadurch, dass ein Überlenken verhindert wird, werden Übersetzungsfehler zwischen dem Lenkwinkel des Lenkrads und dem Radlenkwinkel vermieden. Der maximale Lenkwinkel korrespondiert dabei mit einer maximalen Auslenkung eines Stellmotors an der Vorderachse. Ein Überlenken über den maximalen Lenkwinkel hinaus ist insbesondere deshalb nachteilig, weil es zu ungewünschten Reaktionen kommen kann, wie bspw. der ausbleibenden Lenkreaktion der Vorderachse.
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Die erste Funktion und die zweite Funktion können mindestens ein gemeinsames Eingangssignal haben. Dadurch haben die Ausgangswerte der Funktionen dieselbe Einheit und können somit aufaddiert werden, um die Führungsgröße zur Regelung des Handmoments zu bilden.
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Das gemeinsame Eingangssignal der ersten Funktion und der zweiten Funktion ist beispielsweise ein Lenkwinkel und/oder eine Lenkradgeschwindigkeit und/oder eine Lenkradbeschleunigung und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit. Hierdurch lässt sich die Dämpfung an eine Fahrsituation anpassen. Beispielsweise sollen bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit abrupte Lenkbewegungen vermieden werden, um ein stabiles Fahrverhalten zu gewährleisten, sodass bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit auch das Dämpfungsmoment ansteigt. Auch eine zunehmende Lenkradbeschleunigung bewirkt insbesondere eine zunehmende Dämpfung.
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Der Ausgangswert der ersten Funktion bewirkt beispielsweise ein Handmoment zwischen +/-40 Nm und der Ausgangswert der zweiten Funktion bewirkt ein Handmoment zwischen +/-3 Nm. Die erste Funktion kann folglich eine deutlich stärkere Dämpfung bewirken als die zweite Funktion, sodass die erste Funktion sich besonders für die Bewirkung eines Endanschlag-Dämpfungsmoments eignet, während die zweite Funktion besonders gut geeignet ist, ein reguläres Dämpfungsmoment zu bewirken.
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Gemäß einem Aspekt wirkt der Ausgangswert der ersten Funktion mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert auf die zweite Funktion. Dadurch lässt sich das Handmoment noch besser regulieren. Beispielsweise wird, insbesondere wenn der Verstärkungsfaktor größer als 1 ist, eine noch stärkere Schwächung des Ausgangswertes der zweiten Funktion erreicht. Alternativ kann eine Deaktivierung der Überblendung erfolgen, wenn der Verstärkungsfaktor auf den Wert Null gesetzt wird.
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Der Wert des Verstärkungsfaktors ist beispielsweise in einem Profil hinterlegt. Somit kann der Wert des Verstärkungsfaktors variieren, zum Beispiel in Abhängigkeit einer Fahrzeuggeschwindigkeit, eines Lenkwinkels und/oder einer Lenkradbeschleunigung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird zu dem als Eingangsgröße auf die zweite Funktion wirkenden Ausgangswert der ersten Funktion ein Betrag der Ausgangsgröße der zweiten Funktion addiert. Dadurch wird ein besonders glatter Übergang zwischen der ersten und der zweiten Funktion erreicht. Insbesondere wird das reguläre Dämpfungsmoment beim Herauslenken aus dem Endanschlag früher wieder appliziert, also bevor das Endanschlag-Dämpfungsmoment auf Null reduziert wird.
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Beispielsweise wird ein Kehrwert der Summe der Ausgangswerte mit der zweiten Funktion multipliziert, wobei optional der Ausgangswert der ersten Funktion vor dem Bilden der Summe verstärkt wird.
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Der Ausgangswert der ersten Funktion beträgt vorzugsweise bei einem Lenkwinkel im Bereich von mindestens +/- 220° Null. Anders ausgedrückt beträgt der Ausgangswert der ersten Funktion Null, wenn das Lenkrad ausgehend von einer Neutralposition nicht um mindestens 220° ausgelenkt wird. Auf diese Weise wirkt im angegebenen Bereich nur das reguläre Dämpfungsmoment.
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Der Ausgangswert der ersten Funktion wird beispielsweise erhöht, insbesondere exponentiell erhöht, wenn sich die Lenkradposition einem virtuellen Endanschlag nähert. Der virtuelle Endanschlag liegt beispielsweise bei +/- 220 bis 270°, insbesondere bei +/- 250°. Durch eine Erhöhung des Ausgangswertes der zweiten Funktion steigt das Handmoment, wodurch ein Überlenken vermieden wird. Dadurch wird zum einen eine am Lenkrad angreifende Winkelfeder geschützt und zum anderen werden Übersetzungsfehler effizient vermieden.
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Vorzugsweise wird der Ausgangswert der zweiten Funktion bei abnehmendem Ausgangswert der ersten Funktion verstärkt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine lokale Verstärkung beim Verlassen des Bereichs des Endanschlags. Eine derartige lokale Verstärkung hat den Vorteil, dass beim Herauslenken aus dem Bereich des Endanschlags ein plötzlicher Abfall des Gesamt-Dämpfungsmoments vermieden wird, der dazu führen könnte, dass das Lenkrad plötzlich in Richtung einer Neutralposition zurückschnappt. Indem die Verstärkung nur bei abnehmendem Ausgangswert der ersten Funktion erfolgt, wird das Dämpfungsverhalten beim Hineinlenken in den Bereich des Endanschlags nicht beeinflusst.
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Zur Verstärkung des Ausgangswertes der zweiten Funktion kann ein Ausgangswert der ersten Funktion zeitlich verzögert auf den Ausgangswert der zweiten Funktion aufaddiert werden. Durch die zeitlich verzögerte Beaufschlagung wirkt die lokale Verstärkung noch ein Stück weit nach, wenn der Bereich des Endanschlags bereits verlassen wurde.
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Optional wird der Ausgangswert der ersten Funktion zusätzlich mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert, um die Höhe der lokalen Verstärkung festzulegen.
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Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Lenksystem mit einer Drehmomentberechnungseinheit, die eingerichtet ist, ein Handmoment gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmen, und mit einer Drehmomenterzeugungseinheit, die eingerichtet ist, das Gesamt-Handmoment an einem Lenkrad des Lenksystems bereitzustellen. Wie bereits in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert, lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Lenksystems binäre Aktivierungen sowie sprunghaft Anstiege des Gesamt-Dämpfungsmoments vermeiden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire Lenksystem,
- - 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines allgemeinen Verfahrens zur Bestimmung eines Handmoments,
- - 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines geregelten Handmoments, und
- - 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines geregelten Handmoments.
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1 veranschaulicht schematisch ein Steer-by-Wire Lenksystem 10 für ein Fahrzeug mit einem Lenkrad 12.
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Das Lenksystem 10 umfasst des Weiteren einen Stellmotor 14, der an einer Vorderachse 16 angeordnet ist.
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Die Vorderachse 16 trägt zwei Vorderräder 18, 20.
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Bei einem Steer-by-Wire Lenksystem 10 besteht keine mechanische Koppelung zwischen dem Lenkrad 12 und Rädern 18, 20. Stattdessen wird ein Radlenkwinkel mittels des Stellmotors 14 eingestellt.
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Das Lenksystem 10 weist einen Sensor 22, beispielsweise einen Winkelsensor auf, der dazu dient, einen Lenkwinkel zu erfassen.
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Basierend auf dem durch den Sensor 22 erfassten Lenkwinkel wird ein Signal an einen Stellmotor 14 gesendet.
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Genauer gesagt hat das Lenksystem 10 eine Steuereinheit 24, die einen vom Sensor 22 erfassten Wert verarbeitet und ein entsprechendes Signal an den Stellmotor 14 sendet.
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Darüber hinaus hat das Lenksystem 10 eine Drehmomentberechnungseinheit 26 und eine Drehmomenterzeugungseinheit 28.
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Die Drehmomentberechnungseinheit 26 kann in der Steuereinheit 24 integriert sein, wie es in 1 veranschaulicht ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Drehmomentberechnungseinheit 26 separat von der Steuereinheit 24 ist.
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Die Drehmomenterzeugungseinheit 28 ist eingerichtet, ein von der Drehmomentberechnungseinheit 26 bestimmtes Handmoment an dem Lenkrad 12 bereitzustellen.
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Das Handmoment wirkt entgegen einem von einem Fahrer auf das Lenkrad 12 aufgebrachten Lenkmoment. Auf diese Weise wird die fehlende mechanische Koppelung zwischen dem Lenkrad 12 und den Rädern 18, 20 simuliert.
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Das am Lenkrad 12 aufgebrachte Handmoment ermöglicht insbesondere ein stabiles Lenkverhalten.
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In einem Winkelbereich von mindestens +/- 220° um die Neutralstellung des Lenkrads 12 wirkt ein reguläres Dämpfungsmoment MDämpfung, das beispielsweise zwischen +/-3 Nm liegt. Das Vorzeichen hängt dabei von einer Lenkrichtung ab, also ob das Lenkrad 12 aus der Neutralstellung heraus oder zur Neutralstellung hin gedreht wird. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem „Auslenken“ bei einer Bewegung weg von der Neutralstellung und einem „Einlenken“ bei einer Bewegung hin zur Neutralstellung.
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Das reguläre Dämpfungsmoment MDämpfung dient dazu, eine Lenkbewegung zu verlangsamen.
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In die Bestimmung des Dämpfungsmoments MDämpfung fließen beispielsweise eine Lenkradgeschwindigkeit, eine Lenkradbeschleunigung und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit ein.
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Wenn sich eine Stellung des Lenkrads 12 einem Endanschlag nähert, bewegt sich der Lenkwinkel in einem Bereich, in dem ein Endanschlagmoment MEndanschlag wirkt.
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In die Bestimmung des Endanschlagmoments MEndanschlag fließen beispielsweise eine Lenkradgeschwindigkeit, eine Lenkradbeschleunigung, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder ein Lenkwinkel oder gegebenenfalls der Grad einer Überlenkung ein.
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Das Endanschlagmoment ist deutlich höher als das reguläre Dämpfungsmoment und liegt beispielsweise zwischen +/- 40 Nm.
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Das aufgebrachte Handmoment ist insbesondere durch die Leistung eines Antriebs in der Drehmomenterzeugungseinheit 28 begrenzt.
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Der Endanschlag liegt beispielsweise bei einem Lenkwinkel zwischen +/- 220° und 270°, insbesondere bei +/- 250°. Bei Steer-by-Wire Lenksystemen spricht man in diesem Zusammenhang auch von einem virtuellen Endanschlag, da der Endanschlag mittels der Drehmomenterzeugungseinheit 28 künstlich erzeugt wird.
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Der Endanschlagswinkel ist insbesondere auf einen maximalen Verfahrweg des Stellmotors 14 abgestimmt. Das heißt, der Endanschlagswinkel entspricht einem Zustand, in dem der Stellmotor 14 in einer maximal verfahrenen Stellung ist.
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2 veranschaulicht anhand eines Blockschaltbilds ein beispielhaftes Verfahren zur Bestimmung des Handmoments.
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Hierfür werden die Ausgangswerte f1 - f5 mehrerer Funktion F1 bis F5 aufsummiert zu einer Führungsgröße w für einen geschlossenen Regelkreis. Die Führungsgröße w ist dabei das aufsummierte Handmoment.
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Die Führungsgröße w hat beispielsweise die Einheit Nm und gibt direkt den Betrag des Moments an, das von Drehmomenterzeugungseinheit 28 am Lenkrad 12 angelegt werden soll.
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Beispielsweise basiert auf dem Ausgangswert f1 der ersten Funktion F1 das Endanschlagmoment.
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Auf dem Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 basiert beispielsweise das reguläre Dämpfungsmoment.
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Die Funktionen F1 und F2 enthalten im Ausführungsbeispiel mindestens ein gemeinsames Eingangssignal u.
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Bei dem gemeinsamen Eingangssignal u handelt es sich beispielsweise um einen vom Sensor 22 erfassten Lenkwinkel, eine Lenkradgeschwindigkeit, eine Lenkradbeschleunigung und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren anhand des Blockschaltbildes in 3 erläutert. Der Einfachheit halber wird hierbei lediglich auf die Funktionen F1 und F2 eingegangen. Es können jedoch, wie auch in 2 veranschaulicht, weitere Funktionen zum Bilden der Führungsgröße w aufaddiert werden.
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3 zeigt, dass ein Ausgangswert f1 der ersten Funktion F1 als Eingangsgröße oder Regelgröße auf die zweite Funktion F2 wirkt, und zwar mit dem Ziel, einen Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 zu schwächen, was nachfolgend noch erläutert wird. Auf diese Weise wird eine Überblendung der Funktionen F1 und F2 erreicht.
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Die erste Funktion F1 ist insbesondere gegenüber der zweiten Funktion F2 dominierend. Das bedeutet, dass die zweite Funktion F2 deaktiviert oder zumindest signifikant geschwächt wird, wenn die erste Funktion F1 aktiv ist.
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Die als Eingangsgröße auf die zweite Funktion F2 wirkende Ausgangswert f1 der ersten Funktion F1 wird im Ausführungsbeispiel zusätzlich mit einem Verstärkungsfaktor x verstärkt.
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Ein geschwächter Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 ergibt sich beispielsweise durch folgende Formel:
M
Dämpfung_blend stellt einen geschwächten Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 dar.
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In der obigen Formel wird das reguläre Dämpfungsmoment MDämpfung mit einem Quotienten multipliziert, der im Nenner den Betrag des Endanschlagmoments MEndanschlag enthält. Dieser Betrag wird zusätzlich mit einem Verstärkungsfaktor xVerstärkung verstärkt. Durch die Verstärkung wird das Dämpfungsmoment noch stärker reduziert.
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Der im Nenner optional vorgeschaltete Term -|MDämpfung| sorgt für einen glatteren Übergang. Insbesondere wird dadurch das reguläre Dämpfungsmoment MDämpfung bei einem Einlenken aus dem Bereich des Endanschlags heraus früher wieder appliziert, sodass eine Reduktion des Handmoments nach einem Endanschlag weniger stark ausfällt.
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Da der Betrag des Endanschlag-moments MEndanschlag die meiste Zeit deutlich größer als 1 ist, ergibt der Quotient einen Wert von weniger als 1.
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Der Verstärkungsfaktor xVerstärkung kann auch dazu dienen, eine Überblendung zu deaktivieren, indem der Verstärkungsfaktor xVerstarkung auf den Wert Null gesetzt wird. In diesem Fall ergibt sich MDämpfung-blend = MDämpfung. Durch min 1 wird verhindert, dass der Quotient kleiner 1 wird und somit eine ungewollte Schwächung der Funktion F2 verursacht.
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4 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zur Bestimmung eines Handmoments.
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Das in 4 veranschaulichte Verfahren basiert auf dem in 3 veranschaulichten Verfahren. Bei dem Verfahren gemäß 4 ist jedoch zusätzlich eine lokale Verstärkung der zweiten Funktion F2 vorgesehen.
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Die lokale Verstärkung dient dazu, eine Dämpfung des Lenkrads beim Herauslenken aus dem Bereich des Endanschlags zu optimieren.
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Während sich das Lenkrad 12 im Bereich des Endanschlags befindet, wirkt das Endanschlag-moment MEndanschlag wie eine Feder, die das Lenkrad in Richtung zur Neutralstellung hin vorspannt.
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Wenn ein Fahrer in diesem Zustand seinen Griff auf das Lenkrad 12 lockert oder die Hände vom Lenkrad 12 nimmt, beschleunigt das Lenkrad 12 in Richtung Neutralstellung, ähnlich wie bei einem Zurückschnappen.
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Dieser Zustand soll durch das in 4 veranschaulichte Verfahren vermieden werden.
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Zu diesem Zweck wird bei einem Übergang aus dem Endanschlagsbereich heraus die Dämpfung, insbesondere die zweite Funktion F2, lokal verstärkt.
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Genauer gesagt wird der Ausgangswert f1 der ersten Funktion F1 zeitlich verzögert als Verstärkungsfaktor auf den Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 aufaddiert. Das heißt, zum Zeitpunkt der lokalen Verstärkung ist das Endanschlagmoment MEndanschlag bereits inaktiv. Das reguläre Dämpfungsmoment ist in verstärkter Form aktiv.
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Die zeitliche Verzögerung kann dabei auf verschiedene Art und Weise realisiert werden, zum Beispiel mittels eines PT1 Glieds oder eines PT2 Glieds.
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Auf diese Weise wird bei einem schnellen, schlagartigen Verlassen des Endanschlagsbereichs durch die zweite Funktion F2 ein ausreichend starkes Gegenmoment erzeugt.
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Im Ausführungsbeispiel wird die lokale Verstärkung durch das Glied G = y*f1(z-1) realisiert. z bezeichnet die zeitliche Verzögerung. y stell einen Verstärkungsfaktor dar, der die Höhe der lokalen Verstärkung festlegt.
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Der Verstärkungsfaktor y kann optional auf Null gesetzt werden, um die lokale Verstärkung zu deaktivieren.
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Der Ausgangswert f2 der zweiten Funktion F2 ergibt sich bei dem in
4 veranschaulichten Verfahren somit durch die Formel
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Die lokale Verstärkung wirkt nur beim Verlassen des Endanschlagsbereichs, beim Eintritt in den Endanschlagsbereich ist das Dämpfungsverhalten unverändert, also wie bei dem in 3 veranschaulichten Verfahren.
