DE10205632A1

DE10205632A1 - Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs und zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung

Info

Publication number: DE10205632A1
Application number: DE10205632A
Authority: DE
Inventors: Chi-Thuan Cao; Petra Blessing; Matthias Haussmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2002-10-02

Abstract

Es wird eine Steer-by-Wire-Lenkung vorgestellt, deren Struktur die Entwicklung einer modular aufgebauten Software unterstützt. Außerdem können in der erfindungsgemäßen Struktur Schnittstellen zu übergeordneten Funktionen und nebengeordneten Funktionen einfach bereitgestellt werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Steer-by-Wire-Lenkanlage vielseitig einsetzbar und einfach an Kundenwünsche adaptierbar.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs und zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung nach dem nebengeordneten Anspruch 14.

In den verschiedensten Bereichen der Technik muss die Position elektrischer Antriebe geregelt werden. Beispiele hierfür sind die elektrischen Antriebe von Werkzeugmaschinen und Fertigungsrobotern, aber auch die Ventilaktuatoren von Steer-by-Wire-Lenkanlagen mit Hydro- Lenkgetriebe.

Allen diesen Positionsregelungen ist gemeinsam, dass die Position des elektrischen Antriebs mit möglichst geringer Zeitverzögerung und ohne Überschwingen dem vorgegebenen Sollwert folgen soll. Außerdem ist es erwünscht, dass die Positionsregelung mit einer möglichst geringen Zahl an Sensoren auskommt und überdies ein robustes und gegenüber internen und externen Störgrößen unempfindliches Regeverhalten aufweist.

Im Folgenden wird am Beispiel eines Ventilaktuators einer sogenannten Steer-by-Wire-Lenkanlage mit Hydro-Lenkgetriebe das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsregelung erläutert. Dies bedeutet keine Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung auf Steer-by-Wire-Lenkanlagen.

Bei der Realisierung von Steer-by-Wire-Lenkanlagen sind zwei Aufgabenkomplexe zu bewältigen. Erstens muss der Fahrerlenkwunsch vom Lenkrad auf die gelenkten Räder übertragen werden und zweitens muss der Fahrer eine Rückmeldung von den gelenkten Rädern am Lenkrad erhalten. Diese Rückmeldung spürt der Fahrer als ein vom Lenkrad auf seine Hände wirkendes Drehmoment, das im Folgenden als Lenkgefühl bezeichnet wird.

Steer-by-Wire-Lenkanlagen lassen sich besser als konventionelle Lenkungen an verschiedene Fahrzeugtypen adaptieren und erlauben außerdem die Integration zusätzlicher Funktionen wie bspw. eine Fahrdynamikregelung, welche mit Lenkeingriffen arbeitet, oder eine Spurführungsregelung. Dabei muss eine Steer-by-Wire-Lenkung bzgl. Funktionssicherheit und Regelverhalten mindestens ebensogut wie eine konventionelle Servolenkung sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs und zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung bereitzustellen, welche ein robustes Regelverhalten haben und bei Sollwertänderungen die Position des elektrischen Antriebs bzw. die Stellung der gelenkten Räder rasch und ohne Überschwingen dem neuen Sollwert entsprechend ändern. Zusätzlich sollen die erfindungsgemäßen Verfahren mit einer geringen Zahl von Sensoren auskommen und direkt in einem Mikroprozessor realisierbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch ein Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs, bei welchem eine Ist-Position eines elektrischen Antriebs erfasst wird, eine Referenzposition mit Hilfe eines Referenzmodells aus einer Sollposition gebildet wird, ein Fehlersignal aus der Differenz zwischen Referenzposition und Ist-Position gebildet wird und bei welchem der elektrische Antrieb in Abhängigkeit einer Soll- Position, der Referenzposition, der Ist-Position und des Fehlersignals geregelt wird.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass weder Drehzahlsignale noch Strommessungen notwendig sind und somit die entsprechenden Sensoren entfallen können. Es wird lediglich ein Positionssensor benötigt. Das dynamische Verhalten des geschlossenen Regelkreises gemäß des erfindungsgemäßen Verfahren kann durch ein frei wählbares Referenzmodell bestimmt werden. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsregelung in den unterschiedlichsten technischen Gebieten gleichermaßen geeignet. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren robust gegenüber Parameteränderungen und unbekannten Nichtlinearitäten.

In Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Stellgröße des Positionsreglers eine Ansteuerspannung eines Umrichters des elektrischen Antriebs, die aus einer Vorsteuerung und einer Fehlerkorrektur besteht. Dadurch, dass die Vorsteuerung aus der Ausgangsgröße des Referenzmodells, einem Modell des Antriebs, den internen und externen Störgrößen und den Stellgrößen der vergangenen Zeitschritte berechnet wird, wird mit der Vorsteuerung ein Ansteuersignal generiert, welches dem optimalen Ansteuersignal schon sehr nahe kommt. Somit wird das Regelverhalten der erfindungsgemäßen Positionsregelung im Sinne des gewählten Referenzmodells bestimmt.

In weiterer Ergänzung der Erfindung werden die Störgrößen aus den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen der vergangenen Zeitschritte des Antriebs berechnet, so dass das erfindungsgemäße Verfahren unempfindlich gegenüber Störgrößen und Parameterschwankungen. Außerdem können auch nicht bekannte Störgrößen oder Nichtlinearitäten bei der Regelung berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in weiterer Ausgestaltung dadurch verbessert werden, dass die Fehlerkorrektur aus dem mit einem dritten Proportionalitätsfaktor gewichteten Fehlersignals berechnet wird, so dass die Dynamik des Fehlersignals bei der Fehlerkorrektur berücksichtigt wird. Der dritte Proportionalitätsfaktor wird so gewählt, dass ein asymptotisch stabiles dynamisches Führungsverhalten des geregelten Antriebssystems erreicht wird.

Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, die Ansteuerspannung des Umrichters nach gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12 zu berechnen. In diesem Fall ergibt sich eine einfache, robuste und gegenüber auch unbekannten Störgrößen, Nichtlinearitäten und Parameterschwankungen unempfindliche Regelung.

Die Regelgüte des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch weiter verbessert, dass das Referenzmodell ein nicht schwingungsfähiges gedämpftes System zweiter Ordnung ist.

Bei einer Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Betrag des Ist-Werts in Abhängigkeit des Ist-Werts verstärkt wird, dass die Regeldifferenz aufintegriert wird, und dass aus dem Produkt des verstärkten Ist-Werts und der Regeldifferenz ein Kompensationswert gebildet wird, und dass der Kompensationswert zu der Referenzposition addiert wird. In weiterer Ergänzung kann auch vorgesehen sein, dass der Betrag des Ist-Werts im Bereich der Mittellage des elektrischen Antriebs verstärkt wird.

Durch diese Maßnahmen kann die Empfindlichkeit der Lenkung in ihrer Mittellage erhöht werden, wodurch sich der Geradeauslauf des Fahrzeugs verbessert.

Weitere Ergänzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass von der Ansteuerspannung des Positionsreglers eine erste Störgröße subtrahiert wird, und dass die erste Störgröße nach der folgenden Gleichung berechnet wird:

M_stör,1 = k × C_Drehstab × (δ_Ritzel - δ_VA,ist),

wobei k eine Konstante und C_Drehstab die Torsionsfederrate des Drehstabventils sind.

Durch diese Störgrößenaufschaltung reagiert die Regelung noch schneller und genauer auf Änderungen des Fahrerlenkwunsches.

Die Regelgüte kann weiter verbessert werden dadurch, dass von der Ansteuerspannung des Positionsreglers eine Dämpfungsspannung subtrahiert wird und dass die Dämpfungsspannung u_dämpf nach der folgenden Gleichung berechnet wird:

u_dämpf = k × D × ω_Ritzel - ω_VA,ist.

Dabei stellen k und D eine Konstante und ω eine Drehgeschwindigkeit dar.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung, bei welchem

- der Lenkradwinkel erfasst wird;
- der Lenkradwinkel in einen Soll-Wert der Stellung der gelenkten Räder umgewandelt wird;
- ein Ist-Wert der Stellung der gelenkten Räder erfasst wird;
- eine Regeldifferenz zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Stellung der gelenkten Räder gebildet wird;
- die Stellung der gelenkten Räder nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 geregelt wird und
- ein Lenkradmoment in Abhängigkeit der zwischen den gelenkten Rädern und einem Lenksteller wirkenden Momente und/oder Kräfte geregelt wird.

Die Vorteile dieses Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs entsprechen den o. g. Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsregelung.

In Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein erster Regler aus der Regeldifferenz einen ersten Sollwert eines Ventilaktuators einer Hydro- Lenkung als Stellgröße ausgibt, dass parallel zu dem ersten Regler ein Kompensator aus dem Soll-Wert der Stellung der gelenkten Räder einen zweiten Sollwert des Ventilaktuators als Stellgröße ausgibt, dass erster Sollwert und zweiter Sollwert zu einem Sollwert des Ventilaktuators addiert werden, und dass der Sollwert die Führungsgröße eines Motorreglers ist, so dass Nichtlinearitäten des Hydro- Lenkgetriebes vom Kompensator ausgeglichen werden und somit die weitere Regelung als lineare Regelung ausgeführt werden kann.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Motorregler nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 arbeitet, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile auch bei dem Motorregler zum Tragen kommen.

Bei weiteren Ergänzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Sollwertbildung der Stellung der gelenkten Räder geschwindigkeitsabhängig, und/oder wird dem Lenkradwinkel von einem Spurführungsregler ein erster Korrekturwinkel in Abhängigkeit eines Kurslenkradwinkels überlagert, und/oder wird dem Lenkradwinkel von einem Fahrdynamikregler ein zweiter Korrekturwinkel in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit, der Querbeschleunigung und/oder der Gierrate des Fahrzeugs überlagert, so dass das Lenkverhalten und die Fahrstabilität eines mit einer erfindungsgemäßen Steer-by- Wire-Lenkung ausgerüsteten Fahrzeugs verbessert werden und das Fahrverhalten eines mit einer konventionellen Servo- Lenkung ausgerüsteten Fahrzeugs übertrifft. Zusätzlich kann auch noch eine Seitenwind-Kompensation erfolgen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Lenkradmoment in Abhängigkeit der Differenz aus dem Drehwinkel des Ventilaktuators und dem Ritzelwinkel gebildet wird, oder dass das Lenkradmoment in Abhängigkeit des Ist-Stroms des Ventilaktuators gebildet wird, so dass auf einen Lenkradmomenten-Sensor verzichtet werden kann.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst, durch eine Steer-by-Wire-Lenkung eines Fahrzeugs, mit einem Lenkrad, mit einer Lenksäule, mit einem Drehwinkelsensor, mit einem auf die Lenksäule wirkenden Lenkradmotor, mit einem über ein Lenkgetriebe und eine Spurstange auf die gelenkten Räder wirkenden Lenksteller und mit einem Steuergerät nach Anspruch 15, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung zum Tragen kommen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Kompensators.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Lenkrad 1 mit einer Lenksäule 3 einer erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung dargestellt. An der Lenksäule 3 sind ein Drehwinkelsensor 5, ein erster Drehmomentsensor 7 und ein elektrischer Lenkradmotor 9 angeordnet.

Die gelenkten Räder 11 des in Fig. 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs sind über eine Spurstange 13 miteinander verbunden und werden von einem Lenksteller 15 gelenkt. Der Lenksteller 15 basiert auf einem an sich bekannten Hydro- Lenkgetriebe. Das Lenkgetriebe des Lenkstellers 15 ist als Zahnstangenlenkgetriebe mit einer Zahnstange 17 und einem Ritzel 19 ausgebildet. Bei herkömmlichen Lenkungen wird das Ritzel 19 von der Lenksäule 3 angetrieben. Bei der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung wird das Ritzel 19 von einem elektrischen Ventilaktuator 21 angetrieben. Zwischen dem Ventilaktuator 21 und dem Ritzel 19 ist ein Drehstabventil 23 angeordnet. Das Drehstabventil 23 steuert die Servounterstützung des Lenkstellers 15, indem es eine hydraulische Verbindung zwischen einer Förderpumpe 25 und einem in Fig. 1 nur andeutungsweise dargestellten, doppelt wirken den Arbeitszylinder 27 mehr oder weniger freigibt. Der Arbeitszylinder 27 wirkt auf die Spurstange 13. Die Förderpumpe 25, das Drehstabventil 23 und der Arbeitszylinder 27 sind über Verbindungsleitungen 29 miteinander verbunden. Am Rotor des Ventilaktuators 21 ist ein zweiter Drehwinkelsensor 31 vorgesehen, der den Drehwinkel des Ventilaktuators 21 erfasst. Am Ritzel 19 ist ein dritter Drehwinkelsensor 33 vorgesehen, welcher den Drehwinkel des Ritzels 19 erfasst.

In dem Drehstabventil 23 ist ein in Fig. 1 nicht erkennbarer Drehstab angeordnet, der sich in Abhängigkeit des vom Ventilaktuator 21 auf das Ritzel 19 übertragenen Moments verdreht. Die Torsion des Drehstabs wird einerseits zum Ansteuern des Arbeitszylinders 27 im Drehstabventil 23 ausgenutzt, andererseits kann aus einer Winkeldifferenz zwischen zweitem Drehwinkelsensor 31 und drittem Drehwinkelsensor 33 auf das vom Ventilaktuator 21 aufgebrachte Moment geschlossen werden. Deshalb kann auch auf Drehmomentsensoren am Lenksteller 15 verzichtet werden. Ein eventuell vorhandenes Übersetzungsgetriebe zwischen Ventilaktuator 21 und Ritzel 19 muss ggf. berücksichtigt werden.

Der Ventilaktuator 21 wird über einen Ventilaktuatorumrichter 35 und einen Lenkregler 37 angesteuert. Führungsgröße des Lenkreglers 37 ist ein Solllenkwert δ_LR,soll, der in Abhängigkeit des vom ersten Drehwinkelsensor 5 gemessenen Drehwinkels δ_LR des Lenkrads 1 und bspw. der Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs gebildet wird. In Fig. 2 wird die Regelung des Lenkstellers 15 und der gelenkten Räder 11 im Detail erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelung des Lenkstellers. Die Lenkungsregelung besteht aus einem Lenkungsregler 41 und einem Motorregler 43.

Der Lenkungsregler 41 wiederum besteht aus einem Regler 45 und einem Kompensator 47. Der Regler 45 regelt den Drehwinkel δ_Ritzel des Ritzels 19. Führungsgröße des Reglers 45 ist der von einer in Fig. 2 nicht dargestellten, aber im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten Sollwertbildung vorgegebener Solllenkradwinkel δ_LR,soll. Der parallel zum Regler 45 angeordnete Kompensator 47 dient dazu, nicht- lineare Effekte des Lenkstellers 15, insbesondere der Hydro-Lenkung, zu kompensieren.

Aus den Ausgangsgrößen von Regler 45 und Kompensator 47 wird ein Sollwert δ*_VA,soll gebildet. Dieser Sollwert δ*_VA,soll ist die Führungsgröße des Motorreglers 43.

Der Motorregler 43 besteht aus einem Positionsregler 49 und einem Referenzmodell 51. Der Positionsregler 49 hat die Aufgabe, den am Ventilaktuator 21 vom zweiten Drehwinkelsensor 31 (siehe Fig. 1) gemessenen Winkel δ_VA so zu regeln, dass δ_VA dem Sollwert δ*_VA,soll ohne Überschwingen folgt. Ausgangsgröße des Positionsreglers 49 ist eine Ansteuerspannung u, mit welcher ein Umrichter 35 des Ventilaktuators 21 angesteuert wird. In Fig. 2 ist die Ansteuerspannung u_sq mit u bezeichnet.

Das Referenzmodell ist ein Differenzenmodell des gewünschten geregelten Systems, dessen zeitliche Auflösung durch die Zeitschritte "k" festgelegt wird. Als Ausführungsbeispiel für ein Referenzmodell kann im Fall eines Ventilaktuators einer Steer-by-Wire-Lenkanlage ein nicht schwingungsfähiges, gut gedämpftes System zweiter Ordnung gewählt werden. Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird für den Reglerentwurf ein Modell eines Permanent-Magneten-erregten-Synchron-Motors (PMSM- Motor) zugrunde gelegt.

Die Ausgangsgröße u des Positionsreglers 49 setzt sich aus einer Vorsteuerung u_vorst und einer Fehlerkorrektur u_korr additiv zusammen. Die Vorsteuerung u_vorst ergibt sich aus dem Vergleich zwischen dem Referenzmodell 51 und dem Modell des Ventilaktuators 21 unter Berücksichtigung der Störgrößen und Stellgrößen der vergangenen Zeitschritte nach folgender Gleichung

u_vorst(u) = k₁ × (Referenzmodell-Ventilaktuatormodell- Störgrößen) - k₂ × (Stellgrößen der vergangenen Zeitschritte).

Die Störgrößen, welche die internen Systemveränderungen und die externen Störungen umfassen, lassen sich aus Eingangs- und Ausgangsgrößen des Ventilaktuators, d. h. der Stellgröße u und dem gemessenen Winkel δ_VA, der vergangenen Zeitschritte ermitteln.

Der Korrekturanteil U_korr beinhaltet das gewichtete Fehlersignal nach folgender Gleichung:

U_korr (k) = k₃ × e(k) - k₃ × (δ_VA,ref (k) - δ_VA(k)).

k₃ enthält die Dynamik des Fehlersignals und wird im Entwurf so gewählt, dass ein asymptotisch stabiles, dynamisches Führungsverhalten des geregelten Antriebssystems gesichert wird.

Alternativ kann der robuste Positionsregler 49 so entworfen werden, dass ein Fehlersignal e zum Zeitpunkt k + 1

e(k + 1) = δ_VA,ref(k + 1) - δ_VA(k + 1).

asymptotisch konvergiert. Dabei bedeuten:
δ_VA,ref: Position des Ventilaktuators gemäß Referenzmodell und
δ_VA: Ist-Position des Ventilaktuators.

Diese Größen können gemäß den nachstehenden Formeln berechnet werden:

δ_va(k + 1) = -a₁ δ_va(k) -a₂ δ_va(k - 1) + b₁u_sq (k) + b₂u_sq (k - 1) + z (k + 1)

und

δ_va,ref(k + 1) = -a_1r δ_va,ref (k) -a₂ δ_va,ref (k - 1)

+ b_1r δ*_va,soll (k) + b_2r δ*_va,soll (k - 1)

Mit:
k: Zeitschritt
a_i: Konstante
b_i: Konstante
a_ir: Konstante
b_ir: Konstante.

Dies kann durch eine geschickte Wahl von k_e zur Ausführung der Stellgröße u_sq ^(h) in der folgenden Gleichung erreicht werden.

u_sq(k) = 1/b₁ (-a_1r δ_va(k) - a_2r δ_va,ref (k - 1)

+ b_1r δ*_VA,soll (k) + b_2r δ*_VA,soll (k - 1)

+ a₁ δ_va(k) - a₂ δ_va(k - 1) - b₂u_sq (k - 1)

- z (k + 1) - k_ee (k))

Mit:
z: unbekannte Störgröße
k_e: Konstante.

Wenn man die unbekannte Störgröße z zum Zeitpunkt k + 1 mit Hilfe von um eine Zahl L von Zeitschritten zurückliegenden Meßwerten bestimmt, kann die Stellgröße u_sq (k) wie folgt berechnet werden:

Mit:

Mit:
L: Zahl von Zeitschritten
k_e: Konstante.

Da das erfindungsgemäße Verfahren auf einem diskreten Modell basiert, kann der erfindungsgemäße Regleralgorithmus direkt mit einem Mikrorechner ohne Rücksicht auf den Einfluss der Abtastzeit realisiert werden. Bei der Realisierung des Regelalgorithmus' wird lediglich die Position, im Falle eines Ventilaktuators der Drehwinkel δ_VA, benötigt.

In Fig. 3 wird die bereits erwähnte Sollwertbildung 39 näher erläutert. Ausgehend von einem Fahrerlenkwunsch, der durch einen Lenkradwinkel δ_LR festgelegt wird, wird der Solllenkradwinkel δ_LR,soll in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs umgewandelt. Damit wird eine geschwindigkeitsabhängige Übersetzung der Drehbewegung am Lenkrad 1 in eine Drehbewegung des Ritzels 19, welches auf die Zahnstange 17 wirkt, ermöglicht.

Optional können auch noch weitere übergeordnete Funktionen den Solllenkradwinkel δ_LR,soll beeinflussen. Bspw. ist in Fig. 3 ein Spurführungsregler 59 vorgesehen, welcher über eine Schnittstelle A mit der Sollwertbildung verknüpft ist. Der Spurführungsregler 59 überlagert dem Fahrerlenkwunsch δ_LR in Abhängigkeit eines Kurswinkels δ_K einen ersten Korrekturwinkel δ_LR,var,1. Dadurch wird der Solllenkradwinkel δ_LR,soll so beeinflusst, dass das Fahrzeug einem vorgegebenen Kurs folgt bzw. der Fahrer zumindest über das Lenkrad eine Rückmeldung erhält, wenn er von einem vorgegebenen Kurs abweicht.

Eine weitere übergeordnete Funktion ist in einem Fahrdynamikregler 61 implementiert. Abhängig von der Geschwindigkeit v der Querbeschleunigung a_y und der Gierrate ∅ des Fahrzeugs wird dem Fahrerlenkwunsch δ_LR ein zweiter Korrekturwinkel δ_LR,var,2 überlagert. Aus dem Fahrerlenkwunsch δ_LR, der geschwindigkeitsabhängigen Übersetzung und ggf. den ersten Korrekturlenkwinkel δ_LR,var,1 und dem zweiten Korrekturwinkel δ_LR,var,2 wird der Solllenkradwinkel δ_LR,soll gebildet. Dieser Solllenkradwinkel δ_LR,soll ist die Eingangsgröße des Reglers 45 aus Fig. 2.

Selbstverständlich können der Spurführungsregler 59 und der Fahrdynamikregler 61 auch abgeschaltet werden. Es ist außerdem möglich, weitere Funktionen, wie bspw. eine nicht dargestellte Seitenwindkompensation in ähnlicher Weise in der Sollwertbildung zu integrieren.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung bestehen unter anderem darin, dass die Realisierung von Motorregelung und Lenkungsregelung überschaubar ist, und dass übergeordnete und nebengeordnete Funktionen einfach und unabhängig voneinander integriert werden können. Mit dieser Struktur ist es möglich, situationsabhängige Sollwerte δ_VA des Ventilaktuators 21 zu erzeugen, die Regler robust und fehlertolerant zu entwerfen und die Lenkregelung gezielt fahreradaptiv und anwendungsfreundlich zu applizieren.

Die Lenkradregelung kann als Regelung oder Steuerung ausgeführt werden. Wie in Fig. 1 erwähnt, wird das Sollhandmoment M_H,soll mit Hilfe der Winkeldifferenz δ_VA - δ_Ritzel ermittelt. Alternativ kann das Sollhandmoment M_H,soll auch aus dem Motorstrom I_ist des Ventilaktuators 21 ermittelt werden. Um eine fehlerhafte Ermittlung des Sollhandmoments M_H,soll zu vermeiden, können beide o. g. Methoden zur Ermittlung des Sollhandmoments parallel angewandt werden und eine gegenseitige Überwachung erfolgen. Das Sollhandmoment wird einem Lenkradregler 63 zugeführt, der über einen Umrichter 65 den Lenkradmotor 9 so ansteuert, dass das Handmoment M_H auf das Lenkrad 1 übertragen wird. Bei der Ausführung des Lenkradreglers 63 wird besonderer Wert auf die Drehmomentenwelligkeit des Lenkradmotors 9 gelegt, damit sich für den Fahrer ein angenehmes Lenkgefühl einstellt.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der wesentliche strukturelle Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 2) besteht darin, dass der Motorregler 43 zusätzlich zu dem Positionsregler 49 und dem Referenzmodell 51 einen Kompensator 67 aufweist. Die Funktionsweise des Positionsreglers 49 und des Referenzmodells 51 wurden bereits zuvor anhand des ersten Ausführungsbeispiels (siehe zu Fig. 2), so dass an dieser Stelle anhand der Fig. 5 die Funktionsweise des Kompensators 67 erläutert werden soll.

In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild des Kompensators 67 von Fig. 4 dargestellt. Um ein besonders sensibles Ansprechen der Regelung auf Änderungen des Solllenkradwinkels δ_LR,soll, der ein Maß für den Fahrerlenkwunsch darstellt, zu ermöglichen, wird der Drehwinkel des Ventilaktuators 21 δ_VA vor der Bildung der Regeldifferenz δ_VA,soll - δ_VA abgezweigt. In einem Verstärker K_i wird die Regeldifferenz δ_VA,soll - δ_VA abgezweigt verstärkt und anschließend einem Integrator 69 zugeführt.

Parallel dazu wird der Betrag des Drehwinkels δ_VA des Ventilaktuators 21 in einem Gewichtungsglied 71 modifiziert. Im Bereich der Mittellage 0 des Ventilaktuators 21 wird der Betrag des Drehwinkels δ_VA stark vergrößert. Mit zunehmendem Abstand zur Mittellage 0 nimmt die Verstärkung stark ab und kann Werte kleiner 1 annehmen. Diese Kennlinie 73 ist in dem Gewichtungsglied 71 schematisch dargestellt.

Entsprechend der in Fig. 5 gezeigten Kennlinie 73 ist die Verstärkung in der Mittellage 0 des Ventilaktuators 21 groß und nimmt symmetrisch zu dieser Mittellage ab. Dieses derart geänderte Signal δ_VA anschließend mit der Regeldifferenz δ_LR,soll - δ_Ritzel multipliziert. Diese Größe wird nachfolgend als Kompensationswert δ_VA,komp bezeichnet. Durch diese Maßnahme wird das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Lenkanlage bei Geradeausfahrt verbessert und ein sensibleres Ansprechen der Lenkanlage auch auf kleinste Änderungen des Fahrerlenkwunsches erreicht.

Claims

1. Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs (VA), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Erfassen der Ist-Position (δ, δ_VA) eines elektrischen Antriebs (VA);
- Bilden einer Referenzposition (δ_{VA, ref}) mit Hilfe eines Referenzmodells (51) aus einer Sollposition (δ*_VA,soll)
- Bilden eines Fehlersignals (e) aus der Differenz (δ_VA,ref - δ_VA) zwischen Referenzposition und Ist- Position;
- Regeln des elektrischen Antriebs (VA) in Abhängigkeit einer Soll-Position (δ*_VA,soll), der Referenzposition (δ_VA,ref), der Ist-Position (δ, δ_VA) und des Fehlersignals (e).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße des Positionsreglers (49) eine Ansteuerspannung (u(k)) eines Umrichters (35) des elektrischen Antriebs (21) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (u(k)) des Positionsreglers (49) aus einer Vorsteuerung (u_vorst(k)) und einer Fehlerkorrektur (u_korr(k)) besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (u_vorst(k)) aus der Ausgangsgröße (δ_VA,ref) des Referenzmodells (51), einem Modell des Antriebs (21), den internen und externen Störgrößen und den Stellgrößen der vergangenen Zeitschritte nach folgender Gleichung berechnet wird:
u_vorst(k) = k₁.(δ_VA,ref - VA-Modell - Störgrößen)
- k₂.(Stellgrößen der vergangenen Zeitschritte)
Mit: k₁: erster Proportionalitätsfaktor
k₂: zweiter Proportionalitätsfaktor.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrößen aus den Eingangsgrößen (u) und den Ausgangsgrößen (δ_VA,Ist) der vergangenen Zeitschritte des Antriebs (21) berechnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkorrektur (u_korr) aus dem mit einem dritten Proportionalitätsfaktor (k₃) gewichteten Fehlersignal (e) berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Proportionalitätsfaktor (k₃) so gewählt wird, dass der geregelte Antrieb (21) ein asymptotisch stabiles dynamisches Verhalten aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Position (δ_VA) des Ventilaktuators (21) nach folgender Gleichung berechnet wird:
δ_va = (k + 1) = -a₁ δ_va(k) -a₂ δ_va (k - 1) + b₁u_sq(k) + b₂u_sq (k - 1) + z (k + 1)
Mit: i = 1, 2
k: Zeitschritt
a_i: Konstante
b_i: Konstante.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition (δ_VA,ref) des Referenzmodells (51) nach folgender Gleichung berechnet wird:
δ_va,ref (k + 1) = -a_1r δ_va,ref (k) -a₂ δ_va,ref (k - 1)
+ b_1r δ*_VA,soll (k) + b_2r δ*_VA,soll (k - 1)
Mit: i = 1, 2
a_ir: Konstante
b_ir: Konstante.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal (e) asymptotisch konvergiert.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsregler (49) den momentenbildenden Ansteuerspannungsanteil (u_sq (k)) nach folgender Gleichung berechnet:
u_sq(k) = 1/b₁ (-a_1r δ_va(k) - a_2r δ_va,ref (k - 1)
+ b_1r δ*_VA,soll (k) + b_2r δ*_VA,soll (k - 1)
+ a₁ δ_va(k) - a₂ δ_va(k - 1) - b₂u_sq (k - 1)
- z (k + 1) - k_ee (k))
Mit:
z: unbekannte Störgröße
k_e: Konstante.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsregler (49) den momentenbildenden Ansteuerspannungsanteil (u_sq (k)) nach folgender Gleichung berechnet:
Mit:
L: Zahl von Zeitschritten
k_e: Konstante.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmodell (51) ein nicht schwingungsfähiges gedämpftes System zweiter Ordnung ist.

14. Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Erfassen des Lenkradwinkels (δ_LR);
- Umwandeln des Lenkradwinkels in einen Soll-Wert (δ_LR,soll) der Stellung der gelenkten Räder (11);
- Erfassen eines Ist-Werts (δ_Ritzel) der Stellung der gelenkten Räder (11);
- Bilden einer Regeldifferenz (δ_LR,soll - δ_Ritzel) zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Stellung der gelenkten Räder (11);
- Regeln der Stellung der gelenkten Räder (11) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11;
- Regeln eines Lenkradmoments (M_H) in Abhängigkeit der zwischen den zwischen gelenkten Rädern (11) und einem Lenksteller (15) wirkenden Momente und/oder Kräfte.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass ein erster Regler (45) aus der Regeldifferenz (δ_LR,soll - δ_Ritzel) einen ersten Sollwert (δ_VA,soll,1) eines Ventilaktuators (21) einer Hydro-Lenkung als Stellgröße ausgibt,
dass parallel zu dem ersten Regler (45) ein Kompensator (47) aus dem Soll-Wert (δ_LR,soll) der Stellung der gelenkten Räder (11) einen zweiten Sollwert (δ_VA,soll,2) des Ventilaktuators (21) als Stellgröße ausgibt, dass erster Sollwert (δ_VA,soll,1) und zweiter Sollwert (δ_VA,soll,2) zu einem Sollwert (δ*_VA,soll) des Ventilaktuators (21) addiert werden, und dass der Sollwert (δ*_VA,soll) die Führungsgröße eines Motorreglers (43) ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorregler (43) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 arbeitet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertbildung (δ_LR,soll) der Stellung der gelenkten Räder (11) geschwindigkeitsabhängig erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lenkradwinkel (δ_LR) von einem Spurführungsregler (59) ein erster Korrekturwinkel (δ_LR,Var,1) in Abhängigkeit eines Kurslenkradwinkels (δ_k) überlagert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lenkradwinkel (δ_LR) von einem Fahrdynamikregler (61) ein zweiter Korrekturwinkel (δ_LR,Var,2) in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit (v), der Querbeschleunigung (a_y) und/oder der Gierrate (∅) des Fahrzeugs überlagert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkradmoment (M_H) in Abhängigkeit der Differenz aus dem Drehwinkel (δ_VA,Ist) des Ventilaktuators (21) und dem Ritzelwinkel (δ_Ritzel,Ist) geregelt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Differenz aus dem Drehwinkel (δ_VA) des Ventilaktuators (21) und dem Ritzelwinkel (δ_Ritzel) das Übersetzungsverhältnis des Lenkgetriebes berücksichtigt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkradmoment (M_H) in Abhängigkeit des Ist-Stroms (I_Ist) des Ventilaktuators (21) geregelt wird.

23. Mikro-Prozessor, dadurch gekennzeichnet, dass er dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.

24. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu geeignet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25 auszuführen.

25. Computerprogramm nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speichermedium abgespeichert ist.

26. Steuergerät für eine Steer-by-Wire-Lenkung eines Fahrzeugs, mit einem Lenkrad (1), mit einer Lenksäule (3), mit einem Drehwinkelsensor (5), mit einem auf die Lenksäule (3) wirkenden Lenkradmotor (9) und mit einem über ein Lenkgetriebe und eine Spurstange (13) auf die gelenkten Räder (11) wirkenden Lenksteller (15), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25 arbeitet.

27. Steer-by-Wire-Lenkung eines Fahrzeugs, mit einem Lenkrad (1), mit einer Lenksäule (3), mit einem Drehwinkelsensor (5), mit einem auf die Lenksäule (3) wirkenden Lenkradmotor (9), mit einem über ein Lenkgetriebe und eine Spurstange (13) auf die gelenkten Räder (11) wirkenden Lenksteller (15) und mit einem Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Steuergerät nach Anspruch 26 ist.

28. Steer-by-Wire-Lenkung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe ein Hydro- Lenkgetriebe mit einem Drehstabventil (23) ist.