Die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 09 921 A1 beschreibt diesen im
Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Patentanmeldung
wiedergegebenen bekannten Stand der Technik. Mit der vorliegenden
Patentanmeldung wird dabei ausdrücklich auf unsere ältere, vorveröffentlichte deutsche
Patentanmeldung 100 09 921.1 sowie unsere weitere, darauf aufbauende
deutsche Patentanmeldung 101 41 273.8 Bezug genommen, weshalb der
Inhalt dieser beiden Anmeldungen und insbesondere der erstgenannten, auf
der auch die vorliegende Anmeldung aufbaut, hier nicht ausführlich
wiederholt wird.
Diese genannte DE 100 09 921 A1 beschreibt einen sog.
Querbeschleunigungszweig in einem Regelkreis für ein elektronisch initiierte Eingriffe
erlaubendes Fzg.-Lenksystem, wobei ein Reglerkommando aus einer
Minimumbildung zwischen den Absolutwerten des geeignet gefilterten
Quotienten aus der Fahrzeugquerbeschleunigung und der
Fahrzeuggeschwindigkeit einerseits und eines in Abhängigkeit vom Fahrer-Lenkwinkel
unter Verwendung der Ackermann-Beziehung berechneten Gierraten-
Sollwertes andererseits gewählt wird. Hierdurch kann bei einer vorliegenden
Reifensättigung der lenkwinkelabhängige Gierratensollwert reduziert werden,
falls er zu groß ist. In diesen Fällen kann dann mit Hilfe der Fzg.-
Querbeschleunigung bzw. dem besagten Quotienten aus der
Querbeschleunigung und der Fzg.-Geschwindigkeit ein besserer, vom Betrag reduzierter
Ersatzwert für den Gierraten-Sollwert erzeugt werden. Insbesondere gemäß
unserer oben zweitgenannten, deutschen Patentanmeldung 101 41 273.8
kann der genannte Quotient (dort sowie in der vorliegenden Anmeldung mit
"r_by" bezeichnet) noch durch additive, lenkwinkelabhängige Signale in
seiner Dynamik an den Verlauf des vorzugsweise unter Verwendung der
Ackermann-Beziehung berechneten Gierraten-Sollwertes (dort sowie hier mit
"rsoll_acker" bezeichnet) angeglichen werden, woraus ein sog. gefilterter
Quotient (aus der Querbeschleunigung "by" und der Fzg.-Geschwindigkeit
"V") ermittelt werden kann, der hier nun mit "r_by_filt" bezeichnet wird.
Lediglich für die Vollständigkeit der vorliegenden Beschreibung wird kurz auf
die beigefügte Fig. 1 verwiesen, die als sog. Seitenkraft-Diagramm die
Abhängigkeit der Seitenkraft ("Fy") eines Reifens oder einer gesamten Achse
vom Schräglaufwinkel ("α") graphisch zeigt. Wie bereits in der o. g.
DE 100 09 921 A1 beschrieben ist, besitzt diese (Reifen)-Kennlinie zunächst
einen Linearbereich, an den sich über einen sog. Grenzbereich der Bereich
der Reifen-Sättigung anschließt und der fahrdynamisch relativ kritisch ist, da
man dann trotz Erhöhung des Schräglaufwinkelbetrags praktisch keine
weitere Erhöhung der Seitenkraft erreichen kann.
Nach dem genannten, bekannten Stand der Technik vergleicht die genannte
Minimumbildung die Absolutwerte bzw. Beträge von "r_by_filter" und von
"rsoll_acker" miteinander, woraus für den Absolutwert des resultierenden
Reglerkommandos ("rsoll_es" genannt) die folgende Gleichung gilt:
abs(rsoll_es) = MIN[abs(rsoll_acker), abs(r_by_filt)] [1].
Demzufolge wirkt der sog. Querbeschleunigungszweig immer dann auf die
Bildung des Gierratensollwertes ein, wenn die folgende Bedingung [2] erfüllt
ist:
abs(rsoll_acker) > abs(r_by_filt) [2].
Wie im genannten Stand der Technik ausgeführt ist, ist der
lenkwinkelabhängige Gierraten-Sollwert "rsoll_acker" dann ausreichend, wenn keine
Reifensättigung vorliegt und sich der Reifen folglich im sog. Linearbereich
des Seitenkraftdiagramms befindet, so dass dann der sog.
Querbeschleunigungszweig, nämlich "r_by_filt" überhaupt nicht wirksam werden muss.
Tatsächlich soll dieser sog. Querbeschleunigungszweig nur im Grenzbereich
oder Sättigungsbereich (vgl. Fig. 1) des Reifens eingreifen.
Wenn man nun die Stabilität des Reglers analysieren will, so hat hierauf ein
Vorsteuerkommando keinen Einfluss, und es kann auch die Bildung des
Gierraten-Sollwertes unberücksichtigt bleiben. Für eine Stabilitätsanalyse
müssen folglich nur die Rückführungen im Regelkreis betrachtet werden.
Dann wird das Reglerkommando nur noch aus dem Anteil der
Gierratenrückführung sowie dem eventuell wirksamen Querbeschleunigungszweig
gebildet. Dieses spezielle, vereinfachte Reglerkommando wird im weiteren
mit "fb" bezeichnet.
Zur Herleitung der vorliegenden Erfindung wird nun zunächst davon
ausgegangen, dass der die Querbeschleunigung "by" verarbeitende, sog.
Querbeschleunigungszweig nicht wirksam sei, woraus sich das genannte
vereinfachte Reglerkommando wie folgt ergibt:
fb = -k.r [3],
wobei "k" eine geeignete Konstante und "r" die tatsächliche Gierrate des
Fahrzeugs ist. Diese ˙˙vereinfachte, stabilitätsrelevante Reglerstruktur ohne
wirksamen Querbeschleunigungszweig ist in der beigefügten Fig. 2
dargestellt. Demgegenüber zeigt Fig. 3 diese vereinfachte, stabilitätsrelevante
Reglerstruktur mit wirksamen Querbeschleunigungszweig entsprechend der
folgenden Gleichung [3] zur Bildung des vereinfachten Reglerkommandos:
fb = k.(r_by - r) = k. ≙ [4],
wobei mit ≙ die Schwimmwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs bezeichnet
ist.
Wie in der bereits mehrfach genannten DE 100 09 921 A1 ausgeführt ist, ist
der sog. Querbeschleunigungszweig, in dem die rückgeführte
Querbeschleunigung "by" berücksichtigt wird, zumeist nur außerhalb des
Linearbereichs der Abhängigkeit der Seitenkraft ("Fy") vom Schräglaufwinkel ("α")
relevant, d. h. nur dann, wenn man sich im Grenzbereich oder im
Sättigungsbereich gemäß Fig. 1 bewegt.
Es gibt jedoch weitere Situationen, die dazu führen, dass der sog.
Querbeschleunigungszweig wirksam ist, und zwar auch dann, wenn das Fzg. noch
im genannten Linearbereich des Seitenkraftdiagramms gemäß Fig. 1 bewegt
wird. Betrachtet man die obigen Gleichungen [1] und [2], so ergibt sich, dass
dies für all jene Fälle gilt, in denen die Querbeschleunigung "by" aufgrund
irgendwelcher Einflüsse derart verfälscht ist, dass sie vom Betrag her kleiner
wird als es den eigentlichen Umständen entspricht. Dies kann bspw. dann
der Fall sein, wenn im Querbeschleunigungssensor ein Offset vorhanden ist,
oder wenn das Fzg. durch eine sog. Steilwandkurve bewegt wird, bei welcher
bekanntermaßen die Fahrbahn in Richtung zum Kurvenmittelpunkt hin
abfallend geneigt ist. Nun hat sich gezeigt, dass in solchen Fällen
geringfügige Stabilitätsunstimmigkeiten auftreten können. Ursächlich hierfür ist, dass
im genannten Linearbereich der Abhängigkeit der Reifenseitenkraft ("Fy")
vom Schräglaufwinkel ("α") die Schräglaufsteifigkeit größer als im Bereich
der genannten Reifensättigung ist. Mit dem genannten Faktor "k" ist jedoch
eine Stabilität nur für obige Gleichung [3], nicht jedoch für Gleichung [4]
einstellbar.
Würde man nun auf gängige Weise diese Unstimmigkeiten beheben wollen,
so könnte man die Stabilitätsreserven für den Fall der Gleichung [4] durch
möglichst weitgehende Verringerung der Phasenverzögerung verbessern,
was jedoch keinen Erfolg bringt, da die inhärenten Phasenverzögerungen
entweder physikalischer Natur und somit unvermeidbar sind, und da die
bekannten Vorhaltefilter wegen ihrer Messrauschverstärkung nicht
verwendbar sind.
Theoretisch könnte man auch durch Einführen einer weiteren Verstärkung
(hier "k2" genannt) im sog. Querbeschleunigungszweig die
Stabilitätsreserven für den Fall der Gleichung [4] verbessern, womit sich Gleichung [5]
ergäbe:
fb = k.(k2.r_by - r) [5].
Dies ist jedoch ausgeschlossen, da die in Gleichung [4] enthaltene
Verstärkung des Querbeschleunigungszweigs ("r_by") vom Wert "1" sein muss,
damit sich im Stationärfall das vereinfachte Regerkommando "fb" wegen der
dann vorliegenden Gleichheit des Quotienten "r_by" und der Gierrate "r" (d. h.
r_by = r) zu "Null" ergibt, und dass außerdem bei Reifensättigung der zu
große Lenkwinkelsollwert "rsoll_acker" richtig reduziert wird. Theoretisch
wäre es im übrigen auch denkbar, die Regelverstärkung "k" in der Gleichung
[4] zu reduzieren, was jedoch die Stabilisierungswirkung des Reglers
verkleinern würde und somit ebenfalls ungeeignet ist.
Eine demgegenüber praktikable Abhilfemaßnahme für die weiter oben
geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, das
Reglerkommando in den Fällen, in denen der gefilterte Quotient aus
Fahrzeugquerbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit einerseits und der Gierraten-
Sollwert andererseits unterschiedliche Vorzeichen haben, den Wert "Null"
annimmt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird dann, wenn die Signale "rsoll_acker" und "r_by filt"
unterschiedliche Vorzeichen haben, der Wert für das Reglerkommando, das
hier sowie in der bereits mehrfach genannten DE 100 09 921 A1 als
resultierender Gierratensollwert "rsoll_es" bezeichnet wird bzw. wurde, zu
"Null" gesetzt. Hierdurch wird vermieden, dass die Größe "r_by_filt" mit
umgekehrtem Vorzeichen, d. h. an der Abszisse gespiegelt, den
resultierenden Gierratensollwert ergibt, denn eine solche Vorzeichenumkehr hätte
unerwünschte Auswirkungen auf die Stabilität und ist daher zu vermeiden.
Die vorgeschlagene Nullsetzung des resultierenden Gierraten-Sollwerts der
Minimumbildung bzw. des Reglerkommandos im Falle unterschiedlicher
Vorzeichen der Eingangssignale der Minimumbildung schafft hier die
gewünschte Abhilfe.
Sehr hilfreich ist im übrigen die aus der gattungsbildenden
DE 100 09 921 A1 bzw. dem bekannten Stand der Technik zur vorliegenden
Erfindung bereits bekannte Einführung eines Verzögerungsgliedes im sog.
Querbeschleunigungszweig zur Verbesserung des Stabilitätsverhaltnes des
Regelkreises. Beispielsweise mit einem Verzögerungsglied erster Ordnung
(bspw. mit der bekannten Übertragungsfunktion {Ts + 1}-1) im
Querbeschleunigungszweig, das eine geeignete Filterung des Quotienten aus der
Fahrzeugquerbeschleunigung und der Fahrzeuggeschwindigkeit darstellt,
ergibt sich die folgende Gleichung [6] für das vereinfachte Reglerkommando
"fb":
fb = k.((Ts + 1)-1.r_by - r) [6].
Damit kann die Stabilität des Reglers mit wirksamen
Querbescheunigungszweig auch im genannten Linearbereich unterhalb der Reifensättigung
hergestellt werden. Die Zeitkonstante "T" kann dabei so eingestellt werden,
dass die Dämpfung des Regelkreises mit und ohne wirksamen
Querbeschleunigungszweig gleich gut ist. Zwar erzeugt dann ein Offset im
Querbeschleunigungssensor oder eine Fahrt in einer Steilwandkurve (d. h. die oben
geschilderten, möglichen Ursachen für Stabilitätsunstimmigkeiten) weiterhin
einen Eingriff durch den Regler; jedoch ist dieser dann stabil und daher nicht
weiter störend. Der Fahrer muss also in diesem Fall (also bei Durchfahren
einer Steilwandkurve) lediglich einen etwas größeren Lenkwinkel aufbringen
als beim Durchfahren einer flachen, ebenen Kurve mit dem selben
Kurvenradius. Mit einem derartigen Verzögerungsglied im
Querbeschleunigungszweig ergibt sich somit die in Fig. 4 dargestellte Struktur des Regelkreises.
Zurückkommend auf die erfindungsgemäße Null-Setzung der
Reglerkommandos bzw. des resultierender Gierratensollwertes "rsoll_es" kann die
entsprechend abgewandelte Minimumbildung dabei auch als fallbasierte
Anweisung geschrieben werden oder in Form ein sog. Begrenzungsglieds
umgesetzt sein, in dem die Werte für den geeignet gefilterten Quotienten
aus Fahrzeugquerbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit einerseits
und den in Abhängigkeit vom Fahrer-Lenkwinkel berechneten Gierraten-
Sollwert andererseits verglichen werden, woraus sich das folgenden
Reglerkommando ergibt:
- a) falls sich die genannten Eingangswerte in ihrem Vorzeichen
unterscheiden, ist das Reglerkommando gleich "0";
- b) falls der Betrag des genannten Quotienten kleiner als der Betrag des
Gierraten-Sollwertes ist, ist das Reglerkommando gleich dem
genannten Quotienten;
- c) andernfalls ist das Reglerkommando gleich dem Gierraten-Sollwert.
Das genannte Begrenzungsglied lässt sich dabei durch die folgende
Gleichung [7] beschreiben:
mit a = 0 und b = rsoll_acker, falls rsoll_acker > 0 ist, bzw.
mit a = rsoll_acker und b = 0, falls rsoll_acker < 0 ist.
Die in Gleichung [7] enthaltene Funktion:
bedeutet dabei, dass der
Funktionswert durch a < b begrenzt wird und für a < x < b den Wert x
annimmt, für x < a den Wert a annimmt und für x > b den Wert b annimmt.
Anhand der beigefügten Fig. 5 und 6 wird diese Begrenzung durch
zwei Beispiele illustriert. In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist der Wert
"rsoll_acker" < 0 und in derjenigen nach Fig. 6 ist der Wert "rsoll_acker" > 0.
Die lenkwinkelabhängige Sollgierrate "rsoll_acker" wird also jetzt nur noch
als eine der beiden Grenzen im Begrenzungsglied benutzt. Dabei ist
anzumerken, dass dieses vorgeschlagene Begrenzungsglied die in der
genannten DE 100 09 921 A1 (sowie in unserer deutschen Patentanmeldung
100 41 273.8) enthaltene Minimumbildung quasi erweitert.
Bevorzugt wird die Größe "rsoll_acker" dabei derart appliziert, dass im
Stationärfall die folgende Gleichung [8] gilt, d. h. dass im Stationärfall der
Gierraten-Sollwert größer als der genannte und geeignet gefilterte Quotient
aus Fahrzeugquerbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit ist:
abs(rsoll_acker) > r_by_filt = r_by = r [8].
Dieser Zusammenhang gilt im übrigen auch im gesamten Linearbereich der
Seitenkraftkennlinie nach Fig. 1.
Dabei ist die Größe "rsoll_acker" insofern wichtig, als dann, wenn der Fahrer
des Fahrzeugs versucht, einer Instablität des Fzg's durch Gegenlenken
entgegenzuwirken, die applizierte Gierratenregelung sein Gegenlenken
unterstützen bzw. vergrößern soll. Das Gegenlenken des Fahrers geht dann
über den Lenkradwinkel zu "rsoll_acker" in die Begrenzung von "r_by_filt"
zum Signal Reglerkommando "rsoll_es" und von da ins genannte,
vereinfachte Reglerkommando "fb" letztlich zum Stellkommando für den den
Lenkeinschlag der lenkbaren Fzg.-Räder bestimmenden Aktuator. Diese
resultierende Regler-Struktur ist in Fig. 7 gezeigt.
Im weiteren wird eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
beschrieben, die im Ansatz bereits in der eingangs genannten, deutschen
Patentanmeldung 101 41 273.8 enthalten ist, nämlich ein sog.
Dynamikangleich, der nun hier an das Verfahren nach dem vorliegenden
Patentanspruch 1 angepasst wird. Zunächst diesen sog. Dynamikangleich erläuternd
hat sich gezeigt, dass eine unterschiedliche Dynamik in den Verläufen von
"rsoll_acker" und "r_by" vorliegt, und zwar insbesondere im linearen
Querdynamikbereich des Fahrzeugs, der mit dem linearen Teil der
Reifenkennlinie gleichgesetzt werden kann. Grundsätzlich wäre jedoch eine
Dynamik für "r_by" wie vom "rsoll_acker"-Signal wünschenswert, so dass
dann "r_by" bei dynamischen Übergängen ohne Reifensättigung keinen
Einfluß auf den Giersollwert "rsoll_es" hätte. In der genannten, nicht
vorveröffentlichten, deutschen Patentanmeldung 101 41 273.8 ist nun
beschrieben, (und hierauf wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung
ausdrücklich Bezug genommen) wie dem Signal der Querbeschleunigung
"r_by" das dynamische Verhalten der Größe "rsoll_acker" aufgeprägt werden
kann, d. h. wie ein Dynamikangleich von "r_by" an die Gierratensollwerte der
Modellvorsteuerungen erfolgen kann.
Dabei soll im genannten Linearbereich der Abhängigkeit der Seitenkraft
("Fy") vom Schräglaufwinkel ("α") das Signal "r_by" keinen Einfluss auf das
Stellkommando haben. Erst wenn die Reifensättigung wirksam wird und der
Wert von "r_by" absinkt, sollte "r_by" wirksam werden. Um dies zu
gewährleisten, wurde vorgeschlagen, dass dem Signal "r_by" ein anderes Signal
hinzuaddiert wird, das durch ein oder mehrere in den Modellvorsteuerungen
enthaltene(s/n) Einspurmodell(e) ohne Schwierigkeiten zur Verfügung steht,
nämlich die Schwimmwinkelgeschwindigkeit ≙. Dieser soweit vorbekannte
Dynamikangleich lässt sich also durch die folgende Gleichung [9]
beschreiben:
r_by_filt = by/V - ≙Mod(δL) [9].
Dieser Dynamikangleich kann nun an die in mit der vorliegenden
Patentanmeldung eingeführten Maßnahmen angepasst werden, und zwar indem
dieser durch einen zusätzlichen Lenkvorhalt, der durch ein DT1-Glied
beschreibbar ist, ergänzt wird. Dieses DT1-Glied greift die Beschleunigung
byMod aus einem lenkwinkelabhängigen Einspurmodell ab, so dass man die
folgende Gleichung [10] erhält:
Dadurch wird eine durch das PT1-Glied in Gleichung [6] erzeugte
Phasenverzögerung wieder rückgängig gemacht, wonach im genannten
Linearbereich der Abhängigkeit der Reifenseitenkraft ("Fy") vom Schräglaufwinkel
("α") der Verlauf von "r_by_filt" wieder dem Verlauf der gemessenen Gierrate
"r" gleicht und somit das vereinfachte Reglerkommando "fb" auf dem Wert
"Null" bleibt. Abweichungen der beiden Signale können sich dann nur noch
durch die Modellungenauigkeiten des Einspurmodells ergeben, die aber
relativ klein sind.
Die Stabiltät der Querbeschleunigungsrückführung wird dabei nicht
angetastet, da die Addition von:
nur vom Lenkwinkel δL abhängt, das
selbe gilt auch für die Subtraktion von ≙Mod(δL). In Fig. 8 ist diese Struktur,
bei welcher der Quotient von Fahrzeugquerbeschleunigung und
Fahrzeuggeschwindigkeit zur Bildung eines Vorhaltewertes um eine mit Hilfe eines
lenkwinkelabhängigen Modells berechnete Schwimmwinkelgeschwindigkeit
verringert wird, wobei hierfür, falls die genannte Filterung des Quotienten aus
Fahrzeugquerbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit in Form eines
Verzögerungsgliedes erfolgt, eine daraus resultierende Phasenverzögerung
durch ein Differentialglied DT1 im wesentlichen wieder rückgängig gemacht
wird, grafisch dargestellt.
Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen lässt sich also die Zuverlässigkeit des
Verfahrens nach Anspruch 1 erheblich steigern, wobei noch darauf
hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen
Ausführungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu
verlassen.