DE10261724B4

DE10261724B4 - Lenkkontrollsystem mit magnetorheologischem Dämpfer

Info

Publication number: DE10261724B4
Application number: DE10261724A
Authority: DE
Inventors: Gregory James Ann Arbor Stout; Yixin Ann Arbor Yao
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2022-12-31
Also published as: DE10261724A1; US20030121713A1; GB2383568A; GB2383568B; US6761243B2; GB0226630D0

Abstract

Ein Lenkradkontrollsystem (100) eines Fahrzeugs weist auf:
– ein Lenkrad (111),
– einen magnetorheologischen Dämpfer (110) in Verbindung mit dem Lenkrad (111),
– ein Radsystem (112), das in Wirkungsverbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) ist, wobei der magnetorheologische Dämpfer (110) das Lenkrad (111) in Abhängigkeit von einem Signal vom Radsystem (112) kontrolliert,
– einen Sensor (113), der in Verbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) steht, einen Lenkradwinkel vom Lenkrad (111) erfasst und ein Lenkradwinkelsignal erzeugt, das auf dem erfassten Lenkradwinkel basiert, und
– einen Lenkradkontroller (116), der ein Lenkradwinkelsignal von dem Sensor (113) erhält,
dadurch gekennzeichnet,
dass es weiterhin einen Motor (114), der in Verbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) ist und einen Motorverstärker (124) aufweist, der ein Motorkontrollsignal vom Lenkradkontroller (116) erhält und ein verstärktes Motorkontrolisignal dem Motor (114) zur Verfügung stellt, und dass der Motor (114), der magnetorheologische Dämpfer (110), der...

Description

Die Erfindung bezieht auf ein Lenksystem mit magnetorheologischem Dämpfer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus EP 1 125 825 A2 bekannt ist. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Lenkkontrolle mit variabler Dämpferunterstützung für ein drahtgeführtes Lenksystem, also „Lenken über Draht".
Obwohl die mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den rollenden Rädern nicht vorliegt, erwartet man von einem Lenksystem mit „Lenken durch Draht" nicht nur, dass es dieselben Funktionen und ein Lenkgefühl wie ein konventionelles, mechanisch verbundenes Lenksystem liefert, sondern man erwartet auch die Möglichkeit, ein fortschrittliches, vorteilhaftes Verhalten in den Lenkeigenschaften implementieren zu können. Ein derartiges Lenksystem ist in der US-Patentanmeldung 09/808, 259 offenbart, der volle Umfang dieser Patentanmeldung wird in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. Anforderungen hinsichtlich konventioneller Lenkfunktionen und verbesserte Lenkeigenschaften, wie ein einstellbares Lenkgefühl, können durch ein verbessertes Design bei einem fortschrittlichen Regelsystem implementiert werden.
Ein Lenksystem, das nach „Lenken per Draht" arbeitet, muss eine hohe Qualität der Lenkanforderungen und -funktionen erfüllen, wie beispielsweise das Erfordernis der Richtungskontrolle des Fahrzeuges, das Erfordernis einer Synchronisation des Lenkrades zu den rollenden Rädern, einstellbare Funktionen für die Lenkkraft, Stabilität und einstellbare Rückstellfunktionen, die die Absicht eines Fahrers erfassen und justierbare Funktionen für das Lenkgefühl. Auf der anderen Seite muss die resultierende Kontrollsystemstruktur und Kontrollstrategie den Anforderungen eines geschlossenen kreisigen Rückkopplungskontrollsystems und der entsprechenden Spezifikationen entsprechen, wie beispielsweise Beibehalten der Stabilität bei Unsicherheiten, Abweisen von störenden Einflüssen und Eigenschaft zu schneller Reaktion bzw. Ausführung eines Befehls bzw. eines Kommandos.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Lenkkontrollsystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass dem Fahrer ein verbessertes, energieeffizientes, einstellbares Lenkgefühl zur Verfügung gestellt wird, wobei der Energieverbrauch reduziert ist, die Größe des Konstruktionsraumes verringert ist und die Kosten des Lenksystems verkleinert sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Merkmal des Anspruchs 1.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Lenkradkontrollsystem eines Kraftfahrzeugs, das ein Lenkrad hat, einen magnetorheologischen Dämpfer in Verbindung mit diesem Lenkrad und ein Radsystem, das in Wirkverbindung steht mit dem magnetorheologischen Dämpfer, wobei der magnetorheologische Dämpfer das Lenkrad kontrolliert in Beantwortung davon, dass der magnetorheologische Dämpfer Signale von dem Radsystem erhält.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung, die einen Lenkapparat, einen Schalter in Verbindung mit diesem Lenkapparat und einen magnetorheologischen Dämpfer hat, der von diesem Schalter gesteuert wird, wobei dann, wenn der Schalter im gesperrten Zustand ist, der magnetorheologische Dämpfer den Lenkapparat arretiert.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine magnetorheologische Dämpferkontrolle für ein Lenkkontrollsystem eines Kraftfahrzeuges, das folgende Teile aufweist: einen Motorverstärker, der ein Referenzsignal empfängt und ein Motordrehmomentsignal generiert, und einen Motor, der ein effektives Drehmomentsignal empfängt, das abgeleitet ist aus der Summe eines magnetorheologischen Drehmomentsignals, eines Fahrereingabedrehmomentsignals und des Motordrehmomentsignals. Der Motor generiert ein Radratensignal, das auf dem effektiven Drehmomentsignal basiert. Ein magnetotheologischer Dämpfer empfängt das Radratensignal und ein verstärktes Kontrollsignal von einem magnetorheologischen Verstärker. Der magnetorheologische Verstärker empfängt ein Kontrolleingangssignal und generiert ein verstärktes Kontrollsignal, das auf dem Kontrolleingangssignal basiert. Der magnetorheologische Dämpfer erzeugt das magnetotheologische Drehmomentsignal und ein Integrator empfängt das Radratensignal und generiert ein Radwinkelsignal.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Lenkkontrollsystem für ein Fahrzeug, das ein erstes Kontrollsubsystem, welches einen magnetotheologischen Dämpfer aufweist, und einen Lenkradmotor hat, der auf ein gesteuertes Eingangsdrehmomentsignal reagiert, wobei das erste Kontrollsubsystem ein Lenkradratensignal generiert. Das Lenkradkontrollsystem hat auch ein zweites Kontrollsubsystem, das einen Positionskreiskompensator, ein verstärkungseinstellbares Funktionselement, das auf einen Ausgangswert des Positionskreiskompensators reagiert, einen Motorverstärker, der ein Referenzsignal von dem verstärkungseinstellbaren Funktionselement empfängt und ein Motordrehmoment generiert und einen Integrator hat, der das Lenkradratensignal von dem ersten Kontrollsubsystem empfängt, wobei das zweite Kontrollsubsystem ein Lenkwinkelsignal generiert und ein drittes Kontrollsubsystem ein Lenkverhältnisfunktionselement und ein Radkontrollsubsystem aufweist. Das Lenkverhältnisfunktionselement empfängt das Lenkwinkelsignal und generiert ein Radreferenzwinkelsignal. Das Radsubsystem empfängt das Radreferenzwinkelsignal und generiert ein Raddrehmomentmesssignal.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Lenkgefühls in einem automobilen Kontrollsystem mit „Lenken per Draht" durch Erfassen eines Lenkradwinkels, Erfassen einer Raddynamik, Steuern eines magnetorheologischen Dämpfers in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel und der Raddynamik und Kontrollieren des Lenkgefühls in Abhängigkeit von dem magnetorheologischen Dämpfer.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschränkung und/oder zum Blockieren eines Lenksystems durch Erzeugen einer Position des Lenkapparates, Kontrollieren eines magnetorheologischen Dämpfers in Reaktion auf die Apparaturposition und Verschränken des Lenkapparates in Reaktion auf den magnetorheologischen Dämpfer.
Alle die vorgenannten Aspekte der vorliegenden Erfindung führen zu Vorteilen hinsichtlich des zur Verfügung stellen eines energieeffizienten, einstellbaren Lenkgefühls für den Fahrer, wobei der Energieverbrauch reduziert, die Größe des Konstruktionsraum verringert und die Kosten des Lenksystems verkleinert werden sollen.
Zusätzliche Ausbildungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung und den zugefügten Patentansprüchen, wenn diese in Bezug auf die begleitende Zeichnung berücksichtigt werden.
In der Zeichnung zeigen:
1: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Lenkradkontrollsystems mit einem magnetorheologischen (MR) Dämpfer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
2: ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des MR-Dämpferkontrollteils in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
3: ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein variables MR-Dämpfermodell für ein motorbasiertes System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
4: ein Blockdiagramm für ein anderes Ausführungsbeispiel eines Lenkradkontrollsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
5: ein Blockdiagramm für ein Ausführungsbeispiel für einen beschränkten, eingerasteten Apparat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und
6: Kurven für MR-Reibungskraft über Geschwindigkeit für einen MR-Dämpfer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Lenkkontrollsystems 100 mit einem magnetorheologischen (MR) Dämpfer 110. Das Lenkkontrollsystem 100 hat einen Lenkapparat wie beispielsweise ein Lenkrad 111, ein Radsystem 112 mit auf der Straße abrollenden Rädern und den MR-Dämpfer 110. Das Lenkrad 111 ist in Verbindung mit dem MR-Dämpfer 110. Der MR-Dämpfer 110 ist wirkungsverbunden mit dem Radsystem 112, sodass der MR-Dämpfer 110 das Lenkrad 111 in Abhängigkeit von einem Signal vom Radsystem 112 kontrolliert.
In der vorliegenden Erfindung ist das Lenkrad 111 mit einem Lenkradwinkelsensor 113 verbunden, der einen Lenkwinkel oder eine entsprechende Position erfasst und ein Lenkwinkel- oder Positionssignal θ_s 117 erzeugt. Das Lenkrad 111 ist typischerweise ein normales Kraftfahrzeuglenkrad, das Lenkrad 111 kann jedoch auch ein Joystick, ein Knopf oder dergleichen sein. Der Sensor 113 ist typischerweise ein Rotationspositionssensor, es kann jedoch auch irgendein beliebiger rotationserfassender Sensor benutzt werden, der die Anforderungen erfüllt. So kann beispielsweise für den Sensor 113 ein Potentiometer, ein optischer Encoder, ein Encoder anderer Art oder ein Drehwinkelgeber verwendet werden.
Eine Lenkradeinheit weist ein Lenkrad 111, den Lenkwinkelsensor 113, den MR-Dämpfer 110, einen Motor 114 und eine mit diesem drehbar verbundene Welle 115 auf. Ein Lenkkontroller 116 ist mit in dem Lenkradkontrollsystem 100 enthalten. Viele verschiedene Ausführungen für Architekturen von Kontrollern sind für die vorliegende Erfindung möglich. Die Kontrollaufgabe kann ausgeführt werden durch eine einfache konstante oder proportionale Steuerung, sie kann jedoch auch ausgeführt sein in vielen anderen Typen einschließlich nichtlinearer Regelung, solcher mit variabler Verstärkung, mit Verstärkungs-Scheduler bzw. mit stellbarer Verstärkung oder irgendeiner anderen Form oder Art von Regelung, so beispielsweise die Kontrolle, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/808, 259 und der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 10/037, 059 mit der Bezeichnung „Fahrzeugrad-Fuzzylogik-Kontrollsystem und Verfahren zum Implementieren einer Fuzzylogik-Strategie für ein derartiges Kontrollsystem", mit dem gleichen Prioritätstag wie vorliegende Anmeldung, enthalten sind, der Offenbarungsgehalt beider US-Patentanmeldungen wird vollinhaltlich zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht. Die Eingangswerte zum Lenkradkontroller 116 sind das Lenkradwinkelsignal θ_s 117, ein Lenkradreferenzwinkelsignal θ_sr 118 und ein Raddrehmomentsignal τ_r 119. Die Ausgangsgrößen des Lenkradkontrollers sind ein Kontrolleingangsdrehmoment signal 120 für dem Motor 114 (über den Motorverstärker 122), ein Kontrolleingangsdrehmomentsignal 121 für den MR-Dämpfer 110 (über den MR-Verstärker 123) und ein Radreferenzwinkelsignal θ_rs 122 für das Radkontrollsystem 112. Eine weitergehende Erläuterung dieser genannten Komponenten wird im Folgenden gegebenen.
Der MR-Dämpfer 110 verwendet ein magnetorheologisches Fluid. Ein magnetorheologisches Fluid ist ein eine besondere Art von Öl mit mikroskopischen Eisenpartikeln, die im Öl suspendiert sind. Dieses Fluid ist ein fundamentales Bauteil in der Technologie für einen MR-Dämpfer, welcher eine rotierbare Dämpfungseinrichtung ist, die MR Fluid verwendet, um die gewünschten Charakteristiken hinsichtlich Dämpfung zu erreichen. Ein derartiger MR-Dämpfer 110 ist offenbart auf der Webseite:www.rheonetic.com als pf Datei am Prioritätstage der vorliegenden Anmeldung, also 31. 12. 2001 und wird hergestellt von der Lord Corporation, 406 Gregson Drive, Cary, NC 27511, USA.
Der MR-Dämpfer 110 verbessert das Lenkgefühl, indem er ein sehr weiches viskoses Drehmoment zur ausgeübten Lenkanstrengung des Fahrers durch das Lenkrad 111 hinzufügt. Dieses Drehmoment, das durch die Welle 115 übertragen wird, ist in seiner Natur nicht nur sehr geschmeidig, es ist auch ausgesprochen schnell hinsichtlich der Reaktionszeit, dies macht es ideal für eine Einbeziehung in ein elektronisch kontrolliertes Lenksystem, das in Realzeit auf die ständig sich ändernden Fahrbedingungen reagiert. Die Tatsache, dass das vom MR-Dämpfer 110 generierte Drehmoment eine dämpfende Kraft darstellt bewirkt zudem eine Stabilität für das Lenkradsystem, diese physikalische Reaktion ist günstig, da sie Vibrationen und Überschwingen eliminiert.
Der MR-Dämpfer 110 hilft, Energie zu sparen, da er eine ausgesprochen effiziente Einrichtung zur Erzeugung von Drehmoment ist. Es kann mit dem MR-Dämpfer 110 Drehmoment erzeugt werden unter Verwendung von weniger Energie als mit einem Motor. Demgemäss erreicht man durch die Verwendung des MR-Dämpfers 110, wo immer dies möglich ist, anstelle eines Rückkopplungslenkmotors eine Energieeinsparung, dies schlägt sich letztendlich in einer verbesserten Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit nieder.
Der MR-Verstärker 123 ist eine elektronische Schaltung, die als Eingang ein digitales Signal (MR-Dämpfer Kontrolleingang 121) vom Lenkradkontroller 116 aufnimmt und als Ausgang ein elektrisches Signal produziert, dessen Spannung und Strom den MR-Dämpfer 110 antreibt, um das gewünschte Maß an Drehmoment zu erzeugen, damit dem Fahrer ein Lenkgefühl vermittelt wird, einschließlich Anschlag des Lenkrades 111.
Der Motor 114 ist ein Gleichstrombürstenmotor, es kann jedoch jeder beliebige Motor verwendet werden, solange er die Anforderungen und Leistungen des Motors erfüllt (Größe, Gewicht, Kosten, Ausgangsdrehmoment, Wirkungsgrad usw.).
Der Motorverstärker 124 ist eine elektronische Schaltung, die als Eingangsgröße ein digitales Signal (Motorkontrolleingang 120) vom Lenkradkontroller 116 erhält und als Ausgang ein elektronisches Signal erzeugt, dessen Spannung und Strom den Motor 114 antreiben, um den gewünschten Grad an Drehmoment zu erhalten.
Die grundsätzliche Funktion des Radsystems 112 liegt darin, ein Radwinkelausgangssignal θ_r (4) zu garantieren, das äußerst genau dem Radwinkelreferenzsignal θ_sr folgt. Ein Radstördrehmoment τ_F ist auch ein wichtiges Eingangssignal. Das Radstörsignal τ_F ändert sich mit den Straßenzuständen, Belastung des Fahrzeuges, Reibung zwischen Reifen und Straße. Fahrzeugbewegung und äußere Umstände. Das Raddrehmomentsignal τ_r ist ein Ausgang des Radsystems 112. Das Raddrehmomentsignal τ_r kann das Radwin kelstördrehmomentsignal τ_F beeinflussen.
2 zeigt ein Blockdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des MR-Dämpferkontrollteils nach der vorliegenden Erfindung. Der MR-Dämpferkontrollteil hat den Motorverstärker 124, den Motor 114 (zusammen mit seiner Last), den MR-Dämpfer 110, den MR Verstärker 123 und den Integrator 210.
Eine Regelstruktur mit einem rotierenden MR-Dämpfer 110 ist in 2 angegeben, sie ist eine Entwicklung für ein motorbasiertes Lenkkontrollsystem 100 mit Unterstützung durch einen MR-Dämpfer 110. Basierend auf dieser Realisierung für einen MR-Dämpfer 110 in dem Lenkregelsystem 100 können Kurvenverläufe der MR-Reibungskraft über Geschwindigkeit durch eine Serie von Experimenten erhalten werden, wie in 6 gezeigt ist. Als ein Ergebnis kann ein Modell des rotierenden MR-Dämpfers 110 erhalten werden, wie dies unten beschrieben wird.
In 2 stellt das Signal i_ref ein Eingangssignal vom Lenkradkontroller 116 an dem Motorverstärker 124 dar. Der Motorverstärker 124 erzeugt ein Motordrehmomentsignal τ_m. Das Motordrehmomentsignal τ_m wird dann einer summierenden Verknüpfung 111 (UND-Verknüpfung) zugeleitet, wo es einem MR-Drehmomentsignal τ_mr zugefügt wird, das durch den MR-Dämpfer 110 erzeugt wird, erhalten wird das Drehmomentsignal τ_c.
Ausgehend von 2 ergibt sich die folgende Gleichung für den Zusammenhang zwischen dem Motor 114, dem MR-Dämpfer 110 und den Kontrollvariablen: τc = τm + τmr (1)
Wobei, wie oben ausgeführt, das Drehmomentsignal τ_c die Summe aus dem Ausgangsdrehmomentsignal τ_m des Motorverstärkers 124 und dem MR-Drehmomentsignal τ_mr ist. Es soll hervorgehoben werden, dass τ_m durch negative Rückkopplung mit dem Motorleistungsverstärker 124 erzeugt wird, wie in 4 gezeigt ist.
Wenn der Fahrer das Lenkrad 111 dreht, wird ein Stördrehmomentsignal τ_d dem Lenkkontrollsystem 100 zugeleitet. Das Drehmomentsignal τ_d kann als ein störendes Drehmoment für das Rückkopplungskontrollsystem angesehen werden. Das effektive Eingangsdrehmomentsignal für den Motor 114 wird dargestellt als τ_e. Weil der Motor 114, der MR-Dämpfer 110 und der Sensor 113 alle mit derselben Welle verbunden sind, empfindet der Fahrer, der das Lenkrad hält, die Änderung dieses effektiven Drehmomentsignals τ_e.
Der Ausgang des Motors 114 ist ein Radratensignal ω_s. Das Radratensignal ω_s wird an den Integrator 210 angelegt, erzeugt wird ein Radwinkelsignal θ_s. Das Radratensignal ω_s dient auch als eine Eingangsgröße für den MR-Dämpfer 110. Der MR-Dämpfer 110 empfängt auch einen Eingangswert vom MR-Verstärker 123. Der MR-Verstärker 123 erhält als Eingang ein Referenzsignal i_ref-mr vom Lenkradkontroller 116. Das Signal i_ref-mr stellt das Eingangskontrollsignal des MR-Dämpfers 110 dar. Das MR-Drehmomentsignal τ_mr ändert sich mit dem Signal i_ref-mr, wie dies in 6 gezeigt ist.
3 zeigt ein Blockdiagramm für ein variables MR-Dämpfermodell eines motorbasierten Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Blockdiagramm gibt eine Beschreibung mit Übertragungsfunktion für ein Modell eines variablen MR-Dämpfers 110 eines motorbasierten Systems.
Ein Verfahren zur Verbesserung des Lenkgefühls in einem System mit Lenken durch Draht kann durch Verwendung der folgenden Schritte ausgedrückt werden:

– Erfassen eines Steuerradwinkels, wie dies oben beschrieben wurde, unter Verwendung des Sensors 113;
– Erfassen einer Raddynamik, wie beispielsweise eines Raddrehmomentes;
– Kontrollieren eines MR-Dämpfers in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel und der Raddynamik;
– Regeln des Lenkgefühls in Abhängigkeit vom MR-Dämpfer und
– Liefern eines Radwinkels an ein Radsystem als Funktion der Steuerung des MR-Dämpfers und des Lenkgefühls.

Der Radwinkel kann in einem Computer repetierend berechnet werden und der Radsystembasis auf der Basis des folgenden steuertechnischen Modells zur Verfügung gestellt werden:
Wobei M(s) die Übertragungsfunktion eines Motors des Lenkrades 111 und einer Baugruppe des Lenkradmotors darstellt, K_amp ist die Verstärkung eines Motorverstärkers, i_ref-mr stellt das Eingangskontrollsignal für den MR-Dämpfer dar, i_ref ist das Eingangsreferenzsignal, s stellt eine komplexe Variable eines gegebenen Punktes im Frequenzraum dar, ω stellt die Rotationsrate des MR-Dämpfers dar. τ_d ist ein Antriebsdrehmoment und N(ω, i_ref-mr) stellt eine nichtlineare Übertragungsfunktion des MR-Dämpfers dar.
Gäbe es keinen MR-Dämpfer 110, N(ω, i_ref-mr) = 0, dann würde gelten
Der MR-Dämpfer stellt die Dämpfungsfunktion für das Lenkradkontrollsystem 100 zur Verfügung. Als sein Ergebnis wird die Stabilität des Lenkradkontrollsystems verbessert. Das geregelte technische Modell wie in Gleichung (4) definiert mit MR-Dämpfer 110 im motorbasiertem System gibt den Zusammenhang zwischen den Variablen und dynamischen Charakteristiken wieder.
Wie in 3 gezeigt ist, N(ω, i_ref-mr) erhält als Eingang ω_s (die Rotationsgeschwindigkeit der Motor/MR-Dämpfer/Lenkbaugruppe) und i_ref-mr (der vom MR-Verstärker 123 zur Verfügung gestellte Strom zum Antrieb des MR-Dämpfers 110) und produziert als Ausgang τ_mr (das Drehmoment des MR-Dämpfers 110). N(ω,i_ref-mr) ist demgemäß eine nichtlineare Übertragungsfunktion, die die funktionale Eingangs-/Ausgangscharakteristik des MR-Dämpfers 110 darstellt. Die Charakteristiken der Übertragungsfunktion werden experimentell bestimmt und basieren auf den physikalischen Charakteristiken des MR-Dämpfers 110. Eine repräsentative Kurve ist in 6 gezeigt, wo für die Ausgangs-Eingangscharakteristik des MR-Dämpfers 110 gilt (ω_m3 > ω_m2 > ω_m1) und die Rotationsrate des MR-Dämpfers ω_mi (i = 1, 2, ... n) ist und τ_mr der Ausgangsdrehmomentdämpfer ist i_ref-mr das Inputstromkontrollsignal des MR-Dämpfers 110 ist.
4 zeigt ein Blockdiagramm für ein anderes Ausführungsbeispiel eines Lenkradkontrollsystems 100 nach der vorliegenden Erfindung. Das Lenkradkontrollsystem 100 ist auf einer Kontrollstruktur basiert, wie sie in der US-Patentanmeldung 09/808, 259 beschrieben ist, der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird hiermit in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. In der vorliegenden Erfindung ist der MR-Dämpfer 110 zusätzlich vorhanden.
Das Lenkradsteuersystem 100, wie es in 4 dargestellt ist, hat ein Lenkradrückkopplungskontrollsystem 412, eine MR-unterstützte Kontrolle 413, ein Lenkverhältnisfunktionselement 414 und ein Radrückkopplungskontrollsubsystem 415. Das Lenkrad-Rückkopplungskontrollsystem 412 hat einen Positionsschleifenkompensator 416, der als Eingangsgröße die Differenz zwischen einem Lenkradreferenzwinkelsignal θ_sr und einem Lenkradwinkel θ_s empfängt. Das Lenkradwinkelreferenzsignal θ_sr kommt von einem Positionssensor, der den Radwinkel θ_r vom Radrückkopplungskontrollsubsystem 415 erfasst.
Der Ausgang des Positionsschleifenkompensators 416 liegt als Eingang an einem verstärkungseinstellbaren Funktionselement 417 an. Das verstärkungseinstellbare Funktionselement 417 erhält als Eingangsgröße auch ein Radwinkeldrehmomentwinkelsignal τ_T. Das Radwinkeldrehmomentsignal τ_T ist ein skaliertes Radwinkeldrehmomentsignal τ_R vom Radwinkelrückkopplungskontrollsubsystem 415. Das verstärkungseinstellbare Funktionselement 417 liefert ein Eingangsreferenzsignal i_ref zum Motorverstärker 124, der ein Motordrehmoment τ_m für die MR-unterstützte Kontrolle 413 generiert. Die MR-unterstützte Kontrolle 413 generiert ein Lenkradratensignal ω_s als eine Eingangsgröße für einen Integrator 210. Der Integrator 210 generiert ein Lenkradwinkelsignal θ_s, welches rückgekoppelt wird auf den Positionsschleifenkompensator 416 und benutzt wird als eine Eingangsgröße für das Lenkverhältnisfunktionselement 414. Der Ausgang des Lenkverhältnisfunktionselements 414 ist ein Radreferenzwinkel θ_rs. Die Lenkverhältnisfunktion 414 justiert den Lenkwinkel θ_s basierend auf einigen Berechnungen, um den Lenkverhältnis und anderen Faktoren zu entsprechen und diese zu berücksichtigen und wird dann als ein Radreferenzwinkel θ_rs benutzt.
Im Allgemeinen müssen der Lenkradwinkel θ_s und der Radwinkel θ_r in Übereinstimmung miteinander bleiben. Diese beiden Referenzwinkel halten den Lenkradwinkel und den Radwinkel in proportionaler Abhängigkeit miteinander. Die MR-unterstützte Kontrolle 413 wird nun im folgenden beschrieben:
Die MR-unterstützte Kontrolle 413 hat einen MR-Kontrollkompensator 418, einen Motor 114, einen MR-Verstärker 123 und einen MR-Dämpfer 110. Das Motordrehmomentdrehsignal τ_m wird an eine summierende Verknüpfung 211 angelegt, wo ihm ein MR-Drehmomentsignal τ_mr zuaddiert wird, das durch den MR-Dämpfer 110 generiert wird, das Ergebnis ist das Drehmomentsignal τ_c. Es muss bemerkt werden, dass τ_m durch negative Rückkopplung mit dem Motorleistungsverstärker 124 erhalten wird.
Ein Drehmomentsignal τ_d kommt von der Eingabe des Fahrers, typischerweise indem der Fahrer das Lenkrad 111 dreht. Das Drehmomentsignal τ_d kann als ein Stördrehmoment für das Rückkopplungskontrollsystem angesehen werden. Das effektive Drehmomenteingangssignal für den Motor 114 ist als τ_e dargestellt. Der Fahrer, der das Lenkrad handhabt, spürt die Änderung dieses effektiven Drehmomentsignals τ_e.
Der Ausgang des Motors 114 ist das Lenkradratensignal ω_s. Das Lenkradratensignal ω_s wird dem Integrator 210 zugeleitet, generiert wird ein Lenkradwinkelsignal θ_s, wie oben beschrieben. Das Lenkradratensignal ω_s dient auch als eine Eingangsgröße für den MR-Dämpfer 110. Der MR-Dämpfer 110 erhält als Eingangsgröße auch einen Eingang vom MR-Verstärker 123. Der MR-Verstärker 123 erhält als Eingang ein Referenzsignal _iref-mr. Das Signal i_ref-mr stellt das Eingangskontrollsignal des MR-Dämpfers 110 dar. Das Drehmomentsignal τ_mr ändert sich mit dem Signal i_ref-mr.
Der Motor 114 dreht sich, wenn τ_e nicht den Wert null hat. Wenn τ_c den gleichen Wert hat wie τ_d, ist das effektive Drehmoment τ_e ist die Rotation des Motors 114 gestoppt. Demzufolge kann der Fahrer eine signifikante Änderung im effektiven Drehmoment τ_e spüren. Wenn demgemäss der Fahrer das Lenkrad loslässt, wird das MR-Drehmomentsignal τ_mr rasch reduziert, weil sein Eingangssignal i_ref-mr sehr rasch auf null oder auf einen vorgegebenen Wert abfällt. Demzufolge wird weniger Energie verbraucht, um die Rückstellfunktion des Lenkrades 111 zu erreichen.
Das Eingangssignal i_ref-mr des MR-Dämpfer 110 ist mit dem Ausgang des MR-Kontrollkompensators 418 verbunden. Der MR-Kontrollkompensator erhält als Eingang das Raddrehmomentsignal τ_R vom Radrückkopplungskontrollsubsystem 415. Demzufolge ändern sich das Eingangssignal i_ref-mr des MR-Dämpfers 110 und das resultierende MR-Drehmomentsignal τ_mr proportional mit dem Raddrehmomentwert. Der MR-Kontrollkompensator kann ausgelegt sein als ein Kompensator mit konstanter Verstärkung, eine nichtlineare Funktion mit vorgegebenen Eingangs- und Ausgangscharakteristiken oder ein Kompensator mit variabler Verstärkung, der mit einem verstärkungsschedulierenden Signal die Verstärkung variiert.
Das Radrückkopplungskontrollsubsystem 415 empfängt als Eingangsgröße auch ein Radstördrehmoment τ_F (Als Beispiel: Es wird ein Schlagloch in der Straße getroffen). Wie oben ausgeführt ist, ist das Radstördrehmomentsignal τ_F ein wichtiges Eingangssignal. Das Radstördrehmomentsignal τ_F ändert sich mit den Straßenzuständen, der Belastung des Fahrzeuges, der Reibung zwischen Rad und Straße, der Kraftfahrzeugbewegung und anderen äußeren Umständen. Das Raddrehmoment τ_R kann das Radstördrehmomentsignal t_F beeinflussen.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer Anschlag-zu-Anschlag Vorrichtung als ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Anschlag-zu-Anschlag bzw. verschränkte Vorrichtung 500 hat einen Lenkapparat 111, einen Schalter 501 in Verbindung mit dem Lenkapparat, einen MR-Verstärker 123, einen MR-Kontrollkompensator 418, einen Hochverstärkungskompensator 502, einen Komparator 503 und einen MR-Dämpfer 110, so dass dann, wenn der Schalter im festgesetzten Zustand ist, der MR-Dämpfer den Lenkapparat blockiert. Der verschränkte Apparat 500 wird nun im folgenden im Detail beschrieben:
Der Komparator 503 empfängt den absoluten Wert eines Lenkradwinkelsignals θ_s. Das Lenkradwinkelsignal θ_s kommt von einem Positionssensor (nicht dargestellt), der mit dem Lenkapparat verbunden ist. Der Lenkapparat kann ein Lenkrad, ein Joystick, ein Knopf oder dergleichen sein. Der Komparator 503 stellt fest, ob das Lenkradwinkelsignal θ_s kleiner ist als vorgegebener Wert alpha. Wenn der vorgegebene Wert des Lenkradwinkelsignals θ_s kleiner ist als ein vorgegebener Wert alpha, beispielsweise als |α| = 720°, stellt eine Steuerleitung 504 den Schalter 501 in eine x1 Position, ansonsten befindet sich der Schalter 501 in einer x2 Position.
Der Schalter 501 hat zwei Eingänge entsprechend den x1- und x2-Positionen und einen Ausgang 505. Der x1-Eingang ist mit dem MR-Kontrollkompensator 418 verbunden. Der MR-Kontrollkompensator 418 empfängt den absoluten Wert eines Raddrehmomentsignals τ_R. Typischerweise stammt das Raddrehmomentsignal τ_R von einem Radsystem, wobei unter Rad immer ein Strassenrad verstanden wird. Der MR-Kontrollkompensator kann ausgelegt sein als ein Kompensator mit konstanter Verstärkung, eine nichtlineare Funktion mit vorgegebenen Eingangs- und Ausgangscharakteristiken oder ein Kompensator mit stellbarer Verstärkung, dessen Verstärkung mit einem schedulierenden, also stellenden Signal variiert. Der x2-Eingang ist mit dem hochverstärkenden Kompensator K_MT 502 verbunden und erhält auch das Raddrehmomentsignal τ_R. Der hochverstärkende Kompensator K_MT 502 erzeugt ausreichend Ausgangsdrehmoment, um den Lenkapparat 111 zu blockieren (K_MT >> K_T, wobei K_T der normale Faktorenwert ist zwischen dem Raddrehmomentsignal und dem Eingang des MR-Dämpfers 110).
Der Ausgang 505 des Schalters 501 ist mit dem Eingang des MR-Verstärkers 123 verbunden. Der MR-Dämpfer 110 erhält den Ausgang des MR-Verstärkers 123 und erzeugt ein MR-Drehmomentsignal τ_mr.
In der vorliegenden Erfindung läuft dann, wenn der Lenkradwinkel θ_s kleiner ist als ein vorgegebener Wert, das Raddrehmomentsignal τ_R durch den MR-Kontrollkompensator 418 und zum MR-Dämpfer 110 und der Fahrer kann den Lenkapparat bewegen, wie dies oben beschrieben wurde. Wenn das Lenkradwinkelsignal θ_s größer als oder gleich ist wie der vorgegebene Wert, durchläuft das Raddrehmomentsignal τ_R den hochverstärkten Kompensator 502 zum MR-Dämpfer 110 hin und produziert ein ausreichend großes Ausgangsdrehmoment, um den Lenkapparat zu blockieren.
Dies hat den Effekt, dass dieses Merkmal den Lenkapparat sehr schwer zu bewegen macht, um dem Fahrer mitzuteilen, dass die Räder, womit immer die rollenden Straßenräder genannt sind, ihren maximalen Bewegungsbereich erreicht haben und in die vorgegebene Richtung nicht weiter gedreht werden können. Dieses Merkmal emuliert den mechanischen Anschlag, wie er in Steuersystemen heutiger Art anzutreffen ist.
Die vorangegangene detaillierte Beschreibung ist im wesentlichen illustrativ für verschiedene physikalische Ausführungen der Erfindung. Physikalische Abwandlungen der Erfindung, die nicht vollständig in der Beschreibung erläutert sind, können ausgeführt und in Betracht gezogen werden innerhalb des Bereichs der Patentansprüche. Demgemäss ist irgendeine nähere Beschreibung der Elemente in der Beschreibung nur als eine allgemeine Hilfestellung zu verstehen, nicht aber wird dadurch irgendeine breitere Auslegungsmöglichkeit dieser Elemente eingeschränkt, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert sind.
Bei den einbezogenen US-Anmeldungen gilt die jeweilige hinterlegte deutsche Patentanmeldung dergleichen Familie.

Claims

Ein Lenkradkontrollsystem (100) eines Fahrzeugs weist auf: – ein Lenkrad (111), – einen magnetorheologischen Dämpfer (110) in Verbindung mit dem Lenkrad (111), – ein Radsystem (112), das in Wirkungsverbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) ist, wobei der magnetorheologische Dämpfer (110) das Lenkrad (111) in Abhängigkeit von einem Signal vom Radsystem (112) kontrolliert, – einen Sensor (113), der in Verbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) steht, einen Lenkradwinkel vom Lenkrad (111) erfasst und ein Lenkradwinkelsignal erzeugt, das auf dem erfassten Lenkradwinkel basiert, und – einen Lenkradkontroller (116), der ein Lenkradwinkelsignal von dem Sensor (113) erhält, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Motor (114), der in Verbindung mit dem magnetorheologischen Dämpfer (110) ist und einen Motorverstärker (124) aufweist, der ein Motorkontrollsignal vom Lenkradkontroller (116) erhält und ein verstärktes Motorkontrolisignal dem Motor (114) zur Verfügung stellt, und dass der Motor (114), der magnetorheologische Dämpfer (110), der Sensor (113) und das Lenkrad (111) miteinander über eine Welle (115) verbunden sind.
Das Lenkradkontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radwinkel in einem Computer repetierend berechnet wird auf der Basis des folgenden steuertechnischen Modells
wobei M(s) die Übertragungsfunktion des Motors (114) des Lenkrades (111) und einer Baugruppe des Motors (114) darstellt, K_amp die Verstärkung des Motorverstärkers (124) ist, i_ref-mr das Eingangskontrollsignal für den magnetorheologischen Dämpfer (110) darstellt, i_ref das Eingangsreferenzsignal ist, s eine komplexe Variable eines gegebenen Punktes im Frequenzraum darstellt, ω die Rotationsrate des magnetorheologischen Dämpfers (110) darstellt, τ_d ein Antriebsdrehmoment ist und N(ω, i_ref-mr) eine nichtlineare Übertragungsfunktion des magnetorheologischen Dämpfer (110) darstellt.
Das Lenkradkontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradkontroller (116) ein Raddrehmomentsignal von dem Radsystem (112) erhält.
Das Lenkradkontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradkontroller (116) ein Lenkradreferenzwinkelsignal vom Radsystem (112) erhält.
Das Lenkradkontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radsystem (112) ein Radreferenzwinkelsignal vom Lenkradkontroller (116) erhält.
Das Lenkradkontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen magnetorheologischen Verstärker (123) aufweist, der ein Dämpferkontrollsignal vom Lenkradkontroller (116) verstärkt und dieses verstärkte Dämpferkontrollsignal dem magnetorheologischen Dämpfer (110) zuleitet.