DE10319537B4

DE10319537B4 - Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung sowie Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft

Info

Publication number: DE10319537B4
Application number: DE10319537A
Authority: DE
Inventors: James B. Eskritt; Joel E. Kuehner; Hideki Jounokuchi; Yoshiyuki Yamazaki
Original assignee: Siliconix Technology CV
Current assignee: Koyo Canada Inc Mississauga Ca
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: US20060012324A1; US7180256B2; GB2388090A; US20040267421A1; US6995679B2; GB2388090B; DE10319537A1

Abstract

Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft mit Hilfe eines Öldruckes, der von einer Ölpumpe (26) erzeugt wird, die von einem Elektromotor (27) angetrieben wird, wobei der Elektromotor (27) einen Stromflusswinkel aufweist, über den dessen elektrische Leistung zumindest einer Motorphase zugeführt wird, wobei die Lenkungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Drehwinkeldetektor (15), der den Drehwinkel des Rotors des Elektromotors feststellt; einen Lenkungswinkelsensor (11), dessen Ausgangssignal einer Steuereinheit (30) zur Feststellung der Lenkungswinkelgeschwindigkeit eines Lenkungsbetätigungsteils (2, 3) zugeführt wird; eine Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42), die einen Ansteuerungs-Sollwert des Elektromotors (27) auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Lenkungswinkel-Geschwindigkeitssensors (11, 30) einstellt; und einen Ansteuerungs-Signalgenerator (45), der ein Ansteuerungssignal zur Ansteuerung des Elektromotors (27) auf der Grundlage des Ansteuerungs-Sollwertes erzeugt, der von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42) eingestellt wird; gekennzeichnet durch eine Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung (47), die einen Phasenvoreilungswinkel des Ansteuerungssignals gegenüber dem Drehwinkel, der von dem Drehwinkeldetektor (15) festgestellt wird, bezüglich des Ansteuerungs-Sollwertes einstellt, der von der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hilfskraft-Lenkungssvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft der im Oberbegriff des Anspruchs 9 genannten Art.
Es sind Hilfskraft-Lenkungssvorrichtungen bekannt, bei denen die Lenkungshilfskraft mit Hilfe eines Elektromotors erzeugt wird, der durch geschaltete Wandler angesteuert wird, die ein Gleichspannungspotential auf ein oder mehrere Phasen eines Impulsstromes zur Ansteuerung des Motors umwandeln. Der Motor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Hall-Sensoren zur Steuerung der Kommutation sein, der eine Pumpe antreibt, die einen Öldruck in dem Lenkungsmechanismus eines Fahrzeuges erzeugt.
Ein Beispiel für eine derartige Hilfskraft-Lenkungssvorrichtung ist aus der DE 696 02 335 T2 bekannt. Die Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung unterstützt die Betätigung des Lenkrades eines Fahrzeuges durch Zuführung von Betriebsöl von der Ölpumpe an einen mit dem Lenkungsmechanismus verbundenen Kraftstellkolben. Die Ölpumpe wird von einem Elektromotor angetrieben, wobei eine Lenkungs-Hilfskraft, die von der Drehzahl der Motordrehung abhängt, von dem Kraftstellkolben erzeugt wird. In die Lenksäule ist ein Drehstab eingefügt, der eine Torsion erzeugt, die der Richtung und Größe der Lenkkraft entspricht, die auf das Lenkrad ausgeübt wird, und es ist ein Öldruck-Steuerventil vorgesehen, das die Größe seiner Öffnung in Abhängigkeit von der Richtung und Größe der Torsion des Torsionsstabes ändert. Dieses Öldruck-Steuerventil ist in dem Öldrucksystem zwischen der Ölpumpe und dem Kraftstellkolben angeordnet und ergibt eine Lenkungshilfskraft, die mit dem Lenkungsdrehmoment übereinstimmt, das von dem Kraftstellkolben erzeugt werden soll. Die Ansteuerung des mit Elektromotors erfolgt auf der Grundlage der Lenkungswinkelgeschwindigkeit des Lenkrades. Die Lenkungswinkelgeschwindigkeit wird auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lenkungswinkelsensors gewonnen, der in Verbindung mit dem Lenkrad vorgesehen ist, und eine Soll-Drehgeschwindigkeit des mit elektrischer Leistung betriebenen Motors wird auf der Grundlage dieser Lenkungswinkelgeschwindigkeit eingestellt. Eine Spannung wird dem Elektromotor derart zugeführt, dass diese Soll-Drehgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Beispiele der Konstruktion eines Öldrucksteuerventils sind ausführlich in der US-Patentschrift 4 624 283 (= JP 59-118577A ) offenbart, um nur ein Beispiel zu nennen.
1 zeigt eine typische Dreiphasen-Motorsteuerung, ausgehend von einer Gleichstrom-Versorgung. Der Motor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und einem Stator sein, der Statorwicklungen umfasst, die mit geschalteten impulsförmigen Phasenansteuersignalen gespeist werden. Die Versorgungs-Gleichspannung wird einem Wandler 100 zugeführt, der drei Halbbrücken mit Transistoren (beispielsweise MOSFETs, IGBTs, bipolaren Bauteilen) umfasst, deren Leitfähigkeitszustand durch Steuersignale AH, AL, BH, BL und CH, CL gesteuert wird.
Die spannungsseitigen und erdseitigen Bauteile sind jeweils in Serie längs der Versorgungsspannung angeschaltet, und das Ausgangssignal jedes Bauteils bildet eine der drei Phasen U, V und W. Jedes der Schalterbauteile wird durch ein Steuergerät 200 gesteuert, das Hall-Signale zur Steuerung der Kommutationszeiten von dem Elektromotor 300 empfängt. Die Steuersignale AH, AL, BH, BL und CH, CL werden an die jeweiligen Schalterbauteile des Wandlers 100 geliefert.
Bei einer typischen Motoransteuerung, die beispielsweise in 2 gezeigt ist, wird ein Hall-Signal von dem Motor für jede Phase geliefert, von denen eine gezeigt ist. Es ist lediglich eines der Steuersignale für die spannungs- bzw. erdseitigen Schalterbauteile gezeigt. Bei einer typischen Anwendung liefern die Hall-Signale ein Signal zur Steuerung des Schaltens der Schalterbauteile in dem Wandler und somit der Motor-Kommutation. Eine typischer Motoransteuerung ist in 2 mit einem Stromflusswinkel von 120° gezeigt. Wie dies gezeigt ist, können die Gate-Ansteuerungen impulsbreitenmoduliert (PWM) sein, wie dies für das erdseitige Gate-Ansteuersignal in 2 gezeigt ist.
Die Gate-Ansteuersignal-Schaltvorgänge treten auf, wenn die Hall-Übergänge auftreten, und irgendeine Phasenvoreilung des Gate-Ansteuersignals wird ausschließlich durch die mechanische Anordnung der Position der Hall-Effekt-Sensoren in dem Motor bestimmt. Der Durchlass- oder Stromflusswinkel ist auf 120° oder 180° festgelegt. Die effektive Spannung an den Ausgängen der Halbbrücken wird durch Ändern des Tastgrades bzw. der relativen Einschaltdauer der PWM gesteuert. Die Impulsbreitenmodulation kann auf der Erdseite oder auf der Spannungsseite oder sowohl auf der Spannungsseite als auf der Erdseite erfolgen. In 2 ist lediglich eine Phase gezeigt. Die anderen zwei Phasen sind um 120° verschoben.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer typischen Motoransteuerung mit einem Stromflusswinkel von 180°. In ähnlicher Weise können die spannungsseitigen oder erdseitigen Signale impulsbreitenmoduliert werden oder es können beide impulsbreitenmoduliert werden.
Wenn in der Vergangenheit eine Phasenvoreilung eines Gate-Ansteuersignals erwünscht war, so wurde diese ausschließlich durch die mechanische Anordnung der Position der Hall-Effekt-Sensoren in dem Motor erzielt. Das heißt, zur Erzielung einer Phasenvoreilung würde die Position des Sensors in dem Motor über eine bestimmte Anzahl von Grad vorwärts bewegt, in Abhängigkeit von der gewünschten Phasenvoreilung. Diese Phasenvoreilung ist festgelegt und nicht elektrisch änderbar.
Als Elektromotor wird üblicherweise ein bürstenloser Dreiphasen-Motor verwendet. Der bürstenlose Dreiphasen-Motor umfasst einen Stator, der Feldwicklungen für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase aufweist, einen Rotor mit einem festen Permanentmagneten, der das Abstoßungs-Magnetfeld von den Feldwicklungen empfängt, und Hall-Sensoren zum Feststellen der Drehstellung dieses Rotors. Drei Hall-Sensoren sind unter einem Intervall von 120° als elektrischer Winkel in Übereinstimmung mit der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase vorgesehen.
Der bürstenlose Dreiphasen-Motor wird im üblichen Fall entsprechend dem üblichen 120°-Leistungssystem angesteuert. Dieses 120°-Leistungssystem ist in 13 gezeigt. Die Hall-Signale, die von den Hall-Sensoren der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase abgegeben werden, weichen in der Phase voneinander um 120° ab. Die elektrische Leistung wird nacheinander während einer Periode, die einem elektrischen Winkel von 120° entspricht, der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase zugeführt, um auf diese Weise eine Synchronisation mit den Hall-Signalen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase zu erzielen. Es ist möglich, die Drehgeschwindigkeit des bürstenlosen Motors durch die PWM-(Impulsbreitenmodulations-)Steuerung der Zuführung des Ansteuerstromes an jede Feldwicklung während der elektrisch leitenden Periode von 120° zu ändern.
14 zeigt die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit des Motors und dem Ausgangsdrehmoment in dem bürstenlosen Dreiphasen-Motor. Wie dies in 14 gezeigt ist, ist es bekannt, dass das Augangsdrehmoment mit einem Anstieg der Drehgeschwindigkeit abnimmt. Wie dies aus der sich auf den Motor beziehenden nachfolgenden Gleichung (1) verständlich wird, nimmt bei einer zunehmenden Drehgeschwindigkeit des Motors (ω) der elektrische Strom I, der an den Motor fließt, zusammen mit einem Anstieg der von dem Motor erzeugten induzierten Spannung kω ab, die auch als Gegen-EMK bekannt ist, mit dem Ergebnis, dass das Ausgangsdrehmoment, das proportional zum elektrischen Strom I ist, kleiner wird. V = IR + Ldi/dt + kω (1) worin L = die Motorinduktivität, di/dt = Änderungsgeschwindigkeit des Stromes und V die auf dem Motor aufgeprägte Spannung ist, während I der elektrische Strom, der zum Motor fließt, R der elektrische Widerstand des Motors ist, K eine Konstante und ω die Drehgeschwindigkeit des Motors angibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hilfskraft-Lenkungssvorrichtung sowie Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich eine verbesserte Motorsteuerung ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung sowie dem Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft wird eine veränderbare Phasenvoreilung und/oder ein veränderbarer Stromflusswinkel in einem Motor-Ansteuersystem erreicht, ohne dass mechanische Änderungen an dem Motor erforderlich sind, um die Phasenvoreilung und die Änderung des Stromflusswinkels zu erzielen, wodurch sich eine verbesserte Motorsteuerung ergibt.
Die veränderbare Phasenvoreilung und/oder der veränderbare Stromflusswinkel wird in Verbindung mit einer Impulsbreitenmodulation verwendet, um die Drehzahl eines elektrischen Motors in geeigneter Weise zu regeln und um eine gewünschte Drehmomentcharakteristik zu erzielen.
Die Erfindung ergibt Vorteile dadurch, dass eine Vergrößerung der Phasenvoreilung und/oder des Stromflusswinkels eine höhere erzielbare Drehzahl für irgendein vorgegebenes Drehmoment ergibt. Das heißt, die Leistung wird vergrößert. Weiterhin verringert eine Vergrößerung des Stromflusswinkels die Drehmoment-Welligkeit.
Bei der vorliegenden Hilfskraft-Lenkungssvorrichtung sowie dem Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft wird eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Elektromotors mit zumindest einem Sensorausgang zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes für einen Schalter eines Schaltwandlers verwendet, der einen Stromflusswinkel steuert, der eine Leitfähigkeitszeit während einer Umdrehung des Motors bestimmt, wobei das Verfahren den Empfang des Sensor-Ausgangssignals und die Vorverschiebung der Einschaltzeit eines Schalters des Schaltwandlers, der eine Versorgungsgleichspannung mit einem Motorphasen-Ansteuereingang verbindet, um einen Phasenwinkel vor dem nächsten Sensorausgang umfasst, der den Schaltzeitpunkt bestimmt.
In den letzten Jahren hat sich ein Bedarf an einer größeren Drehgeschwindigkeit in dem mittleren bis niedrigen Drehmomentbereich eines bürstenlosen Dreiphasenmotors ergeben. Um eine derartige Anforderung zu erfüllen, ergibt sich jedoch unvermeidbar ein drastischer Anstieg der Kosten, weil es erforderlich wird, das Steuersystem des bürstenlosen Dreiphasenmotors zu überarbeiten und die Konstruktion des Dreiphasenmotors selbst neu zu bewerten.
Die vorliegende Hilfskraft-Lenkungssvorrichtung sowie das Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft ermöglichen die Erzielung einer hohen Drehgeschwindigkeit in dem mittleren bis niedrigen Drehmomentbereich des Elektromotors, ohne dass sich ein drastischer Anstieg der Herstellungskosten ergibt.
Hierbei wird der Phasenvoreilungswinkel des Ansteuersignals in Übereinstimmung mit der Ansteuer-Sollwert-Drehgeschwindigkeit des Leistungs-Elektromotors (wie z. B. eines bürstenlosen Motors) eingestellt, wobei der Stromflusswinkel entsprechend geändert wird.
Wenn beispielsweise der Elektromotor ein bürstenloser Dreiphasenmotor ist, wobei der bürstenlose Dreiphasenmotor entsprechend einem 120°-Stromflusswinkelverfahren angesteuert wird, so wird die Zeitsteuerung für den Beginn des elektrischen Stromes, der zu den Feldspulen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase fließt, in veränderlicher Weise für die Phase des Ausgangssignals des Drehwinkeldetektors (wie z. B. eines Hall-Sensors) eingestellt, der der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase entspricht. Weil es möglich wird, den elektrischen Strom (oder die Stromweiterleitungsphase oder den Stromflusswinkel) an den Elektromotor durch Einstellen eines vergleichsweise großen Phasenvoreilungswinkels für den Ansteuer-Zielwert für den hohen Drehgeschwindigkeitsbereich einzustellen, wird die Motorgeneratorspannung (Gegen-EMK) klein, wodurch das Ausgangsdrehmoment vergrößert wird.
Weil es möglich ist, einen geeigneten Phasenvoreilungswinkel (den minimal erforderlichen Phasenvoreilungswinkel) für die erforderliche Motor-Drehgeschwindigkeit einzustellen, wird es möglich, die Hauptprobleme bei der Steuerung des Phasenvoreilungswinkels zu kontrollieren (wie z. B. die Verringerung des Permanentmagnetismus oder die Verringerung des Wirkungsgrades).
Es ist weiterhin vorstellbar, eine PWM-Steuerung der Zuführung des elektrischen Stromes in einer Periode eines bestimmten Phasenvoreilungswinkels dadurch zu steuern, dass der Phasenvoreilungswinkel des Ansteuersignals konstant gehalten wird. In einem derartigen Fall wird die Verlustleistung in der Schalteinrichtung (wie z. B. einem Feldeffekttransistor) zur Realisierung der PWM-Steuerung zu einem Problem. Gemäß dieser Erfindung ist es nicht die PWM-Steuerung, die während der Periode des Phasenvoreilungswinkels ausgeführt wird, sondern die Periode der Leistung, die zugeführt wird, wird durch Ändern des Phasenvoreilungswinkels geändert, mit der Folge, dass keine Notwendigkeit besteht, eine Vergrößerung des Schaltverlustes in Betracht zu ziehen, und es wird möglich, irgendeinen möglichen Anstieg der Verlustwärme zu kontrollieren.
Weiterhin legt gemäß der Erfindung die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung einen bestimmten festen Phasenvoreilungswinkel unabhängig von dem Ansteuer-Sollwert zu der Zeit fest, zu der sich die Zuführung des elektrischen Stromes an den Elektromotor in einem ungesättigten Zustand (relative Einschaltdauer oder Tastgrad kleiner als 100%) befindet, während der Phasenvoreilungswinkel auf der Grundlage des Ansteuer-Sollwertes eingestellt wird, der von der Ansteuer-Sollwert-Einstellvorrichtung zu der Zeit eingestellt wird, zu der die dem Elektromotor zugeführte Leistung gesättigt ist.
Gemäß dieser Konstruktion kann ein Phasenvoreilungswinkel, der in Übereinstimmung mit dem Ansteuer-Sollwert ist, lediglich dann eingestellt werden, nachdem die 120°-Leistungszuführung gesättigt wurde (beispielsweise kann sie auf 0° eingestellt werden), und durch Ausführen der PWM-Steuerung innerhalb der Leistungszuführungsperiode von 120° können beispielsweise sowohl die Niedriggeschwindigkeits-Drehsteuerung als auch die mittlere Drehgeschwindigkeits-Drehsteuerung des Leistungsmotors gesteuert werden. Sobald die 120°-Stromflusswinkel-Periode gesättigt wurde (100% PWM-Tastgrad), wird die weitere Motorsteuerung durch Ändern des Phasenvoreilungswinkels bewirkt, wobei der Motor in dem Phasenvoreilungsbereich in einem gesättigten Zustand betrieben wird, d. h. mit einem PWM-Tastgrad von 100%.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nunmehr ausführlicher in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild eines Motorsteuergerätes zeigt;
2 ein typisches bekanntes Motoransteuerungsschema zeigt;
3 ein weiteres bekanntes Motoransteuerungsschema zeigt;
4 ein Motoransteuerungsschema gemäß der Erfindung zeigt, wobei sich eine veränderbare Phasenvoreilung und/oder ein veränderbarer Stromflusswinkel ergibt;
5 verschiedene Zeitdiagramme für Motoransteuersignale für verschiedene Fälle einer veränderbaren Phasenvoreilung, einer festen Phasenvoreilung und eines Stromflusswinkels zeigt; und
6 ein Drehgeschwindigkeitssteuergerät gemäß der Erfindung zeigt, das selektiv die veränderbare Phasenvoreilung/den veränderlichen Stromflusswinkel und die Impulsbreitenmodulation verwendet;
7 eine schematische Darstellung ist, die den grundlegenden Aufbau einer Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung gemäß einem Beispiel dieser Erfindung zeigt;
8 ein Blockschaltbild ist, das den funktionellen Aufbau der elektrischen Steuereinheit in der vorstehend beschriebenen Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung zeigt;
9 ein Kennliniendiagramm ist, das die Beziehung zwischen der Lenkwinkelgeschwindigkeit und der Soll-Drehgeschwindigkeit zeigt;
10 ein Diagramm ist, das zur Erläuterung des Leistungsansteuerverfahrens zum Betrieb des elektrischen Motors gezeigt ist;
11 eine Figur ist, die die Beziehung zwischen dem Phasenvoreilungswinkel und der Soll-Drehgeschwindigkeit zeigt;
12 eine charakteristische Darstellung ist, die die Beziehung des Drehmomentes gegenüber der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors zeigt;
13 ein Zeitdiagramm ist, das für den Zweck der Erläuterung des üblichen 120°-Stromflusswinkel-Systems dargestellt wird;
14 eine Zeichnung ist, die die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Ausgangsdrehmoment in einem bürstenlosen Dreiphasenmotor zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 4 sind die spannungsseitigen und erdseitigen Gate-Ansteuersignale für eine Motorphase sowie die idealen und physikalischen Hall-Signale von dem Motor gezeigt. Das ideale Hall-Signal ist derart angeordnet, dass, wenn der 120° Stromflusswinkel mit einer Phasenvoreilung von 0° verwendet würde, die Schaltzeitpunkte zu den gleichen Zeitpunkten wie die Hall-Signal-Übergänge auftreten würden. Dies ist in 4 durch die gestrichelte Linie x gezeigt. Wenn keine Phasenvoreilung vorgesehen ist, so würden die Schaltzeitpunkte für das spannungsseitige Ansteuersignal mit der Anstiegsflanke des idealen Hall-Signals zusammenfallen. Das physikalische Hall-Signal kann gegenüber dem idealen Hall-Signal um einen gewissen Betrag versetzt (vorverschoben) sein, der einen Wert von 0° oder irgendeinen Wert größer als 0° haben kann.
Ein Beispiel für ein physikalisches Hall-Signal ist in 4 gezeigt. Die variable Phasenvoreilung (gegenüber dem idealen Hall-Signal) ist in 4 gezeigt. 4 zeigt, dass das spannungsseitige Gate-Ansteuersignal um irgendeinen veränderbaren Phasenbetrag vor dem idealen Hall-Übergang und um irgendeinen veränderbaren Betrag vor dem physikalischen Hall-Signal-Übergang geschaltet wird.
Wie dies in den 4 und 5 gezeigt ist, kann sich der Stromflusswinkel zwischen 120° und 180° ändern. Die Phasenvoreilung ist veränderbar. Die Phasenvoreilung und der Stromflusswinkel können unabhängig einstellbar sein, obwohl in der Praxis eine gegenseitige Abhängigkeit nützlich ist. Im Einzelnen kann eine veränderbare Voreilung zu dem Stromflusswinkel hinzugefügt werden, um einen zusätzlichen Betrag des Stromflusswinkels zu erzielen. Somit ist der Stromflusswinkel gleich 120° plus einem Betrag einer veränderbaren Voreilung a in dem dargestellten Schema. Die Gesamt-Phasenvoreilung p ist gleich einem festen Betrag der Voreilung k plus der veränderbaren Voreilung a. Obwohl die Phasenvoreilung und der Stromflusswinkel in 4 als voneinander abhängig dargestellt sind, müssen sie dies nicht sein. Beispielsweise kann eine Phasenvoreilung ausschließlich zum Verschieben der Stromflussperiode verwendet werden, wobei jedoch der Stromflusswinkel konstant bleibt.
Wie dies in 4 gezeigt ist, müssen die Schaltzeitpunkte der Gate-Ansteuersignale nicht mit den Hall-Übergängen zusammenfallen. Ein Software-Algorithmus kann die Schaltzeitpunkte willkürlich bezüglich der Hall-Sensor-Signalflanken festlegen. Wie dies weiterhin in 4 gezeigt ist, kann eine Impulsbreitenmodulation in Abhängigkeit von der Anwendung verwendet werden oder nicht. Die Einstellung der Phasenvoreilung und/oder des Stromflusswinkels kann zum Regeln der Drehzahl oder des Stromes in bestimmten Fällen mit oder ohne PWM verwendet werden.
Um die Phasenvoreilung (die den Schaltübergang des Gate-Signals vor dem Hall-Signal-Übergang bezeichnet) zu erzielen, kann ein Software-Algorithmus den vorhergehenden Hall-Übergang verwenden, um die Voreilung vor dem nächsten entsprechenden Hall-Signal-Übergang hervorzurufen.
Wie dies weiter oben beschrieben wurde, ergibt eine ansteigende Phasenvoreilung und ein ansteigender Stromflusswinkel eine höhere erzielbare Drehzahl für irgendein vorgegebenes Drehmoment. Das heißt, die Leistung wird vergrößert. Die Vergrößerung des Stromflusswinkels verringert weiterhin die Drehmoment-Welligkeit.
Die folgenden Daten in der Tabelle I wurden für einen typischen Elektromotor bei 13,5 Volt und einem Drehmoment von 2,48 Nm aufgezeichnet.
In der Tabelle I ist die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute angegeben, der Strom ist in Ampere (A) und der Wirkungsgrad ist Prozenten angegeben. Der Tastgrad ist 100%, d. h. eine 100%ige Impulsbreitenmodulation (vollständiges Einschalten während des Stromflusswinkels). Die Temperatur lag zwischen 30 und 45°C. Die nicht ausgefüllten Einträge werden aufgrund eines schlechten Wirkungsgrades als unbrauchbar betrachtet.
Die Daten in der Tabelle I wurden aufgezeichnet, um eine Beziehung zwischen der Phasenvoreilung und dem Stromflusswinkel zu entwickeln, die zu einer brauchbaren Motorcharakteristik führen würde. Diese Daten sind nützlich, um die Entwicklung des Wirkungsgrades bei einer Änderung der Phasenvoreilung und des Stromflusswinkels zu zeigen. Wie dies in der Tabelle gezeigt ist, führt für einen ansteigenden Stromflusswinkel eine höhere Phasenvoreilung zu einem höheren Wirkungsgrad. Für Stromflusswinkel von 160° ergibt sich der beste Wirkungsgrad bei Phasenvoreilungen von 40–60° (55° sind ungefähr optimal), während bei 180° der beste Wirkungsgrad bei Phasenvoreilungen von 60–80° auftritt (75° sind ungefähr optimal). Für einen Stromflusswinkel von 140° tritt der größte Wirkungsgrad zwischen 25 und 55° auf (50° sind ungefähr optimal). Bei einem Stromflusswinkel von 120° liegt der maximale Wirkungsgrad zwischen 5° und 50° (25° sind ungefähr optimal).
Auf der Grundlage der Tabelle I kann das folgende Schema gewählt werden:

p: = Phasenvoreilung
c: = Stromflusswinkel
k: = feste Voreilung
a: = veränderbare Voreilung (und zusätzlicher Stromflusswinkel)

p = k + a, k ≤ p ≤ (k + 60°)

c = 120° + a, 120° ≤ c ≤ 180°

0° ≤ a ≤ 60°

	p	a	k = 15°
120° Stromflusswinkel:	Phasenvoreilung =	k + 0° =	15°
140° Stromflusswinkel:	Phasenvoreilung =	k + 20° =	35°
160° Stromflusswinkel:	Phasenvoreilung =	k + 40° =	55°
180° Stromflusswinkel:	Phasenvoreilung =	k + 60° =	75°

Eine feste Phasenvoreilung von k = 15° wurde auf der Grundlage der Tabelle I gewählt, wobei die Gesamtvoreilung gleich der festen Voreilung plus der variablen Voreilung a ist. In diesem Schema ist die veränderbare Voreilung ebenfalls gleich dem zusätzlichen Stromflusswinkel. Die feste Voreilung verschiebt die Stromflusswinkelperiode, während die veränderbare Voreilung den Stromflusswinkel vergrößert.
Bei Betrachtung der Daten in de Tabelle I ist es festzustellen, dass mit diesem Schema und bei k = 15° sowohl für 160° als auch 180° Stromflusswinkel das System einen maximalen Wirkungsgrad aufweist. Bei einem Stromflusswinkel von 120° und 140° weicht das System mit 1% von dem maximalen Wirkungsgrad bei k = 15° ab.
Das vorstehende Schema hat die Vorteile, dass es einfach ist, zu einem höheren Wirkungsgrad führt und die Möglichkeit ergibt, den Hall-Sensor derart anzuordnen, dass eine Anzahl der Schaltzeitpunkte mit den Hall-Signalflanken ausgerichtet ist.
Dies kann die Genauigkeit und Einfachheit des Software-Algorithmus verbessern.
5 zeigt verschiedene Beispiele des Steuerschemas gemäß der vorliegenden Erfindung. In 5A ist die veränderbare Voreilung gleich 0°, die Gesamt-Phasenvoreilung ist gleich der festen Phasenvoreilung k, und der Stromflusswinkel ist gleich 120°. In 5B liegt die veränderbare Phasenvoreilung zwischen 0 und 60°. Die Gesamt-Phasenvoreilung ist gleich der festen Voreilung k plus der variablen Voreilung a, und der Stromfluswinkel ist gleich 120° plus der variablen Voreilung a.
In 5C ist die veränderbare Voreilung gleich 60°, die Gesamt-Phasenvoreilung ist gleich der festen Voreilung k plus 60°, und der Stromflusswinkel ist gleich 180°. Die idealen und möglichen physikalischen Signale für eine einzelne Phase sind so, wie dies an der Oberseite bzw. an der Unterseite der 5 gezeigt ist.
Durch Einstellung der festen Voreilung k besteht das Ergebnis darin, dass die Abschaltzeitpunkte für jeden entsprechenden Schalter (für jeden Stromflusswinkel) auf dem gleichen Punkt liegen, unabhängig von der Größe der veränderbaren Voreilung. Das heißt, der Abschaltzeitpunkt für den Schalter AH ist der gleiche für jeden der drei Stromflusswinkel. In gleicher Weise liegt der Abschaltzeitpunkt für die Schalter AL für jedes Schema auf der gleichen Zeit, und in gleicher Weise für die Schalter DH, DL, CH und CL. Dies bedeutet, dass die Hall-Effekt-Sensoren so angeordnet werden können, wie dies durch das mögliche physikalische Hall-Signal gezeigt ist, das auf der Unterseite der Darstellung gezeigt ist, so dass die Abschaltzeitpunkte immer mit einem Hall-Übergang ausgerichtet sind. Das gleiche würde für die anderen zwei Phasen gelten. Dies vereinfacht den Software-Algorithmus zur Steuerung des Schaltens der Ansteuertransistoren in jeder Halbbrücke, wodurch die Software zur Steuerung der Kommutation vereinfacht wird.
6 zeigt eine Drehzahlsteuerung unter Verwendung der Erfindung. Bei hohen Lasten sind die Verluste aufgrund des Schaltens in den Leistungsbauteilen des Wandlers erheblich. Verluste treten auf, wenn die Transistoren und Dioden schalten. Somit ergeben sich erhebliche Verluste bei der Impulsbreitenmodulation. Aufgrund dieser Verluste kann anstelle der Impulsbreitenmodulation bei einer veränderlichen Voreilung von mehr als 0° ein vollständiger Tastgrad (100% PWM) verwendet werden. Die Geschwindigkeitssteuerung gemäß 6 kann so ausgebildet werden, dass sie den Tastgrad bei 100% belässt, jedoch die veränderliche Voreilung a zur Regelung der Motordrehzahl ändert.
In 6 ist eine Gate-Ansteuerung mit einem Wandler 100 vorgesehen, der die drei Phasen an den Motor 300 liefert. Die Hall-Signale werden einem Steuergerät 200' zugeführt, das einen Kommutator 200A und einen Impulsbreitenmodulator 200B einschließt. Dem Kommutator 200A wird ein Signal zugeführt, das den veränderbaren Betrag der Voreilung a, entweder 0 oder einen gewissen Voreilungsbetrag für die Motorsteuerung, bildet. Dem Impulsbreitenmodulator 200B wird ein Signal zugeführt, das den Tastgrad oder die relative Einschaltdauer steuert, entweder einen Betrag des Tastgrades von weniger als 100% oder 100%. In Abhängigkeit von den Bedingungen liefert ein Schalter 400 eine veränderbare Voreilung a von 0 oder eine veränderliche Voreilung von einem Steuergerät 2 an den Kommutator. Der Schalter 400 liefert weiterhin einen Tastgrad, der entweder durch das Ausgangssignal eines Steuergerätes 1 mit einem veränderbaren Tastgrad oder durch einen Tastgrad von 100% gebildet ist, an den Impulsbreitenmodulator, wie dies gezeigt ist. Der Schalter 400 kann durch ein Software-Steuergerät gesteuert werden, das einen Transistor-Schaltkreis umfassen könnte. Den Steuergeräten 1 und 2 wird ein Geschwindigkeitsbezugssignal (Speed Ref.) zugeführt, das die Soll-Drehzahl bestimmt. Ein Rückführungssignal 4000 wird von dem Positionssensor oder den Positionssensoren abgeleitet und an die Steuergeräte 1 und 2 als Anzeige der Ist-Motordrehzahl geliefert.
Das Steuergerät 1 wird verwendet, wenn die Solldrehzahl mit einem Stromflusswinkel von 120° und weniger als 100% Tastgrad erreicht wird. Wenn der von dem Motor gezogene Strom bei einem Stromflusswinkel von 120° und einem Tastgrad von 100% zu hoch ist, wird dieses Schema ebenfalls verwendet. Daher ist, wenn das Steuergerät 1 zur Veränderung des Tastgrades verwendet wird, die veränderbare Voreilung a gleich Null, wie dies in 6 gezeigt ist.
Das Steuergerät 2 wird verwendet, wenn die gewünschte Drehzahl nicht mit einem Stromflusswinkel von 120° und einem Tastgrad von 100% erreicht werden kann, vorausgesetzt, dass der gezogene Strom nicht zu hoch ist. Entsprechend wird, wenn das Steuergerät 2 verwendet wird, eine veränderbare Voreilung a von größer als Null an den Kommutator 200A zusammen mit einer 100%igen Impulsbreitenmodulation (vollständig eingeschaltet während des Stromflusswinkels) geliefert.
Das Steuergerät 1 kann sowohl eine Drehzahl- als auch eine Stromsteuerung einschließen. Eine Hysterese kann erforderlich sein, wenn eine Umschaltung zwischen den zwei Steuergeräten erfolgt.
Die Erfindung umfasst entsprechend ein System zur Schaffung einer Motorsteuerung mit hohem Wirkungsgrad und höheren Betriebsdrehzahlen bei irgendeinem vorgegebenen Drehmoment, wodurch die Leistung vergrößert wird.
Weiterhin verringert der vergrößerte Stromflusswinkel die Drehmoment-Welligkeit.
Beispielsweise zeigen tatsächliche Testversuche für einen typischen Elektromotor mit einem Drehmoment von 1 Nm, dass ein Anstieg von 75% des Stromes zu einem Anstieg von 77% der Motordrehzahl führt. Die Tabelle II zeigt einige tatsächliche Testergebnisse. Tabelle II

Last-Drehmoment (Nm) 120°-Stromflusswinkel 0°-Phasenvoreilung 180°-Stromfluss 60°-Phasenvoreilung

1,0 3360 5960

2,5 2530 3225
Die Ausführungsformen der Erfindung, die sich auf ein Hilfkraft-Lenkungssystem beziehen, werden nunmehr ausführlicher unter Bezugnahme auf die 7 bis 12 erläutert.
7 ist eine schematische Darstellung, die die grundlegende Konstruktion einer Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung gemäß einem Beispiel dieser Erfindung zeigt. Diese Lenkungsvorrichtung ist bezüglich des Lenkungsmechanismus 1 des Fahrzeuges angeordnet, wobei eine Lenkungs-Hilfskraft an diesen Mechanismus 1 geliefert wird.
Der Lenkungsmechanismus 1 umfasst beispielsweise ein Lenkrad 2, das von dem Fahrer betätigt wird, eine Lenksäule 3, die mit diesem Lenkrad 2 verbunden ist, ein Ritzel 4, das mit der Lenksäule 3 gekoppelt ist, eine Zahnstange 5a, die mit dem Ritzel 5 kämmt, wobei sich die Zahnstange 5 nach links und nach rechts hin erstreckt. An beiden Enden der Zahnstangenachse 5 sind Spurstangen 6 befestigt, und die Spurstangen 6 sind mit einem Lenkarm 7 verbunden, der mit den Rädern FL und FR auf der rechten und linken Seite als lenkbare Räder verbunden ist. Der Lenkarm 7 ist so angeordnet, dass er sich um den Achsschenkelbolzen 8 dreht. Die vorstehende Anordnung stellt lediglich ein Beispiel dar. Andere Ausführungsformen von Lenkgetrieben und andere Bauteile können vorgesehen sein, wie dies für den Fachmann allgemein bekannt ist.
Wenn bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion das Lenkrad 2 betätigt wird und die Lenksäule 3 gedreht wird, so wird die Drehung in eine Linearbewegung entlang der Links-Rechts-Bewegung des Rades durch das Ritzel 4 und die Zahnstange 5 umgewandelt. Diese geradlinige Bewegung wird in eine Drehung des Lenkhebels 7 um den Achsschenkelbolzen umgewandelt, mit dem Ergebnis, dass die Lenkung der rechten und linken Räder FL und FR erzielt wird.
In die Lenksäule 3 sind ein Torsionsstab 9, der eine Torsion in Übereinstimmung mit der Richtung und Größe des Lenkdrehmomentes, das auf das Lenkrad 2 ausgeübt wird, erzeugt, und ein Öldruck-Steuerventil 23 eingefügt, dessen Öffnung sich in Übereinstimmung mit der Richtung und der Größe der Torsion des Torsionsstabes 9 ändert.
Das Öldruck-Steuerventil 23 ist mit einem Kraftstellkolben 20 verbunden, der eine Lenkungshilfskraft an den Lenkungsmechanismus 1 liefert. Der Kraftstellkolben 20 weist einen Kolben 21, der einstückig auf der Zahnstange 5 vorgesehen ist, und zwei Zylinderkammern 20a und 20b auf, die durch den Kolben 21 unterteilt sind. Die Zylinderkammern 20a und 20b sind mit dem Öldruck-Steuerventil 23 über Ölzufuhr- und -rücklaufleitungen 22a bzw. 22b verbunden.
Das Öldruck-Steuerventil 23 ist weiterhin auf einer Ölumlaufleitung 24 angeordnet, die durch einen Vorratstank 25 und eine Ölpumpe 26 verläuft. Die Ölpumpe 26 wird von einem Motor M (27) vom elektromotorischen Typ angetrieben; er saugt das Betriebsöl, das in dem Vorratstank 25 gespeichert ist, an, um dieses an das Öldruck-Steuerventil 23 zu liefern. Das überschüssige Betriebsöl wird von dem Öldruck-Steuerventil 23 über die Ölrücklaufleitung 24 zum Vorratstank 25 zurückgeliefert.
Das Öldruck-Steuerventil 23 liefert das Betriebsöl entweder an die Zylinderkammer 20a oder die Zylinderkammer 20b des Kraftstellkolbens entweder über die Ölzufuhr- oder Ölrücklaufleitung 22a und 22b, wenn eine Torsion auf den Torsionsstab 9 in einer Richtung aufgeprägt wird. Wenn die Torsion auf den Torsionsstab 9 in der anderen Richtung ausgeübt wird, liefert das Ventil das Betriebsöl an die andere der Zylinderkammern 20a und 20b durch die andere der Ölzufuhr- oder Ölrücklaufleitungen 22a und 22b.
Wenn keine Torsion oder nahezu keine Torsion auf den Torsionsstab 9 ausgeübt wird, befindet sich das Öldruck-Steuerventil 23 im so genannten Gleichgewichtszustand, und das Betriebsöl zirkuliert in der Ölumlaufleitung 24, ohne dass es dem Kraftstellkolben zugeführt wird.
Wenn das Betriebsöl einer der Zylinderkammern des Krafstellkolbens 20 zugeführt wird, bewegt sich der Kolben 21 in der Richtung der Breite der lenkbaren Räder. Als Ergebnis wird eine Hilfslenkkraft auf die Zahnstange 5 ausgeübt.
Der Elektromotor 27 besteht beispielsweise aus einem bürstenlosen Dreiphasenmotor, und er wird durch eine elektronische Steuereinheit 30 über eine Ansteuerschaltung 28 gesteuert. Die Ansteuerschaltung 28 umfasst beispielsweise eine Leistungstransistor-Brückenschaltung. Sie liefert elektrische Leistung von einer Batterie 40 als elektrischer Leistungsquelle an den Elektromotor 27 in Abhängigkeit von dem Steuersignal, das von einer elektronischen Steuereinheit 30 geliefert wird.
Die elektronische Steuereinheit 30 schließt einen Mikrocomputer ein, der bei Empfang einer Leistungsversorgung von der Batterie aktiviert wird. Dieser Mikroprozessor umfasst eine Zentraleinheit (CPU) 31, einen Arbeitsspeicher (RAM) 32, der den Arbeitsbereich für die CPU 31 bildet, einen Festwertspeicher (ROM) 33, in dem die Steuerdaten sowie das Betriebsprogramm für die CPU 31 gespeichert sind, und eine Busleitung 34 für die Verbindung der CPU 31, des RAM 32 und des ROM 33 miteinander.
Der elektronischen Steuereinheit 30 werden Lenkungswinkeldaten zugeführt, die als Ausgangssignal von dem Lenkungswinkelsensor 11 geliefert werden. Der Lenkungswinkelsensor 11 ist bezüglich des Lenkrades 2 angeordnet. Durch Einstellen des Lenkungswinkels des Lenkrades 2 zum Zeitpunkt des Einschaltens des Zündschalters und des Starten des Motors wird ein Anfangswert ”0” und Lenkungswinkeldaten mit dem Vorzeichen in Übereinstimmung mit der Lenkrichtung als Ausgangssignal abgegeben. Auf der Grundlage dieser Lenkungsdaten berechnet die CPU 31 der Steuereinheit 30 die Lenkungsgeschwindigkeit, die dem zeitlichen Differential entspricht.
Ein Detektionssignal für den elektrischen Strom von einem elektrischen Stromsensor 12, der den elektrischen Strom feststellt, der zu dem Elektromotor 27 fließt, und ein Detektionssignal von dem Hall-Sensor 15 als Rotor-Positionssensor für die Feststellung der Rotorposition des Elektromotors 27 werden der elektronischen Steuereinheit 30 geliefert.
Weiterhin wird ein Radgeschwindigkeitssignal, das von dem Radgeschwindigkeitssensor 13 abgegeben wird, an die elektronische Steuereinheit 30 geliefert. Der Radgeschwindigkeitssensor 13 kann ein Sensor sein, der direkt die Radgeschwindigkeit (proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit) feststellt, oder die Radgeschwindigkeit kann durch Berechnung auf der Grundlage des Ausgangsimpulses des Radgeschwindigkeitssensors gewonnen werden, der bezüglich des Rades vorgesehen ist.
Die elektronische Steuereinheit 30 steuert den Leistungs-Elektromotor 27 auf der Grundlage der Lenkungswinkeldaten, der Stromdaten und der Radgeschwindigkeitdaten, die von dem Lenkungswinkelsensor 11, dem Stromsensor 12 bzw. dem Radgeschwindigkeitssensor 13 geliefert werden.
8 ist ein Blockschaltbild, das die Konstruktion der elektronischen Steuereinheit bei Betrachtung von dessen funktionellen Standpunkt aus zeigt. Die elektronische Steuereinheit 30 umfasst im Wesentlichen eine Anzahl von Funktionseinrichtungen, die durch die Ausführung eines in dem ROM 33 gespeicherten Programms durch die CPU 31 realisiert werden. Die elektronische Steuereinheit 30 umfasst somit einen Lenkungswinkelgeschwindigkeits-Betriebsteil 41 für die Berechnung der Lenkungswinkelgeschwindigkeit auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem Lenkungswinkelsensor 11 und einen Soll-Drehgeschwindigkeits-Einstellteil 42, der die Soll-Drehgeschwindigkeit R des Elektromotors 27 auf der Grundlage der Radgeschwindigkeit, wie sie von dem Radgeschwindigkeitssensor 13 festgestellt wird, sowie der Lenkungswinkelgeschwindigkeit einstellt, wie sie von dem Lenkungswinkelgeschwindigkeits-Betriebsteil 41 berechnet wird.
Zusätzlich ist die elektronische Steuereinheit 30 mit einem Motor-Ansteuerungsteil 45 (Ansteuerungs-Signalgenerator) 45 versehen, der den Elektromotor 27 steuert und speist, um die Soll-Drehgeschwindigkeit R zu erzielen, die von dem Ansteuer-Sollwert-Einstellteil 42 eingestellt ist. Der Motor-Ansteuerungsteil 45 erzeugt ein Ansteuersignal zur Erzielung der Soll-Drehgeschwindigkeit R auf der Grundlage des elektrischen Motorstromes, der von dem elektrischen Stromsensor 12 festgestellt wird, und liefert dieses Ansteuersignal an die Ansteuer- oder Treiberschaltung.
Der Elektromotor 27 ist mit einem Stator, der eine U-Phasen-Feldwicklung 27U, eine V-Phasen-Feldwicklung 27V und eine W-Phasen-Feldwicklung 27W aufweist, und mit einem Rotor mit einem festen Permanentmagneten versehen, der ein Abstoßungsfeld von diesen Feldwicklungen 27U, 27V und 27W empfängt, wobei der Drehwinkel dieses Rotors von dem Hall-Sensor 15 festgestellt wird. Der Hall-Sensor 15 umfasst die Hall-Sensoren 15U, 15V und 15W, die in Übereinstimmung mit der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase vorgesehen sind.
Der Stromsensor 12, dessen Zweck in der Feststellung des elektrischen Stromes besteht, der zum Elektromotor 27 fließt, ist mit elektrischen Stromsensoren 12U, 12V und 12W versehen, die die elektrischen Ströme feststellen, die an die U-Phase, die V-Phase bzw. die W-Phase fließen. Die Ausgangssignale der elektrischen Stromsensoren 12U, 12V und 12W und der Hall-Sensoren 15U, 15V und 15W werden in geeigneter Weise verstärkt und dem Motoransteuerteil 45 zugeführt. Alternativ kann der Stromsensor 12 als einziger Stromsensor realisiert werden, der mit der Gleichspannungsversorgung verbunden ist.
Die Ansteuer- oder Treiberschaltung 28 umfasst eine Serienschaltung eines Paares von Feldeffekttransistoren UH und UL, die der U-Phase entsprechen, eines Paares von Feldeffekttransistoren VH und VH, die der V-Phase entsprechen, und eines Paares von Feldeffekttransistoren WH und WL, die der W-Phase entsprechen, wobei diese Paare parallel längs der Batterie 40 angeschaltet sind.
Die U-Phasen-Feldwicklung 27U des Elektromotors 27 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Feldeffekttransistoren UH und UL verbunden, die V-Phasen-Feldwicklung 27V ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Feldeffekttransistoren VH und VL verbunden, und die W-Phasen-Feldwicklung 27W ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Feldeffekttransistoren WH und WL verbunden.
Der Motor-Ansteuerungsteil 45 bringt die Feldeffekttransistoren UH, VH und WH in dieser Reihenfolge während einer bestimmten Periode des elektrischen Winkels in den EIN-Zustand und steuert gleichzeitig die Drehung des Elektromotors 27 durch Lieferung eines Ansteuersignals, das aus PWM-Impulsen besteht, für die Feldeffekttransistoren UL, VL und WL.
Im Einzelnen umfasst der Motor-Ansteuerungsteil 45 einen PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 zum Einstellen des PWM-Tastgrades oder der relativen Einschaltdauer entsprechend der Soll-Drehgeschwindigkeit R, die von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung 42 eingestellt ist, eine Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 zur Einstellung des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ, der der Soll-Drehgeschwindigkeit entspricht, die in gleicher Weise durch die Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung 42 eingestellt wird, und einen Ansteuer-Signal-Generator 48, der die Ansteuersignale, die den Feldeffekttransistoren UH, UL, VH, VL, WH und WL der Ansteuerschaltung 28 zugeführt werden, auf der Grundlage des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ, der von dem Phasenvoreilungswinkel-Einstellteil 47 eingestellt wird, sowie auf der Grundlage der PWM-Tastgrade erzeugt, die von dem PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 eingestellt werden.
9 ist eine Figur, die die Beziehung zwischen der Lenkungswinkel-Geschwindigkeit und der Soll-Drehgeschwindigkeit zeigt, wie sie von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung 42 eingestellt wird. Die Soll-Drehgeschwindigkeit R wird zwischen einer unteren Grenze R1 und der oberen Grenze R2 so eingestellt, dass sie in dem Bereich von V (Θ) größer als 0 und kleiner als VT (VT ist ein Schwellenwert) bezüglich der Lenkungswinkel-Geschwindigkeit V (Θ) monoton ansteigt (wobei der Anstieg bei dieser Ausführungsform linear ist).
Der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung 42 stellt in veränderbarer Weise die Steigung der Soll-Drehgeschwindigkeit R verglichen mit der Lenkungswinkel-Geschwindigkeit B (Θ) auf der Grundlage der Radgeschwindigkeit ein, wie dies in 3 gezeigt ist. Dies heißt mit anderen Worten, dass der Schwellenwert VT in veränderlicher Weise in Abhängigkeit von dem Radgeschwindigkeitsbereich eingestellt wird. Im Einzelnen wird der Schwellenwert auf einen höheren Wert eingestellt, wenn die Radgeschwindigkeit größer wird, d. h. wenn sich das Fahrzeug schneller bewegt. Entsprechend wird die Soll-Drehgeschwindigkeit R auf eine niedrigeren Wert eingestellt, wenn die Radgeschwindigkeit höher wird, mit der Folge, dass die Lenkungshilfskraft kleiner wird. Auf diese Weise wird eine Radgeschwindigkeits-abhängige Steuerung zur Erzeugung einer geeigneten Lenkungs-Hilfskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges ausgeführt.
10 ist ein Zeitdiagramm, das für den Zweck der Erläuterung des Verfahrens zur Zuführung des elektrischen Stromes zur Ansteuerung des Elektromotors 27 geliefert wird. 10(a) zeigt das U-Phasen-Hallsignal, das von dem Hall-Sensor 15U abgegeben wird, und 10(b) zeigt das V-Phasen-Hallsignal, das der Hall-Sensor 15V abgibt. Zusätzlich zeigt die 10(c) das W-Phasen-Hallsignal, das der Hall-Sensor 15W abgibt.
Weiterhin zeigt 10(d) die Ansteuerungssignal-Schwingungsform, die dem Feldeffekttransistor UH zugeführt wird, 10(e) zeigt die Schwingungsform des Ansteuerungssignals, das dem Feldeffekttransistor VH zugeführt wird, und 10(f) zeigt die Ansteuerungssignal-Schwingungsform, die dem Feldeffekttransistor WH zugeführt wird.
Während der Drehung des Elektromotors 27 nehmen das U-Phasen-Hallsignal, das V-Phasen-Hallsignal, und das W-Phasen-Hallsignal die Schwingungsformen an, die um einen elektrischen Winkel von jeweils 120° gegeneinander phasenverschoben sind.
Der Ansteuer-Signal-Generator 48 erzeugt die Ansteuerungssignale, die grundlegend dem 120°-Leistungsweiterleitungssystem folgen. Das heißt mit anderen Worten, dass das Ansteuerungssignal, das dem Feldeffekttransistor UH zugeführt wird, vor dem U-Phasen-Haltsignal ansteigt, und nachdem es in einem EIN-Zustand lediglich während der Periode eines elektrischen Winkels gehalten wurde, der durch Hinzufügen des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ zu 120° gewonnen wird, auf den AUS-Zustand synchron mit dem Hall-Signal zurückgeschaltet wird. In gleicher Weise steigt das Ansteuerungssignal, das dem Feldeffekttransistor VH zugeführt wird, vor der Anstiegsflanke des V-Phasen-Hallsignals an und wird, nachdem es in einem EIN-Zustand lediglich während der Periode des elektrischen Winkels gehalten wurde, der durch Addieren des Phasenvoreitungswinkels ΔΘ zu 120° gewonnen wird, wieder auf den AUS-Zustand synchron mit einem Hall-Signal abgeschaltet wird.
Das gleiche kann für das Ansteuerungssignal des Feldeffekttransistors WH gesagt werden, und dieses steigt vor der Anstiegsflanke des W-Phasen-Hallsignals in den EIN-Zustand an und wird ebenfalls lediglich während der Periode des elektrischen Winkels, der durch Addieren des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ zu 120° gewonnen wird, im EIN-Zustand gehalten, worauf ein Zurückschalten auf den AUS-Zustand synchron mit einem Hall-Signal folgt.
Während diese Steuerungen ausgeführt werden, wird das Impulsbreiten-Steuersignal für die Tastgrade, die an dem PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 eingestellt werden, den Feldeffekttransistoren UL, VL und WL zugeführt.
Die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 dient zur Einstellung des Voreilungswinkels der Phase des Ansteuerungssignals gegenüber dem Hallsignal auf der Grundlage der Soll-Drehgeschwindigkeit R. Die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 setzt den Phasenvoreilungswinkel ΔΘ auf Null, wenn der PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 einen PWM-Tastgrad von weniger als 100% einstellt. Zu dieser Zeit erzeugt der Ansteuer-Signal-Generator 48 ein Ansteuerungssignal, das dem üblichen 120°-Stromflusswinkel-System folgt.
Wenn der PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 einen PWM-Einstellgrad von 100% einstellt und entsprechend in dem Zustand, in dem die Zuführung des elektrischen Stromes aufgrund der PWM-Steuerung gesättigt ist, stellt die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 in veränderlicher Weise den Phasenvoreilungswinkel ΔΘ entsprechend der Soll-Drehgeschwindigkeit R ein. Zu dieser Zeit bringt der Ansteuer-Signal-Generator 48 die Feldeffekttransistoren UH, VH und WH bei der Zeitsteuerung, bei der die Phase um den Phasenvoreilungswinkel ΔΘ gegenüber dem Hall-Signal voreilt, in den EIN-Zustand. Als Folge hiervon wird die Leistungsweiterleitungs-(Stromflusswinkel-)Zeit zu der Zeit, die 20° plus ΔΘ entspricht, wobei die Leistungszuführungszeit um die Zeit größer wird, die dem Phasenvoreilungswinkel ΔΘ entspricht.
Um die Ansteuerungssignale der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase mit dieser Zeitsteuerung, die um den Phasenvoreilungswinkel ΔΘ dem Hall-Signal voreilt, in den EIN-Zustand zu bringen, ist es lediglich erforderlich, die EIN-Zeitsteuerung des Ansteuerungssignals der W-Phase, der U-Phase und der V-Phase unter Verwendung des Ablaufsignals eine Periode vorher einzustellen.
11 zeigt die Beziehung zwischen dem Phasenvoreilungswinkel ΔΘ, der von der Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 eingestellt wird, und der Soll-Drehgeschwindigkeit R, die von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung 42 eingestellt wird. Es sei ein Beispiel angenommen, bei dem der PWM-Tastgrad-Einstellteil 46 einen PWM-Einstellgrad von 100% bei der Soll-Drehgeschwindigkeit von 4000 Umdrehungen pro Minute einstellt, wobei die höchste Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 27, die erforderlich ist, 5000 Umdrehungen pro Minute beträgt. In diesem Fall stellt die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung 47 den Phasenvoreilungswinkel ΔΘ derart ein, dass er monoton von 0 auf 60° in dem Bereich der Soll-Drehgeschwindigkeit R zwischen 4000 Umdrehungen pro Minute und 5000 Umdrehungen pro Minute ansteigt.
Der Phasenvoreilungswinkel ΔΘ kann in einer derartigen Weise eingestellt werden, dass er linear mit einem Anstieg der Soll-Drehgeschwindigkeit R ansteigt, oder die Änderung des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ, verglichen mit der Soll-Drehgeschwindigkeit R kann zu einer nicht-linearen Änderung werden. Es ist wünschenswert, dass die obere Grenze des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ auf 60° eingestellt wird. Wenn ein Phasenvoreilungswinkel ΔΘ von mehr als 60° eingestellt wird, werden die Feldeffekttransistoren UH, UL, VH, VL, WH und WL gleichzeitig eingeschaltet, wodurch das Leistungselement der Ansteuerungsschaltung 28 beschädigt wird (Feldeffekttransistoren UH, UL, VH, VL, WH und WL).
12 ist eine charakteristische Darstellung, die die Beziehung des Drehmomentes gegenüber der Drehgeschwindgkeit des Elektromotors 27 zeigt. Wie dies in der vorstehenden Gleichung (1) gezeigt wurde, wird, wenn die Drehgeschwindigkeit ω ansteigt, der elektrische Motorstrom I aufgrund der im Motor erzeugten induzierten Spannung kω, die von diesem erzeugt wird, verringert, mit dem Ergebnis, dass das Drehmoment, das proportional zu diesem Motorstrom ist, absinkt.
Bei dieser Ausführungsform ist, während die Drehung des Elektromotors 27 durch die PWM-Steuerung in dem niedrigen und mittleren Drehgeschwindigkeitsbereichen bis zu 4000 Umdrehungen pro Minute gesteuert wird, der PWM-Tastgrad in dem mittleren bis hohen Drehzahlbereich oberhalb von 4000 Umdrehungen pro Minute gleich 100%, wobei die Drehung des Leistungs-Elektromotors 27 durch die Phasenvoreilungswinkel-Steuerung gesteuert wird. Als Ergebnis wird die Leistungszuführungszeit um den Teil des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ in den mittleren bis hohen Geschwindigkeitbereichen länger, in denen die Phasenvoreilungswinkel-Steuerung ausgeführt wird, mit dem Ergebnis, dass die tatsächliche Magnetflussdichte absinkt und die von dem Elektromotor 27 erzeugte induzierte Spannung bei der Hochgeschwindigkeitsdrehung klein wird. Somit wird es möglich, eine hohe Drehgeschwindigkeit in dem mittleren bis niedrigen Drehmomentbereich zu erzielen, wie dies in 6 gezeigt ist.
Gemäß dieser Ausführungsform, die vorstehend gezeigt wurde, wird es möglich, die Drehgeschwindigkeit in dem mittleren bis niedrigen Drehmomentbereich mit Hilfe einer gut durchdachten Steuerung zu vergrößern, ohne dass die Konstruktion oder Spezifikation des Elektromotors 27 geändert wird. Entsprechend wird es möglich, eine Lenkungs-Hilfskraft ohne einen drastischen Anstieg der Herstellungskosten zu erzielen.
Aufgrund der Tatsache, dass der Phasenvoreilungswinkel ΔΘ, der in Übereinstimmung mit der Soll-Drehgeschwindigkeit R befriedigend ist, ohne Einstellung des Phasenvoreilungswinkels ΔΘ auf einen festen Wert eingestellt wird, wird es möglich, die Probleme zu einem Minimum zu machen, die in dem Fall entstehen, wenn eine übermäßige Phasenvoreilungswinkel-Steuerung ausgeführt wird (das Problem, das ein Absinken des Magnetismus und des Wirkungsgrades des Motors in dem Fall bedingt, in dem das Phasenvoreilungswinkel-Steuervolumen vergrößert wurde).
Verglichen mit dem Fall, bei dem bei auf einem festen bestimmten Wert gehaltenen Phasenvoreilungswinkel ΔΘ die PWM-Steuerung während der Periode ausgeführt wird, während der Phasenvoreilungswinkel ΔΘ konstant ist, kann die Verlustwärme verringert werden, und auch die Wärmeableitungskonstruktion des Ansteuerungsschaltung ist leichter auszuführen, weil es nicht erforderlich ist, die Schaltverluste der Feldeffekttransistoren in Betracht zu ziehen.
Im Vorstehenden wurde eine Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen Ausführungsformen realisiert werden. Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die PWM-Steuerung in dem niedrigen bis mittleren Drehgeschwindigkeitsbereich ausgeführt wurde, während die Phasenvoreilungswinkel-Steuerung in dem mittleren bis hohen Drehgeschwindigkeitsbereich ausgeführt wurde, ist es genauso möglich, die Phasenvoreilungswinkel-Steuerung lediglich in dem hohen Drehgeschwindigkeitsbereich auszuführen.
Weiterhin können verschiedene konstruktive Modifikationen innerhalb des Bereiches der Grundgedanken ausgeführt werden, die vorstehend beschrieben wurden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, können viele andere Abänderungen und Modifikationen oder andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres erkennbar werden. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Beschreibung, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft mit Hilfe eines Öldruckes, der von einer Ölpumpe (26) erzeugt wird, die von einem Elektromotor (27) angetrieben wird, wobei der Elektromotor (27) einen Stromflusswinkel aufweist, über den dessen elektrische Leistung zumindest einer Motorphase zugeführt wird, wobei die Lenkungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Drehwinkeldetektor (15), der den Drehwinkel des Rotors des Elektromotors feststellt; einen Lenkungswinkelsensor (11), dessen Ausgangssignal einer Steuereinheit (30) zur Feststellung der Lenkungswinkelgeschwindigkeit eines Lenkungsbetätigungsteils (2, 3) zugeführt wird; eine Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42), die einen Ansteuerungs-Sollwert des Elektromotors (27) auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Lenkungswinkel-Geschwindigkeitssensors (11, 30) einstellt; und einen Ansteuerungs-Signalgenerator (45), der ein Ansteuerungssignal zur Ansteuerung des Elektromotors (27) auf der Grundlage des Ansteuerungs-Sollwertes erzeugt, der von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42) eingestellt wird; gekennzeichnet durch eine Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung (47), die einen Phasenvoreilungswinkel des Ansteuerungssignals gegenüber dem Drehwinkel, der von dem Drehwinkeldetektor (15) festgestellt wird, bezüglich des Ansteuerungs-Sollwertes einstellt, der von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42) eingestellt wird, wodurch der Stromflusswinkel geändert wird.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenvoreilungswinkel-Einstelleinrichtung (47) einen voreingestellten Phasenvoreilungswinkel unabhängig von dem Ansteuerungs-Sollwert zu einer Zeit einstellt, wenn sich das Ansteuerungssignal an den Elektromotor (27) in einem ungesättigten Zustand befindet, und den Phasenvoreilungswinkel auf der Grundlage des Ansteuerungs-Sollwertes, der von der Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42) eingestellt wird, zu einer Zeit einstellt, zu der das Ansteuersignal an den Elektromotor (27) gesättigt ist.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der voreingestellte Phasenvoreilungswinkel bei ungesättigtem Ansteuerungssignal ein fester Winkel ist, der 0° betragen kann.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromflusswinkel einen Basis-Stromflusswinkel von 120° aufweist, und dass der Phasenvoreilungswinkel bei gesättigtem Ansteuerungssignal ein Phasenvoreilungswinkel von mehr als 0° und kleiner oder gleich 60° ist.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ungesättigte Zustand ein Zustand der Impulsbreitenmodulation mit einem Tastgrad von weniger 100% ist.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch den Phasenvoreilungswinkel definierten Bereich das Ansteuerungssignal an den Elektromotor (27) gesättigt ist und die Steuerung des Elektromotors (27) durch Ändern der Größe des Phasenvoreilungswinkels erzielt wird.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs-Sollwert-Einstelleinrichtung (42) auf die Fahrzeuggeschwindigkeit anspricht.
Hilfskraft-Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (27) ein bürstenloser Dreiphasenmotor ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Lenkungshilfskraft mit Hilfe eines Öldruckes, der von einer Ölpumpe (26) erzeugt wird, die von einem Elektromotor (27) angetrieben wird, wobei der Elektromotor (27) einen Stromflusswinkel aufweist, über den elektrische Leistung zumindest einer Motorphase zugeführt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Feststellen des Drehwinkels des Rotors des Elektromotors (27); Feststellen einer Lenkungswinkelgeschwindigkeit eines Lenkungsbetätigungsteils (2, 3); Einstellen eines Ansteuerungs-Sollwertes des Elektromotors (27) auf der Grundlage der Lenkungswinkelgeschwindigkeit; und Erzeugen eines Ansteuerungssignals zum Ansteuern des Elektromotors (27) auf der Grundlage des Ansteuerungs-Sollwertes; gekennzeichnet durch den Schritt des Einstellens des Phasenvoreilungswinkels des Ansteuerungssignals bezüglich des Drehwinkels in Abhängigkeit von dem Ansteuerungs-Sollwert, wodurch der Stromflusswinkel geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein voreingestellter Phasenvoreilungswinkel unabhängig von dem Ansteuerungs-Sollwert zu einer Zeit eingestellt wird, zu der das Ansteuerungssignal an den Elektromotor (27) sich in einem ungesättigten Zustand befindet, und Einstellen des Phasenvoreilungswinkels auf der Grundlage des Ansteuerungs-Sollwertes zu einer Zeit, zu der das Ansteuerungssignal an den Elektromotor (27) gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der voreingestellte Phasenvoreilungswinkel bei ungesättigtem Ansteuerungssignal ein fester Winkel ist, der gleich 0° sein kann.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromflusswinkel einen Basis-Stromflusseinkel von 120° hat, und dass der Phasenvoreilungswinkel bei gesättigtem Ansteuerungssignal ein Phasenvoreilungswinkel von mehr als 0° und kleiner oder gleich 60° ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der ungesättigte Zustand einen Implulsbreitenmodulationszustand mit einem Tastgrad von weniger als 100% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich, der durch den Phasenvoreilungswinkel definiert ist, das Ansteuerungssignal an den Elektromotor (27) gesättigt ist und die Steuerung des Elektromotors (27) durch Ändern der Größe des Phasenvoreilungswinkels erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerungs-Sollwert von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt.