DE112009004254B4

DE112009004254B4 - Elektrische Lenkhilfevorrichtung

Info

Publication number: DE112009004254B4
Application number: DE112009004254.6T
Authority: DE
Inventors: Masaki Fujimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP5168362B2; US8380399B2; DE112009004254T5; CN102232031B; WO2010084623A1; US20110098887A1; JPWO2010084623A1; CN102232031A

Abstract

Elektrische Lenkhilfevorrichtung zum Unterstützen einer Lenkbetätigung eines Fahrers durch Antreiben eines in einem Lenkmechanismus (10) angeordneten Elektromotors (20), die aufweist: eine Motorausgabe-Erfassungseinrichtung (38) zum Erfassen einer Ausgabe des Elektromotors (20) und eine Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21) zum Erfassen eines Rotationszustandes des Lenkmechanismus (10), gekennzeichnet durch: eine Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Leistungserzeugungszustandes des Elektromotors (20) basierend auf den Erfassungsergebnissen der Motorausgabe-Erfassungseinrichtung (38) und der Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21), bei dem die Richtung des Elektromotors (20) zum Erzeugen eines Drehmoments nicht mit der Rotationsrichtung (θx) des Lenkmechanismus (10) übereinstimmt; eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung zum kontinuierlichen Berechnen eines Betrags (E), welcher einer Leistungserzeugungsenergie entspricht, die an dem Elektromotor (20) während einer Periode, in welcher der Leitungserzeugungszustand erfasst wird, erzeugt wird; eine Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung zum Beurteilen eines Zustandes als einen Umkehreingabezustand (F = 1), in dem eine Umkehreingabe von einem Reifen auf den Lenkmechanismus (10) wirkt, wenn der berechnete, der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag (E) einen Kriteriumswert (E0) überschreitet; und eine Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung zum Unterdrücken der Rotation des Lenkmechanismus (10) durch die Umkehreingabe, wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Umkehreingabezustand (F = 1) erfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Lenkhilfevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Üblicherweise ist eine elektrische Lenkhilfevorrichtung als eine Vorrichtung zum Unterstützen einer Lenkbewegung bzw. Lenkbetätigung eines Fahrers durch Übertragen eines Ausgangsdrehmoments eines Elektromotors an eine Lenkwelle, Zahnstange oder ähnliches eines Lenkmechanismus bekannt. Wird während der Fahrt eines Fahrzeugs von einem Reifen aus eine große Kraft auf einen Lenkmechanismus eingegeben bzw. ausgeübt, wenn beispielsweise ein Reifen an einen Randstein fährt, wird ein Reifen gelenkt und eine große axiale Zugkraft auf eine Zahnstange ausgeübt. Somit bewegt sich die Zahnstange in axialer Richtung und die mit der Zahnstange verbundene Lenkwelle dreht sich. Ein Zustand, in dem wie oben beschrieben eine entgegengesetzte Einhabe bzw. Umkehreingabe von einem Reifen auf einen Lenkmechanismus ausgeübt und ein Rad gelenkt wird, wird als Umkehreingabezustand bezeichnet. Wenn die Umkehreingabe groß ist, stößt ein an einem Ende der Zahnstange angeordnetes Zahnstangenendelement an ein in einem Zahnstangengehäuse ausgebildetes Stoppelement und eine Stoßkraft wird auf den Lenkmechanismus ausgeübt.
Folglich ist beispielsweise die in der japanischen Veröffentlichung JP H06-8839 A vorgeschlagene elektrische Lenkhilfevorrichtung derart ausgebildet, dass eine Drehkraft eines Elektromotors über eine Kupplung an einen Lenkmechanismus übertragen wird und, wenn ein Umkehreingabezustand erfasst ist, durch Lösen der Kupplung kein Trägheitsmoment des Elektromotors an den Lenkmechanismus übertragen wird. Die Erfassung des Umkehreingabezustands wird durch Vergleichen einer durch einen Lenkgeschwindigkeitssensor erfassten Lenkgeschwindigkeit mit einem voreingestellten Wert ausgeführt. Das heißt, dass der Zustand als ein Umkehreingabezustand beurteilt wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit den voreingestellten Wert überschreitet.
Weitere elektrische Lenkhilfevorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung sind veröffentlicht in den Druckschriften DE 103 17 581 A1 , DE 698 13 643 T2 und DE 10 2005 047 935 A1 . Allesamt lehren, in einer elektrischen Lenkhilfevorrichtung unter bestimmten Lenkbedingungen eine Rotationsbewegung des Lenkmechanismus dahingehend zu beeinflussen, dass die entstehende mechanische Belastung des Lenkmechanismus diesen nicht beschädigen können.
Zur Beurteilung der Lenkbedingung werden bei einer Vorrichtung gemäß DE 103 17 581 A1 entweder der Wert eines Lenkmoments, eines Stromwerts innerhalb eines elektrischen Lenkhilfsmotors oder eines Spannungswerts innerhalb eines elektrischen Lenkhilfsmotors herangezogen.
Soweit DE 698 13 643 T2 es spezifiziert, werden bei einer durch diese Veröffentlichung beschriebene Vorrichtung ein Lenkdrehmoment, ein Lenkwinkel, eine Lenkgeschwindigkeit oder eine Lenkbeschleunigung zur Charakterisierung der Lenkbedingung verwendet.
DE 10 2005 047 935 A1 bezieht sich in diesem Zusammenhang entweder auf eine Lenkkraft oder auf eine Lenkgeschwindigkeit.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Wenn jedoch ein Umkehreingabezustand lediglich basierend auf der Lenkgeschwindigkeit beurteilt wird, dann überschreitet die Lenkgeschwindigkeit eines Fahrzeugs einen voreingestellten Wert, wenn das Fahrzeug beispielsweise über eine flache Rille wie etwa eine Spurrille fährt, so dass selbst in solch einem Fall eine Steuerung zum Mindern einer einem Lenkmechanismus zugeführten Stoßkraft ausgeführt wird. Dementsprechend ist es unmöglich, zwischen einem Zustand, in dem eine große Umkehreingabe mit einer möglichen Auswirkung auf einen Lenkmechanismus (Stoßminderung ist notwendig) ausgeübt wird, wenn z. B. ein Reifen an einen Randstein fährt, und einem Zustand zu unterscheiden, in dem eine kleine Umkehreingabe ausgeübt wird, die keine Auswirkung auf den Lenkmechanismus (Stoßminderung ist nicht notwendig) hat.
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund der oben genannten Probleme entwickelt und hat den Zweck, dass ein kleiner sich nicht auf den Lenkmechanismus auswirkender Umkehreingabezustand nicht berücksichtigt und ein großer Umkehreingabezustand mit einer möglichen Auswirkung auf den Lenkmechanismus präzise erfasst wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Lenkhilfevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass eine elektrische Lenkhilfevorrichtung zum Unterstützen einer Lenkbetätigung eines Fahrers durch Antreiben eines in einem Lenkmechanismus angeordneten Elektromotors aufweist: eine Motorausgabe-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Ausgangsleistung des Elektromotors; eine Rotationszustand-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Rotationszustandes des Lenkmechanismus; eine Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Leistungserzeugungszustands des Elektromotors basierend auf den Erfassungsergebnissen der Motorausgabe-Erfassungseinrichtung und der Rotationszustand-Erfassungseinrichtung, bei dem die Richtung des Elektromotors zum Erzeugen eines Drehmoments nicht mit der Rotationsrichtung des Lenkmechanismus übereinstimmt; eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung zum kontinuierlichen Berechnen eines Betrags, welcher einer Leistungserzeugungsenergie entspricht, die an dem Elektromotor während einer Periode, in welcher der Leistungserzeugungszustand erfasst ist, erzeugt wird; eine Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung zum Beurteilen eines Zustandes als einen Umkehreingabezustand, in dem eine Umkehreingabe von einem Reifen auf den Lenkmechanismus wirkt, wenn der berechnete, der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag einen Kriteriumswert überschreitet; und eine Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung zum Unterdrücken einer Rotation des Lenkmechanismus durch die Umkehreingabe, wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Umkehreingabezustand erfasst.
In diesem Fall erfasst die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung vorzugsweise die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors oder die Rotationsgeschwindigkeit einer Lenkwelle.
In der vorliegenden Erfindung erfasst eine Motorausgabe-Erfassungseinrichtung eine Ausgangsleistung eines Elektromotors und eine Rotationszustand-Erfassungseinrichtung einen Rotationszustand eines Lenkmechanismus. Ein Rotationszustand eines Lenkmechanismus bezieht sich auf einen Rotationszustand eines Elements, das in einem Lenkmechanismus angeordnet ist und sich entsprechend einer Lenkbetätigung dreht. Dementsprechend wird ein Rotationszustand eines Lenkmechanismus auf einfache Weise durch Erfassen einer Rotationsgeschwindigkeit eines Elektromotors oder einer Rotationsgeschwindigkeit einer Lenkwelle erfasst.
Wenn eine Umkehreingabe von einem Reifen ausgeübt und ein Lenkrad gedreht wird, dreht sich ein Lenkmechanismus (Lenkwelle) schnell und diese Rotationsbewegungsenergie treibt einen Rotor des Elektromotors an. Zu dieser Zeit fließt durch eine Motorspule ein elektrischer Strom in eine Richtung zum Unterdrücken der Rotation des Lenkmechanismus und der Elektromotor gelangt in einen Leistungserzeugungszustand. Dementsprechend stimmt die Richtung zum Erzeugen eines Drehmoments eines Elektromotors nicht mit der Rotationsrichtung des Lenkmechanismus (entgegengesetzte Richtung) überein. Ferner ist in einem Fall, in dem eine große Umkehreingabe wirkt, wenn beispielsweise ein Reifen an einen Randstein fährt, ein Betrag einer während einer kontinuierlichen Leistungserzeugungsperode eines Elektromotors erzeugten Leistungserzeugungsenergie groß. Folglich weist die vorliegende Erfindung eine Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung, eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung und eine Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung auf und ein großer Umkehreingabezustand mit einer möglichen Auswirkung auf einen Lenkmechanismus wird präzise durch Erfassung solcher Phänomene bzw. Erscheinungen erfasst.
Die Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung erfasst einen Leistungserzeugungszustand eines Elektromotors basierend auf den Erfassungsergebnissen der Motorausgabe-Erfassungseinrichtung und der Rotationszustand-Erfassungseinrichtung, bei dem die Richtung des Elektromotors zum Erzeugen eines Drehmoments nicht mit der Drehrichtung eines Lenkmechanismus übereinstimmt. Während einer Periode, in welcher der Leistungserzeugungszustand erfasst wird, berechnet die Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung kontinuierlich einen Betrag, welcher einer an dem Elektromotor erzeugten Leistungserzeugungsenergie entspricht. Dann beurteilt die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung einen Zustand als einen Umkehreingabezustand, bei dem eine Umkehreingabe vom Reifen auf den Lenkmechanismus wirkt, wenn der einer Leistungserzeugungsenergie entsprechende und durch die Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung berechnete Betrag einen Kriteriumswert überschreitet. Somit wird ein kleiner Umkehreingabezustand ohne Auswirkung auf den Lenkmechanismus ausgeschlossen und kann ein großer Umkehreingabezustand mit einer möglichen Auswirkung auf den Lenkmechanismus auf einfache Weise präzise erfasst werden.
Wenn auf diese Weise ein Umkehreingabezustand erfasst wird, unterdrückt die Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung die Rotation des Lenkmechanismus durch die Umkehreingabe. Dementsprechend kann ein an dem Lenkmechanismus erzeugter Stoß gemindert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Motorausgabe-Erfassungseinrichtung eine Motorstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines durch den Elektromotor fließenden elektrischen Stroms ist, die Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung einen Leistungserzeugungszustand des Elektromotors erfasst, bei dem die Richtung zum Erzeugen eines Drehmoments des Elektromotors mit dem durch die Motorstrom-Erfassungseinrichtung erfassten elektrischen Strom nicht mit der durch die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung erfassten Rotationsrichtung des Lenkmechanismus übereinstimmt, und die Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung während einer Periode, wenn der Leistungserzeugungszustand kontinuierlich erfasst wird, als den der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag einen Zeitintegrationswert des Produkts aus dem durch die Motorstrom-Erfassungseinrichtung erfassten elektrischen Strom und der durch die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung erfassten Rotationsgeschwindigkeit berechnet.
In der vorliegenden Erfindung kann die Richtung zum Erzeugen eines Drehmoments eines Elektromotors durch Erfassen eines durch den Elektromotor fließenden elektrischen Stroms mit einer Motorstrom-Erfassungseinrichtung beurteilt werden. Somit kann der Leistungserzeugungszustand des Elektromotors auf einfache Weise erfasst werden. Eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung berechnet als den der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag kontinuierlich während einer Periode, in welcher der Leistungserzeugungszustand erfasst ist, einen Zeitintegrationswert aus einem Produkt des durch die Motorstrom-Erfassungseinrichtung erfassten elektrischen Stroms und der durch die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung erfassten Rotationsgeschwindigkeit. Somit kann der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag auf angemessene Weise berechnet werden. Der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag muss nicht der gleiche Wert wie ein Betrag einer Leistungserzeugungsenergie sein. Er ist ein Wert, der zum Beurteilen des Umkehreingabezustands mit einem Kriteriumswert verglichen werden muss, und folglich kann der Betrag ein Wert sein, der mit steigender und sinkender Leistungserzeugungsenergie entsprechend steigt und sinkt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung die Treiberschaltung des Elektromotors und Kurzschlüsse zwischen den Phasen des Elektromotors zum Bremsen des Elektromotors steuert.
Da dadurch ein Kurzschlussstrom durch eine Motorspule fließt und eine Bremskraft zum Stoppen der Rotation eines Rotors ausgeübt wird, kann die Rotationsgeschwindigkeit des Lenkmechanismus reduziert werden. Folglich kann der auftretende Stoß, wenn eine Zahnstange eine Hubendposition erreicht, d. h. wenn ein Zahnstangenendelement auf einen Stopper stößt, vermindert werden. Dementsprechend kann die Lebensdauer eines Lenkmechanismus, insbesondere einer Lenkwelle, verbessert werden. Da ferner keine Leistungsverteilung zur Lenkunterstützung durch einen Elektromotor ausgeführt wird, wird obwohl eine Lenkradträgheitskraft eine Torsionsstange des Lenkmechanismus bei der Kollision des Zahnstangenendelements gegen den Stopper verdreht, dadurch kein Lenkhilfsdrehmoment in Richtung der Kollision erzeugt. Dadurch kann ebenfalls das auf die Lenkwelle wirkende Drehmoment reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die elektrische Lenkhilfevorrichtung folgendes aufweist: einen Spannungswandler zum Wandeln einer Ausgangsspannung einer bordeigenen Batterie, um einer Treiberschaltung des Elektromotors elektrische Leistung zuzuführen; eine Zusatzstromversorgung, die in Parallelschaltung zu der Treiberschaltung des Elektromotors mit dem Spannungswandler verbunden ist, um durch den Spannungswandler geladen zu werden und um die elektrische Stromversorgung für die Treiberschaltung des Elektromotors durch Entladen ihrer gespeicherten elektrischen Energie zu unterstützen; und eine Regenerationssteuerungseinrichtung zum Steuern der Treiberschaltung des Elektromotors, um zu veranlassen, dass die Zusatzstromversorgung die am Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie absorbiert.
Da die vorliegende Erfindung einen Spannungswandler zum Wandeln der Ausgangsspannung einer bordeigenen Batterie aufweist, um eine Treiberschaltung eines Elektromotors mit elektrischer Leistung zu versorgen, kann ein Elektromotor mit einer großen elektrischen Leistung angetrieben werden. Ferner ist eine Zusatzstromversorgung ebenfalls mit dem Spannungswandler verbunden. Die Zusatzstromversorgung wird durch den Ausgang bzw. die Ausgangsspannung des Spannungswandlers geladen und gibt ihre gespeicherte elektrische Energie ab, um die Stromversorgung der Treiberschaltung des Elektromotors zu unterstützen. D. h., wenn eine große elektrische Leistung in der Treiberschaltung des Elektromotors verbraucht wird, kann die Zusatzstromversorgung die Stromversorgung unterstützen. Dementsprechend kann die Ausgangsleistung der elektrischen Lenkhilfevorrichtung erhöht werden, ohne das Leistungsvermögen bzw. die Leistungsfähigkeit der bordeigenen Batterie zu erhöhen.
Wenn der Elektromotor elektrische Leistung erzeugt, muss dessen Leistungserzeugungsenergie abgegeben werden. Insbesondere wenn durch Kurzschlüsse zwischen den Phasen des Elektromotors eine Bremse betätigt wird bzw. eine Abbremsung erfolgt, wird die Leistungserzeugungsenergie in Form von Wärme des Elektromotors und der Elemente in der Treiberschaltung (eine Motorspule, ein Schaltelement und ähnliches) verbraucht. Da eine Überhitzung des Elektromotors und der Treiberschaltung verhindert werden muss, ist eine Abbremsung durch einen Kurzschluss zwischen den Phasen begrenzt. Folglich wird in der vorliegenden Erfindung eine Wärmeerzeugung unterdrückt, indem die an dem Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie von der Zusatzstromversorgung absorbiert wird (Regeneration der an dem Elektromotor erzeugten Leistungserzeugungsenergie an die Zusatzstromversorgung). Zum Beispiel wird eine Bremse durch Kurzschluss zwischen den Phasen betätigt und danach wird die in dem Elektromotor gespeicherte Leistungserzeugungsenergie durch die Zusatzstromversorgung absorbiert. Dadurch kann einerseits eine Überhitzung des Elektromotors und der Treiberschaltung verhindert werden und andererseits kann der Elektromotor abgebremst werden. Ferner ist die Last des Spannungswandlers verglichen mit dem Fall, bei dem eine bordeigene Batterie die am Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie absorbiert, kleiner (die an dem Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie wird an eine bordeigene Batterie rückgeführt).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die elektrische Lenkhilfevorrichtung aufweist: eine Ladebeschränkungseinrichtung zum Beschränken des Ladestroms der Zusatzstromversorgung auf eine Ladestromobergrenze oder darunter; und eine Ladestromobergrenze-Änderungseinrichtung zum Erhöhen der Ladestromobergrenze, wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Zustand als einen Umkehreingabezustand beurteilt.
In der vorliegenden Erfindung beschränkt die Ladebeschränkungseinrichtung den Ladestrom der Zusatzstromversorgung auf eine Ladestromobergrenze oder darunter, um die Überhitzung der Zusatzstromversorgung zu verhindern. Unter solch einer Beschränkung einer Ladestromobergrenze kann die an dem Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie nicht ausreichend absorbiert werden, wenn eine Umkehreingabe auf den Lenkmechanismus wirkt. D. h., dass die durch die Zusatzstromversorgung absorbierte Leistungserzeugungsenergie auf einen kleinen Betrag beschränkt ist. Folglich erhöht in der vorliegenden Erfindung die Ladestromobergrenze-Änderungseinrichtung die Obergrenze des Ladestroms, wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Zustand als einen Umkehreingabezustand beurteilt. Folglich nimmt die elektrische Kapazität, die die Zusatzstromversorgung absorbieren kann, zu und die an dem Elektromotor erzeugte Leistungserzeugungsenergie kann durch die Zusatzstromversorgung ausreichend absorbiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Lenkhilfevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussdiagramm, welches eine durch eine Hilfssteuerungseinheit ausgeführtes Hauptroutine zeigt;
3 ist ein Flussdiagram, welches eine Subroutine zur Umkehreingabebeurteilung zeigt;
4 ist ein Flussdiagram, welches eine Lenkhilfssteuerungsroutine zeigt;
5 ist ein Flussdiagram, welches eine Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung zeigt;
6 ist ein Flussdiagramm, welches eine durch eine Stromversorgungssteuerungseinheit ausgeführte Hauptroutine zeigt;
7 ist ein Flussdiagram, welches eine Subroutine einer gewöhnlichen Lade-Entladesteuerung zeigt;
8 ist ein Flussdiagram, welches eine Subroutine einer Umkehreingabelade-Entladesteuerung zeigt;
9 ist ein Diagramm, welches für den Fall einer Umkehreingabe jeweils einen Verlauf eines Wellendrehmoments, eines Motordrehmoments und der Wellendrehzahl zeigt;
10 zeigt Leistungskurven, welche ein grundsätzliches Hilfsdrehmomentkennfeld darstellen;
11 ist ein Diagramm, welches für den Fall einer Umkehreingabe einen Verlauf einer Wellendrehmomentkomponente zeigt; und
12 ist ein Flussdiagramm, welches als eine modifizierte Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine elektrische Lenkhilfevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer elektrischen Lenkhilfevorrichtung für Fahrzeuge gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Die elektrische Lenkhilfevorrichtung weist als Hauptbestandteile einen Lenkmechanismus 10 zum Lenken eines linken Vorderrades Wfl und eines rechten Vorderrades Wfr, welche durch eine Lenkbetätigung eines Lenkrads 11 zu lenkende Räder sind, einen an den Lenkmechanismus 10 angebrachten Elektromotor 20 zum Erzeugen eines Lenkhilfsdrehmoments, eine Motortreiberschaltung 30 zum Antreiben des Elektromotors 20, einen Spannungswandler 40 zum Wandeln der Ausgangsspannung einer Hauptstromversorgung 100 zum Zuführen elektrischer Leistung zur Motortreiberschaltung 30, eine zu der Stromversorgungsschaltung zwischen dem Spannungswandler 40 und der Motortreiberschaltung 30 parallel geschaltete Zusatzstromversorgung 50 und eine elektronische Steuerungseinheit 60 zum Steuern des Betriebs des Elektromotors 20 und des Spannungswandlers 40 auf.
Die elektronische Steuerungseinheit 60 umfasst eine Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung, eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung, eine Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung, eine Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung, eine Regenerationssteuerungseinrichtung, eine Ladebeschränkungseinrichtung und eine Ladestromobergrenze-Änderungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Der Lenkmechanismus 10 ist ausgebildet, um die Rotationsbewegung einer Lenkwelle 12 um ihre Achse in Verbindung mit der Drehbetätigung des Lenkrads 11 in die Hubbewegung in Längsrichtung einer Zahnstange 14 mittels eines Zahnstangen-Zahnrad-Mechanismus 13 umzuwandeln und das linke Vorderrad Wfl und das rechte Vorderrad Wfr, die zu lenkende Räder sind, durch die Hubbewegung der Zahnstange 14 zu lenken. Die Lenkwelle 12 weist eine Hauptwelle 12a mit dem an ihrem oberen Ende verbundenen Lenkrad 11, eine mit dem Zahnstangen-Zahnrad-Mechanismus 13 verbundene Zahnradwelle 12c und eine Zwischenwelle 12b auf, welche die Hauptwelle 12a und die Zahnradwelle 12c über Universalgelenke 12d und 12e verbindet.
Ein Zahnradabschnitt 14a der Zahnstange 14 befindet sich innerhalb eines Zahnstangengehäuses 15 und ein linkes sowie ein rechtes Ende der Zahnstange 14 ragen jeweils aus dem Zahnstangengehäuse 15 heraus und sind jeweils mit einer Spurstange 16 verbunden. Die anderen Enden der linken und der rechten Spurstange 16 sind jeweils mit einem jeweils in dem linken Vorderrad Wfl und rechten Vorderrad Wfr angebrachten Gelenk 17 verbunden. An dem Verbindungsbereich der Zahnstange 14 mit den Spurstangen 16 sind Zahnstangenendelemente 18 angebracht. Andererseits sind an beiden Enden des Zahnstangengehäuses 15 Stoppelemente 15a ausgebildet. Der Bereich der Hubbewegung der Zahnstange 14 ist in Längsrichtung durch das Aneinanderstoßen der Zahnstangenendelemente 18 gegen die Stoppelemente 15a mechanisch begrenzt. Nachfolgend kann die Position, an welcher der Hub der Zahnstange 14 durch die Stoppelemente 15a begrenzt wird, als ”Hubende” bezeichnet werden. Ferner können das linke Vorderrad Wfl und das rechte Vorderrad Wfr einfach als ”zu lenkenden Räder W” bezeichnet werden.
An der Lenkwelle 12 (Hauptwelle 12a) ist über ein Untersetzungsgetriebe 19 ein Elektromotor 20 montiert. Als Elektromotor 20 wird beispielsweise ein bürstenloser Drehstrommotor verwendet. Der Elektromotor 20 treibt über das Untersetzungsgetriebe 19 durch die Rotation dessen Rotors die Lenkwelle 12 drehend um ihre Mittelachse an und übt entsprechend der Rotationsbetätigung des Lenkrads 11 ein Lenkhilfsdrehmoment aus.
In dem Elektromotor 20 ist ein Rotationswinkelsensor 21, der einer Rotationszustand-Erfassungseinrichtung entspricht, angeordnet. Der Rotationswinkelsensor 21 ist innerhalb des Elektromotors 20 angeordnet und gibt entsprechend der Rotationswinkelposition eines Rotors des Elektromotors 20 ein Erfassungssignal aus. Das Erfassungssignal des Rotationswinkelsensors 21 wird zum Berechnen des Rotationswinkels und einer Rotationswinkelgeschwindigkeit des Elektromotors 20 verwendet. Da andererseits der Rotationswinkel des Elektromotors 20 proportional zum Lenkwinkel des Lenkrads 11 ist, wird er häufig ebenfalls als Lenkwinkel des Lenkrads 11 verwendet. Da ferner die Rotationswinkelgeschwindigkeit, welche die zeitliche Ableitung des Rotationswinkels des Elektromotors 20 ist, proportional zur Lenkwinkelgeschwindigkeit des Lenkrads 11 ist, wird sie häufig ebenfalls als die Lenkgeschwindigkeit des Lenkrads 11 verwendet. Nachfolgend wird der durch das Ausgangssignal des Rotationswinkelsensors 21 erfasste Wert des Lenkwinkels des Lenkrads 11 als ein Lenkwinkel θx und der Wert der durch Ableitung des Lenkwinkels θx nach der Zeit erhaltene Lenkwinkelgeschwindigkeit als Lenkgeschwindigkeit ωx bezeichnet. Die positiven und negativen Werte des Lenkwinkels θx stellen Lenkwinkel von einer Neutralstellung des Lenkrads 11 aus zu einer rechten bzw. einer linken Seite dar. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Neutralstellung des Lenkrads 11 als ”0” dargestellt, der Lenkwinkel in die rechte Richtung von der Neutralstellung aus wird durch einen positiven Wert dargestellt und der Lenkwinkel in die linke Richtung von der Neutralstellung aus wird durch einen negativen Wert dargestellt. Die Lenkgeschwindigkeit ωx gibt die Lenkgeschwindigkeit als positiven Wert wieder, wenn das Lenkrad 11 nach rechts rotiert wird, und gibt die Lenkgeschwindigkeit als negativen Wert wieder, wenn das Lenkrad 11 nach links rotiert wird. Die Lenkgeschwindigkeit ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Lenkwelle 12 und entspricht der Rotationsgeschwindigkeit des Lenkmechanismus 10 in der vorliegenden Erfindung. Ferner werden die Größe des Lenkwinkels und die Größe der Lenkgeschwindigkeit jeweils in absoluten Zahlen dargestellt.
Ein Lenkdrehmomentsensor 22 ist an der Lenkwelle 12 (Hauptwelle 12a) zwischen dem Lenkrad 11 und dem Untersetzungsgetriebe 19 angebracht. Der Lenkdrehmomentsensor 22 erfasst die Torsionskraft, die auf eine der Lenkwelle 12 (Hauptwelle 12a) zwischengeschaltete Torsionsstange (nicht dargestellt) ausgeübt wird, als ein auf das Lenkrad 11 ausgeübtes Lenkdrehmoment Tx. Beispielsweise wird das Lenkdrehmoment Tx basierend auf der Differenz der Rotationswinkel, die durch zwei an den beiden Enden der Torsionsstange in ihrer Axialrichtung angebrachten Resolver bzw. Koordinationswandler erfasst werden, erfasst.
Hinsichtlich des Lenkdrehmoments Tx wird ein Drehmoment, das auf die Lenkwelle 12 in die Rechtsdrehrichtung wirkt (Drehmoment im tordierten Zustand, bei dem der obere Abschnitt der Torsionsstange relativ zum unteren Abschnitt der Torsionsstange in eine nach rechts gedrehte Position gedreht ist), als ein positiver Wert dargestellt, und ein Drehmoment, das auf die Lenkwelle 12 in Linksdrehrichtung wirkt (Drehmoment im tordierten Zustand, bei dem der obere Abschnitt der Torsionsstange relativ zum unteren Abschnitt der Torsionsstange in eine nach links gedrehte Position gedreht ist), als ein negativer Wert dargestellt. Ferner wird die Größe des Lenkdrehmoments durch dessen absolute Zahl dargestellt.
Die Motortreiberschaltung 30 hat eine Anordnung, bei der 6 aus MOS-FET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) bestehende Schaltelemente SW1 bis SW6 eine Drehstrom-Wechselrichterschaltung darstellen. Sie hat insbesondere eine Anordnung, bei der ein oberer Arm der Schaltung, bei dem das erste Schaltelement SW1, das zweite Schaltelement SW2 und das dritte Schaltelement SW3 parallel zueinander angeordnet sind, und ein unterer Arm der Schaltung, bei der das vierte Schaltelement SW4, das fünfte Schaltelement SW5 und das sechste Schaltelement SW6 parallel zueinander angeordnet sind, in Reihe geschaltet sind und zwischen den oberen und unteren Armen der Schaltung eine Stromversorgungsleitung 37 zum Elektromotor 20 herausführt.
In der Motortreiberschaltung 30 ist ein Motorstromsensor 38, der einer Motorausgabe-Erfassungseinrichtung entspricht, zum Erfassen des elektrischen Stroms, der durch den Elektromotor 20 fließt, angeordnet. Der Motorstromsensor 38 erfasst jeweils den durch jede der Phase (U-Phase, V-Phase und W-Phase) fließenden Strom und gibt ein dem Wert der erfassten elektrischen Ströme entsprechendes Erfassungssignal an eine Hilfssteuerungseinheit 61 der elektronischen Steuerungseinheit 60 aus. Nachfolgend wird der durch den Motorstromsensor 38 berechnete elektrische Strom als ein Motorstrom „im” bezeichnet. Der Motorstrom „im” stellt einen elektrischen Strom, der fließt, um den Elektromotor 20 ein nach rechts drehendes Lenkdrehmoment erzeugen zu lassen, als einen positiven Wert dar, und stellt einen elektrischen Strom, der fließt, um den Elektromotor 20 ein nach links drehendes Lenkdrehmoment erzeugen zu lassen, als einen negativen Wer dar. Ferner wird die Größe des Motorstroms in absolute Zahlen dargestellt.
In jedem der Schaltelemente SW1 bis SW6 ist jeweils ein Gate mit der elektronischen Steuerungseinheit 60 verbunden und die relative Einschaltdauer bzw. das Tastverhältnis wird durch ein von der elektronischen Steuerungseinheit 60 ausgegebenes PWM-Steuerungssignal gesteuert. Dadurch wird die Antriebsspannung des Elektromotors 20 an eine Sollspannung angepasst. Wie durch die Schaltsymbole in den Zeichnungen dargestellt, beinhaltet ferner jeder der aus den Schaltelemente SW1 bis SW6 bildenden MOS-FETs darin aus strukturellen Gründen eine parasitäre Diode.
Als nächstes wird das Stromversorgungssystem der elektrischen Lenkhilfevorrichtung beschrieben. Die elektrische Lenkhilfevorrichtung wird durch die Hauptstromversorgung 100, welche eine fahrzeugeigene Stromversorgung ist, mit elektrischem Strom versorgt. Die Hauptstromversorgung 100 hat eine Anordnung, bei der eine Hauptbatterie 101, die eine standardmäßige fahrzeugeigene Batterie mit einer Nennleistungsspannung von 12 V ist, und ein Generator 102 mit einer Nennleistungsspannung von 14 V, der durch die Drehzahl eines Motors elektrischen Strom erzeugt, parallel geschaltet sind. Eine Stromversorgung-Stromquellenleitung 103 ist mit der Stromklemme (Pluspol) der Hauptbatterie 101 verbunden und eine Masseleitung 111 ist mit der Masseklemme der Hauptbatterie 101 verbunden. Der Generator 102 ist zwischen der Stromversorgung-Stromquellenleitung 103 und der Masseleitung 111 verbunden.
Die Stromversorgung-Stromquellenleitung 103 verzweigt sich in eine Steuerungssystem-Stromleitung 104 und eine Treibersystem-Stromleitung 105. Die Steuerungssystem-Stromleitung 104 dient als eine Stromversorgungsleitung zum Zuführen elektrischen Stroms zur elektronischen Steuerungseinheit 60. Die Treibersystem-Stromleitung 105 arbeitet als eine Stromversorgungsleitung zum Zuführen elektrischen Stroms sowohl zur Motortreiberschaltung 30 als auch zur elektronischen Steuerungseinheit 60.
Ein Zündschalter 106 ist mit der Steuerungssystem-Stromleitung 104 verbunden. Ein Hauptstromversorgungsrelais 107 ist mit der Treibersystem-Stromleitung 105 verbunden. Das Hauptstromversorgungsrelais 107 schließt seinen Kontaktpunkt durch ein AN-Signal von der Hilfssteuerungseinheit 61 der elektronischen Steuerungseinheit 60, um eine elektrische Stromversorgungsschaltung mit dem Elektromotor 20 zu bilden, und öffnet den Kontaktpunkt durch ein AUS-Signal, um die Stromversorgungsschaltung vom Elektromotor 20 zu trennen. Die Steuerungssystem-Stromleitung 104 ist mit dem Stromklemme (Pluspol) der elektronischen Steuerungseinheit 60 verbunden und weist daran an einer Stelle, die näher an der Lastseite bzw. Stromseite (Seite der elektronischen Steuerungseinheit 60) als an dem Zündschalter 106 ist, eine Diode 108 auf. Die Diode 108 ist so angeordnet, dass ihre Kathode der elektronischen Steuerungseinheit 60 und ihre Anode der Hauptstromversorgungsleitung 100 zugewandt ist, und sie ist ein Rückflussverhinderungselement, das die Stromzuführung nur in die Stromzuführungsrichtung zulässt.
An der Treibersystem-Stromleitung 105 zweigt an einer Stelle angeordnet, die näher an der Lastseite als am Hauptstromversorgungsrelais 107 ist, eine Verbindungsleitung 109 ab. Die Verbindungsleitung 109 ist an einer Stelle, die näher zur Seite der elektronischen Steuerungseinheit 60 als zur Verbindungsstelle der Diode 108 ist, an die Steuerungssystem-Stromleitung 104 angeschlossen. Ferner ist eine Diode 110 mit der Verbindungsleitung 109 verbunden. Die Diode 110 ist mit ihrer Kathode der Steuerungssystem-Stromleitung 104 und ihrer Anode der Treibersystem-Stromleitung 105 zugewandt. Dementsprechend hat sie eine Anordnung, mit der elektrischer Strom von der Treibersystem-Stromleitung 105 über die Verbindungsleitung 109 zur Steuerungssystem-Stromleitung 104 zugeführt werden kann, jedoch kein elektrischer Strom von der Steuerungssystem-Stromleitung 104 der Treibersystem-Stromleitung 105 zugeführt werden kann. Die Treibersystem-Stromleitung 105 und die Masseleitung 111 sind mit dem Spannungswandler 40 verbunden. Ferner ist die Masseleitung 111 ebenfalls mit der Masseklemme bzw. dem Masseanschluss der elektrischen Steuerungseinheit 60 verbunden ist.
Der Spannungswandler 40 besteht aus einem zwischen der Treibersystem-Stromleitung 105 und Masseleitung 111 angeordneten Kondensator 41, einer in der Treibersystem-Stromleitung 105 in Reihe geschaltete Spannungswandlerspule 42, die sich näher an der Lastseite als am Anschlusspunkt des Kondensators 41 befindet, dem ersten Spannungswandler-Schaltelement 43, das zwischen der Treibersystem-Stromleitung 105 auf der Seite der Spannungswandlerspule 42 und der Masseleitung 111 angeordnet ist, dem zweiten Spannungswandler-Schaltelement 44, das in der Treibersystem-Stromleitung 105 näher an der Lastseite als am Anschlusspunkt des ersten Spannungswandler-Schaltelements 43 in Reihe angeschlossen ist, und einem Kondensator 45, der zwischen der Treibersystem-Stromleitung 105 auf der Lastseite des zweiten Spannungswandler-Schaltelements 44 und der Masseleitung 111 angeordnet ist. An der Sekundärseite des Spannungswandlers 40 ist eine Leitung 112 für den umgewandelten Strom angeschlossen.
Obwohl in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel MOS-FETs als Spannungswandlerschaltelemente 43 und 44 verwendet werden, können andere Schaltelemente verwendet werden. Wie durch die Schaltsymbole in den Zeichnungen gezeigt, hat jeder der MOS-FETs, die die Spannungswandler-Schaltelemente 43 und 44 bilden, darin jeweils aus strukturellen Gründen eine parasitäre Diode.
Die Spannungsumwandlung durch den Spannungswandler 40 wird durch die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 der elektronischen Steuerungseinheit 60 gesteuert. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 gibt ein Impulssignal mit einer vorbestimmten Periode an die Gates der ersten und zweiten Spannungswandlerschaltelemente 43 und 44 aus, um beide Schaltelemente 43 und 44 an- und auszuschalten, und wandelt den von der Hauptstromversorgung 100 zugeführten elektrischen Strom um, um an der Leitung mit umgewandeltem Strom 112 eine vorbestimmte Ausgangsspannung zu erzeugen. In diesem Fall werden das erste und das zweite Spannungswandlerschaltelement 43 und 44 so gesteuert, dass sie gegenläufig zueinander an- und ausgeschaltet werden. Der Spannungswandler 40 arbeitet derart, dass er das erste Spannungswandlerschaltelement 43 anschaltet, das zweite Spannungswandlerschaltelement 44 ausschaltet und nur für eine kurze Dauer elektrischen Strom durch die Spannungswandlerspule 42 fließen lässt, um elektrischen Strom in der Spannungswandlerspule 42 zu speichern, und sofort danach schaltet er das erste Spannungswandlerschaltelement 43 aus und das zweite Spannungswandlerschaltelement 44 an und gibt den in der Spannungswandlerspule 42 gespeicherten elektrischen Strom aus.
Die Ausgangsspannung des zweiten Spannungswandlerschaltelements 44 wird durch den Kondensator 45 geglättet. Dementsprechend wird ein stabiler umgewandelter elektrischer Strom von der Leitung mit umgewandeltem Strom 112 ausgegeben. In diesem Fall können mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Frequenzkennlinien in Parallelschaltung miteinander verbunden sein, um die Glättungseigenschaft zu verbessern. Ferner beseitigt der auf der Eingangsseite des Spannungswandlers 40 angeordnete Kondensator 41 Rauschen der Hauptstromversorgung 100.
Die umgewandelte Spannung (Ausgangsspannung) des Spannungswandlers 40 wird durch Steuerung des Tastverhältnisses des ersten und des zweiten Spannungswandlerschaltelements 43 und 44 (PWM-Steuerung) eingestellt, die so ausgebildet sind, dass die Ausgangsspannung beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 20 V bis 50 V eingestellt werden kann. Als Spannungswandler 40 können Universal-DC-DC-Wandler verwendet werden.
Die Leitung mit umgewandeltem Strom 112 ist in eine Wandeltreiberleitung 113 und eine Lade-Entladeleitung 114 verzweigt. Die Wandeltreiberleitung 113 ist an dem Leistungseingangsabschnitt der Motortreiberschaltung 30 angeschlossen. Die Lade-Entladeleitung 114 ist an dem Pluspol der Zusatzstromversorgung 50 angeschlossen.
Die Zusatzstromversorgung 50 ist eine elektrische Speichervorrichtung, die durch den Spannungswandler 40 geladen wird und elektrischen Strom der Motortreiberschaltung 30 zuführt, um die Hauptstromversorgung 100 zu unterstützen, wenn an der Motortreiberschaltung 30 eine große Menge an elektrischen Strom benötigt wird. Dementsprechend ist die Zusatzstromversorgung 50 durch mehrere in Reihe verbundene Speicherzellen gebildet, so dass eine Spannung entsprechend der vom Spannungswandler 40 umgewandelten Spannung aufrechterhalten werden kann. Der Masseanschluss der Zusatzstromversorgung 50 ist an der Masseleitung 111 angeschlossen. Als Zusatzstromversorgung 50 können beispielsweise Kondensatoren (elektrische Doppelschichtkondensatoren), Akkumulatoren und ähnliches verwendet werden.
Auf der Ausgangsseite des Spannungswandlers 40 sind der erste Stromsensor 51 und der erste Spannungssensor 52 angeordnet. Der erste Stromsensor 51 gibt ein erfasstes Signal aus, das den Wert des elektrischen Stroms anzeigt, der durch die Leitung mit umgewandeltem Strom 112 zur Stromversorgungssteuerungseinheit 62 der elektronischen Steuerungseinheit 60 fließt. Ferner gibt der erste Spannungssensor 52 ein erfasstes Signal aus, das die Ausgangsspannung des Spannungswandlers der Stromversorgungssteuerungseinheit 62 anzeigt. Nachfolgend wird der durch den ersten Stromsensor 51 erfasste elektrische Strom als Ausgangsstrom i1 und die durch den ersten Spannungssensor 52 erfasste Spannung als Ausgangsspannung v1 bezeichnet.
Ein Zusatzstromversorgungsrelais 115 ist an der Lade-Entladeleitung 114 angeordnet. Das Zusatzstromversorgungsrelais 115 schließt seinen Kontakt durch ein AN-Signal von der Stromversorgungssteuerungseinheit 62, um eine Lade-Entladeschaltung für die Zusatzstromversorgung 50 zu bilden, und öffnet den Kontakt durch ein AUS-Signal, um die Lade-Entladeschaltung von der Zusatzstromversorgung 50 zu trennen. Ferner sind an der Lade-Entladeleitung 114 der zweite Stromsensor 53 zum Erfassen eines elektrischen Stroms, der durch die Zusatzstromversorgung 50 fließt, und der zweite Spannungssensor 54 zum Erfassen der Ausgangsspannung (Stromversorgungsspannung) der Zusatzstromversorgung 50 angeordnet. Der Stromsensor 53 erkennt die Richtung des elektrischen Stroms, und zwar unterscheidet er das Laden, bei dem Strom vom Spannungswandler 40 zur Zusatzstromversorgung 50 fließt, und das Entladen, bei dem Strom von der Zusatzstromversorgung 50 zur Motortreiberschaltung 30 fließt, misst deren Größen und gibt diesen erfassten Werten entsprechende Signale an die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 aus. Nachfolgend wird der durch den Stromsensor 53 erfasste elektrische Strom als ein Ist-Lade-Entladestrom i2 und die durch den zweiten Spannungssensor 54 erfasste Spannung als eine Zusatzstromversorgungsspannung v2 bezeichnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Ist-Lade-Entladestrom i2 durch einen positiven Wert dargestellt, wenn er als ein Ladestrom fließt, und durch einen negativen Wert dargestellt, wenn er als ein Entladestrom fließt.
Die elektronische Steuerungseinheit 60 ist ausgebildet, um als ein Hauptelement einen aus einer CPU, einem ROM, einem RAM und ähnlichem bestehenden Mikrocomputer aufzuweisen, und ist aus funktionaler Sicht grob in eine Hilfssteuerungseinheit 61 und eine Stromversorgungssteuerungseinheit 62 unterteilt. Die Hilfssteuerungseinheit 61 ist mit einem Rotationswinkelsensor 21, einem Lenkdrehmomentsensor 22, einem Motorstromsensor 38 und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 23 verbunden und gibt diesen Sensorsignale ein, die einen Lenkwinkel θx, ein Lenkdrehmoment Tx, einen Motorstrom „im” und eine Fahrzeuggeschwindigkeit Vx darstellen.
Basierend auf diesen Sensorsignalen gibt die Hilfssteuerungseinheit 61 an die Motortreiberschaltung 30 ein PWM-Steuerungssignal aus, um den Antrieb des Elektromotors zu steuern und die Lenkbewegung eines Fahrers zu unterstützen. Die Hilfssteuerungseinheit 61 überwacht ferner ständig, ob ein Umkehreingabezustand vorliegt, in dem eine Umkehreingabe von einem Reifen auf den Lenkmechanismus 10 wirkt, und stoppt die Lenkunterstützung und unterdrückt die Rotation des Lenkmechanismus 10 durch Bremsen mittels eines Kurzschlusses zwischen den Phasen des Elektromotors 20. Die Rotation des Lenkmechanismus 10 bedeutet die Rotation der Teile, die entsprechend der Lenkbetätigung rotieren, d. h. die Lenkwelle 12 und der Elektromotor 20.
Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 steuert das Laden und Entladen der Zusatzstromversorgung 50 durch Steuerung der Spannungswandlung des Spannungswandlers 40. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 ist mit dem ersten Stromsensor 51, dem ersten Spannungssensor 52, dem zweiten Stromsensor 53 und dem zweiten Spannungssensor 54 verbunden und gibt diesen jeweils Sensorsignale ein, die den Ausgangsstrom i1, die Ausgangsspannung v1, den Ist-Lade-Entladestrom i2 und die Zusatzstromversorgungsspannung v2 darstellen. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 ist so ausgebildet, dass sie ein Signal an die Hilfssteuerungseinheit 61 senden und ein Signal von ihr empfangen kann. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 sendet basierend auf diesen Sensorsignalen und den der Hilfssteuerungseinheit 61 eingegebenen Sensorsignalen ein PWM-Steuerungssignal an den Spannungswandler 40. Der Spannungswandler 40 ändert die umgewandelte Spannung, d. h. seine Ausgangsspannung, durch Steuerung des Tastverhältnisses des ersten Spannungswandlerschaltelements 43 und des zweiten Spannungswandlerschaltelements 44 gemäß dem eingegebenen PWM-Steuerungssignal. Ferner erhöht die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 die Ladestromobergrenze der Zusatzstromversorgung 50, so dass die Zusatzstromversorgung 50 die an dem Elektromotor 20 erzeugte Leistungserzeugungsenergie absorbiert, wenn die Hilfssteuerungseinheit 61 einen Umkehreingabezustand erfasst.
Als nächstes wird die durch die Hilfssteuerungseinheit 61 der elektronischen Steuerungseinheit 60 ausgeführte Verarbeitung beschrieben. 2 zeigt eine durch die Hilfssteuerungseinheit 61 ausgeführte Hauptsteuerungsroutine und die Hauptsteuerungsroutine ist als ein Steuerungsprogramm in einem ROM der elektronischen Steuerungseinheit 60 gespeichert. Die Hauptsteuerungsroutine wird durch Anschalten eines Zündschalters 106 gestartet. Beim Start der Hauptsteuerungsroutine wird ein „AN”-Signal an das Hauptstromversorgungsrelais 107 ausgegeben, der Kontakt des Hauptstromversorgungsrelais 107 geschlossen und elektrische Leistung dem Spannungswandler 40 zugeführt.
Nach dem Start der Steuerungsroutine führt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S10 die Umkehreingabezustand-Beurteilungsverarbeitung aus. Der Umkehreingabezustand-Beurteilungsverarbeitung wird gemäß der in 3 gezeigten Subroutine verarbeitet. Obwohl diese Verarbeitung später beschrieben wird, wird in dieser Verarbeitung eine große Umkehreingabe mit einer möglichen Auswirkung auf einen Lenkmechanismus 10, wenn beispielsweise ein Reifen der zu lenkenden Räder W an einen Randstein fährt, erfasst und eine kleine Umkehreingabe ohne Auswirkung auf den Lenkmechanismus 10 von den Erfassungszielen ausgeschlossen. In der Umkehreingabezustand-Beurteilungsverarbeitung wird eine Beurteilungsmarkierung bzw. ein Beurteilungsflag auf ”1” gesetzt, wenn eine Umkehreingabe erfasst wird, und der Beurteilungsflag wird auf ”0” gesetzt, wenn keine Umkehreingabe erfasst wird.
In Schritt S20 beurteilt die Hilfssteuerungseinrichtung 61 basierend auf dem Beurteilungsflag F, ob eine Umkehreingabe erfasst ist, und wenn keine Umkehreingabe erfasst ist (F = 0), dann wird in Schritt S30 eine Lenkhilfssteuerungsverarbeitung ausgeführt, und wenn eine Umkehreingabe erfasst ist (F = 1), dann wird in Schritt S40 eine Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung ausgeführt.
Die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung wird gemäß der in 4 gezeigten Subroutine verarbeitet und die Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung wird gemäß der in 5 gezeigten Subroutine verarbeitet. Solange die Umkehreingabe-Beurteilungsverarbeitung in Schritt S10 keine Umkehreingabe erfasst, wiederholt die Hilfssteuerungseinheit 61 die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung in Schritt S30 in einer vorbestimmten kurzen Taktzeit bzw. Periode, bis der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist. Andererseits, wenn die Umkehreingabe-Beurteilungsverarbeitung in Schritt S10 eine Umkehreingabe erfasst, wird die Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung in Schritt S40 ausgeführt und die Hauptroutine endet. Dementsprechend bleibt die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung gestoppt, wenn eine Umkehreingabe erfasst ist, bis der Zündschalter 106 wieder eingeschaltet ist. Jedoch ist eine Konfiguration bzw. Einstellung möglich, so dass die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung, selbst wenn der Zündschalter 106 wieder eingeschaltet ist, nicht neu gestartet wird. Ferner ist eine Einstellung möglich, nach der die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung neu gestartet wird, wenn die Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung endet.
Zunächst wird nachstehend die Umkehreingabe-Beurteilungsverarbeitung in Schritt S10 beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, das insbesondere die Verarbeitung in Schritt S10 als eine Umkehreingabebeurteilungssubroutine darstellt. Sobald das Flussdiagramm, das eine Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine zeigt, startet, liest die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S11 zuerst den durch den Motorstromsensor 38 erfassten Motorstrom „im” sowie den durch den Rotationswinkelsensor 21 erfassten Lenkwinkel θx ein.
Anschließend beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S12, ob das Produkt aus dem Motorstrom „im” und der Lenkgeschwindigkeit ωx („im” × ωx) ein negativer Wert ist. Die Lenkgeschwindigkeit ωx wird durch Differenzieren des Lenkwinkels θx nach der Zeit erhalten. Der Motorstrom „im” stellt einen elektrischen Strom, der fließt, damit der Elektromotor 20 ein Lenkdrehmoment nach rechts erzeugt, als einen positiven Wert und einen elektrischen Strom, der fließt, damit der Elektromotor 20 ein Lenkdrehmoment nach links erzeugt, als einen negativen Wert dar. Die Lenkgeschwindigkeit ωx stellt die Rotationsgeschwindigkeit der Lenkwelle 12 nach rechts als einen positiven Wert und die Rotationsgeschwindigkeit der Lenkwelle 12 nach links als einen negativen Wert dar. Wenn somit das Produkt aus Motorstrom „im” und Lenkgeschwindigkeit ωx ein negativer Wert ist, wird der Rotor des Elektromotors 20 durch die Rotation der Lenkwelle 12 gedreht, weshalb der Elektromotor 20 eine elektrische Leistung erzeugt.
Wenn in Schritt S12 die Beurteilung ”Nein” ist, d. h., wenn der Zustand als ein Zustand beurteilt wird, in dem der Elektromotor 20 keine elektrische Leistung erzeugt, dann setzt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S13 den der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag E auf Null zurück, beurteilt in Schritt S14 den Zustand als ”keine Umkehreingabe” um den Beurteilungsflag F auf ”0” zu setzen und verlässt die Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine. Wenn andererseits die Beurteilung in Schritt S12 ”Ja” ist, d. h., wenn der Zustand als ein Zustand beurteilt ist, in dem der Elektromotor 20 elektrische Leistung erzeugt, berechnet die Hilfssteuerungseinheit 61 den der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag E gemäß der folgenden Formel: E = ∫|”im” × ωx|dt
Da die Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine in einem vorbestimmten Zyklus wiederholt wird, wird in diesem Schritt S15 die absolute Zahl des Produkts aus dem Motorstrom „im” und der Lenkgeschwindigkeit ωx, |”im” × ωx|, in einem vorbestimmten Zyklus berechnet und der akkumulierte Wert der Ergebnisse der Berechnung als der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E angesehen.
Anschließend beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S16, ob der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E größer als ein Kriteriumswert E0 ist. Wenn der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E kleiner oder gleich der Kriteriumswert E0 ist (S16: Nein), beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 den Zustand als ”keine Umkehreingabe”, um den Beurteilungsflag F in Schritt S14 auf ”0” zu setzen und verlässt die Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine. Der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E muss nicht den gleichen Wert wie ein Betrag einer Leistungserzeugungsenergie haben, der durch den Elektromotor 20 durch die Leistungserzeugung erzeugt wird. Er ist ein Wert, der zum Beurteilen des Umkehreingabezustands mit dem Kriteriumswert E0 verglichen werden muss. Folglich kann der Betrag E ein Wert sein, der entsprechend dem Ansteigen und Abnehmen einer tatsächlich an dem Elektromotor 20 erzeugten Leistungserzeugungsenergie steigt und abnimmt.
Ferner gibt die Hilfssteuerungseinheit 61 jedes Mal, wenn sie eine Umkehreingabe beurteilt, Informationen, die den Beurteilungsflag F darstellen, an die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 aus.
Die Hilfssteuerungseinheit 61 wiederholt solch eine Verarbeitung und setzt den akkumulierten, der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag E auf Null zurück, wenn eine Störung bzw. Unterbrechung der Leistungserzeugung an dem Elektromotor 20 erfasst wird (S12: Nein), bevor der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E den Kriteriumswert E0 überschreitet. Andererseits, wenn ein Leistungserzeugungszustand an dem Elektromotor 20 aufrechterhalten wird und der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E den Kriteriumswert E0 überschreitet (S16: Ja), dann wird in Schritt S17 beurteilt, ob die momentane Lenkgeschwindigkeit ωx größer als der Kriteriumswert ω0 ist. Wenn die Lenkgeschwindigkeit ωx kleiner oder gleich der Kriteriumswert ω0 ist, beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S14 den Zustand als ”keine Umkehreingabe” und verlässt die Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine. Andererseits, wenn die momentane Lenkgeschwindigkeit ωx den Kriteriumswert ω0 überschreitet, beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 den Zustand als ”Umkehreingabe erfasst”, setzt in Schritt S18 den Beurteilungsflag F auf ”1” und verlässt die Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine.
9 ist eine graphische Darstellung, die durch Messung der zeitlichen Verläufe der Rotationsgeschwindigkeit der Lenkwelle 12 (entsprechend der Lenkgeschwindigkeit ω und nachfolgend als Wellenrotationsgeschwindigkeit bezeichnet), des Motordrehmoments (entsprechend dem Motorstrom „im”) und des auf die Lenkwelle 12 ausgeübten Drehmoments (nachfolgend als Wellendrehmoment bezeichnet) erhalten wird, wenn ein Reifen der zu lenkenden Reifen W an einen Randstein fährt. Wenn ein Reifen der zu lenkenden Reifen W zum Zeitpunkt t1 an einen Randstein fährt, dann werden die zu lenkenden Räder W gelenkt und die Zahnstange 14 bewegt sich in ihre Axialrichtung. Dadurch wird die Bewegungsenergie in der Axialrichtung der Zahnstange 14 über den Zahnstangen-Zahnrad-Mechanismus 13 an die Lenkwelle 12 übertragen und die Lenkwelle 12 dreht sich. Ferner bewirkt die Rotation der Lenkwelle 12, dass sich der Rotor des Elektromotors 20 in die gleiche Richtung dreht. Dann erreicht die Zahnstange 14 zu der Zeit t2 das Hubende und eines der an beiden Enden der Zahnstange 14 angebrachten Zahnstangenendelemente 18 stößt an das Stoppelement 15a des Zahnstangengehäuses 15. Nachfolgend wird diese Kollision als eine Hubendkollision bezeichnet.
In der Figur ist die Periode, während der die Rotationsrichtung zum Erzeugen eines Motordrehmoments und die Rotationsrichtung der Lenkwelle 12 unterschiedlich sind, eine Leistungserzeugungsperiode, während welcher der Elektromotor 20 eine Leistungserzeugungsenergie erzeugt. In der Figur entspricht die Periode, in der die Wellenform des Motordrehmoments schattiert ist, der Leistungserzeugungsperiode. Wie in der Figur gezeigt ist, beginnt die Lenkwelle 12 zu rotieren, wenn ein Reifen an einen Randstein fährt. Zu dieser Zeit dreht sich verglichen mit der Eingangsseite der Lenkwelle 12 (Seite des Lenkrads) zuerst ihre Ausgangsseite (Seite der zu lenkenden Räder). Dementsprechend wird der Elektromotor 20 gesteuert, um in die der Rotationsrichtung der Lenkwelle 12 entgegengesetzte Richtung angetrieben zu werden, da der Lenkdrehmomentsensor 22 das Lenkdrehmoment Tx in der entgegengesetzten Richtung zur Rotationsrichtung der Lenkwelle 12 erfasst. Da jedoch die Wellenrotationsgeschwindigkeit so schnell ist, dass die Lenksteuerung entsprechend dem elektrischen Winkel des Elektromotors 20 nicht folgen kann und die Rotationsenergie der Lenkwelle 12 groß ist, wird der Rotor des Elektromotors 20 durch die Lenkwelle 12 gedreht. Somit befindet sich der Elektromotor 20 im Leistungserzeugungszustand.
Wenn die Zahnstange 14 das Hubende erreicht, wird die Bewegung der Zahnstange 14 beschränkt. Die Lenkwelle 12 stoppt zu dieser Zeit mit einer Schwingung (wiederholte Umkehrung der Rotationsrichtung nach links und rechts). Dementsprechend endet die Leistungserzeugungsperiode des Elektromotors 20, sobald die Zahnstange 14 das Hubende erreicht, und tritt danach intermittierend bzw. mit Unterbrechungen auf. In diesem Fall ist in der frühen Leistungserzeugungsperiode, wenn eine Umkehreingabe ausgeübt wird, der Betrag der Leistungserzeugungsenergie hoch.
Abgesehen von dem Fall einer Kollision mit einem Randstein kann der Elektromotor 20 eine elektrische Leistung erzeugen, wenn eine schnelle Lenkbetätigung eines Fahrers den Rotor des Elektromotors 20 dreht. Solch ein Fall tritt beispielsweise gerade im Moment des Zurücklenkens in einen stationären Lenkbetrieb oder bei einer Notbetätigung, wie beispielsweise einer Unfallvermeidung, auf. Die Leistungserzeugungsenergie, die der Elektromotor 20 entsprechend solcher Antriebsbetätigungen erzeugt, ist verglichen mit der Leistungserzeugungsenergie, die der Elektromotor 20 beim Anfahren eines Randsteins erzeugt, gering. Dementsprechend kann zwischen einer Leistungserzeugung aufgrund einer Antriebsbetätigung und einer Leistungserzeugung aufgrund einer großen Umkehreingabe, wie beispielsweise einer Randsteinkollision, unterschieden werden, indem der Kriteriumswert E0 auf einen Wert gesetzt bzw. eingestellt wird, der größer als der der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag E, der schätzungsweise durch eine Fahrsituation erzeugt wird (Betrag entsprechend der Leistungserzeugungsenergie während der Leistungserzeugungsperode), und kleiner als der der Leistungserzeugungsenergie entsprechender Betrag E ist, der schätzungsweise durch eine große Umkehreingabe, wie beispielsweise einer Randsteinkollision, erzeugt wird. Dadurch kann ein kleiner Umkehreingabezustand ohne einer möglichen Auswirkung auf den Lenkmechanismus 10 von der Beurteilung eines großen Umkehreingabezustands mit einer möglichen Auswirkung auf den Lenkmechanismus 10 ausgeschlossen werden.
Ferner besteht in der Umkehreingabe-Beurteilungssubroutine keine Gefahr einer falschen Erfassung eines Umkehreingabezustands, indem beispielsweise eine plötzliche Zunahme der Lenkgeschwindigkeit angenommen wird, da eine Umkehreingabe basierend auf dem Betrag beurteilt wird, welcher der Leistungserzeugungsenergie während einer kontinuierlichen Leistungserzeugungsperode entspricht.
Als nächstes wird die Lenkhilfssteuerungsverarbeitung in Schritt S30 beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das insbesondere die Verarbeitung in Schritt S30 als eine Lenkhilfssteuerungsroutine darstellt. Sobald die Lenkhilfssteuerungssubroutine startet, liest die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S31 die durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 23 erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit Vx und das durch den Lenkdrehmomentsensor 22 erfasste Lenkdrehmoment Tx ein.
Anschließend berechnet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S32 unter Bezugnahme des in 10 dargestellten Hilfsdrehmomentkennfelds ein Grundhilfsdrehmoment Tas, das entsprechend der eingegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit Vx und dem eingegebenen Lenkdrehmoment Tx eingestellt wird. Das Hilfsdrehmomentkennfeld ist in dem ROM der elektronischen Steuerungseinheit 60 gespeichert, wobei das Grundhilfsdrehmoment Tas so eingestellt ist, dass es entsprechend der Zunahme des Lenkdrehmoments Tx zunimmt und mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit Vx zunimmt. Obwohl in 10 das Hilfsdrehmomentkennfeld zum Lenken nach rechts gezeigt ist, ist zum Lenken nach links nur die Richtung des Grundhilfsdrehmoments Tas umgekehrt und die Größe bzw. der Betrag ist der gleiche wie der bei der Rechtslenkung.
Anschließend berechnet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S33 ein Sollbefehlsdrehmoment T* durch Addieren eines Ausgleichsdrehmoments bzw. Kompensationsdrehmoments zum Grundhilfsdrehmoment Tas. Das Kompensationsdrehmoment wird als Summe einer Rückstellkraft in die Grundposition der Lenkwelle 12, welche proportional mit dem Lenkwinkel θx zunimmt, und einem Lösedrehmoment, das einer der Rotation der Lenkwelle 12 entgegengerichteten Widerstandskraft, welche proportional mit der Lenkgeschwindigkeit ωx zunimmt, entspricht, berechnet. Als der Lenkwinkel θx wird der in Schritt S11 eingelesene Wert verwendet und die Lenkgeschwindigkeit ωx wird durch Ableiten des Lenkwinkels θx nach der Zeit erhalten.
Als nächstes berechnet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S34 einen zum Sollbefehlsdrehmoment T* proportionalen Sollstrom ias*. Der Sollstrom ias* wird durch Division des Sollbefehlsdrehmoments T* durch eine Drehmomentkonstante erhalten.
Anschließend berechnet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S35 eine Abweichung Δi zwischen dem Motorstrom „im”, der durch den Elektromotor 20 fließt, und dem Sollstrom ias* und berechnet basierend auf die Abweichung Δi eine Sollbefehlsspannung v* mittels einer PI-Steuerung (Proportional-Integral-Steuerung). Als der Motorstrom „im” wird der in Schritt S11 eingelesene Wert verwendet.
Dann gibt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S36 ein PWM-Steuerungssignal entsprechend der Sollbefehlsspannung v* an die Motortreiberschaltung 30 aus und verlässt die Lenkhilfssteuerungsroutine. Die Lenkhilfssteuerungssubroutine wird in einem vorbestimmten kurzen Zyklus wiederholt ausgeführt, es sei denn in der Umkehreingabe-Beurteilungsverarbeitung in Schritt S10 wird eine Umkehreingabe erfasst. Dementsprechend werden durch die Ausführung der Lenkhilfssteuerungsroutine die Tastverhältnisse der Schaltelemente SW1 bis SW6 in der Motortreiberschaltung 30 gesteuert und ein gewünschtes Hilfsdrehmoment gemäß der Lenkbetätigung eines Fahrers erhalten.
Solch eine Regelung des Elektromotors 20 wird durch eine Vektorsteuerung ausgeführt, die durch ein Zweiphasen-Koordinatensystem mit d-q-Achsen mit einer q-Achse in der Rotationsrichtung des Elektromotors 20 und einer d-Achse in eine zu der Rotationsrichtung senkrechten Richtung dargestellt ist. Folglich weist die Hilfssteuerungseinheit 61 einen Dreiphasen-/Zweiphasen-Koordinationswandler (nicht dargestellt) auf, um basierend auf dem elektrischen Winkel des Motors den durch den Motorstromsensor 38 erfassten Dreiphasen-Motorstrom „im” (iu, iv, iw) in das Koordinatensystem mit den d-q-Achsen umzuwandeln, und wandelt den Dreiphasen-Motorstrom „im” mittels eines Dreiphasen-/Zweiphasen-Koordinationswandlers in einen d-Achsenstrom id und einen q-Achsenstrom „iq” um. Ferner werden die Sollströme im d-q-Achsenkoordinatensystem (d-Achse Sollstrom id*, q-Achse Sollstrom iq*) ebenfalls zum Einstellen des Sollstrom ias* berechnet. In diesem Fall ist der q-Achsenstrom in dem Koordinatensystem mit den d-q-Achsen die Stromkomponente zur Erzeugung eines Drehmoments. Dementsprechend wird in Schritt S34 der q-Achsensollstrom basierend auf dem Sollbefehlsdrehmoment t* als der Sollstrom ias* eingestellt. Ferner weist die Hilfssteuerungseinheit 61 einen Zweiphasen-/Dreiphasen-Koordinationswandler (nicht dargestellt) auf, um einen Dreiphasen-Spannungsbefehlswert (Befehlsspannung v*) entsprechend den Abweichungen (id*-id, iq*-iq) zu berechnen, und berechnet die Dreiphasen-Befehlsspannung v* mittels eines Zweiphasen-/Dreiphasen-Koordinationswandlers.
In der vorliegenden Beschreibung werden die Sollströme im Koordinatensystem mit d-q-Achsen (d-Achse Sollstrom id*, q-Achse Sollstrom iq*) der Einfachheit halber als ias* und elektrische Ist-Ströme im Koordinatensystem mit d-q-Achsen (d-Achse Strom id, q-Achse Strom iq) zur Erläuterung als der Motorstrom „im” dargestellt, da die vorliegende Erfindung nicht durch solch eine Steuerung gekennzeichnet ist, die ein Koordinatensystem mit d-q-Achsen verwendet. Ferner entspricht der für die oben genannte Umkehreingabe-Beurteilungsroutine Motorstrom „im” dem Ist-q-Achsenstrom „iq” im Koordinatensystem mit d-q-Achsen.
Als nächstes wird die Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung in Schritt S40 beschrieben. 5 ist ein Flussdiagramm, das insbesondere die Verarbeitung in Schritt S40 als eine Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung darstellt. Sobald die Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung gestartet ist, stoppt zuerst die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S41 die Lenkhilfssteuerung. D. h., dass der Sollstrom ias* auf Null gesetzt wird (ias* = 0).
Anschließend gibt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S42 ein PWM-Steuerungssignal an die Motortreiberschaltung 30 aus, um zwischen den Phasen des Elektromotors 20 einen Kurzschluss zu erzeugen, d. h. um zwischen den Motorspulen von mindestens zwei der drei Phasen einen Kurzschluss zu erzeugen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Schaltelemente SW1 und SW3 in den oberen Armen für eine U-Phase und eine W-Phase in der Motortreiberschaltung 30 gleichzeitig eingeschaltet (Tastverhältnis = 100%) und die übrigen Schaltelemente SW2, SW4, SW5 und SW6 werden ausgeschaltet (Tastverhältnis = 0%). Da der Rotor des Elektromotors durch eine Umkehreingabe gedreht wird, fließt aufgrund einer induzierten elektromotorischen Kraft ein Kurzschlussstrom durch die Motorspulen, und dadurch wird eine Bremskraft ausgeübt, um die Rotation des Rotors zu stoppen. Ferner wird zu dieser Zeit eine Leistungserzeugungsenergie in den Motorspulen gespeichert.
Anschließend wartet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S43, bis eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist. Im Falle eines Kurzschlusses zwischen den Phasen wird die Leistungserzeugungsenergie in Form von Wärme verbraucht und die Motorspulen sowie die Motortreiberschaltung 30 überhitzen. Folglich wird eine Zeitbeschränkung als Überhitzungsschutz eingestellt. Wenn die vorbestimmte Zeit seit dem Beginn des Kurzschlusses zwischen den Phasen verstrichen ist, dann gibt die Hilfssteuerungseinheit in Schritt S44 ein PWM-Steuerungssignal an die Motortreiberschaltung 30 aus, um die in den Motorspulen gespeicherte Leistungserzeugungsenergie an die Zusatzstromversorgung 50 abzugeben und zu veranlassen, dass die Zusatzstromversorgung 50 die Energie absorbiert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden das Schaltelement SW1 in den oberen Armen für die U-Phase und das Schaltelement SW6 in den unteren Armen für die W-Phase in der Motortreiberschaltung 30 gleichzeitig eingeschaltet (Tastverhältnis = 100%) und die übrigen Schaltelemente SW2, SW3, SW4 und SW5 werden ausgeschaltet (Tastverhältnis = 0%). Dadurch wird die in den Motorspulen gespeicherte Leistungserzeugungsenergie durch die Zusatzstromversorgung 50 absorbiert (regeneriert) und die Zusatzstromversorgung 50 geladen. Da die Ladestromobergrenze der Zusatzstromversorgung 50, wie später beschrieben wird, höher eingestellt wird, wenn eine Umkehreingabe erfasst ist, kann eine große Menge an Leistungserzeugungsenergie durch die Zusatzstromversorgung 50 absorbiert werden. Dementsprechend kann eine Bremsung mittels eines Kurzschlusses zwischen den Phasen effizient ausgeführt werden.
Nachdem die Hilfssteuerungseinheit 61 die Motortreiberschaltung 30 zum Bilden einer Ladeleitung zur Zusatzstromversorgung 50 steuert, behält die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S45 den Zustand bis zum Ausschalten des Zündschalters 106 bei und beendet die Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung, wenn der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist. Dadurch endet die Hauptroutine.
11 ist eine graphische Darstellung, welche zeitliche Verläufe eines Wellendrehmoments sowie dessen Komponenten für den Fall zeigt, in dem die Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung nicht ausgeführt wird, wenn ein Reifen an einen Randstein fährt. Ein Wellendrehmoment wird hauptsächlich als eine Summe aus einem an dem Elektromotor 20 erzeugten Motordrehmoment, einem Motorträgheitsdrehmoment und einem Lenkradträgheitsdrehmoment dargestellt. Wenn wie oben beschrieben ein Reifen von den zu lenkenden Rädern W zur Zeit t1 an einen Randstein fährt, dann bewegt sich die Zahnstange 14 in deren Axialrichtung und dabei drehen sich die Lenkwelle 12 und der Elektromotor 20. Dann erreicht die Zahnstange 14 zur der Zeit t2 das Hubende und das Zahnstangenendelement 18 stößt an das Stoppelement 15a (Hubendkollision).
In diesem Fall dreht sich die Ausgangsseite der Lenkwelle 12 voraus und deren Eingangsseite (Seite des Lenkrads 11) dreht sich nach. Wenn eine Hubendkollision eintritt, dreht sich die Eingangsseite der Lenkwelle 12 aufgrund des Lenkradträgheitsmoments und des Motorträgheitsmoments, da die Eingangsseite der Lenkwelle 12 offen bzw. frei ist, weiter, obwohl die Rotation der Ausgangsseite der Lenkwelle 12 durch die gestoppte Zahnstange 14 beschränkt wird. Dementsprechend wird bei der Hubendkollision die Richtung, in welche die Torsionsstange des Lenkrads 12 verdreht wird, umgekehrt. Zu dieser Zeit erfasst der Lenkdrehmomentsensor 22 das Lenkdrehmoment Tx als in die gleiche Richtung wirkend, wie wenn das Lenkrad 11 in Richtung der Hubendkollision gedreht wird, und folglich wirkt das durch den Elektromotor 20 ausgegebene Drehmoment in Richtung der Hubendkollision. Dementsprechend wird ein auf die Lenkwelle 12 ausgeübtes Drehmoment (Torsionsdrehmoment) sehr groß. Folglich muss die Festigkeit der Lenkwelle 12 (Festigkeit der Zwischenwelle 12b, der Zahnradwelle 12c und der diese verbindenden Universalgelenke 12d und 12e) hoch sein.
Folglich wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn eine Umkehreingabe erfasst ist, die Lenkhilfssteuerung gestoppt, um das Auftreten eines Motordrehmoments, das in Richtung der Hubendkollision wirkt, zu verhindern, und sie übt auf den Elektromotor 20 mittels des Kurzschlusses zwischen Phasen in dem Elektromotor 20 eine Bremskraft aus, um das auf die Lenkwelle 12 wirkende Drehmoment zu reduzieren. Somit ist es möglich, die Festigkeit der Lenkwelle 12 zu reduzieren.
Als nächstes wird die durch die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 der elektronischen Steuerungseinheit 60 ausgeführte Verarbeitung beschrieben. 6 zeigt eine durch die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 ausgeführte Hauptsteuerungsroutine, die als ein Steuerungsprogramm in einem ROM der elektronischen Steuerungseinheit 60 gespeichert ist. Die Hauptsteuerungseinheit wird beim Einschalten eines Zündschalters 106 gestartet und wird parallel mit der oben genannten in der Hilfssteuerungseinheit 61 ausgeführten Hauptroutine ausgeführt.
Sobald die Hauptroutine startet, liest die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 den durch die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S50 ausgegebenen Beurteilungsflag F ein. Anschließend beurteilt die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 in Schritt S51 basierend auf dem Beurteilungsflag F, ob eine Umkehreingabe erfasst ist. Wenn keine Umkehreingabe erfasst ist (F = 0), dann wird in Schritt S60 eine gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung ausgeführt, und wenn eine Umkehreingabe erfasst ist (F = 1), dann wird in Schritt S70 eine Verarbeitung zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung ausgeführt.
Die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung wird entsprechend der in 7 gezeigten Subroutine verarbeitet und die Verarbeitung zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung wird entsprechend der in 8 gezeigten Subroutine verarbeitet. Während einer Periode, in der in Schritt S51 keine Umkehreingabe erfasst ist, wiederholt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S60 die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung in einem vorbestimmten kurzen Zyklus, bis der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist. Wenn andererseits in Schritt S51 eine Umkehreingabe erfasst ist, dann wird die Umkehreingabezustand-Ladesteuerungsverarbeitung ausgeführt und die Hauptroutine wird beendet.
Zuerst wird die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung in Schritt S60 beschrieben. 7 ist ein Flussdiagramm, das insbesondere die Verarbeitung in Schritt S60 als eine gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungssubroutine darstellt. Sobald die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungssubroutine startet, liest die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 in Schritt S61 einen Ist-Ladestrom Rx der Zusatzstromversorgung 50 ein. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 führt neben der gewöhnlichen Lade-Entlade-Steuerungssubroutine wiederholt in einem vorbestimmten Zyklus eine Ladestromerfassungsverarbeitung aus und liest in Schritt S61 als den Ist-Ladestrom Rx den momentanen durch die Ladestromerfassungsverarbeitung erfassten Ladestrom der Zusatzstromversorgung 50 ein.
Der Ladestrom (SOC: Ladezustand) stellt das Verhältnis zwischen der verbleibenden Kapazität zur vollständig geladenen Kapazität dar. Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 erfasst den Ist-Ladestrom Rx der Zusatzstromversorgung 50 basierend auf dem durch den zweiten Stromsensor 53 erfassten Ist-Lade-Entladestrom i2 und die durch den zweiten Spannungssensor 54 erfasste Zusatzstromversorgungsspannung v2. Beispielsweise kann der Ladestrom durch Messung des inneren Widerstands der Zusatzstromversorgung 50 berechnet werden. Der innere Widerstand wird von einem Entladestrom und einer Entladespannung berechnet. Da ein Zusammenhang bzw. eine Beziehung zwischen dem inneren Widerstand und dem Ladestrom besteht, kann der Ladestrom durch Speichern einer Berechnungstabelle bzw. eines Berechnungskennfeldes des Ladestroms über den inneren Widerstand und Bezugnahme auf diese Berechnungstabelle berechnet werden.
Ferner kann der Ladestrom durch Überwachen des Ist-Lade-Entladestroms i2 und Addieren des integrierten Werts des Ist-Lade-Entladestroms i2 (der durch Subtraktion des integrierten Werts des Entladestroms vom integrierten Wert des Ladestroms erhaltene Wert) zu einer Anfangsladekapazität berechnet werden. In diesem Fall kann die Anfangsladekapazität im Speicher gespeichert und periodisch basierend auf dem Spannungsabfall gegenüber dem durch die Zusatzstromversorgung 50 fließenden Entladestrom berechnet werden.
Ferner kann für den Fall, dass ein Kondensator (elektrischer Doppelschichtkondensator) als Zusatzstromversorgung 50 verwendet wird, der Integralwert des Ist-Lade-Entladestroms i2 als die Ladekapazität der Zusatzstromversorgung 50 geschätzt werden, falls die Ladung der Zusatzstromversorgung 50 entladen wird, wenn der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist, und dadurch zur Zeit des Einschaltens des Zünderschalters 106 die Anfangsladekapazität auf Null gesetzt wird. In diesem Fall ist der Ist-Ladestrom Rx das Verhältnis des integrierten Werts des Ist-Lade-Entladestroms i2 zur vollständig geladenen Kapazität.
Im Folgenden wird zur Beschreibung der gewöhnlichen Lade-Entladesteuerungssubroutine zurückgekehrt. In Schritt S62 beurteilt die Stromversorgungssteuerungseinheit 62, ob der Ist-Ladestrom Rx geringer als eine vorbestimmte Ladestromobergrenze R1 (beispielsweise 60%) ist. Wenn der Ist-Ladestrom Rx den oberen Grenzwert des Ladestroms R1 erreicht (S62: Ja), wird ein Soll-Lade-Entladestrom i2* auf Null gesetzt (i2 = 0), damit nicht weiter geladen wird. Wenn andererseits der Ist-Ladestrom Rx nicht die Ladestromobergrenze R1 erreicht (S62: Nein), wird der Soll-Lade-Entladestrom i2* durch die folgende Berechnung beibehalten. Wie aus der später beschriebenen Verarbeitung hervorgeht, legt die Ladestromobergrenze R1 nicht nur den oberen Grenzwert des Ist-Ladestroms Rx fest, sondern fungiert ebenfalls als Soll-Ladestrom. i2* = (Wmax – Wx)/v2
Wmax ist eine zulässige Ausgangsleistung des Spannungswandlers 40, Wx ist ein Leistungsverbrauch der Motortreiberschaltung 30 und v2 ist eine durch den ersten Spannungssensor 52 erfasste Ausgangsspannung. Die zulässige Ausgangsleistung Wmax ist ein basierend auf der Spezifikation bzw. den technischen Daten des Spannungswandlers 40 vorbestimmter Wert. Der Leistungsverbrauch Wx der Motortreiberschaltung 30 wird durch Multiplikation eines Werts, der durch Subtraktion des durch den zweiten Stromsensor 53 erfassten Ist-Lade-Entladestroms i2 von dem durch den ersten Stromsensor 51 erfassten Ausgangsstrom i1 (i1–i2) erhalten wird, mit der durch den ersten Spannungssensor 52 erfassten Ausgangsspannung v1 berechnet. Demzufolge beinhaltet die Verarbeitung in Schritt S64 eine Verarbeitung zum Einlesen der durch den ersten Stromsensor 51 und den zweiten Stromsensor 53 gemessenen elektrischen Stromwerte sowie dem durch den ersten Spannungssensor 52 gemessenen Spannungswert. Der Leistungsverbrauch Wx der Motortreiberschaltung 30 kann basierend auf dem durch den Motorstromsensor 38 erfassten Motorstrom „im” und der durch den ersten Spannungssensor 52 erfasste Ausgangsspannung v1 berechnet werden.
Anschließend beurteilt die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 in Schritt S65, ob der Soll-Lade-Entladestrom i2* ein positiver Wert ist. Wie oben beschrieben wird der Soll-Lade-Entladestrom i2* durch Subtraktion des Leistungsverbrauchs Wx der Motortreiberschaltung 30 von der zulässigen Ausgangsleistung Wmax des Spannungswandlers 40 und Division des Ergebnisses der Subtraktion durch die Ausgangsspannung v2 erhalten. Wenn also der Leistungsverbrauch Wx des Elektromotors 20 innerhalb des Bereichs der zulässigen Ausgangsleistung Wmax des Spannungswandlers 40 ist, dann gilt i2* > 0 (S65: Ja), und umgekehrt gilt i2* ≤ 0 (S65: Nein), wenn der Leistungsverbrauch Wx des Elektromotors 20 größer oder gleich die zulässige Ausgangsleistung Wmax des Spannungswandlers 40 ist.
Wenn der Soll-Lade-Entladestrom i2* kleiner oder gleich Null ist (i2* ≤ 0) wird der Soll-Lade-Entladestrom i2* erneut auf Null gesetzt (i2* = 0). Andererseits wird der Soll-Lade-Entladestrom i2* nicht geändert, wenn der Soll-Lade-Entladestrom i2* ein positiver Wert ist (i2* > 0).
Nachdem der Soll-Lade-Entladestrom i2* wie oben beschrieben eingestellt ist, schreitet die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 mit der Verarbeitung zu Schritt S66 fort. In Schritt S66 wird die umgewandelte Spannung des Spannungswandlers 40 durch eine Rückführung basierend auf der Abweichung zwischen dem Soll-Lade-Entladestrom i2* und dem Ist-Lade-Entladestrom i2 geregelt. D. h., dass die umgewandelte Spannung des Spannungswandlers 40 so gesteuert wird, dass die Abweichung zwischen dem Soll-Lade-Entladestrom i2* und dem Ist-Lade-Entladestrom i2 (i2* – i2) gelöst bzw. kompensiert wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird basierend auf der Abweichung (i2* – i2) eine PID-Steuerung ausgeführt.
Die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 gibt ein Pulssignal mit einer vorbestimmten Periode an die Gates des ersten und des zweiten Spannungswandlerschaltelementes 43 und 44 aus, um beide Schaltelemente 43 und 44 an- und auszuschalten, und wandelt die von der Hauptstromversorgung 100 zugeführte elektrische Spannung um. In diesem Fall wird die umgewandelte Spannung durch Änderung des Tastverhältnisses des Pulssignals gesteuert.
Gemäß der gewöhnlichen Lade-Entlade-Steuerungssubroutine wird die Spannungsumwandlung so gesteuert, dass ein elektrischer Strom in eine Richtung zum Laden der Zusatzstromversorgung 50 fließt und die Größe des elektrischen Stroms zum Soll-Lade-Entladestrom i2* wird, wenn der Soll-Lade-Entladestrom i2* ein positiver Wert ist (i2* > 0). Dementsprechend wird die umgewandelte Spannung des Spannungswandlers 40 gesteuert, um größer als die Stromversorgungsspannung der Zusatzstromversorgung 50 zu sein. D. h., dass wenn der Ist-Ladestrom Rx die Ladestromobergrenze R1 nicht erreicht und die Ausgabe des Spannungswandlers 40 einen Spielraum zum Leistungsverbrauch der Motortreiberschaltung 30 hat (eine zum Antreiben des Elektromotors 20 verbrauchte elektrische Leistung), wird die elektrische Leistung der Hauptstromversorgung 100 über den Spannungswandler 40 in der Zusatzstromversorgung 50 geladen. Da ferner der Soll-Lade-Entladestrom i2* so eingestellt ist, dass die Stromversorgung für die Motortreiberschaltung 30 sichergestellt und ferner die Zusatzstromversorgung 50 unter Verwendung der Stromversorgungsleistungsfähigkeit des Spannungswandlers 40 vollständig geladen ist, kann die Zusatzstromversorgung 50 schnell geladen werden.
Wenn andererseits der Soll-Lade-Entladestrom i2* auf Null gestellt ist (i2* = 0), wird die umgewandelte Spannung des Spannungswandlers 40 so gesteuert, dass weder ein Ladestrom noch ein Entladestrom durch die Zusatzstromversorgung 50 fließen. Dementsprechend wird die umgewandelte Spannung des Spannungswandlers 40 so gesteuert, dass sie gleich der Versorgungsspannung der Zusatzstromversorgung 50 ist. Folglich wird die Zusatzstromversorgung 50 nicht geladen. Sofern der Leistungsverbrauch der Motortreiberschaltung 30 die Ausgangsleistungsfähigkeit des Spannungswandlers 40 nicht überschreitet, wird die umgewandelte Spannung beibehalten, so dass nicht ein Entladestrom von der Zusatzstromversorgung 50 fließt, und die Motortreiberschaltung 30 arbeitet nur unter Verwendung der Ausgangsleistung des Spannungswandlers 40. Wenn dann ein Zustand erreicht wird, in dem der Leistungsverbrauch der Motortreiberschaltung 30 die Ausgangsleistungsfähigkeitsgrenze des Spannungswandlers 40 trotz der Steuerung der Spannungswandlung überschreitet, kann der Entladestrom der Zusatzstromversorgung 50 nicht auf Null beibehalten werden und die umgewandelte Spannung nimmt ab. Dadurch wir der Fehlbetrag der elektrischen Leistung der Motortreiberschaltung 30 von der Zusatzstromversorgung 50 zugeführt. Das heißt, dass, wenn der Leistungsverbrauch der Motortreiberschaltung 30 innerhalb des Bereichs der Ausgangsleistungsfähigkeit des Spannungswandlers 40 ist, die elektrische Leistung der Zusatzstromversorgung 50 nicht verwendet wird, und nur dann, wenn eine große die Ausgangsleistungsfähigkeit überschreitende elektrische Leistung benötigt wird, elektrische Leistung der Motortreiberschaltung 30 zusätzlich zur Hauptstromversorgung 100 von der Zusatzstromversorgung 50 zugeführt wird.
Als nächstes wird in Schritt S70 die Verarbeitung zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung beschrieben. 8 ist ein Flussdiagramm, das insbesondere die Verarbeitung in Schritt S70 als eine Subroutine zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung darstellt. Die Subroutine zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung startet, wenn die Hilfssteuerungseinheit 61 eine Umkehreingabe erfasst. Wie oben beschrieben, führt die Hilfssteuerungseinheit 61 zu dieser Zeit den Kurzschluss zwischen den Phasen des Elektromotors 20 für ein vorbestimmte Periode aus und steuert anschließend die Motortreiberschaltung 30, sodass die Zusatzstromversorgung 50 die an dem Elektromotor 20 gespeicherte Leistungserzeugungsenergie absorbiert.
Dann führt die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 die folgende Verarbeitung aus, um die an dem Elektromotor 20 gespeicherte Leistungserzeugungsenergie ordentlich zu absorbieren. Zuerst wird in Schritt S71 der Spannungsumwandlungsbetrieb durch den Spannungswandler 40 gestoppt. Das heißt, dass die an das erste Spannungswandlerschaltelement 43 und das zweite Spannungswandlerschaltelement 44 des Spannungswandlers 40 ausgegebenen Pulssignale gestoppt werden. Anschließend wird in Schritt S72 der Ist-Ladestrom Rx eingelesen. Anschließend wird in Schritt S73 beurteilt, ob der Ist-Ladestrom Rx größer oder gleich einer Ladestromobergrenze R2 ist. Die Ladestromobergrenze R2 wird auf einen Wert eingestellt, die größer als die Ladestromobergrenze R1 ist, welche für die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung (zum Beispiel 95%) verwendet wird. Wenn der Ist-Ladestrom Rx geringer als die Ladestromobergrenze R2 ist (S73: nein), kehrt die Verarbeitung zurück zu Schritt S72. Das heißt, dass das Einlesen des Ist-Ladestroms Rx und die Beurteilung durch einen Vergleich mit der Ladestromobergrenze R2 solange fortgeführt wird, bis der Ist-Ladestrom Rx die Ladestromobergrenze R2 erreicht.
Zu dieser Zeit führt die Hilfssteuerungseinheit 61 den Kurzschluss zwischen den Phasen des Elektromotors 20 für eine vorbestimmte Periode aus und sendet danach die an dem Elektromotor 20 gespeicherte Leistungserzeugungsenergie über die Motortreiberschaltung 30 zur Seite der Zusatzstromversorgung 50. Folglich wird die Leistungserzeugungsenergie in die Zusatzstromversorgung 50 regeneriert und der Ist-Ladestrom Rx erhöht. Da die Ladestromobergrenze R2 auf einen Wert eingestellt ist, der größer als die für die gewöhnliche Lade-Entlade-Steuerungsverarbeitung verwendete Ladestromobergrenze R1 ist, kann in diesem Fall die Regenerationsmenge erhöht und ausreichend Bremskraft durch den Kurzschluss zwischen den Phasen des Elektromotors 20 erzeugt werden. Da eine Regeneration der Hauptbatterie 101 über den Spannungswandler 40 nicht benötigt wird, kann ferner eine Regeneration ohne jegliche Last auf den Spannungswandler 40 ausgeführt werden.
Die Stromzuführungssteuerungseinheit 62 wartet in Schritt S73 bis der Ist-Ladestrom Rx die Ladestromobergrenze R2 erreicht und gibt in Schritt S74 ein AUS-Signal an das Zusatzstromversorgungsrelais 115 aus, wenn der Ist-Ladestrom Rx durch Rückführung der Leistungserzeugungsenergie an den Elektromotor 20 die Ladestromobergrenze R2 erreicht. Dadurch öffnet das Zusatzstromversorgungsrelais 115 dessen Kontakt im Inneren, um die Ladeleitung abzuschalten. Dementsprechend wird das Laden der Zusatzstromversorgung 50 gestoppt. Das Zusatzstromversorgungsrelais 115 wird durch ein AN-Signal angesteuert, um dessen Kontakt zu schließen, wenn die Hauptroutine der Stromversorgungssteuerungseinheit 62 beginnt.
Nachdem das Zusatzstromversorgungsrelais 115 die Ladeleitung zur Zusatzstromversorgung 50 abschaltet, wird in Schritt S75 der Zustand von der Leistungserzeugungssteuerungseinheit 62 solange beibehalten, bis der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist. Wenn zu dieser Zeit nicht die gesamte an dem Elektromotor 20 gespeicherte Leistungserzeugungsenergie durch die Zusatzstromversorgung 50 absorbiert ist, wird die verbleibende Energie zum Laden der Hauptbatterie 101 der Hauptstromversorgung 100 und zur Wärmeerzeugung in jeder Schaltung verbraucht.
Wenn der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist, beendet die Stromversorgungssteuerungseinheit 62 die Subroutine zur Umkehreingabezustand-Ladesteuerung. Dadurch endet die Hauptroutine.
Die oben beschriebene elektrische Lenkhilfevorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann einen kleinen Umkehreingabezustand ohne Auswirkung auf den Lenkmechanismus 10 ausschließen und einen großen Umkehreingabezustand mit einer möglichen Auswirkung auf den Lenkmechanismus 10 präzise erfassen, da basierend auf dem der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag, der an dem Elektromotor 20 erzeugt wird, beurteilt wird, ob eine Umkehreingabe vorliegt.
Da ferner eine dynamische Bremsung durch den Kurzschluss zwischen den Phasen des Elektromotors 20 aufgebracht wird, damit ein Kurzschlussstrom durch die Motorspulen fließt, wenn eine Umkehreingabe erfasst ist, wird die Rotation der Lenkwelle 12 unterdrückt und das im Falle einer Hubendkollision auf die Lenkwelle 12 wirkende Drehmoment reduziert. Dementsprechend kann die Lenkwelle 12 vor einem Stoß geschützt, die Festigkeit der Lenkwelle 12 reduziert und Gewicht sowie Kosten eingespart werden.
Da die an dem Elektromotor 20 gespeicherte Leistungserzeugungsenergie in der Zusatzstromversorgung 50 zur Unterstützung der Stromversorgung durch die Hauptstromversorgung 100 regeneriert wird, kann ferner die Zusatzstromversorgung 50 effektiv zum Verhindern der Überhitzung des Elektromotors 20 und der Motortreiberschaltung 30 verwendet werden. Da ferner die Ladestromobergrenze erhöht wird, wenn die Leistungserzeugungsenergie in die Zusatzstromversorgung 50 regeneriert wird, kann der Regenerationsbetrag erhöht und eine ausreichende Bremskraft durch den Kurzschluss zwischen den Phasen des Elektromotors 20 erzeugt werden.
Der Elektromotor 20 kann mit großer elektrischer Leistung angetrieben werden, da der Spannungswandler 40, welcher die Ausgangsspannung der Hauptstromversorgung 100 umwandelt, um der Motortreiberschaltung 30 elektrische Leistung zuzuführen, vorgesehen ist. Da die Motortreiberschaltung 30 und die Zusatzstromversorgung 50 in Parallelschaltung zu dem Spannungswandler 40 verbunden sind, um die Motortreiberschaltung 30 mit der in der Zusatzstromversorgung 50 gespeicherten elektrischen Leistung zu unterstützen, wenn die Motortreiberschaltung 30 eine große elektrische Leistung benötigt, kann die Ausgangsleistung der elektrischen Lenkhilfevorrichtung ohne Erhöhung das Leistungsvermögen der Hauptstromversorgung 100 erhöht werden. Da ferner das Laden und Entladen der Zusatzstromversorgung 50 durch Steuerung der umgewandelten Spannung des Spannungswandlers 40 gesteuert wird, ist es einfacher, den Ist-Ladestrom Rx der Zusatzstromversorgung 50 an der Ladestromobergrenze zu halten.
Obwohl die elektrische Lenkhilfevorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Verschiedene Modifikationen sind möglich, solange der Kern der Erfindung nicht modifiziert bzw. verändert wird.
Im Folgenden wird eine Modifikation der Verarbeitung zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung beschrieben. 12 zeigt beispielhaft eine Modifikation der in 5 dargestellten Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung. Sobald die Subroutine zur Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungssteuerung gemäß der folgenden Modifikation startet, stoppt die Unterstützungssteuerungseinheit 61 in Schritt S401 eine Lenkhilfssteuerung. Anschließend wird in Schritt S402 die Variable n auf ”0” gesetzt. Anschließend werden die kurzzuschließenden Phasen entsprechend der Variablen n eingestellt. Beispielsweise sind die kurzzuschließenden Phasen U-W-Phasen, wenn die Variable n ”0” ist. Wenn die Variable n ”1” ist, sind die kurzzuschließenden Phasen V-W-Phasen. Wenn die Variable n ”2” ist, dann sind die kurzzuschließenden Phasen V-U-Phasen. Wenn die Variable n größer oder gleich ”3” ist, entsprechen die kurzzuschließenden Phasen dem Wert, der durch Subtraktion von ”3” oder einem Vielfachen von ”3” von der Variablen erhalten wird.
Anschließend gibt die Unterstützungssteuerungseinheit 61 in Schritt S404 ein PWM-Steuerungssignal an die Motortreiberschaltung 30 aus, um unter Verwendung der kurzzuschließenden Phasen einen Kurzschluss zwischen den Motorspulen des Elektromotors 20 zu erzeugen. Dadurch fließt ein Kurzschlussstrom durch die Motorspulen, wodurch eine Bremskraft auf den Elektromotor 20 wirkt. Anschließend wartet die Unterstützungssteuerungseinheit 61 in Schritt S405 solange, bis eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.
Wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, gibt die Unterstützungssteuerungseinheit 61 in Schritt S406 ein PWM-Steuerungssignal an die Motortreiberschaltung 30 aus, um die in den Motorspulen gespeicherte Leistungserzeugungsenergie an die Zusatzstromversorgung 50 abzugeben, sodass die Zusatzstromversorgung 50 die Energie unter Verwendung der Phasen, die gemäß der Variablen n kurzzuschließen sind, aufnimmt. Wenn beispielsweise die Variable n ”0” ist, werden das Schaltelement SW1 in den oberen Armen für die U-Phase und das Schaltelement SW6 in den unteren Armen für die W-Phase gleichzeitig eingeschaltet und die übrigen Schaltelemente SW2, SW3, SW4 und SW5 werden ausgeschaltet. Wenn die Variable n ”1” ist, werden das Schaltelement SW3 in den oberen Armen für eine W-Phase und das Schaltelement SW5 in den unteren Armen für eine V-Phase gleichzeitig eingeschaltet und die übrigen Schaltelemente SW1, SW2, SW4 und SW6 werden ausgeschaltet. Wenn die Variable n ”2” ist, werden das Schaltelement SW2 in den oberen Armen für eine V-Phase und das Schaltelement SW4 in den unteren Arme für eine U-Phase gleichzeitig angeschaltet und die übrigen Schaltelemente SW1, SW3, SW5 und SW6 werden ausgeschaltet. Dadurch wird die in den Motorspulen gespeicherte Leistungserzeugungsenergie durch die Zusatzstromversorgung 50 absorbiert (regeneriert) und die Zusatzstromversorgung 50 geladen. Anschließend wartet die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S407 solange, bis eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.
Wenn die vorbestimmte Zeit verstrichen ist, beurteilt die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S408, ob der Ist-Ladestrom Rx größer als die Ladestromobergrenze R2 oder gleich dieser ist, und wenn der Ist-Ladestrom Rx nicht größer oder gleich der Ladestromobergrenze R2 ist, dann wird in Schritt S409 der Wert der Variable n um ”1” erhöht und die Verarbeitung kehrt zurück zu Schritt S403. Folglich ändern sich die kurzzuschließenden Phasen und die oben genannte Verarbeitung wird wiederholt.
Wenn nach dem Wiederholen solch einer Verarbeitung der Ist-Ladestrom Rx die Ladestromobergrenze R2 erreicht, dann behält die Hilfssteuerungseinheit 61 in Schritt S410 den Zustand solange bei, bis der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist, und wenn der Zündschalter 106 ausgeschaltet ist, wird die Subroutine zur Umkehreingabezustand-Rotationsunterdrückungssteuerung beendet.
Da die oben genannte Subroutine zur Umkehreingabezustand-Rotationsunterdrückungssteuerung gemäß der vorliegenden Modifikation die Kurzschlussverarbeitung zwischen den Phasen der Motorspulen und die Abgabe der Leistungserzeugungsenergie an die Zusatzstromversorgung 50 mit umgeschalteten Phasen wiederholt, kann bewirkt werden, dass nicht eine bestimmte Phase des Elektromotors und der Motortreiberschaltung 30 belastet wird und die Schaltung geschützt werden kann.
Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Anordnung hat, die den Spannungswandler 40 und die Zusatzstromversorgung 50 aufweist, sind diese nicht immer wesentlich. Eine weitere Modifikation kann eine Anordnung haben, bei der eines oder beide der oben genannten Elemente weggelassen werden.
Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Anordnung hat, bei der ein bürstenloser Drehstrommotor durch eine Inverterschaltung angetrieben wird, kommt eine Anordnung in Frage, bei der ein einphasiger Motor durch eine H-Brückenschaltung angetrieben wird. In diesem Fall können die Leistungsklemmen eines Elektromotors kurzgeschlossen werden, um auf einen Elektromotor eine Bremsung auszuüben, wenn eine Umkehreingabe erfasst ist.
Obwohl in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Rotationswinkelsensor 21 zum Erfassen des Rotationswinkels des Elektromotors 20 den Lenkwinkel θx und die Lenkgeschwindigkeit ωx erfasst, kommt beispielsweise eine Anordnung in Frage, bei der ein Rotationswinkelsensor an der Lenkwelle 12 angeordnet ist und der Lenkwinkel θx und die Lenkgeschwindigkeit ωx von dem Rotationswinkel und der Rotationswinkelgeschwindigkeit der Lenkwelle 12 berechnet werden.

Claims

Elektrische Lenkhilfevorrichtung zum Unterstützen einer Lenkbetätigung eines Fahrers durch Antreiben eines in einem Lenkmechanismus (10) angeordneten Elektromotors (20), die aufweist: eine Motorausgabe-Erfassungseinrichtung (38) zum Erfassen einer Ausgabe des Elektromotors (20) und eine Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21) zum Erfassen eines Rotationszustandes des Lenkmechanismus (10), gekennzeichnet durch: eine Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Leistungserzeugungszustandes des Elektromotors (20) basierend auf den Erfassungsergebnissen der Motorausgabe-Erfassungseinrichtung (38) und der Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21), bei dem die Richtung des Elektromotors (20) zum Erzeugen eines Drehmoments nicht mit der Rotationsrichtung (θx) des Lenkmechanismus (10) übereinstimmt; eine Leistungserzeugungsenergie-Berechnungseinrichtung zum kontinuierlichen Berechnen eines Betrags (E), welcher einer Leistungserzeugungsenergie entspricht, die an dem Elektromotor (20) während einer Periode, in welcher der Leitungserzeugungszustand erfasst wird, erzeugt wird; eine Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung zum Beurteilen eines Zustandes als einen Umkehreingabezustand (F = 1), in dem eine Umkehreingabe von einem Reifen auf den Lenkmechanismus (10) wirkt, wenn der berechnete, der Leistungserzeugungsenergie entsprechende Betrag (E) einen Kriteriumswert (E0) überschreitet; und eine Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung zum Unterdrücken der Rotation des Lenkmechanismus (10) durch die Umkehreingabe, wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Umkehreingabezustand (F = 1) erfasst.
Elektrische Lenkhilfevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21) die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors (20) oder die Rotationsgeschwindigkeit (ωx) einer Lenkwelle (12) erfasst.
Elektrische Lenkhilfevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorausgabe-Erfassungseinrichtung (38) eine Motorstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines durch den Elektromotor (20) fließenden elektrischen Stroms (im) ist; die Leistungserzeugungszustand-Erfassungseinrichtung einen Leistungserzeugungszustand des Elektromotors (20) erfasst, bei dem die Richtung zum Erzeugen eines Drehmoments des Elektromotors (20) mit dem durch die Motorstrom-Erfassungseinrichtung (38) erfassten elektrischen Strom (im) nicht mit der durch die Rotationszustand-Erfassungsrichtung (21) erfassten Rotationsrichtung (θx) des Lenkmechanismus (10) übereinstimmt; und die Leistungserzeugungsenergie-Berechungseinrichtung während einer Periode, wenn der Leistungserzeugungszustand erfasst kontinuierlich wird, als den der Leistungserzeugungsenergie entsprechenden Betrag (E) einen Zeitintegrationswert des Produkts aus dem durch die Motorstrom-Erfassungseinrichtung (38) erfassten elektrischen Strom (im) und der durch die Rotationszustand-Erfassungseinrichtung (21) erfassten Rotationsgeschwindigkeit (ωx) berechnet.
Elektrische Lenkhilfevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehreingabe-Rotationsunterdrückungseinrichtung eine Motortreiberschaltung (30) des Elektromotors (20) und Kurzschlüsse zwischen den Phasen des Elektromotors (20) zum Bremsen des Elektromotors (20) steuert.
Elektrische Lenkhilfevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner gekennzeichnet durch: einen Spannungswandler (40) zum Wandeln einer Ausgangspannung einer bordeigenen Batterie (101), um einer Motortreiberschaltung (30) des Elektromotors (20) elektrische Leistung zuzuführen; eine Zusatzstromversorgung (50), die in Parallelschaltung zu der Motortreiberschaltung (30) des Elektromotors (20) mit dem Spannungswandler (40) verbunden ist, um durch den Spannungswandler (40) geladen zu werden und um die elektrische Stromversorgung (101, 102) für die Motortreiberschaltung (30) des Elektromotors (20) durch Entladen ihrer gespeicherten elektrischen Energie zu unterstützen; und eine Regenerationssteuerungseinrichtung zum Steuern der Motortreiberschaltung (30) des Elektromotors (20), um die Zusatzstromversorgung (50) die am Elektromotor (20) erzeugte Leistungserzeugungsenergie (E) absorbieren zu lassen.
Elektrische Lenkhilfevorrichtung nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch: eine Ladebeschränkungseinrichtung zum Beschränken des Ladestroms (Rx) der Zusatzstromversorgung (50) auf eine Ladestromobergrenze (R1) oder darunter; und eine Ladestromobergrenze-Änderungseinrichtung zum Erhöhen der oberen Ladestromgrenze (R1), wenn die Umkehreingabe-Erfassungseinrichtung den Zustand als einen Umkehreingabezustand (F = 1) beurteilt.