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Technisches Feld
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Servolenkungs-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie dient zum Übertragen von Kraft, die als Lenkunterstützungs-Kraft dient, von einem Elektromotor auf das Lenksystem eines Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug von einem Bedienelement, z. B. einem Lenkrad, oder ähnlichem gelenkt wird, um damit die Belastung eines Führers des Fahrzeugs beim Bewegen des Bedienelements zu verringern.
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Technischer Hintergrund
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In jüngster Zeit sind vielfach elektrische Servolenkungs-Vorrichtungen eingesetzt worden, die mittels eines Lenkdrehmoment-Sensors ein von einem Lenkrad erzeugtes Lenkdrehmoment detektieren und einen Elektromotor zum Erzeugen einer Lenkunterstützungs-Kraft abhängig von dem detektierten Lenkdrehmoment steuern/regeln, damit das Fahrzeug am Lenkrad mit einer geringeren Lenkkraft gelenkt werden kann.
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Derartige elektrische Servolenkungs-Vorrichtungen führen eine Phasenkompensation auf das Lenkdrehmoment aus, das von dem Lenkdrehmoment-Sensor detektiert wird, um das von dem Fahrer wahrgenommene Lenkgefühl zu verbessern.
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Wie in
6 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, offenbart die
JP2004-098754A in Absatz [0010] und
4 davon eine elektrische Servolenkungs-Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, die eine Phasenkompensation des oben beschriebenen Typs durchführt. Gemäß der offenbarten elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung wird ein Lenkdrehmoment, das auf ein Lenkrad
201 angewendet wird, durch eine Lenksäule
202 (eine Eingangswelle
202A und eine Ausgangswelle
202B) an einen Lenkmechanismus
203 übertragen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine von einem Elektromotor erzeugte Antriebskraft mechanisch an den Lenkmechanismus
203 als Lenkunterstützungs-Kraft übertragen.
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Die Eingangswelle 202A und die Ausgangswelle 202B sind miteinander mittels eines Torsionsstabs 204 gekoppelt. Die Richtung und Stärke einer Verdrehung in dem Torsionsstab 204 wird als ein Lenkdrehmoment-Signal T von einem Drehmoment-Sensor 205 detektiert.
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Unter Verwendung eines Soll-Strom-Setzelements 212 setzt ein Steuer-/Regelelement 210 einen Soll-Stromwert, der von dem von dem Drehmoment-Sensor 205 detektiertem Drehmoment-Signal und einer von einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 206 detektierten Geschwindigkeit abhängt. Das Steuer-/Regelelement 210 steuert/regelt einen Motortreiber 220 auf Grundlage des gesetzten Soll-Stromwerts, um so einen Antriebsstrom auf den Elektromotor M zu beaufschlagen, der eine Lenkunterstützungs-Kraft auf den Lenkmechanismus 203 einwirkt, die von dem Lenkdrehmoment-Signal T und der Fahrzeuggeschwindigkeit V abhängt.
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Das Steuer-/Regelelement 210 umfasst einen Phasenkompensations-Prozessor 211 zum Ausführen eines Phasenkompensations-Prozesses, um die Verstärkung und die Phase des Lenkdrehmoment-Signals T von dem Drehmoment-Sensor 205 anzupassen, und das Soll-Strom-Setzelement 212 zum Setzen eines Soll-Stromwerts, der von dem Lenkdrehmoment-Signal T, das durch den Phasenkompensations-Prozessor 211 phasenkompensiert ist, und der Fahrzeuggeschwindigkeit V von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 206 abhängt.
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Das Steuer-/Regelelement 210 umfasst ebenfalls ein Phasenkompensations-Verstärkungs-Setzelement 216 zum Setzen einer Phasenkompensations-Charakteristik-Kurve, die in dem Phasenkompensations-Prozessor 211 verwendet wird. Genauer gesagt verringert, wenn das von dem Drehmoment-Sensor 205 detektierte Lenkdrehmoment-Signal T größer wird, ein Drehmoment-angepasstes Verstärkungs-Setzelement 214 eine Verstärkung, die in dem Phasenkompensations-Prozessor 211 gesetzt wird, mittels eines Multiplizierers 215, während gleichzeitig eine größere-Verzögerungs-Phasenkompensation durchgeführt wird, d. h. eine kleinere-Voraus-Phasenkompensation. Wenn die von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 206 detektierte Fahrzeuggeschwindigkeit V geringer wird, verringert ein Fahrzeuggeschwindigkeits-angepasstes Verstärkungs-Setzelement 213 die Verstärkung, die in dem Phasenkompensations-Prozessor 211 gesetzt wird, mittels des Multiplizierers 215, zusammen mit einem Ausführen einer größere-Verzögerung-Phasenkompensation, d. h. einer kleinere-Voraus-Phasenkompensation.
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Solche charakteristischen Veränderungen sind in 7 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt. Eine Verstärkung G wird entsprechend einem Wechsel von einer Verstärkungscharakteristik-Kurve L0 zu einer Verstärkungscharakteristik-Kurve L1 verschoben, und eine Phase θ wird entsprechend eines Wechsels von einer Phasencharakteristik-Kurve L10 zu einer Phasencharakteristik-Kurve L11 verschoben.
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Abriss der Erfindung
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Jedoch wird in der in
JP2004-098754A offenbarten elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung, die eine Phasenkompensation unter Verwendung einer Verstärkungs-Verschiebung ausführt, da eine Lenkverzögerung in dem Lenksystem mit einer Frequenz von etwa einigen zehn Hertz [Hz] verringert wird, wie es in
7 durch den vertikalen Pfeil
222 angezeigt ist, die Verstärkung in einem bestimmten Frequenzband (100 bis 300 [Hz])
224 erhöht, das auf Grund der Tatsache, dass die Verstärkungs-Charakteristikkurve L0 zu der Verstärkungs-Charakteristikkurve L1 geändert wird, empfindlich für Rauschen ist. In Folge dessen ist der Lenkmechanismus
203, der den Elektromotor M umfasst, anfällig dafür, feine Vibrationen und anormale Geräusche zu erzeugen, die den kommerziellen Wert der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung vermindern.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben angesprochenen Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servolenkungs-Vorrichtung bereitzustellen, die es dem Fahrer eines Fahrzeugs erlaubt, ein verbessertes Lenkgefühl wahrzunehmen, wobei der kommerzielle Wert der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung beibehalten wird.
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In der folgenden Beschreibung haben ein Lenkdrehmoment und ein Unterstützungs-Strom verschiedene Vorzeichen, abhängig von der Richtung (eine Richtung nach rechts oder eine Richtung nach links), in die ein Lenkrad gedreht wird. Gemäß der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezieht sich, zum einfacheren Verständnis, die Größe eines Lenkdrehmoments auf einen Absolutwert einer Größe des Lenkdrehmoments, während sich die Größe eines Unterstützungs-Stroms auf einen Absolutwert einer Größe des Unterstützungs-Stroms bezieht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine elektrische Servolenkungs-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Servolenkungs-Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Elektromotors abhängig von einem auf ein Bedienelement angewendeten Lenkdrehmoment, und zum Übertragen einer durch den Elektromotor erzeugten Antriebskraft an einen Lenkmechanismus zum Unterstützen beim Lenken eines Fahrzeugs bereitgestellt, die einen Lenkdrehmoment-Sensor zum Detektieren des Lenkdrehmoments, einen Phasenkompensator zum Phasenkompensieren einer Drehmoment-Signalausgabe durch den Lenkdrehmoment-Sensor und ein Unterstützungs-Strom-Bestimmungselement zum Bestimmen eines Unterstützungs-Stroms, der durch den Elektromotor fließt, auf Grundlage wenigstens des Drehmoment-Signals, das von dem Phasenkompensator phasenkompensiert wird, umfasst, wobei der Phasenkompensator einen Frequenzverschiebungs-Prozess zum Frequenzverschieben sowohl eines Pols einer Minimalfrequenz als auch eines Nullpunkts einer Minimalfrequenz in Richtung höherer Frequenzen, oder zum Frequenzverschieben sowohl eines Pols einer Minimalfrequenz als auch eines Nullpunkts einer Minimalfrequenz in Richtung niedrigerer Frequenzen ausführt, um somit ein Kompensations-Frequenzband zu ändern, das von dem Phasenkompensation kompensiert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt der Phasenkompensator eine Phasenverschiebung in einem Kompensations-Frequenzband durch Durchführen des Frequenzverschiebungs-Prozesses aus, anstatt durch Erhöhen der Kompensations-Verstärkung, wie es in
JP2004-098754A offenbart ist. Dadurch ist es möglich, die Erzeugung von feinen Vibrationen und anormalen Geräuschen eines Lenksystems, das den Elektromotor umfasst, aufgrund einer Zunahme in der Verstärkung zu minimieren. Somit erlaubt es die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung dem Fahrer des Fahrzeugs, ein verbessertes Lenkgefühl zu erfahren.
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Die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung kann ferner einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Detektor zum Detektieren einer Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen, wobei der Phasenkompensator das Kompensations-Frequenzband, das gemäß des Frequenzverschiebungs-Prozesses durch den Phasenkompensator kompensiert wird, in Richtung höherer Frequenzen ändern kann, wenn die von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Detektor detektierte Fahrzeuggeschwindigkeit höher wird.
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Der Phasenkompensator kann das Kompensations-Frequenzband, das gemäß des Frequenzverschiebungs-Prozesses durch den Phasenkompensator kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben, wenn das von dem Lenkdrehmoment-Sensor detektierte Drehmoment-Signal größer wird.
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Der Phasenkompensator kann das Kompensations-Frequenzband, das gemäß des Frequenzverschiebungs-Prozesses durch den Phasenkompensator kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben, wenn der von dem Unterstützungs-Strom-Bestimmungselement bestimmte Unterstützungs-Strom größer wird.
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Der Phasenkompensator kann eine Unterstützungs-Verstärkung als ein Verhältnis von dem von dem Unterstützungs-Strom-Bestimmungselement bestimmten Unterstützungs-Strom zu dem von dem Lenkdrehmoment-Sensor detektierten Drehmoment-Signal berechnen und das Kompensations-Frequenzband, das gemäß des Frequenzverschiebungs-Prozesses durch den Phasenkompensator kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben, wenn die berechnete Unterstützungs-Verstärkung größer wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, da der Phasenkompensator eine Phasenverschiebung in dem Kompensations-Frequenzband durch Durchführen des Frequenzverschiebungs-Prozesses durchführt, anstatt durch Erhöhen der Kompensations-Verstärkung, ein Erzeugen von feinen Vibrationen und anormalen Geräuschen des Lenksystems, das den Elektromotor umfasst, durch eine Zunahme der Verstärkung, zu minimieren. Somit erlaubt es die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung dem Fahrer des Fahrzeugs, ein verbessertes Lenkgefühl wahrzunehmen. In Folge dessen kann der kommerzielle Wert der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung, und damit der kommerzielle Wert eines Fahrzeugs, in dem die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung eingebaut ist, erhöht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Ansicht einer elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Soll-Strom-Berechnungselements, umfassend einen Phasenkompensator der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung gemäß der Ausführungsform;
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3 ist eine Bode-Diagramm, das die Art und Weise illustriert, in der der Phasenkompensator des Soll-Strom-Berechnungselements arbeitet;
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4 ist ein Bode-Diagramm, das ein Beispiel eines Phasenkompensations-Prozesses zum Frequenzverschieben einer Phase ohne Zunahme einer Verstärkung illustriert;
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5 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Soll-Strom-Berechnungselements, umfassend einen Phasenkompensator gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine Ansicht einer elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung zum Durchführen einer Phasenkompensation gemäß dem technischen Hintergrund; und
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7 ist ein Bode-Diagramm, das die Art und Weise illustriert, in der die in 6 gezeigte elektrische Servolenkungs-Vorrichtung arbeitet.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Ansicht einer elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 eine Lenkwelle 1, die mit einem als Bedienelement dienenden Lenkrad 2 gekoppelt ist. Die Lenkwelle 1 umfasst eine Haupt-Lenkwelle 3, die integral mit mit dem Lenkrad 2 verbunden ist, und eine Ritzelwelle 5 mit einem Ritzel 7 eines Ritzel-Zahnstange-Mechanismus. Die Haupt-Lenkwelle 3 und die Ritzelwelle 5 sind miteinander über ein Kreuzgelenk 4 gekoppelt.
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Untere, mittlere und obere Abschnitte der Ritzelwelle 5 sind jeweils von Lagern 6a, 6b, 6c getragen, wobei das Ritzel 7 an einem unteren Endabschnitt der Ritzelwelle 5 angeordnet ist. Das Ritzel 7 ist in Verzahnungs-Eingriff mit Zähnen 8a einer Zahnstange 8 gehalten, die in Querrichtung eines Fahrzeugs, in dem die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 eingebaut ist, hin und her bewegbar ist. Linke und rechte Vorderräder 10 dienen als lenkbare Räder, die durch Spurstangen 9 an jeweilige gegenüberliegende Enden der Zahnstange 8 gekoppelt sind.
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Wenn das Lenkrad 2 gedreht wird, wird eine normale Zahnstange-Ritzel-Lenkaktion ausgeführt, um so die Vorderräder 10 zu lenken, um die Richtung, in die das Fahrzeug fährt, zu ändern. Ein Lenkmechanismus besteht aus der Zahnstange 8, den Zähnen 8a und den Spurstangen 9.
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Die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Elektromotor 11 zum Liefern einer Lenkunterstützungs-Kraft an die Ritzelwelle 5, um dadurch die Lenkkraft zu reduzieren, die auf das Lenkrad 2 ausgeübt werden muss. Der Elektromotor 11 weist eine Ausgangswelle mit einem daran angebrachten Schneckenrad 12 auf, das in Verzahnungs-Eingriff mit einem an der Ritzelwelle 5 unterhalb des Lagers 6b an einem Mittelabschnitt der Ritzelwelle 5 montierten Schneckengetrieberad 13 gehalten wird. Das Schneckenrad 12 und das Schneckengetrieberad 13 bilden gemeinsam einen Untersetzungs-Mechanismus 19, der leichtgängig eine Rotations-Antriebskraft des Elektromotors 11 in eine Rotationsantriebskraft der Ritzelwelle 5 mit einem gegebenen Untersetzungsverhältnis umwandelt.
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Zwischen dem Lager 6b an dem Mittelabschnitt der Ritzelwelle 5 und dem Lager 6c an dem unteren Abschnitt der Ritzelwelle 5 ist ein Lenkdrehmoment-Sensor 30 von einem bekannten magnetostriktiven Typ zum Detektieren eines Drehmoments an der Ritzelwelle 5 (Lenkwelle 1) angeordnet, auf Grundlage einer Änderung, die durch Magnetostriktion in einer Magnet-Charakteristik hervorgerufen wird.
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Der magnetostriktive Lenkdrehmoment-Sensor 30 umfasst prinzipiell einen ersten magnetostriktiven Film 31 und einen zweiten magnetostriktiven Film 32, die in einer ringförmigen Weise um eine Außenumfangsfläche der Ritzelwelle 5 angeordnet sind, eine erste Detektions-Spule 33a und eine zweite Detektions-Spule 33b, die in dem ersten magnetostriktiven Film 31 zugewandter Beziehung angeordnet sind, eine dritte Detektions-Spule 34a und eine vierte Detektions-Spule 34b, die in dem zweiten magnetostriktiven Film 32 zugewandter Beziehung angeordnet sind, und einen Detektions-Schaltkreis 35, der mit den ersten bis vierten Detektions-Spulen 33a bis 34b verbunden ist.
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Jeder der ersten und zweiten magnetostriktiven Filme 31, 32 umfasst einen aus einem Material mit einer magnetischen Permeabilität hergestellten Metallfilm, die sich unter Verformung stark ändert, beispielsweise einen Ni-Fe-Legierungs-Film, der durch Beschichten an der Außenumfangsfläche der Ritzelwelle 5 angebracht ist.
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Die magnetische Anisotropie des ersten magnetostriktiven Films 31 ist um etwa 45° gegen die Achse der Ritzelwelle 5 geneigt, und die magnetische Anisotropie des zweiten magnetostriktiven Films 32 ist um etwa 90° gegen die Richtung der magnetischen Anisotropie des ersten magnetostriktiven Films 31 geneigt. In anderen Worten sind die magnetischen Anisotropien der beiden magnetostriktiven Filme 31, 32 um im Wesentlichen 90° zueinander außer Phase gehalten.
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Die erste Detektions-Spule 33a und die zweite Detektions-Spule 33b sind koaxial um den ersten magnetostriktiven Film 31 angeordnet, wobei eine Spalt zwischen dem ersten magnetostriktiven Film 31 und sowohl der ersten Detektions-Spule 33a als auch der zweiten Detektions-Spule 33b belassen ist. Die dritte Detektions-Spule 34a und die vierte Detektions-Spule 34b sind koaxial um den zweiten magnetostriktiven Film 32 angeordnet, wobei ein Spalt zwischen dem zweiten magnetostriktiven Film 32 und sowohl der dritten Detektions-Spule 34a als auch der vierten Detektions-Spule 34b belassen ist.
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Da die magnetischen Anisotropien der ersten und zweiten magnetischen Filme 31, 32 wie oben beschrieben orientiert sind, wird, wenn ein Drehmoment (Lenkdrehmoment) auf die Ritzelwelle 5 angewendet wird, eine Kompressionskraft auf einen aus dem ersten und dem zweiten magnetostriktiven Film 31, 32 angewendet, während eine Zugkraft auf den anderen aus dem ersten und dem zweiten magnetostriktiven Film 31, 32 angewendet wird. In Folge dessen steigt die magnetische Permeabilität von einem der ersten und zweiten magnetostriktiven Filme 31, 32 an, während die magnetische Permeabilität des anderen der ersten und zweiten magnetostriktiven Filme 31, 32 abnimmt. Dementsprechend steigt die Induktivität der Detektions-Spulen, die um einen der ersten und zweiten magnetostriktiven Filme 31, 32 angeordnet sind, an, während die Induktivität der Detektions-Spulen, die um den anderen der ersten und zweiten magnetostriktiven filme 31, 32 angeordnet sind, abnimmt.
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Der Detektions-Schaltkreis 35 wandelt eine Induktivität der Detektions-Spulen in Störungs-Detektions-Signale VT1, VT2 und ein Drehmoment-Signal (im Folgenden als „Lenkdrehmoment” bezeichnet) VT3 um, und liefert die Signale VT1, VT2, VT3 an eine ECU (Elektronische Steuer-/Regeleinheit) 50.
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Die ECU 50 umfasst einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen wie einen A/D-Konverter und einen D/A-Konverter, und einen Zeitgeber etc. Die CPU des Mikrocomputers führt ein in dem ROM gespeichertes Programm aus, auf Grundlage von verschiedenen Eingabe-Signalen. Dementsprechend wirkt die CPU als verschiedene funktionale Elemente (verschiedene funktionale Mittel), um den Motor 11 etc. zu steuern/regeln.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet ein Soll-Strom-Berechnungselement 50A, das als eine der Funktionen der ECU 50 wirkt, einen Soll-Strom Itar auf Grundlage jeweiliger Ausgangsignale von dem Detektions-Schaltkreis 35 (Lenkdrehmoment-Sensor 30), der das Lenkdrehmoment VT3 detektiert, das auf die Ritzelwelle 5 der Lenkwelle 1 wirkt, einem Rotationsgeschwindigkeits-Sensor (Rotationsgeschwindigkeits-Detektor) 14, der eine Rotationsgeschwindigkeit Nm des Elektromotors 11 detektiert, einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 16, der die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs des Fahrzeugs detektiert, und einem Lenkwinkel-Sensor 17, der einen Lenkwinkel θs des Lenkrads 2 detektiert. Genauer gesagt berechnet das Soll-Strom-Berechnungselement 50A den Soll-Strom Itar auf Grundlage des Lenkdrehmoments VT3, der Rotationsgeschwindigkeit Nm, der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs und des Lenkwinkels θs, und steuert/regelt den Motor 11, um den berechneten Soll-Strom Itar mit dem Strom Im in Übereinstimmung zu bringen, der durch den Elektromotors 11 fließt, wodurch eine Lenkunterstützungs-Kraft erzeugt wird. Die erzeugte Lenkunterstützungs-Kraft wirkt, indem sie die Lenkkraft verringert, die der Fahrer des Fahrzeugs auf das Lenkrad 2 ausübt.
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Ein Prozess eines Berechnens eines Unterstützungs-Stroms Ia und eines Soll-Stroms Itar mit dem Soll-Strom-Berechnungselement 50A der ECU 50, um dadurch den Elektromotors 11 zu steuern/regeln, wird weiter unten detailliert beschrieben, in erster Linie bezüglich einer Prozessierungs-Abfolge eines Phasenkompensators 62, in Übereinstimmung mit einem prinzipiellen Merkmal der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein funktionales Soll-Strom-Berechnungs-Blockdiagramm des Soll-Strom-Berechnungselements 50A der ECU 50, zum Berechnen eines Unterstützungs-Stroms Ia und eines Soll-Stroms Itar, die an den Elektromotor 11 geliefert werden, um eine Lenkunterstützungs-Kraft zu erzeugen.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst das Soll-Strom-Berechnungselement 50A, um die vom Fahrer auf das Lenkrad 2 ausgeübte Lenkkraft zu reduzieren, im Wesentlichen ein Grundunterstüzungs-Steuer-/Regelelement 51, ein Trägheits-Steuer-/Regelelement 52, ein Reibungsanwendungs-Steuer-/Regelelement 53, ein Dämpfer-Steuer-/Regelelement 54 und ein Lenkradrückstell-Steuer-/Regelelement 55.
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Das Grundunterstüzungs-Steuer-/Regelelement 51 umfasst den Phasenkompensator 62, ein als Unterstützungs-Strom-Bestimmungselement dienendes Unterstützungs-Kennfeld 64 und ein Drehmomentwert-Subtraktionselement 66.
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Der Phasenkompensator 62 wirkt, indem er eine Systemreaktions-Verzögerung zwischen einer Zeit, zu der der Lenkdrehmoment-Sensor 30 das Lenkdrehmoment detektiert und einer Zeit, zu der der Untersetzungs-Mechanismus 19 die Lenkunterstützungs-Kraft auf die Ritzelwelle 5 anwendet, kompensiert. Um solch eine Systemreaktions-Verzögerung zu kompensieren, bezieht sich der Phasenkompensator 62 auf dem Unterstützungs-Strom Ia, um ein phasenkompensiertes Lenkdrehmoment VT3 zu erzeugen, das bezüglich der Verstärkung (Amplitude) G [dB] und der Phase θ [deg] des Lenkdrehmoment-Signals VT3 von dem Detektions-Schaltkreis 35 kompensiert worden ist.
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Das Unterstützungs-Kennfeld 64 berechnet den Unterstützungs-Strom Ia auf Grundlage des phasenkompensierten Drehmoments VT3 und und der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs.
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Das Unterstützungs-Kennfeld 64 repräsentiert eine Unterstützungs-Kennlinie 64a, die in dem Block davon dargestellt ist. Die Unterstützungs-Kennlinie 64a weist eine derartige Charakteristik auf, dass der Unterstützungs-Strom Ia niedriger wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit höher ist, und höher wird, wenn das Lenkdrehmoment VT3 höher ist.
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Der Unterstützungs-Strom Ia steigt im Allgemeinen an, wenn das Lenkdrehmoment VT3 ansteigt, und verringert sich, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs ansteigt. Somit ist der Elektromotor 11 in der Lage, eine Grund-Lenkunterstützungs-Kraft zu erzeugen, die dem Empfinden des Fahrers entspricht.
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Das Trägheits-Steuer-/Regelelement 52 umfasst einen Drehmoment-Differenziator 68 und ein Trägheits-Kennfeld 70. Um ein Abfallen der Reaktion aufgrund der Trägheit des Rotors des Elektromotors 11 zum Zeitpunkt, in dem ein Drehen oder Zurückdrehen des Lenkrads 2 eingeleitet wird, auszugleichen, differenziert der Drehmoment-Differenziator 68 das Lenkdrehmoment VT3 und erhält als Differenzialwert dVT3/dt (wobei d einen Differenzialoperator bezeichnet), eine momentane Reaktion der ins Positiven oder Negative gehenden Kante. Der Differenzialwert dVT3/dt wird mit einem Koeffizienten multipliziert, der von einer Fahrzeugantwort-Charakteristikänderung abhängt, die von der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs ausgelöst wird, und das Produkt wird an das Trägheits-Kennfeld 70 geliefert.
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Das Trägheits-Kennfeld 70 repräsentiert eine Trägheits-Kennlinie 70i, die in dem Block dargestellt ist. Das Trägheits-Kennfeld 70 berechnet einen Trägheits-Strom Ii, der im Wesentlichen proportional zu dem gelieferten Differenzialwert dVT3/dt ist. Ein Strom-Berechnungselement 72 addiert den berechneten Trägheits-Strom Ii zu dem Unterstützungs-Strom Ia.
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Um eine Konvergenz des Lenkrads 2 zu verbessern, bezieht sich das Dämpfer-Steuer-/Regelelement 54 auf eine Kennlinie im Dämpfer-Kennfeld 54d, das in dem Block dargestellt ist, auf Grundlage der Rotationsgeschwindigkeit Nm des Elektromotors 11 und der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, und berechnet einen Dämpferstrom Id, der größer wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit Nm und die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs höher werden. Das Strom-Berechnungselement 72 subtrahiert den Dämpferstrom Id von der Summe aus dem Unterstützungs-Strom Ia und dem Trägheits-Strom Ii, wodurch ein Unterstützungs-Strom Ia1 erzeugt wird, der dazu dient, das Rotationsdrehmoment des Elektromotors 11 zu reduzieren. Solch ein Lenkungsdämpfer-Effekt erhöht die Konvergenz des Lenkrads 2 (Konvergenz des Fahrzeugs).
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Das Lenkradrückstell-Steuer-/Regelelement 55 berechnet einen Lenkradrückstell-Strom Ib auf Grundlage des Lenkwinkels θs und der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, um die Rückstell-Bewegung des Lenkrads 2 zu verbessern. Das Lenkradrückstell-Steuer-/Regelelement 55 weist eine derartige Charakteristik auf, dass das Lenkrad 2 natürlich auf Grundlage eines SAT (selbstausrichtendes Drehmoment) rückgestellt wird, und der Lenkradrückstell-Strom Ib wird gemäß einer solchen Charakteristik berechnet. Ein Strom-Subtraktionselement 76 subtrahiert den Lenkradrückstell-Strom Ib von einem Unterstützungs-Strom Ia2. Dementsprechend kann das Rotationsdrehmoment des Elektromotors 11 sanft abhängig von einer Reduktion des Lenkwinkels θs reduziert werden.
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Das Reibungsanwendungs-Steuer-/Regelelement 53 berechnet ein Anwendungsreibungs-Drehmoment Vtf auf Grundlage der Rotationsgeschwindigkeit Nm des Elektromotors 11 und der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, und wandelt das Anwendungsreibungs-Drehmoment Vtf in einen Anwendungsreibungs-Strom If um. Das Drehmomentwert-Subtraktionselement 66 subtrahiert das Anwendungsreibungs-Drehmoment Vtf von dem phasenkompensierten Lenkdrehmoment VT3, und ein Strom-Subtraktionselement 74 (Strom-Subtraktionsabschnitt) subtrahiert den Anwendungsreibungs-Strom If von dem Unterstützungs-Strom Ia1. Somit ist es möglich, dass eine mechanische Reibung elektrisch auf die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 ausgeübt wird.
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Dementsprechend wird, wie in 2 gezeigt, der Soll-Strom Itar, der durch den Elektromotors 11 fließt, gemäß der folgenden Gleichung (1) berechnet: Itar = Ia2 – Ib
= (Ia1 – If) – Ib
= (Ia + Ii – Id) – If – Ib (1)
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Wenn er mit dem Lenkdrehmoment VT3 versorgt wird, erzeugt der Phasenkompensator 62 ein phasenkompensiertes Lenkdrehmoment VT3, in dem die Standard-Einstellungen der Verstärkung G = Gmin und der Phase θ = θmin phasenkompensiert sind.
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Das Drehmomentwert-Subtraktionselement 66 subtrahiert das Anwendungsreibungs-Drehmoment Vtf von dem korrigierten Lenkdrehmoment VT3, das von dem Phasenkompensator 62 ausgegeben wird, und liefert das korrigierte Lenkdrehmoment VT3 an das Unterstützungs-Kennfeld 64. Unter Bezugnahme auf die Unterstützungs-Kennlinie 64a berechnet das Unterstützungs-Kennfeld 64 einen Unterstützungs-Strom Ia bezüglich der von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 16 detektierten Fahrzeuggeschwindigkeit Vs und dem von dem Lenkdrehmoment-Sensor 30 detektierten Lenkdrehmoment VT3. Der berechnete Unterstützungs-Strom Ia wird zurück zu dem Phasenkompensator 62 geschickt. Der Phasenkompensator 62 umfasst ein Unterstützungs-Verstärkungs-Berechnungselement 63, das eine Unterstützungs-Verstärkung Ga gemäß der folgenden Gleichung (2) berechnet: Ga = Ia : VT3 (2)
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In anderen Worten wird die Unterstützungs-Verstärkung Ga als ein Divisionsergebnis (Quotient) berechnet, das erzeugt wird, wenn der von dem Unterstützungs-Kennfeld 64 erzeugte Unterstützungs-Strom Ia durch das von dem Detektions-Schaltkreis 35 erzeugte Lenkdrehmoment VT3 geteilt wird.
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Der Phasenkompensator 62 gemäß der vorliegenden Ausführungsform setzt eine Verstärkung G [dB] auf Grundlage einer Verstärkungs-Kennlinie 200, die in einem oberen Abschnitt des Bode-Diagramms gezeigt ist, das in 3 gezeigt ist- Zusätzlich setzt der Phasenkompensator 62 eine Phase θ [deg] auf Grundlage einer Phasen-Kennlinie 202, die in einem unteren Abschnitt des Bode-Diagramms gezeigt ist, das in 3 gezeigt ist.
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Bezüglich des Setzens der Phase θ wendet der Phasenkompensator 62, wie an der in 3 gezeigten Phasen-Kennlinie 202 erkannt werden kann, jeweilige Kennlinien 202a, 202b, 202c, 202d, 202e an, so dass, wenn die Unterstützungs-Verstärkung Ga (Ga = Ia/VT3) größer wird, ein Frequenzband, durch welches die Phase kompensiert wird, (Kompensations-Frequenzband) sich zu niedrigeren Frequenzen ändert (als „Frequenz-Verschiebungsprozess” bezeichnet).
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Zu diesem Zeitpunkt wendet der Phasenkompensator 62, bezüglich des Setzens der Verstärkung G, wie an der in 3 gezeigten Verstärkungs-Kennlinie 200 erkannt werden kann, jeweilige Kennlinien 200a, 200b, 200c, 200d, 200e an, so dass, wenn die Unterstützungs-Verstärkung Ga (Ga = Ia/VT3) größer wird, ein Frequenzband, um welches die Verstärkung kompensiert wird (Kompensations-Frequenzband), sich zu niedrigeren Frequenzen ändert (als „Frequenz-Verschiebungsprozess” bezeichnet). Es sollte festgehalten sein, dass die Charakteristikkurven 200a bis 200e von derartigen Werten sind, dass, wie oben beschrieben, die Verstärkung G [dB] im Wesentlichen nicht das Lenkdrehmoment VT3 bei Frequenzen gleich oder kleiner als 300 [Hz] erhöht, wo der Elektromotor anfällig für Vibrationen oder anormale Geräusche ist.
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Da die Frequenzverschiebungs-Charakteristik für eine Phasenkompensation abhängig von der Unterstützungs-Verstärkung Ga variabel gesetzt wird, ist es möglich, mit einer Änderung der Kompensations-Frequenz, wie sie durch die Unterstützungs-Verstärkung Ga bestimmt wird, zurechtzukommen, um damit eine höhere Steuerstabilität zu erreichen.
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Genauer gesagt erzeugt die Frequenz-Verschiebung der Phase θ zu niedrigeren Frequenzen hin eine ausreichende Lenkunterstützungs-Kraft, wenn sich das Fahrzeug mit niedrigeren Geschwindigkeiten bewegt, und die Frequenz-Verschiebung der Phase θ zu höheren Frequenzen erzeugt eine schnelle Lenkreaktion, wenn sich das Fahrzeug mit höheren Geschwindigkeiten bewegt.
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Wenn eine Frequenz-Verschiebung in Richtung höherer Frequenzen ausgeführt wird, um damit eine Unterstützungs-Verzögerung bei einer Frequenz von einigen zehn Hertz [Hz] zu reduzieren, erzeugt das Lenksystem mit dem Elektromotor 11 keine feinen Vibrationen und keine anormalen Geräusche, da die Verstärkung G [dB] nicht in dem Frequenzband (100 bis 300 [Hz]) erhöht wird, das anfällig für Geräusche ist. Dementsprechend erlaubt es die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 dem Fahrer, ein gutes Lenkgefühl zu erfahren, und somit ist der kommerzielle Wert der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung 100 erhöht.
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Ein Beispiel einer Signalverarbeitungs-Sequenz, die von dem Phasenkompensator 62 ausgeführt wird, um eine Frequenz-Verschiebung der Phase θ ohne Anheben der Verstärkung G [dB] herbeizuführen, wird im Folgenden beschrieben.
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Eine Transferfunktion (Transfer-Charakteristik) G(Z) einer Phasenkompensation eines digitalen Filter, die als ein diskretes System unter Verwendung eines Verzögerungs-Operators Z–1 ausgedrückt wird, ist gemäß der folgenden Gleichung (3) gegeben: G(Z) = (D0·Z2 + D1·Z + D2)/(D3·Z2 + D4·Z + D5) (3) wobei D0, D1, D2, D3, D4 und D5 Koeffizienten repräsentieren.
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Unter Verwendung eines Korrektur-Koeffizienten α (konstant), wird die Gleichung (3) in die folgende Gleichung (4) umgeschrieben: G(Z) = {D0·Z2 + (D1 + α)·Z + D2}/{D3·Z2 + D4·Z + (D5 + α)} (4)
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Stellen, an denen der Korrektur-Koeffizient α in der obigen Gleichung verwendet wird, sind exemplarisch gegeben. Es sollte festgehalten sein, dass, abgesehen von den obigen Stellen, es eine Kombination von Stellen gibt, in denen eine charakteristische Änderung (eine Frequenz-Verschiebung der Phase) ähnlich zu der charakteristischen Änderung auftritt, die unten beschrieben wird.
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Eine charakteristische Änderung tritt auf, wenn der Korrektur-Koeffizient α in Gleichung (4) abhängig von der Unterstützungs-Verstärkung Ga und dem Unterstützungs-Strom Ia geändert wird.
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Beispielsweise wird eine Beziehung, wenn der Korrektur-Koeffizient α als α = 0, 100, 400 geändert wird, ausgedrückt wie in der folgenden Gleichung (5) gezeigt: G(Z) = {3224Z2 + (–6005 + α)Z + 2832}/{2048Z2 – 1653Z + (–344 + α)} (5) wobei Nullpunkt-Frequenzen und Pol-Frequenzen wie unten beschrieben berechnet werden. Es wird angenommen, dass die Abtast-Zeit des digitalen Filters 0,5 [ms] beträgt.
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Wenn α = 0 sind Nullpunkt-Frequenzen als fzmin1 = 41,4 [Hz] und 41,4 [Hz] gegeben (der Abschwächungs-Koeffizient ist 0,500), was identische Frequenzen in Form sogenannter mehrfacher Wurzeln sind. Pol-Frequenzen sind gegeben als fpmin1 = 6,84 [Hz] und fp1 = 900 [Hz].
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Wenn α = 100 sind Nullpunkt-Frequenzen als fzmin2 = 71,5 [Hz] und 71,5 [Hz] gegeben (der Abschwächungs-Koeffizient ist 0,292), was identische Frequenzen in Form mehrfacher Wurzeln sind. Pol-Frequenzen sind gegeben als fpmin2 = 21,5 [Hz] und fp2 = 823 [Hz].
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Wenn α = 400 sind Nullpunkt-Frequenzen als fzmin3 = 125 [Hz] und 125 [Hz] gegeben (der Abschwächungs-Koeffizient ist 0,171), was identische Frequenzen in Form mehrfacher Wurzeln sind. Pol-Frequenzen sind gegeben als fpmin3 = 82,0 [Hz] und fp3 = 593 [Hz].
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Der Abschwächungs-Koeffizient, der einen Grad einer Abschwächung repräsentiert, wird kleiner, wenn α größer wird. Wenn der Grad der Abschwächung, d. h. der Abschwächungs-Koeffizient, kleiner wird, erscheint ein Bereich, in der sowohl die Verstärkung als auch die Phasenänderung existieren, als ein scharfer Bereich.
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Dementsprechend können die Kennlinien wie in 4 gezeigt geändert werden.
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Genauer gesagt ist es möglich, wenn sich der Korrektur-Koeffizient α von einem größeren Wer α = 400 auf einen kleineren Wert α = 100, α = 0 ändert, dass eine Frequenz-Verschiebung durchgeführt wird, die die Kennlinie der Verstärkung G und die Kennlinien der Phase θ der Transferfunktion G [Z] so ändert, dass sie in Richtung niedrigerer Frequenzen verschoben wird, ohne dass die Verstärkung G erhöht wird.
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[Überblick über die Ausführungsform]
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Wie oben beschrieben steuert/regelt die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung den Elektromotor 11 abhängig vom auf das Lenkrad 2 ausgeübten Lenkdrehmoment VT3. Die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 überträgt dann die vom Elektromotor 11 erzeugte Antriebskraft auf den Lenkmechanismus, um das Lenken des Fahrzeugs zu unterstützen.
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Die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 umfasst den Lenkdrehmoment-Sensor 30, der das Lenkdrehmoment VT3 detektiert, den Phasenkompensator 62, der das Lenkdrehmoment VT3 phasenkompensiert, das von dem von dem Lenkdrehmoment-Sensor 30 erzeugten Drehmoment-Signal repräsentiert wird, und das Unterstützungs-Kennfeld 64, das als ein Unterstützungs-Strom-Bestimmungselement zum Bestimmen eines Unterstützungs-Stroms Ia dient, der durch den Motor 11 fließt, auf Grundlage von wenigstens dem Lenkdrehmoment VT3, das von dem Phasenkompensator 62 phasenkompensiert worden ist. Wie in 4 gezeigt, frequenz-verschiebt der Phasenkompensator 62 sowohl die Pole der Minimal-Frequenzen (fpmin1, fpmin2, fpmin3) als auch die Nullpunkte der Minimal-Frequenzen (fzmin1, fzmin2, fzmin3) in Richtung höherer Frequenzen.
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Genauer gesagt führt der Phasenkompensator 62 einen Frequenz-Verschiebungsprozess zum Frequenz-Verschieben von Kombinationen aus den Polen von Minimal-Frequenzen und den Nullpunkten von Minimal-Frequenzen [den Polen von Minimal-Frequenzen, den Nullpunkten von Minimal-Frequenzen] in Richtung höherer Frequenzen aus, so dass [fpmin1, fzmin1] → [fpmin2, fzmin2] → [fpmin3, fzmin3]. Alternativ führt der Phasenkompensator 62 einen Frequenz-Verschiebungsprozess zum Frequenz-Verschieben von sowohl den Polen der Minimal-Frequenzen (fpmin1, fpmin2, fpmin3) als auch den Nullpunkten von Minimal-Frequenzen (fzmin1, fzmin2, fzmin3) in Richtung niedrigerer Frequenzen aus, d. h. er frequenz-verschiebt die Pole und Nullpunkte von Minimal-Frequenzen in Richtung niedrigerer Frequenzen, so dass [fpmin3, fzmin3] → [fpmin2, fzmin2] → [fpmin1, fzmin1]. Auf diese Weise wird das Kompensations-Frequenzband, das von dem Phasenkompensator 62 kompensiert wird, geändert.
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Da der Phasenkompensator 62 eine Phasen-Verschiebung in dem Kompensations-Frequenzband durch Ausführen eines Frequenz-Verschiebungsprozesses für die Phase θ durchführt, anstatt durch Erhöhen der Kompensations-Verstärkung, ist es möglich, eine Erzeugung von feinen Vibrationen und anormalen Geräuschen in dem Lenksystem mit dem Elektromotor 11 aufgrund einer Zunahme der Verstärkung zu minimieren. Somit gibt die elektrische Servolenkungs-Vorrichtung 100 dem Fahrer des Fahrzeugs ein verbessertes Lenkgefühl, und wird der kommerzielle Wert der elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung 100 erhöht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet der Phasenkompensator 62 eine Unterstützungs-Verstärkung Ia/VT3 als ein Verhältnis aus der von dem Unterstützungs-Kennfeld 64 bestimmten Unterstützungs-Verstärkung Ia zu dem von dem Lenkdrehmoment-Sensor 30 detektierten Lenkdrehmoment VT3. Dann ändert der Phasenkompensator 62 das Kompensations-Frequenzband, das von dem Phasenkompensator 62 gemäß eines Frequenz-Verschiebungsprozesses kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen, wenn die berechnete Unterstützungs-Verstärkung Ia/VT3 größer wird (siehe 3).
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Folglich stellt die Änderung der Phase θ in Richtung niedrigerer Frequenzen eine ausreichende Lenkunterstützungs-Kraft zur Verfügung, wenn das Fahrzeug sich mit niedrigeren Geschwindigkeiten bewegt, während die Änderung der Phase θ in Richtung höherer Frequenzen eine schnelle Lenkreaktion bereitstellt, wenn das Fahrzeug sich mit höheren Geschwindigkeiten bewegt, wodurch Vibrationen und anormale Geräusche verhindert werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform, die dieselben Vorteile wie die oben beschriebenen erzielt, ändert der Phasenkompensator 62 das Kompensations-Frequenzband, das von dem Phasenkompensator 62 gemäß des Frequenz-Verschiebungsprozesses kompensiert wird, in Richtung höherer Frequenzen, wenn die von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 16 detektierte Fahrzeuggeschwindigkeit Vs höher wird. Dementsprechend wird das schnelle Ansprechverhalten des System verbessert.
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Ferner ändert der Phasenkompensator 62 das Kompensations-Frequenzband, das von dem Phasenkompensator 62 gemäß des Frequenz-Verschiebungsprozesses kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen, wenn der Absolutwert des vom Lenkdrehmoment-Sensor 30 detektierten Lenkdrehmoments VT3 größer wird. Dementsprechend bleibt eine ausreichende Lenkunterstützungs-Kraft erhalten.
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Ferner ändert der Phasenkompensator 62 das Kompensations-Frequenzband, das von dem Phasenkompensator 62 gemäß des Frequenz-Verschiebungsprozesses kompensiert wird, in Richtung niedrigerer Frequenzen wenn der Absolutwert des vom Unterstützungs-Kennfeld 64 bestimmten Unterstützungs-Stroms Ia größer wird. Dementsprechend bleibt eine ausreichende Lenkunterstützungs-Kraft erhalten.
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Zur Phasenkompensation braucht sich der Phasenkompensator 62 nicht auf den Unterstützungsstrom Ia beziehen, sondern kann sich auch auf den Soll-Strom Itar beziehen, der von einem in 5 gezeigten Soll-Strom-Berechnungselement 50B bestimmt worden ist. In diesem Fall kann das Unterstützungs-Verstärkungs-Berechnungselement 63 die Unterstützungs-Verstärkung als ein Verhältnis Itar/VT3 = Soll-Strom/Lenkdrehmoment berechnen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können, basierend auf der offenbarten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, zahlreiche Änderungen daran vorgenommen werden. Beispielsweise kann auf das Reibungsanwendungs-Steuer-/Regelelement 53 und das Lenkradrückstell-Steuer-/Regelelement 55 in den in 2 und 5 gezeigten Soll-Strom-Berechnungselementen 50A, 50B verzichtet werden.
