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Diese Erfindung bezieht sich auf elektrische Servolenkungssysteme, bei denen ein Elektromotor so eingerichtet ist, dass er ein Unterstützungsdrehmoment auf eine Lenkungskomponente, beispielsweise eine Lenksäule, aufbringt, um den für die Steuerung des Fahrzeugs erforderlichen Fahreraufwand zu reduzieren.
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In einem typischen elektrischen Servolenkungssystem ist ein Drehmomentsensor vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, dass die Höhe des Drehmoments in einer Lenksäule gemessen wird. Aus dieser Messung berechnet eine Steuerung den Wert eines Drehmomentanforderungssignals, das das Drehmoment angibt, das von einem an der Lenksäule angebrachten Elektromotor zu erzeugen ist. Der Motor übt ein Drehmoment auf die Säule aus, das dem durch den Fahrer geforderten entspricht, und reduziert so die zum Drehen des Lenkrades erforderliche Kraft.
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Der Zusammenhang zwischen dem Lenksäulendrehmoment und dem Unterstützungsdrehmoment kann durch eine Verstärkungskurve eingestellt sein. Dies ist eine Zuordnung zwischen dem Säulendrehmoment und dem Unterstützungsdrehmoment, wobei für ein gegebenes Eingangsdrehmoment ein Multiplikatorwert definiert ist, der einen Betrag bestimmt, mit dem das Eingangssignal multipliziert wird. Um eine Verstärkung aufzubringen, ist der Wert des Multiplikators für ein gegebenes Eingangsdrehmoment nicht eins, 1,0. Wenn der Multiplikator beispielsweise 2,0 ist, dann ist das Ausgangsunterstützungsdrehmoment das Doppelte des gemessenen Drehmoments; ist es 0,5, so ist es das halbe gemessene Säulendrehmoment. Anstelle eines Multiplikators ist es auch möglich, den Zusammenhang zwischen Eingangsdrehmoment und Unterstützungsdrehmoment über eine Nachschlagetabelle oder auf eine andere geeignete Weise zu definieren. Die Verstärkungskurve wird dann fest in die Nachschlagetabelle kodiert.
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Die Fahrzeughersteller verlangen, dass die Lenksysteme eine geringe Reibung aufweisen. Der Grund dafür ist, dass eine hohe Reibung des Lenksystems die Wahrnehmung des Fahrers eines hochwertigen Lenksystems negativ beeinflusst. Erfahrene Fahrer berichten, dass ein Lenksystem mit geringer Reibung eine scharfe und präzise Rückmeldung über den Kontakt zwischen Reifen und Straße liefert; dagegen berichten sie, dass ein Lenksystem mit hoher Reibung eine vage Rückmeldung über den Kontakt zwischen Reifen und Straße liefert. Die Fahrzeughersteller verlangen ferner, dass die Reibungswerte kontrolliert werden: von Teil zu Teil, über den Betriebstemperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereich und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
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Die Fahrzeughersteller verlangen auch, dass Lenksysteme eine gute Klapperfestigkeit aufweisen, z. B. bei Anregung durch eine raue Fahrbahnoberfläche. In einem elektrischen Servolenkungssystem kann ein Klappern zum Beispiel im Getriebe vorhanden sein, das den Motor mit der Lenksäule verbindet. Die Anforderungen an Reibung und Klappern führen zu einem Kompromiss bei der mechanischen Konstruktion: Eine Konstruktion mit geringer Reibung hat ein gewisses Spiel, das zu Klappern führt; eine Konstruktion mit wenig Klappern hat kein Spiel, was zu hoher Reibung führt. Eine Konstruktion, die versucht, beide Anforderungen zu erfüllen, nutzt in der Regel: enge Fertigungstoleranzen, fortgeschrittene Materialauswahl und fortgeschrittene Auswahl an Schmierstoffen (Fetten).
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Es gibt mehrere verschiedene Formen der unerwünschten Reibung, eine davon ist die Haftreibung oder statische Reibung. Dies ist eine Kraft zwischen zwei oder mehr Teilen des Lenksystems, die vorhanden ist, wenn sie sich nicht relativ zueinander bewegen, und die überwunden werden muss, wenn die zwei oder mehr Teile zu bewegen sind. Beim Lenksystem wird dies für den Fahrer deutlich, wenn er versucht, das Lenkrad aus einer statischen Position zu drehen oder die Richtung zu ändern, in der das Lenkrad gedreht wird.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lenkeinrichtung bereitzustellen, die ein verbessertes Lenkgefühl bietet, wobei die Auswirkungen von Haftreibung und Gleitreibung zumindest teilweise überwunden werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt sieht die Erfindung eine elektrische Servolenkungsvorrichtung vor, umfassend:
- einen Lenkmechanismus, der ein Lenkrad wirkfähig mit den Laufrädern des Fahrzeugs verbindet,
- einen Elektromotor, der wirkfähig mit dem Lenkmechanismus verbunden ist;
- einen Drehmomentsignalgeber, der dazu eingerichtet ist, ein Drehmomentsignal zu erzeugen, das das von einem Abschnitt des Lenkmechanismus aufgenommene Drehmoment angibt,
- einen Säulenwinkelpositionssignalgeber zum Erzeugen eines Säulenwinkelsignals, das die Winkelposition des Lenkrads oder der Lenksäule angibt, und
- eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, das Säulendrehmomentsignal und das Säulenwinkelsignal zu empfangen und daraus ein Drehmomentanforderungssignal zu erzeugen, das für ein Drehmoment repräsentativ ist, das durch den Motor auf den Lenkmechanismus aufzubringen ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung Folgendes umfasst:
- eine erste Signalverarbeitungsschaltung, die ein vom Säulendrehmomentsignal abhängiges Eingangssignal empfängt und ein Unterstützungsdrehmomentsignal ausgibt, wobei der Zusammenhang zwischen dem Eingang und dem Ausgang der ersten Signalverarbeitungsschaltung durch eine Verstärkungskurve definiert ist,
- eine zweite Signalverarbeitungsschaltung, die ein Reibungskompensationsdrehmomentsignal erzeugt, wobei der Wert des Reibungskompensationsdrehmoments aus Beobachtungen sowohl des Säulendrehmomentsignals als auch des Säulenwinkelsignals im Zeitverlauf abgeleitet wird; und eine
- Drehmomentanforderungssignalerzeugungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Drehmomentanforderungssignal in Abhängigkeit sowohl vom Reibungskompensationsdrehmoment als auch vom Unterstützungsdrehmomentsignal zu erzeugen,
- und wobei das Reibungskompensationsdrehmomentsignal dem Fahrer zumindest teilweise hilft, die Auswirkungen von Haft- und/oder Gleitreibung im Lenkmechanismus zu überwinden.
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Die Drehmomentanforderungssignalerzeugungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Drehmomentanforderungssignal durch Zusammenaddieren des Reibungskompensationsdrehmoments mit dem Unterstützungsdrehmomentsignal zu erzeugen.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann ein Reibungskompensationsdrehmomentsignal, das eine erste Komponente umfasst, die aus Beobachtungen des Säulendrehmomentsignals im Zeitverlauf abgeleitet ist, und eine zweite Komponente, die aus Beobachtungen des Säulenwinkelsignals im Zeitverlauf abgeleitet ist, erzeugen.
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Die beiden Komponenten können unabhängig voneinander sein, sodass der Wert der einen unabhängig vom Wert der anderen ist.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Reibungskompensationsdrehmomentsignal als Funktion der Summe der beiden unabhängigen Komponenten zu erzeugen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Haftreibungskompensationssignal variieren kann, auch wenn einer der Komponentenwerte Null bleibt. Wenn beispielsweise beobachtet wird, dass das Drehmoment vor der Lenkbewegung zunimmt, wird eine gewisse Kompensation vorgenommen. Dies ist, wie anschließend deutlich wird, vorteilhaft bei der Minderung der Auswirkungen der Haftreibung im System, indem es dem Fahrer hilft, das Drehmoment zu überwinden, das sonst zur Überwindung dieser Haftreibung erforderlich ist.
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Natürlich liegt es im Rahmen der Erfindung für die zweite Signalverarbeitungsschaltung, sowohl das Säulendrehmomentsignal als auch das Säulenwinkelsignal gemeinsam zu beobachten, um das Haftreibungskompensationssignal zu erzeugen, ohne zwei separate Komponenten zu erzeugen. Konzeptionell ist es aber am einfachsten, die Erfindung in Bezug auf das Signal als Ergebnis von zwei unabhängigen Komponenten zu betrachten.
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Der Anmelder hat erstmals erkannt, dass die Veränderung des Wertes des Säulendrehmomentsignals im Zeitverlauf eine Vorschau darauf geben kann, dass der Fahrer beabsichtigt, mit dem Lenken zu beginnen oder die Richtung des Lenksystems zu ändern, und dass dies zur Einführung einer Reibungskompensationskomponente verwendet werden kann, die die Wirkung der Haftreibung noch vor dem Drehen der Säule verbessert. Das Säulenwinkelpositionssignal liefert eine Bestätigung, dass das Lenksystem mit der Drehung begonnen hat, und kann zur Erzeugung der zweiten Komponente verwendet werden. Diese zweite Komponente dient auch zur Kompensation der Gleitreibung.
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Es kann Zeiten geben, in denen die Änderung keinen Vorläufer für die Lenkbewegung darstellt, aber der Anmelder hat erkannt, dass in diesem Fall die zusätzliche Komponente weitgehend unbemerkt bleibt. Daher ist der Nutzen der Einführung der Komponente für die Zeiten, in denen sie benötigt wird und die sich in diesen Fällen als erhebliche Verbesserung des Lenkgefühls erwiesen haben, bei weitem größer als die Zeiten, in denen sie eine nicht benötigte Komponente einführt.
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Um sicherzustellen, dass das Reibungskompensationssignal auf alle Änderungen der Lenkrichtung sowohl bei Geradeausfahrt als auch bei Kurvenfahrt reagiert, und um sicherzustellen, dass die Reaktion proportional zu Änderungen des Säulendrehmoments erfolgt, kann die zweite Signalverarbeitungsschaltung so eingerichtet sein, dass sie die erste Komponente und die zweite Komponente jeweils proportional zu den Änderungen der Fahrsignale variiert. Die erste und zweite Komponente können daher zeitunabhängig variieren, also nur durch Änderungen der zugrunde liegenden Fahrsignale. Unter Fahrsignal verstehen wir das Säulendrehmomentsignal oder das Säulenwinkelsignal.
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Die erste Komponente kann daher von einem akkumulierten Säulendrehmomentsignal abhängig sein, das einen Wert aufweist, der sich aus historisch beobachteten Werten des Säulendrehmomentsignals ableitet.
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In ähnlicher Weise kann die zweite Komponente von einem akkumulierten Säulenwinkelsignal abhängig sein, das einen Wert aufweist, der sich aus historisch beobachteten Werten des Säulenwinkelsignals ergibt.
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Das akkumulierte Säulendrehmomentsignal kann durch die zweite Verarbeitungsschaltung mit einem Wert in einem Bereich von -N bis +N erzeugt werden, wobei der Wert bei +N für einen anhaltenden Anstieg des Säulendrehmomentsignals gesättigt ist, bei -N für eine anhaltende Abnahme des Säulendrehmomentsignals gesättigt ist und sich proportional über den Bereich von -N bis +N verhält und alle Änderungen des Säulendrehmomentsignals verfolgt. Der Wert von N kann eine beliebige positive Zahl sein und wird meist zweckmäßig auf N=1 eingestellt.
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Die erste Komponente kann einen Wert aufweisen, der proportional zu einem zunehmenden Säulendrehmomentsignal ansteigt, solange das Säulendrehmomentsignal ansteigt, bis die Höhe die Obergrenze +N erreicht, und dann an dieser Obergrenze bleibt, solange das Säulendrehmomentsignal nicht abnimmt, und der proportional zu einem abnehmenden Säulendrehmomentsignal abnimmt, bis die Größe die Untergrenze -N erreicht, und dann an dieser Untergrenze bleibt, solange das Säulendrehmomentsignal nicht ansteigt.
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Die erste Komponente hat keinen Ruhewert; sie behält ihren letzten Wert so lange bei, wie der Signalwert des Säulendrehmoments eine gewisse Zeit lang bei Null liegt. Die zweite Komponente kann ebenfalls auf die gleiche Weise variieren, jedoch in Abhängigkeit von der akkumulierten Änderung des Säulenwinkelpositionssignals statt des Säulendrehmomentsignals.
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Somit kann die zweite Komponente einen Wert in einem Bereich zwischen einer Untergrenze -M und einer Obergrenze +M aufweisen, wobei der Wert proportional zu einer zunehmenden Säulenposition ansteigt, bis die Höhe die Obergrenze +M erreicht, und an dieser Obergrenze bleibt, solange das Säulenpositionssignal nicht abnimmt, und die proportional zu einer abnehmenden Säulenposition abnimmt, bis die Höhe die Untergrenze erreicht, und dann an dieser Untergrenze bleibt, solange die Säulenposition nicht ansteigt, wobei der Wert der zweiten Komponente keinen Ruhewert aufweist und den letzten Wert beibehält, wenn die Säule zu Drehen aufhört.
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Der Anmelder hat anerkannt, dass eine proportionale Reaktion am meisten bevorzugt ist, da sie es ermöglicht, den Wert der Haftreibungskompensation auf eine Weise zu erreichen, die für den Fahrer am wenigsten störend ist. Die Reaktion des Reibungskompensationsfaktors ist proportional zur Änderung der Fahrsignale.
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In einer praktischen Anordnung kann die zweite Signalverarbeitungsschaltung so eingerichtet sein, dass sie jede der beiden Komponenten durch Erzeugen einer skalierten Differenz, gefolgt von einem begrenzten Integrator, erzeugt. Die skalierte Differenz kann durch Beobachten der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Zeitabtastungen des Fahrsignals (Drehmoment oder Säulenwinkel) und anschließender Skalierung um den Faktor 1/Grenze gebildet werden, um ein Signal „skaliertes Delta“ zu bilden, d. h. Differenzierung des Eingangssignals gefolgt von Skalierung. Der begrenzte Integrator kann dann das Signal „skaliertes Delta“ kumulativ summieren und die Summierung auf den Bereich -N bis +N bzw. -M bis +M begrenzen, um die erforderliche Sättigung bei den Grenzwerten zu erhalten. Die benötigte Komponente ist die Ausgabe des begrenzten Integrators.
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Die Obergrenze und die Untergrenze jedes der beiden Kompensationssignale +/-M und +/-N können auf +1 und -1 eingestellt sein, und die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann so eingerichtet sein, dass sie die beiden Komponenten mit einer zusätzlichen Skalierung kombiniert, um einen Reibungskompensationsfaktor zu erhalten, der ebenfalls im Bereich von +1 bis -1 liegt, der in einer Anordnung unter Verwendung einer Gleichung der folgenden Form bestimmt sein kann:
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Dabei sind X und Y Skalierungsfaktoren. Am komfortabelsten können diese beide im Bereich von 0,4 bis 0,6 eingestellt werden, obwohl eine im Wesentlichen gleiche Gewichtung von 0,5 vorzuziehen ist, sodass im Falle, dass N und M auf 1 gesetzt sind, die Funktion einen Reibungskompensationsfaktor im Bereich +1 bis -1 ergibt. Der Kompensationsfaktor ist somit die Summe der beiden unabhängigen Komponenten. Die Summe dieser unabhängigen Komponenten ergibt einen Reibungskompensationsfaktor (und damit ein Drehmoment), der der Ausführung jedes einzelnen Lenkmanövers vorgreift (da der Fahrer das Lenkrad mit einem Drehmoment beaufschlagen muss, damit sich das Lenksystem zu drehen beginnt). Um die negativen Auswirkungen der Reibung des Lenksystems wirksam zu kompensieren, ist es wichtig, dass das Reibungskompensationsdrehmoment während der Ausführung des Manövers durch den Fahrer aufgebracht wird. Im Gegensatz dazu würde ein Reibungskompensationsdrehmoment, das nur auf dem Säulendrehmoment basiert, eher zu früh aufgebracht werden, während ein Reibungskompensationsdrehmoment, das auf dem Säulendrehwinkel basiert, eher zu spät aufgebracht wird.
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Die zweite Signalverarbeitungsschaltung kann dann dazu eingerichtet sein, den Reibungskompensationsfaktor mit einer Reibungskompensationsmomentverstärkung zu multiplizieren, die typischerweise einem vordefinierten Reibungswert entspricht, der in einem Speicher der Vorrichtung abgelegt sein kann, um einen Drehmomentwert zu erhalten, der den Wert des Reibungskompensationssignals definiert.
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Beispielsweise kann in einem System, in dem bekannt ist, dass ein Drehmoment von 2 Nm erforderlich ist, um die negativen Auswirkungen der Reibung im Lenkmechanismus zu überwinden, ein Verstärkungsfaktor von 2 Nm gewählt werden, der dazu führt, dass ein Reibungskompensationssignal angelegt wird, wodurch eine zusätzliche Drehmomentkomponente zum Unterstützungsdrehmoment hinzugefügt wird, sodass der Fahrer das Lenkrad drehen kann, ohne einen übermäßigen Widerstand zu spüren, der durch Reibung im System verursacht wird.
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Das erste Signalverarbeitungsmittel kann eine Verstärkungskurve verwenden, die eine Zuordnung des gewünschten Unterstützungsdrehmoments zum Eingangssignalwert umfasst, wobei die Verstärkung linear oder nichtlinear mit einer Zunahme des Eingangssignalwerts ansteigt. Das von der Vorrichtung erzeugte Unterstützungsdrehmoment ist entweder der aus der Verstärkungskurve ausgegebene Wert oder dieser Wert zuzüglich eines zusätzlichen Versatzdrehmoments, das auf den Ausgang der Verstärkungskurve aufgebracht wird. Selbstverständlich kann eine weitere Verarbeitung der Signale erfolgen, um das endgültige Unterstützungsdrehmoment zu erreichen.
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Die Vorrichtung kann einen Bereich des elektronischen Speichers umfassen, in dem die Funktion, die die Skalierungsfaktoren oder Verstärkungskurven definiert, und/oder Nachschlagetabellen gespeichert sind. Die Obergrenze N und Untergrenze M jeder der ersten und zweiten Komponente und das Reibungskompensationsfaktorkennfeld (oder die zugehörigen Parameter X und Y) können fest oder zeitlich veränderlich sein. Sie können beispielsweise in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Säulenposition oder der Temperatur, die die Temperatur eines Teils der Lenkeinrichtung oder die Umgebungstemperatur sein kann, variiert werden.
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Der Drehmomentsignalgeber kann einen einzelnen Sensor umfassen, der mit der Lenksäule oder einer anderen daran angeschlossenen mechanischen Komponente verbunden ist.
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Die Signalverarbeitungseinheit kann durch einen Prozessor implementiert werden, der Programmanweisungen ausführt, die in einem Speicherbereich gespeichert sind. Die Anweisungen können den Prozessor veranlassen, eine Reihe von verschiedenen Schritten oder Funktionen auszuführen, die die verschiedenen Untereinheiten der Signalverarbeitungseinheit definieren. Es ist jedoch möglich, die Signalverarbeitungseinheit mit diskreten elektronischen Komponenten wie digitalen Logikgattern zu realisieren, wobei jede Untereinheit durch eine Gruppe von Logikgattern gebildet wird.
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Die Vorrichtung kann eine Motorantriebsschaltung umfassen, die das Drehmomentanforderungssignal empfängt und geeignete Signale an eine Motorantriebsstufe anlegt, um den Motor zu veranlassen, das erforderliche Drehmoment auszugeben. Diese Antriebsstufe umfasst in der Regel eine Brückenschaltung.
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Es werden nun anhand von Beispielen nur zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf und gemäß Darstellung in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 ein schematisches Diagramm eines elektrischen Servolenkungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- 2 ein Blockdiagramm ist, das die Regelung des Motors in dem System von 1 darstellt;
- 3 ein Blockdiagramm ist, das die Funktionsschritte des Signalverarbeitungsmittels in einer Ausführungsform einer Lenkanordnung gemäß der Erfindung zur Erzeugung des Drehmomentanforderungssignals veranschaulicht;
- 4 eine Zuordnung für zwei Komponenten ist, die bei der Erzeugung eines Reibungskompensationssignals verwendet wird;
- 5 ein Blockdiagramm ist, das zeigt, wie ein Fahrsignal, das ein Drehmomentsignal oder ein Säulenwinkelsignal sein kann, dazu verwendet wird, ein akkumuliertes Signal für die Eingabe in das Kennfeld von 4 zu erzeugen;
- 6 zeigt, wie der Reibungskompensationsfaktor über das Kennfeld wandert, wenn der Fahrer während eines Beispielmanövers ein Drehmoment aufbringt und anschließend das Lenkrad dreht;
- 7 ein Blockdiagramm ist, das veranschaulicht, wie der Reibungskompensationsfaktor zum Erzeugen des Reibungskompensationssignals verwendet wird; und
- 8 (a) und (b) ein Beispielfahrsignal und das resultierende akkumulierte Signal zeigen, die innerhalb der Ausführungsform der in den Figuren dargestellten Erfindung erzeugt wird.
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Ein typisches elektrisches Servolenkungssystem ist in 1 der begleitenden Zeichnungen dargestellt. Das System umfasst einen Elektromotor 1, der über ein (optionales) Getriebe 3 auf eine Antriebswelle 2 wirkt. Die Antriebswelle 2 ist mit einem Schneckengetriebe 4 abgeschlossen, das mit einem Lenkrad an einem Abschnitt einer Lenksäule 5 oder einer Welle zusammenwirkt, die wirkfähig mit der Lenksäule verbunden ist. Beispielsweise kann der Motor auf eine Zahnstange des Lenksystems wirken. Selbstverständlich ist dies nicht als Einschränkung des angestrebten Schutzumfangs zu verstehen, und es sind andere Servolenkungssysteme in Betracht gezogen, für die die Erfindung gilt. So kann beispielsweise anstelle eines Säulenantriebssystems, bei dem der Motor wie dargestellt auf die Lenksäule wirkt, das System eine sogenannte Riemenantriebsausführung sein, bei der der Motor direkt mit der Zahnstange verbunden ist.
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Die Lenksäule 5 trägt einen Drehmomentsensor 6, der dazu eingerichtet ist, das von der Lenksäule getragene Säulendrehmoment Tcol zu messen, das vom Fahrer des Fahrzeugs erzeugt wird, wenn das Lenkrad (nicht dargestellt) und somit die Lenksäule gegen die Widerstandskraft der Fahrzeuglaufräder (ebenfalls nicht dargestellt) gedreht wird. Das Ausgangssignal, hierin als Drehmomentsignal Tcol vom Drehmomentsensor 6 bezeichnet, wird einem ersten Eingang einer Signalverarbeitungseinheit 7 zugeführt.
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Ein Winkelpositionssensor 10 ist ebenfalls an der Lenksäulenwelle vorgesehen. Wie in 1 dargestellt, ist dieser mit dem Drehmomentsensor 6 gekoppelt, da er die Position durch Überwachen des Signalausgangs des Drehmomentsensors misst. Dadurch entsteht ein Ausgangssignal, das die Winkelposition Qcol der Lenksäule angibt, die hierin als Säulenpositionssignal bezeichnet wird. Der Ausgang des Positionssensors, Qcol, wird einem zweiten Eingang der Signalverarbeitungseinheit 7 zugeführt. Diese kann eine elektronische Prozessoreinheit oder eine andere elektronische Schaltung umfassen.
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Die Signalverarbeitungseinheit 7 reagiert auf die beiden Eingangssignale und erzeugt als Ausgang ein Drehmomentanforderungssignal 8, das an eine Motorsteuerung 9 weitergeleitet wird. Die Motorsteuerung 9 wandelt das Drehmomentanforderungssignal 8 in Antriebsströme für den Elektromotor 1 um. Zum Erzeugen dieses Anforderungssignals umfasst die Verarbeitungseinheit eine Reihe von Teilschaltungen, die jeweils einen einzelnen Verarbeitungsschritt oder einen bestimmten Satz von Schritten ausführen.
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Der Wert des Drehmomentanforderungssignals 8 entspricht dem Betrag des Unterstützungsdrehmoments, das der Elektromotor 1 auf die Lenksäule aufbringt. Der Wert variiert von einem Minimalwert, der dem maximalen Ausgangsdrehmoment für den Motor in einer Richtung entspricht, über ein Nulldrehmoment, wenn das Anforderungssignal Null ist, bis hin zu einem maximalen Motordrehmoment in der entgegengesetzten Richtung.
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Die Motorsteuerung 9 empfängt als Eingang das Drehmomentanforderungssignal und erzeugt Ströme, die dem Motor zugeführt werden, um das gewünschte Drehmoment an der Motorantriebswelle 2 zu erzeugen. Dieses Unterstützungsdrehmoment, das auf die Lenksäulenwelle 5 wirkt, reduziert die Kraft, die durch den Fahrer zum Drehen des Lenkrads benötigt wird. Dies bildet einen geschlossenen Regelkreis, wie in 2 dargestellt.
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Das Drehmomentanforderungssignal 8 besteht aus mindestens zwei Teilen. Der erste Teil ist ein Unterstützungsdrehmoment Tassist, das von der Höhe des Drehmoments abhängt, das ein Fahrer über das Lenkrad auf die Lenksäule aufbringt und aus dem Wert des Drehmomentsignals Tcol bestimmt wird. Der zweite Teil ist eine (optionale) Dämpfungsdrehmomentanforderung, die bereitgestellt wird, um das Lenkgefühl zu verbessern und/oder die Sicherheit des Systems zu erhöhen. Darüber hinaus können weitere Drehmomentanforderungssignale verwendet werden, um beispielsweise den Auswirkungen von Seitenwind auf das Fahrzeug entgegenzuwirken, die dieses aus der vorgesehenen Weg abdrängen können.
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Wie vorstehend erwähnt, wird das Unterstützungsdrehmomentsignal in Abhängigkeit vom Drehmoment in der Lenksäule abgeleitet, das durch den Drehmomentsensor 6 gemessen wird. Der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Drehmoment und dem Unterstützungssignal ist im Wesentlichen linear. Es können jedoch auch andere mögliche Beziehungen verwendet werden, um das Drehmoment auf das Unterstützungssignal abzubilden. Wie in der Fachwelt allgemein bekannt, definiert der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgang eine Verstärkungskurve. Mit zunehmendem gemessenen Drehmoment nimmt die Höhe des Unterstützungssignals im Allgemeinen zu. Ferner versteht sich, dass das Unterstützungsdrehmomentsignal von anderen Parametern wie gegebenenfalls der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Lenksäulenposition abhängig sein kann. In diesem Fall wird in der Regel der Wert des Unterstützungsdrehmomentsignals bei hohen Geschwindigkeiten reduziert, um die Stabilität zu erhöhen, und bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten erhöht, um das Einparken zu erleichtern.
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3 zeigt schematisch mehr Details des Signalverarbeitungsmittels der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung 7 eine erste Signalverarbeitungsschaltung 12, die die Verstärkungskurve auf ein Eingangssignal anwendet, das eine Funktion des Säulendrehmoments ist. Die Ausgabe dieser Verstärkungskurve definiert das Unterstützungsdrehmoment. Darüber hinaus umfasst sie auch eine zweite Verarbeitungsschaltung 13, die in diesem Beispiel parallel zur ersten Schaltung 12 ist. Die zweite Schaltung empfängt als Eingabe das Säulendrehmomentsignal Tcol und erzeugt ein zusätzliches Signal, das das Drehmomentanforderungssignal unter bestimmten Fahrzeugbetriebsbedingungen modifiziert. Der Zweck der Modifikation ist, wie im Folgenden erläutert, die Einführung einer zusätzlichen Drehmomentkomponente, die einen Reibungseffekt im System zumindest teilweise aufhebt. Wesentlich ist, dass der Vorschlag der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, das negative Gefühl sowohl durch Haftreibung als auch durch Gleitreibung im System zu reduzieren.
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Die zweite Verarbeitungsschaltung 13 dient dazu, unter definierten Bedingungen eine Erhöhung des Drehmomentanforderungssignals vorzunehmen. Diese Bedingungen sind, dass das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment steigt oder sinkt, und als unabhängiger Faktor, dass sich die Lenksäule in die eine oder andere Richtung bewegt und nicht stillsteht. Insbesondere wird die zusätzliche Drehmomenthöhe bis zum Erreichen eines Grenzwertes proportional erhöht oder allmählich aufgebaut und analog dazu abgebaut, wenn der Fahrer ein Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung aufbringt oder die Drehung umkehrt. Wichtig ist, dass das zusätzliche Drehmoment aufgebaut wird, wenn nur eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, sodass der Aufbau mit der Einführung eines vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments beginnt, noch bevor sich die Säule zu bewegen beginnt. In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, dass das Drehmoment und der Säulenwinkel einen unabhängigen Einfluss auf den Wert des Kompensationssignals haben.
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Der Antragsteller hat anerkannt, dass es möglich ist, vorherzusagen, dass die Lenkung von statisch zu drehend übergehen wird, indem das durch den Fahrer aufgebrachte Drehmoment beobachtet und daraus eine Komponente in das Drehmomentanforderungssignal eingeführt wird, die ein widerstrebendes Drehmoment aufgrund von Haftreibung im System aufhebt, das der Fahrer andernfalls überwinden müsste. Durch weitere Kombination mit einer zusätzlichen Größe, wenn sich die Lenkung zu bewegen beginnt, kann ein sehr gutes Lenkgefühl erreicht werden, wobei der Fahrer nur wenig Haftreibung im Lenksystem wahrnimmt.
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Die negative Wahrnehmung der Lenkung durch den Fahrer entsteht sowohl, wenn der Fahrer aus einem nicht drehenden Lenkzustand heraus zu lenken versucht, als auch, wenn der Fahrer die Drehrichtung des Lenksystems zu ändern versucht.
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Zum Aufbauen dieser zusätzlichen Komponente beobachtet oder überwacht die zweite Signalverarbeitungsschaltung unabhängig voneinander sowohl das Drehmomentsignal Tcol als auch das Positionssignal Qcol. Wenn sie eine Erhöhung oder Verringerung eines der Signale beobachtet, wird die zusätzliche Komponente aufgebaut, bis sie einen Grenzwert erreicht, sofern die Bedingung weiterhin erfüllt ist, oder bis sie wieder abgebaut werden soll.
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Der Wert des hinzuzufügenden zusätzlichen Reibungskompensationssignals wird durch eine Zuordnung zwischen einem Signal, das sich auf das akkumulierte Säulendrehmoment bezieht, das sich aus dem Säulendrehmoment ableitet, und einem Signal, das sich auf den akkumulierten Säulendrehwinkel bezieht, definiert, das sich aus dem Säulenwinkelsignal ableitet, das einen Reibungskompensationsfaktor liefert, der wiederum mit einer Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung multipliziert wird. Ein Beispiel für eine Zuordnung ist in 4 dargestellt. Selbstverständlich sind im Rahmen dieser Erfindung auch andere Zuordnungen möglich. 7 zeigt, wie die Verstärkung auf die Zuordnung angewendet wird, um den endgültigen Wert des Reibungskompensationsdrehmoments zu erhalten. Man beachte, dass die Funktionalität von 7 vollständig durch die zweite Signalverarbeitungsschaltung 12 in dieser Ausführungsform realisiert wird.
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Es ist zu erkennen, dass die Zuordnung auf zwei wertunabhängigen Komponenten basiert, von denen eine erste von Beobachtungen des Säulendrehmomentsignals und die zweite von Beobachtungen des Säulenpositionssignals abhängt.
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In der Regel wird der Bereich für die Säulenwinkelkomponente so gewählt, dass der vollständige Übergang von Null auf entweder die Obergrenze oder Untergrenze über 0,1 bis 1,0 Grad der Säulenbewegung erfolgt. Ebenso wird der Bereich für die Säulendrehmomentsignalkomponente so gewählt, dass der vollständige Übergang von Null auf entweder die Obergrenze oder Untergrenze erfolgt, wenn sich das Drehmomentsignal um 0,1 bis 1,0 Nm ändert.
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5 zeigt ein spezifisches Realisierungsverfahren zum Erzeugen der beiden Komponenten, aus denen das Reibungskompensationssignal besteht. Für die Drehmomentkomponente der Säule besteht die Realisierung in dieser Ausführungsform aus einer skalierten Differenz gefolgt von einem begrenzten Integrator. Die skalierte Differenz bildet die Differenz zwischen den nachfolgenden Zeitabtastungen des Fahrsignals und skaliert diese um den Faktor 1/Grenze, um das Signal „skaliertes Delta“ zu bilden. „Grenze“ ist der Größenwert des oberen/unteren Drehmoments. Der begrenzte Integrator summiert das Signal „skaliertes Delta“ kumulativ und begrenzt die Summierung auf den Bereich -1 bis +1. Die erste Komponente nimmt daher einen Wert im Bereich von -1 bis +1 an, der bei anhaltender Erhöhung oder Verringerung des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments an der Obergrenze oder Untergrenze gesättigt ist.
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Die zweite Komponente wird auf genau die gleiche Weise, jedoch basierend auf der Säulenposition, erzeugt.
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Die 8(a) und (b) zeigen ein Beispiel für ein Fahrsignal, das das Säulendrehmomentsignal oder das Säulenwinkelsignal sein kann, und das entsprechend erzeugte akkumulierte Signal. Die Sättigung an den Grenzwerten ist deutlich zu erkennen, ebenso wie die Verfolgung kleiner Änderungen im Fahrsignal.
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Die beiden Komponenten werden anschließend summiert, am besten mit etwas zusätzlicher Skalierung, um einen Reibungskompensationsfaktor zu erhalten, der ebenfalls im Bereich von +1 bis -1 liegt:
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Die 0,5-Terme stellen sicher, dass der erforderliche Ausgangsbereich von +1 bis -1 erreicht wird. Selbstverständlich könnten auch andere Terme verwendet werden, und die beiden Komponenten könnten auf Wunsch ungleich gewichtet sein.
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Dieser Reibungskompensationsfaktor kann anschließend mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert werden, der typischerweise einem vordefinierten Reibungswert entspricht, der in einem Speicher der Vorrichtung gespeichert sein kann, um einen Drehmomentwert zu erhalten. So ist beispielsweise ein Reibungswert von 2 Nm bis 3 Nm typisch, der das Drehmoment darstellt, das ein Fahrer aufbringen muss, um die dem System innewohnende Reibung beim Drehen des Lenkrads zu überwinden, sodass ein Verstärkungsfaktor von 2 Nm bis 3 Nm angewendet werden kann, um diese auszugleichen.
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6 zeigt eine typische Verlaufskurve von „akkumuliertem Säulendrehmoment“ und „akkumuliertem Säulenwinkel“ über die Zuordnung für eine Änderung der Lenkraddrehung von der Gegenuhrzeigerrichtung zur Uhrzeigerrichtung. Der Fahrer leitet die Richtungsänderung durch Erhöhen des Säulendrehmoments (erster Pfeil) ein, das akkumulierte Säulendrehmomentsignal steigt von -1 auf 0, der Reibungskompensationsdrehmomentfaktor steigt von -1 auf -0,5, um die erwartete Änderung der Drehrichtung zu unterstützen. Die Drehrichtung des Lenksystems beginnt sich zu ändern (2. Pfeil), der Säulenwinkel beginnt sich zu vergrößern, der akkumulierte Säulenwinkel steigt von -1 in Richtung +1, während das akkumulierte Säulendrehmoment weiter von 0 auf 1 steigt, das Reibungskompensationsdrehmoment steigt von -0,5 auf +1, was die Bestätigung der Änderung der Lenkrichtung widerspiegelt.
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Für eine Lenksystemausführung, bei der die Reibungshöhe der Lenkung fest ist und sich nicht ändert, von Teil zu Teil sowie mit Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Alter, ist die obige feste Reibungskompensation ausreichend. Bei Ausführungen von Lenksystemen, bei denen diese Abweichungen auftreten, können einige Änderungen in der Höhe der Reibungskompensation von Vorteil sein.
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Die oben genannten Abweichungen treten über einen langen Zeitraum auf. Aus der Sicht eines einzelnen Lenksystems treten Abweichungen von Teil zu Teil einmalig bei der Herstellung auf, die danach gleich bleiben. Altersbedingte Reibungsänderungen erfolgen sehr langsam, spürbare Veränderungen treten über Monate bis Jahre hinweg auf. Obwohl sich die Luftfeuchtigkeit schnell ändern kann, wirkt sich dies (Quellen/Schrumpfen von Kunststoffteilen) nur langsam über viele Tage hinweg auf die Komponenten des Lenksystems aus. Wie bereits erwähnt, kann sich die Lufttemperatur zwar schnell ändern (z. B. durch die Klimaanlage im Fahrgastraum oder unter Hitzeeinwirkung des Fahrzeugs durch einen heißen Auspuff), jedoch hat das Lenksystem eine große thermische Masse, sodass sich die Kerntemperatur des Lenksystems nur über viele Minuten bis Stunden ändert.
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Der Anmelder hat erkannt, dass die Kompensation leicht angepasst werden kann, indem der Wert der auf die Zuordnung angewandten Reibungskompensationsdrehmomentverstärkung als Funktion eines oder mehrerer Parameter geändert wird, die unter anderem die Temperatur eines oder mehrerer Teile des Systems oder die Umgebungstemperatur umfassen.
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Die beschriebene Ausführungsform kann eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik bieten. Insbesondere durch die Einführung einer Kompensation für eine feste Reibungshöhe des Lenksystems kann der Kompromiss zwischen Reibung und Klappern entschärft werden. Ein Lenksystem kann mechanisch mit hoher Reibung und geringem Klappern ausgelegt werden. Die Kompensation hebt dann die negativen Auswirkungen der hohen Reibung, einschließlich Haftreibung, auf das Lenkgefühl auf und stellt die Wahrnehmung des Fahrers eines reibungsarmen Lenksystems wieder her.
