DE112019000362T5

DE112019000362T5 - Steer-by-Wire-Servolenkungssystem unter Verwendung von transparent gemachten Stellgliedern von lokalen Drehmoment- und/oder Kraftregelkreisen

Info

Publication number: DE112019000362T5
Application number: DE112019000362.3T
Authority: DE
Inventors: Pascal Moulaire; André Michelis
Original assignee: JTEKT Europe SAS
Current assignee: JTEKT Europe SAS
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2020-10-01
Also published as: JP7260549B2; BR112020013896A2; US20200331515A1; US11345394B2; WO2019135056A1; FR3076530A1; JP2021509379A; CN111819127A; FR3076530B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire-Servolenkungssystem (1), umfassend einen untergeordneten Mechanismus (10), der einen Servomotor (11) und ein gelenktes Rad (12) einschließt, und einen übergeordneten Mechanismus (20), der ein Lenkrad (22) und einen Hilfsmotor (21) einschließt, wobei der untergeordnete Mechanismus (10) bei einer Kraft von Null durch einen unteren lokale Regelkreis (30) geregelt wird, der einen Rückkopplungszweig (32) umfasst, der eine tatsächliche nachgeschaltete Kraft (F10_actual) nachgeschaltet zu dem Servomotor (11) und vorgeschaltet zu dem Kontaktpunkt (12C) zwischen dem Rad (12) und dem Boden (2) misst oder schätzt, um den Servomotor (11) transparent zu machen, während der übergeordnete Mechanismus (20) bei einem Drehmoment von Null durch einen oberen lokalen Regelkreis (40) geregelt wird, der einen Rückkopplungszweig (42) umfasst, der ein tatsächliches Antriebsdrehmoment (T20_actual) zwischen dem Hilfsmotor (21) und dem Lenkrad (22) misst oder schätzt, um den Hilfsmotor (21) transparent zu machen, wobei der untere (30) und der obere (40) lokale Regelkreis durch eine einzige globale Steuerung (50) gesteuert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet von Servolenkungssystemen für Fahrzeuge.
Insbesondere betrifft sie sogenannte „Steer-by-wire“-Servolenkungssysteme, die frei sind von jedweder mechanischen Übertragung zwischen einerseits einem übergeordneten Mechanismus, der ein Lenkrad umfasst, und andererseits einem untergeordneten Mechanismus, der einen Hilfsmotor umfasst und der mechanisch auf die gelenkten Räder des Fahrzeugs einwirkt, um die Gierorientierung (d.h. den Lenkwinkel) der Räder zu verändern.
In solchen Steer-by-Wire-Systemen ist es bekannt, eine Servosteuerung in Position des untergeordneten Mechanismus durch Messen der Winkelposition des Lenkrads, und dann durch Definieren eines entsprechenden Sollwerts und durch Übertragen über eine elektrische Verbindung an den Hilfsmotor, der den untergeordneten Mechanismus und damit die gelenkten Räder bis zur gewünschten Position antreibt, zu gewährleisten.
Um eine Rückkopplung zum Lenkrad zu gewährleisten, so dass der Fahrer in die Lage versetzt wird, die Reaktionen wahrzunehmen, die in dem untergeordneten Mechanismus durch die Lenkmanöver und den Kontakt der Räder mit der Fahrbahn hervorgerufen werden, ist in dem übergeordneten Mechanismus ein zweiter Motor vorgesehen, der so ausgelegt ist, dass er das Lenkrad zur Drehung antreibt.
Dennoch haben die bekannten Servolenkungen, insbesondere die bekannten Steer-by-Wire-Lenkungen, tendenziell einige Nachteile.
Zunächst einmal können einige mechanische Phänomene, die insbesondere mit der Trägheitsmasse des untergeordneten Mechanismus oder des übergeordneten Mechanismus oder mit den Reibungen innerhalb des untergeordneten Mechanismus oder des übergeordneten Mechanismus zusammenhängen, dazu führen, dass der Fahrer bei den Manövern ein gewisses Schweregefühl hat.
Dann kann das Vorhandensein der Lenkhilfe das Gefühl des taktilen Fahrens relativ künstlich machen und insbesondere dem Fahrer einige taktile Informationen, die als „Straßengefühl“ bezeichnet werden und die den Fahrer intuitiv über den Zustand des Kontakts zwischen den Rädern und dem Boden informieren, insbesondere über die Art des Straßenbelags (Bitumen, Kies...) und über den Grad der Bodenhaftung der Räder, nicht originalgetreu übermitteln.
Dieses Gefühl kann im Falle eines „Steer-by-wire“-Systems besonders künstlich sein, wenn es keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern gibt.
Folglich zielen die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben darauf ab, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein neues Servolenkungssystem, insbesondere ein neues Steer-by-wire-Lenksystem, bereitzustellen, das eine große Manövrierleichtigkeit mit einem getreuen Gefühl für die Fahrbedingungen verbindet.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden mittels eines Servolenkungssystems realisiert, das einen ersten Mechanismus umfasst, der als „untergeordneter Mechanismus“ bezeichnet wird und einen Hilfsmotor sowie ein gelenktes Rad umfasst, auf das der Hilfsmotor wirkt, um das gelenkte Rad in Gierrichtung auszurichten, wobei der untergeordnete Mechanismus somit eine untergeordnete kinematische Kette definiert, die sich von dem Hilfsmotor bis zu einem Abschnitt des gelenkten Rades erstreckt, der als „Kontaktabschnitt“ bezeichnet wird und dazu bestimmt ist, mit dem Boden in Kontakt zu kommen, so dass die von dem Hilfsmotor ausgehenden Kräfte und Bewegungen über und entlang der kinematischen Antriebskette auf das gelenkte Rad übertragen werden, wobei das Servolenkungssystem auch einen zweiten Mechanismus umfasst, der als „übergeordneter Mechanismus “ bezeichnet wird, der ein Lenkrad umfasst und der entweder frei von jedweder mechanischen Kopplung mit dem untergeordneten Mechanismus ist, so dass eine übergeordnete kinematische Kette gebildet wird, die von der kinematischen Antriebskette getrennt ist, oder mechanisch mit dem untergeordneten Mechanismus über ein Kopplungsglied gekoppelt ist, so dass vom Lenkrad bis zu dem Kopplungsglied eine übergeordnete kinematische Hilfskette gebildet wird, die eine Gabelung in Bezug auf die kinematische Antriebskette bildet, wobei das Servolenkungssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass der untergeordneten Mechanismus durch einen geschlossenen Regelkreis, „unterer lokaler Regelkreis“ genannt, kraftmäßig servogesteuert wird, der einen Eingangszweig, „Eingangszweig des unteren Regelkreises“ genannt, umfasst, der es ermöglicht, einen Eingangskraft-Sollwert, „unterer Eingangskraft-Sollwert“ genannt, zu definieren, und einen Rückkopplungszweig, „Rückkopplungszweig des unteren Regelkreises“ genannt, der an einem Referenzpunkt, „Referenzpunkt des unteren Regelkreises“ genannt, der sich auf der kinematischen Antriebskette und außerhalb der kinematischen Steuerungskette, dem Hilfsmotor nachgeschaltet und dem Kontaktabschnitt des gelenkten Rads vorgeschaltet befindet, eine Kraft misst oder schätzt, die als „tatsächliche nachgeschaltete Kraft“ bezeichnet wird und die an diesem Referenzpunkt repräsentativ für die Kraft ist, die zwischen dem Hilfsmotor und dem gelenkten Rad durch die kinematische Antriebskette übertragen wird, und dadurch, dass der Rückkopplungszweig des unteren Regelkreises dann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft in Rückkopplung auf den Eingangskraft-Sollwert des unteren Regelkreises anwendet, um einen Antriebssollwert des unteren Regelkreises zu bilden, der auf den Hilfsmotor angewendet wird, so dass die tatsächliche nachgeschaltete Rückkopplungskraft automatisch dem Eingangskraft-Sollwert des unteren Regelkreises folgt.
Vorteilhafterweise erlaubt es die Verwendung eines lokalen Servosteuer-Regelkreises und insbesondere eines unteren lokalen Regelkreises, die für die Servosteuerung in einem geschlossenen Regelkreis und in einer eigenständigen Weise des untergeordneten Mechanismus ausgelegt ist, und die einen Rückkopplungszweig einschließt, der in der Lage ist, Informationen, in diesem Fall eine Kraftschätzung oder vorzugsweise eine Kraftmessung, an einem von dem Stellglied entfernten Referenzpunkt zu erfassen, hierin an einem Referenzpunkt, der von dem Hilfsmotor entfernt ist und daher dem Kontakt zwischen dem Rad und dem Boden am nächsten liegt, wenn man die untergeordnete kinematische Kette von vorgeschaltet hin zu nachgeschaltet betrachtet, das Stellglied des betreffenden Mechanismus transparent zu machen, hierin den Hilfsmotor, der den untergeordneten Mechanismus antreibt, und allgemeiner erlaubt sie es, diesen Mechanismus transparent zu machen.
Transparenz bezieht sich hierin auf die Fähigkeit eines Systems, insbesondere die Fähigkeit des durch den Hilfsmotor angetriebenen untergeordneten Mechanismus, sich in Bewegung zu setzen, wenn das System bei Kraft Null (bzw. bei Drehmoment Null) servogesteuert wird, sobald eine externe Kraft (bzw. ein externes Drehmoment), selbst mit einer sehr geringen Größe, auf das System ausgeübt wird, das System wird somit durch die Wirkung der externen Kraft (bzw. durch die Wirkung des externen Drehmoments) „beiseite geschafft“, ohne sich einem wesentlichen Widerstand zu widersetzen,.
Es ist daher von Vorteil, dass ein derart transparentes System reaktionsschnell und ohne ein Gefühl der Schwere zu erzeugen, manövriert werden kann.
Insbesondere die Phänomene wie die Trägheitsphänomene oder die (trockenen und/oder viskosen) Reibungsphänomene, die wahrscheinlich die Manövrierung des Mechanismus beeinträchtigen, die aber „in dem Regelkreis eingefangen“ sind, d.h. die in einem Abschnitt der Antriebskette intervenieren, der zum geschlossenen Regelkreis der Servosteuerung gehört, und die hierin zwischen dem Hilfsmotor (eingeschlossen) und dem Referenzpunkt, an dem der Rückkopplungszweig die Kraftinformationen sammelt, mitumfasst ist, haben in der Praxis ihren Einfluss, dividiert durch die Gesamtverstärkung des Regelkreises, die insbesondere die Verstärkung des Rückkopplungszweigs einschließt und für die es möglich ist, einen sehr hohen Wert zu wählen.
Somit werden die Trägheits- und Reibungsphänomene, die dem Mechanismus innewohnen, automatisch kompensiert und behindern daher nicht das Manövrieren des Mechanismus.
Gleichermaßen werden die externen Belastungen, die insbesondere durch die Straße auf das Rad ausgeübt werden, durch den untergeordneten Mechanismus fein wahrgenommen, was die Rückgabe der „Straßengefühle“ an den Fahrer verbessert.
Darüber hinaus verleiht die Implementierung einer kraftangetriebenen Servosteuerung (oder gegebenenfalls einer drehmomentangetriebenen Servosteuerung) dem untergeordneten Mechanismus und ganz allgemein der Servolenkung vorteilhafterweise hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reaktionsfähigkeit, da eine kraftangetriebene Servosteuerung die Kräfte überwacht und auf diese einwirkt, d.h. auf die Ursachen der Bewegungen und nicht auf die Positionen, die die Folge dieser Bewegungen sind.
Ferner ermöglicht die vorgeschlagene Kraft-Servo-Regelung die getreue Erfassung aller Kraftänderungen, einschließlich der schnellen Änderungen, die eine Frequenz von 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz und sogar über 30 Hz hinaus erreichen können, wie z.B. die Änderungen der externen Kräfte, die vom Boden auf das Rad ausgeübt werden, wie z. B. die Änderungen, die sich aus der Zirkulation des Fahrzeugs auf einem kiesartigen, rauen Belag ergeben, und ihre Rückübertragung auf die Servolenkungssystem und insbesondere auf das Lenkrad.
Dieser reichhaltige Frequenzgehalt des tatsächlichen nachgeschalteten Kraftsignals, das vom Lenksystem erhalten und verwendet wird, ermöglicht es also, dem Fahrer wieder ein besonders feines und genaues Fahrgefühl zu vermitteln, was insbesondere den Fahrer in die Lage versetzt, eine gute Wahrnehmung der Art des Straßenbelags zu erhalten.
Schließlich ist die von der Erfindung vorgesehen Anordnung vorteilhafterweise für die Steuerung eines Lenksystems vom Typ „Steer-by-wire“ geeignet, in dessen Rahmen, wie später noch näher erläutert wird, die Erfindung es ermöglicht, einerseits eine eigenständige Servosteuerung der Kraft des untergeordneten Mechanismus mittels eines unteren lokalen Regelkreises und andererseits eine eigenständige Servosteuerung des Drehmoments des übergeordneten Mechanismus (und damit des Lenkrads), mittels eines lokalen oberen Regelkreises, der sich von dem unteren lokalen Regelkreis unterscheidet, getrennt durchzuführen und diese Architektur durch eine globale Steuerung zu vervollständigen, die in der Lage ist, eine Kopplung zwischen den lokalen Regelkreisen durch Erzeugung zweier Eingangs-Sollwertkomponenten herzustellen, nämlich einer Kraft-Sollwertkomponente bzw. einer Drehmoment-Sollwertkomponente, die für den unteren lokalen Regelkreis bzw. für den oberen lokalen Regelkreis bestimmt sind.
Somit ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems, bei dem sowohl der übergeordneten Mechanismus (und damit das Lenkrad) als auch der untergeordneten Mechanismus, der die gelenkten Räder angetrieben, auf transparente Weise reagieren, was den Manövern Leichtigkeit und Genauigkeit verleiht und gleichzeitig ein ausgezeichnetes Fahrgefühl sowie ein sehr gutes Gefühl für die Kontaktwechselwirkung vermittelt, die zwischen dem Rad und dem Boden besteht (Straßengefühl).
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung sowie unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen, die zu veranschaulichenden und nicht einschränkenden Zwecken vorgesehen sind, ausführlicher dargestellt. Es zeigen:

1, anhand einer schematischen Ansicht, das Prinzip der Transparenz eines Mechanismus, der durch einen lokalen Regelkreis gesteuert wird, die bei Nullkraft (oder in entsprechender Weise bei Nullmoment) servogesteuert wird.
2 schematisch die Reaktion der Kraft (oder des Drehmoments) und somit in Beschleunigung sowie die Reaktionen in Verschiebungsgeschwindigkeit und Position des transparenten Mechanismus aus 1.
3 schematisch ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Servolenkung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkungssystem 1.
Die Servolenkung 1 ist für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug mit Rädern, bestimmt, das mindestens ein gelenktes Rad 12 umfasst, das vorzugsweise auch ein Antriebsrad sein kann.
In besonders bevorzugter Weise ist das gelenkte Rad 12 ein Vorderrad des Fahrzeugs.
Wie in 3 dargestellt, umfasst das Servolenkungssystem 1 einen ersten Mechanismus, den sogenannten „untergeordneten Mechanismus“ 10, der einen Hilfsmotor 11 sowie ein gelenktes Rad 12 (und noch stärker bevorzugt zwei gelenkte Räder 12, in diesem Fall ein linkes gelenktes Rad 12L und ein rechtes gelenktes Rad 12R) umfasst, auf die der Hilfsmotor 11 wirkt, um das gelenkte Rad 12 beim Gieren auszurichten.
Somit ermöglicht es der untergeordnete Mechanismus 10, dem gelenkten Rad 12 einen gewünschten Lenkwinkel A12 zu verleihen.
In diesem Fall bildet der untergeordnete Mechanismus vorzugsweise einen Kraftmechanismus, der Kräfte erzeugen soll, die höher sind als die vom Fahrer manuell ausgeübten Kräfte.
Vorzugsweise ist der Hilfsmotor 11 ein Elektromotor, zum Beispiel ein bürstenloser Motor.
Vorzugsweise besteht er aus einem Drehmotor.
Der untergeordnete Mechanismus 10 definiert eine untergeordnete kinematische Kette L10, die sich vom Hilfsmotor 11 bis zu einem Abschnitt 12C des gelenkten Rades erstreckt, der als „Kontaktabschnitt“ bezeichnet wird und dazu bestimmt ist, mit dem Boden 2 in Kontakt zu kommen, so dass die vom Hilfsmotor 11 ausgehenden Kräfte und Bewegungen über und entlang der untergeordneten kinematischen Kette L10 auf das gelenkte Rad 12 übertragen werden.
Als bevorzugtes Beispiel kann der untergeordnete Mechanismus 10 und insbesondere die untergeordnete kinematische Kette L10 eine Zahnstange 13 einschließen, die vom Hilfsmotor 11 angetrieben wird und von der mindestens ein Ende 13L, 13R mit einer Spurstange 14 gekoppelt ist, die ihrerseits die Kräfte und Verschiebungen auf das gelenkte Rad 12 überträgt.
Vorzugsweise ist die Zahnstange 13 in einem am Fahrzeug befestigten Lenkgehäuse 3 montiert und entsprechend ihrer Längsachse translatorisch in einem an dem Fahrzeug befestigten Lenkgehäuse 3 geführt.
Der Hilfsmotor 11 kann über ein Untersetzungsgetriebe 15 (oder ein anderes geeignetes mechanisches Kopplungsglied), z.B. ein Vorsatzgetriebe 15 oder ein Kugelumlaufspindel-Untersetzungsgetriebe 15, in die Zahnstange 13 eingreifen.
Vorzugsweise verbindet die Spurstange 14 die Zahnstange 13 mit einem gierfähigen Achsschenkel 16, der seinerseits das gelenkte Rad 12 trägt.
Nach einer möglichen Ausführungsform kann die untergeordnete kinematische Kette L10, von vorgeschaltet hin zu nachgeschaltet und wie in 3 dargestellt, somit folgendes umfassen: den Hilfsmotor 11, ein Untersetzungsgetriebe 15 (oder ein anderes geeignetes mechanisches Kopplungsglied), die Zahnstange 13 (oder zumindest den Abschnitt der Zahnstange 13, der zwischen dem Untersetzungsgetriebe 15 und der Spurstange 14 liegt), eine Spurstange 14, den entsprechenden Achsschenkel 16, dann das Rad 12 (zumindest den Kranz des Rades 12), das von diesem Achsschenkel 16 getragen wird.
Herkömmlicherweise wird die untergeordnete kinematische Kette L10 in aufsteigender Richtung, von vorgeschaltet hin zu nachgeschaltet, betrachtet, wenn man sich von dem Stellglied, hierin der Hilfsmotor 11, entlang der untergeordneten kinematischen Kette L10 entfernt, um nahe an den Effektor zu gelangen, der mit der externen Umgebung des betrachteten Mechanismus 10 interagiert, d.h. um nahe an den Kontaktabschnitt 12C des gelenkten Rades 12 zu gelangen.
Somit bildet der Hilfsmotor 11 vorzugsweise das vorgeschaltete Ende der untergeordneten kinematischen Kette L10, und der Kontaktabschnitt 12C des Rades 12 bildet das nachgeschaltete Ende der untergeordneten kinematischen Kette L10.
Alternativ, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen, kann natürlich auch eine kürzere untergeordnete kinematische Kette L10 in Betracht gezogen werden, z.B. bei der ein Hilfsmotor 11 direkt auf den Achsschenkel 16 wirken könnte, möglicherweise über ein Untersetzungsgetriebe 15, aber ohne durch eine Zahnstange 13 zu gehen, und vorzugsweise ohne weder durch eine Zahnstange 13 noch durch eine Spurstange 14 zu gehen.
Nach einer solchen Variante kann ein vorgebenener Hilfsmotor 11 über den Achsschenkel 16 individuell und direkt die Gierausrichtung eines einzelnen gelenkten Rades 12 steuern.
Auch ist es nach einer solchen Variante, die jedoch (mindestens) zwei gelenkte Räder 12, typischerweise zwei gelenkte Vorderräder, umfassen würde, möglich, jedem der gelenkten Räder 12 einen eigenen Hilfsmotor 11 zuzuordnen, d.h. zwei eigene Hilfsmotoren 11 bereitzustellen, die jeweils einzeln die Gierausrichtung des betreffenden gelenkten Rades 12 steuern würden.
Dennoch wird der Einfachheit der Beschreibung halber vorzugsweise auf ein Servolenkungssystem 1 Bezug genommen, bei dem der untergeordnete Mechanismus 10 eine Zahnstange 13 umfasst, die die Betätigung von zwei Spurstangen 14 ermöglicht, die jeweils mit jedem der Enden 13L, 13R der Zahnstange verbunden sind und jeweils einem Achsschenkel 16 und einem Rad 12 zugeordnet sind.
Wie in 3 dargestellt, umfasst das Servolenkungssystem 1 auch einen zweiten Mechanismus, der als „übergeordneter Mechanismus“, 20, bezeichnet wird.
Dieser übergeordnete Mechanismus 20 umfasst ein Lenkrad 22.
Das Lenkrad 22 ermöglicht es dem Fahrer, die Servolenkung 1 zu steuern und den gewünschten Lenkwinkel A12 zu kontrollieren.
Das Lenkrad 22 ermöglicht es dem Fahrer auch, die Reaktionen der Servolenkung 1 zu ertasten und so intuitiv Informationen („Fahrgefühl“) über die Umgebung des Fahrzeugs abzuleiten, insbesondere Informationen über die Beschaffenheit des Bodens 2, auf dem das Fahrzeug fährt, und über den Haftzustand der Räder 12 auf dem Boden 2.
Natürlich wird der Einfachheit halber auf ein „Lenkrad“ 22 Bezug genommen, wobei zu berücksichtigen ist, dass für die gleichen Zwecke jede geeignete Manövriervorrichtung, die anders ist als ein Lenkrad, wie z.B. eine Steuerkeule, verwendet werden kann.
Hierin entspricht also vorzugsweise der übergeordnete Mechanismus 20 einem Steuermechanismus (im Gegensatz zu dem untergeordneten Mechanismus, der den Kraftmechanismus bildet).
Nach einer möglichen Implementierung kann der übergeordneten Mechanismus 20 frei von jedweder mechanischen Kopplung mit dem untergeordnete Mechanismus 10 sein, so dass eine übergeordnete kinematische Kette L20 gebildet wird, die von der untergeordneten kinematischen Kette L10 getrennt ist.
In dieser Hinsicht bildet die Servolenkung 1 in besonders bevorzugter Weise eine „Steer-by-wire“-konfigurierte Servolenkung, die frei von jedweder mechanischen Kopplung zwischen dem übergeordneten Mechanismus 20 und dem untergeordnete Mechanismus 10 ist.
In einem solchen „Steer-by-wire“-System greift das Lenkrad 22 nicht in den untergeordneten Mechanismus 20 ein.
Die Verbindung zwischen dem Lenkrad 22 und den Rädern 12 und allgemeiner die funktionelle Verbindung zwischen dem übergeordneten Mechanismus 20 und dem untergeordneten Mechanismus 10, d.h. die Verbindung, die es ermöglicht, die Stellung des Lenkrads 22 sowie die durch das Lenkrad 22 wiedergegebenen Tastgefühle mit der tatsächlichen Stellung der Räder 12 (Stellung des untergeordneten Mechanismus 10) und mit den Kräften, die auf die Räder 12 und im untergeordnete Mechanismus 10 ausgeübt werden, zu korrelieren, wird daher (ausschließlich) auf virtuelle Weise durch elektrische Signale erreicht.
Alternativ dazu kann der übergeordnete Mechanismus 20 mit dem untergeordneten Mechanismus 10 über ein Kopplungsglied 4 mechanisch gekoppelt sein, so dass vom Lenkrad 22 bis zu diesem Kopplungsglied 4 eine übergeordnete kinematische Hilfskette L20 gebildet wird, die eine Gabelung L20B in Bezug auf die untergeordnete kinematische Kette L10 bildet.
Das Kopplungsglied 4 kann beispielsweise die Form eines Ritzels 4 haben, das in die Zahnstange 13 eingreift und an einer von dem Lenkrad 22 angetriebenen Lenksäule 5 befestigt ist.
Nach einer möglichen Ausführungsform kann die Verwendung einer Kupplungsvorrichtung 6 in Betracht kommen, die wahlweise eine mechanische Kopplung oder mechanische Trennung des untergeordnete Mechanismus 10 mit dem übergeordneten Mechanismus 20 ermöglicht, um in der Lage zu sein, die Servolenkung 1 entweder in Steer-by-Wire (die Vorrichtung 6 befindet sich in einem ausgekuppelten Zustand) oder in mechanischer Kopplung (die Vorrichtung 6 befindet sich in einem eingekuppelten Zustand) zu konfigurieren.
Insbesondere ist es möglich, ein Servolenkungssystem 1 bereitzustellen, das angeordnet ist, um normalerweise in Steer-by-Wire zu arbeiten, aber dennoch mit einem Kopplungsglied 4 als Reservevorrichtung, das angeordnet ist, um den übergeordneten Mechanismus 20 wieder mechanisch mit dem untergeordneten Mechanismus 10 zu verbinden und insbesondere das Lenkrad 22 wieder mit der Lenksäule 5 und (insbesondere) mit der Zahnstange 13 zu verbinden, falls die Steer-by-Wire-Funktion ausfällt.
Umgekehrt ist es, wie oben angegeben, möglich, eine „reine“ Lenkhilfe 1 bereitzustellen, die völlig frei von jedwedem Kopplungsglied 4 (und von jeder Lenksäule 5, die in die Zahnstange 13 eingreift) ist.
Der Erfindung zufolge wird der untergeordnete Mechanismus 10 durch einen geschlossenen Regelkreis, der als „unterer lokaler Regelkreis“ 30 bezeichnet wird, kraftmäßig servogesteuert.
Der Einfachheit halber für die Beschreibung ist es möglich, den Satz, der durch den untergeordneten Mechanismus 10 und den ihn steuernden unteren lokalen Regelkreis 30 gebildet wird, als „untergeordnetes Abschnittsystem“ zu bezeichnen.
Die Wahl einer Kraft- oder gleichwertigen Drehmomentsteuerung ermöglicht es vorteilhafterweise, die Betätigung des untergeordneten Mechanismus 10 zu regulieren, indem ein gewünschter Beanspruchungszustand auf einen Referenzpunkt P10 des untergeordnete Mechanismus 10 ausgerichtet wird, d.h. indem eine Größe der durch die kinematische Kette L10 übertragenen Kraft auf den Referenzpunkt P10 ausgerichtet wird.
Eine solche Servosteuerung der Kraft ermöglicht es, die Kräfte zu erfassen und zu steuern, die auf den untergeordneten Mechanismus 10 ausgeübt werden, und insbesondere die externen Kräfte, die aus den Reaktionen des Bodens 2 gegen die Räder 12 resultieren und die durch den untergeordneten Mechanismus 10 entlang der untergeordneten kinematischen Kette L10 übertragen werden.
Wie hierin bereits erwähnt, wird durch das Vorliegen der Servosteuerung, die auf den Kräften basiert, d.h. auf den sofort in Echtzeit wahrnehmbaren Ursachen der Bewegungen des untergeordneten Mechanismus 10, und nicht auf den Verschiebungen (Positionsänderungen), die die Folge der Krafteinwirkung sind und die erst später, mit einer Verzögerung, die für die Ausführung einer Bewegung mit ausreichender Amplitude notwendig ist, wahrgenommen werden können, eine Servosteuerung mit besonders schnellen und genauen Reaktionen erzielt.
Darüber hinaus erlaubt ein solcher Servosteuerungstyp, das Stellglied des untergeordneten Mechanismus 10, nämlich den Hilfsmotor 11, und allgemeiner den untergeordneten Mechanismus 10 transparent zu machen, worauf später noch näher eingegangen wird.
Der untere lokale Regelkreis 30 umfasst einen Eingangszweig, genannt „Eingangszweig des unteren Regelkreises“, 31, der die Definition eines Eingangskraft-Sollwerts, genannt „Eingangskraft-Sollwert des unteren Regelkreises“, F10_set, ermöglicht.
Der untere lokale Regelkreis 30 umfasst auch einen Rückkopplungszweig, „ Rückkopplungszweig des unteren Regelkreises“, 32, genannt, der an einem Referenzpunkt, „Referenzpunkt des unteren Regelkreises“, P10, genannt, eine Kraft misst oder schätzt, die als „tatsächliche nachgeschaltete Kraft“, F10_actual, bezeichnet wird.
Die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual ist an dem Referenzpunkt P10 repräsentativ für die Kraft, die zwischen dem Hilfsmotor 11 und dem gelenkten Rad 12 (oder umgekehrt, für die Kraft, die von dem Rad 12 auf den Hilfsmotor 11 übertragen wird) durch die untergeordnete kinematische Kette L10 übertragen wird.
In der Praxis entspricht diese tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual der Kraft, die zu dem betrachteten Zeitpunkt von dem untergeordneten Mechanismus 10 geliefert wird, um der als „externe Kraft“ F_ext bezeichneten Widerstandskraft, die von der Umgebung des Fahrzeugs und insbesondere vom Boden 2 auf den untergeordneten Mechanismus 10 ausgeübt wird, entgegenzuwirken (und insbesondere auszugleichen, wenn ein bestimmter Lenkwinkel A12 beibehalten wird, und sogar zu übertreffen, wenn der Lenkwinkel A12 verändert wird).
In der Praxis wird diese externe Kraft F_ext im Wesentlichen durch den Kontakt zwischen dem Kontaktabschnitt 12C des Rades 12 und dem Boden 2 oder durch den Kontakt des Rades 12 mit einem in der Umgebung des Rades 12 vorhandenen Hindernis verursacht.
In der Regel kann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual der Zugkraft bzw. der Druckkraft entsprechen, die von der betreffenden Spurstange 14 auf das Ende 13L, 13R der Zahnstange, mit der diese Spurstange 14 verbunden ist, ausgeübt wird.
Vorzugsweise wird die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual mit Hilfe eines geeigneten Kraftsensors 17 gemessen, der am unteren Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises angeordnet ist.
Der Kraftsensor 17 kann z.B. einen Dehnungsmessstreifen oder auch einen optischen Sensor für die Fotoelastizimetrie umfassen.
Vorzugsweise ist es möglich, wie in 3 dargestellt, zwei Kraftsensoren 17L, 17R zu verwenden, nämlich einen ersten linken Kraftsensor 17L, der die Messung der Kraft ermöglicht, die von der linken Spurstange 14L (verbunden mit dem linken gelenkten Rad 12L) auf das linke Ende 13L der Zahnstange 13 ausgeübt wird, und einen zweiten rechten Kraftsensor 17R, der die Messung der Kraft ermöglicht, die von der rechten Spurstange 14R (verbunden mit dem rechten gelenkten Rad 12R) auf das gegenüberliegende rechte Ende 13R der Zahnstange 13 ausgeübt wird.
In einer solchen Konfiguration kann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual vorteilhaft und mit einer besseren Genauigkeit mit Hilfe einer Berechnungseinheit 70 für die tatsächliche nachgeschaltete Kraft aus den beiden Messungen bestimmt werden, die gleichzeitig an jedem der beiden Kraftsensoren 17L, 17R durchgeführt werden.
Als Beispiel kann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual als die Summe oder die Differenz (je nach Vorzeichen der erfassten Informationen) des Wertes der Kraft F10_actual_L, die von dem linken Kraftsensor 17L gemessen wird, und des Wertes der Kraft F10_actual_R, die von dem rechten Kraftsensor 17R gemessen wird, betrachtet werden.
Es ist zu beachten, dass die linken Kräfte F10_actual_L und rechten Kräfte F10_actual_R entgegengesetzte Vorzeichen haben sollen, weil eine der Spurstangen (die linke Spurstange 14L, wenn die Servolenkung 1 nach links gelenkt wird) auf Druck arbeitet, während die andere Spurstange (die rechte Spurstange, während einer Lenkung nach links) auf Zug arbeitet.
Nach einer Durchführungsvariante der Erfindung ist es möglich, anstelle einer durch einen Kraftsensor 17 durchgeführten Messung der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual eine Schätzung der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual zu verwenden, die von einem geeigneten Algorithmus vorgesehen wird, der so ausgelegt ist, dass er eine realistische Schätzung der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft am betrachteten Referenzpunkt P10 bereitstellt.
Ein solcher Algorithmus ermöglicht die virtuelle Schätzung der Kraft am Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises aus Daten, die anders sind als eine Kraftmessung, die an dem Referenzpunkt 10 vorgenommen worden wäre. Gegebenenfalls kann das Servolenkungssystem 1 somit frei von jedwedem Kraftsensor 17 am Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises sein.
Befindet sich beispielsweise der verwendete Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises P10 am Ende 13L der Zahnstange 13 und/oder auf Höhe der Spurstange 14 der Lenkung, so kann zu diesem Zweck ein „Algorithmus zur Kraftschätzung an den Spurstangen“ verwendet werden, wie er in der vom Anmelder eingereichten Anmeldung WO-2016/005671 beschrieben ist.
In diesem Fall kann eine physische Messung unter Verwendung eines Kraftsensors 17 oder mehrerer Kraftsensoren 17 (vorzugsweise zwei Kraftsensoren 17L, 17R, ein Sensor auf jeder Seite der Zahnstange 13) einer virtuellen Schätzung durch einen Algorithmus vorgezogen werden, und zwar um bessere Leistungen des erfindungsgemäßen Systems zu erzielen.
Gleich ob die tatsächliche nachgeschaltete Kraft P10_actual mittels eines Sensors 17 gemessen oder mittels eines geeigneten Algorithmus geschätzt wird, befindet sich der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises auf der untergeordneten kinematischen Kette L10 und außerhalb der übergeordneten kinematischen Kette L20, dem Hilfsmotor 11 nachgeschaltet und dem Kontaktabschnitts 12C des gelenkten Rades 12 vorgeschaltet.
Der Referenzpunkt P10 sollte in der Tat so gewählt werden, dass die darin gemessene tatsächliche Abtriebskraft P10_set tatsächlich repräsentativ für die Kraft ist, die über die untergeordnete kinematische Kette L10 auf das Rad 12 ausgeübt wird.
In der Praxis ist es zum Erhalt einer realistischen Schätzung der Kraft sowie zur Verbesserung der Transparenz des untergeordnete Mechanismus 10 vorzuziehen, den Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises so weit wie möglich nachgeschaltet entlang der untergeordneten kinematischen Kette L10, am weitesten von dem Stellglied (dem Hilfsmotor 11) entfernt, und dem Rad 12 am nächsten, und insbesondere der Kontaktfläche 12C am nächsten, d.h. dem Bereich am nächsten, hier der (nachgeschaltete) Endbereich der untergeordneten kinematischen Kette L10, wo die externe Umgebung des Fahrzeugs eine externe Kraft F_ext gegen den untergeordneten Mechanismus 10 ausübt, anzuordnen.
So ist es möglich, in den unteren lokalen Regelkreis 30 als Effektorzweig, der einen Kraftsollwert ausführt, einen möglichst langen Abschnitt der untergeordneten kinematischen Kette L10 einzuschließen
In diesem Fall erstreckt sich der Abschnitt der untergeordneten kinematischen Kette L10, der auf diese Weise in den unteren lokalen Regelkreis 30 integriert, d.h. „in dem Regelkreis eingefangen“ ist, von dem Hilfsmotor 11 aus, der einen vorgeschalteten Eingangspunkt bildet, auf dessen Niveau es möglich ist, einen Kraftsollwert F10_set, F10_mot einzustellen und auf das Stellglied (den Hilfsmotor 11) anzuwenden, bis zu dem nachgeschalteten Referenzpunkt P10, der einen Ausgangspunkt des Regelkreises bildet, der zu dem Hilfsmotor und einem Abschnitt der Effektorglieder (insbesondere der Zahnstange 13) nachgeschaltet liegt, die von dem Hilfsmotor 11 angetrieben werden.
Auf dem Niveau des Referenzpunkts P10 wird die tatsächliche Wirkung, die auf die Spurstange 14 und auf das Rad 12 erzeugt wird, durch die Ausführung des Kraftsollwertes F10_set, F10_mot durch den Hilfsmotor 11 überwacht.
Allgemeiner gesagt wird auf dem Niveau des Referenzpunkts P10 die Wirkung überwacht, die durch die kombinierten Aktionen des Stellglieds (des Hilfsmotors 11) und der Umgebung des Systems 1 auf die Elemente der untergeordneten kinematischen Kette L10 erzeugt wird, die außerhalb des unteren lokalen Regelkreises 30 liegen, da sie sich zu dem Referenzpunkt P10 nachgeschaltet, jenseits des Abschnitts der untergeordneten kinematischen Kette L10 befinden, der in dem unteren lokalen Regelkreis 30 eingeschlossen ist.
Vorzugsweise und insbesondere dann, wenn die untergeordnete kinematische Kette L10 durch ein Zwischenglied zwischen dem Hilfsmotor 11 und dem Achsschenkel 16 hindurchläuft, z.B. durch eine Zahnstange 13, ist der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises und insbesondere der Kraftsensor 17, der von dem Rückkopplungszweig 32 verwendet wird, von einem möglichen Drehmomentsensor, der in die Welle des Hilfsmotors 11 integriert wäre, getrennt und physisch entfernt.
In ähnlicher Weise ist der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises und insbesondere der von dem Rückkopplungszweig 32 verwendete Kraftsensor 17 von einem möglichen Lenkrad-Drehmomentsensor 27, der mit dem Lenkrad 22 an einer das Lenkrad tragenden Lenksäule verbunden wäre und der speziell zur Messung des von dem Fahrer auf das Lenkrad 22 ausgeübten Drehmoments T_driver vorgesehen ist, verschieden und physisch entfernt.
Gemäß der Erfindung wendet der Rückkopplungszweig 32 des unteren Regelkreises dann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual in Rückkopplung auf den Eingangskraft-Sollwert F10_set an, um einen Antriebssollwert F10_mot des unteren Regelkreises zu bilden, der auf den Hilfsmotor 11 angewendet wird, so dass die tatsächliche nachgeschaltete Rückkopplungskraft F10_actual automatisch dem Eingangskraft-Sollwert F10_set des unteren Regelkreises folgt.
Daher gilt, bezogen auf 3, vorzugsweise $F 10_mot = F 10_set - F 10_actual$
die Vorzeichen + (positiv) und - (negativ) werden hierin lediglich per Konvention ausgewählt, um die korrigierende Wirkung des Rückkopplungszweiges 32 anzuzeigen.
Wie in 3 veranschaulicht, übersetzt eine lokale Steuerung 33 des unteren Regelkreises den Antriebssollwert F10_mot des unteren Regelkreises in einen Stromsollwert, der an den Hilfsmotor 11 angelegt wird.
Zu diesem Zweck verwendet die lokale Steuerung 33 vorzugsweise ein Gesetz oder ein Kennfeld, das auch von fahrzeugbezogenen Parametern wie der Längsgeschwindigkeit, der Querbeschleunigung, der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs usw. abhängen kann.
Dieses Gesetz oder dieses Kennfeld kann auch von Parametern abhängen, die für das Servolenkungssystem 1 und insbesondere für das untergeordnete Abschnittsystem 10, 30 spezifisch sind, wie z.B. die Drehzahl des Hilfsmotors 11, das vom Hilfsmotor 11 erzeugte Drehmoment, die Trägheitsmassen aller oder eines Abschnitts der Komponenten des untergeordneten Mechanismus 10 usw.
Diese Parameter (bezogen auf das Fahrzeug und/oder die Servolenkungssystem) werden als „Daten“ zu den betreffenden Eingängen des in 3 dargestellten Servolenkungssystems 1 bezeichnet.
Zum Beispiel können die Parameter-„Daten“ dem Servolenkungssystem 1 über das Bordcomputernetz von einem anderen Bordsystem des Fahrzeugs, wie z.B. einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) oder einem Antiblockiersystem (ABS), zur Verfügung gestellt werden.
Vorzugsweise und entsprechend einem Merkmal, das für sich genommen eine Erfindung darstellen kann, umfasst bei Betrachtung eines Servolenkungssystem 1, das einen geschlossenen unteren lokalen Regelkreis 30 umfasst, der untere lokale Regelkreis 30 einen Teilzweig 31A des Eingangszweiges 31A des unteren lokalen Regelkreises, wobei der Teilzweig 31A eine Eingangsreferenz F10_ref des unteren lokalen Regelkreises einführt, der einen Eingangskraft-Sollwert mit einem Wert von Null darstellt, so dass der untere lokale Regelkreis 30 mit der Kraft Null gesteuert werden kann: $F 10_ref = 0$
Diese Eingangsreferenz F10_ref mit einem Wert von Null, vorzugsweise konstant, ermöglicht es, dem untergeordneten Mechanismus 10 und insbesondere dem untergeordneten kinematischen Kettenabschnitt L10, der in dem unteren lokalen Regelkreis 30 eingefangen ist, eine hohe Transparenz zu verleihen.
In der Tat, wenn der untergeordnete Mechanismus 10 sich anfangs in einem Gleichgewichtszustand befindet und die externe Kraft F_ext, die auf das Rad 12 und allgemeiner auf den Abschnitt der untergeordneten kinematischen Kette L10 wirkt, der nicht in dem unteren lokalen Regelkreis 30 eingeschlossen ist, modifiziert wird, z.B. weil das Rad 12 auf ein auf dem Boden 2 vorhandenes Hindernis trifft, dann bewirkt die Änderung der externen Kraft F_ext am Referenzpunkt P10 eine Änderung des Wertes der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual, die sich folglich von dem Eingangskraft-Sollwert F10_set entfernt, der zur betrachteten Zeit in Kraft ist.
Der Hilfsmotor 11, der eigenständig durch den unteren lokalen Regelkreis 30 automatisch geregelt wird, korrigiert dann sofort seine Aktion dank des Rückkopplungszweiges 32, der den Antriebssollwert F10_mot modifiziert, indem er darauf die Modifikation der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual so reflektiert, dass der Hilfsmotor 11, und allgemeiner der Abschnitt des untergeordneten Mechanismus 10, der in dem unteren lokalen Regelkreis 30 mit umfasst ist, ohne Widerstand durch die Wirkung der externen Kraft F_ext entfernt wird, um die Schwankung der Größe der externen Kraft F_exet zu absorbieren und dadurch eine Rückkehr der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual auf den Wert des gewünschten Eingangskraft-Sollwerts F10_set zu bewirken.
In Abwesenheit einer weiteren (von Null verschiedenen) Kraft-Sollwertkomponente am Eingang 31 des unteren Regelkreises 30 gilt vorteilhafterweise standardmäßig der Eingangsreferenzwert F_ref des unteren Regelkreises, hier mit einem Wert von Null.
In einem solchen Fall wird der Hilfsmotor 31 daher servogesteuert, so dass die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual auf einem Wert von Null oder im Wesentlichen Null gehalten wird.
Wenn also eine externe Kraft F_ext dazu neigt, das Auftreten einer von Null verschiedenen tatsächlichen nachgeschalteten Kraft zu verursachen, erkennt und überträgt der Rückkopplungszweig 32 sofort diese Schwankung der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual, um einen Antriebssollwert F_mot zu erzeugen, der, wenn er auf den Hilfsmotor 11 angewendet wird, diesen in die Lage versetzt, auf den untergeordneten Mechanismus 10 einzuwirken, um die Wirkung der externen Kraft F_ext zu absorbieren, um die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual wieder auf Null zu bringen.
In der Praxis reagiert der Hilfsmotor 11 also so, dass er den Schwankungen der externen Kraft F_ext keinen Widerstand entgegensetzt, sondern im Gegenteil die Schwankungen der externen Kraft F_ext begleitet, um das Auftreten von Spannungen zu vermeiden, und in diesem Fall, um das Auftreten oder die Aufrechterhaltung einer tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual zu vermeiden, die nicht Null ist.
Der untergeordnete Mechanismus 10 beginnt sich also spontan in die von der externen Kraft F_ext gewünschte Richtung zu bewegen, sobald eine externe Kraft F_ext, wie klein auch immer, auf ihn einwirkt.
Ein ähnliches Prinzip gilt, wenn zusätzlich zur Eingangsreferenz F10_ref mit einem Wert von Null der Eingangssollwert F10_set des unteren Regelkreises über einen zweiten Teilzweig 31B des Eingangszweiges 31 auch eine Komponente des Kraftsollwerts berücksichtigt, die als „dynamische Komponente des Kraftsollwerts des unteren Regelkreises“, F10_dyn, bezeichnet wird und die es in der Regel ermöglicht, die Manöverabsicht des Fahrers und insbesondere die Aktion des Fahrers auf das Lenkrad 22 widerzuspiegeln.
Auch hier gilt wieder, dass, wenn eine Änderung der externen Kraft F_ext auftritt, die die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual vorübergehend von dem Eingangskraft-Sollwert F10_set wegbringt, der im Gleichgewicht gleich der dynamischen Komponente F10_dyn ist (die zum betrachteten Zeitpunkt konstant sein kann), der Rückkopplungszweig 32 dann die Änderung des Antriebssollwerts F10_mot ermöglicht, so dass der Hilfsmotor 11 den untergeordneten Mechanismus 10 entfernt und die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual zum Wert der dynamischen Komponente F10_dyn zurückkehrt.
Der Hilfsmotor 11 widersetzt sich also keinem Widerstand gegen die Verschiebung des untergeordneten Mechanismus 10, der notwendig und ausreichend ist, um die Schwankung der externen Kraft F_ext zu absorbieren, was es daher ermöglicht, die Differenz zwischen der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual und dem Eingangskraft-Sollwert F10_soll, d.h. hier zwischen der tatsächlichen nachgeschalteten Kraft F10_actual und dem dynamischen Kraftsollwert F10_dyn, auf einem Wert von im wesentlichen Null zu halten.
In jedem Fall ermöglicht der untere lokale Regelkreis 30, der bei einer Kraft von Null servogesteuert wird, daher die Korrektur der Wirkung des Hilfsmotors 11 in Echtzeit mit einer hohen Ansprechempfindlichkeit, so dass dieser Hilfsmotor 11 den durch die Schwankungen der externen Kraft F_ext hervorgerufenen Verschiebungen des untergeordneten Mechanismus 10 fast keinen Widerstand entgegensetzt und daher das Spiel des untergeordneten Mechanismus 10 durch die Wirkung der Schwankungen der externen Kraft F_ext fördert.
Diese Selbstregulierung verleiht dem untergeordneten Mechanismus 10 eine hohe Transparenz, die es ihm insbesondere ermöglicht, auf alle Schwankungen der externen Kraft F_ext, und daher sensibel auf die Wechselwirkung zwischen den Rädern 12 und dem Boden zu reagieren und diese auf eine sehr wahrnehmbare und erkennbare Weise wiederherzustellen, die das „Fahrgefühl“ charakterisiert.
Eben diese Selbstregulierung bei Nullkraft ermöglicht es dem Fahrer auch, die Servolenkung 1 ohne Kraftaufwand zu manövrieren, insbesondere ohne durch die Trägheit des untergeordneten Mechanismus oder durch die internen Reibungen, die in dem Abschnitt des untergeordneten Mechanismus 10 entstehen, der in der niedrigen Lokale Regelkreis 30 enthalten ist, gestört zu werden.
Um die Darstellung zu erleichtern, werden die Reibungen, insbesondere die trockenen Reibungen (Coulomb-Reibung) F_dry, T_dry und die viskosen Reibungen F_visc, T_visc (proportional zur Verschiebungsgeschwindigkeit des betrachteten Mechanismus 10 und insbesondere proportional zur Verschiebungsgeschwindigkeit der Zahnstange 13), in den 1 und 3 durch ein Reibungskissen symbolisiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass es nach einer Variante möglich sein könnte, den Eingangsreferenzwert F10_ref des unteren Regelkreises auf einen Offset-Wert ungleich Null zu setzen, um einen Korrektureffekt in den Eingangssollwert F10_set des unteren Regelkreises einzuführen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird das Konzept der „Transparenz“ unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ausführlicher beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird das in den allgemeinen 1 und 2 dargestellte Transparenzkonzept vorteilhaft auf den von dem Hilfsmotor 11 angetriebenen untergeordneten Mechanismus 10 oder auf den übergeordneten Mechanismus 20 oder, vorzugsweise, auf jeden dieser beiden Mechanismen 10, 20 angewendet (oder ist anwendbar).
Der Einfachheit halber wird daher auf die konstituierenden Elemente dieser Mechanismen 10, 20 verwiesen.
1 schematisiert einen Mechanismus 10, 2, der von einem Stellglied angetrieben wird, symbolisiert durch einen Motor 11, 21.
Dieser Mechanismus 10, 20 wird durch einen geschlossenen Regelkreis, als „lokaler Regelkreis“, 30, 40 bezeichnet, servogesteuert.
Die Servosteuerung wird kraftmäßig (gekennzeichnet durch den Buchstaben „F“) oder, auf gleichwertige Weise, drehmomentmäßig (gekennzeichnet durch den Buchstaben „T“). durchgeführt.
Zu diesem Zweck umfasst der lokale Regelkreis 30, 40 einen Eingangszweig 31, 41, um einen Eingangssollwert (Kraft-Sollwert bzw. Drehmoment-Sollwert) zu definieren, sowie einen Rückkopplungszweig 32, 42.
Der Eingangszweig 31, 41 ermöglicht hier die Definition eines EingangsReferenzwerts F10_ref, T20_ref, der für eine Servosteuerung bei Kraft Null (bzw. bei Drehmoment Null) repräsentativ ist, für eine Servosteuerung bei Kraft Null (bzw. bei Drehmoment Null).
Der Rückkopplungszweig 32, 42 bewertet (z.B. mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus) oder misst vorzugsweise, z.B. mit Hilfe eines geeigneten Kraftsensors 17 (bzw. eines Drehmomentsensors 27), die tatsächliche Kraft F10_actual (bzw. das tatsächliche Drehmoment T20_actual an einem Referenzpunkt P10, P20 des Mechanismus 10, 20.
Die Verstärkung, die durch den Kraftsensor 17 (bzw. den Drehmomentsensor 27) oder durch den Bewertungsalgorithmus aufgebracht wird, wird mit „K“ bezeichnet.
Der Referenzpunkt P10, P20 befindet sich nachgeschaltet zum Stellglied (Motor) 11, 21 entlang der kinematischen Kette L10, L20, die das Stellglied 11, 21 mit einem Effektor 12, 22 verbindet, hier typischerweise ein gelenktes Rad 12 oder ein Lenkrad 22.
Der Effektor 12, 22 bildet eine (End-)Schnittstelle des Mechanismus 10, 20 mit der externen Umgebung des Mechanismus 10, 20, über welche Schnittstelle die externe Umgebung, hier typischerweise der Boden 2 bzw. der Fahrer des Fahrzeugs, eine externe Kraft F_ext bzw. ein externes Drehmoment T_ext auf den Mechanismus 10, 20 gegen das Stellglied (Motor) 11, 21 ausüben kann.
Die Masse oder, in gleichwertiger Weise, das Trägheitsmoment des Abschnitts des Mechanismus 10, 20, der in dem lokalen Regelkreis 30, 40 mitumfasst ist, d.h. des vorgeschalteten Abschnitts der kinematischen Kette L10, L20, die sich von dem Stellglied (Motor) 11, 21 bis zu dem Referenzpunkt P10, P20 erstreckt, wird mit J1 bezeichnet.
Die Masse oder, in gleichwertiger Weise, das Trägheitsmoment des (verbleibenden) Abschnitts des Mechanismus 10, 20, der sich außerhalb des lokalen Regelkreises 30, 40 befindet, d.h. des nachgeschalteten Abschnitts der kinematischen Kette L10, L20, die sich von dem Referenzpunkt P10, P20 bis zur (End-)Schnittstelle des Mechanismus 10, 20 mit der externen Umgebung und insbesondere bis zu dem Kontaktbereich mit dem Effektor 12, 22 und der externen Umgebung (Masse 2 bzw. dem Treiber) erstreckt, wird mit J2 bezeichnet.
Die Gesamtverstärkung des lokalen Regelkreises 30, 40 wird mit GA bezeichnet.
Der Einfachheit halber wird die Gesamtverstärkung GA hier in Form einer eindeutigen Übertragungsfunktion auf dem Rückkopplungszweig 32, 42 dargestellt.
Die Winkelposition, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Effektors 12, 22, hier insbesondere des Lenkrads 22, wenn sich die Bewegung des Effektors 12, 22 auf eine Drehbewegung bezieht, werden hier jeweils mit θ_J2, θ̇_J2 und θ̈_J2 bezeichnet.
In ähnlicher Weise werden die lineare Position, die lineare Geschwindigkeit und die lineare Beschleunigung des Effektor 12, 22, wenn sich die Bewegung des Effektor 12, 22 auf eine Translationsbewegung bezieht, mit X_J2, Ẋ_J2 and Ẍ_J2 bezeichnet.
Es ist hervorzuheben, dass in dem Fall, in dem der untergeordnete Mechanismus 10 eine Zahnstange 13 einschließt, die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Zahnstange 13 vorteilhaft berücksichtigt werden können, insbesondere unter Berücksichtigung der (relativen) Steifigkeit der Zahnstange 13 und des kinematischen Kettenabschnitts L10, der die Zahnstange 13 mit dem Achsschenkel 16 verbindet, als repräsentativ für die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des nachgeschalteten Abschnitts des untergeordneten Mechanismus 10, der die Spurstange 14, den Achsschenkel 16 und das Rad 12 umfasst.
Die Kraft bzw. das Drehmoment der viskosen Reibung (proportional zur Verschiebungsgeschwindigkeit des betrachteten mechanischen Elements), die auf den (vorgeschalteten) Teil des Mechanismus 10, 20 ausgeübt wird, der in dem lokalen Regelkreis 30, 40 mitumfasst ist, wird als F_visc bzw. T_visc bezeichnet.
Die Kraft bzw. das Drehmoment der trockenen Reibung, die auf den (vorgeschalteten) Teil des Mechanismus 10, 20, der in dem lokalen Regelkreis 30, 40 mitumfasst ist, ausgeübt wird, wird als F_dry bzw. T_dry bezeichnet. $Wir betrachten R_1 = T_v i s c + T_s e c$
„s“ steht für die Laplace-Variable.
Unter Bezugnahme auf das Diagramm in 1 erhalten wir dann den folgenden Ausdruck: $T_{E x t} = J 2 \cdot θ_{J 2} \cdot s^{2} + \frac{\frac{R_{1}}{(1 + G_{A})} \cdot (\frac{J 1}{R_{1}} \cdot s + 1) \cdot θ_{J 2} \cdot s}{(\frac{J 1}{K (1 + G_{A})} \cdot s^{2} + \frac{R_{1}}{K (1 + G_{A})} \cdot s + 1)}$
Wählt man eine ausreichend hohe Gesamtverstärkung GA oder eine Gesamtverstärkung, die sich der Unendlichkeit nähert, so ist es möglich, den obigen Ausdruck zu vereinfachen und so in erster Näherung zu erhalten: $\begin{array}{l} G_{A}^{\Rightarrow \infty} \\ T_{E x t} \end{array} = J 2 \cdot {\ddot{θ}}_{J 2} \Rightarrow θ_{J 2} = \frac{\begin{array}{l} G_{A}^{\Rightarrow \infty} \\ T_{E x t} \end{array}}{J 2 \cdot s^{2}}$
Somit hängen die Reaktion des Mechanismus 10, 20 auf die Anwendung einer externen Kraft F_ext, T_ext und insbesondere die Verschiebung des (nachgeschalteten) Abschnitts des Mechanismus 10, 20, der sich außerhalb des lokalen Regelkreises 30, 40 befindet, nur von der Trägheit J2 des nachgeschalteten Abschnitts außerhalb des lokalen Regelkreises 30, 40 ab.
Der vorgeschaltete Abschnitt des Mechanismus 10, 20, der sich von dem Stellglied (Motor) 11, 21 bis zu dem Referenzpunkt P10, P20 erstreckt und somit transparent gemacht wird, da er der Bewegung keinen Widerstand gegen die Schwankungen der externen Kraft F_ext, T_ext entgegensetzt.
Wie in 2 dargestellt, ermöglicht es die Transparenz vorteilhafterweise, dass der Mechanismus 10, 20 sofort durch eine spontane Verschiebung auf die Anwendung einer externen Kraft F_ext, T_ext reagiert.
Insbesondere wird ein externer Kraftschritt F_ext, T_ext ohne jede Verzögerung in einen Beschleunigungsschritt umgesetzt, der direkt proportional (entsprechend dem multiplikativen Kehrwert der trägen Masse J2) zu dem externen Kraftschritt F_ext, T_ext ist.
Folglich erhält man einen Geschwindigkeitsanstieg und eine quadratische Kurve der Positionsänderung, ebenfalls ohne jegliche Verzögerung.
Darüber hinaus erlaubt die oben dargestellte Vereinfachung der Formel, den Ausdruck R1 aus der Gleichung zu streichen, d.h. automatisch die Auswirkungen der Reibungen F_dry, T_dry, F_visc, T_visc zu kompensieren, die innerhalb des Abschnitts des Mechanismus 10, 20 liegen, der in dem lokalen Regelkreis 30, 40 eingeschlossen ist, und somit die Reibungen unmerkbar zu machen.
Betrachtet man die Anwendung dieses Transparenzprinzips auf den unteren lokalen Regelkreis 30 und auf den untergeordneten Mechanismus 10, der durch den Hilfsmotor 11 betätigt wird, so erhält man ${\ddot{X}}_{r a c k} = \frac{F_{E x t}}{J_{r o d}} \Rightarrow X_{r a c k} = \frac{F_{E x t}}{J_{r o d} \cdot s^{2}}$
Wobei:

X_rack sich auf die Position der Zahnstange 13 (hier die lineare Position in Translation entlang des Lenkgehäuses 3) bezieht;
J_rod die Trägheitsmasse des Abschnitts des untergeordneten Mechanismus 10 darstellt, der sich nachgeschaltet zum Referenzpunkt P10 befindet, und insbesondere die Trägheitsmasse des Abschnitts des untergeordneten Mechanismus 10, der sich nachgeschaltet zum Kraftsensor 17 befindet. Typischerweise kann J_rod somit die Trägheitsmasse der aus der Spurstange 14, dem Achsschenkel 16 und dem Rad 12 gebildeten Unteranordnung darstellen.

In ähnlicher Weise erhält man, wenn man die Anwendung der Transparenz auf einen oberen lokalen Regelkreis 40 betrachtet, der, über einen geschlossenen Regelkreis, einen übergeordneten Mechanismus 20 drehmomentmäßig servo-steuert, der zusätzlich zu dem Lenkrad 22 einen Hilfsmotor 21 umfasst, der angeordnet ist, um den übergeordneten Mechanismus 20 anzutreiben, um die Kräfte, die für die Reaktionen des untergeordneten Mechanismus repräsentativ sind, an das Lenkrad 22 zurückzugeben: ${\ddot{θ}}_{s w} = \frac{T_{d r i v e r}}{J_{s w}} \Rightarrow θ_{s w} = \frac{T_{d r i v e r}}{J_{s w} \cdot s^{2}}$

Wobei:

θ_SW sich auf die Winkelposition des Lenkrads 22 bezieht;
T_driver sich auf das externe Drehmoment T_ext bezieht, das vom Fahrer auf das Lenkrad 22 ausgeübt wird;
Jsw sich auf das Trägheitsmoment des Abschnitts des übergeordneten Mechanismus 20 bezieht, der sich nachgeschaltet zum Referenzpunkt P20 befindet und in diesem Fall das Lenkrad 22 und gegebenenfalls einen Lenksäulenabschnitt umfasst, an dem das Lenkrad 22 montiert ist.

Es ist auch zu beachten, dass der Widerstand des Mechanismus 10, 20 gegen die Bewegung umso geringer ist, je kleiner die Trägheitsmasse J2 des nachgeschalteten Abschnitts des Mechanismus 10, 20 ist, der nicht in dem lokalen Regelkreis 30, 40 mitumfasst ist, und daher die Reaktion des Mechanismus 10, 20 auf die Anwendung einer externen Kraft F_ext, T_ext umso besser ist, je höher die Empfindlichkeit des Mechanismus 10, 20 ist, und daher die Fähigkeit des Systems 1, ein besseres Fahrgefühl wiederherzustellen, umso besser ist.
Um diese träge Masse J2 zu minimieren, werden wir, wie bereits oben erwähnt, versuchen, den größtmöglichen Abschnitt des Mechanismus 10, 20 in den lokalen Regelkreis 30, 40 mit einzuschließen, und daher den Referenzpunkt P10, P20 des Rückkopplungszweigs 32, 42 so weit wie möglich nachgeschaltet zu der entsprechenden kinematischen Kette L10, L20 zu platzieren, um einen möglichst langen Abschnitt der kinematischen Kette L10, L20 in den lokalen Regelkreis 30, 40 mit einzuschließen.
Daher werden wir eine korrekte Positionierung des Referenzpunkts P10, P20 und insbesondere des Kraft- und/oder Drehmomentsensors 17, 27 hinter dem Motor 11, 21 anstreben.
Im Falle des untergeordneten Mechanismus 10 wird man also bestrebt sein, den Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises hinter dem Hilfsmotor 11 zu platzieren, und vorzugsweise, wenn der Mechanismus 10 ein Glied 4 zur Kopplung an die übergeordnete kinematische Kette L20, L20B einschließt, hinter diesem Kopplungsglied 4 (hinter der Gabelung zwischen der untergeordneten kinematischen Kette und der übergeordneten kinematischen Kette), am nächsten an der Kontaktfläche 12C zwischen dem Rad 12 und dem Boden 2, entlang der untergeordneten kinematischen Kette L10.
Wenn also vorzugsweise die untergeordnete kinematische Kette L10 eine Zahnstange 13 umfasst, die von dem Hilfsmotor 11 angetrieben wird und von der mindestens ein Ende 13L, 13R an eine Spurstange 14 gekoppelt ist, die ihrerseits die Kräfte und Verschiebungen auf das gelenkte Rad 12 überträgt, dann ist der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises, an dem die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_aktuell gemessen oder geschätzt wird, vorzugsweise der Zahnstange 13 nachgeschaltet in Richtung des gelenkten Rades 12 angeordnet, zum Beispiel an der Verbindungsstelle zwischen dem Ende 13L der Zahnstange und der Spurstange 14, auf der Spurstange 14 oder der Spurstange 14 nachgeschaltet.
Wie vorstehend angegeben, entspricht der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises, wenn ein Algorithmus gewählt wird, der eine virtuelle Schätzung ermöglicht, dem Punkt, auf dessen Niveau der Algorithmus die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual schätzt.
Wenn diese Kraft physikalisch mit Hilfe eines Kraftsensors 17 gemessen wird, dann entspricht der Referenzpunkt P10 dem physikalischen Ort des Kraftsensors 17.
Unabhängig davon, ob der untergeordnete Mechanismus 10 eine Zahnstange 13 und/oder eine (oder mehrere) Spurstange(n) 14 einschließt oder nicht, kann dann übrigens, wenn die untergeordnete kinematische Kette L10 einen Achsschenkel 16 umfasst, der das gelenkte Rad 12 trägt, der Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises, an dem die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual gemessen oder geschätzt wird, vorteilhafterweise auf dem Achsschenkel 16 liegen.
Der Achsschenkel 16 materialisiert die Orientierungsachse, hier die Gierachse, des gelenkten Rades 12, gemäß der der Lenkwinkel des Rades 12 verändert werden kann.
Nach einer anderen Möglichkeit ist es möglich in Erwägung zu ziehen, den Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises auf dem Rad 12 selbst, z.B. auf dem Radkranz, und sogar auf der Höhe des Reifens dieses Rades 12 anzuordnen, wobei er sich am nächsten an der Lauffläche dieses Reifens und somit am nächsten an der Kontaktfläche 12C mit dem Boden 2 befindet.
Entsprechend einem bevorzugten Merkmal, das für sich genommen eine Erfindung darstellen kann, und insbesondere unabhängig davon, ob der untergeordnete Mechanismus 10, wie oben beschrieben, durch einen geschlossenen lokalen unteren Regelkreis 30 servogesteuert wird oder nicht, umfasst der übergeordnete Mechanismus 20 zusätzlich zum Lenkrad 22 einen Hilfsmotor 21.
Dieser Hilfsmotor 21 unterscheidet sich von dem Hilfsmotor 11 des untergeordneten Mechanismus 10.
Insbesondere ermöglicht eine solche Trennung die Schaffung eines Servoregelkreises 40, der für den übergeordneten Mechanismus 20 spezifisch ist und sich von dem unteren lokalen Regelkreis 30 unterscheidet, und gegebenenfalls die Herstellung eines „Steer-by-wire“-Lenksystems.
Vorzugsweise kann, wie in 3 dargestellt, der übergeordnete Mechanismus 20 durch einen geschlossenen Regelkreis, der als „oberer lokaler Regelkreis“ 40 bezeichnet wird, drehmomentgesteuert werden.
Der Einfachheit halber kann der aus dem übergeordneten Mechanismus 2 und dem unteren lokalen Regelkreis 40, der ihn steuert, gebildete Satz als „übergeordnetes Teilsystem“ bezeichnet werden.
Wie oben insbesondere im Zusammenhang mit der unteren lokalen Regelkreis 30 angedeutet, ermöglicht es eine Drehmomentsteuerung (wie eine kraftmäßige Servosteuerung), dem übergeordneten Mechanismus 20 Reaktionsfähigkeit und Transparenz zu verleihen.
Auf diese Weise ist das Lenkrad 22 leicht zu manövrieren, da es dem von dem Fahrer ausgeübten externen Drehmoment Text=T_driver fast keinen „parasitären“ Eigenwiderstand entgegensetzt (insbesondere keinen Widerstand im Zusammenhang mit der Reibung T_visc, T_dry innerhalb des übergeordneten Mechanismus 20 oder der eigentlichen Trägheitsmasse des übergeordneten Mechanismus 20), während es gleichzeitig in der Lage ist, dem Fahrer fein und präzise Straßengefühle zu vermitteln.
Der obere lokale Regelkreis 40 umfasst einen Eingangszweig, genannt „Eingangszweig des oberen Regelkreises“, 41, der die Definition eines Eingangsdrehmoment-Sollwertes, genannt „Eingangsdrehmoment-Sollwert des oberen Regelkreises“, T20_set, ermöglicht.
Der obere lokale Regelkreis 40 umfasst auch einen Rückkopplungszweig, den so genannten „oberen Rückkopplungszweig“, 42, der an einem Referenzpunkt, dem so genannten „oberen Regelkreis-Referenzpunkt“, P20, der sich zwischen dem Hilfsmotor 21 und dem Lenkrad 22 (und insbesondere nachgeschaltet zu dem Hilfsmotor 21 und nachgeschaltet zu dem Lenkrad 22) befindet, ein Drehmoment, das so genannte „tatsächliche Fahrer-Drehmoment“, T20_actual, das an dem Referenzpunkt P20 repräsentativ für das Drehmoment T_driver ist, das der Fahrer über das Lenkrad 22 auf den übergeordneten Mechanismus 20 ausübt, misst oder schätzt.
In der Praxis kann man davon ausgehen, dass T20_aktuell=T_driver und dass T_driver nicht Null ist, z.B. wenn der Fahrer aktiv auf das Lenkrad wirkt, um einen gewünschten Lenkwinkel zu erreichen oder beizubehalten, oder aber T_driver ist Null, typischerweise wenn das Fahrzeug geradeaus fährt.
Vorzugsweise befindet sich der Referenzpunkt P20 des oberen Regelkreises in unmittelbarer Nähe des Lenkrads 22, z.B. auf einem Lenksäulenabschnitt, der dieses Lenkrad 22 trägt.
Auch hier ist es möglich, die Verwendung eines Algorithmus zur Schätzung des Lenkraddrehmoments zu erwägen, um das tatsächliche Fahrer-Drehmoment T20_actual aus anderen Parametern virtuell zu schätzen.
Nichtsdestotrotz wird das tatsächliche Fahrer-Drehmoment T20_actual vorzugsweise durch einen geeigneten Drehmomentsensor 27 gemessen, zum Beispiel einen elektromagnetischen Drehmomentsensor, der die Verformungen eines an der Lenksäule angebrachten Torsionsstabes misst.
Die Lage des Drehmomentsensors 27 wird physikalisch dem Referenzpunkt P20 des oberen Regelkreises entsprechen.
Es ist hervorzuheben, dass der Referenzpunkt P20 des oberen Regelkreises sich von dem Referenzpunkt P20 des unteren Regelkreises P10 unterscheidet, und dass gegebenenfalls der in dem unteren lokalen Regelkreis 30 verwendete Kraftsensor 17 sich daher von dem in dem oberen lokalen Regelkreis 40 verwendeten Drehmomentsensor 27 unterscheidet und fern davon ist.
Allgemeiner ausgedrückt sind der obere lokale Regelkreis 40 und der untere lokale Regelkreis 30 somit gut voneinander getrennt, so dass sie in der Lage sind, unabhängig voneinander zu arbeiten, und insbesondere in der Lage sind, ihr jeweiliges Stellglied (Motor) 11, 21 unabhängig voneinander servomäßig zu steuern.
Es ist von Vorteil, dass der Rückkopplungszweig 42 der oberen Regelkreis, nachdem er das tatsächliche Fahrer-Drehmoment T20_actual abgeschätzt oder gemessen hat, das tatsächliche Fahrer-Drehmoment T20_acutal in Rückkopplung auf den Eingangs-Kraftsollwert T20_set des oberen Regelkreises aufbringt, so dass ein Antriebssollwert T20_mot des oberen Regelkreises gebildet wird, der auf den Hilfsmotor 21 aufgebracht wird, so dass das tatsächliche Fahrer-Drehmoment T20_acutal (und damit das Fahrer-Drehmoment T_driver) automatisch dem Eingangs-Drehmomentsollwert T20_set des oberen Regelkreises folgt.
Es ist hervorzuheben, dass die Eigenschaften, der Betrieb und die Vorteile des oberen lokales Regelkreises 40 vorteilhaft von denen, die in Bezug auf den unteren lokalen Regelkreis 30 beschrieben sind, entsprechend abgezogen werden können.
Tatsächlich finden wir in dem oberen lokalen Regelkreis 40 Funktionen und Vorteile, die denjenigen des unteren lokalen Regelkreises 30 ähnlich sind.
Daher haben wir, bezogen auf 3, vorzugsweise $T 20_mot = T 20_set - T 20_actual$
die Vorzeichen + (positiv) und - (negativ) werden hier lediglich per Konvention ausgewählt, um die korrigierende Wirkung des Rückkopplungszweiges 42 anzuzeigen.
Wie in 3 dargestellt, übersetzt eine lokale Steuerung 43 des oberen Regelkreises, die sich vorzugsweise von der lokalen Steuerung 33 des unteren Regelkreis unterscheidet, den Antriebssollwert T20_mot des oberen Regelkreises in einen an den Hilfsmotor 21 angelegten Stromsollwert.
Zu diesem Zweck verwendet die lokale Steuerung 43 des oberen Regelkreises vorzugsweise ein Gesetz oder ein Kennfeld, das auch von fahrzeugspezifischen Parametern, „Daten“, wie Längsgeschwindigkeit, Querbeschleunigung, Giergeschwindigkeit usw. und/oder fahrzeugspezifischen Parametern, „Daten“, des Servolenkungssystems 1 und insbesondere von Parametern des übergeordneten Teilsystems 20, 40 wie der Drehzahl des Hilfsmotors 21, dem von diesem Hilfsmotor 21 erzeugten Drehmoment, der Trägheitsmasse aller oder eines Teils der Komponenten des übergeordneten Mechanismus 20 usw. abhängen kann.
Vorzugsweise umfasst der obere lokale Regelkreis 40 einen Teilzweig 41A des Eingangszweiges 41 des oberen Regelkreises, der eine Eingangsreferenz T20_ref des oberen Regelkreises einführt, die einen Eingangsdrehmoment-Sollwert mit einem Wert von Null darstellt, so dass der obere lokale Regelkreis mit einem Drehmoment von Null geregelt werden kann.
Daher haben wir hier: T20_ref = 0.
Wie zuvor mit Bezug auf den untergeordneten Mechanismus 10 angegeben, der eine Servosteuerung bei Nullkraft vorsah, ermöglicht es die Servosteuerung bei einem Drehmoment von Null des übergeordneten Mechanismus 20, den übergeordneten Mechanismus 20 transparent zu machen und seine Reaktionsfähigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern.
Auch hier ermöglicht es die Servosteuerung bei einem Drehmoment von Null dem übergeordneten Mechanismus 20, dem Manöver des Lenkrads 22 durch den Fahrer keinen parasitären Widerstand entgegenzusetzen, während die Reaktionen der Straße und des untergeordneten Mechanismus 10 in dem Lenkrad 22 getreu wiedergegeben werden.
Es ist hervorzuheben, dass eine Architektur des Servolenkungssystems 1, die einerseits einen unteren lokalen Regelkreis 30 zur Servosteuerung des untergeordneten Mechanismus 10, der mechanisch auf die Ausrichtung der Räder einwirkt und andererseits einen separaten oberen lokalen Regelkreis 40 zur Servosteuerung des übergeordneten Mechanismus 20 umfasst, der es dem Fahrer ermöglicht, die Manöver des Fahrzeugs zu steuern und zu fühlen, besonders für ein Steer-by-wire-System 1 geeignet ist.
Vorzugsweise umfasst, wie in 3 dargestellt, das Servolenkungssystem 1 eine als „globale Steuerung“ bezeichnete Steuerung 50, die getrennt nach Parametern, die für den Zustand des übergeordneten Mechanismus 20 und den Zustand des untergeordneten Mechanismus 10 repräsentativ sind, einerseits eine dynamische Komponente des unteren Regelkreis-Kraftsollwerts F10_fyn, der auf den unteren lokalen Regelkreis 30 angewendet wird, und andererseits eine dynamische Komponente des oberen Regelkreis-Drehmomentsollwerts T20_dyn, der auf den oberen lokalen Regelkreis 40 angewendet wird, erzeugt.
Die dynamischen Komponenten des Kraftsollwerts F10_dyn bzw. des Drehmomentsollwerts T20_dyn werden in Echtzeit so eingestellt, dass die Reaktionen des Servolenksystems 1 an den Zustand der Fahrzeuglebensdauer zum betrachteten Zeitpunkt und an die Aktionen (Bedienelemente) des Fahrers zu diesem betrachteten Zeitpunkt angepasst werden und so die Lenkunterstützung nach vorgegebenen Assistenzgesetzen gesteuert wird, die z.B. in Diagrammen in der globalen Steuerung 50 gespeichert werden können.
Im Falle einer Servolenkung vom Typ Steer-by-Wire 1 stellt die globale Steuerung vorteilhaft die virtuelle Kopplung durch elektrische Signale zwischen dem oberen lokalen Regelkreis 40, der dem übergeordneten Mechanismus 20 zugeordnet ist, und dem unteren lokalen Regelkreis 30, der dem untergeordneten Mechanismus 10 zugeordnet ist, sicher.
Unter den (für die Servolenksystem 1 spezifischen) Parametern, die für den Zustand des übergeordneten Mechanismus 20 repräsentativ sind und von der globalen Steuerung 50 verwendet werden, kann insbesondere die Winkelposition θ₂₂ des Lenkrads 22 und/oder die Winkelgeschwindigkeit θ̇̇₂₂ dieses Lenkrads berücksichtigt werden.
Unter den (für die Servolenksystem 1 spezifischen) Parametern, die für den Zustand des untergeordneten Mechanismus 10 repräsentativ sind und von der globalen Steuerung 50 verwendet werden, kann insbesondere die Winkelposition θ₁₁ der Welle des Hilfsmotors 11 und/oder die Winkelgeschwindigkeit θ̇₁₁ dieses Hilfsmotors berücksichtigt werden.
Darüber hinaus kann die globale Steuerung 50 auch Parameter, „Daten“, berücksichtigen, die sich auf das Fahrzeug (und außerhalb des Servolenksystems 1) beziehen, wie z.B. die Längsgeschwindigkeit, die Querbeschleunigung, die Giergeschwindigkeit usw.
Beispielsweise kann die globale Steuerung 50 einen Basis-Sollwert T_basic aus allen oder einem Teil dieser verschiedenen Parameter bestimmen.
Als (nicht einschränkendes) Beispiel kann die globale Steuerung 50 einen Basissollwert T_basic unter Verwendung eines Rechengesetzes bestimmen, das in der Praxis einem virtuellen Torsionsstab entspricht: $T_{b a s i c} = k 1 * Δ θ + k 2 * Δ \dot{θ}$
wobei: $Δ θ = θ_{22} - θ_{11}$
k1 eine homogene Verstärkung mit einer (torsionalen) elastischen Steifigkeit ist, $Δ \dot{θ} = {\dot{θ}}_{22} - {\dot{θ}}_{11}$
k2 eine homogene Verstärkung mit einer Viskosität ist,
derart, dass der erste Term k1 * Δθ einer torsionalen elastischen Verformungsdrehmoment-Komponente entspricht,
wohingegen der zweite Term k2 * Δθ̇ der Dissipationsdrehmomentkomponente entspricht.
Ungeachtet des Gesetzes, das zur Berechnung des Basis-Sollwerts T_basic verwendet wird, wird dieser Basis-Sollwert T_basic jedoch vorzugsweise von einer ersten Teilsteuerung 51 bzw. einer zweiten Teilsteuerung 52 in die dynamische Komponente F10_dyn für den Kraftsollwert des unteren Regelkreises und die dynamische Komponente T20_dyn für den Drehmomentsollwert des oberen Regelkreises umgewandelt.
Somit bildet die globale Steuerung 50 einen gemeinsamen Kern, der sich auf der Ebene der Teilsteuerung 51, 52 verzweigt, so dass die dynamischen Sollwerte F10_dyn, T20_dyn auf jeden der oberen 40 und unteren 30 lokalen Regelkreise verteilt werden.
Das Servolenkungssystem 1 und insbesondere das Steer-by-Wire-System 1 weist daher vorzugsweise eine Architektur auf, die zwei (geschlossene) lokale Regelkreise 30, 40 umfasst (nämlich einen unteren lokalen Regelkreis 30 zur Kraftservosteuerung, der für den untergeordneten Mechanismus 10 bestimmt ist, der die Räder 12 betätigt, und einen oberen lokale Regelkreis 40 zur Drehmoment-Servosteuerung, der für den übergeordneten Mechanismus 20 bestimmt ist, der auf das Lenkrad 22 wirkt), wobei die Regelkreise 30, 40 miteinander gekoppelt sind und durch die (gleiche) globale Steuerung 50 gesteuert werden (die die dynamischen Sollwerte für Drehmoment T20_dyn und Kraft F10_dyn definiert, die jeweils für jeden dieser Regelkreise 30, 40 gelten).
Zweckmäßigerweise ermöglicht das erfindungsgemäße Servolenkungssystem 1 insbesondere die Realisierung einer „Steer-by-Wire“-Lenkung, indem über die (vorzugsweise nur über die) globale Steuerung 50 ein unteres Teilsystem 10, 30 und ein oberes Teilsystem 20, 40, die voneinander getrennt sind und jeweils in der Lage sind, sich unabhängig voneinander in der Kraft (bzw. im Drehmoment) zu regeln, miteinander verbunden werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steer-by-Wire-Servolenkungssystem 1, das einen untergeordneten Mechanismus 10, der einen Hilfsmotor 11 sowie ein gelenktes Rad 12 umfasst, und einen übergeordneten Mechanismus 20, der ein Lenkrad 22 sowie einen Hilfsmotor 21 umfasst, umfasst, wobei der untergeordnete Mechanismus 10 in einem geschlossenen Regelkreis mit einer Kaft von Null durch einen unteren lokalen Regelkreis 30 servogesteuert wird, der einen Rückkopplungszweig 32 umfasst, der eine tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual, dem Hilfsmotor 11 nachgeschaltet und dem Kontakt 12C des Rades 12 mit der Masse 2 vorgeschaltet, misst oder schätzt, um den Hilfsmotor 11 transparent zu machen, während der übergeordnete Mechanismus 20 im geschlossenen Regelkreis bei Null-Drehmoment durch einen oberen lokalen Regelkreis 40 servogesteuert wird, der einen Rückkopplungszweig 42 umfasst, der ein tatsächliches Antriebsdrehmoment T20_actual zwischen dem Hilfsmotor 21 und dem Lenkrad 22 misst oder schätzt, um den Hilfsmotor 21 transparent zu machen, wobei der untere 30 und der obere 40 lokale Regelkreis vorzugsweise durch dieselbe globale Steuerung 50 gesteuert werden.
Vorzugsweise vervollständigt, wie oben erwähnt, jede dynamische Komponente des Drehmoments T20_dyn und der Kraft F10_dyn mittels eines zweiten Eingangsteilzweigs 31B, 41B des betreffenden lokalen Regelkreises 30, 40 den Eingangs-Referenzwert F10_ref, T20_ref, der vom ersten Eingangsteilzweig 31A, 41A (der sich vom zweiten Eingangsteilzweig 31B, 41B unterscheidet) geliefert wird.
Somit ist es möglich, sowohl den Null-Referenzwert F10_ref, T20_ref, der eine Servosteuerung bei Kraft/Drehmoment Null ermöglicht, als auch die dynamische Komponente F10_dyn, T20_dyn zu berücksichtigen, die die aktive Steuerung des Lenksystems 1 (entweder durch den Fahrer oder durch ein automatisches Pilotsystem, das Fahrunterstützung bietet) widerspiegelt.
Daher ergibt sich der Eingangskraft-Sollwert F10_set vorzugsweise aus der algebraischen Summe des Eingangsreferenzwertes F10_ref des unteren Regelkreises, der repräsentativ für eine Kraft von Null ist, und der dynamischen Komponente F10_dyn des Eingangskraft-Sollwerts des unteren Regelkreises, die aus der globalen Steuerung 50, 51 stammt.
Vorzugsweise ergibt sich, wie in 3 dargestellt, der Eingangskraft-Sollwert F10_set des unteren Regelkreises aus der algebraischen Summe des Eingangsreferenzwerts F10_ref des unteren Regelkreises, der repräsentativ für eine Kraft von Null ist, und der dynamischen Komponente F10_dyn des Kraftsollwerts des unteren Regelkreises, die aus der globalen Steuerung 50, 51 stammt.
Zu diesem Zweck ist es möglich, den ersten Eingangsteilzweig 31A und den zweiten Eingangsteilzweig 31B mittels eines Summenblocks zu kombinieren.
Vorzugsweise kann dieser Summenblock auch den nachgeschalteten tatsächlichen Kraftwert F10_actual aufnehmen, der aus dem Rückkopplungszweig 32 stammt und der (gemäß der verwendeten Vorzeichenkonvention) vom Eingangs-Kraftsollwert F10_set subtrahiert wird, um den Antriebssollwert F10_mot des unteren Regelkreises zu bilden.
Es ist zu beachten, dass bei Fehlen einer dynamischen Komponente F10_dyn des Kraft-Sollwerts des unteren Regelkreises oder wenn die dynamische Komponente F10_dyn null ist, der untere lokale Regelkreis 30 den untergeordneten Mechanismus 10 auf den Eingangsreferenzwert F10_ref, hier vorzugsweise F10_ref=0, servomäßig regelt.
Alternativ oder ergänzend zu dem vorgenannten Berechnungsmodus des Eingangskraft-Sollwerts F10_set des unteren Regelkreises ergibt sich der Eingangsdrehmoment-Sollwert T20_set des oberen Regelkreises vorzugsweise aus der Kombination des Eingangsreferenzwerts T20_ref des oberen Regelkreises, der repräsentativ für ein Drehmoment von Null ist, und der dynamischen Komponente T20_dyn des Drehmomentsollwerts des oberen Regelkreises, die aus der globalen Steuerung 50, 52 stammt.
Noch bevorzugter ergibt sich der Drehmomentsollwert T20_set des oberen Regelkreises aus der algebraischen Summe der Eingangsreferenz T20_ref des oberen Regelkreises, die für ein Drehmoment von Null repräsentativ ist, und der dynamischen Komponente T20_dyn des Drehmomentsollwerts des oberen Regelkreises, die aus der globalen Steuerung 50, 52 stammt.
In ähnlicher Weise wie bei dem unteren lokalen Regelkreis 30 beschrieben, ist es auch hier auf der Ebene des oberen lokalen Regelkreises 40 möglich, einen Summierer zu verwenden, um die beiden Eingangsteilzweige 41A, 41B und den Rückkopplungsregelkreis 42 zu verbinden.
Nach einer bevorzugten Möglichkeit der Erfindung wird die am Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises gemessene oder geschätzte tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual am Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises auch außerhalb des unteren lokalen Regelkreises 30 mittels einer Funktion mit der Bezeichnung „Vorwärtssteuerung“ 60 als Komponente zur Bestimmung des Eingangskraft-Sollwerts T20_set für den oberen Regelkreis und/oder in gleichwertiger Weise als Komponente zur Bestimmung oder Einstellung des Antriebssollwerts T20_mot für den oberen Regelkreis verwendet, der auf den Hilfsmotor 21 angewendet werden soll.
Diese „Vorwärtssteuerungs“-Funktion 60 unterscheidet sich von dem Rückkopplungsregelkreis 32 des unteren Regelkreises und von dem Rückkopplungsregelkreis 42 des oberen Regelkreises und ist in 3 in gestrichelter Linie dargestellt.
Vorteilhaft ist, dass es diese „Vorwärtssteuerungs“-Funktion 60 direkte Übertragung, von dem untergeordneten Mechanismus 10 bis zum oberen lokalen Regelkreis 40 und insbesondere bis zum Hilfsmotor 21, der Straßengefühle ermöglicht, die durch Schwankungen der externen Kraft F_ext, die auf die Räder 12 und auf den untergeordneten Mechanismus 10 ausgeübt wird, und die auf dem Niveau des Referenzpunktes des unteren Regelkreises P10 gefühlt und insbesondere durch den Kraftsensor 17 wahrgenommen werden.
Das „Fahrgefühl“, das durch die Reaktionen des Hilfsmotors 21 durch die Wirkung der durch die „Vorwärtssteuerungs“-Funktion 60 bewirkten Sollwertverstellung wiederhergestellt wird, kann somit verbessert werden.
Je nach einer möglichen Anwendung kann die Vorwärtssteuerungsfnktion 60 konfiguriert werden, so dass ein vorgegebener Frequenzbereich nicht durchgelassen wird, um das Gefühl für die Reaktionen, die in diesen Frequenzbereich fallen, zu verstärken.
Zu diesem Zweck kann z.B. ein Bandpassfilter mit einer Verstärkung über diesen Frequenzbereich verwendet werden.
Wenn man also davon ausgeht, dass der Satz, der aus dem übergeordneten Mechanismus 20, dem oberen lokalem Regelkreis 40, dem untergeordneten Mechanismus 10 und dem unteren lokalem Regelkreis 30 gebildet wird, von sich aus keine ausreichenden dynamischen Leistungen aufweist, um in einem bestimmten Frequenzbereich die Wechselwirkungen zwischen dem Rad 12 und dem Boden 2 auf völlig zufriedenstellende Weise wiederherzustellen, dann wäre es möglich, die Vorwärtssteuerungsfunktion 60 zu verwenden, um in diesem Frequenzbereich die durch die Wechselwirkungen zwischen dem Rad 12 und dem Boden erzeugten Signale zu verstärken, um das Gefühl am Lenkrad zu verbessern.
Mit der Vorwärtssteuerungsfunktion 60 lässt sich das Fahrgefühl also noch feiner einstellen.
Entsprechend einer anderen möglichen Anwendung, alternativ oder in Ergänzung zu der vorhergehenden, ist es möglich, eine Vorwärtssteuerungsfunktion 60 zu verwenden, die konfiguriert ist, um das Frequenzgefühl innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs selektiv abzuschwächen oder aufzuheben.
Zu diesem Zweck ist es dank der Vorwärtssteuerungsfunktion 60 möglich, ein Signal einzuspeisen, dessen Frequenz identisch ist mit der Frequenz des wahrgenommenen Signals, das neutralisiert werden soll, das aber in entgegengesetzter Phase (um 180 Grad verschoben) zu diesem wahrgenommenen Signal steht.
Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die gefühlten Auswirkungen eines Unwuchtphänomens im Zusammenhang mit einem Auswuchtfehler eines Rades 12 zu begrenzen.
In jedem Fall bietet die Vorwärtssteuerungsfunktion 60 daher die Möglichkeit einer zusätzlichen Feineinstellung.
In dem Fall, dass der aus dem übergeordneten Mechanismus 20, dem oberen lokalen Regelkreis 40, dem untergeordneten Mechanismus 10 und dem unteren lokalen Regelkreis 30 gebildete Satz eine ausreichend hohe Dynamik aufweist, ist der Rückgriff auf die Vorwärtssteuerungsfunktion 60 nicht erforderlich.
Darüber hinaus wird die tatsächliche nachgeschaltete Kraft F10_actual vorzugsweise am Referenzpunkt P10 des unteren Regelkreises gemessen, und zwar mit einer Bandbreite, die sich (von 0 Hz) mindestens bis 20 Hz, mindestens bis 25 Hz, mindestens bis 30 Hz und sogar über 30 Hz hinaus erstreckt.
Auf diese Weise wird der Kraftsensor 17 ein Nutzsignal mit sehr reichem Frequenzgehalt erzeugen, das daher viele, besonders genaue Informationen über die Schwankung der externen Kraft F_ext und damit über den Zustand der Wechselwirkung zwischen dem Boden 2 und dem Rad 12 enthält.
Natürlich wird der Rückkopplungszweig 32 des unteren Regelkreises in der Lage sein, dieses Signal mit einer mindestens gleichen Bandbreite zu übertragen, um keine Frequenzinformation zu verlieren.
Eine breite Bandbreite verleiht der Servolenkung 1 vorteilhafterweise eine hohe taktile Empfindlichkeit, so dass unabhängig von der Frequenz, selbst wenn diese hoch ist, Störungen und Schwankungszustände der externen Kraft F_ext, die durch die Wirkung des Straßenbelags (des Bodens 2) auf den Reifen (und damit auf das Rad 12 und den untergeordneten Mechanismus 10) verursacht werden, auftreten können, wobei diese Störungen und Schwankungen sofort als solche bemerkt und an das Lenkrad (durch die globale Steuerung 50 und/oder durch die Vorwärtssteuerungsfunktion 60, dann durch den oberen lokalen Regelkreis 40 und den übergeordneten Mechanismus 20), weitergeleitet werden, was dem Fahrer ein sehr feines Gefühl für die Straße vermittelt; und das im Gegensatz insbesondere zu dem, was im Falle einer Servosteuerung in einer Position geschieht, die die Störungen filtern würde, um eine stabile Lenkposition zu halten.
Selbstverständlich können sämtliche Steuerungen 50, 51, 52, 33, 43 und ganz allgemein die Servosteuerungsstrukturen der lokalen Regelkreise 30, 40 von jedem geeigneten elektronischen und/oder Computer-Rechner implementiert werden.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung als solche ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, das mit einem Servolenkungssystem 1 wie oben beschrieben ausgestattet ist.
Im Übrigen ist die Erfindung nicht nur auf die vorgenannten Varianten beschränkt, wobei die Fachwelt insbesondere in der Lage sind, eines der vorstehend beschriebenen Merkmale frei zu isolieren oder miteinander zu kombinieren oder durch Gleichwertiges zu ersetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016/005671 [0078]

Claims

Servolenkungssystem (1), umfassend einen ersten Mechanismus (10), der als „untergeordneter Mechanismus “ bezeichnet wird, und einen Hilfsmotor (11) sowie ein gelenktes Rad (12), auf das der Hilfsmotor (11) einwirkt, um das gelenkte Rad in Gierrichtung auszurichten, wobei der untergeordnete Mechanismus (10) auf somit eine untergeordnete kinematische Kette (L10) definiert, die sich von dem Hilfsmotor (11) bis zu einem Abschnitt des gelenkten Rades erstreckt, der „Kontaktabschnitt“ (12C) genannt wird, der dazu bestimmt ist, mit dem Boden (2) in Kontakt zu kommen, so dass die Kräfte und Bewegungen, die von dem Hilfsmotor (11) ausgehen, über und entlang der kinematischen Kette (L10) auf das gelenkte Rad (12) übertragen werden, wobei das Servolenkungssystem (1) auch einen zweiten Mechanismus (20) umfasst, der als „übergeordneter Mechanismus“ bezeichnet wird, der ein Lenkrad (22) umfasst und der entweder frei von jedweder mechanischen Kopplung mit dem untergeordneten Mechanismus (10) ist, so dass eine übergeordnete kinematische Kette (L20) gebildet wird, die von der untergeordneten kinematischen Kette (L10) getrennt ist, oder mechanisch mit dem untergeordneten Mechanismus (10) über ein Kopplungsglied (4) gekoppelt ist, so dass vom Lenkrad (22) bis zu dem Kopplungsglied eine übergeordnete kinematische Hilfskette (L20) gebildet wird, die eine Gabelung (L20B) in Bezug auf die untergeordnete kinematische Kette (L10) bildet, wobei das Servolenkungssystem (1) dadurch gekennzeichnet ist, dass der untergeordnete Mechanismus (10) durch einen geschlossenen Regelkreis (30), der als „unterer lokaler Regelkreis“ bezeichnet wird, kraftgeregelt ist, der einen Eingangszweig, der als „Eingangszweig des unteren Regelkreises“ bezeichnet wird, (31), der es ermöglicht, einen Eingangskraft-Sollwert, der als „Eingangskraft-Sollwert des unteren Regelkreises“ bezeichnet wird, (F10_set), zu definieren, einen Rückkopplungszweig, der als „Rückkopplungszweig des unteren Regelkreises“, (32), bezeichnet wird und der an einem Referenzpunkt, genannt „Referenzpunkt des unteren Regelkreises“, (P10), der sich auf der untergeordneten kinematischen Kette (L10) und außerhalb der übergeordneten kinematischen Kette (L20), nachgeschaltet zum Hilfsmotor (11) und vorgeschaltet zum Kontaktabschnitt (12C) des gelenkten Rades (12) befindet, eine Kraft misst oder schätzt, die als „tatsächliche nachgeschaltete Kraft“ (F10_actual) bezeichnet wird und die an diesem Referenzpunkt (P10) repräsentativ für die Kraft ist, die zwischen dem Hilfsmotor (11) und dem gelenkten Rad (12) durch die untergeordnete kinematische Kette (L10) übertragen wird, umfasst, und dadurch, dass der Rückkopplungszweig (32) des unteren Regelkreises dann die tatsächliche nachgeschaltete Kraft (F10_actual) in Rückkopplung auf den Eingangskraft-Sollwert (F10_set) des unteren Regelkreises aufbringt, um einen Antriebssollwert (F10_mot) des unteren Regelkreises zu bilden, der auf den Hilfsmotor (11) aufgebracht wird, so dass die tatsächliche nachgeschaltete Rückkopplungskraft (F10_actual) automatisch dem Eingangskraft-Sollwert (F10_set) des unteren Regelkreises folgt.
Servolenkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere lokale Regelkreis (30) einen Teilzweig (31A) des Eingangszweigs (31) des unteren Regelkreises umfasst, der einen Eingangssollwert (F10_ref) des unteren Regelkreises einführt, der einen Eingangskraft-Sollwert mit einem Wert von Null darstellt, so dass der niedrige lokale Regelkreis (30) mit einer Kraft von Null geregelt werden kann.
Servolenkungssystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untergeordnete kinematische Kette (L10) eine von dem Hilfsmotor (11) angetriebene Zahnstange (13) umfasst, von der mindestens ein Ende (13L) mit einer Spurstange (14) gekoppelt ist, die ihrerseits die Kräfte und Verschiebungen auf das gelenkte Rad (12) überträgt, und dadurch, dass der Referenzpunkt (P10) des untere Regelkreises, bei dem die tatsächliche nachgeschaltete Kraft (F10_actual) gemessen oder geschätzt wird, nachgeschaltet zu der Zahnstange (13) in Richtung des gelenkten Rades (12) angeordnet ist, zum Beispiel an der Verbindungsstelle zwischen dem Ende der Zahnstange (13F) und der Spurstange (14), auf der Spurstange (14) oder nachgeschaltet zu der Spurstange (14).
Servolenkungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untergeordnete kinematische Kette (L10) einen Achsschenkel (16) umfasst, der das gelenkte Rad (12) trägt und der die Orientierungsachse des gelenkten Rades materialisiert, und dadurch dass der Referenzpunkt (P10) des unteren Regelkreises, an dem die nachgeschaltete tatsächliche Kraft (F10_ist) gemessen oder geschätzt wird, sich auf dem Achsschenkel (16) befindet.
Servolenkungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein „Steer-by-wire“-konfiguriertes Servolenkungssystem bildet, das frei von jedweder mechanischen Kopplung zwischen dem übergeordneten Mechanismus (20) und dem untergeordneten Mechanismus (10) ist.
Servolenkungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der übergeordnete Mechanismus (20) zusätzlich zum Lenkrad (22) einen Hilfsmotor (21) umfasst, der sich von dem Hilfsmotor (11) des untergeordneten Mechanismus (10) unterscheidet, und dadurch dass der übergeordnete Mechanismus (20) durch einen geschlossenen Regelkreis (40) drehmomentgesteuert ist, der einen Eingangszweig, genannt „Eingangszweig des oberen Regelkreises“, (41), der die Definition eines Eingangsdrehmoment-Sollwerts, genannt „Eingangsdrehmoment-Sollwert des oberen Regelkreises“, (T20_set), ermöglicht, sowie einen Rückkopplungszweig, genannt „Rückkopplungszweig des oberen Regelkreises“, (42), umfasst, der an einem Referenzpunkt, der als „Referenzpunkt des oberen Regelkreises“ (P20) bezeichnet wird und sich zwischen dem Hilfsmotor (21) und dem Lenkrad (22) befindet, ein Drehmoment misst oder schätzt, das als „tatsächliches Drehmoment des Fahrers“ (T20_actual) bezeichnet wird und an diesem Referenzpunkt repräsentativ für das Drehmoment (T_driver) ist, das vom Fahrer über das Lenkrad (22) auf den übergeordneten Mechanismus (20) ausgeübt wird, und dadurch dass der Rückkopplungszweig (42) des oberen Regelkreises dann das tatsächliche Antriebsdrehmoment (T20_ist) in Rückkopplung auf den Eingangskraft-Sollwert (T20_soll) des oberen Regelkreises aufbringt, um so einen Antriebssollwert (T20_mot) des oberen Regelkreises zu bilden, der auf den Hilfsmotor (21) aufgebracht wird, so dass das tatsächliche Antriebsdrehmoment (T20_actual) automatisch dem Eingangsdrehmoment-Sollwert (T20_set) des oberen Regelkreises folgt.
Servolenkungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der obere lokale Regelkreis (40) einen Teilzweig (41A) des Eingangszweiges des oberen Regelkreises umfasst, der eine Eingangsreferenz (T20_ref) des oberen Regelkreises einführt, die einen Eingangsdrehmoment-Sollwert mit einem Wert von Null darstellt, so dass der obere lokale Regelkreis (40) mit einem Drehmoment von Null geregelt werden kann.
Servolenkungssystem nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine als „globale Steuerung“ bezeichnete Steuerung (50) umfasst, die in Abhängigkeit von Parametern, die für den Zustand des übergeordneten Mechanismus (20) und den Zustand des untergeordneten Mechanismus (10) repräsentativ sind, einerseits eine dynamische Komponente des Kraftsollwerts des unteren Regelkreises (F10_dyn), die auf den unteren lokalen Regelkreis (30) angewendet wird, und andererseits eine dynamische Komponente des Drehmomentsollwerts des oberen Regelkreises (T20_dyn), die auf den oberen lokalen Regelkreis (40) angewendet wird, separat erzeugt.
Servolenkungssystem nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangskraft-Sollwert (F10_set) des unteren Regelkreises aus der Kombination, und vorzugsweise aus der algebraischen Summe, des Eingangsreferenzwertes (F10_ref) des unteren Regelkreises, der repräsentativ für eine Kraft Null ist, und der dynamischen Komponente des Kraftsollwertes (F10_dyn) des unteren Regelkreises, die aus dem globalen Steuerung (50) stammt, resultiert.
Servolenkungssystem nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsdrehmoment-Sollwert (T20_set) des oberen Regelkreises sich aus der Kombination, und vorzugsweise aus der algebraischen Summe, der Eingangsreferenz (T20_ref) des oberen Regelkreises, die repräsentativ für ein Drehmoment von Null ist, und der dynamischen Komponente des Drehmomentsollwerts (T20_dyn) des oberen Regelkreises, die aus der globalen Steuerung (50) stammt, ergibt.
Servolenkungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die am Referenzpunkt (P10) des unteren Regelkreises gemessene oder geschätzte nachgeschaltete tatsächliche Kraft (F10_actual) auch außerhalb des unteren lokalen Regelkreises (30) mittels einer Funktion mit der Bezeichnung „Vorwärtssteuerung“ (60) als eine Komponente zur Bestimmung des Eingangskraft-Sollwerts des oberen Regelkreises (T20_soll) oder als eine Komponente zur Bestimmung oder Einstellung des Antriebssollwerts des oberen Regelkreises (T20_mot) verwendet wird, die dazu bestimmt ist, auf den Hilfsmotor (21) angewendet zu werden.
Servolenkungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche nachgeschaltete Kraft (F10_actual) am Referenzpunkt (P10) des unteren Regelkreises mit einer Bandbreite gemessen wird, die sich mindestens bis zu 20 Hz, mindestens bis zu 25 Hz, mindestens bis zu 30 Hz und sogar über 30 Hz hinaus erstreckt.