DE19504435A1

DE19504435A1 - Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat und Verfahren für umkehrbare Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE19504435A1
Application number: DE19504435A
Authority: DE
Inventors: Katzutaka Adachi; Hideki Sudo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: US5594307A; DE19504435B4

Description

Hintergrund der Erfindung Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strom servoverstärkungs-/-steuerungsapparat und ein Verfahren für umkehrbare Gleichstrommotoren, die anwendbar sind auf ein Vierradlenkungssystem (4WS) eines Fahrzeugs mit einer Korrektur der gegenelektromotorischen (oder rückelektromotorische) Kraft des Motors, die durch den sich drehenden Gleichstrommotor als effektive Anschlußklemmenspannung über den in Betracht gezogenen Motor erzeugt wird, und ohne Erkennung des durch den Gleich strommotor fließenden Stroms und eines Motorstromrückwirkungs schaltkreises.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein früher vorgeschlagener Stromservoverstärkungs-/-steue rungsapparat, der auf ein Vierradlenkungssystem eines Fahrzeugs anzuwenden ist, ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt generell die früher vorgeschlagene gesamte Steuerung, die zur Durchführung einer Positionssteuerung für einen umkehrbaren Gleichstrommotor 1 benutzt wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält die Steuerung: einen Motor positionssteuerungs-/-berechnungsschaltkreisblock 2, der einen Motorstromvorgabewert I* entsprechend einem eingegebenen Motor winkelverstellungs(positions)vorgabewert θ* und einem rück gemeldeten Motorwinkelpositionsanzeigesignal θ berechnet; und einen Stromservoverstärkungs-/-steuerungsschaltkreisblock 3, der einen Motoreingabestrom in Übereinstimmung mit dem vom Motor positionssteuerungs-/-berechnungsschaltkreisblock 2 abgeleiteten Motorstromvorgabewert I* steuert. Der Stromservoverstärkungs-/ -steuerungsschaltkreisblock 3 leitet den Motorstrom I, der mit dem Stromvorgabewert I* übereinstimmt, ab durch Erkennen des aktuellen Motorstroms I durch seinen Stromerkennungsschaltkreis block 4 und durch Rückwirkung des erkannten Motorstroms I durch seinen Stromrückwirkungsschaltkreisblock 5.

Da jedoch in der in Fig. 1 gezeigten Steuerung ein Dreieck wellenformgenerator, ein Schaltkreis für die Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn, und ein Schaltkreis für die Drehrichtung im Uhrzeigersinn im Motorstromrückwirkungsschaltkreisblock 5 benötigt wird, und der Stromerkennungsschaltkreisblock 4 zur Erkennung des aktuell fließenden Motorstroms I ebenfalls benötigt wird, werden die Herstellungskosten des früher vor geschlagenen Motorstromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats (der gesamten, in Fig. 1 gezeigten Steuerung) hoch.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kosteneffektiven Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat und ein Verfahren für umkehrbare Gleichstrommotoren ohne Motorstrom erkennungsschaltkreis und ohne Motorstromrückwirkungsschaltkreis vorzusehen, die auf ein Vierradlenkungssystem (4WS) eines Fahrzeugs anwendbar sind, das eine Motorpositionierungsreaktion erreichen kann, die näherungsweise mit dem Entwicklungsziel übereinstimmt, wenn der Gleichstrommotor im Hochgeschwindig keitsbereich dreht, und die die vom sich drehenden Motor erzeugte gegenelektromotorische Kraft genau abschätzen kann.

Das oben beschriebene Ziel kann durch Bereitstellung eines Apparats erreicht werden, der enthält: a) einen umkehrbaren Gleichstrommotor; b) einen Leistungstransistorschaltkreis, der so konstruiert ist, daß er den Motor mit einem Motoreingangs strom wirksam versorgen kann; c) eine erste Einrichtung zum Überwachen der Stromversorgungsspannung V_E über den Motor; d) eine zweite Einrichtung zum Erkennen der Winkelverstellung des Motors; e) eine dritte Einrichtung zur Berechnung eines Ziel motoreingabestroms I_R*, um die dynamische Charakteristik des Motors immer konstant zu halten, damit so die dynamische Charak teristik des Motors kompensiert wird; f) eine vierte Einrichtung für einen Motoreinstellungsstrom I_M*, um die Positionierungs charakteristik und die Reaktionscharacteristik des Motors abzuleiten, die zu erreichen vom Entwickler gewünscht werden; g) eine fünfte Einrichtung zur Bestimmung eines Motorstromvorgabe wertes I* auf der Basis des Zielmotoreingabestroms I_R* und des Motoreinstellungsstroms I_M*; h) eine sechste Einrichtung zur Abschätzung der vom Motor erzeugten gegenelektromotorischen Kraft unter Benutzung der durch die dritte Einrichtung konstant gemachten dynamischen Charakteristik auf der Basis des Motor einstellungsstroms I_M* und der Winkelverstellung des Motors; i) einer siebten Einrichtung zum Speichern zuvor gemessener Impedanzen des Motors und des Leistungstransistorschaltkreises; j) eine achte Einrichtung zur Bestimmung der Grundeinschaltdauer T_D des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis der über wachten Stromversorgungsspannung, der gegenelektromotorischen Kraft und der Impedanzen des Motors und des Leistungstransistor schaltkreises; und k) ein Schaltkreis zum Schalten des Leistungstransistors, der so konstruiert ist, daß er das Ein schalten und das Ausschalten des Leistungstransistorschalt kreises auf der Basis des Motorstromvorgabewertes I* und der Grundeinschaltdauer des Leistungstransistorschaltkreises steuert.

Das oben beschriebene Ziel kann auch durch Bereitstellung eines Apparats erreicht werden, der enthält: a) einen umkehr baren Gleichstrommotor; b) einen Leistungstransistorschaltkreis, der so konstruiert ist, daß er den Motor mit einem Motorein gangsstrom wirksam versorgen kann; c) eine erste Einrichtung zum Überwachen der Stromversorgungsspannung V_E über den Motor; d) eine zweite Einrichtung zum Erkennen der Winkelverstellung des Motors; e) eine dritte Einrichtung zur Berechnung eines Ziel motoreingabestroms I_R*, um die dynamische Charakteristik des Motors immer konstant zu halten, damit so die dynamische Charakteristik des Motors kompensiert wird; f) eine vierte Einrichtung für einen Motoreinstellungsstrom I_M*, um die Positionierungscharakteristik und die Reaktionscharacteristik des Motors abzuleiten, die zu erreichen vom Entwickler gewünscht werden; g) eine fünfte Einrichtung zur Bestimmung eines Motor stromvorgabewertes I* auf der Basis des Zielmotoreingabestroms I_R* und des Motoreinstellungsstroms I_M*; h) eine sechste Einrich tung zur Abschätzung der vom Motor erzeugten gegenelektromoto rischen Kraft unter Benutzung der durch die dritte Einrichtung konstant gemachten dynamischen Charakteristik auf der Basis des Motoreinstellungsstroms I_M* und der Winkelverstellung des Motors; i) einer siebten Einrichtung zum Speichern zuvor gemessener Impedanzen des Motors und des Leistungstransistorschaltkreises; j) eine achte Einrichtung zur Bestimmung der Grundeinschaltdauer T_D des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis der über wachten Stromversorgungsspannung, der gegenelektromotorischen Kraft und der Impedanzen des Motors und des Leistungstransistor schaltkreises; und k) ein Schaltkreis zum Schalten des Leistungstransistors, der so konstruiert ist, daß er das Ein- und das Ausschalten des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis des Motorstromvorgabewertes I* und der Grundeinschaltdauer des Leistungstransistorschaltkreises steuert.

Das oben beschriebene Ziel kann auch durch Bereitstellung eines Verfahrens einer Stromservoverstärkung/-steuerung für einen umkehrbaren Gleichstrommotor erreicht werden, das die Schritte enthält: a) eine Erkennung der Stromversorgungsspannung (V_E) zum Antrieb des Gleichstrommotors, die über einem über den Motor verbundenen Leistungstransistorschaltkreis anliegt; b) eine Erkennung der Drehwinkelposition θ des Motors; c) ein Empfang der Winkelposition θ des Motors, Konvertierung der dynamischen Charakteristik des Motors in ein identifiziertes Modell mit einer konstanten, linearisierten (linearen) Über tragungsfunktion, und Berechnung und Ausgabe eines Stroms (I_R*, I_RB) zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors derart, daß die Reaktion des Motors mit dem identifizierten Modell übereinstimmt; d) ein Reagieren auf einen Drehungs vorgabewert θ*, θ*_B) von außen, Berechnung und Ausgabe eines Drehungseinstellungsstroms des Motors (I_M*, I_MB), um die Drehungseinstellung des Motors und die Drehungseinstellungs reaktion des Motors zu erreichen, die vom Entwickler des Apparats gewünscht ist; e) ein Empfang des Stroms zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors (I_R*, I_RB) und des Stroms zur Einstellung des Motors (I_M*, I_MB) und Bestimmung eines Motoreingabestromvorgabewertes (I_R*, I_RB) auf der Basis des Stroms zur Kompensation der dynamischen Charak teristik des Motors (I_R*, I_RB) und des Stroms zur Einstellung des Motors (I_M*, I_MB); f) ein Empfang der Winkelstellung (θ) des Motors und mindestens des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB) der Steuerungseinrichtung zur Modellabstimmung, Abschätzen der Winkelgeschwindigkeit (dθ^#, θ_H) des Motors unter Benutzung der konstanten, linearisierten Übertragungsfunktion auf der Basis der Winkelposition (θ) und des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB), und Abschätzen der in dem sich drehenden Motor erzeugten elektromotorischen Kraft (V_R, V_RB) aus der geschätzten Winkel geschwindigkeit (dθ^#, dθ_H) des Motors; g) eine Speicherung zuvor gemessener Spezifikationswerte des Motors, der Betriebsparameter in der linearisierten Übertragungsfunktion, und der inneren Impedanzen des Leistungstransistorschaltkreises; h) ein Empfang der Spezifikationswerte des Motors, der Impedanzwerte des Leistungstransistorschaltkreises, des Motorversorgungs spannungswertes (V_E) und der geschätzten Werte der gegenelek tromotorischen Kraft (V_R, V_RH), und Berechnung einer Grundein schaltdauer (T_D) des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis der empfangenen Werte; und i) eine Erzeugung des Einschaltsignals (T_ON) zur Versorgung des Leistungstransistor schaltkreises auf der Basis des Motorstromvorgabewertes (I*, I_B) und der Grundeinschaltdauer (T_D).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schaltkreisblockdiagramm eines bisher vorgeschlagenen Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats für einen umkehrbaren Gleichstrommotor, wie beschrieben in "Hinter grund der Erfindung"

Fig. 2A und 2B sind zusammen ein Schaltkreisblockdiagramm eines Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats für einen umkehrbaren Gleichstrommotor in einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist ein internes Schaltkreisblockdiagramm eines Motoreinstellungssteuerungsschaltkreisblocks 130 von Fig. 2A

Fig. 4 ist ein Schaltkreisblockdiagramm eines Motorwinkel geschwindigkeitabschätzers, der in einem in Fig. 2A gezeigten Schaltkreisblock 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft eines Motors gebildet wird.

Fig. 5 ist ein Betriebsflußdiagramm, das von einem in Fig. 2A und 2B gezeigten Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat ausgeführt wird.

Fig. 6A und 6B und 7A und 7B sind charakteristische Diagramme der Motorwinkelgeschwindigkeit und der am Motor angelegten Spannung als Ergebnis von Simulationen unter Benutzung des in Fig. 2A und 2B gezeigten Apparats und unter Benutzung eines anderen, früher vorgeschlagenen Stromservoverstärkungs-/ -steuerungsapparats, in welchem keine Abschätzung der gegenelek tromotorischen Kraft des Motors ausgeführt wird.

Fig. 8 ist ein charakteristisches Diagramm der am Motor angelegten Spannung als Ergebnis einer Simulation unter Benutzung des in Fig. 2A und 2B gezeigten Apparats in einem Fall, in dem eine Bedingung für eine Eingabe u für den Zustands beobachter (den Abschätzer für die Motorwinkelgeschwindigkeit) nicht hinzugefügt wurde.

Fig. 9 ist ein charakteristisches Diagramm der am Motor angelegten Spannung als Ergebnis einer Simulation unter Benutzung des in Fig. 2A und 2B gezeigten Apparats in einem Fall, in dem jede einzelne der Bedingungen für eine Eingabe u für den Zustandsbeobachter hinzugefügt wurde (als eine Modifikation der ersten Ausführungsform).

Fig. 10A ist eine erklärende Darstellung der Beziehung zwischen der Ein-und Ausschaltperiode F_W und dem in der ersten, in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform berechneten Einschalttast verhältnis D_T des Leistungstransistors.

Fig. 10B ist eine erklärende Darstellung eines äquivalenten Schaltkreises des Gate eines Leistungstransistors, wobei der Leistungstransistor mit dem umkehrbaren, in Fig. 2A gezeigten Gleichstrommotor verbunden ist.

Fig. 10C ist ein erklärendes charakteristisches Diagramm der Beziehung zwischen dem Motorstrom I und dem Stromvorgabewert I* in dem anderen, früher vorgeschlagenen Stromservoverstärkungs-/ -steuerungsapparat.

Fig. 10D ist eine erklärende Darstellung zur Erläuterung einer berechneten, endgültigen Einschaltdauer T_ON (= T_D + T_C) des Leistungstransistors in dem in Fig. 2A und 2B gezeigten Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat.

Fig. 11 ist ein Schaltkreisblockdiagramm eines anderen Motoreinstellungssteuerungsblocks im Fall der zweiten bevor zugten Ausführungsform des Stromservoverstärkungs-/-steuerungs apparats nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist eine erklärendes Schaltkreisblockdiagramm eines anderen Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzers in dem Motor einstellungssteuerungsschaltkreisblock in der zweiten Ausfüh rungsform.

Fig. 13 ist ein Betriebsflußdiagramm, das von dem Stromservo verstärkungs-/-steuerungsapparat im Fall der zweiten Ausfüh rungsform ausgeführt wird.

Fig. 14A, 14B, 14C und 14D sind charakteristische Diagramme des Vorgabewertes für den Hinterradlenkungswinkel, des Hinter radlenkungswinkels, der Motorwinkelgeschwindigkeit und des tatsächlichen Motorantriebstroms als Ergebnis von Simulationen im Motorsteuerungsapparat im Fall der zweiten Ausführungsform, wenn die oben beschriebenen Stromservoverstärkungs-/-steuerungs apparate der ersten als auch der zweiten Ausführungsform tatsächlich auf ein motorgetriebenes Vierradlenkungssystem (4WS) eines Automobils angewendet werden.

Bester Modus zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.

(Erste Ausführungsform)

Fig. 2A und 2B zeigen zusammen ein Schaltkreisblockdiagramm eines Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats für einen umkehrbaren Gleichstrommotor in einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, hat der umkehrbare Gleich strommotor 100 ein Ende verbunden mit dem Source-Anschluß eines ersten (Leistungs-)MOS-Transistors und mit dem Drain-Anschluß eines zweiten (Leistungs-)MOS-Transistors, und hat das andere Ende verbunden mit dem Source-Anschluß eines dritten (Leistungs)-MOS-Transistors und mit dem Drain-Anschluß eines vierten (Leistungs-)MOS-Transistors. Eine positive Gleichstrom- Versorgungsspannung V_E ist mit jedem Drain-Anschluß des ersten und dritten MOS-Transistors verbunden. Jeder Source-Anschluß des zweiten und vierten MOS-Transistors ist mit Masse verbunden. Die Struktur eines Leistungstransistorschaltkreises 110, die über den Gleichstrommotor 100 verbunden ist, ist beispielhaft dargestellt durch eine United States Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/189 872, die am 1. Februar 1994 eingereicht wurde (, und deren Offenlegung hier durch Bezug eingebracht wird) - Ein Sensor 102, der so konstruiert ist, daß er die Winkelverstellung (-position) des Gleichstrommotors erkennt, ist beispielhaft dargestellt durch eine United States Patentanmel dung mit Priorität aufgrund einer japanischen Patentanmeldung Nr. 6-10772 (eingereicht am 2. Februar 1994) - In Fig. 2B bezeichnet das Bezugszeichen 110 einen Leistungstransistor schaltkreis.

Eine gesamte Steuerung 101 schließt ferner eine arithmetische Recheneinheit 111 ein, die ein die Motorwinkelposition kenn zeichnendes Signal θ vom Sensor 102, eine gemessene Motorver sorgungsspannung V_E und einen Motorwinkelvorgabewert θ* von außerhalb der Steuerung 101 empfängt, und die ein Leistungstran sistorschaltsteuerungssignal an jeweils zwei sich entsprechender Gate-Anschlüsse des Leistungs-MOS-Transistorschaltkreises 110 entsprechend der Motordrehrichtung abgibt.

Die arithmetische Recheneinheit 111 besteht aus einem Motor einstellungssteuerungsschaltkreisblock 130 und einem Stromservo verstärkungs-/-steuerungsblock 131. Die arithmetische Rechen einheit 111 besteht aus einer elektronischen Steuerungseinheit, die generell einen Mikrocomputer einschließt.

Fig. 3 zeigt ein Schaltkreisblockdiagramm des (in Fig. 2A gezeigten) Motoreinstellungssteuerungsschaltkreisblocks 130 des Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats, der anwendbar ist auf ein Motor-getriebenes Vierradlenkungssystems eines Fahr zeugs, das den Hinterradlenkungswinkel mittels eines Hinterrad lenkungsmechanismus steuert. So bildet der Motoreinstellungs steuerungsschaltkreisblocks 130 eine Motoreinstellungssteuerung.

Wie in Fig. 3 gezeigt, schließt der Motoreinstellungs steuerungsschaltkreisblocks 130 ein: einen robusten Kompensator 130a; einen Modellangleichungssteuerungsschaltkreisblock 130b; und einen Motoreingabestrombegrenzer 130c.

Der robuste Kompensator 130 ist so konstruiert, daß er die Nichtlinearitäts-Charakteristik eines gesteuerten Objektes (Stellgliedes) kompensiert, und ein vom gesteuerten Objekt mit robuster Kompensationstechnik verursachtes Fehlermodell abgibt, und für die Steuerung des gesteuerten Objektes jederzeit das gesteuerte Objekt durch ein vom Entwickler bestimmtes lineari siertes Modell ersetzt.

Der Modellangleichungssteuerungsschaltkreisblock 130b (auch Modellanpassungskompensator genannt) ist so konstruiert, daß er die Reaktion des gesteuerten Objekts auf die Eingabe in das gesteuerte Objekt steuert, so daß das gesteuerte Objekt die vom Entwickler gewünschte Reaktion aufweist.

Der Motoreingabestrombegrenzer 130c gibt den Stromvorgabewert I* an den Stromservoverstärkungs-/-steuerungsschaltkreisblock 131 und an den robusten Kompensator 130a ab, mit einer Begren zung für den Maximalwert des addierten Ergebnisses (in einer früheren Fassung einer Subtraktion) einer Ausgabe I_R* des robusten Kompensators 130a und einer Ausgabe I_M* des Modell angleichungssteuerungsschaltkreisblocks 130b (mit Berücksich tigung einer Kapazität der Schaltkreiselemente im Leistungs transistorschaltkreis 110 usw.).

Der robuste Kompensator 130a ist beispielhaft dargestellt durch die (nun zugelassene) United States Patentanmeldung Seriennummer 07/998 916, die am 30. Dezember 1992 angemeldet wurde (und die mit einer deutschen Patentanmeldung Erstver öffentlichung Nr. DE 43 00 366 A1 korrespondiert), und Serien nummer 07/998 914, die am 30. Dezember 1992 angemeldet wurde (und die mit einer deutschen Patentanmeldung Erstveröffent lichung Nr. DE 43 00 365 A1 korrespondiert) (, deren Offen legungen hier durch Bezug eingebracht wird). Der Modell angleichungssteuerungsschaltkreisblock 130b (einschließlich des robusten Kompensators 130a) ist beispielhaft dargestellt durch eine japanische Veröffentlichung der SAE (Society of Automotive Engineering) Nr. 9302187 mit dem Titel Nr. 62 "Robust Control System for Electric Rear-Wheel-Steering Actuator" (Robustes Steuerungssystem für das elektrische Hinterradlenkungsstell glied), veröffentlich im Mai 1993.

Im Detail empfängt der robuste Kompensator 130a das Motor winkelpositionssignal θ vom Sensor 102 (der Sensor 102 besteht generell aus einem Potentiometer), konvertiert die dynamische Charakteristik des Motors in ein identifiziertes Modell mit einer konstanten, linearisierten Übertragungsfunktion (die Gleichung der Übertragungsfunktion wird später beschrieben), und berechnet und gibt den Kompensationsstrom I_R* der dynamischen Charakteristik des Motors aus, so daß die Reaktion des gesteu erten Objektes (Stellglied oder Motor) mit dem identifizierten Modell übereinstimmt.

Als Reaktion auf den Motordrehungsvorgabewert θ* von außer halb der Steuerung 101 berechnet und gibt der Modellanglei chungssteuerungsschaltkreisblock 130b den Motoreinstellungsstrom I_M* aus, um eine Drehposition und Drehpositionierungsreaktion des Motors auf den Winkelpositionsvorgabewert zu erreichen, der vom Entwickler der Steuerung 101 einschließlich des Stellgliedes (gesteuertes Objekt) gewünscht wird.

Jedes Ergebnis der oben beschriebenen Berechnungen, d. h. der Motorstromvorgabewert I*, ein Strom I_R* zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors, ein Motoreinstellstrom I_M*, und die Winkelposition θ des Motors werden an den Strom verstärkungs-/-steuerungsschaltkreisblock 131 ausgegeben.

Der Stromservoverstärkungs-/-steuerungsschaltkreisblock 131 schließt, wie in Fig. 2A gezeigt, ein: einen Motorversorgungs spannungmeß-(erkennungs-)schaltkreisblock 120; einen Grundtast verhältnisberechnungsschaltkreisblock 121; einen Tastverhältnis korrekturmengenberechnungsschaltkreisblock 122; einen Leistungs transistorschaltsteuerungsschaltkreisblock 123; und den Schalt kreisblock 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft (c.e.m.f., counter-electromotive force).

Der Motorversorgungsspannungsmeßschaltkreisblock 120 dient zur Erkennung (Überwachung) der Versorgungsspannung V_E, die dem Motor 100 über den Leistungstransistorenschaltkreis 110 von einer mit der positiven Versorgungsspannung verbundenen Leitung zugeführt wird, wie in Fig. 2B gezeigt.

Der Grundtastverhältnisberechnungsschaltkreisblock 121 berechnet das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer (PWM-(Pulsweitenmodulations-)Tastverhältnis) für jede Leistungstransistorschaltperiode F_W entsprechend dem zuvor gemessenen Innenwiderstand des Motors 100 und dem Einschalt widerstand des entsprechenden Leistungstransistors des Leistungs transistorschaltkreises 110 und der gemessenen Versorgungs spannung V_E, und berechnet eine Grundausgabestufenschaltzeit dauer T_D, wie später beschrieben werden wird.

Der Tastverhältniskorrekturmengenberechnungsschaltkreisblock 122 berechnet eine Korrekturmenge (Zeitdauer) der Grundausgabe stufenschaltzeitdauer T_D, die von Grundtastverhältnisberechnungs schaltkreisblock 121 berechnet wurde, um eine korrigierte (Korrekturwert wird zur Korrektur benutzt) Ausgabestufenschalt zeitdauer T_c abzuleiten, wie später beschrieben wird.

Der Leistungstransistorschaltsteuerungsschaltkreisblock 123 gibt die Leistungstransistorsteuersignale aus, die zur Steuerung des Schaltbetriebs des Leistungstransistorschaltkreisblocks 110 benutzt werden, auf der Basis einer Zeitdauer T_ON eines Addi tionswertes der Grundausgabestufenschaltzeitdauer T_D und der korrigierten Ausgabestufenschaltzeitdauer T_C und des Motorstrom vorgabewertes I*, der vom in Fig. 3 gezeigten Motoreingabestrom begrenzer abgeleitet wird.

Fig. 4 zeigt einen Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer, der im Schaltkreis 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft geformt ist.

Der in Fig. 2A gezeigte Schaltkreis 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft wird aus dem in Fig. 4 gezeigten Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer gebildet, entsprechend der linearisierten Übertragungsfunktion des gesteuerten Objekts mittels des robusten Kompensators 130a. Der Schaltkreis 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft empfängt den Motorstromvorgabewert I* (vom Begrenzer 130c), den Motorein stellungsstrom I_M* (vom Modellangleichungssteuerungsschaltkreis block 130b), und die Motorwinkelposition θ (vom Sensor 102) Der Schaltkreis 124 zur Abschätzung der gegenelektromoto rischen Kraft schätzt schließlich die durch den sich drehenden Motor erzeugte gegenelektromotorische Kraft V_R aufgrund der geschätzten Motorwinkelgeschwindigkeit dθ^# des in Fig. 4 gezeigten Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzers und aufgrund eines zuvor gemessenen Spezifikationswertes, d. h., einer Konstanten K_R der gegenelektromotorischen Kraft, wie später beschrieben werden wird. Es wird bemerkt, daß solche Motor spezifikationswerte, Konstanten, und andere natürliche Werte des Leistungstransistorschaltkreises 110 zuvor gemessen und in einem Speicher der elektronischen Steuereinheit gespeichert wurden.

Ein hochgestellter Index * bezeichnet einen Zielwert (oder sogenannten Wunschwert) und ein hochgestellter Index ^# bezeichnet einen geschätzten Wert in der ersten Ausführungsform.

Als nächstes wird die Betriebsweise des Stromservoverstär kungs-/-steuerungsapparats in der ersten Ausführungsform beschrieben.

[Betriebsweise des Stromservoverstärkungs-/-steuerungs apparats]

Fig. 5 zeigt ein Betriebsflußdiagramm der arithmetischen Recheneinheit 111, um einen Motorstromservoverstärkungs-/ -steuerungsprozeß auszuführen.

Es wird bemerkt, daß die arithmetische Recheneinheit 111 im weiteren als Steuerung bezeichnet wird.

In Schritt 50 bestimmt die Steuerung 111, ob die Motorein stellzeit des Motors 100 erreicht ist. Bei JA in Schritt 50 verzweigt das Programm zu Schritt 51. Bei NEIN in Schritt 50 verzweigt das Programm zu Schritt 55, wie weiter unter beschrieben werden wird.

In Schritt 51 empfängt die Steuerung das Motorwinkelposi tionssignal θ vom Sensor 102 und den Motorwinkelpositionsvorgabe wert θ*.

In Schritt 52 berechnet der robuste Kompensator 130a der Steuerung 111 den Strom I_R zur Kompensation der dynamischen Charakteristik unter Benutzung der robusten Kompensationstechnik auf der Basis der eingegebenen Motorwinkelposition θ und des Motoreingabestromvorgabewertes I*, der von einer zuvor ausge führten Routine von Fig. 5 abgeleitet wurde.

In Schritt 53 berechnet der Modellangleichungssteuerungs schaltkreisblock 130b der Steuerung 101 den Motoreinstellungs strom I_M* unter Benutzung der Modellangleichungstechnik auf der Basis der Eingaben I* und θ.

In Schritt 54 bestimmt die Steuerung 111 den Motorstromvor gabewert I* entsprechend dem berechneten Strom I_R* zur Kompen sation der dynamischen Charakteristik des Motors und dem berech neten Motoreinstellungsstrom I_M*.

In Schritt 55 bestimmt die Steuerung 111, ob die Berech nungszeit für das Leistungstransistorsteuerungssignal erreicht ist. Bei JA in Schritt 55 verzweigt das Programm zu Schritt 56. Bei NEIN in Schritt 55 kehrt das Programm zu Schritt 50 zurück.

In Schritt 56 empfängt der Motorversorgungsspannungs erkennungsblock 120 der Steuerung 111 die Spannung V_E, die die Versorgungsspannung des Motors 100 ist.

Es wird bemerkt, daß, obwohl in dem in Fig. 5 gezeigten Schritt 57 die vom sich drehenden Motor 100 erzeugte gegenelek tromotorische Kraft V_R vom Schaltkreisblock 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft des Motors berechnet wird, die Abschätzung der vom sich drehenden Motor 100 erzeugten gegen elektromotorische Kraft V_R unten beschrieben werden wird.

Die lineare Übertragungscharakteristik des gesteuerten Objekts wird wie folgt ausgedrückt:

θ = n_m0/(s² + d_m1 · s + d_m0) (1)

wobei s einen Differentialoperator (Laplacel Transformations operator) bezeichnet.

In der Gleichung (1) bezeichnen n_m0, d_m0 und d_m1 dynamische Betriebsparameter wie etwa Trägheitsmoment, viskoser Brems koeffizient und Federkonstante, und haben spezifische numerische Werte (z. B. bezeichnet n_m0 487.6, bezeichnet d_m0 20.8 und d_m1 bezeichnet 11.4) entsprechend dem tatsächlichen Experiment, wenn der Gleichstrommotor 100 mit dem Hinterradlenkungsmechanismus verbunden ist, das an der hinteren Verbindungsstange der hinteren Fahrzeugaufhängung vorgesehen ist, und ein Unter setzungsgetriebe und eine Rückholfeder aufweist.

Zusätzlich wird die Zustandsgleichung des in Fig. 4 gezeigten Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzers wie folgt ausgedrückt (der in Fig. 4 gezeigte Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer ist ein Observer minimaler Ordnung):

dω/dt = A^# · ω + K · θ + B^# · u (2)

dθ* = D · ω + H · θ, (3)

wobei u eine Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzereingabe bezeichnet ( = I_M*),
A^# = - d_m1 - L,
B^# = L · n_m0,
K = - L (d_m1 + L) - d_m0,
H = L,
dθ* den geschätzten Wert der Motorwinkelgeschwindigkeit bezeichnet,
D eine Ausgabematrix des Observers minimaler Ordnung bezeichnet und 1 anzeigt, und
L eine vom Entwickler willkürlich gesetzte Konstante bezeichnet.

Die durch den sich drehenden Motor 100 (regenerativ) erzeugte gegenelektromotorische Kraft V_R kann aus der folgenden Gleichung unter Benutzung des vorher gemessenen Spezifikationswertes des umkehrbaren Gleichstrommotors 100, d. h. einer Konstanten K_R der gegenelektromotorischen Kraft, abgeschätzt werden.

V_R = K_R · dθ^# (4)

In Schritt 58 wird das PWM-Tastverhältnis D_T als das Verhältnis der Einschaltperiode für jede Leistungstransistor schaltperiode F_W berechnet aus der folgende Gleichung (5), in der der Term (V_E - V_R) sich aus der Subtraktion der geschätzten gegenelektromotorischen Kraft V_R von der erkannten Motorversor gungsspannung V_E ergibt, d. h., (V_E - V_R):

I_max = (V_E - V_R)/R_M, (5)

wobei R_M einen vorher gemessenen äquivalenten Ankerwiderstand bezeichnet.

D_T = I*/I_max (6)

Jedoch wird bemerkt, daß nur in dem Stromservoverstärkungs-/-steuerungsverfahren, in dem der Strom I durch Ein- und Aus schalten des Leistungstransistorschaltkreises 110 gesteuert wird, die am Motor angelegte Spannung (die über den Gleichstrom motor 100 gelegte Spannung) eine derartige Wellenform hat (siehe Fig. 10D), daß die ansteigende Flanke (in Fig. 10D mit S_G bezeichnet) am Beginn des Stromflusses verzögert ist, wegen der inhärenten Reaktionsverzögerung der Gate-Spannung V_C, die durch den inhärenten Widerstand R₁ (einschließlich Verdrahtungswider stand) und der Gate-Streukapazität C₁ , welche jeder Leistungs transistor natürlicher Weise aufweist (siehe Fig. 10B), verur sacht wird, und wegen einer Schaltverzögerung des Gate eines jeden Leistungstransistors (wegen des vorhandenen Gate-Source-Widerstandes R₂, usw.), so daß der Motorstromvorgabewert I* und der tatsächlich durch den Gleichstrommotor fließende Motorstrom I nicht miteinander übereinstimmen (siehe Fig. 10C) . Solche oben beschriebenen inhärenten Widerstände und Kapazitäten werden aus den Datenblättern jedes Leistungstransistors entnommen.

Deshalb wird die Gate-Einschaltzeit ausgeweitet, um so die Fläche der Ausweitung der Gate-Einschaltzeit gleich dem fehlenden Anteil S_G der Motorversorgungsspannung V_M bezüglich des Leistungstransistorschaltreferenzsignals zu machen, der durch solche Reaktionsverzögerungen wie oben beschrieben verursacht wird (siehe Fig. 10D). In Fig. 10D bezeichnet V_ME die effektiv am Motor anliegende Spannung.

Zuerst wird die Fläche des fehlenden Anteils S_G der Motorver sorgungsspannung V_ME unter Benutzung der folgenden Gleichungen berechnet.

wobei T_G = R₁ · C₁, (Gate-Widerstand und -Streukapazität), T_D = D_T/F_W , (Leistungstransistorgrundeinschaltzeitdauer),
und
L_G die Gate-Schaltverzögerungszeit bezeichnet.

Daher ist die Schaltausweitungszeit T_C wie folgt:

T_C = (1/T_G) (1 - exp (-t/T_G)) + L_G (8)

wobei die oben erwähnten Werte von L_G, R₁ und C₁ vorher gemessen oder aus den Spezifikationen der einzelnen Elemente des Apparats und Experimenten , wie oben beschrieben, entnommen wurden. Zusätzlich kann die Schaltausweitungszeit T_C nach einer Tabelle im Speicher bestimmt werden, in dem die Schaltauswei tungszeit T_C eine Funktion der Leistungstransistoreinschaltdauer T_D ist.

Wie oben beschrieben, wurde die Folge der Operationen in den Schritten 57 bis 59 beschrieben.

In Schritt 60 wird die Leistungstransistoreinschaltzeit T_ON durch den Schaltkreisblock 123 unter Benutzung der folgenden Gleichung (9) aus der Leistungstransistorgrundeinschaltdauer T_D und der Schaltausweitungszeit T_C eines jeden Gate des Leistungs transistorschaltkreises 110 berechnet:

T_ON = T_D + T_C (9)

In Schritt 61 wird die Ausgaberichtung (d. h., normale Dreh richtung oder umgekehrte Drehrichtung) aus dem Motorstrom vorgabewert I* bestimmt, und in Übereinstimmung mit der Leistungstransistorschaltzeit T_ON wird das Leistungstransistor schaltsteuerungssignal vom Leistungstransistorschaltsteuerungs block 123 an den Leistungstransistorschaltkreis 110 abgegeben.

Wenn die oben beschriebenen Berechnungsvorgänge auf der Basis von Fig. 5 ausgeführt werden, besteht eine hohe Übereinstimmung zwischen dem Motorstromvorgabewert I* und dem tatsächlichen, durch den Motor fließenden Strom I zur Zeit der Einstell reaktion, so daß sich der Motor 100 im Bereich hoher Geschwin digkeit dreht, und eine hohe Ansprechcharakteristik erreicht werden kann.

[Ein anderes Beispiel (Modifikation der ersten Ausführungs form) der Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft].

Im Verfahren zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft wird der Motoreinstellstrom I_M*, der der Ausgabewert des Modellangleichungssteuerungsschaltkreisblocks 13 Ob ist, als Eingabewert u des in Fig. 4 gezeigten Motorwinkelgeschwindig keitabschätzers benutzt (siehe Gleichungen (2) und (3)). Wie oben beschrieben, dient der Modellangleichungssteuerungsschalt kreisblock 130b dazu, die gewünschte Reaktion für das gesteuerte Objekt bereitzustellen.

Jedoch ist in dem Fall, in dem der Maximalwert des Motor stromvorgabewertes I*, der das addierte Ergebnis von dem Strom I_R* zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors und des Motoreinstellstroms I_M* ist, begrenzt ist, der Beitrag (Beitragsfaktor) des Motoreinstellstroms I_M* zum Eingabestrom durch den Gleichstrommotor 100 nicht augenscheinlich.

Deshalb wird die folgende Bedingung hinzugefügt, um den Eingabewert u des in Fig. 4 gezeigten Motorwinkelgeschwindig keitsabschätzers zu bestimmen. Deshalb ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit des Motors 100 genauer abzuschätzen.

Wenn I*I_max, dann u = I_M*.

Wenn I*<I_max und I_M*I_max, sind die Gewichte zwischen dem robusten Kompensator 130a und der Modellangleichungssteuerung 130b im Einstellungsteuerungssystem (130) gleich. Deshalb

u = I_M* - {I_R*-(I_max - I_M*)}/2.

Wenn I*<I_max und I_M*<I_max, dann u = I_max. Es wird bemerkt, daß I_max in dieser Modifikation ein Begrenzungswert des Motor eingabestrombegrenzers 130c ist, nämlich I*, wie in Fig. 3 gezeigt.

[Ergebnisse von Simulationen]

Fig. 6A und 63 zeigen tatsächliche Sprungantwortcharakteris tiken der Winkelstellung (Radian) des Gleichstrommotors 100 und der am Motor anliegenden Spannung (Volt) ohne Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft V_R des Motors (unterbrochenen Linien von Fig. 6A und 6B).

Wie in Fig. 6A und 6B gezeigt, erscheint eine große Abwei chung der Winkelstellung des Motors bezüglich der Zielcharakte ristik (durchgezogene Linie in Fig. 6A), da der für die Berech nung des Tastverhältnisses benutzte Wert durch eine konstante Spannung gegeben ist, ohne Korrektur der am Motor angelegten Spannung durch die im sich drehenden Motor erzeugte gegen elektromotorische Kraft.

Andererseits zeigen

Fig. 7A und 7B die Sprungantwortcharak teristiken für den Fall, daß die oben beschriebene erste Ausführungsform als Steuerung des Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats angewendet wird.

Da die geschätzte gegenelektromotorische Kraft V_R des Motors benutzt wird, um die am Motor angelegte Spannung zu korrigieren, so daß der zur Berechnung des Tastverhältnisses benutzte Wert (strich-punktierte Linie in Fig. 7B) sich dem aktuellen Wert (unterbrochene Linie in Fig. 7B) annähert, ist die Überein stimmung der aktuellen Charakteristik (die unterbrochene Linie in Fig. 7B) mit der Ziel-Charakteristik (die durchgezogene Linie in Fig. 7B) hoch (,d. h., es wurde bestätigt, daß die aktuelle Antwortcharakteristik der Zielcharakteristik sehr nahe kam).

Fig. 8 zeigt die Charakteristik der an den Motor angelegten Spannung in einem Fall, in dem die vorliegende Erfindung auf den Motorstromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat angewendet wurde und keine Bedingung für den Eingabewert (u) des Zustandsbeob achters hinzugefügt wurde.

Fig. 9 zeigt die Charakteristik der an den Motor angelegten Spannung in einem Fall, in dem die vorliegende Erfindung auf den Motorstromservoverstärkungs-/-steuerungsapparat angewendet wurde und die Bedingung für den Eingabewert (u) des Zustandsbeob achters hinzugefügt wurde.

Als Ergebnisse der in Fig. 8 und 9 gezeigten Simulationen wurde bestätigt, daß die gegenelektromotorische Kraft genauer geschätzt werden kann, wenn die (in dem anderen Beispiel (Modi fikation der ersten Ausführungsform) beschriebene) Bedingung für den Eingabewert u des Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzers (Zustandsbeobachters, d. h., Observer minimaler Ordnung) hinzugefügt wird.

(Zweite Ausführungsform)

Fig. 11 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats nach der vorliegenden Erfindung.

Es wird bemerkt, daß die gesamte Konfiguration der Gleich strommotorsteuerung 101 in der zweiten Ausführungsform dieselbe ist wie in der ersten, in Fig. 2A und 2B gezeigten Ausführungs form.

In der ersten Ausführungsform wird die Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft (V_R) des Motors unter Benutzung der Abschätzung der Motorwinkelgeschwindigkeit ausgeführt. Gewöhn lich ist die Winkelgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors begrenzt durch die Höhe der an den Motor angelegten Spannung (physikalische Charakteristik des Motors).

Da im Fall der ersten Ausführungsform keine Begrenzung des geschätzten Wertes der Winkelgeschwindigkeit gesetzt wird, ist es generell nicht möglich, die durch den sich drehenden Motor 100 erzeugte gegenelektromotorische Kraft in dem Fall genauer abzuschätzen, in dem sich der Motor in seinem maximalen Geschwindigkeitsbereich dreht. Da der Motorstromvorgabewert I* größer als notwendig wird, wird deshalb im Fall der ersten Ausführungsform (unter Ausschluß der Modifikation der ersten Ausführungsform) der Energieverbrauch des Motors 100 und seines zugeordneten Stromservoverstärkungs-/-steuerungsapparats entsprechend hoch.

In der zweiten Ausführungsform kann andererseits der Energie verbrauch des Motors durch Benutzung des passenden Motoran triebs(-eingabe-)stroms gedrosselt werden, wenn der Motor 100 sich im maximalen Geschwindigkeitsbereich dreht.

Mit Bezug auf Fig. 11 schließt der Motoreinstellungs steuerungsschaltkreisblock 130 ein: den robusten Kompensator 130a; den Modellangleichungssteuerungsblock 130b; und den Schaltkreisblock 130c zur Bestimmung des Motorstromvorgabewertes (in Serie geschaltete Subtrahierer).

Der Schaltkreisblock 130c zur Bestimmung des Motorstromvor gabewertes dient dazu, den Ausgabewert I_RB (I_R* in der ersten Ausführungsform) des robusten Kompensators 130a und den Ausgabe wert I_MB (I_M* in der ersten Ausführungsform) des Modellanglei chungssteuerungsblocks 130b zu addieren, um den Stromvorgabewert I_B (I* in der ersten Ausführungsform) abzuleiten.

In der zweiten Ausführungsform bildet der Schaltkreisblock 124 zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft des Motors den Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer, wie in Fig. 12 gezeigt. Der Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer empfängt den Motorstromvorgabewert I_B, den Motoreinstellungsstrom I_MB und die Motorwinkelposition θ. Der Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzer wird entsprechend der linearisierten Übertragungscharakteristik des gesteuerten Objektes (d. h., Stellglied, im Detail, Gleich strommotor 100 und seine zugeordneten (Lenkungs-)Mechanismen) gebildet. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, schätzt der Schaltkreisblock 124 zur Abschätzung der gegenelektromoto rischen Kraft des Motors die gegenelektromotorischen Kraft des Motors aus dem geschätzten Wert dθH der Motorwinkelgeschwindig keit, die von dem in Fig. 12 gezeigten Motorwinkelgeschwindig keitsabschätzer abgeleitet wird, und der Konstanten K_R der gegenelektromotorischen Kraft, die ein Spezifikationswert des Motors 100 ist und vorher gemessen wurde.

In der zweiten Ausführungsform bezeichnet der tiefgestellte Index B den Zielwert und der tiefgestellte Index H den geschätzten Wert.

Fig. 13 zeigt das Betriebsflußdiagramm der Steuerung 111 im Fall der zweiten Ausführungsform.

Da die in Fig. 13 gezeigten Schritte 500 bis 620 generell die selben sind wie die in Fig. 5 gezeigten Schritte 50 bis 61, wird die detailierte Beschreibung der Operationen auf der Basis der Fig. 13 hier ausgelassen. Jedoch wird die Erläuterung der in Fig. 13 gezeigten Schritte 580 und 590 unten beschrieben.

Die gemessene Winkelstellung θ des gesteuerten Objektes (d. h., des Gleichstrommotors 100) ist entsprechend der linea risierten Übertragungscharakteristik durch den robusten Kompen sator 130a definiert, und ist in Gleichung (1) ausgedrückt.

Die Zustandsgleichung des Motorwinkelgeschwindigkeits abschätzers ist in den Gleichungen (2) und (3) ausgedrückt, und aus Sicht von Fig. 12 ist ^# zu ersetzen durch _H und * zu ersetzen durch _B.

Dann wird die durch den sich drehenden Motor 100 erzeugte gegenelektromotorische Kraft abgeschätzt wie folgt:

V_RH = K_R · dθ_H (10)

Dann tritt die maximale, durch den Motor 100 erzeugte Winkel geschwindigkeit auf wegen einer Verringerung der effektiven Motorspannung V_M, wenn die Winkelgeschwindigkeit θ des Motors groß ist. Die Begrenzung des Schätzwertes dθ_H für die Winkelge schwindigkeit des Motors wird gesetzt durch Berechnung des Ein gabewertes u des Motorwinkelgeschwindigkeitsabschätzers wie folgt:

V_MH = V_E - V_RH (11)
I_max = V_MH/R_M (12)

In den Gleichungen (11) und (12) bezeichnet V_MH den geschätzten Wert der effektiven, am Motor 100 anliegenden Spannung, V_RH bezeichnet den geschätzten Wert der gegenelektro motorischen Kraft wie in Gleichung (10) definiert, und R_M bezeichnet den Anker(Rotor)widerstand des Motors 100.

Dann wird der Eingabewert u des Motorwinkelgeschwindigkeits abschätzers bereitgestellt mit der Bedingung wie im Folgenden ausgedrückt:

Wenn I_max I_MB, dann u = I_MB
Wenn I_max < I_MB, dann u = I_max

Es wird bemerkt, daß das oben definierte I_max den maximalen Stromwert bezeichnet, der durch den Motor 100 fließt, wenn der Motor mit maximaler Geschwindigkeit dreht.

Als nächstes berechnet die Steuerung 110 in Schritt 590 das PWM-Tastverhältnis D_T, welches das Verhältnis der Einschaltdauer zur Schaltperiode F_W des Leistungstransistorschaltkreises 110 ist, wie folgt:

D_T = I_B/I_max (13)

In Schritt 600 werden T_D und T_C in derselben Weise berechnet wie in Schritt 59 von Fig. 5.

In Schritt 610, T_ON = T_D + T_C.

In Schritt 620 wird die Richtung der Motordrehung aus dem Motorstromvorgabewert I_B bestimmt, und das Leistungstransistor schaltsteuerungssignal wird vom Leistungstransistorschalt steuerungsblock 123 in derselben Weise ausgegeben, wie in dem in Fig. 5 gezeigten Schritt 61.

[Ergebnisse von Simulationen in der zweiten Ausführungsform]

Fig. 14A, 14B, 14C und 14D zeigen die Ergebnisse von Simu lationen eines Hinterradlenkwinkelvorgabewertes, eines Hinter radlenkwinkels, der Motorwinkelgeschwindigkeit und des Motor antriebsstroms, wenn der Stromservoverstärkungs-/-steuerungs apparat in der zweiten Ausführungsform auf den Gleichstrommotor angewendet wird, nämlich der Antriebsquelle des Hinterradlen kungswinkelstellgliedes (Mechanismus) des Fahrzeugvierrad lenkungswinkelsteuerungssystems.

In Fig. 14A bis 14D zeigen die mit durchgezogenen Linien bezeichneten charakteristischen Graphen den Vorgabewert, einen theoretischen Wert, und die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit, und die mit strich-punktierten Linien bezeichneten Graphen zeigen die erste Ausführungsform, wobei die maximale, entsprechend der physikalischen Charakteristik des Motors bestimmte Winkelgeschwindigkeit nicht in der Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft berücksichtigt wird.

Wenn die zweite Ausführungsform auf den Motorstromservover stärkungs-/-steuerungsapparat eines Vierradlenkungssteuerungs systems (4WS) angewendet wird, wird in den in Fig. 14A bis 14D gezeigten Kennlinien als Ergebnis von Simulationen die Motor winkelgeschwindigkeit etwa bei 300 rad/sec begrenzt und der geschätzte Wert der Motorwinkelgeschwindigkeit stimmt generell mit der tatsächlichen Winkelgeschwindigkeit des Motors überein (mit anderen Worten, eine hohe Übereinstimmung wurde beobachtet). Da in der ersten Ausführungsform keine Begrenzung der Motorwinkelgeschwindigkeit gesetzt wurde, erreichte anderer seits die Motorwinkelgeschwindigkeit generell etwa 400 rad/sec (siehe Fig. 14C).

Wenn der charakteristische Graph des durch den Gleichstrom motor fließenden Antriebstroms im Fall der zweiten Ausführungs form (die strich-punktierte Linie) verglichen wird mit dem im Fall der ersten Ausführungsform (die unterbrochene Linie), dann floß folglich im Fall der ersten Ausführungsform ein unnötig hoher Antriebsstrom, wenn die Motorwinkelgeschwindigkeit in den übermäßig hohen Geschwindigkeitsbereich fiel, während im Fall der zweiten Ausführungsform der Antriebsstrom auf einen erniedrigten Bereich begrenzt wurde, wenn die Motorwinkelge schwindigkeit in den übermäßig hohen Geschwindigkeitsbereich fiel. Das bedeutet, da in der zweiten Ausführungsform die oben beschriebene Begrenzung auf den Eingabewert u der Motorwinkelge schwindigkeit gesetzt wird, daß die Abschätzung der gegen elektromotorischen Kraft des Motors genauer durchgeführt werden kann als in der ersten Ausführungsform, in der keine Begrenzung auf den Eingabewert der Motorwinkelgeschwindigkeit gesetzt wird. Folglich wurde bestätigt, daß der unnötig hohe Strom verhindert wurde, so daß sich der selbe Hinterradlenkungswinkel ergab wie im Fall der ersten Ausführungsform, und der Energieverbrauch konnte gesenkt werden. Der Vorteil der zweiten Ausführungsform wurde als effektiv bestätigt.

Da, wie oben beschrieben, im Stromservoverstärkungs-/-steu erungsapparat und Verfahren für einen umkehrbaren Gleichstrom motor nach der vorliegenden Erfindung die gegenelektromotorische Kraft V_R (V_RH) auf der Basis der dynamischen Charakteristik des Motors 100 geschätzt wird, werden der Motoreinstellungsstrom I_M* (I_MB), das Winkelpositionssignal θ und die Motorversorgungs spannung V_E (V_ME) unter Benutzung der geschätzten gegenelektro motorischen Kraft V_R (V_RH) korrigiert, so daß die Schaltein-/-auszeitdauer für den Leistungstransistorschaltkreis auf der Basis der korrigierten, am Motor angelegten Spannung durch geführt wird, kann der Stromservoverstärkungs-/-steuerungs apparat kostenwirksam ohne Motorstromerkennungsschaltkreisblock und Stromrückwirkungsschaltkreis sein, und kann die Ein stellungsreaktion des Motors erreichen, die näherungsweise mit der Zielcharakteristik (gewünschte Reaktion) übereinstimmt.

Da die Begrenzung auf den Eingangswert u der Motorwinkel geschwindigkeit gesetzt wird, wird zusätzlich der Beitrag des Motoreinstellstroms I_M* zum Eingabestrom durch den Motor augen scheinlich, und eine genauere Abschätzung der gegenelektromoto rischen Kraft des sich drehenden Motors kann erreicht werden.

Da die Leistungstransistorein-/-ausschaltzeitdauer auf der Basis von T_ON und dem Motorstromvorgabewert I* (I_B) gesteuert wird, kann zusätzlich der Motorantriebs(eingabe)strom I, der generell mit dem Motorstromvorgabewert übereinstimmt, erreicht werden, ungeachtet von Variationen in den dynamischen Charak teristiken der entsprechenden Leistungstransistoren.

Da in der zweiten Ausführungsform die gegenelektromotorische Kraft aus der Abschätzung der Motorwinkelgeschwindigkeit abgeschätzt wird, wobei die maximale Winkelgeschwindigkeit des Motors unter Berücksichtigung der physikalischen Charakteris tiken des Motors bestimmt wird, kann darüber hinaus der Energie verbrauch des Motors entsprechend dem angemessenen Wert für den Motorantriebsstrom begrenzt werden, wenn der Motor sich im Bereich maximaler Geschwindigkeit dreht.

Verschiedene andere Vorteile können durch die vorliegende Erfindung erreicht werden. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf jedes andere Steuerungssystem, das einen Gleich strommotor benutzt, wie das motorgetriebene Fahrzeug-Vierrad lenkungssystem.

Die Erfindung ist derart zu verstehen, daß alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen zu den gezeigten Ausfüh rungsformen eingeschlossen sind, welche ausgeführt werden können, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, wie es in den angehängten Ansprüchen dargelegt wird.

Claims

1. Apparat, enthaltend:

a) umkehrbaren Gleichstrommotor;
b) Leistungstransistorschaltkreis, der über den Gleich strommotor geschaltet ist, um so einen Eingangsstrom zum Drehen des Motors als Reaktion auf ein Einschaltsignal zu liefern;
c) Versorgungsspannungerkennungseinrichtung zum Erkennen der Versorgungsspannung (V_E), durch die die Energie zum Antrieb des Gleichstrommotors über den Leistungstransistorschaltkreis versorgt wird;
d) Motordrehwinkelpositionserkennungseinrichtung zum Erkennen der Drehwinkelposition θ des Motors;
e) robuste Kompensationseinrichtung zum Empfang der Winkel position θ des Motors, zum Konvertieren der dynamischen Motor charakteristik in ein identifiziertes Modell mit konstanter, linearisierter Übertragungsfunktion, und zum Berechnen und Ausgeben des Kompensationsstroms (I_R*, I_RB) für die dynamische Motorcharakteristik, so daß die Reaktion des Motors mit dem identifizierten Modell übereinstimmt;
f) Modellangleichungssteuerungseinrichtung, die auf einen von außerhalb des Apparats eingegebenen Motordrehungsvorgabewert (θ*, θ_B) reagiert, zum Berechnen und Ausgeben eines Motordreh positionierungsstroms (I_M*, I_MB), um eine Drehpositionierung des Motors und eine Drehpositionierungsreaktion des Motors zu erreichen, wie sie vom Entwickler des Apparats gewünscht werden;
g) Motoreingabestromvorgabewerterkennungseinrichtung zum Empfang des Kompensationsstroms (I_R, I_RB) für die dynamische Motorcharakteristik von der robusten Kompensationseinrichtung und des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB) von der Modell angleichungssteuerungseinrichtung, und zum Bestimmen des Motor eingabestromvorgabewertes (I_R*, I_RB) auf der Basis des Kompensa tionsstroms (I_R*, I_RB) für die dynamische Motorcharakteristik von der robusten Kompensationseinrichtung und des Motoreinstellungs stroms (I_M*, I_MB) von der Modellangleichungssteuerungs einrichtung;
h) Einrichtung zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft, zum Empfang der Motorwinkelposition (θ) und mindestens des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB< von der Modellanglei chungssteuerungseinrichtung, zur Abschätzung einer Winkelge schwindigkeit (dθ^#, dθ_H) des Motors unter Benutzung der linea risierten Übertragungsfunktion in der robusten Kompensations einrichtung auf der Basis der Winkelposition (θ) und des Motor einstellungsstroms (I_M*, I_MB), und zum Abschätzen der in dem sich drehenden Motor erzeugten gegenelektromotorischen Kraft (V_R, V_RB) aus der geschätzten Winkelgeschwindigkeit (dθ^#, dθ_H) des Motors;
i) Speichereinrichtung zum Speichern von vorher gemessenen Spezifikationswerten des Motors, von Betriebsparametern in der linearisierter Übertragungsfunktion, und von internen Impedanzen des Leistungstransistorschaltkreises;
j) Einrichtung zur Berechnung der Grundeinschaltdauer, zum Empfang der Spezifikationswerte des Motors, der Impedanzwerte des Leistungstransistorschaltkreises, des Motorversorgungs spannungswertes (V_E), und des geschätzten Wertes der gegen elektromotorischen Kraft (V_R, V_RH), und zum Berechnen der Grund einschaltdauer (T_D) des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis der empfangenen Werte; und
k) Leistungstransistorschaltsteuerungseinrichtung zur Erzeu gung des Einschaltsignals (T_ON) für die Versorgung des Leistungs transistorschaltkreises auf der Basis des Motoreingabestromvor gabewertes (I*, I_B) und der Grundeinschaltdauer (T_D).

2. Apparat nach Anspruch 1, wobei die linearisierte Übertra gungsfunktion in der robusten Kompensationseinrichtung ausge drückt wird als: θ = n_m0/(s² + d_m1 · s + d_m0),wobei s einen Differentialoperator bedeutet und n_m0, d_m1 und d_m0 die Betriebsparameter des Motors bedeuten, und wobei die Einrichtung zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft einen Abschätzer für die Motorwinkelgeschwindigkeit (dθ^#, dθ_H) einschließt, und die Winkelgeschwindigkeit des Motors wird geschätzt nach den folgenden Gleichungen:dω/dt = A^# · ω + K · θ + B^# · u,
(dθ* = D · ω + H · θ,
A^# = - d_m1 - L,
B^# = L · n_m0,
K = - L (d_m1 + L) - d_m0,
D = 1,
H = L (L bedeutet eine vom Entwickler willkürlich gesetzte Konstante), ω ist ein Integralwert von dω/dt, t bedeutet die Zeit, und u bedeutet einen in den Motorwinkel geschwindigkeitsabschätzer eingegebenen Stromwert.

3. Apparat nach Anspruch 2, wobei u = I_M* ist.

4. Apparat nach Anspruch 3, wobei V_R = K_R · dθ^# ist, wobei K_R einen Spezifikationswert des Motors bedeutet, und eine Konstante der gegenelektromagnetischen Kraft bedeutet.

5. Apparat nach Anspruch 4, wobei D_T = I*/I_max und I_max = (V_E - V_R)/R_M, wobei R_M einen Motorankerwiderstand bedeutet als ein Spezifikationswert des Motors.

6. Apparat nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zur Bestimmung des Motoreingabestromvorgabewertes einen Strombegrenzer ein schließt, welcher so konstruiert ist, daß er den durch den Motor fließenden Strom begrenzt, wobei der Grenzwert des Begrenzers vom Entwickler gesetzt wird.

7. Apparat nach Anspruch 6, wobei der Eingabewert u des Winkel geschwindigkeitsabschätzers Bedingungen erfüllt, so daß u = I_M*, wenn I* I_max (I_max bedeutet einen maximalen, durch den Motor fließenden Strom, und ist in den Strombegrenzer einge setzt), u = I_M* - {I_R* - I_max - I_M*)}/2, wenn I* < I_max und I_M* I_max, und u = I_max, wenn I* < I_max und I_M* < I_max.

8. Apparat nach Anspruch 2, wobei der Eingabewert u des Winkel geschwindigkeitsabschätzers Bedingungen erfüllt, so daß
u = I_MB, wenn I_max I_MB,
wobei I_max = V_MH/R_M, V_MH = V_E - V_RH, und I_max bedeutet einen maximalen, durch den Motor fließenden Strom, wenn der Motor sich mit höchster Geschwindigkeit dreht, und
u = I_max wenn I_max < I_MB

9. Apparat nach Anspruch 8, wobei der Motorwinkelgeschwindig keitsabschätzer ein Observer minimaler Ordnung ist, und der Motor auf ein Stellglied eines Hinterradlenkungsmechanismus eines Fahrzeugvierradlenkungssystems angewendet wird.

10. Apparat, enthaltend:

a) umkehrbaren Gleichstrommotor;
b) Leistungstransistorschaltkreis, der so konstruiert ist, daß er den Motor im Betrieb mit einem Motoreingabestrom versorgt;
c) erste Einrichtung zum Überwachen der Versorgungsspannung V_E über den Motor;
d) zweite Einrichtung zum Erkennen der Winkelposition des Motors;
e) dritte Einrichtung zum Berechnen eines Zielmotoreingabe stroms I_R*, um die dynamische Charakteristik des Motors immer konstant zu machen, um so für die dynamische Charakteristik des Motors zu kompensieren;
f) vierte Einrichtung für den Motorpositionierungsstrom I_M*, um die Positionierungscharakteristik und die Reaktionscharak teristik des Motors abzuleiten, die zu erreichen vom Entwickler gewünscht werden;
g) fünfte Einrichtung zum Bestimmen des Motorstromvorgabe wertes I* auf der Basis des Zielmotoreingabestroms I_R* und des Motoreinstellungsstroms I_M*;
h) sechste Einrichtung zur Abschätzung der durch den Motor erzeugten gegenelektromotorischen Kraft, unter Benutzung der durch die dritte Einrichtung konstant gemachten dynamischen Charakteristik auf der Basis des Motoreinstellungsstroms I_M* und der Winkelposition des Motors;
i) siebte Einrichtung zum Speichern von vorher gemessenen Impedanzen des Motors und des Leistungstransistorschaltkreises;
j) achte Einrichtung zur Bestimmen der Grundleistungs transistoreinschaltdauer T_D, des Leistungstransistorschaltkreises auf der Basis der überwachten Versorgungsspannung, der gegen elektromotorischen Kraft und der Impedanzen des Motors und des Leistungstransistorschaltkreises; und
k) Schaltkreis zu Schalten von Leistungstransistoren, der so konstruiert ist, daß er das Ein- und Ausschalten des Leistungs transistorschaltkreises auf der Basis des Motorstromvorgabewer tes I* und der Grundleistungstransistoreinschaltdauer steuert.

11. Apparat nach Anspruch 10, wobei die sechste Einrichtung einen Stromwert u zur Abschätzung der gegenelektromotorischen Kraft des Motors benutzt, wenn ein maximaler Stromeingabewert in den Motor begrenzt ist,
wenn I* I_max, dann u = I_M*;
wenn I* < I_max und I_M* I_max, dann u = I_M* - {I_R* - (I_max - I_M*)}/2;
wenn I* < I_max und I_M* < I_max, dann u = I_max,
wobei I_max einen maximalen Wert des Motoreingabestroms I bedeutet, der in einen die fünfte Einrichtung bildenden Strom begrenzer eingesetzt ist.

12. Apparat nach Anspruch 10, wobei die sechste Einrichtung die gegenelektromotorischen Kraft mit einer maximalen Winkelge schwindigkeit abschätzt, die entsprechend der physikalischen Charakteristik des in Betracht gezogenen Motors bestimmt wird.

13. Apparat nach Anspruch 11, die ferner eine neunte Einrichtung enthält zum Messen der Konstanten K_R der gegenelektromotorischen Kraft, die der Motor natürlicher Weise hat, und wobei die sechste Einrichtung die gegenelektromotorischen Kraft des Motors abschätzt als
V_R = K_R · dθ^#,
wobei dθ^# einen geschätzten Wert der Motorwinkelgeschwindigkeit bedeutet, dθ* = D · ω + H · θ, dω/dt = A^# · ω + K · θ + B^# · u, u = I_M*, A^# = - d_m1 - L, B^# = L · n_m0, K = - L (d_m1 + L) - d_m0, D ist 1, und H = L. (L bedeutet eine vom Entwickler willkürlich gesetzte Konstante).

14. Apparat nach Anspruch 13, wobei die sechste Einrichtung einen robusten Kompensator enthält, der eine Ableitung einer linearisierten Übertragungscharakteristik des Motors durchführt, die dargestellt wird durch θ = n_m0/(s² + d_m1 · s + d_m0), wobei s den Laplace′ Transformationsoperator bedeutet.

15. Apparat nach Anspruch 14, wobei die achte Einrichtung die Grundleistungstransistoreinschaltdauer D_T bei einer Leistungs transistorschaltperiode wie folgt bestimmt: D_T = I*/I_max, wobei I_max = (V_E - V_R)/R_M, R_M bedeutet einen Motorankerwiderstand.

16. Apparat nach Anspruch 15, wobei die neunte Einrichtung die Leistungstransistoreinschaltdauer T_ON als T_D + T_C steuert, wobei T_D = D_T/F_W, T_C = (1/T_G) {1 - exp (-t/T_G)} + L_G, T_G = R₁ · C₁, L_G bedeutet eine vorher gemessene Leistungstransistor-Gate- Schaltverzögerungszeit.

17. Apparat nach Anspruch 12, wobei die achte Einrichtung den effektiven Wert der gegenelektromotorischen Kraft V_RM des Motors wie folgt ableitet: V_MH (ein geschätzter effektiver Wert der Motorversorgungsspannung) = V_E - V_RH, I_max = V_MH/R_M, (R_M bedeutet den Ankerwiderstand des Motors), und wobei der Motoreingangsstrom u, der zur Abschätzung der Motorwinkel geschwindigkeit benutzt wird, wie folgt:
wenn I_max I_M, dann u = I_M, und
wenn I_max < I_M, dann u = I_max
(I_max bedeutet einen Stromeingabewert, wenn der Motor sich mit höchster Geschwindigkeit dreht).

18. Apparat nach Anspruch 10, wobei der Leistungstransistor schaltkreis enthält einen ersten MOS-Transistor, dessen Drain- Anschluß mit der Versorgungsspannung verbunden ist, dessen Source-Anschluß mit einem Anschluß des Motors verbunden ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Leistungstransistorsteuerungs schaltkreis verbunden ist, einen zweiten MOS-Transistor, dessen Drain-Anschluß mit dem Source-Anschluß des ersten MOS-Transis tors verbunden ist, dessen Source-Anschluß mit Masse verbunden ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Leistungstransistorsteuerungs schaltkreis verbunden ist, einen dritten MOS-Transistor, dessen Drain-Anschluß mit der Versorgungsspannung verbunden ist, dessen Source-Anschluß mit dem anderen Anschluß des Motors verbunden ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Leistungstransistorsteuerungs schaltkreis verbunden ist, und einen vierten MOS-Transistor, dessen Drain-Anschluß mit dem Source-Anschluß des dritten MOS- Transistors verbunden ist, dessen Source-Anschluß mit einem Anschluß des Motors verbunden ist, und dessen Gate-Anschluß mit dem Leistungstransistorsteuerungsschaltkreis verbunden ist, und wobei der Motor auf ein Fahrzeugvierradlenkungssystem angewendet wird.

19. Verfahren einer Stromservoverstärkung/-steuerung für einen umkehrbaren Motor, das die Schritte enthält:

a) Erkennung der Versorgungsspannung (V_E), durch die die Energie zum Antrieb eines Gleichstrommotors über einen über den Motor verbundenen Leistungstransistorschaltkreis bereitgestellt wird;
b) Erkennung der Drehwinkelposition θ des Motors;
c) Empfang der Winkelposition θ des Motors, Konvertieren der dynamischen Charakteristik des Motors in ein identifiziertes Modell mit einer konstanten, linearisierten Übertragungs funktion, und Berechnung und Ausgabe des Stroms (I_R*, I_RB) zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors so, daß die Reaktion des Motors mit dem identifizierten Modell überein stimmt;
d) Reagieren auf einen Motordrehungsvorgabewert (θ*, θ_B) von außen, Berechnung und Ausgabe des Motordrehpositionierungs stroms (I_M*, I_MB), um eine Drehpositionierung des Motors und eine Drehpositionierungsreaktion des Motors zu erreichen, die vom Entwickler des Apparats gewünscht werden;
e) Empfang des Stroms (I_R*, I_RB< zur Kompensation der dyna mischen Charakteristik des Motors und des Motordrehpositionie rungsstroms (I_M*, I_MB) und Bestimmung eines Motoreingabestrom vorgabewertes (I_R*, I_RB) auf der Basis des Stroms (I_R*, I_RB) zur Kompensation der dynamischen Charakteristik des Motors und des Motordrehpositionierungsstroms (I_M*, I_MB);
f) Empfang der Winkelposition θ des Motors und mindestens des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB< von der Modellangleichungs steuerungseinrichtung, Abschätzen einer Winkelgeschwindigkeit (dθ^#, dθ_H) des Motors unter Benutzung der konstanten, lineari sierten Übertragungsfunktion auf der Basis der Winkelposition (θ) und des Motoreinstellungsstroms (I_M*, I_MB), und Abschätzung der in dem sich drehenden Motor erzeugten gegenelektro motorischen Kraft (V_R, V_RB) aus der geschätzten Winkelgeschwin digkeit (dθ^#, dθ_H) des Motors;
g) Speichern der vorher gemessenen Spezifikationswerte des Motors, der Betriebsparameter in der linearisierten Übertra gungsfunktion, und der internen Impedanzen des Leistungs transistorschaltkreises;
h) Empfang der Spezifikationswerte des Motors, der Impedanz werte des Leistungstransistorschaltkreises, des Motorversor gungsspannungswertes (V_E), und der geschätzten gegenelektro motorischen Kraft (V_R, V_RH), und Berechnung einer Grundeinschalt dauer (T_D) für den Leistungstransistorschaltkreis auf der Basis der empfangenen Werte; und
i) Erzeugung des an den Leistungstransistorschaltreis auszu gebenden Einschaltsignals (T_ON) auf der Basis des Motoreingabe stromvorgabewertes (I*, I_B) und der Grundeinschaltdauer (T_D).