DE19822170C2

DE19822170C2 - Servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE19822170C2
Application number: DE19822170A
Authority: DE
Inventors: Michael Kenneth Liubakka; Alexander Timofeevich Zaremba
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-05-16
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2018-05-17
Also published as: GB2331496B; GB2331496A; GB9811786D0; US5979587A; DE19822170A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges. Dabei wird insbesondere eine elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zur Erzeugung von Unterstützungs drehmomenten bei der Steuerung eines Kraftfahrzeuges ausgebildet.

Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtungen sind bekannt. Servolenkvorrichtungen haben die Aufgabe, ein vorgegebenes gewünschtes Unterstützungsdrehmoment oder eine vorgegebene gewünschte Unterstützungskraft für den Lenkmechanismus zu erzeugen, damit die vom Bediener bzw. Fahrer aufzubringende Kraft reduziert werden kann. Dies wird bei hydraulisch unt erstützten Servolenkvorrichtungen unter Einsatz eines Netz werkes von komplexen, zur Erzielung einer wünschenswerten Verstärkungs- bzw. Verstärkerkurve vorgesehenen Hydraulik kreisen erreicht. Der Verstärkerkurve ist zu entnehmen, wel ches Unterstützungsdrehmoment bei einem bestimmten, vom Fah rer aufgebrachten Eingangsdrehmoment erzeugt werden soll. Der Verlauf der Verstärkerkurve ist im allgemeinen nichtli near. Wenn der Fahrer ein niedriges Drehmoment aufbringt, erfolgt eine geringe Verstärkung. Diese wird deutlich er höht, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment größer wird. Dies hat eine geringere Unterstützung durch das Servo lenksystem während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebes zur Folge, was ein "gutes Lenkgefühl" für den Fahrer zur Folge hat. Für den Fahrer ist es nämlich kaum möglich, während ho her Fahrgeschwindigkeiten hohe Eingangsdrehmomente auf die Lenkung aufzugeben, da bei hohen Fahrgeschwindigkeiten Fahr zeuge stark auf Lenkeingaben ansprechen.

Im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb, beispielsweise beim Ein parken, muß der Fahrer eines Kraftfahrzeuges beträchtliche Lenkdrehmomente aufbringen. Dann soll die Servolenkvorrich tung in der Lage sein, in Reaktion auf ein großes, vom Fah rer aufgebrachtes Eingangsdrehmoment ein beträchtliches Un terstützungsdrehmoment zu erzeugen. Bei typischen Verstär kerkurven wird diesem Umstand durch eine bei einem zunehmen den Lenkeingangsdrehmoment größer werdende Verstärkung Rech nung getragen. Auch ein elektrisch unterstütztes Servolenk system muß in dieser Weise ausgelegt sein.

Das Leistungsvermögen von elektrisch unterstützten Servo lenkvorrichtungen kann durch deren Bandbreite charakteri siert werden, welche ein Maß für die Reaktionszeit und die Verstärkung ist. Eine ausreichende Bandbreite ist erforder lich, damit ohne merkbare Reaktionszeiten auf schnellste Eingaben des Fahrers reagiert wird, und damit gleichzeitig dem Fahrer ein "Fühlen der Straße" durch den mechanischen Lenkmechanismus vermittelt wird. Überschreitet die dynami sche Lenkfrequenz die Systembandbreite, so wird der Fahrer eine Verschlechterung seines Lenkgefühls feststellen, und zwar wird das Lenkgefühl dann "schwergängig", wenn der Elek tromotor nicht das geforderte Unterstützungsdrehmoment auf bringen kann. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, daß eine ausreichende Bandbreite vorhanden ist und die Stabili tät und die Systemschwingungen innerhalb vorgegebener zuläs siger bzw. akzeptabler Grade gehalten werden. Bei hydrauli schen Servosystemen können die hydraulische Stabilität und die Schwingungen durch Verringerung der Unterstützungsver stärkung oder durch Erhöhen der Dämpfung gesteuert werden. Da jedoch ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch eines der Zie le eines Einsatzes elektrisch unterstützter Servolenksysteme ist, ist es angezeigt, nach Alternativen für eine Erhöhung der Dämpfung zur Steuerung der Stabilität und der Schwingungen zu suchen.

In der JP 08-91 236 A ist eine Servolenkvorrichtung offen bart, bei der von einem Lenkdrehmomentsensor ein Lenkdrehmo mentsignal T erzeugt wird. Auf der Basis dieses Signals T bestimmt ein Steuerungssystem ein gewünschtes Drehmoment T0, welches ein Elektromotor erzeugen soll. Die Berechnung des gewünschten Drehmomentes T0 aus dem Lenkdrehmomentsignal findet in einer Phasenkompensationseinrichtung statt, die aus zwei in Reihe geschalteten Übertragungsgliedern besteht, deren Übertragungsfunktionen jeweils nur Terme erster Ord nung enthalten. Das Besondere der Steuerung besteht darin, daß die Konstanten der Übertragungsfunktionen aus einem se paraten Modul zeitveränderlich bereitgestellt werden.

Die in der EP 0 737 611 A2 offenbarte Servolenkvorrichtung enthält eine Steuerung, die auf ein Lenkdrehmomentsignal hin ein Motorantriebssignal berechnet, aufgrund dessen ein Elek tromotor ein Unterstützungsdrehmoment für den Lenkmechanis mus erzeugt. Die Steuerung des Elektromotors ist dabei zwei stufig und besteht aus einer Sollstrom-Bestimmungs einrichtung und einer nachgeschalteten Bestimmungseinrich tung für das Motorantriebssignal. Parallel zur Sollstrom- Bestimmungseinrichtung verläuft ein Zweig mit einer "Phasen kompensation". Diese Phasenkompensation besteht im Wesentli chen aus der Berücksichtigung der zeitlichen Ableitung des Lenkdrehmomentsignals.

Auch die US 5 631 833 A betrifft eine Steuerung für eine Ser volenkung, mit der ein Lenkdrehmomentsignal in ein Motoran triebssignal für einen Elektromotor, der ein Unterstützungs drehmoment erzeugt, umgewandelt wird. Die Steuerungseinrich tung enthält dabei eine Phasenführungs-Kompensations einrichtung sowie in Reihe hierzu und parallel zueinander Proportional-, Integral- und Differentialglieder. Die Pha senführungs-Kompensationseinrichtung ist im wesentlichen ein System erster Ordnung, welches die Ableitung des Lenkdrehmo mentsignals T berechnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zu schaffen, bei der eine ausreichende, den Anforderungen eines Servolenksystems Rech nung tragende Bandbreite vorhanden ist, und bei der die Sta bilität und die Schwingungen des Steuersystems ohne übermäßig großen Dämpfungseinsatz innerhalb vorgegebener Niveaus ge halten werden, damit der angestrebte Vorteil eines geringen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Zudem wird angestrebt, kostengünstige Sensoren und Betätigungselemente ohne Mikro prozessorüberlastung einsetzen zu können.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue, elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraft fahrzeuges geschaffen, ohne daß zur Erreichung der ange strebten Wirkung und Leistung ein Einsatz kostenintensiver Systemkomponenten und Dämpfungseinrichtungen zur Stabilisie rung erforderlich ist.

Die elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung nach An spruch 1 weist an einem Lenkmechanismus einen Lenkdrehmo mentsensor zur Ermittlung eines auf ein Lenkrad aufgebrach ten Lenkdrehmoments und zum Erzeugen eines Lenkdrehmomentsi gnals auf. Weiterhin ist ein Elektromotor zur Erzeugung ei nes Unterstützungslenkdrehmomentes für den Lenkmechanismus sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Motors vor gesehen. Die Steuerungseinrichtung weist eine Steuerungsein richtung für eine Außenschleife zur Erzeugung eines ge wünschten, auf das Lenkdrehmomentsignal ansprechenden Drehmomentsignals auf. Die Steuerungseinrichtung für die Au ßenschleife hat ein Phasenverzögerungsglied (im folgenden Phasenverzögerungsnetz bzw. -netzwerk genannt) in Reihe und ein Glied (im folgenden Netzwerk bzw. Netz genannt) zweiter Ordnung, das mit dem Phasenverzögerungsnetz geschaltet ist. Die Steuerungseinrichtung weist weiterhin eine Steuerungs einrichtung für eine Innenschleife auf, welche dazu vorgese hen ist, ein auf das gewünschte Drehmomentsignal ansprechen des Motorantriebssignal zu erzeugen, und welches weiterhin die Aufgabe hat, das Motorantriebs signal an den Elektromotor anzulegen.

Vorteilhaft ist, daß die elektrisch unterstützte Servolenk vorrichtung eine ausreichende Stabilität dahingehend auf weist, daß sowohl während eines Parkmanövers als auch wäh rend eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs die jeweils ge wünschte Verstärkung erzeugt wird, und zwar mittels einer gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Konstruk tion bei verbesserter Leistung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine Teil-Vertikalansicht einer elektrisch unter stützten Servolenkvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Teil-Vertikalansicht einer weiteren Ausfüh rungsform einer elektrisch unterstützten Servo lenkvorrichtung entsprechend der vorliegenden Er findung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrisch un terstützten Servolenkvorrichtung gemäß der vorlie genden Erfindung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Verstärkerkurve, die von einer elektrisch unterstützten Servolenk vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren ist;

Fig. 5 ein Ortskurven-Diagramm für eine elektrisch unter stützte Servolenkvorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist ein elektrisch unterstütz tes Servolenksystem 10 ein Lenkrad 12 auf, das an einem er sten Ende 14 einer Lenkwelle 16 befestigt ist. Ein Lenkrit zel 18, das in einem zweiten, vom ersten Ende 14 abgewandten Endbereich 20 der Lenkwelle angeordnet ist, greift in Zähne 22 einer Lenkzahnstange 24 ein. Beide Enden der Lenkzahn stange 24 weisen Spurstangen 26 auf, die in herkömmlicher Weise an einer steuerbaren Rad/Reifen-Baugruppe 28 befestigt sind.

Ein Lenkdrehmomentsensor 30 ist in die Lenkwelle 16 einge baut, um ein von einem Fahrer auf die Lenkwelle 16 über das Lenkrad 12 aufgebrachtes Lenkdrehmoment zu ermitteln. Bei spielhaft für einen derartigen Drehmomentsensor ist ein Tor sionsstab zwischen einer Eingangs- bzw. Antriebswelle und einer Ausgangs- bzw. Abtriebswelle der Lenkwelle, der eine relative Bewegung zwischen der Eingangs- und der Ausgangs welle ermöglicht, die proportional zum aufgebrachten Drehmo ment ist. Diese Bewegung kann gemessen werden, und unter Einbeziehung der bekannten Torsionsfederkonstanten des Tor sionsstabes kann unmittelbar daraus das aufgebrachte Drehmo ment bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein berührungsloser sog. "Torkducer"-Rotations- bzw. Rund-Drehmomentsensor des Herstellers GSE, Inc. eingesetzt. Selbstverständlich ist auch der Einsatz anderer Drehmoment sensoren möglich, sofern diese gewünschte Funktionalität und Betriebsfähigkeit aufweisen.

Ein Elektromotor 32 weist ein Abtriebszahnrad bzw. -ritzel 34 auf, das an einer Abtriebswelle 36 befestigt ist, um mit einem an der Lenkwelle 16 befestigten Unterstützungsan triebszahnrad bzw. -ritzel 38 in Antriebseingriff zu kommen. Alternativ können, wie in Fig. 2 dargestellt, die Abtriebs welle 36' und ein Abtriebsritzel 34' des Elektromotors 32' zu einem direkten Eingriff in die Lenkzahnstange 24' ange ordnet sein. Die Wahl zwischen diesen beiden Alternativen hängt vorrangig von dem verfügbaren Einbauraum ab, da die Funktionalität und Betriebsfähigkeit beider Alternativen gleich ist. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann mit gleichem Erfolg auch bei Systemen eingesetzt werden, welche einen Kugelumlaufspindel- oder einen Kugelmutter zahnrad- bzw. -Getriebemechanismus aufweisen, wie in der Re gel in schweren Fahrzeugen, wie zum Beispiel Lastwagen, üb lich.

Als Elektromotor 32 kann z. B. ein handelsüblicher 12 Volt- Gleichstrom-Motor mit oder ohne Bürsten Verwendung finden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor als Dreiphasen-Wechselstrom-Induktionsmotor ausgebildet. Es kann aber auch ein variabler Reluktanzmotor anstelle des In duktionsmotors eingesetzt werden, ohne daß dadurch die Wir kung der vorliegenden Erfindung beeinflußt bzw. beeinträch tigt würde. Induktionsmotoren und variable Reluktanzmotoren sind aufgrund ihrer niedrigen Reibungswerte und ihres hohen Drehmoment/Trägheits-Verhältnisses für einen Einsatz bei elektrisch unterstützten Servolenksystemen im Vergleich zu größeren Elektromotoren besonders geeignet. Der Motor kann für die Erzeugung eines Signals zum Bestimmen der Wellen stellung und der Drehzahl zur Verwendung in verschiedenen bekannten Motorsteuerungsschemata eine Motorwellen- Codiereinrichtung aufweisen. Auch ein Einsatz von sensorlo sen Motoren ist vorteilhaft. Somit läßt die vorliegende Er findung auch den Einsatz von weniger genau steuerbaren Moto ren zu.

Es können weitere Systemsensoren vorgesehen sein, so etwa ein Lenkradwinkelsensor 40, der mit der Lenkwelle 16 zur Er zeugung eines Lenkradwinkelsignals verbunden ist, welches die relative Drehstellung der Lenkwelle 16 anzeigt. Als wei terer Sensor kann ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 42 vor gesehen sein, der üblicherweise von einem Getriebe angetrie ben ist und der ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal erzeugt, das die Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs darstellt. Die einzelnen erzeugten Signale werden einer Elektromotor- Steuerungseinrichtung 50 zugeführt, von dem dann zur Betätigung des Elektromotors 32 ein Motorantriebssignal ausgeht, aufgrund dessen das gewünschte Unterstützungsdrehmoment erzeugt wird.

Wichtige Informationen zur Auslegung einer geeigneten Steue rungseinrichtung für das elektrisch unterstützte Servolenk system können einem analytischen Modell entnommen werden. Das vorstehend beschriebene System kann mathematisch durch die nachfolgend angegebenen Bewegungsgleichungen dargestellt werden, bei denen das Vorhandensein einer relativ hohen Un terstützungs- bzw. Verstärkungssteifigkeit vorausgesetzt wird:

Hierbei sind x, m_e, b_e die Zahnstangenverschiebung aus einer Gleichgewichtsstellung, die wirksame Zahnstangenmasse bzw. Dämpfung; θ_s, J_s, K_s, b_s sind der Drehwinkel, das Trägheitsmo ment, die Steifigkeit bzw. die Dämpfung der Lenkwelle; R_s, R_m sind die Radien des Lenkritzels und des Abtriebritzels; G ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Abtriebsritzel und dem Unterstützungsantriebsritzel; T_d ist das von dem Fah rer aufgebrachte Drehmoment und F_δ ist eine Störkraft von der Straße; T_a ist das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment; y ist ein an der Lenkwelle gemessenes elastisches Drehmoment und ν_t ist ein Meßrauschen. Hiervon ausgehend wurde die er findungsgemäße Vorrichtung entwickelt.

In Fig. 3, ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine in der Steuerungseinrichtung bzw. -modul 50 des Elektromotors enthaltene Steuerlogik dar stellt. Das Steuermodul 50 weist eine Steuerungseinrichtung 51 für eine Innenschleife zum Erzeugen eines Motorantriebs signals 55 und dessen Anlegen an den Elektromotor 32 auf, und zwar unter Ansprechen auf ein gewünschtes Drehmomentsi gnal, wie es allgemein bekannt ist. Das gewünschte Drehmo mentsignal ist ein Ausgangssignal aus einer Steuerungsein richtung 53 für eine Außenschleife, und zwar erfolgt eine Berechnung des gewünschten Drehmomentes basierend auf ver schiedenen von dem System erzeugten Signalen, wie weiter un ten detailliert beschrieben wird.

Block 52 reflektiert die Beziehung zwischen dem Fahrer des Kraftfahrzeugs, dem Lenkrad und der in der Lenksäule 54 be festigten Lenkwelle. Wenn der Fahrer das Fahrzeug manö vriert, erzeugt der Lenkradwinkelsensor 40 ein Lenkradwin kelsignal 56, das dem Steuermodul 50 zugeleitet wird. Alle vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübten Kräfte werden - in der bevorzugten Ausführungsform mechanisch - auf den Drehmoment sensor 30 übertragen. Ein von diesem erzeugtes Lenkdrehmo mentsignal 58 wird dem Steuermodul 50 zugeleitet. Dem Steu ermodul wird von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 42 wei terhin ein entsprechendes Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 60 zugeleitet. Diese Signale werden von der Steuerungseinrich tung 53 für die Außenschleife ver- bzw. bearbeitet, um das gewünschte bzw. Soll-Drehmomentsignal zu erzeugen.

Unter Verwendung des Lenkdrehmomentsignals 58 und des Fahr zeuggeschwindigkeitssignals 60 wird von dem Steuermodul 50 ein Betrag an Lenkunterstützung bestimmt, der von dem Elek tromotor 32 zu erzeugen ist, und zwar unter Bezugnahme auf eine in einem Permanentspeicher gespeicherte Tabelle. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, spiegeln die Daten in der Tabelle eine nichtlineare Verstärkungs- bzw. Verstärkerkurve wider, die das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkdrehmoment mit dem von dem Elektromotor 32 zu erzeugenden Unterstützungsdrehmo ment in Beziehung setzt. Vorteilhafterweise sieht die vor liegende Erfindung eine ausreichende Betriebsbandbreite vor, damit eine einzige Verstärkerkurve für einen Bereich an Fahrzeugbetriebsgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann, so daß sich eine Bereitstellung von mehreren geschwindigkeits abhängigen Verstärkerkurven erübrigt. Dabei wird jedoch nicht verkannt, daß bei einigen elektrischen Servolenkvor richtungen ein Einsatz von unterschiedlichen Kurven für un terschiedliche, variierenden Fahrzeuggeschwindigkeiten ähn liche Fahrzeugbetriebszustände, wie zum Beispiel andere dy namische Fahrzeugzustände, wünschenswert ist. Eine Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Einsatz mehrerer Verteilerkurven ist ohne weiteres möglich, aber nicht zwin gend erforderlich. Der aus der Tabelle erhaltene Unterstüt zungsdrehmomentwert zeigt das Unterstützungsdrehmoment an, das von dem Elektromotor 32 erzeugt werden sollte. Zu diesem Zweck wird das gewünschte Drehmomentsignal unter Verwendung dieses Wertes von der Steuerungseinrichtung 53 für die Au ßenschleife hergeleitet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres auch ein Einsatz anderer Verstärkerkurven möglich ist, um variie renden Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugtypen Rech nung zu tragen.

Die Steuerungseinrichtung 53 für die Außenschleife gleicht unter Aufnahme von Eingangssignalen, die die Fahrzeugge schwindigkeit, das Lenkdrehmoment, den Lenkradwinkel und die Elektromotor-Dynamik, einschließlich Rotorstellung und -geschwindigkeit, darstellen, den aus der Tabelle erhaltenen Unterstützungsdrehmomentwert aus, um das aktuelle bzw. tat sächliche gewünschte Drehmomentsignal zu erhalten, das an die Steuerungseinrichtung 51 für die Innenschleife weiterge leitet wird. Die Steuerungseinrichtung für die Außenschleife weist ein Phasenverzögerungsglied auf, das in Reihe mit einem Glied zweiter Ordnung geschaltet ist.

Das Phasenverzögerungsglied kann durch folgende Beziehung charakterisiert werden:

wobei β < 1 und die Werte für β und ω₁ basierend auf den Eigen schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind. Das Phasenver zögerungsglied bewirkt, daß sich die Systemverstärkung bei höheren Frequenzen verringert, während die Systemverstärkung in dem Frequenzbereich von Fahrereingaben eine Verstärkung von Eins aufweist. Dies führt zu einer Verbesserung der Sta bilität durch Reduzierung der Verstärkung bei der Frequenz, mit der das System normalerweise oszillieren würde (z. B. ∼50 Hz). Deshalb werden β und ω₁ dahingehend ausgewählt, eine Antwort des Lenksystems ausreichend schnell zu machen, um den Lenkeingaben des Fahrers zu folgen, ohne daß Hochfre quenzschwingungen angeregt werden.

Das Glied zweiter Ordnung kann durch die folgende Beziehung charakterisiert werden:

wobei die Werte für ξ_n und (ω_p/ω_n)² basierend auf den Eigen schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind. Das Glied zwei ter Ordnung kann, je nach den Erfordernissen, von Reihenlei tungen, Verzögerungsglieder oder einer Kombination davon in einer beliebigen Reihenfolge abgeleitet werden. In einer be vorzugten Ausführungsform wird mit einem Setzen von ξ_n≈ 1 und einem Verhältnis von (ω_p/ω_n)² ≈ 20 ein günstiges bzw. vor teilhaftes Ergebnis erzielt. Es wurde festgestellt, daß sich reale bzw. reelle Pole und Nullstellen für das Glied zweiter Ordnung als uneffektiv bei einem Stabilisieren des elektro nisch unterstützten Servolenksystems erweisen. Als Alterna tive ist der Einsatz eines Voreil-Verzögerungsgliedes mit komplexen Nullstellen möglich.

Der Aufbau des Reihen-Phasenverzögerungsgliedes und des Vor eil-Verzögerungsgliedes zweiter Ordnung der vorliegenden Er findung kann am besten mit Hilfe eines Diagramms der Polortskurven für das System mit und ohne Ausgleich dargestellt werden, wie aus Fig. 5 ersichtlich. Die charakteristische Gleichung für das Servolenksystem weist zwei Niederfrequenz- Wurzeln auf, dargestellt als X₁, X₂, die, wenn nicht ausge glichen, bei sehr niedrigen Verstärkungen instabil werden, was die Verwendung einer Verstärkerkurve, wie sie beispiels weise in Fig. 4 dargestellt ist, verhindert. Dies ist aus dem Ortskurven-Diagramm ersichtlich, indem beachtet wird, daß X₁, X₂ sich asymptotisch in die rechte Halbebene bewegen, wenn die Unterstützungsverstärkung ansteigt. Übliche Ver stärkungsanforderungen für die in Fig. 4 dargestellte Ver stärkerkurve liegen im Bereich von 0-80. Das nicht ausgegli chene bzw. kompensierte System geht in die rechte Halbebene, wenn die Verstärkung 1,5 überschreitet.

Zur Behebung dieses Problems werden von dem Reihen- Phasenverzögerungsglied und dem Voreil-Verzögerungsglied zwei ter Ordnung komplexe Nullstellen 0₁, 0₂ hinzuaddiert, die die leicht gedämpften Wurzeln der charakteristischen Gleichung an sich ziehen, nunmehr dargestellt als X'₁, X'₂. Dies führt zur Verhinderung von Instabilitäten und Schwingungen des Steuersystems für alle gewünschten Verstärkungsbereiche. Die hinzugefügten Pole X₃, X₄ werden nur bei solchen Verstär kungsbereichen instabil, die außerhalb des Bereiches liegen, der normalerweise für Servolenkanwendungen gewünscht ist. In dem dargestellten Plot sind X₃, X₄ stabil für Verstärkungen, die geringer als 150 sind, was ausreichend oberhalb des ge wünschten Bereiches liegt. Mit der Steuerungseinrichtung für die Außenschleife wird ein System geschaffen, bei dem eine wünschenswerte Verstärkung während Parkmanövern und auch ei ne ausreichende Dämpfung während eines Hochgeschwindigkeits betriebs erfolgt, wodurch das Lenkgefühl bei Benutzung des Gegenstandes der Erfindung bei Betrieb mit hohen Geschwin digkeiten verbessert wird.

Claims

1. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, mit
einem Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einem Lenkdrehmomentsensor (30) zum Ermitteln eines auf ein Lenkrad (12) aufgebrachten Lenkdrehmoments und zum Erzeugen eines Lenkdrehmomentsignals (58);
einem Elektromotor (32, 32') zum Erzeugen eines Unterstüt zungslenkdrehmomentes für den Lenkmechanismus (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24; 24'; 26, 28);
einer Steuerungseinrichtung (53) für eine Außenschleife zum Erzeugen eines gewünschten Drehmomentsignals, das auf das Lenkdrehmomentsignal (58) anspricht, wobei die Steuerungseinrichtung (53) für die Außenschleife auf weist
ein Phasenverzögerungsglied; und
ein Glied zweiter Ordnung, das in Reihe mit dem Phasenverzögerungsglied geschaltet ist; und
einer Steuerungseinrichtung (51) für eine Innenschleife zum Erzeugen eines Motorantriebssignals (55), das auf das gewünschte Drehmomentsignal anspricht, und zum Anle gen des Motorantriebssignals (55) an den Elektromotor (32, 32');
wobei das Phasenverzögerungsglied durch die folgende Be ziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für β und ω₁ basierend auf den Eigen schaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind;
und wobei das Glied zweiter Ordnung durch die folgende Beziehung charakterisiert ist:
wobei die Werte für ξ_n und (ω_p/ω_n)² basierend auf den Ei genschaften der Lenkvorrichtung festgelegt sind.

2. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Glied zweiter Ordnung komplexe Null stellen aufweist.

3. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Fahrzeuggeschwindigkeits sensor (42) zum Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und zum Erzeugen eines Fahrzeugge schwindigkeitssignals (60) vorgesehen ist, das von der Steuerungseinrichtung (53) für die Außenschleife zum Er zeugen eines gewünschten, auf das Lenkdrehmomentsignal (58) und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal (60) anspre chenden Drehmomentsignals verwendet wird.

4. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Lenkradpositions sensor (40) zum Ermitteln eines Lenkradwinkels und zum Erzeugen eines Lenkradwinkelsignals (56) vorgesehen ist, das von der Steuerungseinrichtung (53) für die Außen schleife zum Erzeugen eines gewünschten, auf das Lenk drehmomentsignal (58), das Fahrzeuggeschwindigkeits signal (60) und das Lenkradwinkelsignal (56) ansprechen den Drehmomentsignals verwendet wird.

5. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Lenkmechanismus mit
einem Lenkrad (12) zur Entgegennahme der Fahrereingabe;
einer Lenkwelle (16), deren erstes Ende (14) mit dem Lenkrad (12) verbunden ist;
einem Lenkritzel (18), das an einem zweiten, vom ersten Ende (14) abgewandten Ende (20) der Lenkwelle (16) befe stigt ist;
einer Lenkzahnstange (24, 24') die mit dem Lenkritzel (18) zusammenlaufend in Eingriff steht.

6. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das von dem Elektromotor (32) erzeugte Un terstützungsdrehmoment auf die Lenkwelle (16) aufge bracht wird.

7. Elektrisch unterstützte Servolenkvorrichtung zum Lenken eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das von dem Elektromotor (32) erzeugte Un terstützungsdrehmoment auf die Lenkzahnstange (24) auf gebracht wird.