DE19905433A1

DE19905433A1 - Verfahren zur Verminderung der Rückwirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs und dafür eingerichtetes aktives Lenksystem

Info

Publication number: DE19905433A1
Application number: DE1999105433
Authority: DE
Inventors: Kai Weeber; Rainer Muenz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: GB0001259D0; GB2346598B; JP2000229579A; JP4510976B2; DE19905433B4; GB2346598A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Rückwirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeuges bei einem durch einen elektrischen Stellmotor angetriebenen aktiven Lenksystem, das einem vom Fahrer am Lenkrad (31) vorgegebenen Lenkradwinkel (deltaL) mittels eines Überlagerungsgetriebes (32) einen Zusatzlenkwinkel (deltaM) überlagert. Erfindungsgemäß wird das vom Stellmotor (33) auf das Überlagerungsgetriebe (32) übertragene Motormoment (m¶mot¶) abhängig von der Fahrsituation und von Umgebungsbedingungen begrenzt und zwar umso weniger je gefährlicher die Fahrsituation ist (Figur 4).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Rückwirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs bei einem durch einen elektrischen Stellmotor angetriebenen aktiven Lenksystem, welches einem vom Fahrer am Lenkrad vorgegebenen Lenkradwinkel einen Zusatzlenkwinkel mittels eines Überlagerungsgetriebes überlagert, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes aktives Lenk system, das eine Steuer/Regeleinheit aufweist, die abhängig von vom Fahrzeug und Umgebungsbedingungen bestimmten Größen dem vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkel einen Zusatzlenkwinkel mittels eines elektrischen Stellmotors und eines Überlagerungsgetriebes überlagert.

Ein derartiges aktives Lenksystem ist aus der DE OS 40 31 316 bekannt und ist in der beiliegenden Fig. 1 schematisch dargestellt. Der vom Fahrer am Lenkrad 21 eingestellte Lenkradwinkel δL liegt einem Eingang eines Überlagerungsgetriebes 22 an. Aus von der Fahrsituation und von der Umgebungssituation abhängigen Signalen ermittelt eine Steuer/Regeleinheit 37 einen Zusatzlenkwinkel δM und führt einem elektrischen Stellmotor 23 einen entsprechenden Ansteuerstrom zu. Der Zusatzlenkwinkel δM liegt dem anderen Eingang des Überlagerungsgetriebes 22 an. Ausgangsseitig erzeugt das Überlagerungsgetriebe 22 einen überlagerten Lenkwinkel δL' für die gelenkten Räder 25a, 25b, so daß dieser unabhängig von dem am Lenkrad eingestellten Lenkradwinkel δL verändert werden kann. Ein Lenkgetriebe 24 setzt den überlagerten Winkel δL' in eine entsprechende Bewegung der Lenkwelle 26 um. Mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung können verschiedene Funktionen, die die Fahrdynamik, Fahrsicherheit sowie das Fahrzeugverhalten verbessern, realisiert werden. Eine kraftunterstützende Funktion wie bei einer Servolenkung kann damit nicht erreicht werden. Der vom Fahrer vorgegebene Lenkradwinkel δL soll sich nicht verändern und das Lenkrad seine Position beibehalten.

Im Überlagerungsgetriebe 22 wird mechanische Leistung mit fest vorgegebenen Drehmomentverhältnis bzw. Kraftverhältnis aber freien Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten summiert. Das vom Stellmotor aufgebrachte Drehmoment muß am Lenkrad 21 abgestützt werden, damit es in Richtung des Lenkgetriebes 24 geleitet wird. Wird dieses Drehmoment am Lenkrad 21 nicht oder nur teilweise abgestützt, beginnt sich das Lenkrad 21 anstatt der Räder 25a, 25b zu verdrehen. Es ist deshalb notwendig, daß das Lenkrad 21 während eines Eingriffs des Stellmotors 23 nicht vom Fahrer losgelassen wird.

Das vom Fahrer abzustützende, auf das Lenkrad 21 rückwirkende Motormoment ist von der Beschleunigung des Stellmotors 23 und den vorhandenen Massenträgheiten abhängig. Das abzustützende Moment ist vom Fahrer ab einem gewissen Betrag spürbar. Dieses spürbare Moment verschlechtert den subjektiven Fahreindruck des Fahrers. Das sehr gute subjektive Lenkgefühl konventioneller Lenksysteme darf durch den Einsatz von elektronischen Lenksystemen mit Überlagerungsgetriebe nicht verschlechtert werden.

Wenn ein solches elektronisches Lenksystem zur Korrektur fahrdynamisch kritischer Fahrsituationen aktiviert wird, ist es notwendig, innerhalb kurzer Zeit den benötigten Zusatzlenkwinkel δM zu erzeugen. Der Stellmotor, der den Zusatzlenkwinkel erzeugen soll, muß aus diesem Grund schnell eine hohe Drehzahl erreichen. Die Motordrehzahl n_mot erhält man durch zeitliche Integration des Motormoments m_mot und Gewichtung mit der Massenträgheit J wie folgt:

Damit der Stellmotor 23 schnell eine hohe Drehzahl erreichen kann, muß er bei gegebener Massenträgheit J ein hohes Moment erzeugen. Große Motormomente haben eine große Beschleunigung des Motors zur Folge. Große Motormomente wirken sich durch die oben geschilderte Rückwirkung auf das Lenkrad negativ auf das subjektive Fahrgefühl des Fahrers aus. Große Motormomente sind deshalb in Fahrsituationen, in denen sie nicht benötigt werden zu vermeiden. Dennoch muß der Motor so dimensioniert sein, daß er bei Bedarf große Momente bereitstellen kann.

Fig. 2 zeigt graphisch Simulationsergebnisse, die das Motorverhalten als Antwort auf einen Führungsgrößensprung, d. h. Sprung des Zusatzlenkwinkels δM darstellen. Den dargestellten Simulationsergebnissen lag ein geschlossener Regelkreis mit einem PD-Regler zugrunde. In der graphischen Darstellung sind mit A der zeitliche Verlauf der Führungsgröße, d. h. dem Sollwinkel in Grad LR, mit B der zeitliche Verlauf des Istwinkels in Grad LR, mit C der zeitliche Verlauf der Motordrehzahl in 1/s und mit D der zeitliche Verlauf des auf die Lenkwelle wirkenden Motormoments in Nm dargestellt. Wie die Figur zeigt, erreicht der Stellmotor seine Sollposition nach annähernd 200 ms. Gemäß Kurve D erreicht das Moment, das der Stellmotor auf die Lenkwelle aufbringt Spitzenwerte, die größer als 50 Nm sind. Diese hohen Drehmomentspitzen sind vom Fahrer deutlich spürbar und nicht akzeptabel.

Fig. 3 zeigt graphisch das Motorverhalten als Antwort auf einen Führungsgrößensprung mit Gradientenbegrenzung. Durch die Begrenzung der Sollwinkelgeschwindigkeit steigt die Führungsgröße "Sollwert des Zusatzlenkwinkels δM" rampenförmig an. Im Vergleich mit Fig. 2 zeigt sich, daß durch die Gradientenbegrenzung der Sollwinkelgeschwindig keit die Motormomente wesentlich kleiner werden. Außerdem erreicht der Motor nicht seine höchste Drehzahl und benötigt ca. 400 ms bis er seine Sollposition erreicht hat. Fig. 3 verdeutlicht die Ergebnisse der bislang üblichen Methode der Gradientenbegrenzung. Diese hat den deutlichen Nachteil, daß der Motor nicht mehr so schnell seine Sollposition erreicht.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, das subjektive Fahrgefühl des Fahrers bei einem aktiven Lenksystem mit Über lagerungsgetriebe zu verbessern. Spürbare Lenkradrück wirkungen, die durch das vom Stellmotor erzeugte Moment verursacht werden, sollen situationsabhängig vermieden oder auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Dabei soll die hohe Stellgeschwindigkeit des Motors erhalten bleiben.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Dazu ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verminderung der Rück wirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs bei einem durch einen elektrischen Stellmotor angetriebenen aktiven Lenksystem dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Erken nungsschritt vorgesehen ist, der erkennt, ob ein Soll wertsprung des Zusatzlenkwinkels auftritt, daß ein zweiter Erkennungsschritt vorgesehen ist, der, wenn der erste Erkennungsschritt ergibt, daß ein Sollwertsprung des Zusatzlenkwinkels auftritt erkennt, ob eine fahrdynamisch kritische Situation vorliegt oder nicht, und daß ein Begrenzungsschritt vorgesehen ist, der die Stärke des vom elektrischen Stellmotor auf das Überlagerungs getriebe übertragenen Stellmoments abhängig vom Ergebnis des zweiten Erkennungsschritts derart begrenzt, daß das Stellmoment bei einer fahrdynamisch unkritischen Situation verringert und bei einer fahrdynamisch kritischen Situation vergrößert wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Eingriffen des Stellmotors in fahrdynamisch unkritischen Situationen das Motormoment so reduziert, daß es vom Fahrer nicht mehr wahrnehmbar ist. Dies kann deshalb geschehen, da ein solches aktives Lenksystem mit Überlagerungsgetriebe in fahrdynamisch unkritischen Situationen keine extrem schnelle Beschleunigung des Motors benötigt und deshalb ein reduziertes Motormoment ausreicht.

Dagegen wird bei fahrdynamisch kritischen Situationen ein größeres Motormoment zugelassen. Das zugelassene Motor moment steigt progressiv mit der Gefährlichkeit der Situation. In solchen kritischen Fahrsituationen, wie beim Schleudern oder bei Bremsungen mit unterschiedlichen Reibbeiwerten der linken und rechten Räder (µ-split- Bremsung), wird das vom Stellmotor erzeugte Drehmoment so begrenzt, daß es vom Fahrer kaum mehr wahrgenommen wird. Die hohen Stellgeschwindigkeiten des Motors, die in solchen kritischen Fahrsituationen benötigt werden, bleiben trotzdem erhalten.

Das vom Stellmotor erzeugt Moment m_mot ist proportional zur Motorstromstärke i_mot nach folgender Beziehung

m_mot = k.i_mot

worin k eine Konstante ist. Die obige Beziehung macht deutlich, daß sich durch die Begrenzung der Motor stromstärke auf einen vorgegebenen Wert sicherstellen läßt, daß am Stellmotor ein gewünschtes Moment nicht überschritten wird. Die Begrenzung des Motorstroms läßt sich durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. eine Strom regeleinheit mit variabler Sollwertbegrenzung realisieren.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des bereits beschriebenen bekannten aktiven Lenksystems.

Fig. 2 zeigt graphisch das Verhalten des Stellmotors als Antwort auf einen Führungsgrößensprung ohne Gradienten begrenzung.

Fig. 3 zeigt graphisch das Verhalten des Stellmotors als Antwort auf einen Führungsgrößensprung mit Gradienten begrenzung.

Fig. 4 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten aktiven Lenk systems, und

Fig. 5 zeigt graphisch das Verhalten des Stellmotors auf einen Führungsgrößensprung mit Begrenzung des Drehmoments des Stellmotors.

Ausführungsbeispiel

Anhand des in Fig. 4 dargestellten Funktionsblock schaltbilds wird nun ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes aktives Lenksystem beschrieben. Der an einem Lenkrad 31 eines Fahrzeugs 35 vorgegebene Lenkradwinkel δL, der über die (nicht dargestellte) Lenkradwelle ein gangsseitig an einem Überlagerungsgetriebe 32 angreift, wird von einem mit der Lenkradwelle gekoppelten Sensor 38 erfaßt und eingangsseitig einer Steuer/Regeleinheit 37 zugeführt. Ausgangsseitig erzeugt das Überlagerungsgetriebe 32 einen überlagerten Lenkwinkel δL', der einem Lenkgetriebe 34 zugeführt wird. Weitere im Fahrzeug vorhandene Sensoren 36 dienen zur Erfassung des vom Lenkgetriebe 34 erzeugten Ist-Lenkwinkels δV der Vorder räder, der Fahrgeschwindigkeit sowie anderer Fahrzeug- und Umgebungsbedingungen und werden ebenfalls Eingängen der Steuer/Regeleinheit 37 zugeführt. Die Steuer/Regeleinheit 37 weist eine Stromregel- und -begrenzungseinheit 39 auf, die die Stärke des dem Stellmotor 33 zugeführten Motorstroms i_mot variabel begrenzt und zwar abhängig von der Gefährlichkeit der Fahrsituation, die die Steuer/ Regeleinheit 37 anhand der ihr zugeführten Signale und gegebenenfalls anhand eines gespeicherten Fahrzeug- und/oder Umgebungsmodells 40 ermittelt.

Somit weist die Steuer/Regeleinheit 37 Mittel zur Durch führung des Verfahrens auf, das die Rückwirkung des elektrischen Stellmotors bei Führungsgrößensprüngen auf das Lenkrad des Kraftfahrzeugs verringert. Diese in der Steuer/Regeleinheit vorgesehenen Mittel führen zunächst einen Erkennungsschritt aus, um zu erkennen, ob ein Sollwert- oder Führungsgrößensprung des Zusatzlenkwinkels δM auftritt. Dann folgt ein zweiter Erkennungsschritt, der bei dem Ergebnis des ersten Erkennungsschritts, daß ein Sollwertsprung des Zusatzlenkwinkels auftritt erkennt, ob eine fahrdynamisch kritische Situation vorliegt oder nicht. Die Steuer/Regeleinheit 37 führt der Stromregel- und -begrenzungseinheit 39 Signale zu, die eine fahrsituationsabhängige Begrenzung so durchführen, daß die Stärke des vom Stellmotor 33 auf das Überlagerungsgetriebe 32 übertragenen Stellmoments abhängig vom Ergebnis des zweiten Erkennungsschritts derart begrenzt wird, daß es bei einer fahrdynamisch unkritischen Situation verringert und bei einer fahrdynamisch kritischen Situation vergrößert wird.

In einem der Steuer/Regeleinheit 37 zugeordneten Speicher 40 kann ein Fahrzeug- und/oder Umgebungsmodell gespeichert sein, welches bei der Durchführung des zweiten Erkennungsschritts verwendet werden kann.

Wie schon erwähnt, wird die Begrenzung des Motormoments m_mot durch die Begrenzung der Stärke des dem Stellmotor zugeführten Stroms durchgeführt.

Bei einer bevorzugten Ausbildungsform kann die Steuer/ Regeleinheit dazu eingerichtet sein, mehrere verschiedene fahrdynamisch kritische Situation zu unterscheiden, und die Stärke des Motorstroms progressiv mit der Gefährlichkeit der Fahrsituation erhöhen.

Fig. 5 zeigt in analoger graphischer Darstellung zu den Fig. 2 und 3 das Motorverhalten als Antwort auf einen Führungsgrößensprung, wobei die erfindungsgemäße Begrenzung des Motormoments durchgeführt ist. Kurve A gibt den Sollwinkel in Grad LR, Kurve B den Istwinkel in Grad LR, Kurve C die Motordrehzahl in 1/s und Kurve D das Motor moment auf die Lenkwelle in Nm jeweils in Abhängigkeit von der Zeit an. Wie Fig. 5 zeigt, wurden die Momente nach links und rechts jeweils auf 25 Nm begrenzt. Der Motor erreicht seine Sollposition bereits nach annähernd 220 ms, was fast so schnell ist wie bei dem Stellmotor ohne Begrenzung der Sollwinkelgeschwindigkeit, dessen Verhalten graphisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die auf die Lenkwelle aufgebrachten Momente und damit auch die Lenkradrückwirkungen sind um die Hälfte kleiner als bei dem Stellmotor gemäß Fig. 2. Die Zeit, die verstreicht, bis der Stellmotor seine Sollposition erreicht hat, ist um die Hälfte kleiner als bei dem Stellmotor dessen Kennwerte graphisch in Fig. 3 dargestellt sind und bei dem die Begrenzung der Sollwinkelgeschwindigkeit auf 4,35 Rad/s durchgeführt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße aktive Lenksystem verbinden somit niedrige Lenkrad rückwirkungen mit einem schnellen Erreichen der Soll position des Stellmotors. Die auf die Lenkwelle aufgebrachten Momente können variabel und situations abhängig begrenzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung der Rückwirkung auf das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs bei einem durch einen elektrischen Stellmotor angetriebenen aktiven Lenksystem, welches einem vom Fahrer am Lenkrad vorgegebenen Lenkradwinkel (δL) einen Zusatzlenkwinkel (δM) mittels eines Überlagerungsgetriebes überlagert, dadurch gekenn zeichnet, daß ein erster Erkennungsschritt vorgesehen ist der erkennt, ob ein Sollwertsprung des Zusatzlenkwinkels (δM) auftritt, daß ein zweiter Erkennungsschritt vorgesehen ist, der, wenn der erste Erkennungsschritt ergibt, daß ein Sollwertsprung des Zusatzlenkwinkels (δM) auftritt erkennt, ob eine fahrdynamisch kritische Situation vorliegt oder nicht, und daß ein Begrenzungsschritt vorgesehen ist, der die Stärke des vom elektrischen Stellmotor auf das Überlagerungs getriebe übertragenen Stellmoments abhängig vom Ergebnis des zweiten Erkennungsschritts derart begrenzt, daß das Stellmoment bei einer fahrdynamisch unkritischen Situation verringert und bei einer fahrdynamisch kritischen Situation vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung des Motormoments des elektrischen Stellmotors durch die Begrenzung der Stärke des dem Stellmotor zugeführten Motorstroms ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Erkennungsschritt einen Unterscheidungsschritt enthält, der mehrere verschiedene fahrdynamisch kritische Situationen unterscheidet und daß der Begrenzungsschritt die Stärke des Motorstroms progressiv mit der Gefährlichkeit der Fahrsituation steigert.

4. Aktives Lenksystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuer/Regeleinheit (37), die abhängig von vom Fahrzeug und Umgebungsbedingungen bestimmten Größen dem vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkel (δL) einen Zusatzlenkwinkel (δM) mittels eines elektrischen Stellmotors (33) und eines Überlagerungsgetriebes (32) überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer/Regeleinheit (37) eine Stromregel- und -begrenzungseinheit (39) aufweist, die die Stärke des dem Stellmotor (33) zugeführten Motorstroms variabel begrenzt und zwar abhängig von der Gefährlichkeit der Fahrsituation, die die Steuer/Regeleinheit (37) anhand von Signalen ermittelt, die ihr von im Fahrzeug angebrachten Sensoren und/oder anderen im Fahrzeug befindlichen Steuergeräten zugeführt werden.

5. Aktives Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Steuer/Regeleinheit Mittel zur Durchführung des ersten und zweiten Erkennungsschritts vorgesehen sind, die ein Fahrzeug- und/oder Umgebungsmodel aufweisen.