DE19919374A1

DE19919374A1 - Mit variabler Kraft unterstützende Servolenkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19919374A1
Application number: DE19919374A
Authority: DE
Inventors: Norihisa Ito; Nobuhiko Uryu; Yasuhiko Sugihara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: US6134490A; DE19919374B4; JP3951205B2; JP2000142433A

Abstract

Das Lenken eines Fahrzeugs wird durch einen Motor (9) unterstützt, der gemäß einem durch einen digitalen Computer (10) erzeugten Lenksignal (Y) angetrieben wird. Das Lenksignal (Y) wird so erzeugt, daß eine hohe und rasche Kraftverstärkung erhalten wird, wenn das Lenken rasch oder scharf erfolgt, während Zittervibrationen, die am Lenkrad infolge von Rauschen auftreten, unterdrückt werden, wenn das Lenken langsam ist oder das Lenkrad festgehalten wird. Eine Lenkgeschwindigkeit DOLLAR I1, die aus einem Lenkwinkel (THETA) berechnet wird, und ein Lenkdrehmomentsignal (Ð), das von einem Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle detektiert wird, werden zum Erzeugen des Lenksignals verwendet. Ein ursprüngliches Lenkdrehmomentsignal (Ð = U1) wid durch eine Übertragungsfunktion mit einer hohen Verstärkung und einem großen Phasenvorschub in einem bestimmten Frequenzbereich von ihr modifiziert, wodurch ein endgültiges Lenksignal (Y) erzeugt wird, das den Betrieb des Kraftverstärkungsmotors (9) steuert bzw. regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkungsvorrichtung für ein Automobil, bei dem die Lenkung durch eine Kraftquelle, wie etwa einen elektrischen Motor, unterstützt wird.

Als Beispiel einer Servolenkungsvorrichtung dieser Art offenbart JP-B2-3-11943 ein Regelungssystem für eine durch einen elektrischen Motor unterstützte Servolenkungsvorrichtung. Dieses Regelungssystem umfaßt einen Phasenkompensator, der Signale proportional zu differenzierten Ausgangswerten von einem Drehmomentsensor, der ein Lenkwellendrehmoment detektiert, erzeugt. Der Phasenkompensator kompensiert eine Verzögerung einer Übertragungscharakteristik bei einem Regelungssystem, die durch Reibungen und andere Faktoren in dem Lenksystem hervorgerufen wird. Mit anderen Worten, der Phasenkompensator stabilisiert den Betrieb des Regelungssystems und gleicht eine Verzögerung eines elektrischen Kraftverstärkungsmotors infolge seiner Trägheit durch Ändern einer Phase des Drehmomentsignals aus. Der Phasenkompensator besteht aus analogen oder digitalen Schaltungen, und seine Frequenzantwortcharakteristik dient zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors und zum Vorschieben der Phase der Drehmomentsignale.

Bei dem in der obigen Veröffentlichung dargestellten Regelungssystem enthalten die durch den Phasenkompensator kompensierten Drehmomentsignale jedoch oftmals Rauschsignale, da die differenzierten Werte der Drehmomentsignale verwendet werden. Das Rauschen wird in einem Frequenzbereich verstärkt, wo der Verstärkungsfaktor des Phasenkompensators erhöht ist, und das verstärkte Rauschen wird in den Strom zum Antreiben des Kraftverstärkungsmotors eingebracht. Daher ist das Rauschen im Ausgang des Kraftverstärkungsmotors enthalten. Folglich erzeugt die Motorkraft, die das verstärkte Rauschen enthält, eine zitternde Vibration eines Lenkrads, die vom Fahrer insbesondere dann gespürt wird, wenn das Lenkrad stabil gehalten oder langsam gedreht wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Phasenkompensators verringert wird, um die unangenehmen Vibrationen zu vermeiden, wird auf eine rasche Antwort des Lenksystems verzichtet, da ebenfalls der Phasenvorschub vermindert wird. Folglich antwortet der Kraftverstärkungsmotor nicht rasch genug, um eine jähe Lenkbewegung hinreichend zu unterstützen, und das Lenkrad wird schwer, was dem Fahrer ein unangenehmes Lenkgefühl gibt.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme getätigt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Servolenkungsvorrichtung, die bei jähem Lenken eine rasche Verstärkungskraft liefert und die nicht unangenehme Zittervibrationen am Lenkrad erzeugt, wenn das Lenkrad stabil gehalten oder langsam gedreht wird. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung, bei dem bei jähem Lenken eine rasche Kraftverstärkung erhalten und keine Zittervibration bei langsamem oder keinem Lenken erzeugt wird.

Die Servolenkungsvorrichtung, bei der das Lenken eines Fahrzeugs durch eine bestimmte Kraftquelle, wie etwa einen elektrischen Motor, unterstützt wird, besteht aus einem Lenkwinkelsensor, einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor, einem Lenk drehmomentsensor, einem Lenksignalgenerator zum Erzeugen eines Lenksignals auf der Basis der Lenkgeschwindigkeit und des Lenkdrehmoments, einem Motortreiber zum Liefern eines dem Lenksignal entsprechenden Stroms und einem Kraftverstärkungsmotor. Die Lenkgeschwindigkeit wird aus dem Lenkwinkel berechnet und das Lenkdrehmoment wird durch Messen eines Torsionsdrehmoments einer Lenkwelle detektiert.

Der Lenksignalgenerator besteht aus einem Kompensator zum Modifizieren eines Lenksignals, das ursprünglich proportional zum Lenkdrehmoment ist, einem Wichtungsfaktorgenerator zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors entsprechend der Lenkgeschwindigkeit und einem Generator für das gewichtete Signal zum Erzeugen eines endgültigen Lenksignals. Das ursprüngliche Lenksignal wird durch den Kompensator so modifiziert, daß es bei einer jähen oder scharfen Lenkung eine höhere Verstärkung und einen größeren Phasenvorschub als bei einer langsamen oder festen Lenkung besitzt, wodurch ein zweites Lenksignal erzeugt wird. Das ursprüngliche und das zweite Lenksignal werden mit dem erzeugten Wichtungsfaktor kombiniert, wodurch das endgültige Lenksignal erzeugt wird, auf dessen Basis der Antriebsstrom an den Kraftverstärkungsmotor geliefert wird.

Da der Kraftverstärkungsmotor auf der Basis des geeignet erzeugten Lenksignals angetrieben wird, wird das Lenken bei einer jähen Lenkung durch den Kraftverstärkungsmotor hinreichend und rasch unterstützt, während Zittervibrationen bei langsamer Lenkung unterdrückt werden. Obwohl geringe Zittervibrationen auftreten, wenn die Lenkung bei einer jähen Lenkbewegung stark unterstützt wird, werden solche Vibrationen durch den Fahrer bei einer solchen Lenkbedingung kaum gespürt. Daher ist es wichtig, die Vibrationen bei der langsamen Lenkung oder bei keiner Lenkung zu unterdrücken, da die Vibrationen bei einer solchen Lenkbedingung durch den Fahrer ohne weiteres gespürt werden. Der Grad der Kraftverstärkung variiert graduell von einer hohen Unterstützung bei rascher Lenkbewegung zu einer bescheidenen Unterstützung bei langsamer Lenkbewegung. Dementsprechend erhält man ein gutes Lenkgefühl über den gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit.

Als Kraftverstärkungsmotor können verschiedene Arten von Kraftquellen verwendet werden, nämlich ein elektrischer Motor, ein hydraulischer Motor und andere elektrische Antriebe. Da der Lenksignalgenerator in einen digitalen Mikrocomputer eingebaut ist, sind alle Berechnungen und Signalerzeugungen rasch und präzise, und darüber hinaus kann die Vorrichtung kompakt und billig gestaltet werden. Es ist möglich, dem Mikrocomputer eine zusätzliche Schaltung hinzuzufügen, um eine starke und rasche Kraftverstärkung in eine leichte und langsame Kraftverstärkung gemäß einer Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem Lenkdrehmomentsignal zu schalten.

Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei der ersten Ausführungsform verwendeten Drehmomentsensors;

Fig. 3A und 3B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines Verstärkung/Phasenkompensators, der bei der ersten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 4A und 4B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei der ersten Ausführungsform verwendeten Lenksignalgenerators;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A und 6B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei der zweiten Ausführungsform verwendeten ersten Verstärkung/Phasenkompensators;

Fig. 7A und 7B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei der zweiten Ausführungsform verwendeten zweiten Verstärkung/Phasenkompensators;

Fig. 8A und 8B Bode-Diagramme von Frequenzantwortcharakteristiken eines bei der zweiten Ausführungsform verwendeten Lenksignalgenerators;

Fig. 9 Graphen zur Erläuterung einer möglichen Diskontinuität von Lenksignalen;

Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer Struktur einer Servolenkungsvorrichtung als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Erste Ausführungsform

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4B beschrieben. Gemäß Fig. 1 besteht eine Servolenkungsvorrichtung aus einem Lenkwinkelsensor 3, einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4, einem Drehmomentsensor 1 zum Detektieren eines Torsionsdrehmoments einer Lenkwelle, einem Lenksignalgenerator bestehend aus einem Verstärkung/Phasenkompensator 2, einem Wichtungsfaktorgenerator 5 und einem Generator 6 für gewichtete Signale, einem Antriebsstromgenerator 7, einem Motortreiber 8 und einem Kraftverstärkungsmotor 9.

Der Lenkwinkelsensor 3 zum Detektieren eines Lenkwinkels θ ist an den Kraftverstärkungsmotor 9 angebracht, der über eine Geschwindigkeits reduktionsvorrichtung mit der Lenkwelle verbunden ist, und erzeugt Pulse in Abhängigkeit von der Drehung des Kraftverstärkungsmotors 9. Daher ist die Sensorauflösung des Lenkwinkelsensors 3 hinreichend hoch. Der Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4 ist eine digitale Schaltung und berechnet |dθ/dt| durch Zählen der Anzahl von von dem Lenkwinkelsensor 3 in einem vorbestimmten Zeitraum gelieferten Impulsen. Der Drehmomentsensor 1 ist ein kontaktloser Magnetsensor zum Detektieren eines Torsionsdrehmoments T der Lenkwelle und erzeugt ein Drehmomentsignal τ. Die Übertragungscharakteristik τ(s)/T(s) des Drehmomentsensors ist eine im wesentlichen lineare Verzögerungscharakteristik, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist.

Der Lenksignalgenerator ist eine digital arbeitende Schaltung einschließlich des Verstärkung/Phasenkompensators 2, des Wichtungsfaktorgenerators 5 und des Generators 6 für gewichtete Signale. Der Lenksignalgenerator erzeugt das Lenksignal Y unter einer Übertragungscharakteristik mit geringer Verstärkung und geringem oder keinem Phasenvorschub, wenn die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| gering ist. Gemäß dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| erzeugt der Lenksignalgenerator das Lenksignal Y unter einer Übertragungscharakteristik mit allmählich ansteigender/ansteigendem Verstärkung und Phasenvorschub. Die Betriebsweise des Lenksignalgenerators wird später im Detail beschrieben. Der Antriebsstromgenerator 7 empfängt das Lenksignal Y von dem Lenksignalgenerator und gibt ein Signal aus, das einen Antriebsstrom A angibt, welches auf der Basis des Lenksignals Y bestimmt ist. Das Antriebsstromsignal wird zu einem Motortreiber 8 geschickt, der aus Leistungs- MOS- und anderen Komponenten besteht, und durch einen D/A-Wandler (nicht gezeigt) in ein analoges Signal gewandelt. Der Kraftverstärkungsmotor 9, der ein mit der Lenkwelle zum Unterstützen der Lenkung verbundener Gleichstrommotor ist, wird durch den von dem Motortreiber 8 gelieferten Antriebsstrom betrieben.

Nun wird der Aufbau und die Funktion des Lenksignalgenerators im Detail beschrieben. Das Lenkdrehmoment T wird entsprechend der Übertragungscharakteristik des Drehmomentsensors 1 in ein Drehmomentsignal τ übertragen und in den Generator 6 für gewichtete Signale als Signal U1 (U1 = τ) eingespeist. Gleichzeitig wird das Drehmomentsignal τ durch den Verstärkung/Phasenkompensator 2 modifiziert und als Signal U2 parallel mit dem Signal U1 in den Generator 6 für gewichtete Signale eingespeist. Die Signale U1 und U2 werden mittels eines Gewichtungsfaktors G, der von dem Wichtungsfaktorgenerator 5 in den Generator 6 für gewichtete Signale eingespeist wird, kombiniert. Die Übertragungscharakteristik des Verstärkung/Phasenkompensators 2 ist quadratisch einschließlich eines Differential elements mit einem geeignet eingestellten Nullpol und läßt sich darstellen als: U2(s)/τ(s) = g(s - z₁)/{(s - p₁).(s + p₂)}. Gemäß dieser Übertragungscharakteristik wird das Drehmomentsignal τ so kompensiert, daß in erster Linie wegen des Differentialelements der Übertragungscharakteristik seine Verstärkung erhöht und seine Phase vorgeschoben wird, wenn sich seine Frequenz von einer niedrigen zu einer hohen verschiebt. Daher wird die Verstärkung und die Phase des Drehmoments T (s) gemäß den Fig. 3A und 3B kompensiert.

Der Wichtungsfaktorgenerator 5 besteht aus einem Speicher und einer digitalen Schaltung und empfängt die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| von dem Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4. Der Wichtungsfaktorgenerator 5 berechnet den Wichtungsfaktor G entsprechend der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| auf der Basis einer in dem Speicher gespeicherten Tabelle. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Tabelle so formuliert, daß der Wichtungsfaktor G auf 0,8 eingestellt ist, wenn sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in einem niedrigen Bereich befindet, der eine feste Lenkung (das Lenkrad wird stabil gehalten) und langsame Lenkung abdeckt, und daß er auf 0 (Null) eingestellt ist, wenn sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in einem hohen Bereich befindet, der einem raschen Lenken entspricht. In einem Zwischenbereich zwischen dem niedrigen und hohen Bereich wird der Wichtungsfaktor G so eingestellt, daß er allmählich von 0,8 bis 0 abnimmt. Die den Wichtungsfaktor G bestimmende Tabelle muß entsprechend dem Fahrzeugtyp basierend auf tatsächlichen Experimenten formuliert werden. Die Übertragungscharakteristik des Verstärkung/Phasen kompensators 2 wird ebenfalls auf der Grundlage tatsächlicher Experimente bestimmt, die für jeden Fahrzeugtyp durchgeführt werden.

Der Generator 6 für gewichtete Signale ist eine digitale Schaltung, die das Lenksignal Y auf der Basis der Drehmomentsignale U1 und U2 berechnet, indem eine Wichtung hinzugefügt wird. D.h. das Lenksignal Y wird gemäß der folgenden Formel berechnet: Y = G.U1 + (1 - G).U2. Die Verstärkung und der Phasenvorschub des Lenksignals Y gemäß einer Gesamtübertragungscharakteristik Y(s)/T(s) sind in den Fig. 4A und 4B für zwei repräsentative Wichtungsfaktoren G = 0 und 0,5 gezeigt (G = 1 ist ebenfalls als Referenz gezeigt). Der Antriebsstromsignalgenerator 7 empfängt das Lenksignal Y von dem Lenksignalgenerator 6 und erzeugt ein Signal, das den Antriebsstrom A auf der Basis des Lenksignals Y angibt. Eine in Fig. 1 gezeigte Tabelle zum Bestimmen des Antriebsstroms A gemäß dem Lenksignal Y ist in einem in dem Antriebsstromsignalgenerator 7 enthaltenen Speicher gespeichert. Der Kraft verstärkungsmotor 9 wird durch den Antriebsstrom A betrieben, der entsprechend dem Lenksignal Y bestimmt wird.

Da das Lenksignal Y, wie oben beschrieben, ein durch den Faktor G gewichtetes Signal ist, herrscht das Drehmomentsignal U1 beim Bestimmen von Y während der festen Lenkung und der langsamen Lenkung vor (wenn die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| gering ist). Folglich werden die Zittervibrationen des Lenkrads unterdrückt, obwohl die Kraftverstärkungsantwort in dem Lenksystem relativ langsam ist. Wenn die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| ansteigt, wird das modifizierte Drehmomentsignal U2 allmählich anstelle von U1 beim Bestimmen des Lenksignals Y dominant. Das kompensierte Drehmomentsignal U2 bestimmt beim raschen Lenken, wenn die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| einen vorbestimmten Pegel übersteigt, allein das Lenksignal Y. Folglich wird die Kraftverstärkungsantwort in dem Lenksystem beim raschen Lenken stark und schnell, obwohl geringe Zittervibrationen am Lenkrad auftreten. Die beim raschen Lenken auftretenden Zittervibrationen sind jedoch für das Lenkgefühl nicht abträglich, da solche Vibrationen vom Fahrer beim raschen Lenken kaum gespürt werden.

Zusammenfassend arbeitet die Servolenkungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die folgende Weise. Die Lenkgeschwindig |dθ/dt| wird auf der Basis des Lenkwinkels θ berechnet, während das Lenkdrehmomentsignal U1 und das kompensierte Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmoments T berechnet werden. Das Lenksignal Y wird durch Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des gemäß der Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| bestimmten Wichtungsfaktors T erzeugt. Der Kraftverstärkungsmotor wird durch den gemäß dem Lenksignal Y bestimmten Antriebsstrom A angetrieben. Da U1 in dem niedrigen Lenkgeschwindigkeitsbereich vorherrscht und U2 mit einer hohen Verstärkung und einer vorgeschobenen Phase in dem hohen Lenkgeschwindigkeitsbereich bestimmend ist, treten die Zittervibrationen beim festen oder langsamen Lenken nicht auf und die Kraftverstärkungsantwort ist beim raschen Lenken hoch. Mit anderen Worten, die Kraftverstärkung ist beim raschen Lenken schnell und hinreichend gewährleistet, während Zittervibrationen beim festen oder langsamen Lenken nicht auftreten. Da sich die Kraftverstärkungsantwort gemäß der Lenkgeschwindigkeit allmählich und kontinuierlich ändert, spürt der Fahrer keine abrupte Änderung im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit.

Die Hauptkomponenten (der Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4, der Wichtungsfaktorgenerator 5, der Verstärkung/Phasenkompensator 2, der Generator für gewichtete Signale 6 und der Antriebsstromsignalgenerator 7) zum Regeln der Servolenkungsvorrichtung sind alle in einem digitalen Mikrocomputer 10 enthalten, der in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie umkreist ist. Dementsprechend werden alle Operationen und Berechnungen von Signalen, wie etwa von |dθ/dt|, G, U2, Y und A, rasch und präzise entsprechend einem Programm und Speichern, die in dem Mikrocomputer 10 enthalten sind, ausgeführt. Der Mikrocomputer ist ebenfalls hinsichtlich der Kosten der Vorrichtung vorteilhafter als analoge Schaltungen, da der Mikrocomputer in letzter Zeit immer billiger wird.

Zweite Ausführungsform

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 5 bis 8B beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird der Verstärkung/Phasenkompensator 2 der ersten Ausführungsform durch zwei Kompensatoren ersetzt, einem ersten Verstärkung/Phasenkompensator 2' und einem zweiten Verstärkung/Phasenkompensator 2'', und der Wichtungsfaktorgenerator 5 der ersten Ausführungsform wird durch einen Wichtungsfaktorgenerator 5' ersetzt. Andere Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.

Eine Übertragungscharakteristik U1(s)/τ(s) des ersten Verstärkung/Phasenkompensators 2' ist in den Fig. 6A und 6B gezeigt, bei dem die Verstärkung und der Phasenvorschub in einem relativ niedrigen Frequenzbereich erhöht sind. Eine Übertragungscharakteristik U2(s)/τ(s) des zweiten Verstärkung/Phasenkompensators 2'' ist in den Fig. 7A und 7B gezeigt, bei dem die Verstärkung und der Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich erhöht sind. Mit anderen Worten, der erste Kompensator 2' modifiziert das Drehmomentsignal τ zu U1, so daß die Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben wird, wenn die Drehmomentsignalfrequenz beginnt sich zu erhöhen (beispielsweise wenn sich die Lenkgeschwindigkeit in einem Übergangszustand vom langsamen Lenken zu einem mittleren Lenken befindet). Andererseits modifiziert der zweite Kompensator 2'' das Drehmomentsignal τ zu U2, so daß die Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben wird, wenn die Drehmomentsignalfrequenz hinreichend hoch ist, sobald die Lenkung in dem raschen Lenkzustand ist.

Der Wichtungsfaktorgenerator 5' der zweiten Ausführungsform ist so ausgelegt, daß der Faktor G während des festen Lenkens und des langsamen Lenkens 0,5 beträgt und allmählich zu 0 (Null) absinkt. Wenn die Lenkgeschwindigkeit den raschen Lenkzustand erreicht, wird der Faktor G zu 0 (Null). Das Lenksignal Y wird durch Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des Wichtungsfaktors G auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform erzeugt.

Eine Gesamtübertragungscharakteristik Y(s)/τ(s) ist in den Fig. 8A und 8B für die entsprechenden Wichtungsfaktoren G = 0,5 und 0 gezeigt (G = 1 ist als Referenz gezeigt). Gemäß den Fig. 8A und 8B ist in einem relativ weiten Frequenzbereich die Verstärkung erhöht und die Phase vorgeschoben, wenn der Wichtungsfaktor G 0,5 beträgt (gezeigt durch durchgezogene Linien). Dies bedeutet, daß die Kraftverstärkungsantwort auch bei langsamem Lenken in einem gewissen Maß verbessert und fließend zu einer raschen Antwort geändert wird, wenn das Lenken in den raschen Lenkungszustand übergeht. Wenn der Wichtungsfaktorgenerator G 0 ist (wenn sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| in dem Bereich der raschen Lenkung befindet), zeigt die Übertragungscharakteristik des Lenksignals Y eine hohe Verstärkung und einen weiten Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich, wie durch die Strichpunktlinien in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist. Da die Drehmomentsignalfrequenz in dem raschen Lenkungszustand üblicherweise hoch ist, kann beim raschen Lenken eine schnelle Kraftverstärkungsantwort erhalten werden. Obwohl die Zittervibrationen beim raschen Lenkungszustand auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform auftreten, werden solche Zittervibrationen vom Fahrer kaum gespürt. Da der Wichtungsfaktor G im mittleren Lenkgeschwindigkeitsbereich zwischen dem langsamen Lenken und dem raschen Lenken von 0,5 auf 0 allmählich abnimmt, fühlt der Fahrer im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit keine abrupte Änderung beim Lenksystem.

Ein digitaler Mikrocomputer 10' wird bei der zweiten Ausführungsform ebenfalls verwendet. Der digitale Mikrocomputer 10' umfaßt den Lenkgeschwindigkeitsdetektor 4, den Lenksignalgenerator bestehend aus dem ersten Verstärkung/Phasenkompensator 2', dem zweiten Verstärkung/Phasenkompensator 2'', dem Wichtungsfaktorgenerator 5' und dem Generator 6 für gewichtete Signale, und den Antriebsstromsignalgenerator 7. Dementsprechend werden alle Berechnungsoperationen rasch und präzise ausgeführt und das Regelungssystem kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden.

Zusammenfassend besitzt die zweite Ausführungsform zusätzlich zu den Vorteilen der ersten Ausführungsform den Vorteil, daß die Kraftverstärkungsantwort auch im langsamen Lenkungszustand verbessert ist.

Dritte Ausführungsform

Eine Servolenkungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß es das Lenkungsgefühl der ersten Ausführungsform weiter verbessert, wenn das Lenkrad schnell und leicht in der Nähe seiner neutralen Position bewegt wird. Diese Art der Lenkung ist gewöhnlich erforderlich, um genau eine Fahrspur zu halten, wenn ein Fahrzeug auf gerader Fahrbahn mit hoher Geschwindigkeit gefahren wird (diese Lenkbedingung wird nachfolgend als Neutralpositionslenkung bezeichnet).

Fig. 9 zeigt verschiedene Regelsignale, die in dieser Situation bei der ersten Ausführungsform auftreten. Der oberste Graph zeigt den Lenkwinkel θ, der zur positiven oder negativen Seite gegenüber der neutralen Position des Lenkrads abweicht. Der zweite Graph zeigt die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt|, die durch Differenzieren des Lenkwinkels θ erhalten wird. Der dritte Graph zeigt das Drehmomentsignal U1 und das kompensierte Drehmomentsignal U2. Der unterste Graph zeigt das Lenksignal Y, das man durch Kombinieren von U1 und U2 mit Hilfe des Wichtungsfaktors G erhält. Bei der Neutralpositionslenkung verändert sich die Lenkgeschwindigkeit |dθ/dt| stark und schnell, auch wenn die Änderung des Lenkwinkels θ gering ist. Daher wird der Wichtungsfaktor G häufig von seinem Maximum 0,8 auf sein Minimum 0 geschaltet, oder umgekehrt. Dementsprechend werden die vorherrschenden Komponenten in dem Lenksignal Y häufig zwischen U1 und U2 hin- und hergeschaltet. Folglich ändert sich das Lenksignal Y sprunghaft, wie in dem untersten Graphen von Fig. 9 gezeigt ist, jedesmal wenn das Lenkrad in der Nähe seiner neutralen Position vor- und zurückbewegt wird. Dies ist für das Lenkgefühl ausschlaggebend.

Der Aufbau der dritten Ausführungsform ist in Fig. 10 gezeigt. Bei der dritten Ausführungsform wird eine Nebenschlußschaltung 90 zum Schalten des Lenksignals Y [= G.U1 + (1 - G).U2] auf U1, wenn das Lenkdrehmomentsignal τ geringer als ein Schwellwert τth ist, zu der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform hinzugefügt.

Andere Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform. Die Nebenschlußschaltung 90 besteht aus einem Komparator 99, der |τ| (ein Absolutwert des Lenksignals τ) mit dem Schwellwert τth vergleicht, und einem Schalter 98, der das Lenksignal Y auf Y' (= U1) schaltet.

Wenn durch den Komparator 99 festgestellt wird, daß |τ| kleiner als der Schwellwert τth ist, schaltet der Schalter 98 das Lenksignal Y auf Y' (= U1 = τ). Wenn |τ| gleich oder größer als τth ist, wird das ursprüngliche Lenksignal Y als Signal zum Bestimmen des Antriebsstroms A auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform verwendet. Da der Absolutwert des Lenkdrehmoments |τ| bei der Neutralpositionslenkung gering ist, wird Y' (= U1) als Lenksignal zum Bestimmen des Antriebsstroms A verwendet. Daher wird die Diskontinuität des Lenksignals bei der Neutralpositionslenkung vermieden, und das Lenkgefühl wird dadurch verbessert. Andere bei der ersten Ausführungsform erzielte Vorteile bleiben bei der zweiten bzw. dritten Ausführungsform unverändert.

Die gleiche Nebenschlußschaltung 90 kann zur zweiten bzw. dritten Ausführungsform hinzugefügt werden. Das Lenkgefühl bei der Neutralpositionslenkung wird dann bei der zweiten Ausführungsform in ähnlicher Weise verbessert.

Vierte Ausführungsform

Der Aufbau einer Servolenkungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 bestehend aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitsstellantrieb bzw. -taster 101 und einem Schalter 102 und ein Multiplizierer 50 der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform hinzugefügt. Andere Strukturen und Betriebsweisen sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform. Diese zusätzlichen Komponenten werden in dem Regelsystem wie in Fig. 11 gezeigt verbunden. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 gibt ein Signal "1" oder "0" gemäß einer durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit aus. Der Multiplizierer 50 multipliziert den Wichtungsfaktor D mit 1 oder 0 gemäß den Ausgangssignalen vom Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 unter Erzeugung eines neuen Wichtungsfaktors G'. Der neue Wichtungsfaktor G' wird auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform zum Erzeugen des Lenksignals Y verwendet. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 und der Multiplizierer 50 sind digitale Operatoren und in einem Programm des Mikrocomputers 10 ohne zusätzliche Hardware enthalten.

Jeder beliebige auf einem Fahrzeug montierte Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, wie etwa ein Geschwindigkeitssensor für ein Antiblockier-Bremssystem oder ein gewöhnlicher Geschwindigkeitssensor für einen Tachometer, kann als der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 verwendet werden. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 gibt ein Signal 1 aus, wenn das Fahrzeug vollständig angehalten ist oder sich sehr langsam bewegt (diese Bedingung wird als prinzipieller Halt bezeichnet). Andererseits gibt der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 ein Signal 0 aus, wenn sich das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet (wenn das Fahrzeug gefahren wird). Der Wichtungsfaktor G wird durch Multiplizieren mit 1 oder 0 in einen neuen Wichtungsfaktor G' gewandelt. Wenn sich folglich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, ist das Lenksignal Y das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. D.h. Y = G.U1 + (1 - G).U2, da in dieser Situation G = G' ist. Wenn sich andererseits das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das Lenksignal Y allein durch U2 bestimmt. D.h. Y = U2, da in dieser Situation G' = 0 ist.

Wenn sich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das rasche Lenken hinreichend und schnell kraftverstärkt, da die kompensierte Komponente U2 in dem Lenksignal Y bestimmend ist, während die Zittervibrationen beim langsamen Lenken unterdrückt werden, da die Komponente U1 in dieser Situation vorherrscht.

Wenn sich andererseits das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet, wird das Lenksignal Y allein durch das kompensierte Drehmomentsignal U2 bestimmt. Dementsprechend wird das rasche Lenken hinreichend und schnell mit geringfügigen und begleitenden Zittervibrationen kraftverstärkt. Solche Zittervibrationen sind dem Lenkgefühl jedoch nicht abträglich, da sie vom Fahrer kaum gespürt werden, wenn das Fahrzeug gefahren wird. Da der Wichtungsfaktor G bei dieser Ausführungsform auf 0 (Null) fixiert ist, solange das Fahrzeug gefahren wird (nicht in dem prinzipiellen Halt), ist das Lenksignal Y im gesamten Bereich der Lenkgeschwindigkeit sehr kontinuierlich.

Fünfte Ausführungsform

Ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform ist in Fig. 12 gezeigt. Diese Ausführungsform entspricht der vierten Ausführungsform, außer daß der Fahrzeuggeschwindigkeitssignalgenerator 51 der vierten Ausführungsform durch einen Lenk-Drehmomentsignalkomparator 52 ersetzt ist.

Der Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 mit einem Schalter 102 vergleicht den Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals |τ| mit einem vorbestimmten Schwellwert τth. Wenn |τ| gleich oder größer als τth ist, wird festgestellt, daß sich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, da in dem prinzipiellen Halt ein höheres Lenkdrehmoment als im Fahrzustand erforderlich ist. Wenn andererseits |τ| kleiner als τth ist, wird festgestellt, daß das Fahrzeug gefahren wird. Der Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 gibt durch eine Schaltoperation des Schalters 102 ein Signal 1 aus, wenn sich das Fahrzeug in dem prinzipiellen Halt befindet, und ein Signal 0, wenn sich das Fahrzeug nicht in dem prinzipiellen Halt befindet. Hiernach wird der Regelungsprozess des Lenksystems auf die gleiche Weise wie bei der vierten Ausführungsform durchgeführt. D.h. der Wichtungsfaktor G wird durch den Multiplizierer 50 mit dem Signal 1 oder 0 multipliziert und in den Generator 6 für gewichtete Signale eingespeist.

Die Leistungsfähigkeit und Vorteile der fünften Ausführungsform sind denen der vierten Ausführungsform ähnlich. Da jedoch bei der fünften Ausführungsform keine Eingangsschnittstelle zum Empfangen der Fahrzeuggeschwindigkeitssignale notwendig ist, kann das Regelungssystem vereinfacht werden. Der Lenkdrehmomentsignalkomparator 52 ist in dem Programm des Mikrocomputers 10 eingeschlossen.

Obwohl in den vorhergehenden Ausführungsformen ein elektrischer Motor zum Unterstützen des Lenkens verwendet ist, können andere elektrische Antriebe oder hydraulische Motoren anstelle des elektrischen Motors verwendet werden.

Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur beispielhaften Erläuterung der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Servolenkungsvorrichtung mit
einem Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4), der auf der Basis eines Lenkwinkels (θ) eine Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) berechnet,
einem Lenkdrehmomentsensor (1), der ein Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle detektiert und ein Lenkdrehmomentsignal (τ) erzeugt,
einer Lenksignalerzeugungseinrichtung, die an den Lenkgeschwindigkeitsdetektor (4) und den Lenkdrehmomentsensor (1) angeschlossen ist und mittels einer Übertragungsfunktion mit geringer Verstärkung und geringem Phasenvorschub, wenn die Lenkgeschwindigkeit gering ist, ein Lenksignal (Y) auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals erzeugt, wobei die Übertragungsfunktion so modifiziert ist, daß ihre Verstärkung und ihr Phasenvorschub allmählich entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) höher wird, und
einem Kraftverstärkungsmotor (9) zum Unterstützen des Lenkens eines Fahrzeugs auf der Basis des durch die Lenksignalerzeugungseinrichtung erzeugten Lenksignals.

2. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lenksignal erzeugungseinrichtung umfaßt:
einen Kompensator (2) mit einer Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem vorbestimmten Frequenzbereich von ihr höher werden, wobei der Kompensator ein kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals U1 (= τ) mit Hilfe der Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5) zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer geringen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 - G).U2.

3. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lenksignalerzeugungseinrichtung umfaßt:
einen ersten Kompensator (2') mit einer ersten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ niedrigen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der erste Kompensator ein erstes kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U1 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der ersten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen zweiten Kompensator (2'') mit einer zweiten Übertragungsfunktion, deren Verstärkung und Phasenvorschub in einem relativ hohen Frequenzbereich von ihr hoch sind, wobei der zweite Kompensator ein zweites kompensiertes Lenkdrehmomentsignal U2 auf der Basis des Lenkdrehmomentsignals (τ) mit Hilfe der zweiten Übertragungsfunktion erzeugt,
einen Wichtungsfaktorgenerator (5') zum Erzeugen eines Wichtungsfaktors G, der bei einer niedrigen Lenkgeschwindigkeit hoch ist und entsprechend dem Anstieg der Lenkgeschwindigkeit allmählich absinkt, und
einen Generator (6) für gewichtete Signale zum Erzeugen des Lenksignals Y, das durch die folgende Formel bestimmt ist: Y = G.U1 + (1 -G).U2.

4. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, mit weiterhin einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (100), wobei der Wichtungsfaktor G zwangsweise auf Null gebracht wird, wenn der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor detektiert, daß das Fahrzeug gefahren wird.

5. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Lenksignal Y durch das Lenkdrehmomentsignal U1 ersetzt wird, wenn ein Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals (τ) geringer als ein vorbestimmter Schwellwert (τth) ist.

6. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit weiterhin einem digitalen Mikrocomputer (10, 10'), wobei die Lenksignalerzeugungseinrichtung in dem digitalen Mikrocomputer gebildet ist.

7. Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wichtungsfaktor G zwangsweise auf Null gebracht wird, wenn ein Absolutwert des Lenkdrehmomentsignals (τ) geringer als ein vorbestimmter Schwellwert (τth) ist.

8. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung mit den Schritten:
Detektieren einer Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) auf der Basis eines Lenkwinkels (θ),
Erfassen eines Lenkdrehmoments (T) von einem Torsionsdrehmoment einer Lenkwelle,
Erzeugen eines Lenksignals (Y) auf der Basis der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) und des Lenkdrehmoments (T), wobei das Lenksignal so erzeugt wird, daß es in einem raschen Lenkzustand eine höhere Verstärkung und einen höheren Phasenvorschub besitzt als in einem langsamen Lenkungszustand, und
Antreiben eines Kraftverstärkungsmotors (9) mit einer durch das Lenksignal (Y) bestimmten Leistung.

9. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der rasche Lenkungszustand als solcher festgestellt wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, und der langsame Lenkzustand als solcher festgestellt wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit den vorbestimmten Schwellwert nicht erreicht oder der Lenkwinkel an einer festen Stelle ist.

10. Verfahren zum Regeln einer Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Lenksignal (Y) sich allmählich von einem dem raschen Lenkzustand entsprechenden Signal zu einem dem langsamen Lenkzustand entsprechenden Signal gemäß der Lenkgeschwindigkeit (|dθ/dt|) ändert.