DE3429072C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Servolenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es wurden bereits motorisch angetriebene Servolenkvorrichtungen vorgeschlagen, die einen Elektromotor als Antriebsquelle haben. Derartige Servolenkvorrichtungen zeigen jedoch Nachteile, wenn die Umgebungstemperatur des Motors einen maximal zulässigen Wert übersteigt. Solche Temperaturanstiege können zu Beschädigungen des Motors aufgrund von Schäden der Isolation usw. führen.

Insbesondere muß der Motor der Servolenkung, wenn diese bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, im Fahrzeug- Motorraum untergebracht werden, in welchem relativ hohe Temperaturen auftreten. Daher kann auch die im Motor selbst erzeugte Wärme nicht abgeführt werden, so daß daraus hohe Motortemperaturen resultieren.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 34 02 332 ist eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Servolenkvorrichtung beschrieben, bei der die Größe des den Elektromotor der Servolenkvorrichtung speisenden Motorstroms überwacht wird. Bei überschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwerts, wie es beispielsweise bei blockierender Lenkung auftreten kann, wird die Erregung des Elektromotors abgeschaltet, um den Motor und seinen Antriebskreis zu schützen. Bei der vorgeschlagenen Servolenkvorrichtung wird ein dem Motorstrom proportionales Ausgangssignal erzeugt, das dann mit einem den Stromgrenzwert vorgebenden Strombezugssignal verglichen wird. Dieses motorstromproportionale Ausgangssignal der Stromfühleinrichtung beinhaltet keine direkte Aussage über den Anstieg der Motortemperatur.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Servolenkvorrichtung zu schaffen, bei der der Elektromotor in einfacher Weise in Abhängigkeit von der Motortemperatur steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung entsprechen somit die Ausgangssignale der Stromfühleinrichtung dem integrierten Quadrat des Motorstroms und stellen damit den Anstieg der Motortemperatur dar. Damit ist in einfacher Weise eine Nachbildung der Motortemperatur ohne Erfordernis eines separaten Temperaturfühlers möglich. Die Steuereinrichtung steuert weiterhin die Erregung der Motortreibereinrichtung dergestalt, daß bei ansteigender Motortemperatur ab einem ersten Temperaturwert die Motorerregung vermindert und ab einem höheren zweiten Temperaturwert völlig beendet wird. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich erreichen, daß auch eine kurzzeitige starke Erregung des Elektromotors zur Bereitstellung einer erforderlichen starken Lenkunterstützung möglich ist, ohne daß die Gefahr einer Motorüberhitzung besteht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben.

Für die Motortemperatur gilt folgendes: Wenn der Wärmeverlust des Motors mit W, die mechanischen Verluste mit Wm, die Eisenverluste mit Wi, der Kupferverlust mit Wc und die Warmfestigkeit mit Rt bezeichnet sind, kann der Temperaturanstieg R m wiedergegeben werden als:

R m = W/Rt = (Wm + Wi + Wc)/Rt (1)

Hierin sind die Werte für Wm und Wi im Vergleich zum Wert von Wc so klein, daß sie vernachlässigt werden können, so daß die Gleichung (1) umgeschrieben werden kann als:

R m = Wc/Rt = Ia² · Ra/Rt (2)

worin Ia der Motorankerstrom und Ra der Ankerwiderstand sind.

Wenn man die Wärme-Zeitkonstante des Motors mit T ansetzt, dann ist die Temperaturänderung mit der Zeit:

ΔR = R m (1 - εα)
= Ia² · (Ra/Rt) (1 - εα)
= k · Ia² (1 - εα).

Dabei entspricht:

α = -t/T
k = Ra/Rt (3)

Hieraus folgt, daß der Temperaturanstieg des Ankers sehr einfach durch Integration des quadrierten Werts des den Anker durchfließenden Stroms erhalten werden kann.

Wenn die Umgebungstemperatur konstant ist, dann ist der Temperaturanstieg derselbe wie der des Motors. Zur Regelung der Wärmemenge am Motor kann daher diese erhöhte Temperatur mit einer vorbestimmten Temperatur, die niedriger ist als die zulässige Motortemperatur, verglichen werden. Liegt sie über der vorbestimmten Temperatur, steuert die Steuereinrichtung den Stromfluß durch den Motor. Die Umgebungstemperatur des Motors kann über einen nahe beim Motor angebrachten Temperaturfühler ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Servolenkvorrichtung;

Fig. 3 und 4 Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Schaltkreise;

Fig. 5 verschiedene Bestromungszustände des Servomotors;

Fig. 6 ein Diagramm der Impulse von vier Ausgangstransistoren;

Fig. 7 eine Darstellung der Motorleistung abhängig von der Temperatur;

Fig. 8 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Motortemperatur und der Motorleistung bezogen auf die Zeit;

Fig. 9 ein zu Fig. 2 gleichartiges Blockdiagramm für ein zweites Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 Einzelheiten des in Fig. 9 dargestellten Blocks B 14′;

Fig. 11 Einzelheiten der in Fig. 2 und 9 dargestellten Blöcke B 3 und B 11.

Fig. 1 zeigt schematisch eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem an einer ersten Lenkspindel 2 angebrachten Lenkrad 1. Die erste Lenkspindel 2 ist über ein Kardangelenk 4 mit einer zweiten Lenkspindel 5 verbunden, deren unteres Ende über ein Kardangelenk 6 an eine dritte Lenkspindel 7 angeschlossen ist. Die Spindel 7 steht über ein (nicht gezeigtes) Ritzel mit einer Zahnstange 11 in Verbindung.

Ein Drehmomentfühler 8 mit vier Spannungs- oder Dehnungsmeßelementen ist an der ersten Lenkspindel 2 befestigt. Das elektrische Ausgangssignal des Drehmomentfühlers 8 wird einem Steuergerät CON zugeführt, das die Servounterstützung der Lenkung steuert. Ein Motordrehmoment-Übersetzungsgetriebe 9 ist zwischen dem mit der Zahnstange 11 kämmenden Ritzel bzw. der Lenkspindel 7 sowie dem Kardangelenk 6 angeordnet und mit einer (nicht gezeigten) Antriebswelle eines Gleichstrom- Servo- oder Stellmotors DM verbunden.

Der Servomotor DM ist an das Steuergerät CON angeschlossen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Thermistor TH am Gehäuse des Motors DM angebracht, um die Umgebungstemperatur zu erfassen. Dieser Thermistor TH ist ebenfalls mit dem Steuergerät CON verbunden. Die Batterie BT des Fahrzeugs dient als Energiequelle für die Servolenkvorrichtung.

Die Zahnstange 11 ist mit einer Zugstange 10 verbunden, deren eines Ende (die Anordnung ist symmetrisch) an einen Lenkzapfen 16 angeschlossen ist, der die Richtung des Fahrzeugrades 12 bestimmt, wenn das Lenkrad 1 betätigt wird. An der Lenkachse sind ein Stoßdämpfer 13, eine obere Aufhängung 14, eine Schraubenfeder 15 und eine untere Aufhängung 18 vorgesehen.

Bei dem Blockdiagramm gemäß Fig. 2, das die Kenndaten in jedem Block angibt, zeigt die lotrechte Achse den Eingangspegel und die waagerechte Achse den Ausgangsspegel. In Fig. 3 und 4, die Einzelheiten der Blöcke von Fig. 2 zeigen, sind Widerstände als kleine Rechtecke dargestellt.

Der Drehmomentfühler 8, der an der ersten Lenkspindel 2 angebracht ist, ist, wie Fig. 2 zeigt, als Widerstandsmeßbrücke ausgebildet, deren Ausgang mit dem Block B 1 verbunden ist, der einen linearen Verstärker darstellt, dessen Ausgangssignal den Blöcken B 2 und B 3 zugeführt wird. Der Block B 2 ist ein Analogkomparator, der die Polarität eines Eingangssignals in bezug auf den Null-Pegel beurteilt und ein Binärsignal abgibt. Der Block B 3 ist ein Absolutwertkreis, der ein positives Signal abgibt, das denselben Pegel wie sein Eingangssignal unabhängig von dessen Polarität hat.

Demzufolge stellt das Ausgangssignal des Blocks B 2 die Polarität des anliegenden Drehmomentsignals dar, während das Ausgangssignal des Blocks B 3 die Größe des Eingangsdrehmoments angibt. Der Ausgang des Blocks B 2 ist mit der Eingangsklemme einer logischen Steuereinrichtung B 17 verbunden. Das Ausgangssignal des Blocks B 3 liegt an einem Funktionsgeber B 4, der ein Null- Pegelsignal, wenn der Eingangspegel unter einem vorgegebenen Pegel liegt, und ein Signal, das dem Eingangspegel gemäß einer vorbestimmten Kurve entspricht, wenn der Eingangspegel über dem vorgegebenen Pegel liegt, abgibt.

Bei der beschriebenen Servolenkung wird der in dem Servomotor DM fließende Strom wiederholt in einem vorbestimmten Zyklus in einer sehr kurzen Zeitspanne an- und abgeschaltet. Die Größe der Erregung des Motors DM kann durch Änderung des AN/AUS-Arbeitszyklus geregelt werden. Der Block B 7 ist ein Pulsbreitenmodulationskreis (PWM), der dazu dient, eine solche Änderung der Größe der Erregung zu steuern. Der Block 7 gibt einem Impuls ab, dessen Breite dem vom Block B 6 zugeführten Signalpegel entspricht. Der Block B 9 stellt einen Oszillator OSZ dar, der ein Signal an den Block B 7 als Standard- oder Meßsignal für diesen abgibt.

Der Block B 5 ist ein Begrenzungsverstärker, während der Block B 6 ein Kompensator oder Entzerrer (PI) ist (Verhältnis und Integration). Eingangsdrehmomentsignale vom Block B 4 sowie Ausgangssignale der Blöcke B 8 und B 15 werden dem Eingang des Blocks B 5 zugeführt. Der Block B 8 dient als Ausgang für das Ausgangssystem des Servomotors DM, während der Block B 15 als Ausgang für den Temperaturerfassungskreises dient.

Gemäß Fig. 2 ist ein Stromfühler CT vorhanden, dessen Ausgang einem linearen Verstärker B 10, dann einem Absolutwertkreis B 11 und schließlich dem Block B 5 zugeführt wird. Es ist hier zu bemerken, daß in Fig. 3 der Block B 8 weggelassen wurde. Der Block B 12 stellt einen Analogkomparator dar, der einen übermäßig hohen Strom verhindert. Wenn der Stromfluß über einen vorgegebenen Wert ansteigt, gibt der Komparator B 12 ein Niedrig-Pegelsignal L an den Eingang Pc der logischen Steuereinrichtung B 17 ab, um den Stromfluß im Motor DM zu unterbrechen. Der Block B 12 besitzt Hysteresiskennwerte.

Das Stromsignal am Ausgang des Blocks B 11 wird auch einem Block B 14 zugeführt, der eine quadratische Charakteristik hat und einen dem Quadrat des Eingangssignals proportionalen Signalpegel abgibt. Daher liefert der Ausgang des Blocks B 14 ein zur Größe des Kupferverlusts (Ia² · Ra) proportionales Signal. Der Block B 14 besteht aus einer Mehrzahl von Dioden und Widerständen, um eine pseudoquadratische Charakteristik zu bilden. An den Block B 14 schließt ein Integratorkreis B 13 an, der an seinem Ausgang ein Signal in Abhängigkeit von dem Temperaturanstieg des Servomotors DM liefert.

Das Ausgangssignal des Thermistors TH wird durch den Temperaturfühlkreis B 16 verstärkt und dem Block B 15 zugeführt, der ein Funktionsgeber mit zum Block bzw. Funktionsgeber B 4 gleichartigen Eigenschaften ist. Solange die Temperatur des Motors unter einem vorbestimmten Wert T 1 liegt, der niedriger als die maximal zulässige Temperatur T 2 des Motors ist, ist der Ausgangspegel Null. Wenn die Temperatur den Wert T 1 übersteigt, dann erhöht sich der Ausgangspegel mit vorgegebenem Anstiegswinkel entsprechend dem Temperaturanstieg.

Die logische Steuereinrichtung B 17 besteht aus einer Umkehrstufe (Inverter) IN 1 und NAND-Gliedern NA 1 sowie NA 2 (s. Fig. 4). Wenn der Eingang Pc hohen Pegel H besitzt, liegt an jedem zugehörigen Eingang der NAND-Glieder NA 1, NA 2 ein hoher Pegel H an, so daß jeder Ausgangspegel in Verbindung mit den beiden anderen Eingangspegeln bestimmt wird.

Wenn unter diesen Bedingungen der Eingang Pa hohen Pegel H besitzt, d. h., wenn das Eingangsdrehmoment in der ersten Richtung der Klemme Pa zugeführt wird, dann nimmt der zugehörige Eingang des NAND-Glieds NA 1 hohen Pegel H an, während einer der Eingänge des NAND-Glieds NA 2 niedrigen Pegel L annimmt. Eine mit einem Ausgangstransistor Q 1 verbundene Basistreiberstufe B 18 gibt ein durch Invertierung des Eingangssignals an der Klemme Pb gewonnenes Signal ab, während die Signale der anderen Basistreiberstufen B 18, die mit den Ausgangstransistoren Q 2, Q 3 und Q 4 verbunden sind, hohen Pegel H bzw. niedrigen Pegel L besitzen.

Wenn am Eingang Pa niedriger Pegel L anliegt, d. h., wenn das Eingangsdrehmoment in der zweiten Richtung der Klemme Pa zugeführt wird, dann liegt am Eingang der Basistreiberstufe B 18, die mit dem Transistor Q 3 verbunden ist, ein invertiertes Signal Pb an. Die anderen Basistreiberstufen B 18, die mit den Transistoren Q 2, Q 1 und Q 4 verbunden sind, sind eingeschaltet bzw. ausgeschaltet bzw. ausgeschaltet. Die Basistreiberstufen B 18 bestehen aus Transistoren, Widerständen und zwei Dioden, von denen eine als Photokoppler (opto-elektronischer Koppler) PC, der an die Basen der Transistoren Q 1-Q 4 angeschlossen ist, verwendet wird.

Fig. 5 zeigt vier Betriebsarten des Servomotors DM, während Fig. 6 den Signalverlauf der Transistoren Q 1-Q 4 zeigt. Wenn das Lenkrad in der ersten Richtung gedreht wird, dann besitzt der Eingang Pa der logischen Steuereinrichtung B 17 hohen Pegel H. Demzufolge schalten die Ausgangstransistoren Q 2 und Q 3 auf AUS. Während der Transistor Q 4 immer eingeschaltet ist, ist der Transistor Q 1 nur dann eingeschaltet, wenn das Signal an der Eigangsklemme Pb hohen Pegel H besitzt.

Das heißt mit anderen Worten, daß der Strom intermittierend in einer vorbestimmten Richtung durch den Motor DM fließt. Wenn die Lenkspindel in der ersten Richtung gedreht wird, dann wird der Servomotor DM so betrieben, daß er ein Drehmoment zur Unterstützung des vom Fahrer des Kraftfahrzeugs auszuführenden Lenkvorgangs erzeugt. Die Impulsbreite des Ausgangs des Pulsbreitenmodulationskreises B 7 wird so gesteuert, daß das Signal im Ansprechen auf das Eingangsdrehmoment vom Block B 4 (wobei der Ausgang vom Verstärker B 5 Null ist) mit dem Signal des Motorrückkopplungsstroms übereinstimmt.

In ähnlicher Weise schalten, wenn die Lenkspindel in der zweiten Richtung gedreht wird, die Transistoren Q 1 und Q 4 aus und der Transistor Q 2 ein. Der Transistor Q 3 schaltet wiederholt ein und aus, so daß der Strom des Motors DM intermittierend in der anderen Richtung fließt. Üblicherweise wird der Pegel des Signals im Ansprechen auf das am Ausgang des Blocks B 4 erhaltene Eingangsdrehmoment automatisch so geregelt, daß es eine vorbestimmte Beziehung zum Pegel des zum Motor DM fließenden Stroms hat.

Wenn die Temperatur des Motors DM den Wert T 1 erreicht, der unter der zulässigen Motortemperatur T 2 liegt, dann hat der Ausgang des Blocks B 15 einen vorbestimmten Pegel, der dem Unterschied zwischen der erfaßten Temperatur und dem Wert T 1 entspricht. Dieser wird dem Eingangsdrehmoment mit umgekehrter Polarität zugefügt, d. h., es erfolgt eine Substraktion.

Dabei wird das Ausgangssignal des Blocks B 15 umso größer, je höher die erfaßte Temperatur ist, so daß das Ausgangsdrehmoment des Motors DM im Sinne einer Verminderung geregelt wird. Wie Fig. 7 zeigt, wird die Ausgangsleistung des Motors DM zwischen den Temperaturen T 1 und T 2 mit einer vorbestimmten Neigung linear vermindert. Wenn die erfaßte Temperatur den Wert T 2 erreicht, dann wird der Motor DM völlig stillgesetzt.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Motortemperatur und dem Motorausgang (Motorleistung) mit Bezug auf Zeitänderungen. Wenn das Eingangsdrehmoment konstant ist, dann ist, falls die Temperatur unter T 1 liegt, auch die Motorleistung konstant. Unmittelbar nach dem Betreiben des Motors steigt dessen Temperatur in Übereinstimmung mit der Zeitänderung an. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit und Erreichen des Temperaturwerts T 1 wird der Ausgang des Motors im Sinne einer Verminderung geregelt. Wenn der Ausgang des Motors konstant gehalten würde, würde die Temperatur ansteigen, wie die gestrichelte Linie in Fig. 8 zeigt. Wenn die Temperatur den Wert T 1 erreicht, wird jedoch der Ausgang des Motors vermindert, d. h., der Stromfluß zum Motor wird entsprechend reduziert, und es ergibt sich die Temperaturkurve gemäß der ausgezogenen Linie, die unter der gestrichelten Linie liegt.

Wenn die Temperatur weiter ansteigt und den Wert T 2 erreicht, wird der Stromzufluß I durch den Motor zu Null und der Motor kühlt ab, so daß der Anstieg der Temperatur T beendet ist. Der Temperaturabfall dauert an, und die Temperatur sinkt unter den Wert T 2, womit der Strom wieder in Abhängigkeit vom Drehmoment fließt. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit beginnt wieder ein Temperaturanstieg. Selbst unter diesen schlechtesten Bedingungen pendelt die Temmperatur um die zulässige Temperatur T 2.

In der Praxis ist ein derartiger fortlaufender Betrieb der Lenkung sehr selten und kann vernachlässigt werden. Üblicherweise kommt der Motor DM intermittierend zum Einsatz, wobei ein allmählicher Temperaturanstieg eintritt und der Wert T 2 selten überschritten wird, so daß der Motor nicht völlig zum Stillstand kommt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist das Rückkopplungssystem für den Motorstromfluß vom Erfassungssystem für den Temperaturanstieg des Motors getrennt. Der Funktionsgeber B 14′ mit quadratischer Charakteristik ist so geändert, daß er auch bei negativem Eingangspegel quadrieren kann. Das Ausgangssignal des Stromfühlers CT wird dem Block B 14′ unmittelbar zugeführt.

Der Block B 14′ ist in Fig. 10 im einzelnen gezeigt; die Blöcke B 3 und B 11 können gemäß Fig. 11 aufgebaut sein.

Der Thermistor TH ist gemäß Fig. 1 unmittelbar am Motorgehäuse vorgesehen. Es ist dann jedoch notwendig, zwischen dem Gehäuse und dem Thermistor eine Isolierung anzubringen, wenn die Temperatur des Gehäuses größer wird als diejenige des Motors. Auch ist es möglich, den Thermistor wegzulassen und die Temperatur des Motors selbst als die Umgebungstemperatur zu erfassen.

Claims (2)

1. Servolenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer Drehmomentfühleinrichtung, die das am Lenkrad ausgeübte Lenkdrehmoment erfaßt und ein entsprechendes Drehmomentsignal erzeugt, einer einen Elektromotor in Abhängigkeit vom Drehmomentsignal antreibenden Motortreibereinrichtung, einer Stromfühleinrichtung, die den Strom des Motors erfaßt und hiervon abhängende Ausgangssignale erzeugt, und einer die Erregung der Motortreibereinrichtung in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Stromfühleinrichtung steuernden Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Stromfühleinrichtung (CT, B 10, B 11, B 13, B 14) dem integrierten Quadrat des Motorstromwertes entsprechen und den Anstieg der Motortemperatur darstellen, und daß die Steuereinrichtung (B 17) die Erregung der Motortreibereinrichtung (B 18, Q 1-Q 4) bei Motortemperaturen oberhalb eines ersten vorbestimmten Motortemperaturwerts (T 1) vermindert und oberhalb eines zweiten vorbestimmten Motortemperaturwerts (T 2), der höher liegt als der erste vorbestimmte Motortemperaturwert (T 1), abschaltet.

2. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (B 17) eine die Umgebungstemperatur des Motors erfassende Fühleinrichtung (TH, B 16, B 15) enthält, die im Ansprechen auf diese Temperatur Signale erzeugt.