DE3539107A1

DE3539107A1 - Motorgetriebene servovorrichtung

Info

Publication number: DE3539107A1
Application number: DE19853539107
Authority: DE
Inventors: Yasuo Shimizu
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1984-11-02
Filing date: 1985-11-04
Publication date: 1986-05-22
Also published as: US4686433A; GB8526990D0; GB2166395A; JPS61110668A; GB2166395B; JPH0729610B2; FR2572815A1; DE3539107C2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Yeickmann, Dip£.-Phys. Ur. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, DYpl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel

8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 860 820

MDHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 98 03 52 DXIIIA TELEX522621

TELEGRAMM PATF.NTWICKMANN MÜNCHEN

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha 1-1, Minami-aoyama 2-chome, Minato-ku, Tokyo, Japan

Motorgetriebene Servovorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine motorgetriebene Servovorrichtung, insbesondere eine solche Vorrichtung, die zur Verwendung in einem motorgetriebenen Fahrzeug-Servolenkungssystem verwendbar ist.

Servovorrichtungen mit einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle sowie einem Elektromotor zum Antrieb der Ausgangswelle in Abhängigkeit eines auf die Eingangswelle einwirkenden Drehmomentes oder der Winkelstellung der Eingangswelle sind bekannt. Speziell solche Servovorrichtungen, die in Fahrzeug-Servolenkungssystemen verwendet werden, besitzen ein federndes Element, beispielsweise einen Torsionsstab, um die Eingangs- und die Ausgangswelle miteinander in Wirkverbindung zu bringen. Derartige Servolenkungssysteme sind jedoch insofern nachteilig, als jede Änderung des durch die Ausgangswelle erzeugten Drehmomentes dazu tendiert, über das federnde Element auf die Eingangswelle übertragen zu werden, was beispielsweise durch eine kleine Drehmomentänderung, die sich durch den Fahrzeuglauf auf unebenen Boden ergibt, eine Drehmomentänderung aufgrund des kämmenden Eingriffs in einem Zahnstangengetriebe, das zur Drehmomentübertragung vom Motor auf das Gestänge verwendet wird, das Spiel eines zur Drehmomentübertragung verwendeten Geschwinig-

keitsreduzierungsmechanismus sowie durch Bearbeitungsfehler bedingt sein kann.

Darüber hinaus ist es nicht einfach, die Größe des von der Ausgangswelle auf die Eingangswelle übertragenen Drehmomentes {Reaktionsdrehmoment) zu ändern. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile konventioneller motorgetriebener Servovorrichtungen durch Schaffung einer solchen Vorrichtung zu eliminieren, bei der die Übertragung unerwünschter Drehmomentänderungen von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle verhindert werden können und bei der weiterhin das Reaktionsdrehmoment in einfacher Weise wählbar und änderbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Servovorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt des mechanischen Aufbaus einer motorgetriebenen Servovorrichtung gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Verrichtung nach Fig. 1

von rechts gesehen;
35

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle sowie eines sich bewegenden Kern eines Differenztransformators der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schältungs-XO anordnung der motorgetriebenen Servovorrichtung

aus dem auch die Signalflußrichtungen in der Schaltungsanordnung ersichtlich sind;

Fig. 6 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung

nach Fig. 5;

Fig. 7 ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und dem Reaktionsdrehmoment der Servovorrichtung ersichtlich ist;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer modifizierten elektrischen Schaltungsanordnung der motorgetriebenen Servovorrichtung, aus dem auch die Signalflußrichtungen in der Schaltungsanordnung ersichtlich

sind;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Festlegung einer Steuerreaktionskraft sowie einen FahrgO zeuggeschwindigkeitsdektor in der elektrischen

Schaltungsanordnung nach Fig. 8, wobei der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor schematisch dargestellt ist; und

gg Fig.10(A) bis 10(C) jeweils ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen Parametern in der modifizierten elektrischen Schaltungsanordnung ersichtlich ist.

-4-

Eine erfindungsgemäße motorgetriebene Servovorrichtung enthält einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil. Der mechanische Teil wird zunächst anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Der mechanische Teil bzw. die mechanisehe Vorrichtung umfaßt generell ein Gehäuse 1, eine Ausgangswelle 8 und eine Eingangswelle 12, welche in gegensinnigen Richtungen vom Gehäuse 1 ausgehen, sowie einen ersten Motor 2 und einen zweiten Motor 3, welche mit der Ausgangswelle 8 bzw. der Eingangswelle 12 in Wirkverbindung stehen. Das Gehäuse 1 ist an einem (nicht dargestellten) Automobil-Chassis befestigt. Der erste Motor 2 und der zweite Motor 3 sind am Gehäuse 1 befestigt, indem ein Relativwinkeldetektor 4 sowie ein Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus 5 untergebracht sind.

Die Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 sind koaxial zueinander angeordnet. Gemäß Fig. 3 ist die Ausgangswelle 8 durch zwei Lager 16, 17 drehbar auf dem Gehäuse 1 gehaltert. Das Lager 16 ist auf einer Seite des Gehäuses 1 montiert, während das andere Lager 17 mittels einer Klammer 18 im Gehäuse 1 angeordnet ist. Die Eingangswelle 12 ist mittels eines auf der anderen Seite des Gehäuses 1 angeordneten Lagers 15 sowie mittels eines Lagers 20, das in einem Axialloch 8a montiert ist, auf dem Gehäuse 1 gehaltert.

Das Axialloch 8a ist dabei in dem Ende der Ausgangswelle 8 vorgesehen, das der Eingangswelle 12 zugekehrt ist.

Der erste Motor 2 ist mittels Schrauben 6 auf dem Gehäuse 1 befestigt und besitzt eine Antriebswelle, auf der ein Ritzel 7 gehaltert ist, das mit einer auf der Ausgangswelle 8 befestigten Zahnscheibe kämmt. Das Ritzel 7 und die Zahnscheibe 9 bilden zusammen den Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus 5. Der zweite Motor 3 ist mittels Flachkopfschrauben 10 am Gehäuse 1 befestigt und besitzt eine Antriebswelle, auf der eine Riemenscheibe 11 kleineren Durchmessers gehaltert ist. Ein endloser mit Zähnen versehener Riemen 14 ist um die Riemenscheibe 11 kleineren

-JS-

Durchmessers sowie eine auf der Eingangswelle 12 befestigte Riemenscheibe 13 größeren Durchmessers geführt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 3 besitzt die Ausgangswelle 8 ein Paar von Zungen 8c auf ihrem der Eingangswelle 12 zugekehrten Ende, während die Eingangswelle 12 an ihrem der Ausgangswelle 8 zugekehrten Ende ein Paar von Zähnen 12c besitzt. Bei zusammengebauter Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 liegen die Zungen 8c zwischen den Zähnen 12c. Wird die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 um einen ins Gewicht fallenden Winkel gedreht, so gelangen die Zungen 8c mit den Zähnen 12c in Eingriff. Normalerweise ist jedoch zwischen den Zungen 8c und Seien 12b der Zähne 12c ein Spiel vorhanden. Daher kann sich die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 drehen.

Der Relativwinkeldetektor 4 dient zur Erfassung der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12,8.

Dieser Relativwinkeldetektor enthält einen Differenztransformator mit einer auf der Innenfläche des Gehäuses 1 befestigten Spulenanordnung 4a und einem ringförmigen sich bewegenden Kern 4b, der in der Spulenanordnung 4a angeordnet und auf die Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 aufgepaßt ist. Auf diesen Wellen sind Spulenanordnung und Kern miteinander gekoppelt. Der bewegliche Kern 4b besitzt ein Paar von axial ausgerichteten Langschlitzen 4b-1, die sich diametral gegenüberliegen sowie ein Paar von Schlitzen 4b-2, die sich diametral gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse des beweglichen Kerns 4b geneigt sind. Diese Schlitze 4b-2 sind im Abstand von 90° von den Schlitzen 4b-1 angeordnet. An den Zähnen 12c der Eingangswelle 12 befestigte Stifte 21 sind lose in die geneigten Schlitze 4b-2 eingepaßt, während an den Zungen 8c der Ausgangswelle 8 befestigte Stifte 22 lose in die Axialschlitze

-r-

■> 4b-1 eingepaßt sind. Wenn die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 gedreht wird, um zwischen ihnen einen Relativwinkel zu realisieren, so wird daher der bewegliche Kern 4b in einer von der Richtung des Relativwinkels abhängigen Richtung in einem Intervall verschoben, das der Größe des Relativwinkels entspricht. Eine derartige Verschiebung des beweglichen Kerns 4b wird durch die Spulenanordnung 4a und eine an diese angekoppelte, im folgenden noch zu beschreibende elektrische Schaltungsan-,Q Ordnung erfaßt und in ein dem Relativwinkel entsprechendes elektrisches Signal überführt.

Das Gehäuse 1 ist durch mehrere Rippen 1a verstärkt.

,p- Ist die Servovorrichtung gemäß Fig. 1 in ein Automobil-Servolenkungssystem eingebaut, so ist das äußere Ende der Eingangswelle 12 über Nuten 12d mit einer Welle eines Steuerrades gekoppelt, während das äußere Ende der Ausgangswelle 8 über Nuten 8d mit einer Welle eines Zahnstan-

„„ genmechanismus zur Betätigung der Spurstangen steuerbarer Räder gekoppelt. Dreht der Fahrer das Steuerrad zur Realisierung einer Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8, so erfassen der Relativwinkeldetektor 4 und die zugehörige elektrische Schaltungsanordnung die ' Winkeldifferenz und erzeugen ein elektrisches Signal, das ein Maß für diese Winkeldifferenz ist. Die elektrische Schaltungsanordnung verarbeitet dann das elektrische Signal zur Erzeugung von Steuersignalen zur Steuerung der Arbeitsweise des ersten und zweiten Motors 2, 3. Der erste Motor 2 erzeugt in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 ein Drehmoment, das über den Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus 5 zur Steuerung der steuerbaren Räder auf die Ausgangswelle 8 übertragen wird. Der zweite Motor 3 erzeugt in

„ Abhängigkeit von dem auf die Ausgangswelle 8 wirkenden Drehmoment ein Drehmoment und prägt dieses als Lenkreaktions-

kraft auf die Eingangswelle 12 auf. Somit wird durch den ersten Motor 2 das Ausgangsdrehmoment auf die Ausgangswelle 8 aufgeprägt und durch den zweiten Motor 3 das Steuerreaktionsdrehmoment bzw. Lenkreaktdonsdrehmoment

auf die Eingangswelle 12 aufgeprägt. 5

Fig. 5 zeigt den Signalfluß in der elektrischen Schaltungsanordnung. Ein durch den Relativwinkeldetektor 4 erzeugtes Signal wird in eine Relativwinkeldetektorschaltung 23

eingespeist, welche ein erstes dem Relativwinkel zwischen 10

der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionales Drehmomentsignal zur Steuerung der Größe des durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmomentes und ein von der Richtung einer Relativwinkelverschiebung der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 abhängiges Richtungssignal er-

zeugt. Diese Signale werden in einen ersten Motortreiber 24 zur Erregung des ersten Motors 2 eingespeist, um ein Drehmoment für die Ausgangswelle 8 zu erzeugen. Als Funktion eines in den ersten Motor 2 eingespeisten Ankerstroms erzeugt eine Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 ein

zweites Drehmomentsignal zur Steuerung der Größe des durch den dritten Motor 3 erzeugten Drehmomentes. Das zweite Drehmomentsignal von der Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 und das Richtungssignal von der Relativwinkel-Detektorschaltung 23 werden in einen zweiten Motortreiber 26

zur Erregung des zweiten Motors 3 eingespeist, um ein Reaktionsdrehmoment für die Eingangswelle 12 zu erzeugen.

Die elektrische Schaltungsanordnung wird■nachfolgend anhand von Fig. 6 im einzelnen beschrieben. :

Die Spulenanordnung 4a des Differenztransformators des Relativwinkeldetektors 4 umfaßt eine Primärwicklung 4a-1 und ein Paar von auf den Seiten der Primärwicklung 4a-1 angeordneten Sekundärwicklungen 4a-2, 4a-3. Die Primärwicklung 4a-1 wird mit einer Wechselspannung konstanter

-Si-

Frequenz gespeist. Steht der bewegliche Kern 4b in der Spulenanordnung 4a in zentraler Stellung, so werden in den Sekundärwicklungen 4a-2, 4a-3 Spannungen gleicher Amplitude induziert. Wird der bewegliche Kern 4b als Funktion der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12, 8 verschoben, so ändern sich die Amplituden der in den Sekundärwicklungen 4a-2, 4a-3 induzierten Spannungen. Die Ausgangsströme der Sekundärwicklungen 4a-2, 4a-3 werden durch an die entsprechenden Sekundärwicklung-en angekoppelte Gleichrichter 28 sowie Tiefpaßfilter 29 gleichgerichtet und geglättet. Ausgangssignale Va, Vb der Tiefpaßfilter 29 werden in eine erste und zweite Subtraktionsstufe 30, 31 eingespeist. Die erste Subtranktionsstufe 30 erzeugt ein der Differenz Va - Vb entsprechendes Signal, während die zweite Subtraktionsstufe 31 ein der Differenz Vb - Va entsprechendes Signal erzeugt. Durch Einspeisung geeigneter Vorspannungen in die Elemente der ersten und zweiten Subtraktionsstufe 30, 31 wird das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe für den Fall Va < Vb Null und das Ausgangssignal der zweiten Subtraktionsstufe 31 für den Fall Va > Vb Null. Das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe 30 ist daher proportional zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8, wenn gemäß Fig. 2 eine Relativwinkelverschiebung im Uhrzeigersinn der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 vorhanden ist. Das Ausgangssignal der zweiten Subtraktions-stufe 31 ist ein zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionales Signal, wenn gemäß Fig. 2 eine Relativwinkelverschiebung zwisehen der Eingangswelle 12 relativ zur Äusgangswelle 8 im Gegenuhrzeigersinn vorhanden ist.

Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Subtraktionsstufe 30, 31 werden in einen Addierer 32 eingespeist, der das erste zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionale Drehmomentsignal VT1 er-

Τ⁹"

zeugt. Das Ausgangssignal der erten Subtraktionsstufe 30 wird weiterhin in einen Eingang eines ersten Komparators eingespeist, dessen weiterer Eingang geerdet ist. Wenn das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe 30 nicht Null ist, d.h., wenn die Eingangswelle 12 relativ' zur Ausgangswelle 8 im Uhrzeigersinn gedreht wird, so besitzt ein Ausgangssignal VR des ersten Komparators 33 einen hohen Pegel. Das Ausgangssignal der zweiten Subtraktionsstufe 31 wird in einen zweiten Komparator 34 eingespeist, der in gleicher Weise wie der erste Komparator 33 ausgebildet ist. Ein Ausgangssignal VL dieses zweiten Komparators

34 besitzt einen hohen Pegel, wenn die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Die Kombination dieser Richtungssignale VR, VL dient als Richtungssignal.

Im folgenden wird der erste Motortreiber 24 beschrieben. Dieser Motortreiber 24 wird vom ersten Drehmomentsignal VT1 und vom Richtungssignal von der Relativwinkel-Detektorschaltung 23 zur Ansteuerung des ersten Motors 2 nach Art einer Zerhackersteuerung gespeist. Der erste Motortreiber 24 enthält einen Leistungskreis 24a mit vier, als Brücke gespalteten NPN-Leistungstransistoren Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, einem Transistortreiber 24b zur Erzeugung eines Impulszuges variabler Dauer zur Zerhackersteuerung sowie zur selektiven Einspeisung des Impulszuges in die Eingänge (Basen) zweier Transistoren der vier Leistungstransistoren Tr1, Tr2, Tr3, Tr4 sowie einen Gegenkopplungskreis 34c zur Einspeisung eines Rückkopplungssignals in den Eingang des Transistortreibers 24b, das ein Maß für den dem ersten Motor 2 zugeführten Stromes ist.

Der Rückkoppelkreis 24c enthält einen Differenzverstärker

35 mit einem das erste Drehmomentsignal VT1 aufnehmenden nicht-invertierenden Eingang sowie einem das Rückkoppelsignal aufnehmenden invertierenden Eingang. Dieser Dif-

ferenzverstärker 35 erzeugt ein der Differenz zwischen den genannten Eingangssignalen proportionales Ausgangssignal.

Der Transistortreiber 24b enthält einen Komparator 36 sowie eine Transistorschaltstufe 48. Der Komparator 36 ist mit einem Eingang an den Ausgang des Differenzverstärkers 35 und mit einem weiteren Eingang an dem Ausgang eines Dreiecksignaloszillators 41 angekoppelt. Der Komparator 36 erzeugt ein Signal mit hohem Pegel, wenn der Augenblickswert des vom Differenzverstärker 35 kommenden Eingangssignals größer als der Augenblickswert des vom Dreiecksignal-Oszillator 41 kommenden Eingangssignals ist. Im anderen Falle erzeugt er ein Signal mit tiefem Pegel. Der Komparator 36 erzeugt daher eine Impulsfolge VP1 mit einer vom Ausgangspegel des Differenzverstärkers 35 abhängigen Impulsdauer. Diese Impulsfolge VP1 sowie das Richtungssignal werden in die Transistorschaltstufe 48 eingespeist. Diese Transistorschaltstufe 48 besitzt vier Ausgänge 48-1, 48-2, 48-3, 48-4. In Abhängigkeit vom Richtungssignal werden an zwei dieser vier Ausgänge der Eingangsimpulsfolge VP1 entsprechende Impulsfolgen abgegeben.

Der Leistungskreis 24a besitzt einen an einer Quelle positiver Spannung liegenden Spannungsversorgungseingang +VC sowie ein Paar von mit dem ersten Motor 2 verbundenen Ausgängen OT. Der Leistungstransistor Tr1 ist mit seinem Kollektor an den Spannungsversorgungseingang +VC, mit seinem Emitter an den Kollektor des Leistungstransistors Tr 3 und einen der Ausgänge OT sowie mit seiner Basis an den ersten Ausgang 48-T der Transistorschaltstufe 48 angekoppelt. Der Leistungstransistor Tr2 ist mit seinem Kollektor an den Spannungsversorgungseingang +VC, mit seinem Emitter an den Kollektor des Leistungstransistors Tr4 und den anderen Ausgang OT und mit seiner Basis an den zweiten Ausgang 48-2 der Transistorschaltstufe 48 an-

JIh-

gekoppelt. Der Leistungstransistor Tr3 ist mit seinem Emitter an ein erstes Ende eines Widerstandes 47, dessen zweites Ende geerdet ist, und mit seiner Basis an den dritten Ausgang 48-3 der Transistorschaltstufe 48 angekoppelt.

Der Leistungstransistor Tr4 ist mit seinem Emitter an das erste Ende des Widerstandes 47 und mit seiner Basis an den vierten Ausgang 48-4 der Transistorschaltstufe 48 angekoppelt. Zwischen die Leistungstransistoren Tr1 , Tr2, Tr3, Tr4 sind Dioden D1, D2, D3, D4 geschaltet, d.h., sie liegen mit ihren Anoden und Kathoden an den Kollektoren bzw. den Emittern der Leistungstransistoren. Diese Dioden D1 bis D4 dienen zur Glättung des bei Zerhackersteuerung durch den ersten Motor 2 fließenden Stroms.

Der Rückkoppelkreis 24c enthält ein Paar von Subtraktionsstufen 37, 38 mit jeweils einem Paar von Eingängen, welche an die Ausgänge OT des Leistungskreises 24a angekoppelt sind, so daß eine Spannung VK am Motor 2 in die Eingänge dieser Subtraktionsstufen 37, 38 eingespeist werden kann. Der Rückkoppelkreis 24c enthält weiterhin einen Addierer 39 mit einem Paar von an die Ausgänge der Subtraktionsstufen 37, 38 angekoppelten Eingängen sowie ein zwischen die Additionsstufe und den Differenzverstärker 35 gekoppeltes Tiefpaßfilter 40. Die Subtraktionsstufen 37, 38 und der Addierer 39 sind funktionell mit den Subtraktionsstufen 30, 31 und dem Addierer 32 in der Relativwinkel-Detektorschaltung 23 identisch.

Wird die Eingangswelle 12 gemäß Fig. 2 durch das Steuerrad im Uhrzeigersinn gedreht, so nimmt das Ausgangssignal VR des ersten Komparators 33 einen hohen Pegel an, wodurch die Basen der Leistungstransistoren Tr1, Tr4 mit Impulsfolgesignalen gespeist werden, deren Impulsdauer proportional zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 ist. Die Leistungstransistoren Tr1, Tr4

werden durch die Impulsfolgesignale derart angesteuert, daß als Funktion dieser impulsförmigen Signale periodisch Ströme zwischen ihren Kollektoren und Emittern fließen. Der erste Motor 2 erzeugt ein Drehmoment, das über den Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus 50 auf die Ausgangswelle 8 übertragen wird, um diese im Uhrzeigersinn zu drehen. Wird die Eingangswelle 12 gemäß Fig. 2 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so bewirkt das Ausgangssignal VL des zweiten Komparators 34 die Einspeisung von impulsförmigen Signalen in die Basen der Leistungstransistoren Tr2, Tr3, welche periodisch angesteuert werden, damit der erste Motor 2 ein Drehmoment für die Drehung der Ausgangswelle 8 im Gegenuhrzeigersinn erzeugen kann. Das durch den ersten Motor 2 erzeugte Ausgangsdrehmoment wird daher durch die Relativwinkelverschiebung zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 gesteuert.

Im folgenden wird die Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 beschrieben. Diese Schaltung 25 enthält ein Tiefpaßfilter 58, einen Verstärker 59 mit an den Ausgang des Tiefpaßfilters 58 angekoppeltem Eingang sowie eine Zener-Diode 62, deren Kathode an den Ausgang des Verstärkers 5 9 und deren Anode an Erde liegt. Ein Eingang des Tiefpaßfilters 58 ist an das erste Ende des Widerstandes 47 im Leistungskreis 24a des ersten Motortreibers 24 angekoppelt. Eine Spannung am Widerstand 47 wird durch den Ankerstrom des ersten Motors 2 bestimmt. Da der Ankerstrom ein pulsierender Strom ist, wird die Spannung am Widerstand 47 durch das Tiefpaßfilter 58 geglättet. Diese geglättete Spannung wird durch den Verstärker 59 verstärkt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 9 kann aufgrund der Zener-Diode 62 einen vorgegebenen Spannungspegel nicht überschreiten. Das über die Zener-Diode 62 abgegebene Ausgangssignal des Verstärkers 59 ist daher in einem bestimmten Bereich proportional zu dem durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmoment. Dieses Ausgangssignal wird als zweites Drehmomentsignal VT2 in

. Md-

-1/5-den zweiten Motortreiber 26 eingespeist.

Im folgenden wird der zweite Motortreiber 26 beschrieben. Dieser zweite Motortreiber 26 wird durch das Richtungssignal von der Relativwinkel-Detektorschaltung 23 und das zweite Drehmomentsignal VT2 von der Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 zur Erregung des zweiten Motors 3 mittels Zerhackersteuerung gespeist. Der zweite Motortreiber 26 enthält einen Leistungskreis 26a, einen Transistortreiber 26b und einen Rückkoppelkreis 26c. Der Leistungskreis 26a und der Transistortreiber 26b sind in ihrem Aufbau identisch mit den entsprechenden Schaltungsteilen des ersten Motortreibers 24 und werden daher hier im einzelnen nicht beschrieben. Die Komponenten des Leistungskreises 26a und des Transistortreibers 26b sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die Komponenten des ersten Motortreibers 24 gekennzeichnet, wobei jedoch die Bezugszeichen der genannten Komponenten des zweiten Motortreibers mit einem Strich versehen sind. Der Rückkoppelkreis 26c enthält ein mit seinem Eingang an das erste Ende des Widerstandes 47' angekoppeltes Tiefpaßfilter 63 sowie einen mit einem invertierenden Eingang an den Ausgang des Tiefpaßfilters 63 angekoppelten Differenzverstärker 60. Ein nicht-invertierender Eingang.des Differenzverstärkers 60 liegt zwecks Einspeisung des zweiten Drehmomentsignals VT2 an der Kathode der Zener-Diode 62, während ein Ausgang des Differenzverstärkers 60 am positiven Eingang des Komparators 36' des Transistortreibers 26b liegt. Der Rückkoppelkreis 26c arbeitet als Gegenkopplungskreis.

Wird die Eingangswelle 12 durch das Steuerrad im Uhrzeigersinn gedreht, so nimmt das Ausgangssignal VR einen hohen Pegel zur Einspeisung in die Basen der Leistungstransistoren Tr2', Tr3' an, wobei Impulsfolgesignale eine von dem zweiten Drehmomentsignal VT2 abhängige Impulsdauer besitzen. Die Leistungstransistoren Tr2', Tr3' werden durch

die Impulsfolgesignale angesteuert, so daß als Funktion dieser impulsförmigen Signale gepulste Ströme zwischen ihren Kollektoren und ihren Emittern fließen. Der zweite Motor 3 erzeugt ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn, das als Reaktionsdrehmoment über den Riemen 14 auf die Eingangswelle 12 übertragen wird, um diese im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Das der Eingangswelle 12 aufgeprägte Drehmoment ist proportional zu dem durch den ersten Motor 2 auf die Ausgangswelle 8 aufgeprägten Ausgangsdrehmoment, bis dieses Ausgangsdrehmoment einen vorgegebenen Wert erreicht. Um eine zu große Erhöhung des Reaktionsdrehmomentes zu verhindern, wird durch die Zener-Diode 62 ein Übersteigen eines bestimmten Pegels durch das zweite Drehmomentsignal VT2 verhindert. Wird die Eingangswelle im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so nimmt das Signal VL einen hohen Pegel an, so daß zwischen den Kollektoren und den Emittern der leistungstransistoren Tr1', Tr2' gepulste Ströme fließen. Der zweite Motor 3 erzeugt daher ein Drehmoment in Uhrzeigersinn, um der Eingangswelle 12 ein Reaktionsdrehmoment im Uhrzeigersinn aufzuprägen.

Der Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und dem Eingangsdrehmoment ist in Fig. 7 dargestellt, in der auf der Abszisse die Größe des Ausgangsdrehmomentes und auf der Ordinate die Größe des Eingangsdrehmomentes (gleich der Größe des Reaktionsdrehmomentes) aufgetragen ist. Das durch den zweiten Motor auf die Eingangswelle 12 aufgeprägte Reaktionsdrehmoment ist, wenn das Ausgangsdrehmoment in einem bestimmten Bereich oberhalb von Null liegt, proportional zu diesem Ausgangsdrehmoment, und wird, nachdem das Ausgangsdrehmoment den bestimmten Bereich überschritten hat, auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau der motorgetriebenen Servovorrichtung sind die Eingangs- und die Ausgangswelle

12, 8 mechanisch nicht gekoppelt, wobei das durch den ersten Motor 2 auf die Ausgangswelle 8 aufgeprägte Drehmoment von der Relativwinkelverschiebung der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 abhängig ist, während der zweite Motor 3 auf der Basis des Ausgangsdrehmomentes des ersten Motors 2 erregt wird, um der Eingangswelle 12 ein Reaktionsdrehmoment aufzuprägen, das in dem bestimmten Bereich proportional zum Ausgangsdrehmoment ist.

wirkt auf die Eingangswelle 12 kein Drehmoment mehr ein, so wird diese durch das Drehmoment des zweiten Motors 3 zurückgedreht, bis dessen Ankerstrom auf Null fällt.

Eine modifizierte elektrische Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der Fig. 8, 9 und 10 (A) bis 10 (C) beschrieben. Der mechanische Teil, für den diese modifizierte elektrische Schaltungsanordnung verwendbar ist, ist der gleiche wie der in den Fig. 1 bis 4 beschriebene Teil. Gemäß Fig. 8 ist die Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 (Fig. 5) durch eine Lenkreaktions-Steuerschaltung 25' ersetzt, wobei an diese Schaltung ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 angekoppelt ist. Die übrige elektrische Schaltung bleibt unverändert. Es werden daher lediglich die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25' und der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 beschrieben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die die modifizierte elektrische Schaltungsanordnung enthaltende Servovorrichtung zur Verwendung in einem Automobil-Servolenksystem vorgesehen ist. Anstelle des vorstehend verwendeten Begriffes "Reaktionsdrehmoment" wird im folgenden der Begriff "Lenkreaktion" verwendet.

Fig. 9 zeigt die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25' und den Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 im einzelnen.

-ye-

Der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 enthält einen rotierenden Magneten 65, der mit einer an die Geschwindigkeit des die Servovorrichtung enthaltenden Fahrzeug angepaßten Drehzahl rotiert. Weiterhin enthält dieser Detektor einen im Bereich des rotierenden Magneten 65 angeordneten Reed-Schalter 66, sowie einen an diesen angekoppelten Frequenz/Spannungs-Wandler 67. Der Reed-Schalter 66 wird mit einer von der Drehzahl des rotierenden Magneten 65 abhängigen Frequenz zyklisch geöffnet und geschlossen. Jedes Mal, wenn der Reed-Schalter 66 einen Zyklus seiner Öffnungs- und Schließfunktion durchläuft, erzeugt der Frequenz/Spannungs-Wandler 67 ein impulsförmiges Signal. Der Wandler 67 liefert dabei eine zur Frequenz der in ihm erzeugten impulsförmigen Signale, d.h., zur Fahrzeuggeschwindigkeit, proportionale Gleichspannung und speist diese Gleichspannung in die Lenkreaktionssteuerschaltung 25' ein.

Die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25' enthält einen Addierer 68, eine Konstantspannungsquelle 69, einen Gleichspannungsverstärker 70 sowie ein Tiefpaßfilter 58'. Die Ausgangsspannung des Frequenz/Spannugns-Wandlers 67 wird in den Addierer 68 eingespeist, indem der Ausgangsspannung des Wandlers 67 eine konstante Spannung VC von der Konstantspannungsquelle 69 hinzuaddiert wrid. Der Addierer 68 liefert eine Ausgangsspannung V (in Fig. 10(C) dargestellt), die durch die Beziehung V = VC + C1S gegeben ist, worin C1 eine positive Konstante und S die Fahrzeuggeschwindigkeit bedeutet. Die Ausgangsspannung V des Addierers 68 wird als Versorgungsspannung in den Gleichspannungsverstärker 70 eingespeist. Die Spannung am ersten Ende des Widerstandes 47 in der Leistungsstufe 24a des ersten Motortreibers 24 wird durch das Tiefpaßfilter 58' geglättet und als geglättete Spannung VI in den Gleichspannungsverstärker 70 eingespeist. Dieser liefert eine

- «20-

-γι-

■γ Ausgangsspannung VO für den zweiten Motorteiber 26.

Das in den Gleichspannungsverstärker 70 eingespeiste Eingangssignal VI ist proportional zu dem durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmoment, während die Ausgangsspannung VO des Gleichspannungsverstärkers 70 zur Festlegung der durch den zweiten Motor 3 auf die Eingangswelle 12 aufzuprägenden Lenkreaktion dient. Solange der Gleichspannungsverstärker 70 nicht in der Sättigung arbeitet,

^q ist seine Ausgangsspannung VO etwa proportional zur Eingangsspannung VI. Ist die Fahrzeuggeschwindigkeit klein, so ist die Versorgungsspannung für den Gleichspannungsverstärker 70 klein, so daß dieser gesättigt ist, selbst wenn die Eingangsspannung VI einen relativ kleinen Wert

,ρ- (kleiner Pegel) besitzt. Die Ausgangsspannung VO besitzt daher einen relativ kleinen, im wesentlichen konstanten Pegel in dem Bereich, indem die Eingangsspannung VI größer als der kleine Pegel ist. Ist die Fahrzeuggeschwindigkeit groß, so ist die Versorgungsspannung für den

„₀ Gleichspannungsverstärker 70 groß, so daß dieser lediglich gesättigt ist, wenn die Eingangsspannung VI in einem Bereich liegt, der größer als ein relativ großer Wert (hoher Pegel) ist. Fig. 10 (A) zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und der Ausgangsspannung VO des

„r Gleichspannungsverstärkers 70 für Fahrzeuggeschwindigkeiten S1, S2, S3 (S1 < S2 < S3). Das Ausgangsdrehmoment und der Absolutwert der Lenkreaktion hängen gemäß dem Diagramm nach Fig. 10 (C) zusammen. Besitzt das Ausgangsdrehmoment einen relativ großen Wert, so wird die durch den zweiten

_on Motor 3 erzeugte Lenkreaktion mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit größer. Der Fahrer nimmt daher einen größeren Widerstand bei der Drehung des Steuerrades wahr. Fig. 10 (C) zeigt charakteristische Kurven VL, VM, VH für kleine, mittlere und große Fahrzeuggeschwindigkeiten.

Das Drehmoment, das der Eingangswelle 12 durch den zweiten Motor 3 aufgeprägt werden kann, kann durch weitere Abwandlung der Lenkreaktions-Steuerschaltung frei gewählt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Eingangsund die Ausgangswelle mechanisch nicht gekoppelt, wobei auf der Basis der Winkeldifferenz zwischen der Eingangsudn der Ausgangswelle durch den ersten Motor das große Drehmoment auf die Ausgangswelle aufgeprägt wird, während durch den zweiten Motor das Reaktionsdrehmoment auf die Eingangswelle aufgeprägt wird. Jede sich aus Störungen ergebende Änderung des Drehmomentes der Ausgangswelle wird daher nicht auf die Eingangswelle übertragen. Wird die erfindungsgemäße Servovorrichtung in einem motorgetriebenen Servolenkungssystem verwendet, so wird dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl vermittelt. Das auf die Eingangswelle einwirkende Reaktionsdrehmoment kann durch Steuerung der Ausgangsleistung des zweiten Motors entsprechend so justiert werden, daß ein zweckmäßiges Reaktionsdrehmoment in einfacher Weise gewählt werden kann.

- Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, DirL. Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Pipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel 8000 MÜNCHEN 86 '"*» P-? Cj f/5 POSTFACH 860 820 MOHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 980352 DXIIIA TELEX 522621 TELEGRAMM PATENTWl ICKMANN MÜNCHEN Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha 1-1, Minami-aoyama'2-chome, Minato-ku, Tokyo, Japan Motorgetriebene Servovorrichtung Patentansprüche

1. Motorgetriebene Servovorrichtung, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (1),
eine Eingangswelle (12) und eine Ausgangswelle (8), die auf dem Gehäuse (1) gehaltert sind, einen ersten, die Ausgangswelle (8) antreibenden Motor

einen zweiten, die Eingangswelle (12) antreibenden Motor (3),

TO einen mit der Eingangs- und Ausgangswelle (12, 8) in Wirkverbindung stehenden Detektor (4) zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von Winkelstellungen der Eingangs- und Ausgangswelle (12, 8), und eine elektrische Schaltungsanordnung (Fig. 6) zur Zuführung von elektrischer Leistung zum ersten Motor (2) zwecks Aufprägung eines Ausgangsdrehmomentes auf die Ausgangswelle (8) als Punktion des Ausgangssignals des Detektors (4) sowie zur Zuführung elektrischer Leistung zum zweiten Motor (3) zwecks Aufprägung eines Reaktions drehmomentes auf die Eingangswelle (12) als Funktion der dem ersten Motor (2) zugeführten Leistung.

2. Servovarrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und die Ausgangswelle (12, 8) koaxial zueinander angeordnet sind, daß der Detektor (4) eine Einrichtung (4a, 4b) zur Erfassung der relativen Winkelverschiebung der Eingangswelle (12) in bezug auf die Ausgangswelle (8) sowie zur Erzeugung eines von der relativen Winkelstellung abhängigen Signals aufweist, und daß das Ausgangsdrehmoment und das Reaktionsdrehmoment gegensinnig zueinander gerichtet sind.

3. Servovorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4a, 4b) des Detektors (4) als zwischen der Eingangs- und Ausgangswel-Ie (12, 8) vorgesehener Differenztransformator ausgebildet ist, und daß eine mit dem Differenztransformator zusammenwirkende Relativwinkel-Detektorschaltung (23) zur Erzeugung eines ein Maß für die Größe der relativen Winkelverschiebung darstellenden Signals sowie eines ein Maß für die Richtung der relativen Winkelverschiebung darstellenden Signals vorgesehen ist.

4. Servovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung (Fig. 6) einen ersten Motortreiber (24) zur Ansteuerung des ersten Motors (2), einen zweiten Motortreiber (26) zur Ansteuerung des zweiten Motors (3) sowie eine an den ersten und zweiten Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25, 25') zur Festlegung einer Steuerreaktionskraft aufweist, und daß diese Schaltung (25, 25') von einem vom ersten Motortreiber (24) gelieferten und ein Maß für die dem ersten Motor (2) zugeführte Leistung darstellenden Signal zur Erzeugung eines den zweiten Motortreiber (26) steuernden Signals angesteuert ist.

5. Servovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25) einen das Signal vom ersten Motortreiber (24) aufnehmenden Verstärker (59) sowie eine das Ausgangssignal des Verstärkers (59) auf einen konstanten Wert begrenzende Zener-Diode (62) aufweist und so ausgebildet ist, daß sie ein dem Ausgangsdrehmoment im wesentlichen proportionales Signal, wenn das Ausgangsdrehmoment in einem Berich bis zu einem vorgegebenen Wert liegt, und ein konstantes Signal, wenn das Ausgangsdrehmoment in einem den vorgegebenen Wert übersteigenden Bereich liegt, zu erzeugen vermag.

6. Servovorrichtung zur Verwendung in einem motorgetriebenen Servolenkungssystem eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25') einen vom Signal des ersten Motortreibers (24) angesteuerten Verstärker (70) enthält und daß an den Verstärker (70) ein Geschwindigkeitsdetektor (64) zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie zur Begrenzung eines Ausgangssignals des Verstärkers (70) auf einen von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Wert angekoppelt ist.
25