DE3619703C2

DE3619703C2 -

Info

Publication number: DE3619703C2
Application number: DE3619703A
Authority: DE
Inventors: Hisatsugu Ishikura; Nobuyoshi Onuma; Shigeki Saito; Hiroyosi Katsuta Ibaraki Jp Sakurai
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-06-12
Publication date: 1990-04-26
Also published as: JPS61285171A; US4756375A; DE3619703A1; KR900005709B1; GB8614067D0; JPH0615331B2; GB2177358A; GB2177358B; KR870000205A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche elektrische Servolenkung ist aus der DE-OS 34 14 346 bekannt.

Aus der JP-OS 59-2 23 561 ist eine elektrohydraulische Servolenkung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der eine Ölpumpe von einem Motor angesteuert wird, deren hydraulischer Druck zur Unterstützung der Lenkkraft eines Lenkrads dient. Solche eine Servolenkung ist so aufgebaut, daß die Einspeisung elektrischer Leistung in den Motor bei übermäßiger Entladung der Batterie abgeschaltet wird. Diese bekannte Servolenkung bringt in dem Falle, in dem ein Wagen in einer Kurve insbesondere mit hoher Geschwindigkeit fährt, die Gefahr, daß das Lenkrad für einen Augenblick nur ungefähr in seine Ruhestellung zurückgeht. Bislang wurde nicht in Betracht gezogen, daß die Batterie vor der übermäßigen Entladung geschützt wird und trotzdem die Servolenkfunktion zufriedenstellend weiter gewährleistet ist.

Dieses ist besonders auffällig bei mit motorgetriebenen Servolenkungen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen, bei denen die Servolenkung zur Unterstützung des Lenkvorgangs direkt mit Motorleistung ausgelegt ist. Bei der Funktion dieser Servolenkung entsteht der Nachteil, daß die Scheinwerfer aufgrund der Überlastung der Batterie dunkel werden.

Die DE-OS 34 14 346 beschreibt eine Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Diese Servolenkung hat eine Stromregelung, die den Motorstrom begrenzt, um dessen Aufheizen zu verhindern. Auf diese Weise kann der Servormotor so klein gewählt werden, wie es das zur Verfügung stehende Raumangebot zuläßt. Die Strombegrenzung erfolgt somit nicht situationsbezogen, insbesondere nicht in Reaktion auf auftretende Lastspitzen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine motorbetriebene Servolenkung anzugeben, die die übermäßige Entladung der Spannungsquelle verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Unteransprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen allgemeinen Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen motorgetriebenen Servolenkung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Motors und einer Steuerung,

Fig. 3 beispielhaft ein Blockschema der Speiseleitungen,

Fig. 4 graphisch die Anschlußspannung-Ladestromcharakteristik bei einem Wechselstromdynamo und einer Last,

Fig. 5 graphisch die Lenkkraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,

Fig. 6 graphisch die Entladekennlinie einer Batterie,

Fig. 7 graphisch die Kennlinie einer Mustersteuerung aufgrund eines von einem Batteriespannungspegel abhängigen Stromgrenzwerts,

Fig. 8 ein Flußdiagramm der Stromgrenzwertsteuerung gemäß der Erfindung und

Fig. 9 graphisch Kennlinien der Abhängigkeit der Anschlußspannung des Wechselstromdynamos und der Last von dem Ladestrom des Wechselstromdynamos mit der Leerlaufdrehzahl als Parameter.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schaltungsaufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird während einer normalen Lenkoperation eine Lenkfähigkeit eines Lenkrads 1 von einem Drehmomentfühler 2 in Form eines Steuerdrehmoments erfaßt, das einer Steuereinrichtung 3 zugeführt wird. Diese Steuereinrichtung 3 weist einen Mikrocomputer auf. Die Steuerung 3 liefert ein Ausgangssignal entsprechend dem Erfassungssignal des Drehmomentfühlers 2 an einen Motor 11, worauf dieser ein benötigtes Drehmoment über eine Kupplung 14 an ein Reduktionsgetriebe 15 überträgt, um die Lenkkraft des Lenkrads 1 zu unterstützen.

Der Motor 11 ist hier ein gewickelter Reihen-Gleichstrommotor mit einer Feldwicklung 7 für Drehungen nach rechts und einer Feldwicklung 8 für Drehungen nach links, die jeweils von Leistungstransistoren 9 und 10 ausgewählt werden, die ihrerseits durch ein Signal von der Steuerung 3 gesteuert werden. Weiterhin erfaßt ein Stromfühler 4 den durch den Motor fließenden Strom.

Eine Spannungsquelle zum Antrieb des Motors besteht aus einer Autobatterie 12, die von einem Wechselstromdynamo, der von der Brennkraftmaschine angetrieben ist, geladen wird. Zusätzlich zum Motor 11 sind Scheinwerfer 80 und eine weitere Last 60 jeweils über Schalter 90 und 70 der Batterie 12 parallelgeschaltet.

Der anhand der Fig. 1 beschriebene Schaltungsaufbau stellt einen Lenkwinkel der Räder 17 durch die resultierende Kraft aus der dem Lenkrad 1 erteilten und über ein Lenkgetriebe 16 übertragenen Lenkkraft und einer durch das Reduktionsgetriebe 15 vom Motor 11 übertragenen Lenkhilfskraft ein. Somit erzeugt der Motor 11, sobald der Drehmomentfühler 2 das Drehmoment erfaßt, das nötige Drehmoment und damit die Lenkhilfskraft.

Nun wird ein praktisches Ausführungsbeispiel sowohl des Motors 11 als auch der Steuerung 3 anhand des in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbilds beschrieben.

Der Drehmomentfühler 2 liefert ein Signal V _c aufgrund des Drehmoments T, das dem in Fig. 1 dargestellten Lenkrad 1 erteilt wird. Der kombinierte Wert V _cc auf dem Ausgangssignal eines Proportionalwertgenerators 19, dessen Ausgangssignal dem Drehmomentsensorsignal V _c proportional ist und einem Ausgangssignal eines Differentialwertgenerators 18, der einen Differentialwert des Signal V _c erzeugt, wird einer Führungsstromgeneratorschaltung 20 eingegeben, wodurch eine Führungsstromstärke I _mc aufgrund des Steuerdrehmoments T ermittelt wird.

Eine Geschwindigkeits-Strommustersteuerschaltung 30 ermittelt aufgrund einer Geschwindigkeit S des Kraftfahrzeugs eine Grenzstromstärke I _SL. Eine Schaltung 21 erzeugt eine Führungsstromstärke I _c nach Maßgabe der Signale I _mc und I _SL. Diese Führungsstromstärke I _c wird in eine Führungsspannung V _mc durch eine Spannungsbefehlsschaltung 22 umgesetzt.

Danach wird ein Istwert des durch den Motor 11 fließenden Stroms zur Führungsspannung V _mc zurückgekoppelt, und die sich ergebende Differenz einer Zerhackerschaltung 23, zur Ermittlung eines Tastverhältnisses α für die Zerhackerschaltung eingegeben. Das Produkt zwischen diesem Tastverhältnis α und einer Batteriespannung V _B wird als Eingangsspannung V _M dem Motor 11 eingegeben. Aus der Eingangsspannung V _M ergibt sich nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion 24 ein Motorstrom I _M, wobei die Übertragungsfunktion 24 durch

worin R _M einen Motorwiderstand und τ _m eine Motorzeitkonstante sind. Schließlich wird ein Motordrehmoment T _M nach Maßgabe eines Drehmomentkoeffizienten K _T, der die Bezugsziffer 25 hat, erzeugt. Das Motordrehmoment T _M erzeugt eine Motorgeschwindigkeit ω, die durch eine Übertragungsfunktion 26 bestimmt wird, die durch

gegeben ist,
worin Js das Trägheitsmoment des Motors und D dessen Reibungskoeffizienten angeben.

Zusätzlich wird das Produkt aus der Motorwinkelgeschwindigkeit ω mit einem elektromotorischen Gegenkraftkoeffizienten 27, der mit K _v bezeichnet ist, zur Motoreingangsspannung V _M zurückgekoppelt. Die Steuerung 3 und der Motor 11 sind wie oben beschrieben aufgebaut. Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Servolenkung besteht in der Beziehung zwischen der Lenkkraft und der Fahrzeuggeschwindigkeit, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Diese zeigt, daß bei der Geschwindigkeit Null oder bei kleiner Geschwindigkeit eine große Steuerkraft nötig ist, wie wenn man beim Stillstand am Lenkrad dreht. Demgemäß ist dem Motor 11 zur Betätigung der Lenkung im Stillstand eine hohe Stromstärke zuzuführen. Außerdem benötigt man eine hohe Stromstärke, die die Grenzstromstärke, z. B. 50 A, erreicht, falls das Lenkrad voll nach rechts oder nach links bei stillstehendem Kraftfahrzeug eingeschlagen wird, oder in einem Fall, bei dem das Lenkrad bei maximalem Drehmoment eingeschlagen bleibt (beispielsweise dann, wenn das Kraftfahrzeug teilweise in einen Graben gefahren ist und von dort wieder herausbewegt werden soll). Außerdem ist gerade dann die Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos 13 gering, wenn das Lenkrad bei stillstehendem Kraftfahrzeug gedreht wird, da die Brennkraftmaschine im Leerlauf läuft.

Die Kurve A in Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Anschlußspannung des Wechselstromdynamos 13 und dessen Ladestrom. Wenn dazu noch eine elektrische Last wie das motorgetriebene Leistungslenkgerät kommt, verhalten sich der Ladestrom und die Anschlußspannung, wie die Kurve B in Fig. 4 zeigt. Deshalb führt bei einer herkömmlichen motorgetriebenen Servolenkung die Überlastung der Batterie beim praktischen Betrieb dazu, daß das Anlassen der Brennkraftmaschine wegen entladener Batterie behindert ist, daß die Scheinwerfer dunkel werden und daß auch Hilfsgeräte oder Einrichtungen nicht mehr arbeiten und daß schließlich eine Steuerung Fehlfunktionen aufweist. Von den üblichen elektrischen Lampen benötigen die Scheinwerfer 15 A, wozu dann noch im Extremfall der Strombedarf von 50 A bei der motorgetriebenen Servolenkung kommt.

Somit ist die Sicherstellung der Anschlußspannung der Batterie 12 eine vordringliche Aufgabe.

Erfindungsgemäß wird zur Sicherstellung der Anschlußspannung die Spannung an irgendeinem Teil der Speiseleitung erfaßt und der Motorstrom des Motors 11 nach Maßgabe des erfaßten Werts begrenzt. Dabei bestehen in Fig. 3 die Speiseleitungen aus den plus- und minusseitigen Speiseleitungen. Als Beispiel wird ein Fall erläutert, bei dem die Spannungserfassung an den Batterieklemmen in den Speiseleitungen erfolgt.

Fig. 6 zeigt die Absinkcharakteristik für die Batteriespannung bei der erfindungsgemäßen Servolenkung. Wie diese Figur zeigt, ist die Batterieanschlußspannung bei fortschreitender Überlastung der Batterie öfter unter 7 V. Die Spannung erholt sich, wenn sie bei einem Strom I₃ V _B = 7 V war, wieder auf V _B = 9 V, wenn der Strom auf I₁ verringert wird. Beruhend auf dieser Eigenschaft der Batterie begrenzt die vorliegende Erfindung die Stromstärke in der Steuerschaltung. Genauer gesagt wird die Stromstärke durch die Steuerschaltung verringert und dadurch ist der Spannungswert der Batterie abgesichert. Auf diese Weise wird eine verbesserte motorgetriebene Servolenkung möglich.

Für diese Zwecke ist eine sogenannte Profilsteuerung geeignet, die auf einer der Batteriespannung entsprechenden Grenzstromstärke beruht, wobei in Fig. 7 ein Beispiel graphisch dargestellt ist. Konkret ist dies ein Verfahren, das die Batteriespannung erfaßt und daraufhin eine Grenzstromstärke nach Maßgabe des erfaßten Spannungswerts festsetzt. Wenn beispielsweise die Batteriespannung V = 10 V ist, wird der Strombegrenzungswert 25 A. In diesem Fall wird die dem Motor zugeführte Stromstärke so gesteuert, daß sie nicht mehr als 28 A betragen kann. In einem Fall, bei dem die Batteriespannung unter 7,5 V liegt, wird der dem Motor 11 zugeführte Strom abgeschaltet, um die Überlastung der Batterie zu verhindern. Diese Profilsteuerung wird so ausgeführt, daß die obengenannte in Fig. 7 dargestellte Kennlinie in einem ROM (NUR-Lesespeicher) des die Steuerung 3 bildenden Mikrocomputers gespeichert und davon ausgelesen wird. Wenn die Batterie 12 wegen der Profilsteuerung des Motorstroms gemäß der Batteriespannung und der Aufladung der Batterie 12 durch den Wechselstromdynamo 13 eine Klemmspannung über 12 V hat, wird der Motor 11 mit der Grenzstromstärke 50 A wie gewöhnlich gesteuert.

Eine Steuerung, die nur die Profilsteuerung aufweist, neigt manchmal zum Überschwingen. Deshalb verwendet das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Verfahren, bei dem der Motorstrom mittels einer rückkoppelnden Regelung zur Einstellung einer vorgegebenen Spannung geregelt wird.

Die Regelschleife wird durch das in Fig. 8 dargestellte Flußdiagramm erläutert. Das hier dargestellte Flußdiagramm wird durch einen in Fig. 2 gezeigten Strombegrenzer 29 ausgeführt.

Nachdem die Steuerung mittels eines Schritts 33 startet, wird im Schritt 34 die Klemmenspannung der Batterie 12 erfaßt. Schritt 35 entscheidet, welche von drei Betriebsarten, Modus 1, Modus 2 und Modus 3 dem Motor entspricht.

Es sei nun angenommen, daß die Batteriespannung B _B unbedingt auf dem Pegel 7,5 V gehalten werden und der Motorstrom unbedingt unterhalb 7,5 V ausgeschaltet werden soll. Das Ausschalten des Motorstroms ist jedoch problematisch, weil damit die Funktion der Servolenkung verlorengeht. Deshalb wird verhindert, daß die Batteriespannung unter 7,5 V sinkt. Außerdem werden V _B = 8 V, V _B = 8,5 und V _B = 9 V eingestellt. Im Bereich 7,5 V < V _B < 8 V gemäß Modus 1, der durch Schritt 36 dargestellt ist, wird die Grenzstromstärke um 1,7 A alle 0,2 Sekunden verringert. Dabei werden die Zeitstufen als auch die Stromwertstufen fein gestaltet, um Erschütterungen, die bei der Änderung der Grenzstromstärke auftreten, unmerklich zu halten. Wenn infolge der Verringerung der Grenzstromstärke die Batteriespannung wieder im Bereich 8,5 V < V _B < 9 V gemäß Modus 2, der im Schritt 37 dargestellt ist, liegt, wird der Motor mit der Grenzstromstärke I _BL zu dieser Zeit betrieben. Außerdem wird, wenn die Batteriespannung V _B in dem Bereich V _B < 9 V gemäß dem in Schritt 37 dargestellten Modus 3 zu liegen kommt, in Relation zur Ladung durch den Wechselstromdynamo, die Grenzstromstärke um 1,7 A alle 0,2 Sekunden angehoben. Falls die Batteriespannung bereits 12 V ist, kann die Funktion der Servolenkung ungehindert mit der Grenzstromstärke 50 A arbeiten.

Die Batteriespannung V _B verringert sich nach Maßgabe der in Fig. 6 dargestellten Absinkfunktion in Übereinstimmung mit dem durch den Motor 11 fließenden Strom I _M, der von der Batterie 12 geliefert wird.

Die obige Beschreibung zeigt, daß erfindungsgemäß der Strombegrenzer 29 gemäß Fig. 2 hinzugefügt wird, wodurch die Überlastung der Batterie verhindert wird, während eine Minimalfunktion des Leistungslenkgeräts sichergestellt ist.

Erfindungsgemäß wird außerdem, um die Batteriespannung 12 abzusichern, ein Fall, in dem der Motorstrom die vorliegende Grenzstromstärke (beispielsweies 50 A) erreicht, erfaßt und das Erfassungssignal als Steuersignal zur Unterstützung der Stromerzeugung durch den Wechselstromdynamo 13 angewendet. Das heißt, bezogen auf Fig. 1, daß durch den Stromfühler 4 erfaßt wird, daß der Motorstrom die Grenzstromstärke erreicht hat und daß auf der Basis des Erfassungssignals eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuereinrichtung 50 durch die Steuerung 3 betätigt wird, um die Leerlaufdrehzahl der Maschine anzuheben, wodurch die Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos 13 erhöht wird.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen den Anschlußspannungen des Wechselstromdynamos 13 und der Last und dem Ladestrom des Wechselstromdynamos, wobei die Kurven A und B jeweils dem Wechselstromdynamo und der Last entsprechen. Sowie sich die Leerlaufdrehzahl erhöht, wird die Kennlinie der Anschlußspannung des Wechselstromdynamos in Abhängigkeit vom Ladestrom in Richtung des dargestellten Pfeils verschoben.

Der Fahrer des Kraftfahrzeugs merkt deutlich, daß sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit ändert. Deshalb wird beim vorliegenden Ausführungsglied die Zeitdauer, in der sich die Leerlaufdrehzahl erhöht, auf 3 Minuten mittels eines Zeitglieds 40 eingestellt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Leerlaufdrehzahlsteuereinrichtung 50 für die motorgetriebene Servolenkung eingesetzt. Obwohl dies nicht im einzelnen dargestellt ist, wird dieses dann betätigt, wenn der Strom durch den Motor 11 die Grenzstromstärke erreicht hat, um die Überlastung der Batterie zu verhindern. Das heißt, daß die Leerlaufdrehzahl der Steuerung 50 die Öffnung der Drosselklappe erhöht, um die Leerlaufdrehzahl und die Drehzahl des Ladedynamos zu erhöhen, wenn die Drehzahl N des Wechselstromdynamos 13 kleiner als eine vorgegebenen Drehzahl N _O und außerdem wenn der Feldstrom I _f des Wechselstromdynamos größer als ein vorgegebener Stromwert I _{f 0} ist.

Die Batteriespannung wird gemäß der obigen Beschreibung erfindungsgemäß durch Verändern der Grenzstromstärke abgesichert und außerdem die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erhöht, wenn die Motorgrenzstromstärke erreicht ist, um den Ladevorgang durch den Wechselstromdynamo 13 zu verbessern, wodurch die Überlastung der Batterie 12 verhindert werden kann. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird erfindungsgemäß gleichzeitig mit der Begrenzung des Motorstroms die Drehzahl der Brennkraftmaschine, um die Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos zu erhöhen, angehoben.

Claims

1. Elektrische Servolenkung mit

- einem elektrischen Motor, der eine auf ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs einwirkende Kraft unterstützt,
- einer Kupplung, die das Drehmoment des elektrischen Motors auf eine Antriebswelle zur Lenkung des Rads überträgt,
- einer Spannungsquelle, die dem elektrischen Motor elektrische Leistung zuführt, und
- einer Steuerung, die die dem elektrischen Motor zugeführte Leistung und den Betrieb der Kupplung nach Maßgabe eines Ausgangssignals eines Drehmomentfühlers steuert, die den dem elektrischen Motor einzuspeisenden Strom nach Maßgabe eines bestimmten Betriebsparameters begrenzt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der bestimmte Betriebsparameter die Spannung der Spannungsquelle (12) ist, und
- daß die Steuerung (3) eine Einrichtung (28) zur Erfassung der Spannung (V _B) der Spannungsquelle (12) und Einrichtungen (29, 21) aufweist, die den dem elektrischen Motor (11) einzuspeisenden Strom entsprechend dem erfaßten Spannungswert (V _B) begrenzen.

2. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserfassungseinrichtung (28) eine Klemmenspannung der Spannungsquelle (12) erfaßt.

3. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Motor (11) einzuspeisende Strom (I _M) entsprechend einem vorgegebenen Steuerprofil (Fig. 7) gesteuert wird, um dadurch eine übermäßige Entladung zu verhindern.

4. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtungen (29, 21) eine Anweisung zum Stop des elektrischen Motors (11) dann abgeben, wenn die durch die Spannungserfassungseinrichtung (28) erfaßte Spannung (V _B) einen unteren Grenzwert nicht erreicht.

5. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (29) einen rückkoppelnden Regelkreis (35, 36, 37, 38) aufweist, der eine übermäßige Entladung der Spannungsquelle (12) verhütet (Fig. 8).

6. Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (50), die die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs für die Erhöhung der Ladefähigkeit des Wechselstromdynamos (13) anhebt, um die Spannungsquelle (12), die den elektrischen Motor (11) antreibt, aufzuladen, wenn der Strom des elektrischen Motors (11) einen unteren Grenzwert erreicht.