DE3703701A1 - Elektrisches servolenkungssystem fuer fahrzeuge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenkungssystem für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. In neuerer Zeit sind elektrische Servolenkungssysteme anstelle von hydraulischen Servolenkungsystemen bekanntgeworden, da letztere in ihrem Aufbau aufwendig sind.

Beispielsweise in der veröffentlichten GB-Patentanmeldung 21 32 950 ist ein elektrisches Servolenkungssystem für Fahrzeuge mit Analogsteuerung beschrieben.

Dieses Servolenkungssystem enhält eine Steuerservoeinheit mit einem Elektromotor und zugehöriger Spannungsversorgung sowie eine analoge Steuerschaltung zur Steuerung der Servoeinheit als Funktion eines Steuerdrehmomentsignals von einer Detektorschaltung, welche das auf ein Steuerrad wirkende Steuerdrehmoment detektiert. Der Elektromotor erzeugt ein Hilfssteuerdrehmoment, um dadurch die für den Steuervorgang notwendige Kraft zu verringern.

In den letzten Jahren werden mehr und mehr Digitalsignale verarbeitende Mikrocomputer als Steuereinrichtungen von Arbeitssystemen verwendet, da sie den Vorteil haben, daß komplizierte Steuerfunktionen mit relativ einfachem Systemaufbau realisiert werden können. Es ist daher zweckmäßig, für ein Steuersystem der vorgenannten Art einen Mikrocomputer als Steuereinrichtung zu verwenden und eine Diagnosefunktion für verschiedene Störungen vorzusehen, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen.

Generell vermag jedoch ein Mikrocomputer nicht gleichzeitig viele Eingangssignale zu lesen, so daß Signalverarbeitungsoperationen als Funktion eines Systemtaktimpulses sequentiell durchgeführt werden. Wird dem Mikrocomputer eine Vielzahl von Störungsdiagnosen zugewiesen, so besteht daher die Möglichkeit, daß das Ansprechvermögen der Motortreibersteuerung auf Steueroperationen ungenügend wird. Kann eine Motortreibersteuerung einer Steueroperation nicht mehr ausreichend folgen, so führt dies zu einem unangenehmen Steuergefühl. Wird dem Ansprechvermögen auf Steuervorgänge mehr Bedeutung beigemessen, so kann die Störungsdiagnosefunktion nachteilig beeinflußt werden, wodurch die Systemzuverlässigkeit leidet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Servolenkungssystem für Fahrzeuge anzugeben, das auch bei Verwendung eines Mikrocomputers als Steuereinrichtung eine ausreichende Störungsdiagnosefunktion auszuführen vermag und bei dem die Motortreibersteuerung Steuervorgängen in ausreichendem Maße folgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Servolenkungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand eines Unteranspruchs.

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

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung einer elektromagnetischen Servoeinheit als wesentlicher Teil eines elektrischen Servolenkungssystems für Fahrzeuge gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltungsanordnung der elektromagnetischen Servoeinheit;

Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm von durch einen Mikrocomputer in der Steuerschaltungsanordnung nach Fig. 2 abzuarbeitenden Steuerprozessen;

Fig. 4 ein Signaldiagramm eines Steuerdrehmoment-Detektorsignals;

Fig. 5 ein Signaldiagramm eines Steuergeschwindigkeits- Detektorsignals;

Fig. 6 ein Diagramm eines Motortreibersignals als Funktion des Steuerdrehmomentes;

Fig. 7A bis 7C jeweils ein Zeitdiagramm des Frequenzverhältnisses von Störungsdiagnose- und Fahrzeuggeschwindigkeit; und

Fig. 8 ein schematisches Funktionsblockdiagramm der Steuerschaltungsanordnung nach Fig. 2.

Eine in Fig. 1 insgesamt mit 100 bezeichnete elektromagnetische Servoeinheit bildet einen wesentlichen Teil eines elektrischen Servolenkungssystems gemäß einer Ausführung der Erfindung, das in ein nicht dargestelltes Fahrzeug eingebaut ist. Die in Fig. 1 dargestellte Schnittdarstellung der Servoeinheit 100 ist um 90° um die Längsachse gedreht. Die Einheit 100 enthält eine mit einem nicht dargestellten Steuerrad des Fahrzeugs verbundene Eingangswelle 11 sowie eine koaxial zu dieser angeordnete Ausgangswelle 2. Die Wellen 1 und 2 bilden eine Steuerwelle. Die Ausgangswelle 2 ist über ein nicht dargestelltes Kardangelenk, ein Zahnstangengetriebe sowie Verbindungsgestänge mit Achsschenkeln verbunden, welche nicht dargestellte gesteuerte Räder des Fahrzeugs halten. Die Wellen 1 und 2 sind miteinander über einen zu ihnen zentrierten Torsionsstab 4 miteinander verbunden. Das innere Ende der Eingangswelle 1 besitzt ein fest aufgepaßtes hohles zylindrisches Element 1 a, während das innere Ende der Ausgangswelle 2 ein aufgepaßtes hohles zylindrisches Element 2 a besitzt. Das zylindrische Element 1 a ist am linken Ende gabelförmig ausgebildet, während das zylindrische Element 2 a am rechten Ende gabelförmig ausgebildet ist. Die gabelförmigen Teile greifen mit einem zwischen ihnen vorgesehenen Spiel ineinander. Die Eingangs- und die Ausgangswelle 1, 2 sind über Lager 3, 5, 6, 7 mittels eines an einer nicht dargestellten Aufhängung des Fahrzeugschassis befestigten Gehäuses 8 drehbar gelagert. Die Drehung des Steuerrades wird über die Eingangswelle 1 und den Torsionsstab 4 auf die Ausgangswelle 2 übertragen, wodurch die gesteuerten Räder gedreht werden. Gleichzeitig wird von einem Elektromotor 11 ein Hilfsdrehmoment für die Ausgangswelle 2 erzeugt.

Auf der Eingangs- und Ausgangswelle 1, 2 sind ein Steuer-(Dreh-)geschwindigkeitssensor 9, ein Steuerdrehmomentsensor 10, der das Hilfsdrehmoment erzeugende Gleichstrommotor 11, ein das Drehmoment des Motors 11 auf die Ausgangswelle 2 übertragendes Untersetzungsgetriebe 12 sowie eine elektromagnetische Kupplung 13, über die die Drehmomentübertragung vom Getriebe 12 auf die Welle 2 erfolgt, angeordnet. Die Detektorsignale von den Sensoren 9, 10 werden in eine Steuereinrichtung 15 eingespeist, die von einer Spannungsversorgungsschaltung 16 gespeist wird. In die Steuereinrichtung 15 wird ein weiteres Detektorsignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 14 eingespeist. Mit den Ausgangssignalen der Sensoren 9, 10 und 14 steuert die Einrichtung 15 den Motor 11 und die Kupplung 13.

Der Steuergeschwindigkeitssensor 9 besitzt einen einstückig am Gehäuse 8 befestigten Gleichstromgenerator 9 a ein an einem Ende einer Welle des Generators 9 a befestigtes Zahnrad 9 b kleinen Durchmessers, ein am Außenumfang des zylindrischen Elementes 1 a ausgebildetes Zahnrad 1 b großen Durchmessers sowie einen über die Zahnräder 9 b, 1 b geführten Transmissionsriemen 9 c. Die Drehung der Eingangswelle 1 wird über den Transmissionriemen 9 c auf den Generator 9 a übertragen, welcher eine Gleichspannung mit einer der Richtung der Steuerdrehgeschwindigkeit Ns bzw. der Winkelgeschwindigkeit der Welle 1 entsprechenden Polarität und einer der Größe der Steuerdrehgeschwindigkeit Ns bzw. der Winkelgeschwindigkeit der Welle 1 entsprechenden Größen erzeugt.

Der Steuerdrehmomentsensor 10 besitzt einen aus einer ferromagnetischen Substanz hergestellten Kern 10 a, das axial gleitend auf die zylindrischen Elemente 1 a, 2 a aufgepaßt ist sowie einen Differentialtransformator 10 b zur Detektierung der Axialverschiebung des Kerns 10 a, wobei der Transformator 10 b am Innenumfang des Gehäuses 8 befestigt ist. Ein Paar von Stiften 1 c, 1 c verläuft vom gabelförmigen Teil des zylindrischen Elementes 1 a radial nach außen. Entsprechend ist ein Paar von radial nach außen verlaufenden Stiften 2 b, 2 b am gabelförmigen Teil des zylindrischen Elementes 2 a vorgesehen. Der Kern 10 a ist mit Länglöchern versehen, in welche die Stifte 1 c, 1 c bzw. 2 b, 2 b eingreifen. Die Langlöcher, in welche die Stifte 1 c, 1 c am Ende der Eingangswelle 1 eingreifen, verlaufen parallel zu den Achsen der Eingangs- und Ausgangswelle 1, 2, während die Länglöcher, in welche die Stifte 2 b, 2 b am Ende der Ausgangswelle 2 eingreifen, um einen vorgegebenen Winkel gegen diese Achsen geneigt sind. Das auf die Eingangswelle 1 wirkende Steuermoment TS wird über den Torsionsstab 4 auf die Ausgangswelle 2 übertragen, um diese gegen eine auf sie wirkende Last zu drehen. Überwiegt die auf die Ausgangsseite wirkende Last das übertragene Steuerdrehmoment Ts, so verwindet sich der Torsionsstab 4, wodurch zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 1, 2 eine Umfangswinkeldifferenz entsteht. Der mit den Stiften 1 c, 2 b in Eingriff stehende Kern 10 a bewegt sich als Funktion der Wirkungsrichtung des Steuerdrehmomentes Ts in der jeweiligen Achsrichtung. Die axiale Verschiebung des Kerns 10 a entspricht der Größe des einwirkenden Steuerdrehmomentes Ts. Der Differentialtransformator 10 b besitzt eine Primärwicklung, in die von der Steuereinrichtung 15 eine Wechselspannung eingespeist wird, sowie Sekundärwicklungen, von denen Ausgangsspannungen in die Einrichtung 15 eingespeist werden. Die Amplituden der Sekundärspannungen ändern sich differentiell als Funktion der Axialverschiebung des Kerns 10 a. In dieser Hinsicht ist der Kern 10 a so angeordnet, daß er eine Mittenstellung gemäß Fig. 1 annimmt, wenn ohne ein auf die Eingangswelle 1 wirkendes Steuerdehmoment keine relative Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 1, 2 entsteht. Zwischen das hohl ausgebildete innere Ende der Eingangswelle 1 und einem reduzierten Axialansatz des inneren Endes der Ausgangswelle 2 ist ein elastischer Ring 10 d mit geeignetem Reibungskoeffizienten vorgesehen. Dieser Ring 10 d dient zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes proportional zur Differenz zwischen den Winkelgeschwindigkeiten der Eingangs- und Ausgangswelle 1, 2, wodurch Schwankungen in der Phasendifferenz zwischen den Wellen 1, 2 ausgeglichen werden, was zu einer verbesserten Ausgangsstabilität des Steuerdrehmomentsensors 10 führt. Mit anderen Worten ausgedrückt, wirkt der Ring 10 d mit dem inneren Ende der Eingangswelle 1 und dem reduzierten Ansatz am inneren Ende der Ausgangswelle 2 zusammen, um einen Drehmomentdämpfungsmechanismus 10 c zu bilden. Die Ausgangsspannung des Differentialtransformators 10 b repräsentieren bei dieser Ausgestaltung die Richtung und die Größe des Steuerdrehmomentes Ts.

Ein im folgenden noch zu beschreibender Steuerzustandsdetektor gemäß Fig. 8 wird durch den Steuergeschwindigkeitssensor 9 und den Steuerdrehmomentsensor 10 gebildet.

Auf der rotierenden Welle des Elektromotors 11 ist ein Zahnrad 12 a kleinen Durchmessers befestigt. Dieses Zahnrad 12 a ist über einen Transmissionsriemen 12 c mit einem Zahnrad 12 b großen Durchmessers verbunden, das mittels eines Lagers 17 drehbar auf der Ausgangswelle 2 montiert ist. Dadurch wird die Dehnung des Motors 11 mit reduzierter Geschwindigkeit auf das Zahnrad 12 b großen Durchmessers übertragen. Im linken Teil des Zahnrades 12 b ist ein Umlaufzahnrad 12 d vorgesehen, während in das Gehäuse 8 ein Ringzahnrad 12 f drehbar eingepaßt ist. Drei mit dem Umlaufzahnrad und dem Ringzahnrad 12 d, 12 f kämmendende Planetenzahnräder 12 e sind drehbar auf einer Trägerplatte 12 g gehaltert, die an der Ausgangswelle 2 befestigt ist. Die Zahnräder 12 a, 12 b, der Transmissionsriemen 12 sowie die Zahnräder 12 d, 12 e, 12 f bilden das Untersetzungsgetriebe 12.

Die elektromagnetische Kupplung 13 umfaßt eine am linken Ende des Ringzahnrades 12 f befestigte Kupplungsplatte 13 a, ein Feldelement 13 c mit kanalförmigem Querschnitt zur Aufnahme einer Erregerspule 13 b sowie eine zwischen dem rechten Ende des Ringzahnrades 12 f und einem Flansch des Gehäuses 8 vorgesehene Blattfeder 13 d. Diese Feder 13 d spannt die Kupplungsplatte 13 a sowie das Ringzahnrad 12 f gegen eine Öffnung des Feldelementes 13 c federnd vor. Wird die Spule 13 b erregt, wird das Ringzahnrad 12 f zum Gehäuse 8 hingebogen, wobei der magnetische Fluß durch das Feldelement 13 c und die Kupplungsplatte 13 a verläuft. Damit kann das Untersetzungsgetriebe 12 so arbeiten, daß die auf die Ausgangswelle 2 zu übertragende Drehung des Motors 11 reduziert wird.

Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 14 enthält ein nicht dargestelltes Tachometerkabel, das mit einem nicht dargestellten Magneten verbunden ist, der seinerseits zusammen mit dem Kabel rotiert. Bei Drehung des Magneten wird ein nicht dargestellter Reed-Schalter zur Erzeugung eines impulsförmigen Signals ein- und ausgeschaltet, das in einen nicht dargestellten Frequenz-Spannungs-Umsetzer eingespeist wird, in dem es in eine als Fahrzeuggeschwindigkeitssignal auszugebende Gleichspannung überführt wird.

Im folgenden wird die Steuereinrichtung 15 anhand von Fig. 2 beschrieben.

Diese Steuereinrichtung 15 enthält einen Mikrocomputer 22 (im folgenden als MCU bezeichnet), eine Motortreiberschaltung 23, eine Kupplungstreiberschaltung 24 sowie eine Stromdetektorschaltung 25. Weiterhin können in dieser Einrichtung gemäß Fig. 2 auch die Sensoren 9, 10, 14 sowie die Spannungsversorgungsschaltung 16 enthalten sein. Die MCU 22 nimmt ein Paar von Detektorsignalen S ₁, S ₂ vom Steuerdrehmomentsensor 10, ein Paar von Detektorsignalen S ₃, S ₄ vom Steuergeschwindigkeitssensor 9, ein Detektorsignal S ₅ vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 14 sowie ein Detektorsignal S ₆ von der Stromdetektorschaltung 25 auf. Die Detektorsignale S ₁ bis S ₄ und S ₆ werden als Funktion eines Befehls von der MCU 22 über einen Analog-Digital-Umsetzer 21 in die MCU 22 eingespeist, daß das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal darstellende Detektorsignal S ₅ wird direkt in die MCU 22 eingespeist.

Der Steuerdrehmomentsensor 10 enthält eine nicht dargestellte Schnittstellenschaltung, welche einen internen Taktimpuls von der MCU 22 aufnimmt und diesen nach Teilung in einer Anzahl von Stufen zur Erzeugung eines Wechselsignals in die Primärwicklung des Differentialtransformators 10 b einspeist. Die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungen des Transformators 10 b werden in die Schnittstellenschaltung eingespeist, wo sie gleichgerichtet und geglättet werden, um Gleichspannungen zu erzeugen, die als Steuerdrehmoment-Detektorsignale, d. h. als Signale S ₁, S ₂ ausgegeben werden.

Der Steuergeschwindigkeitssensor 9 enthält ebenfalls eine nicht dargestellte Schnittstellenschaltung, welche ein Paar von Spannungssignalen an den Ausgangsklemmen des Gleichstromgenerators 9 aufnimmt und deren hochfrequente Komponenten eliminiert, um geglättete Spannungssignale zu gewinnen, welche als Steuergeschwindigkeits-Detektorsignale, d. h., als Signale S ₃, S ₄ ausgegeben werden.

Die MCU 22 enthält nicht dargestellte Anordnungen, wie beispielsweise Ein/Ausgabeschaltungen, RAM- und ROM-Speicher, einen programmierbaren Zeitgeber sowie einen mit einem Quarzoszillator gekoppelten Taktgenerator.

Die Spannungsversorgungsschaltung 16 liefert die für weitere Schaltungen in der MCU 22 notwendige Spannung. Sie enthält ein über einen Zündschalter 31 an eine positive Klemme einer Batterie 30 des Fahrzeugs angeschlossenes Ruhekontakt-Relais 32 sowie einen an dieses Relais 32 angeschalteten Spannungsstabilisator 33. Das Relais 32 besitzt einen Ausgangsanschluß 32 a zur Einspeisung von Spannung in die Motortreiberschaltung 23, während der Stabilisator 33 einen Ausgangsanschluß 33 a zur Einspeisung einer konstanten Spannung in die MCU 22, die Sensoren 9, 10 und 14 sowie weitere Schaltungen aufweist. Wird der Zündschalter 31 eingeschaltet, so wird die MCU 22 mit Spannung versorgt, so daß die Detektorsignale S ₁ bis S ₅ von den Sensoren 9, 10, 14 gemäß einem in die Speicher eingeschriebenen Programm verarbeitet. Sodann wird von der MCU 22 ein Paar von Treibersteuersignalen T ₂, T ₃ in die Motortreiberschaltung 23 eingespeist, welche den Motor 11 steuern. Das Signal T ₂ dient zur Steuerung der Drehrichtung des Motors 11, während das Signal T ₃ zur Steuerung des Motordrehmomentes durch Änderung einer Ankerspannung Va dient.

Die Motortreiberschaltung 23 enthält eine die Steuersignale T ₂, T ₃ aufnehmende Treibereinheit sowie eine aus vier Feldeffekttransistoren 41 bis 44 gebildete Brücke 40. In dieser Brücke 40 sind die Drain-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 41, 44 in einem Paar von benachbarten Brückenzweigen mit dem Ausgangsanschluß 32 a des Relais 32 verbunden, während deren Source-Anschlüsse mit den Drain-Anschlüssen der verbleibenden Feldeffekttransistoren 42, 43 verbunden sind. Die Feldeffekttransistoren 42, 43 bilden das andere Paar von benachbarten Brückenzweigen und sind mit ihren Source-Anschlüssen über einen Widerstand 45 an Masse als Bezugsanschluß angeschlossen, an dem auch die negative Seite der Batterie 30 liegt. Die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 41 bis 44 liegen an jeweils einem Ausgangsanschluß 35 a, 35 d, 35 b bzw. 35 c der Treibereinheit 35. Die Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 41, 44 dienen als Ausgangsanschlüsse der Brücke 40 und sind mit den Eingangsanschlüssen des Motors 14 verbunden.

Die Treibereinheit 35 arbeitet in Abhängigkeit von dem die Motordrehrichtung angebenden Steuersignal T ₂ und dem die Motordrehmomentgröße angebenden Steuersignal T ₃ von der MCU 22, so daß in Abhängigkeit vom Steuersignal T ₂ ein Ein/Aus-Signal Q ₁ oder ein Ein/Aus-Signal Q ₃ am Ausgangsanschluß 35 a oder 35 c abgegeben wird, um den Feldeffekttransistor 41 oder 44 leitend zu schalten. Gleichzeitig wird am Ausgang 35 b oder 35 d ein PWM-Signal Q ₂ oder ein PWM-Signal Q ₄ abgegeben, um den Feldeffektransistor 43 oder 42 leitend zu schalten. Die Signale Q ₂, Q ₄ liegen in Form einer Folge von PWM-Signalzügen (Pulsdauermodulations-Signalzüge) vor, die durch Modulation der Dauer eines Rechteckimpulssignals mit dem Wert der Batteriespannung und konstanter Frequenz als Funktion des Steuersignals T ₃ gewonnen werden. Der Motor 11 wird daher mit einer Ankerspannung Va angesteuert, deren Polarität und Größe dem Signal T ₂ bzw. T ₃ entspricht.

Mit anderen Worten ausgedrückt, steuert die Motortreiberschaltung 23 den Motor 11 in Abhängigkeit von den Steuersignalen T ₂, T ₃ von der MCU 22 in der Weise, daß die Drehrichtung und die Ausgangsleistung (Drehzahl und Drehmoment) des Motors 11 entweder durch Leitendschaltung des Feldeffekttransistors 41 und des Feldeffekttransistors 43 oder durch Leitendschalten des Feldeffekttransistors 44 und des Feldeffekttransistors 42 gesteuert werden.

Für den Fall, daß der Motor 11 durch die Feldeffekttransistoren 41, 43 gesteuert wird, ist die Größe der Ankerspannung Va proportional zur Impulsdauer des PWM-Signals Q ₂ am Ausgangsanschluß 35 b der Treibereinheit 35 und die Polarität der Spannung Va so beschaffen, daß ein Ankerstrom Ia in der Richtung fließt, welche zu einer Rotation des Motors 11 im Uhrzeigersinn führt. Für den Fall der Steuerung durch die Feldeffekttransistoren 42, 44 ist andererseits die Größe der Spannung Va proportional zur Impulsdauer des PWM-Signals Q ₄ am Ausgangsanschluß 35 d und die Polarität so beschaffen, daß der Ankerstrom Ia in der Gegenrichtung fließt, wodurch der Motor 11 im Gegenuhrzeigersinn rotiert.

Die Kupplungstreiberschaltung 24 enthält eine Treibereinheit, welche die elektromagnetische Kupplung 13 in Abhängigkeit von einem Steuersignal T ₄ von der MCU 22 ein- und ausschaltet.

Die Stromdetektorschaltung 25 dient zur Detektierung von Störungen in Bezug auf die Motortreiberschaltung 23. Diese Stromdetektorschaltung 25 enthält ein nicht dargestelltes Tiefpaßfilter zur Erzeugung einer Gleichspannung aus der Spannung am Widerstand 45 sowie einen nicht dargestellten Verstärker zur Verstärkung der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters. Die Schaltung 25 detektiert einen im Widerstand 45 fließenden Störstrom, um eine Information über Störungen in der Motortreiberschaltung 23 und im Motor 11 zu gewinnen. Wird eine Störung auf der Basis des Detektorsignals S ₆ von der Schaltung 25 gefunden, so liefert die MCU 22 ein Steuersignal T ₁ zum Relais 23 der Spannungsversorungsschaltung 16. Dieses Signal T ₁ öffnet das Relais 32, wodurch die Spannungszufuhr von der Schaltung 26 zu anderen Schaltungen unterbrochen wird.

Dies wird im folgenden anhand verschiedener programmierter Funktionen der MCU 22 erläutert.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Flußdiagramm, aus dem verschiedene Steuerprozesse in der MCU 22 ersichtlich sind. Die Bezugszeichen 100 bis 116 repräsentieren die Prozeßschritte.

Durch Einschalten des Zündschalters 31 werden die MCU 22 sowie weitere zugehörige Schaltungen mit Spannung versorgt und können damit die Steuerfunktionen durchführen.

Zunächst werden in einem Schritt 101 entsprechende Register, Faktoren und Parameter, Daten im RAM und Schaltungen in der MCU 22 initialisiert.

Sodann wird in einem Schritt 102 das Detektorsignal S ₆ von der Stromdetektorschaltung 25 gelesen und eine Diagnose durchgeführt, ob der Motor 11 und die Treiberschaltung 23 Störungen aufweisen oder nicht, was durch Prüfung hinsichtlich von Störungen des Stroms erfolgt. Sodann werden die Detektorsignale S ₁ bis S ₅ von den Sensoren 9, 10, 14 in der angegebenen Reihenfolge gelesen und hinsichtlich Störungen des Signalwertes geprüft, um dadurch eine Diagnose durchzuführen, ob die zugehörigen Schaltungen gestört sind oder nicht. Weiterhin können Testdaten für verschiedene Schaltungen ausgegeben werden, um zu prüfen, ob zugehörige Elemente arbeiten oder nicht. Durch solche Diagnosen wird zunächst eine Störprüfung durchgeführt. Wird eine Störung als vorhanden festgestellt, so wird das Steuersignal T ₁ in das Relais 32 eingespeist. Dieses Relais 32 öffnet dann, so daß die MCU 22 nicht mehr weiterarbeitet. Damit wird auch die Funktion der Steuereinrichtung 15 unterbrochen. Wird keine Störung festgestellt, so schreitet der Prozess zum Schritt 103.

Im Schritt 103 wird das Detektorsignal S ₅ vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 14 gelesen, um eine Fahrzeuggeschwindigkeit V zu erhalten. Sodann wird in einem Schritt 104 in Bezug auf die so gewonnene Fahrzeuggeschwindigkeit V eine Referenzfrequenz bzw. eine Periodenzahl bzw. Zeit Kv festgelegt, die für die Prozeßschleife einen Erfahrungswert darstellt. Bei der Größe Kv handelt es sich um eine vorgesetzte ganze Zahl, die vorher in eine Tabelle in einen Speicher der MCU 22 eingeschrieben wird und mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V abnimmt.

Sodann wird in einem Schritt 105 eine Beurteilung durchgeführt, ob der Inhalt eines Zählers, welcher eine Anzahl von Zeiten Ki zählt, welche die Prozeßschleife bis dahin durchlaufen hat, gegenüber der Größe Kv eine kleinere ganze Zahl darstellt. Die laufende Anzahl von Zeiten Ki ist im Schritt 101 auf Null gesetzt worden, wobei sie auch in einem Schritt 116 auf Null rückgesetzt wird. Ist im Schritt 105 festgelegt worden, daß Ki kleiner als Kv ist, so schreitet der Prozeß zum Schritt 106 fort.

Im Schritt 106 werden die Steuerdrehmoment-Detektorsignale S ₁, S ₂ gelesen. Arbeitet der den Differentialtransformator 10 b enthaltende Steuerdrehmomentsensor 10 normal, so stehen die Detektorsignale S ₁, S ₂ in dem in Fig. 4 dargestellten Zusammenhang zum Steuerdrehmoment Ts. Die Hälfte der Summe der Signale S ₁ und S ₂ ist im wesentlichen gleich einem konstanten Wert k. Die Phasendifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 1, 2 ist durch das in Eingriffstehen zwischen dem gabelförmigen Teil des zylindrischen Elementes 1 a und demjenigen des zylindrischen Elementes 2 a innerhalb eines vorgegebenen Winkels begrenzt. Somit werden die Werte der Signale S ₁, S ₂ konstant gehalten, wenn das Steuerdrehmoment Ts in jeder Wirkungsrichtung größer als ein vorgegebener Wert ist. Im Schritt 106 wird eine Berechnung dahingehend durchgeführt, daß das Ergebnis von S ₁ - S ₂ ein Wert des Steuerdrehmomentes Ts ist. Um die Wirkung des Steuerdrehmomentes Ts zu beurteilen, wird darüber hinaus eine Bestimmung dahingehend durchgeführt, ob der Wert von Ts positiv oder negativ ist. Wirkt das Drehmoment Ts im Uhrzeigersinn, d. h., ist der Wert positiv oder Null, so wird ein nicht dargestelltes Steuerrichtungskennzeichen auf "1" gesetzt. Ist der Wert Ts negativ, so wird durch Abarbeitung eines Prozesses derart, daß Ts = -TS ist, sein Absolutwert erzeugt, wobei das Steuerrichtungskennzeichen auf "0" rückgesetzt wird.

Sodann werden in einem Schritt 107 die Detektorsignale S ₃, S ₄ des Steuergeschwindigkeitssensors 9 gelesen. Arbeitet dieser Steuergeschwindigkeitssensor 9 normal, so stehen die Detektorsignale S ₃, S ₄ zur Steuergeschwindigkeit Ns in dem Fig. 5 dargestellten Zusammenhang. Der Sensor 9 arbeitet normal, wenn die Gleichspannungswerte der beiden Signale S ₃, S ₄ gleichzeitig positiv sind und wenn die Signale S ₃, S ₄ außerhalb des Bereiches der Ausgangsspannung Vcc des Stabilisators 33 liegen. Der Generator 9 a besitzt dazu eine solche Charakteristik, daß seine maximal zu erwartende Ausgangsspannung um einen vorgegebenen Wert kleiner als Vcc ist. Darüber hinaus wird in einem Schritt 107 eine Berechnung S ₃ - S ₄ durchgeführt, deren Ergebnis ein Wert der Steuergeschwindigkeit Ns ist.

In einem Schritt 108 wird der Inhalt einer nicht dargestellten Tabelle im ROM in Abhängigkeit des Absolutwertes des Steuerdrehmomentes Ts direkt adressiert gelesen. Die Tabelle ist vorher in das ROM eingeschrieben, wobei Tastwerte D gespeichert sind, welche in dem in Fig. 6 dargestellten Zusammenhang zum Absolutwert des Steuerdrehmomentes Ts stehen. D ₁ ist dabei eine Totzone.

Sodann wird in einem Schritt 109 die Rotationsrichtung N des Motors 11 in Abhängigkeit vom Wert des im Schritt 106 gesetzten Steuerrichtungskennzeichen festgelegt.

Sodann wird in einem Schritt 110 die festgelegte Richtung N und in einem Schritt 111 der gelesene Tastwert D ausgegeben. In einem Schritt 112 wird die laufende Anzahl von Zeiten Ki um 1 inkrementiert. Danach geht der Prozeß zum Schritt 103 weiter.

Die Schritte 106 bis 112 bilden ein Unterprogramm für die Motortreibersteuerung.

Speziell werden in den Schritten 111 und 11 die folgenden Prozesse ausgeführt:

Ist das Steuerrichtungskennzeichen "1", d. h., wirkt das Steuerdrehmoment Ts im Uhrzeigersinn, werden die Treibersignale Q ₁ bis Q ₄ so gesetzt, daß folgende Beziehungen gelten:

Q ₃ = "0", Q ₁ = "1",
Q ₂ = "1", Q ₄ = "0".

Ist andererseits das Richtungskennzeichen "0", d. h., wirkt das Steuerdrehmoment Ts im Gegenuhrzeigersinn, so werden die Signale Q ₁ bis Q ₄ so gesetzt, daß folgende Beziehungen gelten:

Q ₃ = "1", Q ₁ = "0",
Q ₂ = "0", Q ₄ = "1".

Sodann werden die Werte der so gesetzten Signale Q ₁ bis Q ₄ und der Tastwert D zur Treibereinheit 35 ausgegeben. Der Tastwert D repräsentiert den Anteil der Impulsdauer des PWM-Signals Q ₂ oder Q ₄. Speziell wird der Tastwert D so modifiziert, daß sich eine an die im Schritt 107 detektierte Steuergeschwindigkeit Ns angepaßte Motordrehzahl Nm ergibt. Dieser Prozeß ergibt das Motorsteuersignal T ₂, T ₃. Auf diese Weise wird der Motor 11 in beiden Richtungen gedreht, wobei sein Ausgangsdrehmoment geschwindigkeitsuntersetzt auf die Ausgangswelle 2 übertragen wird, um dadurch die notwendige Steuerkraft zu verringern. Wird der Motor 11 angesteuert, so wird das Steuersignal T ₄ in die Treiberschaltung 24 eingespeist, um die elektromagnetische Kupplung 13 zu betätigen.

Der die Treibersteuerprozesse zwischen den Schritten 106 und 112 enthaltende Zyklus wird wiederholt, bis die laufende Anzahl von Zeiten Ki die Anzahl der aus der Fahrzeuggeschwindigkeit V im Schritt 103 festgelegte Anzahl von Zeiten Kv erreicht.

Wird im Entscheidungsschritt 105 entschieden, daß Ki nicht kleiner als Kv oder Ki gleich oder größer als Kv ist, so schreitet der Prozeß zum Schritt 113 fort. Die notwendige Zeit, die das Programm zur Abarbeitung der Schritte 103 bis 112 oder der Schritte 103 bis 105 und 113 bis 116 benötigt, ist sehr kurz. Die Fahrzeuggeschwindigkeit Vi, welche auftritt, wenn das Programm die Schritte 103 bis 105 in einem bestimmten Zyklus durchläuft, kann geändert werden, wenn das Programm zum nächsten Zyklus fortschreitet. Der Wert von Kv wird im Schritt 104 direkt aus der Fahrzeuggeschwindigkeit V festgelegt und geändert, wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit V ändert. In einem bestimmten Fall kann daher Ki größer als Kv sein.

Im Schritt 113 wird das Detektorsignal S ₆ aus der Stromdetektorschaltung 25 gelesen.

Sodann wird im Schritt 114 der Ankerstrom Ia des Motors 11 in Abhängigkeit vom gelesenen Signal S ₆ festgelegt. Ein durch das Signal S ₆ repräsentierter Stromwert wird durch den Ausgangstastwert D geteilt, um einen verringerten Ankerstrom Ia′ zu erhalten.

Sodann wird im Schritt 115 bestimmt, ob der reduzierte Ankerstrom Ia′ kleiner als ein vorgegebener Wert innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Differenzbereiches ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so entscheidet das Programm, daß eine Störung vorhanden ist, und gibt das Steuersignal T ₁ zum Relais 32 aus. Das Relais 32 wird geschlossen, wonach die MCU 22 nicht mehr weiter arbeitet, so daß auch die Steuereinrichtung 15 nicht mehr weiter arbeitet.

Wird im Schritt 115 keine vorhandene Störung festgestellt, so schreitet das Programm zum Schritt 116 fort, in dem die laufende Zahl von Zeiten Ki durch Null ersetzt wird. Danach geht das Programm zum Schritt 103.

Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform wird ein Anteil (= 1/Kv) der Abarbeitung eines die Schritte 113 bis 116 enthaltenden Störungsdiagnose-Unterprogramms an einem die Schritte 106 bis 112 enthaltenden Motortreibersteuer- Unterprogramm in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit V bestimmt. Die Anzahl Kv der Abarbeitungen der Prozeßschleife nimmt mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V ab. Für drei unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten V ₁, V ₂, V ₃ (V ₁ ≦ωτ V ₂ ≦ωτV ₃) ändert sich die Frequenz der Abarbeitung des Störungsdiagnose-Unterprogramms gemäß den Fig. 7A bis 7c. In diesen Figuren bedeutet die Größe t ₀, welche im wesentlichen konstant ist, die Abarbeitungszeit des Störungsdiagnose-Unterprogramms. Zeiten t ₁, t ₂, t ₃ sind kontinuierliche Abarbeitungszeiten des Motortreibersteuer-Unterprogramms für die Fahrzeuggeschwindigkeiten V ₁, V ₂ bzw. V ₃, wobei t ₁ ≦λτ t ₂ ≦λτ t ₃ gilt. Die Frequenz der Störungsdiagnose nimmt nämlich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V zu.

Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung verschiedener Funktionen der Steuereinrichtung 15 sowie die Zusammenhänge zwischen der Einrichtung 15 nach Fig. 2 und prinzipiellen Schritten des Programmablaufs nach Fig. 3. Die Steuersignale T ₁, T ₄ sind dabei weggelassen.

Gemäß der beschriebenen Ausführungsform ändert sich im elektrischen Servosteuerungssystem 100 für Fahrzeuge mit der MCU 22 in der Steuereinrichtung 15 der Anteil der Abarbeitung (1/Kv) eines Störungsdiagnose-Prozesses an einem Motortreibersteuer-Prozeß in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit V so, daß eine Motortreibersteuerung der Steuerwirkung in einem ausreichenden Maße folgt, wobei eine Störungs-Selbstdiagnosefunktion erfolgreich durchführbar ist. Auf diese Weise ist ein angenehmes Steuergefühl gewährleistet.

Die Frequenz der Abarbeitung des Störungsdiagnose-Prozesses ist bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten klein, nimmt mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V zu und wird bei großen Fahrzeuggeschwindigkeiten groß. Daher liegt für die Motorsteuerung bei kleiner Geschwindigkeit gegenüber Störungsdiagnosen eine Priorität vor, da bei solchen Geschwindigkeiten der Steuervorgang gewöhnlich mit einem relativ großen Winkel erfolgt. Andererseits wird bei großen Geschwindigkeiten, bei denen ein Steuervorgang nicht so oft und mit einem relativ kleinen Winkel erfolgt, die Bedeutung auf die Störungsdiagnose gelegt. Im Bereich von kleiner bis zu großer Fahrzeuggeschwindigkeit wird daher der Motor mit einem günstigen Ansprechvermögen auf den Steuervorgang angesteuert, ohne daß die Störungsdiagnosefunktion beeinträchtigt wird.

Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Abarbeitungszeit t ₀ des Störungsdiagnose-Prozesses im wesentlichen konstant gehalten, wobei die Abarbeitungsfrequenz mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V zunimmt. Es kann jedoch auch die Abarbeitungsfrequenz konstant gehalten werden, wobei die Zeit für die Störungsdiagnose mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit V zunehmen kann. Anstelle einer im wesentlichen kontinuierlichen Änderung, wie dies bei der beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, kann der Anteil der Abarbeitung eines Störungsdiagnose-Prozesses an einem Motortreibersteuer-Prozeß auch schrittweise geändert werden.

Der Gehalt der Störungsdiagnose-Prozeßabläufe in den Schritten 113 bis 115 ist lediglich beispielhaft angegeben.

Claims (2)

1. Elektrisches Servolenkungssystem (100) für Fahrzeuge mit einer Steuerwelle (1, 2), einem Detektor (9, 10) zur Detektierung eines Steuerzustandes der Steuerwelle (1, 2), einem Elektromotor (11) zur Erzeugung eines Hilfsdrehmomentes (Ts) für die Steuerwelle (1, 2) und mit einer einen Mikrocomputer (22) enthaltenden Treibersteuereinrichtung (15), die ein Ausgangssignal (S 1 bis S 4) vom Steuerzustandsdetektor (9, 10) aufnimmt und als Funktion des Ausgangssignales (S 1 bis S 4) einen Motortreiberprozess (106 bis 111) zur Speisung des Elektromotors (11) mit einem Treibersignal sowie einen Störungsdiagnoseprozess (113 und 115) für das System (100) abarbeitet,
gekennzeichnet durch eine mit der Treibersteuereinrichtung (15) in Wirkverbindung stehende Diagnose-Anteilsänderungseinrichtung (14, 103 bis 105, 112, 116), welche das Verhältnis der Abarbeitung des Störungsdiagnoseprozesses (113 bis 115) zur Abarbeitung des Motortreiberprozesses als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) ändert.

2. Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnose-Anteilsänderungseinrichtung (14, 103 bis 105, 112, 116) die Abarbeitungsfrequenz des Störungsdiagnoseprozesses (113 und 115) so einstellt, daß sie bei kleiner Fahrzeuggeschwindigkeit (V) klein ist, mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit (V) zunimmt und bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit (V) groß ist.