DE3710591A1 - Motorgetriebenes servolenkungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein motorgetriebenes Servolenkungssystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere ein motorgetriebenes Servolenkungssystem, welches zur Erzeugung der unterstützenden Lenkkraft einen Elektromotor verwendet.

Viele Kraftfahrzeugservolenkungssysteme verwenden als Hilfskraftquellen hydraulische Mechanismen oder Elektromotore. Bei Servolenkungssystemen, welche Elektromotore verwenden, kann die Hilfskraftquelle durch eine elektronische Kontrolleinheit, die im folgenden mit ECU bezeichnet wird, direkt kontrolliert werden. Solche Servolenkungssysteme sind deshalb vorteilhafter als Servolenkungssysteme, in die hydraulische Mechanismen eingebaut sind. Hydraulische Servolenkungssysteme benötigen eine teure hydraulische Kontrolleinrichtung oder einen zusätzlichen Mechanismus, der eine ECU und einen hydraulischen Mechanismus operativ miteinander verbindet. Eine ECU kann einen Mikrocomputer aufweisen und eine solche Kontrolleinheit kann zur Ausführung einer komplexen Kontrollsequenz programmiert sein. Ein typisches motorgetriebenes Servolenkungssystem umfaßt einen Lenkmechanismus, einen operativ an den Lenkmechanismus gekoppelten Elektromotor zur Erzeugung der unterstützenden Lenkkraft, eine Energieversorgung zur Versorgung des Motors mit elektrischer Energie, einen mit der Energieversorgung verbundenen Motortreiber zum Antrieb des Motors und einen Regler zur Kontrolle oder Regelung des Motortreibers. Der Regler umfaßt einen Mikrocomputer und mehrere Sensoren, die mit dem Mikrocomputer verbunden sind. Die Sensoren detektieren Basisfaktoren wie beispielsweise ein Lenkdrehmoment, das an der Lenkwelle eines Automobiles wirkt, und führt elektrische Signale, welche den detektierten Basisfaktoren entsprechen, dem Mikrocomputer zu. Der Mikrocomputer verarbeitet die zugeführten elektrischen Signale und gibt ein Steuersignal für den Motortreiber aus.

Es ist vorteilhaft, wenn der Elektromotor ein Gleichstrommotor ist und der Motortreiber zur Steuerung des durch den Gleichstrommotor fließenden Stroms durch einen Zerhacker bzw. Chopper, insbesondere ein Impulsbreitenmodulationssystem bzw. PWM-System gesteuert wird. Das PWM-System kann das durch den Motor erzeugte Drehmoment in einem weiten Bereich steuern, da der Motor in sehr kurzen Perioden ein- und ausgeschaltet wird. Bei der Gleichstrommotorsteuerung sind verschiedene Motortreiber vorgeschlagen und zu Zwecken der Änderung der Drehrichtung des Motors und zum Kontrollieren des Motordrehmoments durch PWM-Systeme weit verbreitet verwendet worden. Diesen Zwecken kann gut durch einen Motortreiber in Form eines Brückenschaltkreises gedient werden, der in Bezug auf eine Ausführungsform und Alternativen der vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Ein derartiger Motortreiber hat vier Anschlüsse, die an den vier Ecken eines rechtwinkligen Netzwerks eines Blockschaltbildes angeordnet sind, wobei ein Element oder mehrere Elemente mit benachbarten Anschlüssen verbunden sind. Die paarweisen Anschlüsse auf einer Diagonallinie sind mit der Energieversorgung verbunden, wohingegen die paarweisen Anschlüsse auf der anderen Diagonallinie mit dem Motor verbunden sind. Das oder die Elemente zwischen benachbarten Anschlüssen kann bzw. können eine Kombination aus einer Diode und einem Schalter sein, die zueinander parallel geschaltet sind, oder kann bzw. können ein Schaltelement mit einer eingebauten Diode sein. Die Kombination aus Diode und Schalter sind elektrisch äquivalent zueinander. Der Motortreiber steuert den PWM-getriebenen Motor so, daß er in kurzen Perioden durch Schaltelemente wiederholt mit der Energieversorgung verbunden und von dieser getrennt wird. Eine solche Trennung bzw. Unterbrechung zwischen dem Motor und der Energieversorgung induziert einen beträchtlichen Strom in dem Motor. Die Dioden in der Motortreiberbrücke bilden eine Schleife, durch die der induzierte Strom fließen kann, wodurch die entgegengesetzten Anschlüsse des Motors im wesentlichen kurzgeschlossen werden. Die Schleife wird im folgenden als eine "zeitweilige Kurzschlußschleife" bezeichnet.

Der Motortreiber nach der obigen Anordnung hat als ein Motortreiber für ein motorgetriebenes Servolenkungssystem gewünschte Eigenschaften. Er hat jedoch einen Nachteil. Da der Motortreiber während seines normalen Betriebs laufend eine zeitweilige Kurzschlußschleife bildet, bleibt die "zeitweilige" Kurzschlußschleife gegenwärtig, wenn der Motortreiber ausfällt, und folglich tendiert eine geschlossene Schleife, welche einen Kurzschluß zwischen den Eingangsanschlüssen des Motors erzeugt, dazu, kontinuierlich und nicht temporär bzw. zeitweilig ausgebildet zu werden.

Lenkungssysteme mit unterstützenden Energiequellen bzw. Hilfsenergiequellen sind auf dem Prinzip eines Ausfallsicherungskonzepts konstruiert, so daß die Lenkungssysteme ohne Hilfskraft manuell betätigt werden können, wenn die unterstützenden Energiequellen bzw. Hilfskraftquellen nicht richtig arbeiten. Wenn ein Servolenkungssystem mit einem Elektromotor bei einem Ausfall einer Energiequelle manuell betätigt wird, wird die Abtriebsquelle des Motors durch die Lenkanstrengung des Kraftfahrzeugfahrers durch einen an die Motorabtriebswelle gekuppelten Kraftübertragungsmechanismus gedreht, so daß der Motor als ein Generator arbeitet. Wenn zu diesem Zeitpunkt die "kontinuierliche" kurzschließende Schleife ausgebildet wird, kann ein Strom durch die kurzschließende Schleife fließen. Deshalb wirkt der Motor als eine elektromagnetische Bremse und es ist einiges Drehmoment zum Drehen des Motors erforderlich. Dies hat zur Folge, daß einige zusätzliche Lenkanstrengung zur manuellen Betätigung des Lenkmechanismus notwendig ist.

Im Hinblick auf die vorstehenden Probleme der herkömmlichen motorgetriebenen Servolenkungssysteme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein motorgetriebenes Servolenkungssystem mit einem Elektromotor zur Erzeugung unterstützender Lenkkraft, einer Motortreibereinrichtung zum Antreiben des Motors und einer Kontrolleinrichtung zur Kontrolle der Motortreibereinrichtung anzugeben, das eine Anordnung zum effektiven Verhindern der Bildung einer geschlossenen Schleife aufweist, welche einen Kurzschluß zwischen den Eingangsanschlüssen des Motors erzeugen würde, wenn das Lenkungssystem manuell betätigt würde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Servolenkungssystem einen Lenkmechanismus, einen operativ an den Lenkmechanismus gekuppelten Elektromotor zur Erzeugung unterstützender Lenkkraft, eine Energiequelle zur Erregung des Motors, eine mit der Energiequelle verbundene Motortreibereinrichtung zum Antrieb des Motors und eine Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren der Motortreibereinrichtung. Das Servolenkungssystem umfaßt des weiteren eine Schalteinrichtung zum selektiven elektrischen Verbinden und Trennen bzw. Unterbrechen der Motortreibereinrichtung und des Motors.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Motortreibereinrichtung einen Brückenschaltkreis, der zwei Eingangsanschlüsse, zwei Ausgangsanschlüsse und vier Brückenzweige aufweist, die zwischen die Anschlüsse geschaltet sind. Jeder der Brückenzweige weist entweder eine Kombination aus einem durch die Kontrolleinrichtung kontrollierenden schaltenden Element und einer parallel zu dem schaltenden Element geschalteten Diode oder ein zu einer solchen Kombination äquivalentes Element auf.

Die obigen und weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Lenkmechanismus in einem motorgetriebenen Servolenkungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Kontrollsystems in dem in Fig. 1 gezeigten motorgetriebenen Servolenkungssystem, wobei das Kontrollsystem eine elektronische Kontrolleinheit, einen Motortreiber und zugeordnete Elemente aufweist;

Fig. 3 einen Schaltkreis eines Äquivalents zu einem Feldeffekttransistor des Motortreibers nach Fig. 2;

Fig. 4(a) einen äquivalenten Schaltkreis eines Brückenschaltkreises in dem Motortreiber nach Fig. 2;

Fig. 4(b) bis 4(e) Schaltkreise, welche die Betriebsweise des in der Fig. 4(a) dargestellten Brückenschaltkreises erklären;

Fig. 5(a) bis 5(f) Flußdiagramme für den Betrieb einer Mikrocomputereinheit in dem in Fig. 2 gezeigten Kontrollsystem;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Ausgangscharakteristiken eines Lenkdrehmomentsensors in dem Kontrollsystem nach Fig. 2 zeigt;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Ausgangscharakteristiken eines Lenkgeschwindigkeitssensors in dem Kontrollsystem nach Fig. 2 zeigt;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen einem erfaßten Lenkdrehmoment und einem Drehmoment basierenden Faktor für Tastverhältnisse darstellt, die in dem Kontrollsystem nach Fig. 2 aufgenommen sind;

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen einer erfaßten Lenkgeschwindigkeit und einem geschwindigkeits-basierenden Faktor für Tastverhältnisse darstellt, die in dem Kontrollsystem nach Fig. 2 aufgenommen sind;

Fig. 10 einen Schaltkreis einer Alternative zu dem Brückenschaltkreis in dem in Fig. 2 dargestellten Kontrollsystem;

Fig. 11(a) einen Schaltkreis einer anderen Alternative zu dem Brückenschaltkreis in dem in Fig. 2 dargestellten Kontrollsystem; und

Fig. 11(b) bis 11(d) Schaltkreise, welche die Betriebsweise des in Fig. 11(a) gezeigten Motortreibers erklären.

Nach Fig. 1 enthält ein motorgetriebenes Servolenksystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Lenkmechanismus 18 vom Zahnstangen- und -zahnradtyp mit einem Gehäuse 20, das an einem Automobilkörper befestigt ist und das eine axial verschiebbare Zahnstange 22 aufnimmt. Die entgegengesetzten Enden der Zahnstange 22 sind so ausgebildet, daß sie durch nicht dargestellte Spurstangen an nicht dargestellte Lenk- bzw. Achsschenkel lenk- oder dirigierbarer Straßenräder gekuppelt sind. Ein im wesentlichen zylindrisches Zahnradgehäuse 24, welches um seine eigene Achse drehbar ist, ist an seinen entgegengesetzten Enden in dem Gehäuse 20 mittels Lager 26, 28 gelagert. In dem Zahnradgehäuse 24 ist ein im wesentlichen zylindrisches Loch 24 a definiert, dessen Achse sich parallel zu und etwas im Abstand von der Drehachse des Zahnradgehäuses 24 erstreckt. Folglich ist die Achse des Loches 24 a exzentrisch zur Drehachse des Zahnradgehäuses 24 gehalten. Der Lenkmechanismus 18 weist eine Antriebswelle 30 mit einem Ritzel bzw. kleinen Zahnrad 30 a an ihrem unteren Ende auf, das in dem exzentrischen Loch 24 a des Zahnradgehäuses 24 angeordnet ist. Die Antriebswelle 30 ist in dem Zahnradgehäuse 24 mittels Lager 31, 32 in axialer Ausrichtung zum exzentrischen Loch 24 a drehbar gelagert. Das obere Ende der Antriebswelle 30 ist durch einen geeigneten Kuppler mit einer Lenkwelle 33 verbunden, wobei ein Lenkrad 34 an der Lenkwelle 33 fixiert ist. Die Lenkwelle 33 und das Lenkrad 34 sind generelle Teile und in der Fig. 1 schematisch gezeigt. Das drehbare Zahnradgehäuse 24 kann um ihre eigene Achse in jeder Richtung aus ihrer neutralen Winkelposition winkelmäßig bewegt werden, wenn der Lenkmechanismus betätigt wird. Das Zahnradgehäuse 24 weist auf seiner der Zahnstange 22 zugekehrten Seite eine nicht dargestellte Öffnung auf, und ein Ritzel bzw. kleines Zahnrad 30 a der Antriebswelle 30 kämmt mit den nicht dargestellten Zähnen der Zahnstange 22 durch die Öffnung des Zahnradgehäuses 24. Das Zahnradgehäuse 24 hat an seinem unteren Ende auch einen abwärts ragenden Bolzen 36, der in Bezug auf die Drehachse des Zahnradgehäuses 24 exzentrisch angeordnet ist. An dem Gehäuse 20 ist in der Nähe des unteren Endes des Zahnradgehäuses 24 ein Zylinder 38 befestigt, in dem ein verschiebbares kleines Zahnrad bzw. ein verschiebbarer Kolben 40 aufgenommen ist, das bzw. der eine in axialer Richtung des Zylinders 38 sich erstreckende Stange 40 a aufweist. Gegen die entgegengesetzten Enden des Kolbens 40 sind Federn 42, 44 gehalten, um den Kolben 40 normalerweise in seiner neutralen Position zu halten. Der Kolben 40 weist eine Nut 40 b auf, die in seinem zentralen Abschnitt definiert ist, und der Bolzen 36 an dem unteren Ende des Zahnradgehäuses 24 erstreckt sich durch eine in dem Zylinder 38 definierte Öffnung 38 a in die Nut 40 b des Kolbens 40.

Wenn keine manuelle Lenkanstrengung auf das Lenkrad 34 und folglich auf die Lenkwelle 30 ausgeübt wird, ist der Kolben 40 unter der Vorspannung der Federn 42, 44 in der neutralen Position angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt ist das Zahnradgehäuse 24 durch den Eingriff des exzentrischen Bolzens 46 in die Nut 40 b in seiner neutralen Winkelposition gehalten. Wenn sich das Zahnradgehäuse 24 in seiner neutralen Winkelposition befindet, ist die Achse der Antriebswelle 30 auf einer Seite der Drehachse des Zahnradgehäuses 24 angeordnet, die von der Zahnstange 22 entfernt ist. Wenn auf die Antriebswelle 30 eine Lenkanstrengung ausgeübt wird, wird von dem Zahnrad 30 a eine Kraft auf die Zahnstange 22 ausgeübt und gleichzeitig wird eine reaktive Kraft von der Zahnstange auf das Zahnrad 30 a ausgeübt. Da die Achse der Eingabe- bzw. Antriebswelle 30 in Bezug auf das Zahnradgehäuse 24 exzentrisch ist, wirkt die reaktive Kraft auf das Zahnradgehäuse 24 als ein Drehmoment, welches das Zahnradgehäuse 24 drehen will. Die Drehung des Zahnradgehäuses 24 bewirkt, daß sich das kleine Zahnrad bzw. der Kolben 40 aus seiner neutralen Position bewegt und folglich die Federn 42, 44 eine Kraft zum Rückstellen des Kolbens 40 in seine neutrale Position erzeugen können. Die durch die Federn 42, 44 erzeugte Rückstellkraft wirkt auf den exzentrischen Bolzen 36 als ein Drehmoment zum Drehen des Zahnradgehäuses 24. Die Drehung des Zahnradgehäuses 24 bewirkt, daß sich der Kolben 40 aus seiner neutralen Position bewegt und folglich die Federn 42, 44 eine Kraft zum Rückstellen des Kolbens 40 in seine neutrale Position erzeugen können. Die durch die Federn 42, 44 erzeugte Rückstellkraft wirkt auf den exzentrischen Bolzen 36 als ein Drehmoment zum Drehen des Zahnradgehäuses 24. Das durch die Antriebswelle 30 ausgeübte Drehmoment und das durch den Kolben 40 ausgeübte Drehmoment wirken in entgegengesetzten Richtungen. Das Zahnradgehäuse 24 ist winkelmäßig so angeordnet, daß es diese Drehmomente in einen Gleichgewichtszustand setzt. Deshalb ist die Größe der Verschiebung des Kolbens 40 aus seiner neutralen Position durch die Größe des Lenkdrehmomentes bestimmt, das auf die Antriebswelle 30 ausgeübt wird. Ein Differentialübertrager bzw. -umwandler 42 zum Umwandeln der Größe der Verschiebung des Kolbens 40 in ein entsprechendes elektrisches Signal ist an einem Ende des Zylinders 38 befestigt. Der Differentialumwandler 42 und die obige Konstruktion dienen zusammen als ein Lenkdrehmomentsensor, der in der Fig. 2 als ein Block 68 gezeigt ist.

Der Differentialumwandler 42 hat ein Gehäuse, das mit dem Zylinder 38 ein Stück bildet, und eine Primärwicklung 42 a sowie ein Paar Sekundärwicklungen 42 b, 42 c, die in dem Gehäuse konzentrisch zu dem Zylinder 38 angeordnet sind. Der Differentialumwandler 42 enthält auch einen beweglichen Kern 42 d aus einem ferromagnetischen Material, das an einer Stange 40 a des Kolbens 40 fixiert ist. Der Kern 42 d ist in Bezug auf die Wicklungen in Abhängigkeit von einer axialen Bewegung des Kolbens 40 beweglich. Die Primärwicklung 42 a wird aus einer elektronischen Kontrolleinheit 44 eines Kontrollsystems, die im folgenden als "ECU" bezeichnet wird, mit einem Wechselstrom konstanter Amplitude versorgt. Die Sekundärwicklungen 42 b, 42 c erzeugen als Spannungssignale St 1, St 2 Spannungen mit Pegeln bzw. Amplituden, die der Position des beweglichen Kerns 42 d, d. h. dem auf die Antriebswelle 30 ausgeübten Lenkdrehmoment entsprechen. Die Sekundärwicklungen 42 b, 42 c haben die gleichen Charakteristiken und die Spannungspegel ihrer Ausgangssignale St 1, St 2 variieren in einem normalen Betriebsbereich und wie es in Fig. 6 gezeigt ist linear, wenn das Lenkdrehmoment variiert. Die Ausgangssignale St 1, St 2 sind zueinander spiegelbildlich, d. h. symmetrisch in Bezug auf die Achse der Ausgangsspannung, so wie es in der Fig. 6 gezeigt ist. Diese Ausgangsspannungen werden der ECU 44 zugeführt, in welcher die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen als ein Wert T berechnet wird, der das Drehmoment anzeigt, das auf die Lenkwelle 33 ausgeübt wird. Der Drehmoment anzeigende Wert T ist ebenfalls in Fig. 6 gezeigt.

Das Servolenksystem umfaßt einen Lenkgeschwindigkeitssensor, der in der Fig. 2 als ein Block 70 gezeigt ist und welcher mit der Antriebswelle 30 verbunden oder ihr zugeordnet ist, um die Richtung und Größe der Rotation der Antriebswelle 30 und folglich des an die Antriebswelle 30 gekuppelten Lenkrades 34 zu detektieren. Der Lenkgeschwindigkeitssensor 70 umfaßt eine nicht dargestellte Sensoreinheit, die an dem Gehäuse 20 des Lenkmechanismus 18 befestigt und operativ an die Antriebswelle 30 durch eine auf die Antriebswelle 30 aufgekeilte Riemenscheibe 45 und einen Riemen 46 gekuppelt ist, der um die Riemenscheibe 45 gezogen ist. Die Lenksensoreinheit kann ein beliebiger, von verschiedenen allgemeinen Geschwindigkeitserfassungsmechanismen sein, beispielsweise ein Gleichstromgenerator zur Erzeugung einer Spannung mit einem Pegel, welcher der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle entspricht. Da ein Fachmann einen dieser allgemeinen Geschwindigkeitserfassungsmechanismen als die Lenksensoreinheit auswählen kann, wird die Konstruktion des Lenkgeschwindigkeitssensors nicht detailliert beschrieben. Die Lenksensoreinheit der dargestellten Ausführungsform erzeugt ein Paar Spannungssignale Ss 1, Ss 2 mit Pegeln, die in einem entgegengesetzte Richtungen der Drehung abdeckenden Drehgeschwindigkeitsbereich und wie es in der Fig. 7 gezeigt ist, im wesentlichen linear variieren, wenn die Lenkgeschwindigkeit variiert. Die Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 sind zueinander spiegelbildlich, d. h. in Bezug auf die Achse der Ausgangsspannung symmetrisch, so wie es in der Fig. 7 gezeigt ist. Diese Ausgangsspannungen werden der ECU 44 zugeführt, in welcher die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen als ein Wert N berechnet wird, der die Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle 33 anzeigt. Der geschwindigkeits-anzeigende Wert N ist ebenfalls in der Fig. 7 gezeigt.

Nach Fig. 1 weist der Lenkmechanismus 18 auch einen Elektromotor 48 zur Erzeugung einer Hilfskraft und einen Übertragungsmechanismus 50 zur Übertragung der Kraft auf den Motor 48 auf die Zahnstange 22 auf. Der Motor 48 ist an dem Gehäuse 20 befestigt und weist eine Abtriebswelle auf, auf welcher eine Riemenscheibe 51 befestigt ist. Der Motor 48 wird durch die ECU 44 kontrolliert, wie es später beschrieben wird. Der Übertragungsmechanismus 50 weist eine rezirkulierende bzw. umlaufende Kugelanordnung auf, die mit der Zahnstange 22 kombiniert ist. Die umlaufende Kugelanordnung weist eine Mutterkonstruktion 52 mit einer Kugelmutter 52 a auf. Die Mutterkonstruktion 52 ist um die Zahnstange 22 herum angeordnet und in dem Gehäuse 20 mittels Lagern 54, 56 drehbar gelagert. In der äußeren Umfangsfläche der Zahnstange 22 ist eine spiral- bzw. schraubenförmige Nut 22 a definiert, in der umlaufende Kugeln 57 aufgenommen sind, auf welchen die Kugelmutter 52 a läuft. Wenn die Mutterkonstruktion 52 gedreht wird, wird die Zahnstange 22 axial bewegt, während die umlaufenden Kugeln 57 durch die Kugelmutter 52 a geführt werden, um in der Kugelmutter 52 a umzulaufen. Die Mutterkonstruktion 52 hat an ihrer äußeren Umfangsfläche eine Riemenscheibe 52 b. Um die Riemenscheibe 52 b und die Riemenscheibe 52 an der Antriebswelle des Motors 58 ist ein Transmissionsriemen 58 gezogen. Der Riemen- und Riemenscheibenmechanismus und die umlaufende Kugelanordnung dienen zur Übertragung der Kraft des Motors 48 auf die Zahnstange 22, wobei die Drehgeschwindigkeit reduziert wird.

Das Kontrollsystem des Servolenksystems wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Das Kontrollsystem umfaßt die ECU 44, die eine Mikrocomputereinheit 60 enthält, die im folgenden mit "MCU" bezeichnet wird. Verschiedene konventionelle Mikrocomputer finden jetzt breite Anwendung und sind kommerziell erhältlich, und folglich kann der Fachmann einen solchen bekannten Mikrocomputer auswählen, der basierend auf der hier gegebenen Offenbarung für die Operation oder den Betrieb der Erfindung geeignet ist. Die Operation der MCU 60 wird später beschrieben. Die ECU 44 umfaßt auch ein erstes Interface bzw. eine erste Schnittstelle 72, die auf die Ausgangssignale St 1, St 2 aus dem Lenkdrehmomentsensor 68 zur Ausgabe analoger elektrischer Signale anspricht, welche die vorliegenden Spannungspegel der Ausgangssignale St 1, St 2 anzeigen, sowie ein zweites Interface bzw. eine zweite Schnittstelle 74, die auf die Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 aus dem Lenkgeschwindigkeitssensor 70 zur Ausgabe analoger elektrischer Signale anspricht, welche die vorliegenden Spannungspegel der Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 anzeigen. Die analogen elektrischen Signale auf den Schnittstellen 72, 74 werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wie die Ausgangssignale aus den Sensoren 68, 70. Die Analogsignale aus den Schnittstellen 72, 74 werden einem Analog/Digital-Wandler 76, der im folgenden mit "A/D-Wandler" bezeichnet wird, zugeführt, der die zugeführten analogen Signale in digitale Signale umwandelt.

Diese digitalen Signale werden ebenfalls mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wie die Analogsignale. Die MCU 60 kontrolliert die erste und zweite Schnittstelle 72, 74 und den A/D-Wandler 76, um die digitalen Signale St 1, St 2, Ss 1 und Ss 2 aus dem A/D-Wandler 76 auszulesen, und versorgt die Primärwicklung des Lenkdrehmomentsensors 68 mit einem Wechselstrom.

Das Kontrollsystem umfaßt einen Motortreiber 78 zum Antreiben des Motors 48, wobei der Motortreiber 78 einen Brückenschaltkreis 80 aufweist, der vier Feldeffekttransistoren Q 1, Q 2, Q 3 Q 4 und einen Feldeffekttransistor bzw. FET-Treiber 82 zum Antrieb der Feldeffekttransistoren bzw. FETs enthält. In jedem FET ist eine Diode integriert, durch die ein Strom von ihrem Sourceanschluß zu ihrem Drainanschluß fließen kann. Deshalb ist jeder FET einer in Fig. 3 gezeigten Kombination aus einem normalen FET und einer Diode äquivalent, deren Anode mit dem Sourceanschluß und deren Kathode mit dem Drainanschluß verbunden ist. Der Brückenschaltkreis 80 hat einen Eingangsanschluß 84 a und einen Ausgangsanschluß 84 b. Der Eingangsanschluß 84 a ist über einen ersten Relaisschaltkreis 92 und andere Schaltkreise mit dem nicht-geerdeten Anschluß einer Energiequelle 90 verbunden, wohingegen der Ausgangsanschluß 84 b, geerdet ist. Der Brückenschaltkreis 80 hat auch zwei andere Ausgangsanschlüsse 85 a und 85 b. Der Ausgangsanschluß 85 a ist über einen zweiten Relaisschaltkreis 94 mit einem Eingangsanschluß des Motors 48 verbunden und der Ausgangsanschluß 85 b ist direkt mit dem anderen Eingangsanschluß des Motors 48 verbunden. Der FET Q 1 hat einen mit dem Eingangsanschluß 84 a verbundenen Drainanschluß und einen mit dem Ausgangsanschluß 85 a verbundenen Sourceanschluß. Der FET Q 2 hat einen mit dem Eingangsanschluß 84 a verbundenen Drainanschluß und einen mit dem Ausgangsanschluß 85 b verbundenen Sourceanschluß. Der FET Q 3 hat einen mit dem Ausgangsanschluß 85 a verbundenen Drainanschluß und einen mit dem Ausgangsanschluß 84 b verbundenen Sourceanschluß. Der FET Q 4 hat einen mit dem Ausgangsanschluß 85 b verbundenen Drainanschluß und einen mit dem Ausgangsanschluß 84 b verbundenen Sourceanschluß. Die Gate- bzw. Toranschlüsse dieser FETs Q 1 bis Q 4 sind jeweils mit Ausgangsanschlüssen a 1 bis a 4 des FET-Treibers 82 verbunden. Dem FET-Treiber 82 werden aus der MCU 60 mit Treiberkontrollsignale CS 1, CS 2 zugeführt zum Kontrollieren der FETs Q 1 bis Q 4 durch ein Impulsbreitenmodulationssystem bzw. PWM-System zur Steuerung des Motors 48. Der zweite Relaisschaltkreis 94 verbindet oder trennt unter der Kontrolle der MCU 60 den Brückenschaltkreis 80 und den Motor 48 wahlweise elektrisch. Ein Stromdetektor 96 ist über den zweiten Relaisschaltkreis 94 geschaltet und gibt ein analoges elektrisches Signal Sim aus, welches dem Spannungswert eines Impulsstromes entspricht, der durch den zweiten Relaisschaltkreis 94 und folglich den Motor 48 fließt. Das Analogsignal Sim wird zum A/D-Wandler 76 zurückgeführt. Der A/D-Wandler 76 wandelt das Analogsignal Sim in ein digitales Signal um, das dann von der MCU 60 gelesen wird. Der Stromdetektor 96 selbst hat eine beträchtlich hohe Impedanz, welche die Funktion des zweiten Relaisschaltkreises 94 nicht beeinflußt.

Dem Kontrollsystem 44 wird elektrische Energie aus der Energiequelle 90 zugeführt, die eine Kraftfahrzeug-montierte Batterie ist. Die Energiequelle 90 hat einen geerdeten negativen Anschluß und einen positiven Anschluß, der durch eine gemeinsame Sicherung 91 und einen Kraftfahrzeug-Schloßschalter 98 mit einem Ende einer Servolenksystemsicherung 100 in dem Kontrollsystem verbunden ist. Das andere Ende der Sicherung 100 ist durch den ersten Relaisschaltkreis 92 mit dem Eingangsanschluß 84 a des Brückenschaltkreises 80 verbunden. Der erste Relaisschaltkreis 92 wird durch die MCU 60 so kontrolliert, daß er die Sicherung 100 und den Motortreiber 78 wahlweise elektrisch verbindet oder trennt. An die Sicherung 100 ist eine konstantspannungs-geregelte Energieversorgung 102 geschaltet, welche elektrische Energie verschiedenen Elementen in dem Kontrollsystem, beispielsweise der MCU 60 und dem FET-Treiber 82 zuführt, die eine regulierte Konstantspannung benötigen.

Die Funktion des Brückenschaltkreises 80 in dem Motortreiber 78 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4(a) bis 4(d) beschrieben. Der Brückenschaltkreis 80 ist in den Fig. 4(a) bis 4(d) zum besseren Verständnis als ein Äquivalentschaltkreis gezeigt. Die Kombination aus einem FET Q ′1 und einer Diode D 1 entspricht dem FET Q 1, und die anderen FETs Q 2 bis Q 4 sind ebenfalls als durch solche Kombinationen ersetzt dargestellt. Der erste und zweite Relaisschaltkreis 92 bzw. 94 sind in den Fig. 4(b) bis 4(e) weggelassen. Wie oben beschrieben, sind die FETs durch den FET-Treiber 82 PWM- kontrolliert. Um den Motor 48 in einer ersten Richtung zu drehen, werden die FETs Q ′1 und Q ′4 PWM-kontrolliert, während die FETs Q ′2 und Q ′3 unerregt bleiben, wobei ihre Source- und Drainanschlüsse getrennt sind. Wenn der Motor 48 in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung gedreht wird, werden die FETs Q ′2 und Q ′4 PWM-kontrolliert, während die FETs Q ′1 und Q ′4 unerregt bleiben.

Die PWM-Kontrolle zur Drehung des Motors 48 in der ersten Richtung wird unten detailliert beschrieben. Aus den Anschlüssen a 1, a 4 des FET-Treibers 82 werden Impulszüge ausgegeben. Die Intervalle oder Impulsperioden zwischen den Vorderflanken der Impulse eines der Impulszüge sind konstant, und die Vorderflanken von Impulsen eines Impulszugs sind synchron mit den Vorderflanken von Impulsen des anderen Impulszuges. Die Impulsdauer variiert in einem Bereich von "0" bis "1", und der Wert der Impulsdauer stellt ein Verhältnis in Bezug auf die Impulsperiode dar. Ein FET, dem ein Impuls mit einer Impulsdauer "1" zugeführt ist, ist andauernd erregt, und ein FET, dem ein Impuls zugeführt ist, der eine Impulsdauer von "0" hat, ist andauernd unerregt. Ein FET, dem ein Impuls mit einer Impulsdauer zugeführt ist, die größer als "0" und kleiner als "1" ist, wird mit der Impulsfrequenz wiederholt ein- und ausgeschaltet.

Die FETs Q ′1 und Q ′4 unter PWM-Kontrolle können sich in einem der vier folgenden Zustände befinden: 1) Der FET Q ′1 ist eingeschaltet und der FET Q ′4 ist eingeschaltet; 2) der FET Q ′1 ist eingeschaltet und der FET Q ′4 ist ausgeschaltet; 3) der FET Q ′1 ist ausgeschaltet und der FET Q ′4 ist eingeschaltet; und 4) der FET Q ′1 ist ausgeschaltet und der FET Q ′4 ist ausgeschaltet. In dem Zustand 1) fließt von der Energiequelle 90 ein Strom durch einen die FETs Q ′1 und Q ′4 enthaltenden und in der Fig. 4(b) gezeigten Weg zum Motor 48. Der Zustand 2) stellt sich unter der PWM-Kontrolle unmittelbar nach dem Zustand 1) ein. In dem Zustand 2) erzeugt nach dem Unterbrechen des Stroms aus der Energiequelle 90 zum Motor 48 dieser Motor 48 einen in Fig. 4(c) gezeigten induzierten Strom Ii, der durch eine Schleife mit niedriger Impedanz fließt, welche die Diode D 2 und den FET Q ′1 enthält. In dem Zustand 3) fließt ähnlich wie in dem Zustand 2) ein induzierter Strom durch eine geschlossene Schleife, welche die Diode D 3 und den FET Q ′4 enthält. Der Zustand 4) kann unmittelbar nach dem Zustand 1), 2) oder 3) eintreten. Ein durch den Motor 48 erzeugter induzierter Strom Ii fließt in der in Fig. 4(e) gezeigten Richtung, um die Energiequelle 90 durch einen die Dioden D 2, D 3 enthaltenen Weg zu laden. Wenn die FETs Q ′2, Q ′3 während ihrer PWM-Kontrolle ausgeschaltet werden, lädt der induzierte Strom des Motors die Energiequelle durch einen die Dioden D 1, D 4 enthaltenden Weg.

Der FET-Treiber 82 bestimmt eine Impulsdauer auf der Basis von Kontrollsignalen aus der MCU 60. Die Art und Weise, in welcher die MCU 60 Kontrollsignale erzeugt, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 5(a) bis 5(f) und 8 bis 10 beschrieben. Wie oben beschrieben, wird ein FET kontinuierlich erregt, wenn ihm ein Impulszug zugeführt wird, der aus Impulsen mit einer Impulsdauer von "1" zusammengesetzt ist. Das durch den Motor erzeugte Drehmoment ist im wesentlichen porportional zur Impulsdauer, welche dem Tastverhältnis des Motortreibers entspricht. Das Tastverhältnis wird in der folgenden Beschreibung als für die Impulsdauer repräsentativ betrachtet.

Wenn der Kraftfahrzeugschloßschalter 93 geschlossen ist, wird das Servolenkungssystem zum Einschalten der MCU 60 und zum Löschen eines darin enthaltenen Speichers mit wahlfreiem Zugriff mit elektrischer Energie versorgt (Schritt P 0 in Fig. 5[a].) Dann wird zum Zeitpunkt des Startens des Kontrollsystems eine Stördiagnose ausgeführt (Schritt P 1). Bei dieser Stördiagnose werden in die CPU bzw. MCU 60 über den A/D-Wandler 76 Ausgangssignale aus dem Lenkdrehmomentsensor 68, dem Lenkgeschwindigkeitssensor 70 und dem Stromdetektor 68 eingegeben und in Subroutinen geprüft. Die Eingabe und Prüfung dieser Signale wird auch in dem darauffolgenden Prozeß bewirkt und wird später detailliert beschrieben. Wenn als ein Ergebnis der Signalprüfung keine Störung gefunden wird, wird ein Kontrollsignal Crly für den ersten und zweiten Relaisschaltkreis 92 und 94 auf "1" gesetzt und dann den Relaisschaltkreisen zugeführt (Schritt P 2). Das Kontrollsignal Crly kann einen Wert "0" oder "1" annehmen. Wenn es den Wert "1" annimmt, verbindet der erste Relaisschaltkreis 92 den Brückenschaltkreis 80 des Motortreibers 78 und die Sicherung 100 elektrisch, um dadurch dem Brückenschaltkreis 80 elektrische Energie zuzuführen, und der zweite Relaisschaltkreis 94 verbindet den Brückenschaltkreis 80 und den Motor 48 elektrisch, um den Motor 48 für den Antrieb bereit zu machen. Wenn es den Wert "0" annimmt, trennt der erste Relaisschaltkreis 92 den Brückenschaltkreis 80 elektrisch von der Energiequelle, und der zweite Relaisschaltkreis 94 trennt den Motor elektrisch von dem Brückenschaltkreis 80. Wenn bei der obigen Signalüberprüfung irgendeine Störung gefunden wird, stoppt die MCU 60 ihre Operation. In einem Schritt P 3 werden Ausgangssignale St 1, St 2 aus dem Lenkdrehmomentsensor 68 in die MCU 60 über den A/D-Wandler 76 eingegeben und in dem Speicher mit wahlfreiem Zugriff der MCU 60 gespeichert. Dann wird eine Sensorausgabeprüfsubroutine R 1 ausgeführt, um sicherzustellen, ob die Signale St 1, St 2 eine vorbestimmte Relation einhalten. Die Subroutine R 1 wird später beschrieben. Wenn die Signale St 1, St 2 das vorgeschriebene Verhältnis treffen, geht die Verarbeitung zu einem Schritt P 6. Wenn nicht, schreitet die Verarbeitung zu einer Stopproutine R 3 fort, um die Hilfskraft zu stoppen, da der Lenkdrehmomentsensor 68 oder andere zugeordnete Elemente fehlerhaft funktionieren können. Die Stopproutine R 3 wird später beschrieben. Die Schritte P 5 bis P 9 rechnen Daten Tabs aus, die den absoluten Wert eines auf die Lenkwelle 33 ausgeübten Lenkdrehmoments anzeigen, und setzen oder rücksetzen ein Flaggensignal Fdir 1, welches die Richtung anzeigt, in welcher das Lenkdrehmoment ausgeübt wird. In dem Schritt P 5 werden die Daten Tabs gemäß der Gleichung

Tabs = St 1 - St 2 (1)

berechnet. Der beim Schritt P 5 erhaltene Wert von Tabs entspricht dem in Fig. 6 gezeigten Wert T und zeigt nicht notwendig dessen absoluten Wert an. Der Schritt P 6 stellt deshalb sicher, ob der Wert von Tabs negativ ist oder nicht. Wenn er negativ ist, wird das Vorzeichen des Wertes von Tabs beim Schritt P 8 geändert und das Flaggensignal Fdir 1 wird in dem Schritt P 9, auf den ein Schritt P 10 folgt, gesetzt. Bei dieser Ausführungsform wird das Flaggensignal Fdir 1 gesetzt, wenn der Kraftfahrzeugfahrer auf das Lenkrad 34 ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn ausübt. Wenn der Wert von Tabs nicht negativ ist, wird das Flaggensignal Fdir 1 im Schritt P 7 rückgesetzt und die Verarbeitung geht zum Schritt P 10 weiter. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schritt P 7 oder P 8 ausgeführt wird, stellt Tabs den absoluten Wert des Lenkdrehmoments dar. In dem Schritt P 10 werden Daten Dtrq.f, die eine Funktion der Daten Tabs sind, aus einer ersten Datentabelle in einem Nur-Lese-Speicher der MCU 60 ausgelesen, wobei die Daten Tabs als eine Adresse benutzt werden oder die Daten Tabs als ein Verschiebewert aus einer gewissen Segmentbasis benutzt werden. Die Daten Dtrq.f dienen als ein Faktor zur Bestimmung von Tastverhältnissen für ein Kontrollsignal Cpsw, das von der MCU 60 an den FET-Treiber 82 auszugeben ist. Anders dargestellt sind die Daten Dtrq.f ein Drehmomentbasisfaktor für Tastverhältnisse. Ein gewisser Wert der Daten Dtrq.f in Bezug auf die Daten Tabs wird gemäß gewünschter Hilfskraftcharakteristiken vorgewählt und ein Beispiel ist in Fig. 8 dargestellt.

Dann werden, wie in Fig. 5(b) gezeigt, Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 aus dem Lenkgeschwindigkeitssensor 70 über den A/D-Wandler 76 in die MCU 60 eingegeben und in dem Speicher mit wahlfreiem Zugriff der MCU 60 gespeichert (Schritt P 11). Die Subroutine R 1 wird wieder ausgeführt, um zu prüfen, ob diese Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 ein vorbestimmtes Verhältnis einhalten. Wenn die Ausgangssignale Ss 1, Ss 2 ein vorgeschriebenes Verhältnis einhalten, berechnen die Schritte P 13 bis P 14 Daten Nabs, die den absoluten Wert der Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle 33 anzeigen, und setzen oder rücksetzen ein Flaggensignal Fdir 2, das die Richtung, in welcher die Lenkwelle 33 gedreht wird, anzeigt. In dem Schritt P 13 werden die Daten Nabs gemäß der Gleichung

Nabs = Ss 1 - Ss 2 (2)

berechnet. Der beim Schritt P 13 erhaltene Wert Nabs entspricht dem in Fig. 7 gezeigten Wert N und zeigt nicht notwendig dessen absoluten Wert an. Der Schritt P 14 stellt deshalb sicher, ob der Wert Nabs negativ ist oder nicht. Wenn er negativ ist, wird das Vorzeichen des Wertes Nabs in dem Schritt P 16 geändert und das Flaggensignal Fdir 12 wird in dem Schritt P 17 gesetzt, auf den ein Schritt P 18 folgt. Bei dieser Ausführungsform wird das Flaggensignal Fdir 12 gesetzt, wenn das Lenkrad 34 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Wenn der Wert von Nabs nicht negativ ist, wird das Flaggensignal Fdir 12 beim Schritt P 15 rückgesetzt und die Verarbeitung geht zum Schritt P 18. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schritt P 15 oder P 16 ausgeführt wird, stellt Nabs den absoluten Wert der Lenkgeschwindigkeit dar. In dem Schritt P 18 werden Daten Dspd.f, die eine Funktion der Daten Nabs sind, aus einer zweiten Datentabelle in den Nur-Lese-Speicher der MCU 60 ausgelesen, wobei die Daten Nabs als eine Adresse benutzt werden oder die Daten Nabs als ein Verschiebewert aus einer gewissen Segmentbasis benutzt werden. Die Daten Dspd.f dienen als ein Faktor zur Bestimmung von Tastverhältnissen für das Kontrollsignal Cpsw, das von der MCU 60 an den FET-Treiber 82 auszugeben ist. Anders dargestellt bilden die Daten Dtrq.f einen Geschwindigkeitsbasisfaktor der Tastverhältnisse. Ein gewisser Wert der Daten Dspd.f in Bezug auf die Daten Nabs wird zuerst im Hinblick auf die Geschwindigkeit-gegeninduzierte- Spannung-Kennlinie des Kraft unterstützenden Motors vorgewählt und variiert in den meisten Fällen im wesentlichen linear in Bezug auf die Daten Nabs, so wie es in der Fig. 9 dargestellt ist.

Insbesondere erzeugt generell ein Werkstrommotor eine induzierte Spannung, die im wesentlichen proportional zur Drehgeschwindigkeit des Motors ist. Wenn die Richtung, in welcher das Drehmoment durch den Motor erzeugt wird, und die Drehrichtung des Motors gleich sind, ist die Richtung, in welcher die induzierte Spannung erzeugt wird, zur Richtung, in welcher die Spannung aus der Energiequelle auf den Motor ausgeübt wird, entgegengesetzt, und die induzierte Spannung wirkt so, daß sie das erzeugte Drehmoment reduziert. Bei einem motorgetriebenen Servolenksystem sind bei der Rückkehr des Lenkmechanismus in seine neutrale Position die Richtung, in welcher das Drehmoment durch den Motor erzeugt wird und die Drehrichtung des Motors zueinander entgegengesetzt, und die Richtung, in welcher die induzierte Spannung erzeugt wird, ist die gleiche wie die Richtung, in welcher die Spannung aus der Energiequelle auf den Motor ausgeübt wird. Folglich wirkt die induzierte Spannung zur Erzeugung des erzeugten Drehmoments. Bei dem Servolenksystem der dargestellten Ausführungsform sind die Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors und die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades zueinander proportional und folglich variiert die Drehgeschwindigkeit des Motors proportional zur Lenkgeschwindigkeit. Das Hilfskraftdrehmoment sollte jedoch zur Erzielung eines guten Lenkgefühls nicht durch die Lenkgeschwindigkeit beeinflußt werden. Gemäß dem Servolenkungssystem nach der vorliegenden Erfindung kann dieses Erfordernis wie unten beschrieben durch die Änderung der Impulsdauer in einer kompensatorischen Weise unter Verwendung der Daten Dspd.f erfüllt werden.

Nach dem Schritt P 18 stellt ein Schritt P 19 (Fig. 5[c]) fest, ob die Flaggensignale Fdir 1 und Fdir 2 zueinander gleich sind oder nicht. Drauffolgende Schritte P 20 bis P 23 rechnen erste und zweite Tastverhältnisse Dduty 1, Dduty 2 für ein Paar zu steuernde bzw. kontrollierende FETs aus den Datenwörtern Dtrq.f und Dspd.f im Hinblick auf das Ergebnis des Schrittes P 19. Wenn die Flaggensignale Fdir 1 und Fdir 2 zueinander gleich sind, ist die Richtung, in welcher das Drehmoment durch den Kraftfahrzeugfahrer auf das Lenkrad 34 ausgeübt wird, gleich der Richtung, in welcher das Lenkrad 34 gedreht wird. Dies ist normalerweise der Fall, wenn das Lenkrad aus der neutralen Position gedreht wird oder von einer gewissen Winkelposition weitergedreht wird. In diesem Fall werden die Tastverhältnisse Dduty 1, Dduty 2 in den Schritten P 20, P 21 gemäß den Gleichungen

Dduty 1 = Dtrq.f + Dspd.f (3)
Dduty 2 = 1 (4)

berechnet. Wenn die Flaggensignale Fdir 1, Fdir 2 nicht zueinander gleich sind, wird das Lenkrad in Richtung der neutralen Position zurückgedreht. In diesem Fall werden die Tastverhältnisse Dduty 1, Dduty 2 in den Schritten P 22, P 23 gemäß den Gleichungen

Dduty 1 = Dtrq.f (5)
Dduty 2 = 1 - Dspd.f (6)

berechnet. Die MCU 60 versorgt den FET-Treiber 82 mit aus zwei Variablen R, L zusammengesetzten Richtungsdaten zur Anzeige der Richtung, in welcher ein unterstützendes Drehmoment bzw. Hilfsdrehmoment ausgeübt wird. Die Richtungsdaten (R, L) werden in den Schritten P 24 bis P 28 bestimmt. Der Schritt P 24 stellt fest, ob das erste Tastverhältnis Dduty 1 gleich "0" ist oder nicht. Wenn es "0" ist, werden die Variablen R, L im Schritt P 26 auf "0" rückgesetzt. Wenn das Tastverhältnis Dduty 1 nicht "0" ist, stellt der Schritt P 25 fest, ob das Flaggensignal Fdir 1 gleich "1" ist oder nicht. Wenn es "1" ist, wird in dem Schritt P 27 die Variable R auf "0" rückgesetzt und die Variable L wird auf "1" gesetzt. Wenn es nicht "1" ist, wird in einem Schritt P 28 die Variable R auf "1" gesetzt und die Variable L wird auf "0" rückgesetzt. Nachdem die Richtungsdaten (R, L) bestimmt worden sind, wird in einem Schritt P 29 ein die Richtungsdaten anzeigendes Richtungskontrollsignal Cdir an den FET-Treiber 82 gegeben, und in einem Schritt P 30 wird auch an den FET- Treiber 82 ein für das erste Tastverhältnis Dduty 1 und das zweite Tastverhältnis Dduty 2 repräsentatives Impulsdauerkontrollsignal gegeben, welches das Kontrollsignal Cpsw ist. Der FET-Treiber 82 spricht auf diese Kontrollsignale Cdir, Cpsw zur Steuerung bzw. Kontrolle des Brückenschaltkreises 80 und folglich des Motors 48 an. Danach wird eine Motorstromprüfsubroutine R 2 zur Feststellung ausgeführt, ob die den absoluten Wert des Lenkdrehmoments anzeigenden Daten Tabs und der tatsächlich durch den Motor 48 fließende Strom ein vorgeschriebenes Verhältnis erfüllen. Die Subroutine R 2 wird später beschrieben. Wenn die Daten Tabs und der tatsächliche Motorstrom das vorgeschriebene Verhältnis erfüllen, geht die Verarbeitung zum Schritt P 3 (Fig. 5[a]), d. h. die Verarbeitung bzw. das Processing tritt in eine Schleife ein. Wenn die Daten Tabs und der tatsächliche Motorstrom das vorgeschriebene Verhältnis bzw. die vorgeschriebene Relation nicht erfüllen, können der Motor 48, der Motortreiber 78 oder andere zugeordnete Elemente fehlerhaft funktionieren und die Verarbeitung geht zu einer Stopproutine R 3, in welcher der kraftunterstützende Betrieb bzw. Hilfskraftbetrieb gestoppt und das Kontrollsystem abgeschaltet werden.

Die Subroutine Ra zum Prüfen der Sensorausgangssignale startet mit einem Schritt P 41 (Fig. 5[d]), um festzustellen, ob Sensorausgangssignale ausgeübt wurden unmittelbar bevor sie von dem Lenkdrehmomentsensor 68 oder dem Lenkgeschwindigkeitssensor 70 ausgegangen sind. Der Schritt P 41 kann durch Prüfen der Inhalte eines Programmregisters oder Prüfen eines geeigneten Flaggensignals ausgeführt werden, das gesetzt werden kann, wenn die Sensorausgangssignale unmittelbar davor ausgeübt wurden. Wenn die Sensorausgangssignale aus dem Lenkdrehmomentsensor 68 gekommen sind, werden die in dem Speicher mit wahlfreiem Zugriff gespeicherten Datenworte St 1, St 2 in Schritten P 42, P 43 in zugeordnete Variable A, B gesetzt. Wenn die Sensorausgangssignale aus dem Lenkgeschwindigkeitssensor 70 gekommen sind, werden die in dem Speicher mit wahlfreiem Zugriff gespeicherten Datenworte Ss 1, Ss 2 in den Schritten P 44, P 45 in die zugeordneten Variablen A, B gesetzt. Danach wird bei einem Schritt P 46 eine Variable d gemäß der Gleichung

d = (A + B)/2 (7)

berechnet. Wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, werden beim normalen Betrieb der Sensoren 68, 70 die Ausgangssignale St 1, St 2, Ss 1, Ss 2 so auf einen Ausgangspegel eingestellt, daß sie die Ungleichungen (8) und (9)

a < (St 1 + St 2)/2 < b (8)
a < (Ss 1 + Ss 2)/2 < b (9)

erfüllen, in denen a und b Konstanten sind.

Deshalb ist während des normalen Betriebs die Variable d im Bereich von a bis b. Die Werte der Konstanten a, b werden bzw. sind im Hinblick auf die Betriebsstabilität der zugeordneten Elemente des Lenkungssystems vorgewählt. Schritte P 47, P 48 stellen fest, ob die Variable d in den obigen Bereich fällt. Wenn sie in den Bereich fällt, kehrt die Verarbeitung von der Subroutine R 1 zur Hauptroutine zurück, und wenn sie nicht in den Bereich fällt, schreitet die Verarbeitung zur Stopproutine R 3.

Die Subroutine R 2 zum Prüfen des Motorstroms beginnt mit einem Schritt P 51 (Fig. 5[e]), in welchem das Ausgangssignal Sim aus dem Stromdetektor 96 über den A/D-Wandler 76 in die MCU 60 eingegeben wird. Das Signal Sim entspricht dem Mittelwert eines Impulsstromes, der durch den Motor 48 fließt. Das Impulsdauerkontrollsignal Cpsw wird durch die Ausübung einer Kompensation auf den Basisfaktor Dtrq.f der Lenkdrehmomentbasis gemäß dem Faktor Dspd.f der Lenkgeschwindigkeitsbasis erhalten. Der durch den Motor 48 fließende Strom wird tatsächlich unter dem Einfluß des Kontrollsignals Cpsw und der induzierten Spannung des Motors bestimmt. Der Einfluß der induzierten Spannung und der Kompensation gemäß dem Geschwindigkeitsbasisfaktor Dspd.f entsprechen einander und sind voneinander verschoben. Deshalb entspricht der tatsächliche Motorstrom dem Drehmomentbasisfaktor Dtrq.f. Darüber hinaus wird die Verstärkung des Stromdetektors 96 eingestellt, damit er den Drehmomentbasisfaktor Dtrq.f mit dem detektierten Stromsignal Sim vergleichen kann. Die Schritte P 52, P 53 stellen fest, ob die Differenz zwischen dem Signal Sim und dem Drehmomentbasisfaktor Dtrq.f kleiner als ein zulässiger Wert c ist. Wenn sie kleiner ist, kehrt die Verarbeitung zur Hauptroutine zurück, und wenn sie nicht kleiner ist, geht die Verarbeitung zur Stopproutine R 3. Der zulässige Bereich ist in der Fig. 8 als ein Bereich zwischen strichpunktierten Linien dargestellt.

Bei der in der Fig. 5(f) gezeigten Stopproutine R 3 werden die durch das Richtungskontrollsignal Cdir angezeigten Variablen R, L auf "0" rückgesetzt (Schritt P 61), die durch das Impulsdauerkontrollsignal Cpws repräsentierten Tastverhältnisse Dduty 1, Dduty 2 werden auf "0" rückgesetzt (Schritt P 62), und das Kontrollsignal Crly für den ersten und zweiten Relaisschaltkreis werden auf "0" rückgesetzt (Schritt P 63). Danach werden diese Kontrollsignale an den Motortreiber 78 und die Relaisschaltkreise 92, 94 zum Abschalten der elektrischen Energie zum Motor 48 gegeben (P 64). Es wird eine geeignete Störanzeige gegeben und die MCU 60 stoppt ihre Operation. Der Lenkmechanismus wird danach manuell betrieben.

Ein zu notierender Punkt bei der Verarbeitungsfolge zum Stoppen der Operation des Systems gemäß der Stopproutine R liegt darin, daß der zweite Relaisschaltkreis 94 auf das Kontrollsignal Crly zur vollständigen elektrischen Trennung des Motors 48 von dem Brückenschaltkreis 80 des Motortreibers 78 anspricht. Die Verarbeitung tritt in die Stopproutine R 3 ein, wenn die MCU 60 irgendein Phänomen erkennt, welches die Möglichkeit einer fehlerhaften Funktion oder einer Störung anzeigt. Wenn eine solche fehlerhafte Funktion oder eine Störung durch ein Durchbrechen irgendeines der FETs Q 1 bis Q 4 des Brückenschaltkreises 80 verursacht wird, die in einem andauernden Leiten zwischen seiner Drain und zwischen seiner Source resultiert, ungeachtet eines an dem Gate anliegenden Kontrollsignals, ist ein gänzliches Trennen des Motors 48 von dem Brückenschaltkreis 80 wie folgt wichtig: Es sei angenommen, daß der FET Q 1 durchgebrochen ist und ein Leiten zwischen seiner Drain und Source verursacht. Der Brückenschaltkreis 80 ist unter dieser Bedingung durch den Äquivalentschaltkreis nach Fig. 4(e) angedeutet, von dem nur zugeordnete Elemente gezeigt sind. Der Durchbruch des FET hat zur Folge, daß der durch den Motor 48 fließende Strom von einem dafür vorgesehenen Zielwert verschieden wird. Die MCU 60 erkennt eine solche Stromabweichung auf der Basis des Ausgangssignals Sim aus dem Stromdetektor 96 und stoppt die kraftunterstützende Operation, um den Lenkmechanismus in einen manuellen Modus gemäß dem obenbeschriebenen Prozeß zu bringen. Wenn der Lenkmechanismus manuell betätigt wird, wird die Abtriebswelle des Motors 48 durch ein extern ausgeübtes Drehmoment Text gedreht, wodurch ein induzierter Strom Ii erzeugt wird. Wenn der Motor 48 elektrisch mit dem gebrochenen Brückenschaltkreis 80 verbunden ist, wird durch den gebrochenen FET (den FET Q ′1 oder die Diode D 1) und die Diode D 2 eine kurzschließende Schleife gebildet, durch die der induzierte Strom in Richtung der Pfeile in Fig. 4(e) fließen kann. Der Motor 48 funktioniert jetzt als eine elektromagnetische Bremse, die zum manuellen Drehen des Lenkrades 34 eine große Lenkanstrengung erfordert. Der zweite Relaisschaltkreis 94 in der dargestellten Ausführungsform ist beim Verhindern eines solchen Nachteils wirksam.

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind nicht auf Lenksysteme mit einem Motortreiber mit einem FET-Brückenschaltkreis beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Lenksystem anwendbar, das einen Brückenschaltkreis aufweist, der Flächentransistoren (manchmal als "gewöhnliche Transistoren" bezeichnet) und Dioden enthält, wie sie in Fig. 10 gezeigt sind, sowie auf ein Lenksystem, das einen Brückenschaltkreis aufweist, der andere Schaltelemente als Flächentransistoren enthält.

Die Fig. 11(a) stellt einen Motortreiber 108 in einem Lenksystem dar, auf welches die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Der Motortreiber 108 umfaßt einen Brückenschaltkreis 110 mit vier Relais RL 1 bis RL 4 und vier Dioden D ′1 bis D ′4; einen mit dem Brückenschaltkreis 110 verbundenen Leistungstransistor 112 und einen Relais/Transistor-Treiber 114 zum Kontrollieren der Relais RL 1 bis RL 4 und des Leistungstransistors 112. Jedes der Relais RL 1 bis RL 4 hat ein Paar Kontaktanschlüsse und ein Solenoid zum wahlweisen Verbinden und Trennen der Kontaktanschlüsse. Der Brückenschaltkreis 110 hat zwei Eingangsanschlüsse 116 a, 116 b und zwei Ausgangsanschlüsse 117 a, 117 b. Einer der Kontaktanschlüsse des Relais RL 1 ist mit dem Eingangsanschluß 116 a verbunden, während der andere Kontaktanschluß mit dem Ausgangsanschluß 117 a verbunden ist. Die Diode D ′1 ist über das Relais RL 1 geschaltet, wobei ihre Kathode an den Eingangsanschluß 116 a und ihre Anode an den Ausgangsanschluß 117 a gekoppelt ist. Einer der Kontaktanschlüsse des Relais RL 2 ist mit dem Eingangsanschluß 116 a verbunden, während der andere Kontaktanschluß mit dem Ausgangsanschluß 117 b verbunden ist. Die Diode D ′2 ist über das Relais RL 2 geschaltet, wobei ihre Kathode an den Eingangsanschluß 116 a und ihre Anode an den Ausgangsanschluß 117 b gekoppelt ist. Einer der Kontaktanschlüsse des Relais RL 3 ist mit dem Ausgangsanschluß 117 a verbunden, während der andere Kontaktanschluß mit dem Eingangsanschluß 116 b verbunden ist. Die Diode D 3 ist über das Relais RL 3 geschaltet, wobei ihre Kathode an den Ausgangsanschluß 117 a und ihre Anode an den Eingangsanschluß 116 b gekoppelt ist. Einer der Kontaktanschlüsse des Relais RL 4 ist mit dem Ausgangsanschluß 117 b verbunden, während der andere Kontaktanschluß mit dem Eingangsanschluß 116 b verbunden ist. Die Diode D ′4 ist über das Relais RL 4 geschaltet, wobei ihre Kathode an den Ausgangsanschluß 117 b und ihre Anode an den Eingangsanschluß 116 b gekoppelt ist. Der Eingangsanschluß 116 a des Brückenschaltkreises 110 ist mit der Energiequelle 90 über den ersten Relaisschaltkreis 92 (welcher der gleiche ist wie der erste Relaisschaltkreis nach Fig. 2) und mit in der Fig. 11(a) nicht dargestellten anderen Elementen verbunden. Das Solenoid RL 1 a des Relais RL 1 und das Solenoid RL 4 a des Relais RL 4 sind in Reihe zueinander geschaltet und werden durch den Relais/Transistor-Treiber 114 simultan angetrieben. Ähnlich sind das Solenoid RL 2 a des Relais RL 2 und das Solenoid RL 3 a des Relais RL 3 in Reihe zueinander geschaltet und werden durch den Relais/Transistor-Treiber 114 simultan betrieben. Der Leistungstransistor 112 ist vom NPN-Typ, der einen mit dem Eingangsanschluß 116 b des Brückenschaltkreises 110 verbundenen Kollektoranschluß, einen geerdeten Emitteranschluß, und einen mit dem Ausgangsanschluß 114 a des Relais/Transistor-Treibers 114 verbundenen Basisanschluß aufweist. Der Ausgangsanschluß 117 a des Brückenschaltkreises 110 ist durch den zweiten Relaisschaltkreis 94 (welcher der gleiche ist wie der zweite Relaisschaltkreis nach Fig. 2) an den Motor 48 gekoppelt, und der andere Ausgangsanschluß 117 b ist direkt an den Motor 48 gekoppelt.

Der Relais/Transistor-Treiber 114 PWM-kontrolliert den Leistungstransistor 112 auf der Basis eines Impulsdauerkontrollsignals Cpsw aus der MCU 60 und kontrolliert auch Relais auf der Basis eines Richtungskontrollsignals Cdir. Die Fig. 11(b) und 11(c) zeigen den Fluß eines Stromes zum Drehen des Motors 48 in einer ersten Richtung, wobei die Relaisschaltkreise von der Darstellung weggelassen sind. Unter PWM-Kontrolle wird der Leistungstransistor 112 derart schaltbetätigt, daß er in kurzen Perioden wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Bei eingeschaltetem Leistungstransistor 112 wird die elektrische Leistung dem Motor 48 aus der Energiequelle 90 über die Relais RL 1, RL 4 zugeführt. Bei ausgeschaltetem Leistungstransistor 112 erzeugt der Motor 48 unmittelbar nach dem Abschalten der Leistungszufuhr aus der Energiequelle zum Motor 48 einen induzierten Strom Ii, der durch eine geschlossene Schleife fließt, die das Relais RL 1 und die Diode D ′2 a enthält, sowie durch eine geschlossene Schleife, welche das Relais RL 4 und die Diode D ′3 enthält.

Wenn irgendeines der Relais gebrochen ist und einen leitenden Pfad erzeugt oder wenn irgendeine der Dioden durchgebrochen ist, so daß durch sie ein Strom in entgegengesetzter Richtung fließen kann, ist es für eine geschlossene Schleife möglich, ausgebildet zu bleiben, um einen Kurzschluß über den entgegengesetzten Anschlüssen des Motors 48 zu erzeugen, wodurch der Motor 48 als eine elektromagnetische Bremse wirken kann. Wenn beispielsweise das Relais RL 1 oder die Diode D ′1 gebrochen ist, würde, wenn es nicht für den zweiten Relaisschaltkreis wäre, eine geschlossene Schleife durch die Diode D ′3 und das gebrochene Relais RL 1 oder die Diode D ′1 gebildet, so daß der induzierte Strom Ii, der durch das extern auf die Abtriebswelle des Motors 48 ausgeübte Drehmoment Text erzeugt wird, in der in Fig. 11(d) gezeigten Richtung fließen kann. Folglich ist die vorliegende Erfindung effektiv auf ein Lenksystem anwendbar, das einen Treiberschaltkreis aufweist, der einen Brückenschaltkreis 110 verwendet.

In Zusammenfassung umfaßt ein Servolenkungssystem einen Elektromotor 48, der als eine Hilfskraftquelle einem Lenkmechanismus 18 zugeordnet ist. Das Lenkungssystem enthält eine elektrische Energiequelle 90 für den Motor 48, einen mit der elektrischen Energiequelle 90 verbundenen Motortreiber 78; 108 zum Antreiben des Motors 48 und ein Kontrollsystem 44, 68, 70, 96 zum Kontrollieren des Motortreibers 78; 108. Das Lenkungssystem enthält einen Relaisschaltkreis 94 zum wahlweisen elektrischen Verbinden und Trennen des Motortreibers 78; 108 und des Motors 48, wobei effektiv verhindert wird, daß sich eine geschlossene Schleife ausbildet, die sonst einen Kurzschluß zwischen den Eingangsanschlüssen des Motors 48 erzeugen würde, wenn der Lenkungsmechanismus ohne unterstützende Lenkkraft bei einem Ausfall des Servolenkungssystems manuell betätigt wird.

Claims (7)

1. Motorgetriebenes Servolenkungssystem mit einem Lenkmechanismus (18),
einem operativ an den Lenkmechanismus (18) gekuppelten Elektromotor (48) zum Erzeugen unterstützender Lenkkraft,
einer Energiequelle (90) zur Erregung des Motors (48),
einer mit der Energiequelle (90) verbundenen Motortreibereinrichtung (78; 108) zum Antrieb des Motors (48), und
einer Kontrolleinrichtung (44, 68, 70, 96) zum Kontrollieren der Motortreibereinrichtung (78; 108)
gekennzeichnet durch eine Schaltereinrichtung (94) zum wahlweisen elektrischen Verbinden und Trennen der Motortreibereinrichtung (78; 108) und des Motors (48).

2. Servolenkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motortreibereinrichtung (78; 108) eine Anordnung (80; 110) aufweist, die mit dem Motor (48) zur Bildung einer geschlossenen Schleife zusammenwirken kann, durch die ein in dem Motor (48) erzeugter induzierter Strom (Ii) fließen kann, wenn das Lenkungssystem einer Störung unterworfen ist.

3. Servolenkungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Motortreibereinrichtung (78; 108) einen Brückenschaltkreis (80; 110) aufweist, daß der Brückenschaltkreis (80; 110) zwei Eingangsanschlüsse (84 a, 84 b; 116 a, 116 b), zwei Ausgangsanschlüsse (85 a, 85 b; 117 a, 117 b) und vier zwischen die Anschlüsse (84 a, 84 b, 85 a, 85 b; 116 a, 116 b, 117 a, 117 b) geschaltete Brückenzweige (Q ′1, D 1 bis Q ′4, D 4, Q 1 bis Q 4; RL 1, D ′1 bis RL 4, D ′4) aufweist, wobei jeder Brückenzweig (Q ′1, D 1 bis Q ′4, D 4, Q 1 bis Q 4; RL 1, D ′1 bis RL 4, D ′4) eine Kombination aus einem von der Kontrolleinrichtung (44, 68, 70, 96) kontrollierten Schaltelement (Q 1 bis Q 4; RL 1 bis RL 4) und einer Diode (D 1 bis D 4; D ′1 bis D ′4) oder aus einer zu dieser Kombination äquivalentes Element (Q 1 bis Q 4) aufweist.

4. Servolenkungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Kombination äquivalente Element (Q 1 bis Q 4) einen Feldeffekttransistor aufweist, in dem eine Diode inkorporiert ist.

5. Servolenkungssystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (94) einen von der Kontrolleinrichtung (44, 68, 70, 96) kontrollierten Relaisschaltkreis zum wahlweisen elektrischen Verbinden und Trennen der Motortreibereinrichtung (78; 108) und des Motors (48) aufweist.

6. Servolenkungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkmechanismus (18) ein Lenkrad (34) aufweist, auf das ein Lenkdrehmoment ausgeübt werden kann, daß die Kontrolleinrichtung (44, 68, 70, 96) eine Lenkdrehmomenteinrichtung (68) zur Ausgabe eines das auf das Lenkrad (34) ausgeübte Lenkdrehmoment anzeigenden Signals (St 1, St 2), eine Lenkdrehmomentsensoreinrichtung (70) zur Ausgabe eines die Drehgeschwindigkeit des Lenkrades (34) anzeigenden Signals (Ss 1, Ss 2) und eine Stromdetektoreinrichtung (96) zur Ausgabe eines Signals (Sim) aufweist, das einen durch den Motor (48) fließenden Strom anzeigt, wobei die Kontrolleinrichtung (44, 68, 70, 96) so angeordnet ist, daß dann, wenn wenigstens eines der Signale beim Detektieren durch die Kontrolleinrichtung einen Fehler aufzeigt, die Kontrolleinrichtung den Relaisschaltkreis (94) betätigt, um den Motor (48) von der Motortreibereinrichtung (78; 108) zu trennen.

7. Servolenkungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere Schalteinrichtung (92) zum wahlweisen elektrischen Verbinden und Trennen der Energiequelle (90) und der Motortreibereinrichtung (78; 108) vorgesehen ist.