DE3810871A1

DE3810871A1 - Elektrisches servolenkungs-regelsystem

Info

Publication number: DE3810871A1
Application number: DE3810871A
Authority: DE
Inventors: Toshimi Abukawa; Kazuo Tahara; Katsuji Marumoto; Toshiyuki Koterazawa; Mitsuyuki Hombu; Tadashi Takahashi; Shuichi Takamatsu; Hisatugu Ishikura; Hirohisa Yamamura; Toru Tatsuzaki; Tsutomu Ohmae; Toshiaki Okuyama; Seizi Yamashita; Shigeki Saito; Masato Sakai
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1988-11-03
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: US4875539A; GB2204287A; DE3810871C3; KR880010969A; DE3810871C2; GB2204287B; FR2613887A1; GB8807470D0; FR2613887B1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenkungs- Regelsystem, insbesondere zur Bereitstellung einer elektri schen Lenkhilfskraft für die Lenkung eines Kraftfahrzeugs.

Konventionell werden in Kraftfahrzeuge eingebaute elektri sche Verbraucher von den Batterien energiegespeist (z. B. nichtgeprüfte JP-Patentveröffentlichung 58-16 958). Die mit elektrischer Hilfskraft versorgten Einrichtungen (z. B. Servolenkung und automatischer Fensterheber), die relativ viel Energie verbrauchen, obwohl sie einen kleinen Ein schaltzyklus haben, sind sperrig und kostspielig, weil zur Regelung eines großen Motorstroms Hochleistungs-Halbleiter vorrichtungen eingesetzt werden. Als Beispiel für eine solche Einrichtung wird die Servolenkung gemäß Fig. 1 erläutert.

Wenn der Fahrer das Lenkrad 9 dreht, wird dessen Rotation durch einen Drehmomentfühler 12 auf ein Ritzel 8 übertra gen, das eine Zahnstange 7 zum Richten von Rädern 6 und 6′ verschiebt. Aufgrund des Ausgangssignals des Drehmoment fühlers 12 liefert eine Regeleinheit 5 Leistung von einer ersten Batterie 1 zu einem Motor 10, der das Ritzel 8 über ein Zahnrad 11 antreibt, so daß die vom Lenkrad 9 verlangte Drehkraft verringert wird.

Dem Motor 10 wird ein Strom nur zugeführt, wenn das Lenkrad 9 betätigt wird. Wenn dagegen der Fahrer das Lenkrad des stehenden Fahrzeugs dreht, verlangt der Motor 10 maximalen Strom. Dieser von der ersten Batterie mit 12 V zugeführte Strom beträgt bis zu 50-70 A bei Kraftfahrzeugen mit einem Hubraum von 1800-2000 cm³.

Die Regeleinheit 4 regelt den Motorstrom mit Hilfe einer Halbleitervorrichtung, deren Leistungsfähigkeit sich aus dem Laststrom bestimmt. Zur Regelung eines Höchststroms von 60 A muß die Halbleitervorrichtung einen Nennstrom von mehr als 60 A haben. Der Stromregelkreis arbeitet normalerweise im Taktbetrieb, so daß die Halbleitervorrichtung einen Spitzennennstrom haben muß, der 1,5-2mal größer als der maximale Nenngleichstrom ist. Eine solche Halbleitervor richtung mit einem maximalen Spitzennennstrom von 120 A hat eine beträchtliche Größe und macht die Konstruktion einer kompakten und kostengünstigen Regeleinheit 4 unmöglich.

Ferner muß auch das Kabel zum Anschluß des Motors 10 an die Regeleinheit 4 eine hohe Strombelastbarkeit aufweisen, und es wiegt nahezu 1 kg. Die Klemmenspannung der ersten Bat terie 1, die auch die Scheinwerfer und weitere Lichtquellen speist, ändert sich bei Betätigung des Lenkrads 9, was sich in einer nachteiligen Schwankung der Lichtstärke nieder schlägt.

Die Halbleitervorrichtung erzeugt einen Spannungsabfall von mindestens 0,2-0,5 V, was bei einem 12-V-Versorgungssystem zu einem erheblichen Leistungsverlust führt.

Die Servolenkung muß eine maximale Drehkraft nur für die Dauer weniger Minuten liefern, und ein kleiner Motor kann diesem Betrieb standhalten. Andererseits ergibt sich für den Motorstrom eine Begrenzung, damit die Spannungsschwan kungen der ersten Batterie unterdrückt werden können. Von einer begrenzten Stromversorgung kann nur bei Verwendung eines großen Motors 10 ein hohes Ausgangsdrehmoment erzeugt werden, und daher kann ein kleiner Motor nicht verwendet werden, obwohl er die Wärmekapazität hat.

Bei einer anderen konventionellen Servolenkung ist zusätz lich zur Hauptversorgungs-Lichtmaschine eine zweite Licht maschine vorgesehen, damit eine der Motordrehzahl propor tionale Versorgungsspannung für die Versorgung des Lenk hilfsmotors durch die Regeleinheit nach Maßgabe des Aus gangssignals vom Lenkdrehmomentfühler zur Verfügung steht. Aber auch bei dieser Servolenkung sind die oben genannten Probleme nicht gelöst. Ferner ist die Servolenkung nach der JP-Patentveröffentlichung 61-1 25 964 nicht dafür ausgelegt, im Hochspannungs-Motorbetrieb zu arbeiten, so daß sie keine kompakte Bauweise der Antriebskomponenten erlaubt. Außer dem ist die Servolenkung nur bei laufendem Motor aktiv und bietet einem Fahrer, der z. B. sein abgewürgtes Fahrzeug aus Matsch oder Schlamm manövrieren will, keine Unterstüt zung. Der Ausgang der zweiten Lichtmaschine ändert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors, was in einer starken Schwankung des Motorstroms auch nach der Stromzerhackerregelung resultiert. Insbesondere liefert dieses System im Leerlauf nur eine schwache Lenkhilfskraft und überhaupt keine Hilfskraft, nachdem der Motor abge stellt ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Servo lenkungs-Regelsystems, das mit kleinerem Antriebsstrom arbeitet, so daß die Antriebskomponenten kompakt und zuver lässig gebaut werden können. Dabei soll ferner das Servo lenkungs-Regelsystem sowohl bei laufendem als auch bei abgestelltem Motor mit hoher Spannungsleistung arbeiten. Das Servolenkungs-Regelsystem verwendet eine im Fahrzeug verfügbare Niederspannungs-Energieversorgung, so daß eine Halbleitervorrichtung mit kleiner Stromkapazität eingesetzt werden kann und ein kompaktes Gesamtsystem einschließlich der Halbleitervorrichtung erhalten wird. Dabei soll das Servolenkungs-Regelsystem die Hauptbatteriespannung nur wenig beeinträchtigen, so daß Schwankungen der Lichtstärke minimiert werden; ferner sollen die Antriebskomponenten von der Hauptbatterie getrennt sein, so daß sie keiner Strom begrenzung unterliegen, was den Zweck hat, den Antriebs motor kompakt zu bauen und ein leichtes kostengünstiges System verfügbar zu machen.

Das elektrische Servolenkungs-Regelsystem nach der Erfin dung ist einen Elektromotor, der über ein Untersetzungsge triebe eine Hilfskraft für die Lenkanlage eines Kraftfahr zeugs liefert, durch einen an einer Lenkwelle befestigten Drehmomentfühler, der das Lenkdrehmoment erfaßt, durch einen Regler, der die Eingangsgröße zu dem Elektromotor nach Maßgabe des Ausgangssignals des Drehmomentfühlers regelt, durch eine Batterie, die den Regler speist, und durch einen Spannungs-Aufwärtstransformationskreis, der an die Batterie angeschlossen ist und den Elektromotor mit einer höheren als der Batteriespannung antreibt.

Die oben angegebenen Nachteile des Standes der Technik werden durch das Servolenkungs-Regelsystem nach der Erfin dung überwunden, das aufweist: eine erste Batterie, einen mit dieser verbundenen Spannungs-Aufwärtstransformations kreis, eine mit dessen Ausgang verbundene zweite Batterie, einen mit dieser verbundenen Regelkreis, der eine dem Lenk drehmoment proportionale Lenkenergie liefert, und einen mit dem Ausgang des Regelkreises verbundenen Lenkhilfsmotor.

Die Spannung der ersten Batterie wird durch den Aufwärts transformationskreis erhöht und in der zweiten Batterie gespeichert, die dann den Antriebskomponenten Leistung zuführt. Der Strom der Antriebskomponenten ist kleiner, als wenn sie in Verbindung mit der ersten Batterie betrieben werden würden, und die Spannung der ersten Batterie wird durch den Betrieb der an die zweite Batterie angeschlos senen Antriebskomponenten weniger beeinflußt.

Die vorgenannte Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß an die Antriebskomponenten eine höhere Spannung als die Fahrzeugbatteriespannung angelegt und die Batterie durch einen Regelkreis geladen wird, der eine Spannungs-Aufwärts und -Abwärtstransformationsfunktion hat. Wenn die Ausgangs spannung der Lichtmaschine gleich der Batteriespannung ist, wird die Ausgangsspannung erhöht und dem Regelsystem zuge führt, um die genannte Aufgabe zu lösen.

Wenn die Fahrzeugmotordrehzahl ausreichend weit über der Leerlaufdrehzahl liegt, wird eine hohe Lichtmaschinen-Aus gangsspannung den Antriebskomponenten entweder direkt zu geführt, oder die Lichtmaschinenspannung wird durch einen Spannungs-Aufwärtstransformationszerhacker geführt, und in jedem Fall ist der Motorstrom in umgekehrtem Verhältnis zu der zugeführten Spannung kleiner.

Für die allgemeinen Verbraucher wird eine 12-V-Batterie verwendet, und diese wird durch einen Spannungs-Abwärts transformationszerhacker aufgeladen, wenn die Ausgangsspan nung der Lichtmaschine hoch ist, oder bei niedriger Aus gangsspannung der Lichtmaschine wird sie direkt aufgeladen. Die Batteriespannung wird durch den Betrieb des Lenkhilfs systems nicht direkt beeinflußt, und jede Schwankung der Lichtstärke aufgrund einer Spannungsschwankung wird ausge schlossen.

Die Lichtmaschine liefert zwar bei abgewürgtem Motor keine Leistung für das Lenkhilfssystem, diesem wird jedoch Lei stung von der Batterie durch den Spannungs-Aufwärtstrans formationskreis zugeführt, und das System arbeitet wie bei laufendem Motor mit kleinem Motorstrom.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein konventionelles elektrisches Servolen kungs-Regelsystem;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Spannungs- Aufwärtstransformationskreises in der Anord nung nach Fig. 2;

Fig. 4 den Tastverhältnis-Verlauf des in dem Span nungs-Aufwärtstransformationskreis vorgese henen Transistors;

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Batteriespannung und dem maximalen Motorstrom bei der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen der Motorantriebs kreise;

Fig. 8 den Strom im Spannungs-Aufwärtstransforma tionskreis, den Batteriestrom und die Batte riespannung in bezug auf den Motorstrom;

Fig. 9 die Gesamtauslegung einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 10 ein Blockschaltbild, das im einzelnen den Regelkreis und den Spannungs-Aufwärtstrans formationskreis zeigt;

Fig. 11 die Motorstrom-Führungsgröße relativ zum Aus gangssignal des Lenkdrehkraftfühlers;

Fig. 12 das Lenkradrückdrehmoment relativ zum Lenk winkel;

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 liefert eine erste Batterie 1 Spannung über einen Spannungs-Aufwärts transformationskreis 2 an eine zweite Batterie 3. Die zwei te Batterie 3 ist an einen Regler 4 angeschlossen, durch den ein Motor 5 angetrieben wird. Die erste Batterie 1 ist eine als Hauptspannungsquelle des Fahrzeugs dienende Blei batterie, die die Verbraucher wie verschiedene Lichtquellen speist, und sie wird von einer motorgetriebenen Lichtma schine (nicht gezeigt) aufgeladen.

Aus einer Vielzahl Spannungs-Aufwärtstransformationskreisen 2 zeigt Fig. 3 beispielhaft einen Aufwärtstransformations kreis auf Transistorbasis. In der Schaltungsanordnung von Fig. 3 wird eine niedrigere Spannung der ersten Batterie 1 durch den Schaltbetrieb eines Transistors 14 auf eine höhere Spannung der zweiten Batterie 3 aufwärtstransfor miert. Der Transistor 14 arbeitet als PDM-Zerhacker. Wenn der Transistor 14 einschaltet, fließt ein Strom in einer Gleichstromdrossel 13. Wenn der stromführende Transistor 14 abschaltet, fließt ein Strom i, der die Gleichstromdrossel durchflossen hat, weiter durch eine Diode 15 zu der zweiten Batterie 3, wie die Strichlinie andeutet. Infolgedessen wird der zweiten Batterie zur Aufladung eine höhere als die erste Batteriespannung zugeführt. Die Zerhackerfrequenz des Transistors 14 ist für eine Gleichstromdrossel 13 mit großer Induktivität niedriger bzw. für eine Gleichstrom drossel mit kleiner Induktivität größer gewählt. Der in der Praxis angewandte Frequenzbereich liegt in der Größenord nung von einigen hundert Hz bis einigen zehn kHz, und vom Standpunkt des Wirkungsgrads ist eine niedrigere Frequenz vorteilhaft. Der Bipolartransistor 14 kann durch einen FET oder irgendeine andere Stromschaltvorrichtung ersetzt werden.

Der Transistorstrom, d. h. der von der ersten Batterie 1 an die zweite Batterie 3 gelieferte Strom, ist praktisch dem Tastverhältnis α des Transistors 14 in seinem bestimmten Betriebsbereich proportional. Durch Einstellen des Tast verhältnisses beispielsweise entsprechend Fig. 4 wird der Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 nicht aktiv, wenn die zweite Batterie 3 eine ausreichend hohe Spannung hat. Mit sinkender Spannung der zweiten Batterie 3 steigt das Tastverhältnis α des Kreises 2, so daß dieser an die zweite Batterie 3 einen erhöhten Strom liefert. Bei dieser Ausfüh rungsform hat das Tastverhältnis α ein schmales proportio nales Band von Δ V_B2, ausgedrückt als die zweite Batterie spannung, und ein konstantes Tastverhältnis α ₀ wird in einem Bereich unter einer Spannung V _Bmin beibehalten. Der aus dem konstanten Tastverhältnis α ₀ bestimmte Strom ist der maximale Strom I _max, der der zweiten Batterie 3 von der ersten Batterie 1 zugeführt wird.

Der von dem Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 ge lieferte maximale Strom I _max ist so bestimmt, daß die resultierende Verlustleistung größer als eine von dem Regelkreis 4 zum Antrieb des Motors 5 abgegebene mittlere Leistung und niedriger als die maximale Leistung ist. Z. B. benötigt ein Motor mit einem Wirkungsgrad von 50% und einer maximalen Ausgangsleistung von 300 W ca. 60 A im 12-V-Versorgungssystem, und der vorgenannte maximale Strom ist auf einen Pegel von 50%, also 30 A, eingestellt. Somit wird gegenüber dem konventionellen Fall des 60-A-Bereichs die Belastung der ersten Batterie 1 selbst bei dem maxi malen Pegel halbiert, und Spannungsänderungen können ver mindert werden. Ferner genügt es, wenn der Schalttransistor 14 in dem Spannungs-Aufwärtstransformationskreis nur die halbe Kapazität gegenüber der konventionellen 60-A-Kapa zität hat, so daß ein billiger Transistor verwendet werden kann. Im allgemeinen gilt, daß die Fertigungsstückzahlen umso höher sind, je kleiner die Nennleistung eines Transi stors ist, und im Hinblick auf den Massenfertigungseffekt ist ein Transistor mit halber Nennleistung tatsächlich um mehr als die Hälfte billiger.

Die Spannung der zweiten Batterie 3 in Fig. 2 kann will kürlich gewählt werden. Die Grafik von Fig. 5 zeigt den Motorstrom, der notwendig ist, um eine Lenkhilfskraft für den Lenkvorgang eines Kraftfahrzeugs mit einem Hubraum von 1800 cm³ zu erhalten. Der Höchststrom des Motors 5 ist auf der Ordinate gegen die Spannung der zweiten Batterie 3 auf der Abszisse aufgetragen. Wenn z. B. die Batteriespannung mit 24 V gewählt wird, liegt der höchste Motorstrom bei 25-35 A, oder bei einer 60-V-Batterie liegt der höchste Motorstrom bei 10-14 A. Je höher also die zweite Batterie spannung ist, umso kleiner ist der benötigte höchste Motor strom. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Batterie spannung wenigstens doppelt so hoch wie die erste Batte riespannung gewählt. Bei den meisten Kraftfahrzeugen mit einer 12-V-Energieversorgung wird die Spannung der zweiten Batterie auf 24 V oder höher eingestellt. Je höher die Betriebsspannung ist, umso kleiner kann zwar das vom Regler 4 verwendete Halbleiterbauelement sein und umso billiger ist der Regler; aber eine zu hohe Spannung führt zu höheren Kosten wegen des Aufwands für Sicherheit und Isolierung. Die Spannung wird daher aus globalen Überlegungen bestimmt. Die Verwendung einer hohen Spannung ist bei der Auslegung des Reglers 4 für den Motor 5 vorteilhaft, weil bei dem konventionellen Regler möglichst wenige Halbleiterbauele mente wegen ihrer hohen Kosten vorgesehen sein sollen; diese Einschränkung wird durch die Anwendung billiger Halb leiterbauelemente niedriger Nennleistung beseitigt.

Wie z. B. Fig. 6 zeigt, hat der Regler 4 einen Hauptkreis. Die Anordnung dient zum Antreiben eines Magnetfeldmotors oder Nebenschlußmotors. Der Motor 5 hat zwei Stromrich tungs-Betriebsarten, und zwar die eine beim Einschalten von Transistoren 19 und 22 und die andere beim Einschalten von Transistoren 21 und 20, so daß er in der jeweils gewählten Richtung umläuft. Der Motor 5 wird durch die Zerhackerrege lung des leitenden Zustands der Transistoren 19-22 strom gesteuert oder ausgangsdrehmomentgesteuert. Die Anordnung nach Fig. 6 bietet den Vorteil eines sehr schnellen Anspre chens des Motorstroms.

Fig. 7 ist ein Beispiel der Schaltungsanordnung zur Rege lung eines Reihenschlußmotors, wobei Erregerwicklungen 31 und 32 entgegengesetzt gewickelt sind, so daß der Motor 5 aufgrund des leitenden Zustands eines Transistors 27 bzw. Transistors 28 in zwei Richtungen umläuft. Es ist auch möglich, anstatt eines Gleichstrommotors einen Wechsel strommotor zu verwenden.

Das elektrische Servolenkungs-Regelsystem hat die Funktion, den Motor 5 aufgrund eines Signals von einem Drehmoment fühler od. dgl. so anzutreiben, daß die durch das Lenkrad aufgebrachte Lenkkraft verringert wird, und die Schaltungs auslegung kann willkürlich gewählt sein. Auf jeden Fall benötigt der Motor 5 eine bestimmte Stromversorgung, damit er angetrieben wird. Der Motorstrom kann durch Verwendung einer höheren Speisespannung vermindert werden, und ein kleinerer Motorstrom erlaubt die Verwendung eines Halblei terbauelements geringerer Leistung für die Stromregelung.

Fig. 8 zeigt verschiedene elektrische Werte in bezug auf den Motorstrom für die obige Ausführungsform. Der Ausgangs strom des Spannungs-Aufwärtstransformationskreises 2 steigt mit dem Anstieg des dem Motor 5 zugeführten Stroms und wird oberhalb eines Punkts A des Motorstroms konstant. Dies ist der maximale Ausgangsstrom des Spannungs-Aufwärtstransfor mationskreises 2. Der von der zweiten Batterie 3 gelieferte Strom steigt langsam mit steigendem Motorstrom im Niedrig lastbereich und steigt über dem Punkt A des Motorstroms steil an. In der Grafik bezeichnet die Kurve 33 den vom Spannungs-Aufwärtstransformationskreis 2 gelieferten Strom, und die Kurve 34 bezeichnet den von der zweiten Batterie 3 an den Motor 5 gelieferten Strom. Die Summe dieser Ströme ergibt den Motorstrom 35. Die Spannung der zweiten Batterie 3 ändert sich entsprechend der Kurve 36. Fig. 8 zeigt den Fall, in dem die zweite Batterie 3 zu Beginn vollständig aufgeladen ist. Mit sinkender Batteriespannung verschiebt sich der Ausgangsstrom des Aufwärtstransformationskreises 2 von der Kurve 33 nach links.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung sowie Fig. 8 hervor geht, wird dem Motor die Leistung der aufwärtstransformier ten Spannung, abgeleitet von der ersten Batterie (die z. B. eine 12-V-Batterie ist), zugeführt, bis der Motor den Punkt A erreicht, und bei größerem Strombedarf wird die steigende Laststromkomponente von der zweiten Batterie zugeführt, so daß die erste Batterie entlastet ist. Der Ausgangsstrom der ersten Batterie ist kleiner als der maximale Motorstrom, und dies ist ein Vorteil in bezug auf die Verminderung des Nennstroms der Halbleiterbauelemente für den Aufwärtstrans formationskreis und für die Minimierung von Spannungsände rungen der ersten Batterie. Als Folge der verminderten Spannungsänderungen der ersten Batterie kann eine Schwan kung der Lichtstärken praktisch ausgeschlossen werden. Da dem Motor 5 Leistung für seinen Hochpegelbereich innerhalb kurzer Zeit hauptsächlich von der zweiten Batterie 3 zuge führt wird, sinkt die Spannung der ersten Batterie nicht merklich, so daß der Motor 5 bis zu seiner Lastgrenze be trieben werden kann. Somit kann eine höhere Hilfs-Ausgangs leistung von einem Motor mit bestimmter Nennleistung erhal ten werden, oder es kann zum Erreichen einer bestimmten Hilfskraft ein kleinerer Motor eingesetzt werden. Infolge dessen können die Kosten der Lenkhilfsanlage gesenkt wer den, und aufgrund der höheren zweiten Batteriespannung kann der Regler mit kostengünstigeren Halbleiterbauelementen gebaut werden.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von einer solchen, bei der einfach die Batteriespannung zum Laden eines Kon densators erhöht wird. Stattdessen ist die zweite Batterie 3 so ausgelegt, daß sie Spannung von dem Spannungs-Auf wärtstransformationskreis 2 speichert, und das System arbeitet so, als ob es von der ersten Batterie 1 getrennt wäre. Selbst wenn also der Laststrom für den Motor 5 sehr stark veränderlich ist, tritt keine wesentliche Änderung der Spannung der ersten Batterie auf.

Bei dieser Ausführungsform erhöht der Aufwärtstransforma tionskreis die Spannung der ersten Batterie und speichert deren Energie in der zweiten Batterie, die dann die Last speist. Der von der höheren Spannungsversorgung gelieferte Laststrom ist kleiner, als wenn er direkt von der ersten Batterie geliefert werden würde, so daß die davon ange steuerten Halbleiterbauelemente zur Regelung und der Lenk hilfsmotor geringere Nennströme, Gewichte und Größen auf weisen und dadurch kostengünstiger gebaut werden können. Eine weitere Auswirkung besteht darin, daß der Betrieb des Lenkhilfssystems keine merkliche Spannungsänderung der ersten Batterie bedingt, so daß die von dieser Batterie gespeisten Lichtquellen keine Intensitätsschwankungen zeigen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9-12 werden einige weitere Ausführungsformen erläutert.

Fig. 9 zeigt die Anordnung des Servolenkungs-Regelsystems. Dabei sind vorgesehen ein Lenkrad 41, eine Lenkwelle 42, ein Drehmomentfühler 43, ein Ritzel 44, eine Zahnstange 56, Fahrzeugräder 46, ein Lenkhilfsmotor 47, ein Untersetzungs getriebe 48, ein Ritzel 49, ein Lenkwinkelfühler 40, der z. B. ein magnetisches Hall-Element verwendet, ein Servo lenkungs-Regler 110 (kurz: Regler) und ein Spannungs-Auf/- Abwärtstransformations-Zerhacker 120, der eine Batterie 53 im Spannungs-Abwärtstransformationsbetrieb auflädt und im Spannungs-Aufwärtstransformationsbetrieb der Servolenkung Energie von der Batterie 53 zuführt, wenn der Motor nicht läuft, wobei der Auf-/Abwärtstransformationsbetrieb in Abhängigkeit davon bestimmt wird, ob der Motor läuft, was von einem Motordrehzahlfühler 65 festgestellt wird. Eine Lichtmaschine 55 wird vom Fahrzeugmotor 54 über einen Rie men od. dgl. angetrieben. Die Lichtmaschine 55 erzeugt einen Gleichspannungsausgang mit einer gewünschten Spannung durch einen Doppelweggleichrichter 56.

Diese Ausführungsform wird bei einer Zahnstangenlenkung angewandt, wobei der Fahrer das Lenkrad 41 mit einer Lenk kraft beaufschlagt, die durch die Lenkwelle 42 und den Drehmomentfühler 43 auf das Ritzel 44 übertragen wird. Der Drehmomentfühler 43 erzeugt ein Signal τ entsprechend dem Lenkdrehmoment. Der Drehmomentfühler 43 ist ein Dehnungs messer oder Torsionsfühler mit einem Stellwiderstand. Der Motor 47 dient als elektrische Stelleinheit, die der Zahn stange 45 über das Untersetzungsgetriebe 48 und das Ritzel 49 eine Lenkhilfskraft zuführt. Der Lenkwinkelfühler 40 erzeugt ein Signal, das bei Geradlauf- oder Neutrallage der Fahrzeugräder Null ist. Der Lenkwinkelfühler 40 kann z. B, ein an der Zahnstange befestigter Linearschrittgeber sein. Der Servomotor 47 für die Lenkung ist ein Gleichstrommotor, ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Induktionsmotor. Der Regler 110 regelt die Zuführung von Spannung oder Strom an den Motor nach Maßgabe der Fahrzeuggeschwindigkeit vs, des Lenkdrehmoments τ und des Lenkwinkels R.

Fig. 10 zeigt in Blockform die Auslegung des Haupt- und des Regelkreises, die in einer Betriebsart arbeiten, in der das Ladesystem, umfassend den Fahrzeugmotor 54, die Hochspan nungslichtmaschine 55 und den Gleichrichter 56, einen Gleichstrommotor 7 a mit Vorwärts- und Rückwärts-Feldwick lungen durch einen Kondensator 126 antreibt, sowie in einer Betriebsart, in der das Ladesystem die Batterie 53 durch einen Abwärtstransformations-Zerhackertransistor 121 auf lädt oder umgekehrt die Schaltung mit einer Drossel 125 und dem Aufwärtstransformations-Zerhackertransistor 123 arbei tet, so daß die Servolenkung auch dann wirksam ist, wenn der Fahrzeugmotor 54 abgewürgt ist.

Nachstehend wird zuerst der Fall beschrieben, daß der Zünd schlüssel in die Zündstellung gedreht (nicht gezeigt) und der Motor noch abgestellt ist. Die Motordrehzahl Ne wird vom Drehzahldetektor 65 erfaßt und angezeigt, und dieser erzeugt ein Ausgangssignal zu einem Spannungsbefehlskreis 68, der aufgrund der Erfassung von Ne=O einen Aufwärts transformations-Zerhackerkreis bildet. Der Spannungsbe fehlskreis 68 subtrahiert eine erfaßte Klemmenspannung Vc des Glättungskondensators 126 (z. B. 12 V Gleichspannung) vom Spannungsbefehl V ₁ und liefert ein resultierendes dif ferentielles Befehlssignal Δ V ₁ = V ₁ - Vc an einen Basis treiberkreis 69 für den Transistor 123. Der Basistreiber kreis 69 treibt den Transistor in den EIN- und AUS-Zustand, so daß die Batteriespannung in dem die Drossel 125, den Transistor 123 und eine Freilaufdiode 124 umfassenden Kreis aufwärtstransformiert wird, bis Δ V ₁ zu Null wird, und der Kondensator 126 wird durch die Freilaufdiode 122 auf die Spannung aufgeladen, die gleich der Ausgangsspannung (z. B. 48 V) der Hochspannungs-Lichtmaschine 55 ist. Diese Span nung wird konstantgehalten.

Wenn in diesem Zustand das Lenkrad 1 betätigt wird, liefert der Drehmomentfühler 43 ein Drehmomentsignal τ zu einem Funktionsgeber 61, der je nach der Polarität des Drehmo mentsignals τ ein Ansteuersignal an einen der Basistrei berkreise 63 oder 64 liefert. Aufgrund des Ansteuersignals arbeitet ein Vorwärtstransistor 111 oder Rückwärtstransi stor 112 im Zerhackermodus und treibt den Gleichstrommotor 7 a an, der dann eine Lenkhilfskraft erzeugt. Wenn das Fahr zeug angehalten ist und der Fahrzeugmotor abgestellt wurde, findet der oben beschriebene Betrieb statt, indem das Lenk rad betätigt wird, wobei der Zündschlüssel in die Zündstel lung gebracht sein muß.

Nachstehend wird die Betriebsweise nach dem Anlassen des Fahrzeugmotors beschrieben. Der Drehzahlfühler 65 erfaßt den Zustand Ne≠0, und dieser wird dem Befehlskreis 66 für die Abwärtstransformations-Zerhackerspannung zugeführt, der eine erfaßte Batteriespannung Vb von dem Spannungsbefehl V ₂ (z. B. 48 V Gleichspannung) subtrahiert und eine resultie rende Differenz Δ V ₂ = V ₂ - Vb an den Basistreiberkreis 67 für den Abwärtstransformations-Transistor 121 liefert. Aufgrund des Spannungsbefehls Δ V ₂ steuert der Basistreiber kreis 67 den Transistor 121 im Zerhackermodus unter Erzeu gung eines Ladestroms für die Batterie 53. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Lenkrad 41 betätigt wird, erzeugt der Dreh momentfühler 43 wie im vorhergehenden Fall ein Ausgangs signal für den Funktionsgeber 61. Der Funktionsgeber 61 erzeugt einen Strombefehl I ₀ entsprechend dem Drehmoment eingangssignal und liefert dieses zusammen mit einem Pola ritätssignal an eine Signalverarbeitungseinheit 62. Diese führt eine Subtraktion für den Strombefehl I ₀ und den er faßten Motorstrom I ₁ aus und steuert in Abhängigkeit von der erfaßten Polarität des Drehmomentsignals einen der Transistoren 63 oder 64 in der Zerhacker-Betriebsart, wo durch der Gleichstrommotor 7 c angetrieben wird und eine Lenkhilfskraft erzeugt. Der Motorstrombefehl wird in bezug auf das Ausgangssignal des Drehmomentfühlers unter Verwen dung der Fahrzeuggeschwindigkeit vs als einem Parameter am Funktionsgeber 61 eingestellt (vgl. Fig. 11). Durch Erzeu gen einer Funktion des Rückdrehmoments gegenüber dem Lenk winkel entsprechend Fig. 12 kann das Servolenkungssystem die erforderlichen Charakteristiken aufweisen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 wird eine Niederspan nungs-Lichtmaschine (z. B. 12 V) verwendet. Die Ankerwick lung (nicht gezeigt) der Lichtmaschine 55 a ist so ge wickelt, daß sie Niederspannungs-Spezifikationen ent spricht, und ihr Wechselspannungsausgang wird von einem Gleichrichter 56 gleichgerichtet unter Erzeugung eines Gleichspannungsausgangs mit einer niedrigen Nenn-Gleich spannung. Der Gleichspannungsausgang wird zum direkten Auf laden der Batterie 53 genützt und ferner dem Regler und weiteren allgemeinen Verbrauchern 100 zugeführt. Der Nie derspannungsausgang wird außerdem dem Motor 7 a durch einen Aufwärtstransformations-Zerhacker 160 zugeführt, der aus einer Drossel 125, einem Transistor 124, einer Rückfüh rungsdiode 124, einer Diode 126 und einem Glättungskonden sator 127 gebildet ist. Nach dem Anlassen des Fahrzeugmo tors wird der Aufwärtstransformations-Zerhacker 160 für das Schalten des Transistors 123 gemeinsam mit der Drossel 125 wirksam und transformiert die Niedrigspannung in eine Hoch spannung (z. B. 48 V), die dem Motor 7 a zugeführt wird. Wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist, liefert die Licht maschine 55 a keinen Ausgang, aber die Spannung der Batterie 53 wird durch den Zerhacker 160 aufwärtstransformiert und dem Motor 7 a wie im Fall des laufenden Motors zugeführt. Je nach dem Signal vom Regler 100 arbeitet einer der Vorwärts oder Rückwärts-Transistoren im Zerhackermodus zum Antrieb des Motors 7 a, der dann eine Lenkhilfskraft ebenso erzeugt, wie unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert wurde.

Fig. 14 zeigt eine Anordnung mit bürstenlosem Gleichstrom motor oder Induktionsmotor 7 b anstelle des Gleichstrom motors 7 a von Fig. 10. Der Hauptkreis 110 a des Reglers zur Regelung der Motordrehzahl und des Ausgangsdrehmoments ist als Transistor-Wechselrichter ausgelegt. Ein Basistreiber kreis 130 ist ein Signalverarbeitungskreis mit einer Pola ritäts-Unterscheidungsfunktion und einer Substraktionsfunk tion für den Strombefehl und den erfaßten Strom und liefert Basisströme an die Transistoren des Wechselrichters zum Antrieb des Motors 7 b in Vorwärts-oder Rückwärtsrichtung, wodurch eine Lenkhilfskraft erzeugt wird. Es ist ersicht lich, daß der Hauptkreis des Reglers nach Fig. 13 mit einem Transistor-Wechselrichter ausgelegt sein kann, wobei der Gleichstrommotor 7 a durch einen bürstenlosen Gleichstrom motor oder einen Induktionsmotor ersetzt sein kann.

Bei den Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis der Hoch spannung zu der dem Lenkhilfsmotor zugeführten Batterie spannung beliebig gewählt werden, und durch Vergrößern des Verhältnisses kann der Motorstrom weiter verringert werden.

Bei den Ausführungsformen ist zwar das Hochspannungssystem nur durch das Servolenkungssystem belastet, aber mit Aus nahme der Lichtquellen und allgemeinen Verbraucher kann die übrige Ausrüstung wie Zündsystem, Ultraschallzerstäuber und weitere Zusatzmotoren an das Hochspannungssystem ange schlossen sein.

Bei den Ausführungsbeispielen ist die Ankerwicklung der Lichtmaschine so ausgelegt, daß sie entweder Hoch- oder Niederspannungs-Spezifikationen entspricht. Im ersteren Fall wird der Lichtmaschinenausgang dem Servolenkungssystem direkt zugeführt, und im letzteren Fall wird der Nieder spannungsausgang der Lichtmaschine durch den Aufwärtstrans formations-Zerhacker zu einer Hochspannung transformiert und dem Lenksystem zugeführt. Bei laufendem Fahrzeugmotor wird der Hochspannungsausgang der Lichtmaschine vom Zer hacker abwärtstransformiert zur Aufladung der Batterie, oder die Niederspannung wird direkt an die Batterie zum Aufladen angeschlossen. Wenn das Servolenksystem betätigt wird, während der Fahrzeugmotor abgestellt ist, wird der Batterieausgang (normalerweise 12 V) vom Zerhacker in eine Hochspannung aufwärtstransformiert und dem Servolenksystem zugeführt. Da die allgemeinen Verbraucher einschließlich der Scheinwerfer und anderer Lichtquellen von einer Bat terie gespeist werden, ändert sich die Spannung nicht durch den Betrieb des Servolenksystems, so daß die Lichtstärke nicht abnimmt. Die Batteriespannung sinkt zwar geringfügig ab, wenn sie dem Servolenksystem bei abgestelltem Motor zugeführt wird, damit z. B. das Fahrzeug aus Matsch oder Schlamm herausgebracht werden kann oder die Räder bei abge stellten Motor gedreht werden können; eine derart geringe Verminderung der Lichtstärke hat jedoch keine nachteiligen Folgen bei stehendem Fahrzeug.

Die Hochspannungseinstellung für den Eingang zum Servolenk system macht dessen Strom kleiner, so daß die Motorstrom- Schaltelemente einen kleineren Nennstrom haben können, was in einer kompakten und kostengünstigen Konstruktion resul tiert. Ein kleinerer Laststrom ist auch insofern vorteil haft, als eine kleinere Verkabelung, ein geringerer Wirk abfall und geringere Wärmeerzeugung im Motorraum des Fahr zeugs vorliegen.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird dem Servolenk system eine Spannung zugeführt, die höher als eine Fahr zeugbatteriespannung ist, und die Batterie wird durch den Regelkreis aufgeladen, der Spannungs-Auf- und -Abwärts transformationsfähigkeiten hat, so daß das System mit klei nem Strom arbeitet und ein kompaktes und zuverlässiges Regelsystem erhalten wird.

Claims

1. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem, gekennzeichnet durch
einen Elektromotor (54; 7 a; 7 b), der über ein Unterset zungsgetriebe (48) eine Hilfskraft für die Lenkanlage (41, 44, 45, 46) eines Kraftfahrzeugs liefert;
einen an einer Lenkwelle (42) befestigten Drehmomentfühler (43), der das Lenkdrehmoment erfaßt;
einen Regler (4; 110), der die Eingangsgröße zu dem Elek tromotor nach Maßgabe des Ausgangssignals des Drehmoment fühlers regelt;
eine Batterie (1; 53), die den Regler speist; und
einen Spannungs-Aufwärtstransformationskreis (2; 120; 160), der an die Batterie angeschlossen ist und den Elektromotor mit einer höheren als der Batteriespannung antreibt.

2. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Gleichstrommotor (5; 54) ist.

3. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor (7 a) ist.

4. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Induktionsmotor (7 b) ist.

5. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufwärtstransformationskreis wenigstens einen Tran sistor (14; 123) und eine Gleichstromdrossel (13; 125) umfaßt, wobei das Tastverhältnis () des Transistors vom Regler bestimmt ist.

6. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hochspannungs-Batterie (3), die mit einer höheren Spannung als derjenigen der ersten Batterie (1) aufgeladen ist, wobei der Elektromotor von den Ausgangsgrößen des Auf wärtstransformationskreises und der Hochspannungsbatterie angetrieben wird.

7. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) den Aufwärtstransformationskreis (2) so betreibt, daß dem Elektromotor in einem Motorstrombereich auf und unter einem vorbestimmten Pegel (A) mehr Strom als ein Strom von der Hochspannungs-Batterie und in einem Motorstrombereich oberhalb des Pegels (A) ein praktisch konstanter Strom zugeführt wird, so daß die Hochspannungs- Batterie dem Elektromotor einen erhöhten Strom zuführt.

8. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hochspannungs-Lichtmaschine (55), die vom Kraftfahr zeugmotor angetrieben wird zur Erzeugung einer Spannung, die höher als diejenige der Batterie (53) ist, und einen Fühler (65), der feststellt, ob der Motor läuft oder abgestellt ist, wobei der Elektromotor von dem Aufwärts transformationskreis (68, 69; 123-125) angetrieben wird, wenn der Fühler (65) einen Abschaltzustand des Motors fest gestellt hat.

9. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor von der Hochspannungs-Lichtmaschine angetrieben wird, wobei deren hohe Ausgangsspannung von einem Abwärtstransformationskreis (66, 67; 121, 122) ab wärtstransformiert wird, so daß die Batterie (53) aufge laden wird.

10. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Niederspannungs-Lichtmaschine, die vom Kraftfahrzeug motor angetrieben wird und eine Niederspannung erzeugt, die praktisch gleich der Spannung der Batterie (53) ist, wobei der Aufwärtstransformationskreis (160) an die Batterie (53) und die Niederspannungs-Lichtmaschine (55 a) angeschlossen ist.

11. Energieversorgung für ein Servolenkungssystem, gekennzeichnet durch eine erste Batterie (1);
einen an die erste Batterie angeschlossenen Spannungs-Auf wärtstransformationskreis (2);
eine an den Ausgang des Aufwärtstransformationskreises angeschlossene zweite Batterie (3);
einen an die zweite Batterie angeschlossenen Regler (4), der aufgrund eines Lenkdrehmomentsignals elektrische Lenk energie erzeugt; und
einen an den Ausgang des Reglers angeschlossenen Lenkhilfs motor (5), der die Lenkenergie empfängt.

12. Energieversorgung für ein Servolenkungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskapazität des Spannungs-Aufwärtstransfor mationskreises größer als eine mittlere Ausgangsleistung des Reglers zum Antreiben des Elektromotors und kleiner als eine maximale Ausgangsleistung des Reglers zum Antreiben des Elektromotors ist.

13. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem, gekennzeichnet durch
einen Elektromotor (47), der über ein Untersetzungsgetriebe (48) eine Hilfsdrehkraft für das Lenksystem eines Kraft fahrzeugs liefert;
einen Regler (110), der die Eingangsgröße zu dem Elektro motor nach Maßgabe des Ausgangssignals eines an einer Lenk welle (42) befestigten Drehmomentfühlers (43) regelt;
eine Batterie (53), die den Regler mit Energie versorgt; und
eine Lichtmaschine (55), die die Batterie auflädt, wobei die Ausgangsspannung der Lichtmaschine höher als die Span nung der Batterie eingestellt ist und wobei die Licht maschine dem Elektromotor bei laufendem Kraftfahrzeugmotor mit Energie versorgt, deren Spannung höher als die Batte riespannung ist, und wobei die Batterie dem Elektromotor bei abgestelltem Motor Energie über einen Spannungs-Auf wärtstransformationskreis (120) zuführt.

14. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Aufwärtstransformationskreis durch ein Ausgangssignal eines Glieds (65) zur Erfassung eines Ab schaltzustands des Kraftfahrzeugmotors regelbar ist.

15. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem, gekennzeichnet durch
einen Elektromotor (47), der über ein Untersetzungsgetriebe (48) eine Hilfsdrehkraft für das Lenksystem eines Kraft fahrzeugs liefert;
einen Regler (110), der die Eingangsgröße zu dem Elektro motor nach Maßgabe des Ausgangssignals eines an einer Lenk welle (42) befestigten Drehmomentfühlers (43) regelt;
eine Batterie (53), die den Regler mit Energie versorgt; und
eine Lichtmaschine (55), die die Batterie auflädt, wobei die Ausgangsspannung der Lichtmaschine höher als die Span nung der Batterie eingestellt ist und die Lichtmaschine den Elektromotor über den Regler (110) mit Energie einer höhe ren Spannung als die Batteriespannung versorgt und gleich zeitig die Batterie über einen Spannungs-Abwärtstransfor mationskreis (120) auflädt, wenn der Kraftfahrzeugmotor lauft, und wobei die Batterie den Regler über einen Span nungs-Aufwärtstransformationskreis (120) mit Energie ver sorgt, wenn der Motor abgestellt ist.

16. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Auf- und -Abwärtstransformationskreis (120) ein Zerhackerkreis ist, der in Abhängigkeit davon, ob der Fahrzeugmotor läuft oder abgestellt ist, in eine Auf wärts-oder eine Abwärtstransformations-Betriebsart um schaltbar ist.

17. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf- und Abwärtstransformationskreis in der Ab wärtstransformations-Zerhackerbetriebsart (121) aufgrund eines Maschinendrehzahlsignals (Ne≠0) betrieben wird, so daß die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf eine Batte rieaufladespannung geregelt und zum Aufladen der Batterie genützt wird, wobei die hohe Ausgangsspannung der Licht maschine direkt als Energieversorgung für das Servolen kungssystem (41, 42, 44, 45, 49, 46) genützt wird.

18. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem, gekennzeichnet durch
einen Elektromotor (47), der über ein Untersetzungsgetriebe (48) eine Hilfsdrehkraft für das Lenksystem (41, 42, 44, 45, 49, 46) eines Kraftfahrzeugs liefert;
einen Regler (110), der die Eingangsgröße zu dem Elektro motor nach Maßgabe des Ausgangssignals eines an einer Lenk welle (42) befestigten Drehmomentfühlers (43) regelt;
eine Batterie (53), die den Regler mit Energie versorgt; und
eine Lichtmaschine (55), die eine Ausgangsspannung erzeugt, die zum Aufladen der Batterie genützt und nach Aufwärts transformation dem Eingang des Reglers zugeführt wird.

19. Elektrisches Servolenkungs-Regelsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Batterie von einem Spannungs-Aufwärts transformationskreis (160) aufwärtstransformiert und dem Regler zugeführt wird, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist.