DE60119598T2 - Elektrisches Servolenkungssytem für ein Fahrzeug und Verfahren mit H-Unendlich-Regelung - Google Patents

Elektrisches Servolenkungssytem für ein Fahrzeug und Verfahren mit H-Unendlich-Regelung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Fahrzeuglenksysteme und insbesondere auf elektrische Servolenksysteme und Verfahren zur Steuerung solcher elektrischer Servolenksysteme für ein lenkbares Fahrzeug.
  • Es sei verwiesen auf die US-Patentanmeldungen Nr. US-A-00000110 H und US-A-5859774.
  • Die herkömmliche Führung eines Radfahrzeuges wird im typischen Fall dadurch bewerkstelligt, daß der Fahrzeugführer (Fahrer) ein Lenkrad dreht, das im Fahrgastraum angeordnet ist, um so die lenkbaren Straßenlaufräder zu verschwenken. Herkömmliche Lenksysteme beinhalten im allgemeinen eine Zahnstangen-Lenkgetriebeeinheit, die funktionsmäßig mit den Straßenlaufrädern und einer Lenksäule verbunden ist, die zwischen dem Lenkrad und dem Zahnstangen-Lenkgetriebe eingekuppelt ist, um so eine Winkeldrehung des Lenkrades in eine Gleitbewegung der Zahnstange zu übersetzen, so daß die Lenkbewegung der Straßenlaufräder ausgeführt wird. Zur Senkung des vom Fahrer aufzubringenden Kraftaufwandes (d.h. Drehmoments), der/das zum Drehen des Lenkrades erforderlich ist, beinhalten herkömmliche Lenksysteme typischerweise einen Servolenk-Stellantrieb, der den Fahrer beim Drehen des Lenkrades unterstützt, um Gegenkräfte wie z.B. Fahrbahnaufstandskräfte an den Straßenlaufrädern und Reibungskräfte in der Lenkeinheit zu überwinden. Die Höhe der Lenkhilfskraft variiert gewöhnlich in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Höhe der vom Fahrzeugführer am Lenkrad angelegten Kraft. Herkömmliche Servolenkanlagen verwenden typischerweise entweder hydraulische oder elektrische Hilfskraftantriebe. Im Gegensatz zu hydraulischen Hilfskraftsystemen bieten die elektrischen Hilfskraftsysteme die Möglichkeit einer variablen Lenkhilfskraft, besserer Energienutzung, geringeren mechanischen Aufwandes, erhöhter Zuverlässigkeit und reaktiver, bedarfsgerechter Lenkhilfskraft, sowie weitere Vorteile.
  • Das elektrische Servolenksystem (electric power assist steering – EPAS) verwendet einen Elektromotor zum Anlegen eines geregelten Drehmomentes an der Lenkeinheit zur Unterstützung des Fahrzeugführers beim Drehen des Lenkrades. Das herkömmliche elektrische Servolenksystem ist im allgemeinen mit einem Rückkopplungsregelsystem ausgelegt, das das vom Fahrer in das Lenksystem eingeleitete Lenkmoment elektrisch verstärkt, um so einen höheren Lenkkomfort und höhere Lenkleistung zu erzielen. Das elektrische Servolenksystem beinhaltet im typischen Fall ein drehbares Lenkrad, eine Lenksäule, eine Zahnstangengetriebeeinheit, eine Getriebeeinheit und einen Elektromotor. Das herkömmliche elektrische Servolenksystem benutzt außerdem einen Ritzeldrehmomentsensor sowie verschiedene andere Sensoren. Der Ritzeldrehmomentsensor ist im allgemeinen zwischen der Lenksäule und dem Zahnstangengetriebe angeordnet und erfaßt die Höhe des am Ritzel angelegten Drehmoments. Das gemessene Ritzeldrehmoment dient als Näherungswert für das vom Fahrzeugführer am Lenkrad angelegte Drehmoment und wird im allgemeinen dazu verwendet, die Höhe der vom Elektromotor zu stellenden Lenkhilfskraft zu bestimmen. Die Höhe der Lenkhilfskraft wird gewöhnlich aus einer einstellbaren, nichtlinearen Verstärkungskurve errechnet, aus der ein Steuerbefehlssignal erzeugt wird, mit dem der Elektromotor so angesteuert wird, daß der gewünschte Wert an Lenkhilfskraft erreicht wird.
  • Herkömmliche elektrische Servolenksysteme verwenden in der Regel Steuersysteme, die auf der intuitiven und empirisch ermittelten Einstellung von Proportional-Integral-Differentialreglern (PID) oder Vorlauf-Nachlauf-Steuerungen beruhen. Durch unvermeidliche Modellisierungsfehler, Sensorrauschen und externe Störeinflüsse muß die Lenksystemsteuerung im allgemeinen in Gegenwart solcher Unsicherheitsfaktoren unempfindlich bzw. "robust" arbeiten können. Um sich der Leistung des elektrischen Servolenksystems anzupassen, erfordert der Ausgang der nichtlinearen Verstärkungskurve oft ein sehr breites Gefälle, um das gewünschte optimale Lenkgefühl zu erzielen. Zur Steuerung dieser Art von Lenksystem mit einem sehr hohen Verstärkungsfaktor der Verstärkungskurve ist es häufig für herkömmliche Lenksteuerungen schwierig, sowohl die Stabilität als auch die Robustheit des Systems im geschlossenen Regelkreis zu wahren, d.h. Komponentenverschleiß, mechanische Nichtlinearität und Störungen durch die Fahrbahnoberfläche.
  • Demzufolge ist es wünschenswert, ein elektrisches Servolenksystem für ein Fahrzeug zu stellen, das dem Fahrzeugführer Lenkmomentunterstützung zur Verfügung stellt, mit der eine optimale Lenkleistung erzielt werden kann. Insbesondere ist es wünschenswert, ein elektrisches Servolenkungs-Steuersystem zur Steuerung der Höhe der elektrischen Lenkhilfskraft in einer Weise zu stellen, die Stabilität und Robustheit des Systems bietet, ohne Einbußen an Lenksystemleistung und gewünschtem Lenkgefühl. Weiterhin ist es wünschenswert, optimale Lenkhilfskraftleistung zu erzielen, die auf starke Steigungsänderungen in der Verstärkungskurve reagiert.
  • Den Lehren der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Lenksystem und -Verfahren zur Steuerung der Lenkung eines Fahrzeuges gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gestellt. Einem Aspekt der Erfindung zufolge wird ein elektrisches Servolenksystem gestellt, das eine Lenkeinheit aus einem mit einer Lenksäule verbundenen Lenkrad und einem Elektromotor beinhaltet, welcher zwecks Abgabe einer Lenkmomentunterstützung mit besagter Lenksäule in Wirkverbindung steht. Das System beinhaltet einen Sensor zur Erfassung eines Drehmomentsignales, das im wesentlichen ein vom Fahrer am Lenkrad angelegtes Drehmoment anzeigt. Des weiteren beinhaltet das System eine in eine Rückkopplungsschleife eingekoppelte H-unendlich-Steuerung zur Erzeugung eines Motorsteuersignals als Funktion des Drehmomentsignals. Das Motorsteuersignal wird vorzugsweise dadurch erstellt, daß das Rückmeldesignal in der Rückkopplungsschleife mit einem Modellwert- oder "Vorkopplungssignal" kombiniert wird, worin das Vorkopplungssignal durch Anlegen des Drehmomentsignals an einer Verstärkungskurve erzeugt wird.
  • Einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren gestellt, das folgende Schritte beinhaltet: Erfassen eines Drehmomentsignales, das im wesentlichen das vom Fahrer am Lenkrad angelegte Drehmoment anzeigt, Verarbeiten des so erfaßten Drehmomentsignales mit einer H-unendlich-Steuerung in einer Rückkopplungsschleife zur Erzeugung eines Rückkopplungssignales; Erzeugen eines Vorkopplungssignales durch Anlegen des Drehmomentsignales an einer Verstärkungskurve; Kombinieren des Rückmeldesignales mit dem Vorkopplungssignal zur Erzeugung eines Motorsteuersignales, und Anlegen des Motorsteuersignales an einem Elektromotor zur Erzeugung einer Lenkmomentunterstützung. Dementsprechend liefert die in dem System und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte H-unendlich-Rückkopplungsregelung vorteilhaft erhöhte Stabilität und Robustheit des Systems, ohne dafür Systemleistung oder gewünschtes Lenkgefühl zu opfern.
  • Die Erfindung soll nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
  • 1: eine diagrammartige Ansicht eines elektrischen Servolenksystems für ein Radfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2: ein Blockdiagramm des Steuersystems, bei welchem eine H-unendlich-Steuerung zur Steuerung des elektrischen Servolenksystems zum Einsatz kommt;
  • 3: ein Blockdiagramm, welches Funktionen der Drehmomentschätzschaltung zur Schätzung des vom Fahrer am Zahnstangengetriebe gemäß einer Ausbildungsform veranschaulicht;
  • 4: ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches die H-unendlich-Steuerung zur Steuerung des Lenksystems noch weiter veranschaulicht; und
  • 5: ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Steuerung des elektrischen Servolenksystems gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Es sei nun Bezug genommen auf die 1, wo ein elektrisches Servolenksystem (electric power assist steering – EPAS) 10 dargestellt ist, welches mit einem Steuersystem 30 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, und das für den Einsatz in einem Radfahrzeug wie z.B. einem Kraftfahrzeug bestimmt ist. Das Lenksystem 10 ist hier in Verbindung mit der Servolenkung eines Paares Straßenlaufräder 28 beschrieben, wie z.B. den Vorderrädern eines Kraftfahrzeuges, die ausgelegt sind, in Reibungskontakt mit dem Boden, z.B. einer Fahrbahn zu stehen. Es sei jedoch vermerkt, daß das Lenksystem 10 der vorliegenden Erfindung auch dazu eingesetzt werden kann, eine Reihe Vorder- und/oder Hinterräder eines lenkbaren Fahrzeuges zu lenken.
  • Das elektrische Servolenksystem 10 weist eine Lenkeinheit auf, die ein drehbares Lenkrad 12 beinhaltet, welches allgemein im Fahrgastraum des Fahrzeuges untergebracht und von Hand durch den Fahrer des Fahrzeuges drehbar ist, so daß die Straßenlaufräder 28 gelenkt werden. Die Lenkeinheit beinhaltet auch eine Lenksäule 14, welche in Wirkverbindung mit dem Lenkrad 12 gekoppelt ist. Die Lenksäule 14 weist eine drehbare Welle 15 auf, die sich synchron mit dem Lenkrad 12 dreht. Die Welle 15 ist vorzugsweise direkt mit dem Lenkrad 12 verbunden. Die dargestellte Lenkeinheit verwendet eine Zwischenwelle 1b und eine Ritzelwelle 18, die beide in Wirkverbindung mit der Lenksäule 14 stehen. Die Lenksäule 14, die Zwischenwelle 16 und die Ritzelwelle 18 sind vorzugsweise über Kardangelenke miteinander verbunden, wie es im Bereich der Fahrzeuglenktechnik bekannt ist. Während in diesem Beispiel eine Lenksäule 14, eine Zwischenwelle 16 und eine Ritzelwelle 18 dargestellt sind, sei angemerkt, daß auch jede andere Zahl drehbarer Wellen und verschiedener mechanischer Einheiten mit dem Lenkrad 12 gekuppelt sein können, um die lenkbaren Vorderräder 28 in Reaktion auf die Betätigung des Lenkrades 12 zu betätigen.
  • Mit der Ritzelwelle 18 ist ein Elektromotor 20 gekoppelt, um eine Lenkmomentunterstützung an die Welle 18 zu liefern, so daß der Fahrzeugführer beim Drehen des Lenkrades 12 unterstützt wird. Elektromotor 20 liefert eine Hilfskraft (Drehmoment) zur Unterstützung der Lenkbewegung der Straßenlaufräder 28, um so die Höhe der vom Fahrer erforderlichen Kraft zu reduzieren. Die Servolenkunterstützung senkt die Auswirkungen der Reibung in der Lenkeinheit und der Aufstandskraft. Die Ritzelwelle 18 ist an einem Ende mit einer Zahnradgetriebeeinheit 28 gekoppelt, die die Winkeldrehung der Ritzelwelle 18 in eine Linearbewegung an einer Zahnstange 24 wandelt. Die Zahnstange 24 ist wiederum an jeweils gegenüberliegenden Enden mit Spurstangen 26 und Kuppelstangen 27 verbunden, die jeweils derart beweglich sind, daß sie die Verschwenkung der Straßenlaufräder 28 nach links und rechts erlauben. Es sei dabei angemerkt, daß das Lenkrad 12, die Lenksäule 14, die Wellen 16 und 18, das Zahnradgetriebe 22, die Zahnstange 24, die Spurstangen 26, Kuppelstangen 27 und Straßenlaufräder 28 eine herkömmliche Fahrzeuglenkanlage bilden können.
  • Das elektrische Servolenksystem 10 weist ein Steuersystem 30 auf, welches die Höhe des vom Elektromotor 20 erzeugten Drehmoments regelt. Das Steuersystem 30 beinhaltet vorzugsweise eine oder mehrere auf einem Mikroprozessor basierende Steuerung(en) mit einem derart programmierten Speicher, daß er Steuerroutinen betreibt, Eingangssignale verarbeitet, Drehmomentsignale schätzt und Steuersignale zur Steuerung des Elektromotors über das Steuerbefehlssignal U erzeugt, so daß die gewünschte Drehmomentunterstützung Ta gestellt wird. Das Steuersystem 30 ist vorzugsweise mit einer Rückkopplungsregelung und einer Modell- oder "Vorkopplungsregelung" ausgelegt, wie hierin noch beschrieben wird. Zwar verwendet das Steuersystem 30 eine oder mehrere programmierte Steuerung(en), es sei jedoch vermerkt, daß diverse Analog- und Digitalschaltungen ebenfalls eingesetzt werden könnten, eine Drehmomentschätzung zu liefern, und die vom Elektromotor gestellte Lenkhilfskraft zu regeln, ohne sich dadurch von den Lehren der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
  • Zusätzlich dazu beinhaltet das Lenksystem 10 auch einen Lenkwinkelsensor 32 zur Messung der Lenksäulenwinkelstellung θc. Lenkwinkelsensor 32 erfaßt die Winkellage der drehbaren Welle 15 der Lenksäule 14. Die gemessene Lenksäulenwinkelstellung θc stellt ein Maß für die Winkellage des Lenkrades 12. Der gemessene Lenksäulenwinkel θc wird in das Steuersystem 30 eingegeben und wird gemäß einer Ausführungsform zur Schätzung von Drehmomentsignalen verwendet. Das Steuersystem 30 überwacht auch die Winkelgeschwindigkeit θm des Elektromotors 20. Die Geschwindigkeit θm des Elektromotors kann direkt über das Elektromotoreingangssignal U gemessen werden, oder sie kann separat über einen Winkelgeschwindigkeitssensor oder durch Differenzierung des Ausgangssignales eines Winkelstellungssgebers erfaßt werden.
  • Es sei nun Bezug genommen auf 2, wo das Steuersystem zur Steuerung des elektrischen Servolenksystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Das Steuersystem 30 besteht darstellungsgemäß aus verschiedenen Steuervorrichtungen, wovon jede mit Steuerroutinen programmiert ist, eine oder mehrere ihr zugeordnete Steuerfunktionen auszuführen, um eine gewünschte Drehmomentunterstützung durch den Elektromotor zu bewirken, mit welcher eine erhöhte Fahrzeuglenkleistung erreicht wird. Der Darstellung gemäß beinhaltet das Steuersystem 30 einen Funktionsblock 10, welcher das bereits erläuterte elektrische Servolenksystem darstellt und einen fahrerseitigen Eingang 32 aufweist, welcher das vom Fahrer angelegte Drehmoment ist. Das elektrische Servolenksystem 10 empfängt den fahrerseitigen Eingang 32 in Form eines am Lenkrad 12 angelegten Drehmoments. Zusätzlich empfängt das Lenksystem 10 ein Motoreingangsbefehlssignal U Weiterhin liefert das elektrische Servolenksystem 10 die erfaßte Lenkradwinkelstellung θc und die Drehgeschwindigkeit θm des Elektromotors.
  • Das Steuersystem 30 beinhaltet eine Nachschlagetabelle 34 nichtlinearer Verstärkungskurven, welche ein Fahrer-Drehmoment-Schätzwertsignal empfängt und ein Modellwert- oder "Vorkopplungssignal" erzeugt, das dem Rückkopplungssignal zugeschlagen wird, um das Motoreingangsbefehlssignal U zu erzeugen. Die Verstärkungskurven-Nachschlagetabelle 34 beinhaltet vorzugsweise eine nichtlineare Verstärkungskurve, welche die Höhe des Motoreingangsbefehlssignals U über dem geschätzten fahrerseitigen Drehmoment Tdest bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten aufzeichnet. Die Verstärkungskurve spricht also auf eine (nicht dargestellte) erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit an. Die Verstärkungskurven-Nachschlagetabelle 34 ist in der Lage, einen hohen Verstärkungsfaktor zu liefern, z.B. eine Verstärkung mit einer Steigung von 300 NM/NM im Falle des Steuersystems 30 der vorliegenden Erfindung. Einer Ausführungsform zufolge beinhaltet das Steuersystem 30 eine Drehmoment-Schätzungsschaltung 40 zur Schätzung des fahrerseitig am Lenkrad 12 angelegten Drehmomentes Tdest, und des weiteren zur Schätzung des Ritzeldrehmoments Tcest, das an der Ritzelwelle 18 angelegt wird. Als Eingänge empfängt die Drehmomentschätzschaltung die erfaßte Winkelstellung θc der Lenksäule und das Elektromotor-Eingangsbefehlssignal U. Dabei sei angemerkt, daß die Drehmomentschätzschaltung 40 durch die Abschätzung des vom Fahrer angelegten Drehmomentes Tdest und des Ritzeldrehmoments Tcest Drehmomentschätzwerte liefert, welche einen herkömmlichen Ritzeldrehmomentsensor überflüssig machen, so daß die Gesamtkosten und der Gesamtaufwand des Lenksystems 10 gesenkt werden. Der dargestellten Ausführungsform zufolge schätzt die Drehmomentschätzschaltung 40 das vom Fahrer angelegte Drehmoment Tdest und das Ritzeldrehmoment Tcst als Funktion der erfaßten Lenksäulenwinkelstellung θc. Einer anderen Ausführungsform gemäß schätzt der Drehmomentsensor 40 das vom Fahrer angelegte Drehmoment Tdest und das Ritzeldrehmoment Tcest als Funktion der gemessenen Winkelgeschwindigkeit θm des Elektromotors. Dabei ist des weiteren anzumerken, daß das Fahrer- und das Ritzeldrehmoment Tdest und Tcest auch auf andere Weise ermittelt werden können, wie z.B. unter Einsatz eines Drehmomentsensors zur Erzielung eines Fahrer-Drehmomentsignals Td.
  • Das Steuersystem 30 beinhaltet einen Gleichgewichtsregler 38 und einen H-unendlich-Regler 64, der in eine Rückkopplungsschleife 44 eingebunden ist. Der Gleichgewichtsregler 38 empfängt als Eingänge den Schätzwert des vom Fahrer angelegten Drehmomentes Tdest und des Ritzeldrehmomtes Tcest sowie die erfaßte Winkelstellung θc, die Motorwinkelgeschwindigkeit θm, und das Soll-Drehmoment Tades. In Reaktion auf diese Eingänge liefert der Gleichgewichtsregler 38 ein gemitteltes Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsschleife 44, das dann weiter in der H-unendlich-Steuerung 64 verarbeitet wird, bevor es in der Summenschaltung 42 zu dem Modellwert- oder "Vorkopplungssignal" des Soll-Drehmoments Tades addiert wird. Die Summenschaltung 42 summiert das Rückkopplungssignal in der Rückkopplungsschleife 44 zum Vorkopplungssignal in der Vorkopplungsschleife 46 und liefert so das Motoreingangsbefehlssignal U, mit welchem der Elektromotor 20 angetrieben wird.
  • Die Modell- oder Vorkopplungsschleife 46 beinhaltet einen Reibungsausgleichsfilter 36, der den Schätzwert des fahrerseitig angelegten Drehmoments Tdest empfängt und unerwünschte hochfrequente Signale herausfiltert, um Reibungskräfte wie z.B. Fahrbahnaufstandsreibung und Lenksäulenreibung auszugleichen. Der reibungskompensierte gefilterte Ausgang wird dann als Eingang der Verstärkungskurven-Nachschlagetabelle 34 zugeführt, die wiederum das Soll-Drehmomentsignal Tades erzeugt. Dementsprechend beinhaltet das Steuersystem 30 sowohl eine Rückkopplungsschleife 44 als auch eine Vorkopplungsschleife 46. Es sei dabei angemerkt, daß die Rückkopplungsschleife 44 vorteilhaft eine robuste Stabilität des geschlossenen Regelsystems 30 ergibt und die Kompensation von Änderungen in den Komponenten ermöglicht, während die Vorkopplungsschleife 46 eine schnelle statische Reaktion und Reibungsdämpfung bietet. Wenn die Drehmomentschätzschaltung 40 nicht die beabsichtigten Operationen ausführen kann, bleibt das Steuersystem 30 also trotzdem stabil. Desgleichen bleibt das geschlossene Regelsystem, wenn die Rückkopplungsschleife 44 nicht arbeitet, ebenfalls stabil.
  • Mit besonderem Bezug auf 3 sind nun die von der Drehmomentschätzschaltung 40 nach einer Ausführungsform ausgeführten Drehmomentschätzfunktionen zur Bestimmung des geschätzten Fahrer-Drehmoments Tdest und des geschätzten Ritzeldrehmoments Tcest weiter im einzelnen dargestellt. Die Drehmomentschätzschaltung 40 beinhaltet eine Reihe von Funktionsblöcken, welche gemessene Transferfunktionen beinhalten, die jeweils G21, G–1 21, G22, G–1 22, G–1 31 und G32 enthalten. Die Transferfunktionen G21, G–1 21, G22, G–1 22, G–1 31, und G32 werden ausgehend von der dynamischen Relation der gewählten Lenksystemausgänge geteilt durch die gewählten Eingänge gemessen und sind wie folgt definiert. Die Transferfunktion G31 ist die Relation des Lenkwinkelausganges θc geteilt durch den Fahrer-Drehmomenteingang Td. Die Transferfunktion G32 ist die Relation des Lenkwinkelausganges θc geteilt durch das Motoreingangsbefehlssignal U. Transferfunktion G22 ist die Relation des Ritzeldrehmomentausgangs Tc geteilt durch das Motoreingangsbefehlssignal U.
  • Die Drehmomentschätzschaltung 40 empfängt als Eingänge das Motoreingangsbefehlssignal U und das erfaßte Winkelstellungssignal θc. Das Motoreingangsbefehlssignal U wird in Funktionsblock 50 der Transferfunktion G22 zugeführt und wird außerdem in Funktionsblock 52 in die Transferfunktion G32 eingegeben. Der Ausgang des Funktionsblockes 50 wird einem negativen Eingang der Summenschaltung 54 und einem positiven Eingang der Summenschaltung 60 zugeführt, während der Ausgang von Funktionsblock 52 einem negativen Eingang der Summenschaltung 56 zugeführt wird. Die Summenschaltung 56 zieht den Ausgang des Funktionsblocks 52 von der gemessenen Lenksäulen-Winkelstellung θc ab und liefert das Subtraktionsergebnis als Eingang an den Funktionsblock 58. Funktionsblock 58 enthält eine Produkttransferfunktion G21 und G–1 31. G–1 31 ist der Kehrwert der Transferfunktion G31. Der Ausgang von Funktionsblock 58 wird einem positiven Eingang der Summenschaltung 60 zugeführt, während der andere positive Eingang der Summenschaltung 60 den Ausgang von Funktionsblock 50 empfängt. In der Summenschaltung 60 werden die beiden Eingänge addiert, um ein geschätztes Ritzeldrehmoment Tcest zu bestimmen; das einen der Eingänge der Drehmomentschätzungsschaltung 40 darstellt.
  • Das geschätzte Ritzeldrehmoment Tcest wird weiter einem positiven Eingang der Summenschaltung 54 eingegeben. Die Summenschaltung 54 zieht also den Ausgang des Funktionsblockes 50 von dem geschätzten Ritzeldrehmoment Tcest ab und erstellt ein Subtraktionsergebnis als Eingang für den Funktionsblock 62. Funktionsblock 62 enthält eine Transferfunktion G–1 21, welche den Kehrwert der Transferfunktion G21 darstellt, und erzeugt den Schätzwert des vom Fahrer angelegten Drehmomentes Tdest als zweiten Ausgang der Drehmomentschätzungsschaltung 40. Die Drehmomentschätzungsschaltung 40 erstellt somit Schätzwerte sowohl des Fahrer-Drehmoments Tdest als auch des Ritzeldrehmoments Tcest, welche dann zur Erzeugung des Motorsteuerbefehlssignals U zur Steuerung des elektrischen Servolenksystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Die Drehmomentschätzungsschaltung 40 ist dazu ausgelegt, Drehmomentschätzungen anhand der Drehmomentschätzfunktionen zu erstellen, die wie folgt dargestellt werden können: Tdest = [Tcest – G22U][G21]–1 (1) Tcest = G21[(G31)–1(θc – G32U)] + G22U (2)
  • Die resultierenden Drehmomentschätzungsgleichungen (1) und (2) werden aus einem Modell der dynamischen Relationen im Lenksystem abgeleitet, die ausgehend von den Newtonschen Bewegungssätzen gebildet werden. Das dynamische Modell des Lenksystems ist definiert durch die Meßwert-Transferfunktionen, wie sie oben beschrieben sind. Durch Berechnen des Motoreingangssteuersignals U und Messen der Lenkwinkelstellung θc wird der Schätzwert des Fahrer-Drehmoments Tdest und der Schätzwert des Ritzeldrehmoments Tcest berechnet, ohne dafür eine direkte Messung des Drehmoments mit einem Drehmomentsensor zu erfordern.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet eine H-unendlich-Steuerung zur Verarbeitung des gemessenen Fahrer-Drehmoments oder des Fahrer-Drehmomentschätzwerts Tdest und Stellung eines Rückkopplungsregelsignals zur Anpassung des Motorsteuerbefehlssignals U Die H-unendlich-Steuerung bietet robuste Stabilität des geschlossenen Regelschleifensystems und minimiert die Auswirkungen der Widerstandskräfte an der Zahnstange und von Sensorrauschen. Bei der Ausgestaltung von H-unendlich-Steuerungen kann ein typisches nichtlineares dynamisches Modell des elektrischen Servolenksystems 10 als durch die folgenden Gleichungen (3) bis (5) gegeben betrachtet werden:
    Figure 00120001
  • Td und Ta stellen jeweils das vom Fahrer angelegte Drehmoment (Nm) und das Hilfsdrehmoment (Nm) dar. θc, xr, θm stellen jeweils die Lenkraddrehstellung (rad), die Position der Zahnstange (m) und die Drehstellung des Lenkhilfsmotors (rad) dar. Die Anlagenparameter beinhalten Jc (Trägheitsmoment der Lenksäule (kg-m2)), Kc (Steifigkeit der Lenksäule (N/rad)), Bc (proportionale Dämpfung der Lenksäule (N-s/rad)), M (Masse der Zahnstange (kg)), Br (proportionale Dämpfung der Zahnstange (N-s/rad)), rp (Radius des Lenkwellenritzels (m)), G (Übersetzungsverhältnis des Getriebemotors), Km (Drehsteifigkeit der Motorwelle und des Getriebes (N-s/rad)), Jm (Motor-Drehträgheitsmoment (kg-m2)), Bm (proportionale Dämpfung der Motorwelle und des Getriebes (N-s/rad)) und Kt(Rückstellfederrate am Reifen oder der Zahnstange (N/m)). fc, fr und fm stellen nichtlineare Termini im Modell dar.
  • Zur Bildung der H-unendlich-Steuerung 64 wird das nichtlineare dynamische Modell in einem H-unendlich-Format wie folgt umformuliert. Zuerst wird das Modell der elektrischen Servolenkung in der Nähe eines Nenn-Betriebspunktes linear gemacht. Das linearisierte Modell wird dann in ein Zustands-Raum-Modell übertragen. Der Zweck der Rückkopplung F ist, Unempfindlichkeit und Stabilität des geschlossenen Regelsystems 30 zu gewährleisten, und die Auswirkungen von Störungen des Lenksystems durch Kräfte an der Zahnstange Fr, Ritzeldrehmomentrauschen dT, Lenkwinkelsensor-Rauschen dc, Motordrehzahlrauschen dm und das Lenkhilfsdrehmoment zu minimieren. Zur Vereinfachung der Konstruktion der Rückkopplung F unter Anwendung der H-unendlich-Konstruktionswerkzeuge werden die Zustands-Raum-Modelle des Systems wie folgt geändert. Die ursprüngliche Anlage kann durch die beiden folgenden Gleichungen (6) und (7) dargestellt werden. x . = Ax + B1Td + B2Fr + B3u (6) y = Cx + D1TJ + D2Fr + D3u (7)
  • Die Variable y ist definiert durch y = [yc, ym]T wobei y = [Ta, Tc] gesteuerte Ausgänge sind, und ym = [Tc, Θc, Θm] die gemessenen Ausgänge sind. Die Regelziele können qualitativ wie folgt ausgedrückt werden.
    • 1. ∥Wa(Ta – T o / a)∥2 senken
    • 2. ∥Wf(Tc – KfFr)∥2 senken
    • 3. Der Aufwand zur Regelung von ∥eu∥2 = ∥Kuu∥2 ist nicht übermäßig hoch.
  • Die Variablen Wa und Wf sind Gewichtungsfunktionen, welche Frequenzbereiche definieren, in welchen die Minderungen vorgenommen werden sollen. Typische Beispiele von Gewichtungsfunktionen sind in den folgenden Gleichungen (8) und (9) dargestellt.
  • Figure 00140001
  • Da die Gewichtungsfunktionen als dynamische Systeme definiert sind, werden sie in das Zustands-Raum-Modell mit integriert. Die Ausdehnung der Zustandsvariable x1 = [Wa, Wf, x]T der Eingänge auf u1 = [d, u]T wobei d = [dT, dc, dm, Td, Fr]; und der Ausgänge auf y1 = [w, y]T mit dem geregelten Ausgang w = [eu, ea, ef] und dem gemessenen Ausgang y = [Tc, Θc, Θm] ist in 4 dargestellt.
  • Ein verstärktes Zustands-Raum-Modell (Anlage) kann wie in den folgenden Gleichungen (10) und (11) dargestellt erzielt werden. x .1 = A ∼x1 + B ∼1u + B ∼2d (10)
    Figure 00140002
    worin die Variablen A ∼, B ∼1, B ∼2, BT, BC, Bm, Bd, BF, C ∼ und D ∼ jeweils durch die folgenden Gleichungen (12) bis (21) dargestellt sind.
    Figure 00140003
    B ∼2 = [BT, Bc, BM, Bd, BF] (14)
  • Hier ist:
    Figure 00150001
    Figure 00160001
  • Worin ε ein kleiner positiver Wert ist, der die untere linke 3 × 5 Untermatrix der Gleichung (21) vollrangig macht. Zusätzlich dazu macht Ku, der nicht-Null ist, die obere rechte 3 × 1 Untermatrix der Gleichung (21) vollrangig. Es folgt daraus, daß das Problem der Konstruktion der H-unendlich-Steuerung nicht-singulär ist. Für das obige Modell kann das Konstruktionsproblem als ein H-unendlich-Minimierungsproblem formuliert werden, um die Rückkopplungsmatrix u = F(s)y zu finden, welche w in der Gegenwart einer Störung d minimiert. Die H-unendlich-Steuerung 64 kann mit im Handel erhältlichen H-unendlich-Steuerroutinen konstruiert werden, indem die Matrizen in den Gleichungen (12) bis (21) auf eine H-unendlich-Routine angewendet werden, um die Steuersystem-Transferfunktion und dadurch die H-unendlich-Steuerung 64 zu konfigurieren. Ein Beispiel einer geeigneten H-unendlich-Steuerroutine beinhaltet eine H-unendlich-(Sub)-Optimalsteuerung, auch als Glover-Doyle-Verfahren bekannt. Die H- unendlich-Steuerroutine kann Werkzeuge der Art der μ-Tools Toolbox in den Matlab/Simulink-Programmen der Version 2.0.6 und 3.0.4 verwenden, die im Handel von The MathWorks Inc. erhältlich sind. Das Verfahren zur praktischen Umsetzung der obengenannten Matlab/Simulink-Programme wird in den beiden folgenden, im Handel erhältlichen Matlab Toolbox-Referenzen gestellt:
    • (1) MU Analyse- und Synthesewerkzeugsatz (MU Analysis and Synthesis Toolbox); und
    • (2) Werkzeugsatz Robuste Steuerungen, Benutzerhandbuch (Robust Control Toolbox User's Guide).
  • Es sei nun Bezug genommen auf 5, wo ein Steuerverfahren 70 für die Steuerung des elektrischen Servolenksystems 10 mit dem auf einer H-unendlich-Steuerung basierenden Steuersystem 30 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist. Das Steuerverfahren 70 beinhaltet einen Schritt 72 der Konstruktion einer H-unendlich-Steuerung unter Verwendung eines Modells einer elektrischen Servolenkanlage. Die Konstruktion der H-unendlich-Steuerung erfolgt vorzugsweise wie oben erläutert offline, also separat. Ist die H-unendlich-Steuerung fertig konstruiert, schätzt das Steuerverfahren 70 in Schritt 74 das Fahrer-Drehmoment Tdest. Alternativ dazu kann das fahrerseitige Drehmoment Tdest auch direkt gemessen werden. Wird eine Schätzung des fahrerseitigen Drehmoments Tdest eingesetzt, enthält die Drehmomentschätzung in der Regel die Bestimmung der Transferfunktionen G21, G–1 21, G22, G–1 22, G–1 31, und G32, die mit abgeschaltetem Lenksystem dadurch bestimmt werden können, daß ein bekannter Fahrer-Eingang am Lenkrad angelegt wird, und ausgewählte Eingänge und Ausgänge gemessen werden, und dann die Transferfunktion berechnet wird, indem der gewählte Ausgang durch den gewählten Eingang für die entsprechenden definierten Funktionen geteilt wird.
  • Nach dem Übergang zu Schritt 76 berechnet das Steuerverfahren 70 das Soll-Lenkhilfsdrehmoment Tades zum Einsatz als Modell- bzw. "Vorkopplungssteuersignal" unter Verwendung der Verstärkungskurve. Das Soll-Drehmoment Tades kann ausgehend von dem geschätzten fahrerseitigen Drehmoment Tdest und der Fahrzeuggeschwindigkeit anhand der von der Verstärkungskurve gelieferten Kennfelddaten generiert werden. Dann geht das Steuerverfahren 70 weiter zu Schritt 78 und berechnet die Gleichgewichts-Betriebsbedingung für Tdest, Tcest, Tades, θc und θm bei dem Soll-Lenkhilfsdrehmoment Tades unter Einsatz des Modells der elektrischen Servolenkanlage. Es sei hierbei angemerkt, daß das vorliegende Rückkopplungssignal durch die Stellung eines Gleichgewichtspunkts das Fahrer-Drehmoment genauer bestimmt, indem ein gemitteltes Signal gestellt wird, das sanfte Übergänge zwischen verschiedenen dynamischen Übergängen während des Fahrzeugbetriebes erlaubt.
  • Weiter fortschreitend zu Schritt 80 mißt oder schätzt das Steuerverfahren 70 das Ritzeldrehmoment Tcest. Als nächstes wird in Schritt 82 mit dem Lenksäulensensor der Lenksäulenwinkel θc gemessen. In Schritt 84 wird die Geschwindigkeit θm des Elektromotors gemessen. In Schritt 86 berechnet das Verfahren 70 dann die Abweichung des Systembetriebszustandes vom Gleichgewichtspunkt. Diese Abweichung liefert ein Fehlersignal, das der H-unendlich-Rückkopplungssteuerung zugeführt wird. In Schritt 88 wird das Rückkopplungssteuersignal unter Einsatz des Fehlersignals berechnet, das von der H-unendlich-Steuerung verarbeitet worden ist. In Schritt 90 werden die Rückkopplungs- und Vorkopplungssteuersignale miteinander kombiniert, so daß das Motorsteuerbefehlssignal U zum Betreiben des Elektromotors erzeugt wird. Schließlich wird in Schritt 92 das Motorsteuerbefehlssignal U am Elektromotor angelegt, um den Elektromotor derart zu treiben, daß eine Lenkunterstützung mit gewünschtem Lenkgefühl erzielt wird.
  • Das elektrische Servolenksystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung liefert also in vorteilhafter Weise eine elektrische Lenkunterstützung für ein Servolenksystem eines Fahrzeuges, indem es eine H-unendlich-Steuerung einsetzt, um die Stabilität und Unempfindlichkeit bzw. Robustheit des Lenksystems zu gewährleisten, ohne dafür Systemleistung oder gewünschtes Lenkgefühl zu opfern. Durch die Verwendung einer H-unendlich-Steuerung ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Verstärkungskurve mit sehr hohem Verstärkungsfaktor und ist in der Lage, sowohl die Stabilität als auch die Robustheit trotz Komponentenverschleiß, mechanischer Nichtlinearitäten und fahrbahnseitiger Störeinflüsse zu wahren, die das System sonst nachteilig beeinflussen könnten.
  • Zwar ist hierin ein Beispiel der Lenkanlage dargestellt worden, das eine Drehmomentschätzung verwendet, es ist jedoch anzumerken, daß auch andere Lenkeinheiten in Verbindung mit dem hierin beschriebenen Steuersystem verwendet werden können, ohne sich dadurch vom Geiste der vorliegenden Erfindung zu entfernen.

Claims (8)

  1. Elektrisches Servolenksystem für ein Fahrzeug, folgendes aufweisend: eine Lenkeinheit mit einem mit einer Lenksäule (14) verbundenen Lenkrad (12); einen Elektromotor (20), welcher zwecks Abgabe einer Lenkmomentunterstützung mit besagter Lenksäule in Wirkverbindung steht; einen Drehmomentsensor (40), welcher ein Drehmomentsignal bestimmt, das im wesentlichen ein vom Fahrer an der Lenkeinheit angelegtes Drehmoment anzeigt; und eine N-unendlich-Steuerung (64), welche in einer Rückkopplungs-Regelschleife eingekoppelt ist, zur Erzeugung eines Rückmeldesignals als Funktion des besagten Drehmomentsignals, das mit einem Vorkopplungssignal kombiniert wird, um ein Motorsteuersignal zur Steuerung des Elektromotors zu liefern, wobei besagtes Vorkopplungssignal durch Anlegen des Drehmomentsignals an eine Werterhöhungs- oder Verstärkungskurve erzeugt wird.
  2. System nach Anspruch 1, außerdem einen Reibungskompensationsfilter zur Filterung des besagten Drehmomentsignals aufweisend.
  3. System nach Anspruch 1, worin besagter Drehmomentsensor das Drehmomentsignal schätzt.
  4. System nach Anspruch 3, worin besagter Drehmomentsensor ein Drehmomentsignal als Funktion einer erfaßten Winkelstellung der Lenkeinheit schätzt.
  5. System nach Anspruch 4, worin besagter Drehmomentsensor das geschätzte Drehmomentsignal außerdem als eine Funktion einer oder mehrerer Lenksystem-Transferfunktionen ermittelt.
  6. System nach Anspruch 1, worin besagte Lenkeinheit außerdem eine Welle beinhaltet, welche in Wirkverbindung mit der Lenksäule steht und außerdem mit einer Zahnstangengetriebeeinheit gekoppelt ist, worin besagter Elektromotor an besagter Welle angekuppelt ist.
  7. Steuersystem zur Steuerung der elektromotorischen Drehmomentunterstützung in einem elektrischen Servolenksystem für ein Fahrzeug mit einer Lenkeinheit, welche ein mit einer Lenksäule gekoppeltes Lenkrad und einen Elektromotor beinhaltet, der in Wirkeingriff mit der Lenkeinheit steht, um Lenkmomentunterstützung zu liefern, worin besagtes Steuersystem folgendes beinhaltet: einen Drehmomentsensor zur Bestimmung eines Drehmomentsignals, welches im wesentlichen ein vom Fahrer an der Lenkeinheit angelegtes Drehmoment anzeigt; und eine in einer Rückkopplungsregelschleife eingebundene H-unendlich-Steuerung zur Erzeugung eines Rückkopplungssignales als Funktion des besagten Drehmomentsignals, welches mit einem Vorkopplungssignal kombiniert wird, um ein Motorsteuersignal zur Steuerung des Elektromotors zu erzeugen, worin das Vorkopplungssignal durch Anlegen des Drehmomentsignals an eine Werterhöhungs- oder Verstärkungskurve erzeugt wird.
  8. Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Servolenksystems mit einer Lenkeinheit mit einem mit einer Lenksäule für ein Fahrzeug verbundenen Lenkrad, wobei besagtes Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Bestimmen eines Drehmomentsignales, das im wesentlichen das vom Fahrer an der Lenkeinheit angelegte Drehmoment anzeigt; Verarbeiten des Drehmomentsignales mit einer H-unendlich-Steuerung in einer Rückkopplungsschleife zur Erzeugung eines Rückkopplungssignales; Erzeugen eines Vorkopplungssignales durch Anlegen des Drehmomentsignales an einer Werterhöhungs- oder Verstärkungskurve; Kombinieren des Rückkopplungssignales mit dem Vorkopplungssignal zur Erzeugung eines Motorsteuersignales zur Steuerung eines Elektromotors; und Anlegen des besagten Motorsteuersignales an einem Elektromotor zur Erzeugung eines geregelten Betrages an Lenkmomentunterstützung.
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