DE60121181T2

DE60121181T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln von Lenkgefühl mit Diagnosen

Info

Publication number: DE60121181T2
Application number: DE2001621181
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Framington Hills Miller
Original assignee: TRW Automotive US LLC
Current assignee: ZF Active Safety and Electronics US LLC
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: EP1702831A1; DE60121181D1; DE60137373D1; EP1702831B1; EP1316494A1; ES2318618T3; EP1316494B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Servolenksystem und genauer gesagt auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswählen eines Lenkgefühls und zum Synchronisieren des Betriebs zwischen einer Hauptsteuervorrichtung und eine Aufseher-Steuervorrichtung zu diagnostischen Zwecken.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Servolenksysteme sind in der Technik bekannt. Derartige Systeme umfassen typischerweise ein Lenkrad, das mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs durch eine geeignete Lenkverbindung verbunden ist, wie beispielsweise durch ein Zahnstangen- und Ritzellenkgetriebe. Ein Sensor für das angelegte Lenkdrehmoments fühlt das angelegte Lenkdrehmoment ab und sein Ausgang ist mit einer Steuervorrichtung verbunden. Ein elektrischer Hilfsmotor ist lenkbar mit den lenkbaren Rädern verbunden: Die Steuervorrichtung steuert die Erregung des elektrischen Hilfsmotors ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment.
Andere Sensoren sind ebenfalls mit der Steuervorrichtung verbunden. Derartige andere Sensoren umfassen einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor. Es ist bekannt, den elektrischen Hilfsmotor als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit zu steuern. Die geschwindigkeitsproportionale Lenksteuerung ist in der Technik bekannt. Während die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt, nimmt die Lenkhilfe ab.
Diagnoseanordnungen für elektrische Servolenksysteme sind ebenfalls in der Technik bekannt. Wenn ein Fehler in dem Lenksystem abgefühlt wird, wird der elektrische Hilfsmotor deaktiviert und ein mechanisches Lenken wird durch die mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern vorgesehen.
In U.S. Patent Nr. 3,983,953 ist ein Elektromotor mit der Antriebslenkwelle gekoppelt und wird ansprechend auf das Drehmoment erregt, welches an das Lenkrad durch den Fahrzeugbetreiber angelegt wird, mit Energie versorgt bzw. erregt. Das Lenksystem umfasst einen Drehmomentsensor und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor. Ein Computer empfängt die Ausgangssignale, die durch sowohl die Drehmoment- als auch Geschwindigkeitssensoren vorgesehen werden. Der Computer steuert den Betrag der Lenkhilfe, die durch den Motor abhängig von sowohl dem angelegten Lenkdrehmoment als auch der abgefühlten Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen wird.
U.S. Patent Nr. 4,415,054 von Drutchas (jetzt U.S. Re-issue-Patent Nr. 32,222,?), das der TRW Inc. zugewiesen ist, verwendet einen elektrischen Gleichstromhilfsmotor, der durch eine „H-Brücken"-Anordnung angetrieben wird. Der Hilfsmotor umfasst einen ein Lenkglied umkreisenden, drehbaren Anker. Das Lenkglied besitzt einen ersten Teil mit einem Gewindeschraubengang darauf und einen zweiten Teil mit gerade geschnittenen Zahnstangenzähnen darauf. Die Drehung des elektrischen Hilfsmotorankers verursacht eine lineare Bewegung des Lenkglieds durch eine Kugelmutter, die antriebsmäßig mit dem Gewindeschraubengangteil des Lenkglieds verbunden ist. Eine Drehmoment abfühlende Einrichtung ist mit der Lenksäule zum Abfühlen des durch den Fahrer angelegten Drehmoments mit dem Lenkrad gekoppelt. Die Drehmoment abfühlende Einrichtung verwendet einen magnetischen Hall-Effekt-Sensor, der die relative Drehung zwischen den Antriebs- und Abtriebswellen über einen Torsionsstab abfühlt. Eine elektronische Steuereinheit („ECU – Electronic Control Unit) überwacht das Signal von der Drehmoment abfühlenden Einrichtung und steuert ansprechend darauf den elektrischen Hilfsmotor. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor liefert ein Signal an die ECU, das eine Anzeige für die Fahrzeuggeschwindigkeit bildet. Die ECU steuert den Strom durch den elektrischen Hilfs- bzw. Servomotor ansprechend sowohl auf die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit als auch das abgefühlte, angelegte Lenkdrehmoment. Die ECU verringert die Lenkhilfe wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Darauf wird in der Technik gewöhnlich als geschwindigkeitsproportionales Lenken Bezug genommen.
U.S. Patent Nr. 4,660,671 offenbart ein elektrisch gesteuertes Lenksystem, das auf dem Drutchas-Lenkgetriebe basiert. In der in dem '671-Patent gezeigten Anordnung ist der Gleichstrommotor axial von der Kugelmutter beabstandet und ist betriebsmäßig damit durch ein Verbindungsrohr verbunden. Die elektronischen Steuerungen umfassen eine Vielzahl von Diagnosemerkmalen, die den Betrieb des Lenksystems überwachen. Wenn ein Fehler in dem Betrieb des elektrischen Lenksystems detektiert wird, wird das Servolenksystem deaktiviert und die Lenkung kehrt zu einem nicht unterstützten Modus zurück.
U.S. Patent Nr. 4,794,997 von North, übertragen an TRW Cam Gears Limited, offenbart ein elektrisches Servolenksystem, welches einen elektrischen Motor besitzt, der betriebsmäßig mit der Zahnstange durch eine Kugelmutter verbunden ist. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und eine Sensor für das angelegte Lenkdrehmoment sind betriebsmäßig mit einer ECU verbunden. Die ECU steuert den elektrischen Strom durch den Motor als eine Funktion von sowohl dem angelegten Lenkdrehmoment als auch einer abgefühlten Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Strom wird durch Steuern des pulsbreitenmodulierten bzw. pulsweitenmodulierten („PWM" = Pulse-Width-Modulated) Signals, das an den Motor angelegt wird, gesteuert. Während das PWM zunimmt, nimmt die Servolenkung zu. Die ECU oder der Computer ist mit diskreten Steuerungskurven vorprogrammiert, die Lenkhilfewerte (PWM-Werte), die auch als Drehmomentausgangswerte bezeichnet werden, als eine Funktion des angelegten Lenkdrehmoments, das ebenfalls als Drehmomenteingangswerte bezeichnet wird, für eine Vielzahl von vorbestimmten, diskreten Fahrzeuggeschwindigkeitswerten vorsieht. Jeder Fahrzeuggeschwindigkeitswert besitzt eine assoziierte Drehmomenteingangs- versus Drehmomentausgangssteuerkurve.
U.S. Patent Nr. 5,257,828 von Miller et al. offenbart ein elektrisches Servolenksystem mit einer Gierratensteuerung. Dieses System verwendet einen Motor mit variabler Reluktanz, um Lenkhilfe an das Zahnstangenglied anzulegen. Das Drehmomentanforderungssignal wird als eine Funktion der Lenkratenrückkopplung modifiziert.
Darüber hinaus zeigt DE 3933295A eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Vorrichtung gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Servolenksystems der Bauart, die einen elektrischen Hilfsmotor besitzt, der lenkbar mit lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden ist, umfasst einen Drehmomentsensor zum Vorsehen eines Drehmomentsignals, das eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment bildet. Eine Lenkauswahlvorrichtung wird verwendet, um einen erwünschten Betrag von Lenkhilfe auszuwählen. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor wird zum Abfühlen der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen. Eine Steuervorrichtung steuert den elektrischen Hilfsmotor ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment und die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit und die Lenkauswahlvorrichtung durch Addieren eines indizierten Geschwindigkeitswerts zu dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, ansprechend auf die Auswahl der Geschwindigkeitsauswahlvorrichtung.
Eine Vorrichtung gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Steuern eines Servolenksystems, welches einen elektrischen Servolenkmotor besitzt, der lenkbar mit den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, umfasst einen Drehmomentsensor zum Abfühlen des angelegten Lenkdrehmoments, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zum Abfühlen der Fahrzeuggeschwindigkeit und eine Hauptsteuervorrichtung zum Steuern des elektrischen Hilfsmotors ansprechend auf das abgefühlte Lenkdrehmoment und die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Hauptsteuervorrichtung umfasst dynamisch variierende, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig einstellbare Parameter. Eine Aufseher-Steuervorrichtung überwacht den Betrieb der Hauptsteuervorrichtung. Der Aufseher umfasst Synchronisierungsmittel zum Synchronisieren des Betriebs der Aufseher-Steuervorrichtung und der Hauptsteuervorrichtung relativ zu der Fahrzeuggeschwindigkeit, so dass der Aufseher die dynamisch variierenden, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig einstellbaren Parameter der Hauptsteuervorrichtung berücksichtigt.
Ein Verfahren gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zum Steuern eines Servolenksystems der Bauart vorgesehen, die einen elektrischen Hilfsmotor besitzt, der lenkbar mit lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: das Abfühlen des angelegten Lenkdrehmoments und das Vorsehen eines Drehmomentsignals, das eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment bildet, das Auswählen eines erwünschten Betrags von Servolenkung bzw. Lenkhilfe, sowie das Abfühlen der Fahrzeuggeschwindigkeit und das Vorsehen eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das eine Anzeige für die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit bildet. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte des Steuerns des elektrischen Hilfsmotors ansprechend auf das abgefühlte, angelegte Lenkdrehmoment, die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit und die ausgewählte Servolenkung durch Addieren eines indizierten Geschwindigkeitswerts zu dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, ansprechend auf die ausgewählte Lenkhilfe.
Ein Verfahren gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Servolenksystems, welches einen elektrischen Servolenkmotor besitzt, der lenkbar mit lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden ist, umfasst die Schritte des Abfühlens des angelegten Lenkdrehmoments, des Abfühlens der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Steuerns des elektrischen Hilfsmotors mit einer Hauptsteuervorrichtung ansprechend auf das abgefühlte, angelegte Lenkdrehmoment und die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Steuervorrichtung umfasst dynamisch variierende, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig einstellbaren Parameter. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Überwachens des Betriebs der Hauptsteuervorrichtung mit einer Aufseher-Steuervorrichtung, wobei die Aufseher-Steuervorrichtung den Betrieb der Aufseher-Steuervorrichtung mit der Hauptsteuervorrichtung relativ zu der abgefühlten Fahrzeuggeschwindigkeit synchronisiert, so dass die Aufseher-Steuervorrichtung die dynamisch variierenden, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig einstellbaren Parameter der Hauptsteuervorrichtung berücksichtigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten des Gebiets, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, beim Lesen der fol genden detaillierten Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, in denen zeigt:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Servolenksystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine graphische Darstellung der Hilfssteuerkurven, die in dem System der 1 verwendet werden;
3 eine zur Geschwindigkeit proportionale Verstärkungskurve, die in dem System der 1 verwendet wird;
4 eine schematische Zeichnungsdarstellung eines linearisierten Regelungssystems;
5A und 5B Bode-Diagramme eines (offenen) Steuerungssystems, das einen feststehenden Drehmomentfilter verwendet;
6A und 6B Bode-Diagramme eines Steuerungssystems;
7A und 7B Bode-Diagramme eines Steuerungssystems mit Verstärkungen zwischen 1 und 5;
8A und 8B ein Bode-Diagramm des adaptiven Mischfilters für verschiedene Lenksystemverstärkungen;
9A und 9B ein Bode-Diagramm des Mischfilters für verschiedene Lenksystemverstärkungen; und
10 eine Geschwindigkeitsdämpfungssteuerkurve, die in dem System der 1 verwendet wird.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Ein Teil des in 1 gezeigten Steuersystems ist vollständig in dem U.S. Patent 5,504,403 von McLaughlin beschrieben.
Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Servolenksystem 10 ein Lenkrad 12, welches betriebsmäßig mit einem Ritzelgetriebe 14 verbunden ist. Genau gesagt ist das Fahrzeuglenkrad 12 mit einer Antriebswelle 16 verbunden und das Ritzelgetriebe 14 ist mit einer Abtriebswelle 18 verbunden. Die Antriebswelle 16 ist betriebsmäßig mit der Abtriebswelle 18 durch einen Torsionssensor 20 gekoppelt.
Der Drehmomentsensor 20 gibt ein elektrisches Signal mit einer elektrischen Charakteristik aus, die eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment bildet.
Das Ritzelgetriebe 14 steht betriebsmäßig mit einem Zahnstangenglied 22 in Eingriff. Das Zahnstangenglied 22 ist lenkbar mit lenkbaren Rädern 24, 26 des Fahrzeugs in einer bekannten Art und Weise verbunden. Ein elektrischer Hilfsmotor 28 ist antriebsmäßig mit dem Zahnstangenglied 22 verbunden, so dass die Erregung des Motors 28 den Fahrer bei der Lenkbewegung der lenkbaren Räder 24, 26 durch Bewegungshilfe des Zahnstangenglieds 22 unterstützt.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der elektrische Hilfsmotor 28 ein Motor mit variabler Reluktanz. Irgendeine andere Motorbauart kann verwendet werden, wie beispielsweise ein Permanentmagnetwechselstrom- („PMAC" = Permanent Magnet AC) Motor. Der Motor 28 umfasst gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung acht Statorpole und sechs Rotorpole. Die Statorpole sind angeordnet, um in Paaren, die als Aa, Bb; Cc und Dd bezeichnet werden, mit Strom versorgt bzw. erregt zu werden.
Der Betrieb eines Motors mit variabler Reluktanz und seine Betriebsprinzipien sind in der Technik gut bekannt. Grundsätzlich werden die Statorpole paarweise erregt. Der Rotor bewegt sich, um die Reluktanz zwischen den Statorpolen und den Rotorpolen zu minimieren. Eine minimale Reluktanz tritt auf, wenn ein Paar von Rotorpolen mit den erregten Statorpolen ausgerichtet wird. Sobald die minimale Reluktanz erreicht ist, d.h. wenn die Rotorpole mit den erregten Statorspulen ausgerichtet sind, werden diese erregten Statorspulen enterregt und ein benachbartes Paar von Statorspulen wird erregt.
Die Richtung der Motordrehung wird durch die Sequenz gesteuert, in welcher die Statorspulen erregt werden. Das durch den Motor erzeugte Drehmoment wird durch den Strom durch die Statorspulen gesteuert. Wenn der Motor erregt wird, dreht sich der Rotor, was wiederum den Mutterteil der Kugelmutterantriebsanordnung dreht. Wenn sich eine Mutter dreht, überträgt die Kugel eine lineare Kraft auf die Zahnstange. Die Richtung der Zahnstangenbewegung ist abhängig von der Drehrichtung des Motors.
Ein Motorrotorpositionssensor 30 ist betriebsmäßig mit dem Motorrotor und mit dem Motorgehäuse verbunden. Derartige Positionssensoren sind in der Technik bekannt. Eine der Funktionen des Rotorpositionssensors 30 ist es, ein elektrisches Signal vorzusehen, welches eine Anzeige für die Position des Rotors relativ zu dem Motorstator bildet. Für den korrekten Betrieb des Motors mit variabler Reluktanz, einschließlich der Drehrichtung und des angelegten Drehmoments ist es notwendig, die Position des Rotors relativ zu dem Stator zu kennen. Die Hauptsteuervorrichtung 40 berechnet die Motordrehzahl 32 aus dem Ausgang des Motorpositionssensors 30.
Ein Drehmomentsensor 20 ist betriebsmäßig über die Antriebswelle 16 und die Abtriebswelle 18 verbunden und sieht ein elektrisches Signal mit einem Wert vor, der eine Anzeige für die relative Drehposition oder die relative Winkelorientierung zwischen der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 18 bildet. Das Lenkrad 12 wird durch den Fahrer während eines Lenkmanövers um einen Winkel Θ_WH gedreht. Der relative Winkel zwischen der Antriebswelle 16 und der Abtriebswelle 18 als ein Ergebnis des angelegten Eingangsdrehmoments wird hierin als Θ_p bezeichnet. Die Federkonstante K_t der Torsionsstange des Drehmomentsensors berücksichtigend bildet das elektrische Signal von dem Sensor 40 eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment, das hierin als τ_S bezeichnet wird.
Der Drehmomentsensorsignalausgang ist mit einer Hauptsteuervorrichtung 40 und einer Aufseher-Steuervorrichtung 44 verbunden. Die Hauptsteuervorrichtung 40 umfasst eine Signalverarbeitungsschaltung 50. Die Verarbeitungsschaltung 50 überwacht den Winkel Θ_p und sieht unter „Kenntnis" der Federkonstante K_t der Torsionsstange ein elektrisches Signal vor, welches eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment τ_S bildet.
Das Drehmomentsensorsignal wird durch ein Paar von Mischfiltern hindurch geleitet. Die beiden Mischfilter sind derart aufgebaut, dass der erste ein Tiefpassfilter 70 und der zweite ein Hochpassfilter 71 ist. Die Filter sind derart aufgebaut, dass die Summierung der beiden Filter für alle Frequenzen identisch eins ist. Der Tiefpassfilter 70 lässt es zu, dass das gesamte Signal τ_S mit einem Frequenzgehalt unterhalb einer Mischfrequenz w_b hindurchgeht, während sämtliche Hochfrequenzdaten zurückgewiesen werden. Der Hochpassfilter lässt es zu, dass das gesamte Signal τ_S mit einem Frequenzgehalt oberhalb einer Mischfrequenz w_b hindurchgeht, während sämtliche Tieffrequenzdaten zurückgewiesen werden. Die Mischfilterfrequenz w_b ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und wird durch eine Mischfilterbestimmungsschaltung 68 bestimmt. Die Bestimmung von w_b kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle in einem Mikrocomputer erreicht werden oder kann unter Verwendung einer momentanen Berechnung gemäß einer erwünschten Steuerfunktion erreicht werden. Das Tiefpassdrehmomentsensorausgangsignal τ_sL ist mit einer Hilfskurvenschaltung 54 verbunden.
Die Hilfskurvenschaltung 54 ist vorzugsweise eine Nachschlagtabelle, die ein erwünschtes Drehmomenthilfssignal τ_assist mit einem Wert vorsieht, der funktional mit dem tiefpassgefilterten, angelegten Lenkdrehmoment τ_sL und der abgefühlten Fahrzeuggeschwindigkeit in Bezug steht.
Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 56 ist ebenfalls betriebsmäßig mit einer Geschwindigkeitsindexierungsschaltung 60 verbunden. Ein Lenkgefühlauswahlschalter 61 ist ebenfalls mit der Geschwindigkeitsindexierungsschaltung 60 verbunden. Der Lenkgefühlauswahlschalter 61 kann eine Vielzahl von Gefühlauswahlpositionen besitzen. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt der Schalter 61 drei Einstellungen, einschließlich leichtem bzw. weichem, normalem und sportlichem Gefühl. Die Position des Schalters wird steuern, wie sich das Lenkgefühl für den Fahrer anfühlt. Die Geschwindigkeitsindexvorrichtung addiert einen vorbestimmten Geschwindigkeitswert zu dem Geschwindigkeitssignalausgang von dem Geschwindigkeitssensor 56 ansprechend auf die Position des Auswahlschalters 61. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in einer Position 0 km/h (0 KPH) addiert, in einer weiteren 20 km/h (20 KPH) addiert, und in der dritten Position 40 km/h (40 KPH) addiert. Andere Werte könnten verwendet werden und irgendeine andere Anzahl von Auswahlen kann verwendet werden. Die Ausgangsgröße der Geschwindigkeitsindexvorrichtung ist daher die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit plus dem Indexwert, der durch die Position des Auswahlschalters 61 gesteuert wird.
Die Ausgangsgröße der Geschwindigkeitsindexvorrichtung 60 ist mit der Hilfskurvenschaltung 54 verbunden. Die Hilfskurvenfunktion kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle in einem Mikrocomputer erreicht oder kann unter Verwendung einer momentanen Berechnung gemäß einer erwünschten Steuerfunktion erreicht werden.
Wie in der Technik gut bekannt ist, nimmt der Betrag der Servolenkung, der für ein Fahrzeuglenksystem erwünscht ist, ab, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Daher ist es wünschenswert, um ein geeignetes oder erwünschtes Gefühl für Lenkmanöver aufrechtzuerhalten, den Betrag der Servolenkung zu verringern, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Dies wird in der Technik als geschwindkeitsabhängiges Lenken bezeichnet.
2 zeigt bevorzugte Ausgangsdrehmoment-τ_assist-Werte zu dem angelegten Eingangsdrehmoment τ_sL für Niedriggeschwindigkeits- und Hochgeschwindigkeitsbedingungen. Der tatsächliche Wert wird zwischen den beiden Kurven als eine Funktion des indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitswerts interpoliert. Vorzugsweise wird der τ_assist-Wert bestimmt durch: τassist = Sp × (LS) + (1 – SP) × (HS)wobei LS der Satz der niedrigsten Geschwindigkeits-τ_assist-Werte für ein vorgegebenes, tiefpassgefiltertes Eingangsdrehmoment, HS der Satz der höchsten Geschwindigkeits-τ_assist-Werte für ein vorgegebenes, tiefpassgefiltertes Eingangsdrehmoment und S_P ein geschwindigkeitsproportionaler Term ist, der zwischen 1 bei Parkgeschwindigkeit und 0 bei einer vorbestimmten hohen Geschwindigkeit variiert. Dies sieht eine glatte Interpolation der Werte mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit vor.
Das hochpassgefilterte Drehmomentsensorsignal τ_sH ist mit einer Hochfrequenzhilfsverstärkungsschaltung 72 verbunden. Die Hochfrequenzhilfsverstärkungsschaltung 72 multipliziert das hochpassgefilterte Drehmomentsensorsignal τ_sH mit einer vorbestimmten Verstärkung S_c1, die eine mit der Fahrzeuggeschwindigkeit in Beziehung stehende Funktion ist. Die Bestimmung von S_c1 kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle in einem Mikrocomputer erreicht oder kann unter Verwendung einer momentanen Berechnung gemäß einer erwünschten Steuerfunktion erreicht werden. Die Modifikation der Hochfrequenzhilfsverstärkung S_c1 ermöglicht es, dass die Bandbreite des Lenksystems modifiziert wird. Die allgemeinen Kurvenformwerte für die Verstärkung als einer Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit sind in 3 gezeigt.
Die Ausgaben der Hilfskurvenschaltung 54 und der Hochfrequenzhilfsverstärkungsschaltung 72 werden in einer Summierungsschaltung 79 summiert. Die Ausgabe der Summierungsschaltung 79 wird als τ_ba bezeichnet und ist mit einer adaptiven Filterschaltung 80 verbunden. Die beiden Signale werden kombiniert, um den Eingang τ_ba an die adaptive Filterschaltung zu bestimmen.
Das indizierte Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von der Indexvorrichtung 60 ist mit dem adaptiven Drehmomentfilter 80 verbunden. Die adaptive Filterschaltung 80 filtert das gemischte Eingangshilfsdrehmomentsignal τ_ba. Der Filter ist dadurch adaptiv, dass es ermöglicht wird, dass seine Pole und Nullen sich mit ändernder Fahrzeuggeschwindigkeit ändern, um eine optimales Steuersystem vorzusehen. Die Kombination dieser Filterung wird als eine adaptive Mischfilterung bezeichnet, und führt zu einem gefilterten Drehmomentsignal τ_m, welches als Drehmomentanforderungssignal bezeichnet wird. Das Drehmomentanforderungssignal ist mit einer Motorsteuervorrichtung 90 verbunden. Die Motorsteuervorrichtung 90 steuert die Erregung des Motors 28 ansprechend auf das Drehmomentanforderungssignal τ_m. Der Rotorpositionssensor 30 ist ebenfalls mit der Motorsteuervorrichtung 90 und dem Aufseher 44 verbunden. Die Motorsteuervorrichtung 90 steuert die Lenkdämpfung ansprechend auf die abgefühlte Rotorgeschwindigkeit. Andere Eingaben können mit der Motorsteuervorrichtung 90 verbunden sein, wie beispielsweise ein ECU-Temperatursensor, eine Sanftstartschaltung etc., wie dies in der Technik bekannt ist. Diese Signale könnten ebenfalls mit dem Aufseher 44 verbunden sein.
Die Ausgabe der Motorsteuervorrichtung 90 ist mit einer Antriebssteuerschaltung 96 verbunden. Die Antriebssteuerschaltung ist steuerbar mit einer Vielzahl von Leistungsschaltern 100 verbunden, um das Anlegen der elektrischen Energie an den elektrischen Hilfsmotor 28 zu steuern. Die Leistungsschalter verbinden steuerbar eine Quelle der elektrischen Energie, wie beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, durch eine Relaisschaltung 220 mit dem Motor 28. Die Hauptsteuervorrichtung 40 und der Aufseher 44 steuern den Betrieb des Relais, wie unten beschrieben wird. Die Ausgabe von dem Rotorpositionssensor 30 ist ebenfalls mit der Antriebssteuerschaltung 96 verbunden. Wie oben erwähnt, erfordert die Steuerung des Motors mit variabler Reluktanz, dass die relative Position zwischen dem Rotor und dem Stator bekannt ist.
Bezug nehmend auf 4 ist ein linearisiertes Regelungssystem der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das linearisierte Regelungssystem ist erforderlich, da es verwendet wird, um den Mischfilter und den adaptiven Filter für das Lenksystem zu konstruieren. Die Drehung des Handrads 12 führt zu einem Winkelversatz von Θ_HW auf der Lenkradseite des Torsionsstangenpositionssensors. Dieser Winkelversatz wird mit dem resultierenden Winkelversatz der Abtriebswelle 18 subtrahiert 104, und zwar nachdem diese durch den elektrischen Hilfsmotor zur Drehung um einen Winkel Θ_m angetrieben wurde, und zwar durch das Übersetzungsverhältnis 110, repräsentiert durch r_m/r_p, wobei r_m der effektive Radius der Motorkugelmutter und r_p der effektive Radius des Ritzels ist. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Werte r_m = 1,27 mm (0,05 Zoll) und r_p = 7,87 mm (0,31 Zoll). Ein Radian der Drehung der Kugelmutter erzeugt r_m Zoll Weg der Zahnstange. In ähnlicher Weise erzeugt ein Radian der Drehung des Ritzels r_p Zoll Weg der Zahnstange. Der resultierende Winkelversatz Θ_p multipliziert mit der Federkonstanten K_t ergibt das Drehmomentsignal τ_s. In der Regelungsanordnung ist die Ausgabe τ_s mit den Tiefpass/Hochpassfilterschaltungen verbunden.
Das Drehmomentsignal τ_s wird durch den Tiefpassfilter 70 geschickt, was zu einer tiefpassgefilterten Drehmomenthilfe τ_s führt. Die hochpassgefilterte Drehmomenthilfe τ_sH wird durch Subtrahieren der Tieffrequenzdrehmomenthilfe von dem Drehmomentsignal τ_s bestimmt. Der Grund, warum τ_sH auf diese Art und Weise bestimmt werden kann, wird im Folgenden beschrieben.
Continuous-Domain-Mischfilter werden so gewählt, dass die Summe des Tiefpassfilters G_L(S) und des Hochpassfilters G_H(S) immer gleich eins ist: GL(S) + GH(S) = 1
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Tiefpassfilter als ein Filter erster Ordnung mit einem Pol bei w_b gewählt. Der Hochpassfilter ist eindeutig durch die obige Beschränkung definiert, dass die Summe der beiden Filter eins sein muss. Daher sind die Tief- und Hochpassfilter:
Wenn ein Satz von Mischfiltern in einem digitalen Computer realisiert wird, werden Fachleute verstehen, dass es unnötig ist, getrennte Hoch- und Tiefpassfilterstufen zu errichten. Vielmehr wird der Eingang an die Mischfilter τ_s durch den Tiefpassfilter geschickt, was zu dem Signal τ_sL führt. Das hochpassgefilterte Signal ist das ursprüngliche Eingangsdrehmoment minus dem tiefpassgefilterten Teil: τsH = τs – τsL
Dies kann äquivalent angesehen werden als das Bestimmen des Tieffrequenzteils des Signals und einfaches Heraussubstrahieren aus dem Originalsignal. Das Ergebnis ist ein Signal mit nur Hochfrequenzinformation. Alternativ kann man Misch filter höherer Ordnung verwenden. Die Komplexität der Filterberechnungen erhöht sich jedoch mit der Filterordnung in einem digitalen Computer. Die Verwendung von Filtern erster Ordnung wird bevorzugt.
Das tiefpassgefilterte Torsionsstangendrehmomentsignal τ_sL ist mit der Hilfskurvenschaltung 54 verbunden. Wieder auf 4 Bezug nehmend, umfasst das linearisierte Steuersystem eine Hilfskurvenschaltung 54, bezeichnet als eine Verstärkung S_c. Die Verstärkung S_c ist die lokale Ableitung der Hilfsfunktion hinsichtlich des Eingangsdrehmoments evaluiert bei einem gewissen tiefpassgefilterten Drehmoment und der Geschwindigkeit.
Die Verstärkung S_c stellt dar wie viel zusätzliche Hilfe τ_assist für eine zusätzliche bzw. inkrementale Veränderung im tiefpassgefilterten Eingangsdrehmoment τ_sL bezüglich eines nominalen tiefpassgefilterten Eingangsdrehmoments und der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen ist. Beispielsweise besitzt die Niedriggeschwindigkeitshilfskurve in 2 eine flache Neigung während das Drehmoment aus der Totzone heraus erhöht wird und eine steilere Neigung bei einem Hocheingangsdrehmoment von 25 Zoll-Pfund. Daher ist die Verstärkung S_c gering nahe der Totzone und nimmt zu während das Drehmoment weg von der Totzone zunimmt. Der Unterschied in der Neigung ist für die Hochgeschwindigkeitshilfskurve der 2 sogar noch größer. Für ein tiefpassgefiltertes Eingangsdrehmoment von 1,13 Nm (10 Zoll-Pfund) ist eine große Veränderung in dem tiefpassgefilterten Eingangsdrehmoment erforderlich, um selbst kleine Veränderungen im Hilfsdrehmoment zu bewirken. Daher ist S_c klein. Für ein Eingangsdrehmoment von 5,65 Nm (50 Zoll-Pfund) erzeugt eine kleine Veränderung in dem tiefpassgefilterten Eingangsdrehmoment eine große Veränderung im Hilfsdrehmoment. Für die Hochgeschwindigkeitshilfskurve ist S_c sehr klein nahe dem Totband und sehr groß bei 5,65 Nm (50 Zoll-Pfund) des tiefpassgefilterten Eingangsdrehmoments.
Bei der linearisierten Umsetzung des Lenksystems wird das tiefpassgefilterte Drehmoment τ_sL mit der lokalen Verstärkung der Hilfskurve multipliziert, um τ_assist zu bestimmen. Der tiefpassgefilterte Hilfswert τ_assist wird mit dem hochpassgefilterten Hilfswert summiert. Der hochpassgefilterte Hilfswert wird durch Multiplizieren des hochpassgefilterten Drehmomentsensorsignals τ_sH mit der Hochfrequenzhilfsverstärkung S_c1 bestimmt. Die gemischte Hilfe beträgt: τba = τassist + ((Sc1) × (τsH))
Der Pol des Mischfilters w_b und die Hochfrequenzhilfsverstärkung S_c1 werden als Funktionen der Geschwindigkeit in den Schaltungen 83 bzw. 74 berechnet. Die Bestimmung von w_b und S_c1 können unter Verwendung einer Nachschlagtabelle in einem Mikrocomputer erreicht oder können unter Verwendung momentaner Berechnungen erreicht werden. Die Schaltungen 83 und 74 in der linearisierten Regelungsübertragungsfunktion der 4 bilden die Mischfilterbestimmungsschaltung 68 der 1. Die gemischte Hilfe ist mit dem adaptiven Drehmomentfilter G_f verbunden. Der adaptive Drehmomentfilter gestattet es dem Fahrzeuglenksystem sich an Veränderungen in der Dynamik des Systems anzupassen, welche auftreten wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit verändert.
Die Ausgabe von dem adaptiven Drehmomentfilter 80 ist ein Drehmomentanforderungssignal τ_m. In der Regelungsanordnung verbindet der Schalter 55 τ_m mit der Summierungsschaltung 116. Der Motor sieht ein Hilfsdrehmoment vor, welches mit der manuellen Hilfe summiert wird, die durch die Ritzelwelle übertragen wird, wodurch ein Gesamtdrehmoment τ_r auf der Zahnstange erzeugt wird. Dieses Drehmoment wird auf die Übertragungsfunktion G_m angewendet, welche die Dynamiken des Lenkgetriebes darstellt. Die Eingangsgröße zu G_m ist das Gesamtdrehmoment, welches an den Motor über die Zahnstange und die Kugelmutter von dem Antriebsritzel und dem Motor angelegt wird und der Ausgang ist der Motordrehwinkel. Die Übertragungsfunktion G_m wird direkt an den Motor verwiesen, so dass der Eingang das Gesamtdrehmoment an den Motor und der Ausgang der Motorwinkel ist. Die Rückstellkraft, die durch die Reifen an die Zahnstange ange legt wird, wird als eine Federkraft modelliert, die nicht gezeigt ist, da sie in G_m inbegriffen ist.
Drei Hauptmerkmale der Mischfiltertopologie sollten erkannt werden. Wenn die lokale Hilfsverstärkung S_c gleich der Hochfrequenzhilfsverstärkung S_c1 ist, ist das gemischte Hilfsdrehmoment τ_ba identisch zu dem gemessenen Drehmoment τ_s mal der Verstärkung S_c1. Dies ergibt sich durch die Tatsache, dass die Summe des Tiefpass- und der Hochpassfilter gleich eins ist. Wenn die Ausgangsgrößen der beiden Filter mit der gleichen Verstärkung multipliziert werden, wird die Summe der beiden Ausgangsgrößen gerade der Verstärkung mal den Eingangsgrößen entsprechen. Diese Charakteristik der Mischfiltertopologie wird verwendet, wenn eine Steuervorrichtung für das Lenksystem konstruiert wird. Zusätzlich wird die Niedrigfrequenz- oder Gleichstromverstärkung der Filterstufe zwischen dem gemessenen Torsionsstangendrehmoment τ_s und dem gemischten Hilfsdrehmoment τ_ba durch die lokale Verstärkung der Hilfskurve S_c eingestellt. Dies tritt auf, da die Ausgangsgröße der Hochpassfilterstufe 71 für Niedrigfrequenzeingänge null ist, so dass sämtliche Drehmomentsensorsignale durch den Tiefpassfilter hindurchgehen. Da die Hilfskurve ein nichtlineares Element ist, welches unterschiedliche Zusatzhilfsniveaus für die gleiche Zusatzveränderung des Eingangsdrehmoments vorsieht, d.h. S_c verändert sich ansprechend auf das Eingangsdrehmoment und die Fahrzeuggeschwindigkeit, ist die Gleichstromverstärkung des Lenksystems vollständig wählbar und durch Verändern der Hilfskurve einstellbar. Darüber hinaus ist die Hochfrequenzverstärkung der Filterstufe zwischen dem gemessenen Torsionsstangendrehmoment τ_s und dem gemischten Hilfsdrehmoment τ_ba immer S_c1. Bei Hochfrequenz ist die Ausgangsgröße der tiefpassgefilterten Stufe des Mischfilters null, so dass das gesamte Drehmomentsensorsignal durch die Hochpassfilterstufe hindurchgeht. Da die Hochfrequenzverstärkung der Hochpassfilterstufe S_c1 ist, ist die Verstärkung zwischen τ_s und τ_ba S_c1.
Die Mischfilter gemäß der vorliegenden Erfindung besitzen die einzigartige Charakteristik, dass sie wie ein lineares System auf ein Hochfrequenzeingangssignal und wie ein nicht lineares System auf ein Niedrigfrequenzsignal ansprechen. Wenn sich beispielsweise das Lenkdrehmomentsignal rasch verändert, wie dies aufgrund einer Drehmomentwelligkeit von dem elektrischen Hilfsmotor 28 mit variabler Reluktanz auftreten kann, der Fahrer ein rasches Eingangsdrehmoment eingibt, oder die Räder auf eine plötzliche Unebenheit auf der Straße ansprechen, werden die Hochfrequenzeingänge durch den Tiefpassfilter 70 zurückgewiesen und das Ansprechen des Systems würde durch den hochpassgefilterten Teil der Schleife bzw. des Regelkreises unter diesen Lenkbedingungen dominiert werden. Wenn jedoch der Eingang in das System glatt und langsam ist, dann weist der Hochpassfilter den Niedrigfrequenzeingang zurück und die Systemantwort wird durch die nicht lineare Hilfskurve dominiert. Das System kann sowohl auf schnelle Eingänge ansprechen als auch jegliches Gefühl oder jegliche Hilfskurve für Niedrigfrequenzeingänge erreichen.
Der Filter G_f ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein konstanter Filter, der nicht eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die vorliegende Erfindung erwägt, dass dieser Filter G_f ein adaptiver Filter sein würde, der sich als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit adaptiert. Er wird durch Messen der Regelungsübertragungsfunktion G_p als einer Funktion der Geschwindigkeit und Konstruieren eines Filters, der sowohl Stabilitäts- als auch Leistungsanforderungen für sämtliche Geschwindigkeiten erfüllt, konstruiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Steuerungsübertragungsfunktionen dafür ausgelegt, um die gleiche Bandbreite für sämtliche Geschwindigkeiten aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Weise beschränkt, d.h. die Lenksystembandbreite kann als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit variieren.
Ein Fachmann wird erkennen, dass der Steuervorrichtungsaufbau erfordert, dass die Systemdynamiken vor dem Konstruieren der Steuervorrichtung identifiziert werden müssen. Genau gesagt ist es notwendig, die Dynamiken der Steuerungsübertragungsfunktion zu identifizieren. Die Steuerungsübertragungsfunktion tritt zum Zweck dieser Anwendung auf, wenn der Motorbefehl τ_m als der Eingang und das gemessene Drehmomentsensorsignal τ_s als der Ausgang verwendet wird. Um ein derartiges Steuerungssystem aufzubauen, werden Schalter 53 und 55 geschaltet, um die Hilfskurven, Mischfilter und den adaptiven Drehmomentfilter aus dem System zu entfernen. Die Übertragungsfunktion wird in einem Fahrzeug für ein bestimmtes System unter Verwendung eines Signalanalysators gemessen, um den Motor bei verschiedenen Eingangsfrequenzen zu steuern, und wobei der Ausgang des Drehmomentsensors mit dem Handrad in einer festen Position gehalten, gemessen wird. Diese gemessene Übertragungsfunktion wird als G_p bezeichnet und ein Beispiel von dieser ist in den 6A und 6B gezeigt. (Die momentanen Werte sind abhängig von der bestimmten Fahrzeuganwendung.) Diese gemessene Steuerungsübertragungsfunktion wird dann verwendet, um den adaptiven Drehmomentfilter 80 zu konstruieren, so dass die Lenkdrehmomentschleife erwünschte Stabilitäts- und Leistungscharakteristika besitzt.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die Steuerungsübertragungsfunktion G_p ebenfalls durch Erzeugen eines linearen Modells der Dynamiken der Zahnstange, der Reifen, des Motors, der Kugelmutter, der Elektroniken etc. bestimmt werden kann. Wenn G_p aus einem analytischen Modell bestimmt wird, dann müssen sämtliche Dynamiken, die beim Konvertieren eines Drehmomentbefehls an dem Motor in ein gemessenes Torsionsstangensignal beteiligt sind, in dem Modell enthalten sein. Es ist bevorzugt, diese Übertragungsfunktion direkt zu messen, da analytische Modelle selten Phänomenen der realen Welt exakt entsprechen, insbesondere hinsichtlich des Phasenwinkels der Übertragungsfunktion.
Die in 6 gezeigte Übertragungsfunktion wurde gemessen, wobei sich das Fahrzeug stationär auf einer trockenen, flachen Oberfläche befand. Dies wird allgemein als „trockenes Parken" bezeichnet. Das Handrad war verriegelt. Jegliche Steuervorrichtung, die diese gemessene Übertragungsfunktion verwendet, wird bei trockenem Parken gut funktionieren. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt, kann die Steuervorrichtung jedoch nicht wie erwünscht funktionieren, da sich die Steuerungsübertragungsfunktion ändern kann. Die Steuerungsübertragungsfunktion wird vorzugsweise bei einigen unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten gemessen und die Filter sind für jede dieser Geschwindigkeiten ausgelegt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird in Echtzeit gemessen und der entsprechende Filter wird bei der Steuerungsbestimmung verwendet. Der Drehmomentfilter des Steuerungssystems passt sich an die Lenkdynamikveränderungen als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit an. Die Steuerungsübertragungsfunktion als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit zu messen ist schwierig. Alternativ kann die Steuerungsübertragungsfunktion bei trockenem Parken gemessen und verwendet werden, um ein Modell zu entwickeln, welches gut mit den gemessenen Daten korreliert. Das Modell kann dann verwendet werden, um die Steuerungsübertragungsfunktion bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zu bestimmen.
Obwohl es das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zulässt, dass sich der adaptive Filter verändert, wenn sich die Dynamiken des Lenksystems verändern, wird nur die in 6 gezeigte Übertragungsfunktion bei Trockenparkbedingungen verwendet, um den Konstruktionsprozess darzustellen. Sobald die Schritte für das trockene Parken verstanden worden sind, können Drehmomentfilter für unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten konstruiert werden.
Die Drehmomentfilterkonstruktion wird unter Verwendung klassischer Steuerungstechniken durchgeführt. Die Steuerungslenksystemübertragungsfunktion G_p wird gemessen und ist in 6 gezeigt. Die Steuerungsübertragungsfunktion, die stabilisiert werden muss, umfasst nicht nur G_p, sondern auch jegliche Verstärkung aufgrund der Hilfskurve. Von einem Gesichtspunkt der Stabilität her muss das System stabil für den Fall der höchsten Systemverstärkung sein: Sc = (Sc)max
Als nächstes werden sowohl die Hilfskurvenverstärkung 54 gleich (S_c)_max und die Hochfrequenzhilfsverstärkung 72 gleich (S_c)_max gesetzt. Da die Summe der Mischfilter stets eins ist, ist dies gleichbedeutend damit, dass das Mischhilfsdrehmoment τ_ba gleich dem Torsionsstangeneingangsdrehmoment τ_s multipliziert mit (S_c)_max ist, d.h.,
Die Verstärkung (S_c)_max wird Teil der Steuerungsübertragungsfunktion. Ein Filter wird dann konstruiert für das Steuerungssystem (G_p × (S_c)_max), um Leistungs- und Stabilitätserfordernisse zu erreichen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die maximale Hilfsverstärkung (S_c)_max 5.
Ein Fachmann wird aus den 5A und 5B erkennen, dass wenn die Verstärkung von 5 (oder 14 db) zu dem Verstärkungsteil des Bode-Diagramms addiert wird, das System unzureichende Stabilitätsreserven besitzen wird. Daher wird ein Filter zu dem Steuerungssystem hinzugefügt, um die erwünschten Leistungs- und Stabilitätsziele zu erreichen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Filter der folgenden Form verwendet:
Der Filter G_f ist ein Filter der Nacheil-Voreil-(Lag-Lead)-Bauart, der dafür ausgelegt ist, ein System mit adäquaten Leistungs- und Stabilitätsgrenzen bei einer maximalen Lenksystemverstärkung von 5 vorzusehen. Es kann aus 5A und 5B erkannt werden, dass für eine Verstärkung von S_c = 5 das System ungefähr 10 db als Verstärkungsgrenze, und 35 Grad als Phasengrenze besitzt. Die gezeigte Steuerungsübertragungsfunktion umfasst drei Größen, die das Verhalten des Steuerungslenksystems beschreiben: (i) die maximale, lokale Hilfskurvenverstärkung (S_c)_max, (ii) der Drehmomentfilter G_f, und (iii) die gemessene Übertragungsfunktion G_p.
Da der Drehmomentfilter dafür ausgelegt ist, die maximale Verstärkung der Hilfskurve unterzubringen, wird das System stets für Hilfskurvenverstärkungen unterhalb von (S_c)_max stabil sein. Beim momentanen Betrieb des Lenksystems kann die Verstärkung der Hilfskurvenschaltung S_c sich von niedrigen Werten bis herauf zu (S_c)_max verändern. 7A und 7B stellen die Steuerungsübertragungsfunktion eines Lenksystems für Verstärkungen von 1 < S_c < 5 dar. Die Steuerungsübertragungsfunktion G_c1 umfasst, wie gezeigt, die gemessene Lenksystemübertragungsfunktion G_p, den Drehmomentfilter der für die maximale Hilfsverstärkung G_f ausgelegt ist, und die Effekte des Mischfilters. G_ba ist als die Übertragungsfunktion von dem gemessenen Torsionsstangendrehmoment τ_s zu dem gemischten Hilfsdrehmoment τ_ba definiert:
Die in 7 gezeigte Steuerungsübertragungsfunktion ist Gc1 = GpGfGba
In 7 wird die Verstärkung S_c1 auf 5 eingestellt, was das gleiche ist wie (S_c)_max in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkung S_c ist die lokale Verstärkung der Hilfskurvenschaltung für ein nominales Eingangsdrehmoment und die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Nullfrequenz- oder Gleichstromverstärkung der Regelungsübertragungsfunktion G_c1 ist S_c und die gesamten Übertragungsfunktionen überkreuzen sich mit der Null-db-Linie (hier als Nulldurchgangs- bzw. Crossover-Frequenz bezeichnet) bei 32 Hz. Dies zeigt an, dass sämtliche Kurven die gleiche Bandbreite oder Zeitdomänenansprechcharakteristika besitzen, jedoch alle ein unterschiedliches Gleichstrom- oder Niedrigfrequenzansprechen aufgrund der Mischfilter und der Hilfskurvenschaltung 54 besitzen.
8A und 8B stellen die Übertragungsfunktion G_fG_ba dar. Die Nullfrequenz- oder Gleichstromverstärkung der Übertragungsfunktion ist stets S_c und dennoch ist die Hochfrequenzverstärkung S_c1. Die Verwendung der Mischfilter hat es ermöglicht, dass die Gleichstromansprechcharakteristik der Kompensation unterschiedlich von den Hochfrequenzverstärkungscharakteristiken ist. Diese Charakteristik der Mischfilter ermöglicht es, dass das System jegliches erwünschtes Gefühl mittels Speed-Pro für Niedrigfrequenzeingänge besitzt, und dennoch sehr empfindlich für bzw. ansprechend auf schnelle Lenkeingänge ist.
Bezug nehmend auf 6A und 6B kann erkannt werden, dass wenn die Verstärkung bei 32 Hz in der Steuerungsübertragungsfunktion verringert wird, die Bandbreite des Lenksystems ebenfalls verringert wird. Aufgrund der Mischfilter kann die Hochfrequenzverstärkung durch Einstellen von S_c1 auf einen niedrigen Wert verringert werden. Da die Hochfrequenzhilfsverstärkung eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, kann die Bandbreite des Lenksystems bei hoher Geschwindigkeit bei Bedarf verringert werden, und zwar durch Verringern von S_c1 als einer Funktion der Geschwindigkeit.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Mischfilterpol w_b um ungefähr 1 Zehnerstelle geringer als die Crossover-Frequenz von 32 Hz gewählt, d.h. 3,2 Hz. 9A und 9B stellen das Frequenzansprechen für die Übertragungsfunktion G_ba dar. Die Verstärkung S_c nimmt von 0,5 auf 8 bei Zuwächsen von 0,5 zu. Die Hochfrequenzhilfsverstärkung S_c1 wird gleich 5 eingestellt. Für den gezeigten Fall ist die maximale Hilfsverstärkung höher als die Hochfrequenzhilfsverstärkung. Das Lenksteuerungssystem leidert weder unter Leistungs- noch Stabilitätsproblemen, wenn S_c1 größer als S_c ist, da es keine große Verstärkung oder Phasenveränderung bei der Null-db-Crossover-Frequenz von 32 Hz gibt, so dass sich die Stabilitätsgrenzen des Lenksystems nicht verändert haben. Die Gleichstromverstärkung von G_ba ist S_c und die Hochfrequenzverstärkung ist S_c1.
Solange die Mischfrequenz ungefähr ein Zehnerstelle niedriger als die Hochverstärkungs-Crossover-Frequenz (wie sie für den Fall der maximalen Hilfsver stärkung ausgelegt ist) ist, wird das System stets stabil sein solange die lokale Verstärkung nicht viel größer als die Verstärkung S_c1 ist. Es ist ebenfalls möglich, die Crossover-Frequenz des Systems unabhängig bei jeglicher Fahrzeuggeschwindigkeit zu verringern, und zwar durch Verringern von S_c1 mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit.
Fachleute werden erkennen, dass die Tiefpassmischfilter und der adaptive Drehmomentfilter in einem digitalen Computer als digitale Filter unter Verwendung von Pol-Nullstellen-Mapping realisiert sind. Grundsätzlich werden die Pole P und die Nullen Z des kontinuierlichen Systems auf den Polen p und den Nullen z des diskreten Digitalfilters abgebildet, und zwar über: P = exp(Pt), und z = exp(Zt),wobei exp der natürliche Exponent und t die Abtastrate ist. Die Abtastrate der Digitalfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt ungefähr 300 Mikrosekunden. Beim Pol-Nullstellen-Mapping wird dann der Digitalfilter „gezwungen", die gleiche Gleichstromverstärkung wie der kontinuierliche Filter zu besitzen.
Fachleute werden erkennen, dass die Misch- und adaptiven Drehmomentfilter eine wählbare Systembandbreite unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Hilfskurvenverstärkungsveränderungen beibehalten werden.
Zurück auf 1 Bezug nehmend, umfasst die Hauptsteuervorrichtung 40 ferner eine Dämpfungssteuerschaltung 202, die betriebsmäßig mit dem indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von der Indexvorrichtung 60, der Hauptsteuervorrichtung 90 und dem Motordrehzahlsensor 32 verbunden ist. Es ist bekannt, dass die Dämpfung eines elektrischen Hilfssystems wünschenswert ist. Ein derartiges Dämpfungssteuerungssystem ist vollständig in U.S. Patent Nr. 5,623,409 von Miller beschrieben. Die Motorsteuerschaltung 90 modifiziert sein bestimmtes Motorsteuerungssignal ansprechend auf die abgefühlte Motordrehzahl und das abgefühlte, indizierte Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, um eine Dämpfung des Motors zur Fahrzeuggierratensteuerung vorzusehen. Bezug nehmend auf 10 ist ein beispielhaftes Diagramm der Dämpfungswerte gezeigt. Wenn es keine Dämpfung gibt, hängt die Rückführbarkeit von der mechanischen Reibung des Lenksystems und den Fahrzeugaufhängungscharakteristika ab. Bei vollständiger Dämpfung werden überdämpfte Fahrzeuggiercharakteristika erzeugt. Die Fahrzeugstabilitätsgrenzen sind mit dem Dämpfungsparameter modifizierbar.
Ein Motorstromsensor 210 ist mit der Motorsteuervorrichtung 90 und dem Aufseher 40 verbunden. Der Zweck des Aufsehers 44 ist es, zu bestimmen, ob die Hauptsteuervorrichtung in geeigneter Weise den elektrischen Hilfsmotor 28 steuert, während die Hauptsteuervorrichtung 40 bestimmt, ob jegliche der abgefühlten Parameter innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte liegen. Wenn der Aufseher oder die Hauptsteuervorrichtung bestimmt, dass ein Systemfehler aufgrund eines Sensorwerts oder ungeeigneter Steuerung des Betriebs des elektrischen Hilfsmotors vorhanden ist, öffnet er/sie das Relais 220. Das Fahrzeug kann immer noch ohne Hilfe durch seine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 12 und den lenkbaren Rädern 24, 26 gelenkt werden.
Wie in 1 gezeigt, stehen bestimmte Betriebsparameter innerhalb der Hauptsteuervorrichtung 40 funktional mit dem Wert des indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitssignalausgangs von der Geschwindigkeitsindexvorrichtung 60 in Beziehung. Wenn der Aufseher nicht seine Aufseherberechnungen basierend auf dem gleichen indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitssignal vornehmen würde, würden falsche Fehleranzeigen von dem Aufseher 44 bei bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeiten erfolgen. Diese Anordnung synchronisiert die Hauptsteuervorrichtung 40 und den Aufseher 44 mit dem indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von der Indexvorrichtung 60, wodurch ein anpassbares Lenkgefühl ermöglicht und falsche Fehlerdetektionen verhindert werden. Sämtliche einstellbaren Parameter in der Hauptsteuervorrichtung 40, wie beispielsweise Dämpfen, Verstärkung und Filtern und ihre Steuerung an dem elektrischen Hilfsmotors 28 werden in dem Aufseher 44 berücksichtigt. Die vorliegende Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt das Erfordernis, eine Vielzahl von einstellbaren Speichertabellen für jedes der erwünschten Lenkgefühle zu haben, welche durch den Schalter 61 gewählt werden.
Ebenfalls wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Umschalten von einer Lenkgefühleinstellung zu einer anderen unter Verwendung des Schalters 61 durch glattes Übergehen von einer Steuerung zu der anderen erreicht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Geschwindigkeitsindexvorrichtung sich graduell von einem eingestellten Wert zu einem neuen eingestellten Wert verändert. Im Endeffekt wird eine Veränderung von einem Wert zu einem anderen rampenartig erreicht. Dies wird in der Geschwindigkeitsindexvorrichtung 60 erreicht.
Aus der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden Fachleute Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen entnehmen. Beispielsweise wurden die Hauptsteuervorrichtung und der Aufseher in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel als zwei separate Einrichtungen beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass beide Funktionen in einer Steuervorrichtung erreicht werden könnten. Ebenfalls werden die meisten der Funktionsblöcke, die in 1 gezeigt sind, durch Software erreicht. Die Steuervorrichtung und der Aufseher sind vorzugsweise Mikrocomputer. Die vorliegende Erfindung ist auf jegliche Bauart eines elektrischen Servolenksystems einschließlich Zahnstangen- und Ritzel-, Säulenantrieb, Ritzelantrieb etc. anwendbar. Derartige Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Fachkönnens sollen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims

Eine Vorrichtung zum Steuern eines Servolenksystems (10) der Bauart, die einen elektrischen Hilfsmotor (28) besitzt, der lenkbar mit lenkbaren Rädern (24, 26) eines Fahrzeugs verbunden ist, die Folgendes aufweist: einen Drehmomentsensor (10) zum Vorsehen eines Drehmomentsignals, das eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment bildet; eine Lenkhilfeauswahlvorrichtung (61) zum Auswählen eines erwünschten Betrags von Servolenkung; einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (56) zum Abfühlen der Fahrzeuggeschwindigkeit; und eine Steuervorrichtung (40) zum Steuern des elektrischen Hilfsmotors (28) ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment, die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit und die Lenkhilfeauswahlvorrichtung (61), dadurch gekennzeichnet, dass ansprechend auf die Lenkhilfeauswahlvorrichtung ein indizierter Geschwindigkeitswert zu dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal addiert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Geschwindigkeitsindexvorrichtung (60) umfasst, die mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (56) und der Lenkhilfeauswahlvorrichtung (61) verbunden ist, um einen vorbestimmten, indizierten Fahrzeuggeschwindigkeitswert zu dem abgefühlten Fahrzeuggeschwindigkeitswert zu addieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Geschwindigkeitsindexvorrichtung (60) Mittel umfasst, um zwischen den ausgewählten, vorbestimmten Werten zu laufen, wenn die Geschwindigkeitsindexvorrichtung (60) von einer Servolenkauswahl zu einer anderen Servolenkauswahl geschaltet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (40) dynamisch variierende, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig abstimmbare Parameter umfasst und wobei die Vorrichtung ferner eine Aufseher-Steuervorrichtung (44) umfasst zum Überwachen des Betriebs der Steuer vorrichtung (40), wobei die Aufseher-Steuervorrichtung (44) Synchronisationsmittel zur Synchronisierung des Betriebs der Aufseher-Steuervorrichtung (44) mit der Steuervorrichtung (40) relativ zu der Fahrzeuggeschwindigkeit umfasst, so dass der Aufseher die dynamisch variierenden, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig abstimmbaren Parameter der Steuervorrichtung (40) berücksichtigt.
Ein Verfahren zum Steuern eine Servolenksystems (10) einer Bauart, die einen Elektrohilfsmotor (28) besitzt, der lenkbar mit lenkbaren Fahrzeugrädern (24, 26) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Abfühlen eines angelegten Lenkdrehmoments und Vorsehen eines Drehmomentsignals, das eine Anzeige für das angelegte Lenkdrehmoment bildet; Auswählen eines erwünschten Betrags von Servolenkung; Abfühlen der Fahrzeuggeschwindigkeit und Vorsehen eine Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das eine Anzeige für die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit bildet; und Steuern des Elektrohilfsmotors (28) ansprechend auf das abgefühlte, angelegte Lenkdrehmoment, die abgefühlte Fahrzeuggeschwindigkeit und die ausgewählte Servolenkung, dadurch gekennzeichnet, dass ein indizierter Geschwindigkeitswert zu dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal ansprechend auf die ausgewählte Servolenkung addiert wird.