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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung zur Lenkungsunterstützung, indem
ein von einem Elektromotor erzeugtes Drehmoment auf einen Lenkmechanismus übertragen
wird.
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BESCHREIBUNG
DES ALLGEMEINEN STANDES DER TECHNIK
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Herkömmlicherweise
wurde eine elektrische Servolenkung zur Lenkungsunterstützung verwendet,
die ein von einem Elektromotor erzeugtes Drehmoment an einen Lenkmechanismus überträgt. Eine solche
Servolenkung benutzt einen bürstenlosen Dreiphasen-Motor
bzw. Drehstrom-Motor als Elektromotor, und ein Sinuswellen-Ansteuerungsverfahren zum
Zuführen
von sinusförmigen
Strömen
jeder Phase an den Elektromotor ist häufig als ein Ansteuerungsverfahren
für den
bürstenlosen
Dreiphasen-Motor ausgelegt.
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Entsprechend
dem Sinuswellen-Ansteuerungsverfahren tritt ein Drehmoment-Ripple
bzw. eine Drehmoment-Welligkeit des Elektromotors kaum auf, wenn
die Wellenform einer induzierten Spannung eine Sinuswelle beschreibt.
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Unregelmäßigkeiten
bei der Anordnung der Schaltungen zur Zuführung der Ströme jeder
Phase zu dem Elektromotor führen
jedoch dazu, dass sich die Wellenform der induzierten Spannung deformiert zu
einer Sinuswelle mit überlagerten
höheren
Harmonischen. Insbesondere in dem Fall, dass der Elektromotor als
Motortyp vorliegt, der einen Permanentmagnet in einem Rotor eingebettet
hat (sog. IPM-Motor), bildet die Magnetflussdichte-Verteilung eine Trapezform,
und die Wellenform der induzierten Spannung wird dadurch wesentlich
deformiert. Die Deformation der Wellenform der induzierten Spannung verursacht
Drehmoment-Ripple
des Elektromotors, und der Drehmoment-Ripple des Elektromotors verursacht
Schwingungen des Lenkrads, was das Lenkgefühl beeinträchtigt. Eine ähnliche
Vorrichtung ist durch
US 6,122,579 und
WO 0120766 und JP 2001 339896 offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Servolenkung
bereitzustellen, die in der Lage ist, das Auftreten von Drehmoment-Ripple des
Elektromotors zu unterdrücken
und dadurch das Lenkgefühl
zu verbessern.
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Eine
elektrische Servolenkung der Erfindung ist eine elektrische Servolenkung
zur Lenk-Unterstützung
durch Übertragen
eines von einem Elektromotor erzeugten Drehmoments an einen Lenkmechanismus.
Die Servolenkung umfasst: eine Korrekturtabelle, die basierend auf
einem Ergebnis einer aktuellen Messung des Drehmoment-Ripples erzeugt
wird, der auftritt, wenn ein vorbestimmter Referenzstrom dem Elektromotor
zugeführt
wird; einen Basisbefehlswert-Einstellbereich zum Einstellen eines
Basis-Befehlswerts entsprechend der Lenkmanipulation eines Fahrers;
einen Strom-Befehlswert-Einstellbereich zum Einstellen eines Strom-Befehlswerts
durch Korrektur des Basis-Befehlswerts,
der durch den Basis-Befehlswert-Einstellbereich eingestellt wird,
mit Bezug auf die Korrekturtabelle; und einen Motorstromsteuerungsbereich
zum Steuern eines Stroms, der dem Elektromotor basierend auf dem
Strom-Befehlswert zugeführt
werden soll, der von dem Strom-Befehlswert-Einstellbereich eingestellt
wird.
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Entsprechend
der Erfindung wird der Basis-Befehlswert, der entsprechend einer
Lenkmanipulation eines Fahrers eingestellt wird, mit Bezug auf die
Korrekturtabelle korrigiert, die basierend auf dem Ergebnis einer
aktuellen Messung des Drehmoment-Ripples
erzeugt wurde (derart, dass das Auftreten des Drehmoment-Ripples
unterdrückt
wird). Der Strom-Befehlswert wird auf den korrigierten Wert aktualisiert,
demgemäß ein Wert
eines Stroms, der an den Elektromotor geführt werden soll, gesteuert
wird. Folglich ist es möglich,
das Auftreten eines Drehmoment-Ripples
des Elektromotors zu unterdrücken, und
ein zufriedenstellendes Lenkgefühl
kann somit erreicht werden.
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Die
Korrekturtabelle kann eine Tabelle sein, die ein Korrekturverhältnis des
Strom-Befehlswerts mit Bezug auf eine gegebene Drehposition eines
Rotors des Elektromotors definiert.
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In
diesem Fall kann beispielsweise der Strom-Befehlswert-Einstellbereich ein
Produkt des Basis-Befehlswerts, der durch den Basis-Befehlswert-Einstellbereich
eingestellt wird, und dem Korrekturverhältnis einstellen, das aus der
Korrekturtabelle ausgelesen wurde, auf den Strom-Befehlswert. Ebenfalls
kann der Strom-Befehlswert-Einstellbereich einen Korrekturwerteinstell bereich
zum Einstellen eines Ripple-Korrekturwerts umfassen, durch Multiplizieren
des Basis-Befehlswerts, der durch den Basis-Befehlswert-Einstellbereich
eingestellt wird, mit einem Wert des Korrekturverhältnisses,
das aus der Korrekturtabelle entsprechend der vorgegebenen Drehposition
des Rotors des Elektromotors minus 1 ausgelesen wurde, und kann
einen zusätzlichen
Bereich zum Addieren des Ripple-Korrekturwerts umfassen, der durch
den Korrekturwert-Einstellbereich eingestellt wurde, auf den Basis-Befehlswert,
der durch den Basis-Befehlswert-Einstellbereich
eingestellt wurde, und zum Ausgeben der Summe als Strom-Befehlswert.
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Die
zuvor genannten und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Konzeptdarstellung, die eine Basisanordnung einer elektrischen
Servolenkung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Blockdiagramm zur Erläuterung der
Einstellungen eines Strom-Befehlswerts; und
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3(a) und 3(b) sind
Diagramme zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Erzeugen einer Korrekturtabelle.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
eine konzeptionelle Darstellung, die eine Basisanordnung einer elektrischen
Servolenkung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die elektrische Servolenkung ist in Verbindung mit einem Lenkmechanismus 1 eines
Fahrzeugs vorgesehen, und wird verwendet, um eine lenkungsunterstützende Kraft
auf den Lenkmechanismus 1 zu übertragen.
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Der
Lenkmechanismus 1 umfasst ein Lenkrad 11, das
von einem Benutzer bedient wird, eine Lenkungswelle 12,
die mit dem Lenkrad 11 verbunden ist, ein Ritzel 13,
das am vorderen Ende der Lenkungswelle 12 vorgesehen ist,
und eine Zahnstange 14, die sich in Querrichtung des Fahrzeugs
erstreckt. Die Zahnstange 14 ist mit einem Zahnstangengewindeabschnitt 14a versehen,
der mit dem Ritzel 13 kämmt.
Räder LW
und RW, die zum Lenken verwendet werden, sind ebenfalls jeweils
mit den beiden Enden der Zahnstange 14 über Spurstangen und Gelenkarme
oder Ähnliches
(nicht gezeigt) verbunden, und eine lineare Bewegung der Zahnstange 14 in
die Querrichtung des Fahrzeugs wird in eine Dreh-Lenkkraft der Räder LW und
RW über
die Spurstangen und die Gelenkarme oder Ähnliches umgewandelt.
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Entsprechend
dieser Anordnung wird eine Drehung der Lenkungswelle 12 in
eine lineare Bewegung der Zahnstange 14 zunächst durch
das Ritzel 13 und den Zahnstangengewindeabschnitt 14a umgewandelt,
dann in eine Dreh-Lenkkraft umgewandelt abhängig von der Richtung der linearen
Bewegung, und dann auf die Räder
LW und RW übertragen.
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Die
Lenkungswelle 12 ist aufgeteilt in eine Eingangswelle 12A,
die mit dem Lenkrad 11 verbunden ist, und eine Ausgangswelle 12B,
die mit der Zahnstange 14 verbunden ist. Die Eingangswelle 12A und
die Ausgangswelle 12B sind miteinander über eine Torsionsstange 15 verbunden,
die eine Torsion aus der relativen Drehung dieser beiden Wellen erfährt. Die
Ausgangswelle 12B ist mit einem Reduktionsmechanismus 16 versehen,
der etwa in der Mitte eingebracht wird, und eine Drehkraft eines
Elektromotors M wird dadurch in die Ausgangswelle 12B als eine
lenkungsunterstützende
Kraft durch den Reduktionsmechanismus 16 eingebracht.
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Der
Elektromotor M besteht aus einem bürstenlosen Dreiphasen-Motor,
dem sinusförmige
Ströme
mit vorbestimmten Phasen relativ zueinander von einer elektronischen
Steuerungseinheit 2 zugeführt werden. Mit der elektronischen
Steuerungseinheit 2 sind verbunden: ein Drehmomentsensor 31 zum
Erfassen einer Richtung und einer Größe der auf die Torsionsstange 15 einwirkenden
Torsionskraft als Lenk-Drehmoment; ein Rotor-Drehpositionssensor 32 zum
Erfassen einer Drehposition eines Rotors (Rotor-Drehposition) des
Elektromotors M; ein Motorstromsensor 33 zum Erfassen eines
Stroms (Motorstroms), der durch den Elektromotor M fließt; und
ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 34 zum Erfassen einer
gefahrenen Geschwindigkeit (Fahrzeuggeschwindigkeit) des Fahrzeugs,
auf dem die elektrische Servolenkung angebracht ist. Die elektronische Steuerungseinheit 2 stellt
einen Strom-Befehlswert ein, basierend auf der Erfassung der Ergebnisse
des Drehmomentsensors 31, des Rotor-Drehpositionssensors 32 und
des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 34, und beeinflusst
die Rückkopplungssteuerung
der sinusförmigen
Ströme
jeder Phase, die durch den Elektromotor M fließen, basierend auf dem Strom-Befehlswert,
der so eingestellt wurde, und einem Wert des Motorstroms, der von
dem Motorstromsensor 33 erfasst wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm zur Erläuterung der
Einstellungen des Strom-Befehlswerts durch die elektronische Steuerungseinheit 2.
Die elektronische Steuerungseinheit 2 umfasst einen Mikrocomputer, und
ein Strom-Befehlswert 2 abhängig von dem Wert eines Stroms,
der dem Elektromotor M zugeführt werden
soll, wird durch ein auf dem Mikrocomputer laufendes Programm eingestellt.
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Insbesondere
umfasst die elektronische Steuerungseinheit 2 praktischerweise
einen Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 zum Einstellen
eines Basis-Befehlswerts Ib abhängig
von dem Lenk-Drehmoment,
das von dem Drehmomentsensor 31 erfasst wird, und einer
Fahrzeuggeschwindigkeit, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 34 erfasst
wird, einen Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 zum
Einstellen eines Ripple-Korrekturwerts ΔI, der verwendet wird, um den
Drehmoment-Ripple des Elektromotors M zu reduzieren, und einen Additionsbereich 23 zum
Addieren des Basis-Befehlswerts Ib, der von dem Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 eingestellt
wurde, und dem Ripple-Korrekturwert ΔI, der von dem Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 eingestellt
wurde, und zum Ausgeben der Summe als Strom-Befehlswert I.
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Der
Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 bezeichnet einen kleinen
Bereich einschließlich
Null als Totzone beispielsweise, und für das Lenkungs-Drehmoment außerhalb
der Totzone setzt er einen größeren Wert
als Basis-Befehlswert Ib, wenn das Lenkungsdrehmoment größer wird.
Er stellt auch einen größeren Wert für den Basis-Befehlswert
Ib ein, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer wird. Der Wert
der Wellenhöhe
des sinusförmigen
Stroms, der durch den Elektromotor M fließt, wird dann größer, wenn
das Lenkungsdrehmoment, das von dem Drehmomentsensor 31 erfasst
wird, größer wird, oder
wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 34 erfasst wird,
geringer wird, was es dem Elektromotor M ermöglicht, eine größere Lenkungsunterstützungskraft zu
erzeugen.
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Der
Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 ist angeordnet,
um einen Ausgangswert von einer Korrekturtabelle 24 zu
empfangen. Die Korrekturtabelle 24 definiert Korrekturverhältnisse α des Strom-Befehlswerts
mit Bezug auf vorgegebene Rotor-Drehpositionen,
und wird basierend auf dem Ergebnis einer aktuellen Messung des
Drehmoment-Ripples erzeugt, der auftritt, wenn vorbestimmte Referenzströme jeder
Phase dem Elektromotor M zugeführt
werden. Mit anderen Worten, um die Korrekturtabelle 24 zu
erzeugen, wird tatsächlich
eine Wellenform des Drehmoment-Ripples in einem Zyklus des elektrischen
Winkels (eine Drehung des Rotors) gemessen, und ein Mittelwert des
Drehmoment-Ripples wird aus dieser aktuell gemessenen Wellenform
des Drehmoment-Ripples erhalten. Ferner wird ein Verhältnis α (= Mittelwert
des Drehmoment-Ripples/Wert des Drehmoment-Ripples) des Mittelwerts
des Drehmoment-Ripples und eines Werts des Drehmoment-Ripples an
jeder Rotor-Drehposition berechnet, und jedes berechnete Verhältnis α wird in
einem Speicher in einer 1:1-Zuordnung mit der Rotor-Drehposition
gespeichert. Die Korrekturtabelle 24 wird so erzeugt. Wenn
beispielsweise das erhaltene Ergebnis einer aktuellen Messung die
Wellenform des Drehmoment-Ripples ist, wie in 3(a) gezeigt, wird dann eine Rotor-Drehposition
zu einer Korrekturverhältniseigenschaft erhalten,
wie in 3(b) gezeigt. Die Korrekturtabelle 24 ist
eine Tabelle, die erzeugt wird, indem eine solche Eigenschaft in
einen Speicher in Form einer Tabelle gespeichert wird.
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Der
Rotor-Drehpositionssensor 32 erfasst eine Rotor-Drehposition
gleichzeitig mit der Erfassung des Drehmomentsensors 31 und
des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 34. Ein Korrekturverhältnis α entsprechend
der erfassten Rotor-Drehposition wird aus der Korrekturtabelle 24 ausgelesen
und in den Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 eingegeben.
Der Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 berechnet dann
einen Ripple-Korrekturwert ΔI
basierend auf dem Eingangskorrekturverhältnis α und dem Basis-Befehlswert Ib,
der von dem Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 eingestellt
wurde. Mit anderen Worten berechnet der Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 den
Ripple-Korrekturwert ΔI
entsprechend der Gleichung (1) wie folgt: ΔI
= (Ib/Ibmax) × (α – 1) × Ibmax
=
Ib(α – 1) ....(1)wobei
Ibmax der maximale wert des Basis-Befehlswerts Ib ist.
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Der
Basis-Befehlswert Ib und der Ripple-Korrekturwert ΔI, der auf
diese Art und Weise eingestellt wurde, werden in dem Additionsbereich 23 addiert,
und der Strom-Befehlswert I = Ib + ΔI wird somit eingestellt.
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Da
der Ripple-Korrekturwert ΔI
durch die zuvor beschriebene Gleichung (1) ausgedrückt wird,
ergibt sich der Strom-Befehlswert
I wie: I = Ib + Ib × (α – 1) = Ib × α
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Mit
anderen Worten wird das Produkt des Basis-Befehlswerts Ib, der durch
den Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 eingestellt wurde,
und dem Korrekturverhältnis α, das aus
der Korrekturtabelle 24 ausgelesen wird, auf den Strom-Befehlswert
I eingestellt. Das Korrekturverhältnis α nimmt einen
kleineren Wert an, wenn der Wert des Drehmoment-Ripples größer wird,
oder nimmt einen größeren Wert
an, wenn der Wert des Drehmoment-Ripples
kleiner wird. Folglich wird der Strom-Befehlswert I, der durch Multiplizieren
des Basis-Befehlswerts Ib und dem Korrekturverhältnis α eingestellt wird, auf einen
kleineren Wert einer Rotor-Drehposition eingestellt, bei der der
Drehmoment-Ripple einen größeren Wert
hat, und auf einen größeren Wert
an einer Rotor-Drehposition, wo der Drehmoment-Ripple einen kleineren
Wert hat.
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Folglich
ist es durch Steuern des Antriebsstroms des Elektromotors M basierend
auf dem Strom-Befehlswert I möglich,
das Auftreten von Drehmoment-Ripple des elektrischen Motors M zu unterdrücken und
damit kann ein zufriedenstellendes Lenkgefühl erzielt werden.
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Die
vorherige Beschreibung hat eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch in einer anderen Ausführungsform
implementiert werden kann. Beispielsweise wird bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform
der Strom-Befehlswert I eingestellt, indem der Basis-Befehlswert Ib, der
durch den Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 eingestellt
wird, auf den Ripple-Korrekturwert ΔI addiert, der von dem Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 eingestellt wird.
Ein Multiplikationsbereich kann jedoch anstelle des Ripple-Korrekturwert-Einstellbereichs 22 und dem
Additionsbereich 23 vorgesehen sein, so dass der Strom-Befehlswert
I eingestellt wird, indem der Basis-Befehlswert Ib, der von dem
Basis-Befehlswert-Einstellbereich 21 eingestellt wird,
mit dem Korrekturverhältnis α multipliziert
wird, das aus der Korrekturtabelle 24 ausgelesen wurde,
in dem Multiplikationsbereich multipliziert wird.
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Ebenfalls
ist in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Korrekturtabelle 24 eine
Tabelle, die durch Berechnen des Verhältnisses α des Mittelwerts des Drehmoment-Ripples
an jeder Rotor-Drehposition berechnet wird, und durch Speichern
jedes berechneten Verhältnisses α in den Speicher
in einer 1:1-Zuordnung zu der Rotor-Drehposition. Jedoch kann sie
eine Tabelle sein, die durch Berechnen des Produkts der Multiplikation
eines Werts des Korrekturverhältnisses α des Strom-Befehlswerts
mit Bezug auf jede Rotor-Drehposition minus 1 und dem maximalen
Wert Ibmax des Basis-Befehlswerts Ib berechnet werden, und durch
Speichern jedes Produkts in den Speicher in einer 1:1-Zuordnung zu der
Rotor-Drehposition. Kurz gesagt kann die Korrekturtabelle 24 das
Verhältnis
von (α – 1) × Ibmax
mit Bezug auf eine gegebene Rotor-Drehposition definieren. In diesem
Fall berechnet der Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 den
Ripple-Korrekturwert ΔI
dadurch, dass lediglich der Wert, der aus der Korrekturtabelle 24 ausgelesen
wird, mit dem Quotienten des Basis-Befehlswerts Ib dividiert durch
den maximalen Wert Ibmax multipliziert wird. Die berechneten Inhalte in
dem Ripple-Korrekturwert-Einstellbereich 22 können somit
vereinfacht werden.
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Die
vorhergehende Beschreibung hat Ausführungsformen der Erfindung
im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Ausführungsformen
Beispiele darstellen, um ein klares Verständnis des technischen Inhalts
der Erfindung zu liefern. Die Erfindung soll nicht auf diese Beispiele
beschränkt sein.