DE60320329T2

DE60320329T2 - Elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE60320329T2
Application number: DE60320329T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Maebashi-shi Gunma-ken Kawada; Hisayoshi Maebashi-shi Gunma-ken Koiwai; Yusuke Maebashi-shi Gunma-ken Itakura; Yasuhiko Gunma-gun Gunma-ken Miyaura
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: EP1336547B1; US6808043B2; US6837331B2; US20040154859A1; EP1336547A1; DE60320329D1; US20030155172A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung für Motorfahrzeuge. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung, welche in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretende Fehler feststellen kann, solche wie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 definiert und zum Beispiel in JP08091239A offenbart sind.
2. Stand der Technik
Eine für eine Motor-Steuerung eingesetzte elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung stellt ein Steuerungs-Drehmoment fest, welches an einer Steuerungs-Welle durch eine Betätigung der Steuerungs-Welle zusammenwirkend mit der Geschwindigkeit des Motorfahrzeugs erzeugt wird, und steuert den Motor entsprechend den festgestellten Signalen, wodurch die Steuer-Leistung der Steuerungs-Welle unterstützt wird. Eine elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung wird verwendet, um eine solche elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung wie folgt zu steuern/regeln: es wird ein Wert eines an den Motor zu liefernden Stromes auf der Basis des durch einen Drehmoment-Sensor festgestellten Steuerungs-Drehmoments und der durch einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor festgestellten Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet und basierend auf dem Berechnungsergebnis wird der zugeführte Strom gesteuert/geregelt.
Konkret steuert/regelt die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung den zugeführten Strom derart, dass eine große Steuerungs-Unterstützungs-Leistung für das Lenkrad zugeführt wird, wenn das Steuerungs-Drehmoment durch eine Betätigung des Lenkrads erzeugt wird und die festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig oder gleich Null ist, und eine kleine Steuerungs-Unterstützungs-Leistung dem Lenkrad zugeführt wird, wenn die Geschwindigkeit des Motorfahrzeugs hoch ist, wodurch die Zuführung der Steuerungs-Unterstützungs-Leistung in Übereinstimmung mit dem Bewegungszustand des Motorfahrzeugs optimiert wird.
In einer solchen elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung wird der tatsächlich in den Motor fließende Strom zurückgeführt und so gesteuert/geregelt, dass der Strom mit dem auf der Basis des Steuerungs-Drehmoments und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechneten Zielwert übereinstimmt. Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung wird also mit einem Motorstrom-Feststellungsmittel für das Feststellen des in dem Motor fließenden Stroms ausgestattet.
In einer solchen elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung wird, wenn das Motorstrom-Feststellungsmittel ausfällt, die genaue Motorstrom-Messung inaktiviert und entsprechend fließt ein überschüssiger Strom in den Motor. Als ein Ergebnis wird dem Lenkrad eine überschüssige Steuerungs-Unterstützungs-Leistung zugeführt oder es wird kein ausreichender Strom an den Motor geliefert. Die dem Lenkrad zuzuführende Steuerungs-Unterstützungs-Leistung wird damit ungenügend werden.
Außerdem wird gewöhnlich eine Funktionsprüfung für die Steuerungs/Regelungs-Vorrichtung des Motorfahrzeugs zum Zeitpunkt des Startens der Maschine ausgeführt. Eine Funktions-Prüfung wird zu diesem Zeitpunkt auch für Motorstrom-Feststellungsmittel ausgeführt. Und, wenn in der Funktionsprüfung ein Strom an den Motor geliefert wird, rotiert der Motor. Wenn die Motor-Welle zu diesem Zeitpunkt an den Steuerungs-Mechanismus gekoppelt ist, rotiert auch das Lenkrad; dadurch kann ein unerwarteter Unfall eintreten.
Um einen solchen Unfall zu vermeiden schlägt die , Japanese Patent Laid Open Publication No. H8-91239 ( JP08091239A ) die Verwendung eines Fehlerfeststellungsmittels vor. Entsprechend dieser Erfindung wird ein in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretender Fehler basierend auf einem Strom-Wert bestimmt, welcher erwartet wird, wenn eine Spannung an den Motor nur für einen kurzen Zeitraum angelegt wird, welcher angenommen ist als größer als die elektrische Zeitkonstante und kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Motors, sowie einem Motorstrom, festgestellt durch das Motorstrom-Feststellungsmittel selbst.
Das Fehlerfeststellungsmittel des oben beschriebenen Motorstrom-Feststellungsmittels bestimmt einen Fehler basierend auf einer an den Motor nur für einen kurzen Zeitraum direkt nach dem Starten des Motors durch Drehen des Zünd-Schlüssels in die „EIN"-Position angelegten Spannung, das bedeutet, nur für einen Zeitraum, dessen Wert genügend größer ist als die elektrische Zeitkonstante und genügend kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Motors. Dieses wird benötigt, um den oben erwähnten unerwarteten Unfall zu verhüten, welcher verursacht würde durch unerwartete Drehung des Lenkrads, wenn der Motor sich direkt nach dem Start der Maschine zu drehen beginnt.
Der Motor verursacht, wenn er einige Zeit in Verwendung war, die Bildung eines elektrisch isolierenden Oxydfilms auf den Kontaktoberflächen zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors. Der Oxydfilm wird mit der Zeit dicker, wodurch sich der elektrische Widerstand zwischen den Kontaktflächen erhöht. Es ist daher in diesem Zusammenhang erforderlich eine höhere Spannung anzulegen, um den Motor zu drehen.
Die 9(a) und 9(b) sind Diagramme, welche die Störung der Motorstrom-Messung durch einen solchen Oxydfilm zeigen.
Wie aus 9(a) zu verstehen ist, bezeichnet eine Linie A den normalen Zustand des Motors, in welchem auf den Kontaktoberflächen kein Oxydfilm gebildet ist, da der Motor neu ist. Die angelegte Spannung und der Strom in dem Motor sind zueinander in einer proportionalen Beziehung. Der Motorstrom steigt proportional zum Anwachsen der angelegten Spannung an. Eine andere Linie B zeigt den Fall, in welchem auf den Kontaktoberflächen ein Oxydfilm gebildet ist. In diesem Fall wächst der Motorstrom nicht proportional zu dem Anwachsen der angelegten Spannung an. Wenn die angelegte Spannung den Wert S erreicht, verursacht der Oxydfilm einen Durchbruch, wodurch der elektrische Widerstand des Films abrupt abfällt. Folglich beginnt in dem Motor ein Strom korrespondierend zu der normalen Spannung zu fließen.
9(b) zeigt, wie die angelegte Spannung, welche den Durchbruch (Durchschlag) des Oxydfilms bewirkt, ansteigt. Wenn der Oxydfilm mit der Zeit dicker wird, wird die Spannung, bei welcher der Durchbruch des Oxydfilms eintritt, mit der Zeit auf S1, S2, S3 und S4 angehoben. Wie oben beschrieben wird die Anwendung einer niedrigen Spannung für nur kurze Zeit ein Problem bei der Feststellung eines Fehlers in dem Motorstrom-Feststellungsmittel verursachen, weil der Motorstrom nicht festgestellt wird oder nur ein geringer Motorstrom wegen des auf den Kontaktoberflächen gebildeten Motorstroms festgestellt wird. Es kann daher fälschlich ein defekt des Motorstrom-Feststellungsmittels bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

1. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, welche die sichere Feststellung von in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretenden Fehlern in einer sofort nach dem Start der Maschine ausgeführten Funktions-Prüfung für die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung zu ermöglichen, frei von der Störung durch den elektrisch isolierenden Oxydfilm, welcher sich auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des das Steuerungs-Drehmoment unterstützenden Motors bildet.
2. Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, welche die sichere Feststellung von in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretenden Fehlern durch Erhöhen der an den Motor in einer sofort nach dem Start der Maschine ausgeführten Funktions-Prüfung der elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung angelegten Spannung ermöglicht, frei von der Störung durch den auf den Kontaktoberflächen zwischen dem Kollektor und der Bürste des das Steuerungs-Drehmoment unterstützenden Motors gebildeten elektrisch isolierenden Oxydfilm.
3. Es ist wieder ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, welche die sichere Feststellung von in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretenden Fehlern ermöglicht, durch Erhöhen der an den das Steuerungs-Drehmoment unterstützenden Motor angelegten Spannung Schritt für Schritt mit der Zeit, wodurch das Durchbrechen des auf den Kontaktoberflächen zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors elektrisch isolierenden Oxydfilms herbeigeführt wird.
4. Es ist wieder ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, welche die sichere Feststellung von in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auftretenden Fehlern, durch Erhöhen der an den das Steuerungs-Drehmoment unterstützenden Motor angelegten Spannung, Schritt für Schritt mit der Zeit, entsprechend zu einem integrierten Differenz-Wert zwischen einem Stromanweisungswert für den Motor und dem festgestellten Motorstrom ermöglicht, wodurch das Durchbrechen des auf den Kontaktoberflächen zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors elektrisch isolierenden Oxydfilms herbeigeführt wird.
5. Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist durch Anspruch 1 definiert. Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist durch Anspruch 7 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm einer Motor-Ansteuerungs-Schaltung;
4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) sind Diagramme, darstellend die Variabilitäts-Eigenschaften eines Motorstroms i und einer Motor-Winkelgeschwindigkeit ω, ebenso wie einer Zeitgebung für das Abtasten des Motorstroms i;
5(a) und 5(b) sind Diagramme, darstellend wie eine relative Einschaltdauer D sich in einem Abtastvorgang verändert;
6(a) und 6(b) sind Diagramme, darstellend wie eine relative Einschaltdauer D sich in einer Vielzahl von Abtastvorgängen verändert;
7 ist ein Flussdiagramm der durch die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung ausgeführten Steuerungs/Regelungs-Vorgänge;
8 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerungs/Regelungs-Vorrichtung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
9(a) und 9(b) sind Diagramme, darstellend die Störung durch einen auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors gebildeten Oxydfilm in Abhängigkeit von der Motorstrom-Messung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hiernach werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Es wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Welle 2 des Lenkrads 1 ist durch ein Untersetzungsgetriebe, durch Gelenkstücke 5a und 5b und einen Zahnstangen-Mechanismus 7 mit einer Spurstange 8 eines Rades verbunden. Die Welle 2 ist mit einem Drehmoment-Sensor 3 für das Feststellen eines Steuerungs-Drehmoments der Steuerungs-Welle 2 ausgestattet. Ein Motor 10 für das Unterstützen der Steuerungs-Leistung ist durch eine Kupplung 9 und das Untersetzungsgetriebe 4 mit der Welle 2 verbunden.
Eine elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 für das Steuern/Regeln der elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung empfängt eine Leistung aus einer Batterie 14 über ein Zündschloss 11. Die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 berechnet einen Stromanweisungswert entsprechend dem Steuerungs-Drehmoment, festgestellt durch den Drehmoment-Sensor 3, und der durch den Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 12 festgestellten Fahrzeuggeschwindigkeit, um den an den Motor 10 gelieferten Strom i basierend auf dem berechneten Stromanweisungswert zu steuern/regeln.
Die Kupplung 9 wird durch die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 gesteuert. Die Kupplung 9 ist im normalen Zustand mit dem Untersetzungsgetriebe 4 verkoppelt und ist getrennt von dem Untersetzungsgetriebe 4, wenn festgestellt ist, dass die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung fehlerhaft ist oder die Leistung abgeschaltet ist.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13. In dieser ersten Ausführungsform sind Elemente in der elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13, welche im Wesentlichen durch eine CPU konfiguriert ist, als durch ein in der CPU gespeichertes Programm auszuführende Funktionen gezeigt. Zum Beispiel ist ein Phasen-Kompensator 21 hier nicht als eine unabhängige Hardware-Einheit gezeigt; dieser ist dargestellt als eine Funktion für Phasen-Kompensation, ausgeführt in der CPU. Die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 muss nicht durch die CPU konfiguriert sein und jede der obigen Funktionen kann natürlich durch unabhängige Hardware-Einheiten (elektronische Schaltung) realisiert sein.
Als Nächstes werden Funktionen und Vorgänge der elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 beschrieben. Ein Steuerungs-Drehmoment-Signal, eingegeben durch den Drehmoment-Sensor 3 wird in dem Phasen-Kompensator 21 einer Phasen-Kompensation unterzogen, um dadurch die Stabilität des Steuerungs-Systems zu verbessern. Das Signal wird dann in einen Stromanweisungswert-Berechner 22 eingegeben. Die durch den Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 12 festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit wird ebenfalls in den Stromanweisungswert-Berechner 22 eingegeben.
Der Stromanweisungswert-Berechner 22 berechnet einen Stromanweisungswert I unter Verwendung einer vorbestimmten Gleichung, basierend auf dem Drehmoment-Signal und der empfangenen Fahrzeuggeschwindigkeit, entsprechend obiger Beschreibung. Der Stromanweisungswert I ist ein Ziel-Steuerungs/Regelungs-Wert des an den Motor 10 zu liefernden Stroms.
Eine Schaltung, umfassend einen Komparator 23, einen Differential-Kompensator 24, einen Proportionalitäts-Rechner 25 und einen integrierenden Rechner 26, wird verwendet für das Ausführen der Rückkopplungs-Steuerung/Regelung, um so den tatsächlichen Motorstromwert i gleich dem Stromanweisungswert I zu machen.
Der Proportionalitäts-Rechner 25 gibt einen Proportionalitäts-Wert aus, welcher proportional zu einer Differenz zwischen dem Stromanweisungswert I und dem tatsächlichen Motorstromwert i ist. Das Ausgabesignal des Proportionalitäts-Rechners 25 wird in dem integrierenden Rechner 26 integriert, um die Eigenschaften des Rückkopplungs-Systems zu verbessern und dann als ein Proportionalitäts-Wert des integrierten Differenz-Werts ausgegeben zu werden.
Der Differential-Kompensator 24 gibt einen differenzierten Wert des Stromanweisungswerts I aus, um die Reaktions-Eigenschaften des Motorstromwerts i, der tatsächlich in dem Motor fließt, in Bezug zu dem Stromanweisungswert I, berechnet durch den Stromanweisungswert-Berechnungs-Teil 22 zu verbessern.
Der differenzierte Wert des Stromanweisungswerts I aus dem Differential-Kompensator 24, der zu der Differenz zwischen dem Stromanweisungswert I und dem tatsächlichen Motorstromwert i aus dem Proportionalitäts-Rechner 25 ausgegebene proportionale Wert und der aus dem integrierenden Rechner 26 ausgegebene integrierte Wert werden in dem Addierer 27 addiert und das Ergebnis des Strom-Steuerungs/Regelungs-Werts (die relative Einschaltdauer des PWM-Signals, bestimmend eine an den Motor anzulegende Spannung) wird an die Motor-Antriebs-Schaltung 41 als ein Motor-Ansteuerungs-Signal ausgegeben.
3 zeigt ein Blockdiagramm der Motor-Antriebs-Schaltung 41. Die Motor-Antriebs-Schaltung 41 ist im Wesentlichen durch einen Wandler 44 für das Umwandeln eines Strom-Steuerungs/Regelungs-Werts, eingegeben aus dem Addierer 27 getrennt an ein PWM-Signal und an ein Strom-Richtungs-Signal, ein FET-Gate-Steuer-Schaltung 45 für das Öffnen/Schließen der Gates dieser Schaltungs-Elemente, gebildet. Die Leistungs-Verstärkungs-Quelle 46 wird verwendet, um die ,hoch' Seite eines jeden der Gates FET1 und FET2 zu treiben.
Das PWM-Signal (Pulsbreiten-Modulations-Signal) treibt die Gates der Schalt-Elemente FETT und FET2 der durch H-Brücken verbundenen FETs. Das PWM-Signal wird auch verwendet, um eine relative Einschaltdauer (ein Zeit-Verhältnis für das Ein/Aus-Schalten der FET-Gates) basierend auf dem absoluten durch den Addierer 27 berechneten Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert zu bestimmen.
Das Strom-Richtungs-Signal bezeichnet eine Richtung des Motorstroms. Das Signal wird bestimmt durch das positive/negative Vorzeichen des durch den Addierer 27 berechneten korrespondierenden Strom-Steuerungs/Regelungs- Werts.
Wie oben beschrieben sind beide, FET1 und FET2 Schalt-Elemente, jedes aufweisend ein Gate, um basierend auf der relativen Einschaltdauer des PWM-Signals Ein/Aus-geschaltet zu werden. Diese FETT und FET2 werden verwendet, um die Größe des Motorstroms zu steuern. Beide, FET₃ und FET₄ sind ebenso Schalt-Elemente, jedes aufweisend ein Gate, um basierend auf dem Strom-Richtungs-Signal Ein/Aus-geschaltet zu werden. (Wenn eines von FET3 oder FET4 eingeschaltet ist, ist das andere ausgeschaltet.) Diese (FET3 und FET4) werden verwendet um die Motorstrom-Richtung umzuschalten, das bedeutet, die Dreh-Richtung des Motors umzukehren.
Wenn das FET3 leitend ist, fließt der Strom zu dem Motor 10 in der positiven Richtung durch das FET1, den Motor 10, das FET3 und den Widerstand R1. Wenn das FET4 leitend ist, fließt der Strom zu dem Motor 10 in der negativen Richtung durch das FET2, den Motor 10, das FET4 und den Widerstand R2.
Die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 stellt den Wert des Stroms in der positiven Richtung basierend auf der Spannung, welche zwischen beiden Enden des Widerstands R1 abfällt, fest und stellt den Wert des Stromes in der negativen Richtung basierend auf der Spannung, welche zwischen beiden Enden des Widerstands R2 abfällt, fest. Der festgestellte tatsächliche Motorstromwert wird zu dem Komparator 23 zurückgeführt (siehe 2).
Die oben beschriebene elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung stellt einen großen Stromanweisungswert I ein, wenn das festgestellte Steuerungs-Drehmoment groß ist oder die festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit Null oder gering ist. Wenn das festgestellte Steuerungs-Drehmoment klein ist oder die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist, stellt die Steuerungs/Regelungs-Schaltung einen kleinen Stromanweisungswert I ein. Die Steuerungs-Leistung wird daher optimal unterstützt, entsprechend dem Bewegungs-Zustand des betrachteten Motorfahrzeugs.
Als Nächstes wird eine Erklärung gegeben, wie ein Fehler in dem Motorstrom-Feststellungsmittel festgestellt wird und wie Fehler-Sicherheits-Verarbeitung entsprechend dem festgestellten Ergebnis auszuführen ist.
Zuerst werden die Prinzipien der Fehlerfeststellung und das Fehler-sichere Verarbeiten beschrieben. Wenn der Zündschlüssel 11 gedreht wird, um eine Spannung V an den Motor anzulegen, wird eine Beziehung in dem folgenden Ausdruck (1) zwischen der Spannung V, welche zwischen den Motoranschlüssen fließt, und dem Strom i, welcher im Motor fließt, hergestellt. V = L × di/dt + Ri + kTω (1)
Hier bezeichnet k_T eine elektrodynamische Kraft-Konstante und das ω bezeichnet eine Motor-Winkelgeschwindigkeit, das L bezeichnet eine Motor-Induktivität und das R bezeichnet einen Widerstand des Motors zwischen dessen Anschlüssen.
Die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors wird erhalten durch das Teilen des Trägheitsmoments J des Motors durch den Viskositäts-Widerstand B des Motors und wird repräsentiert als Tm = J/B.
Die elektrische Zeitkonstante Te des Motors wird erhalten durch Teilen der Induktivität L des Motors durch den Widerstand R des Motors und wird repräsentiert als Te = L/R.
4 zeigt die Einschalteigenschaften des Motorstroms i und der Motor-Winkelgeschwindigkeit ω sowie eine Zeitgebung für das Abtasten des Motorstroms, wenn die Zeit T genügend kleiner eingestellt ist als die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors und genügend größer als die elektrische Zeitkonstante Te des Motors (Te << T << Tm) und eine Spannung V gerade für einen Zeitraum zwischen dem Anfangszustand und der Zeit T angelegt ist.
4(a) zeigt eine Beziehung zwischen der an den Motor angelegten Spannung V und dem Zeitraum des Anlegens. Eine bestimmte Spannung Vo ist an den Motor über den Zeitraum T0 angelegt, bevor das Abtasten des Motorstroms beginnt. Wenn das Abtasten beginnt, ändert sich die relative Einschaltdauer, wodurch sich die an den Motor angelegte Spannung mit der Zeit ändert.
4(b) zeigt eine Beziehung zwischen dem Motorstrom und der Anwendungs-Zeit. Wie in 4(b) dargestellt wächst der Motorstrom i schnell, wenn die Spannung V an den Motor angelegt ist (die elektrische Zeitkonstante Te << Zeitraum des Anlegens T der Spannung V) und der konstante Strom i fließt in dem Motor. Das „is" bezeichnet einen geschätzten Motorstromwert (später zu beschreiben).
Die 4(c) zeigt eine Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors und dem Zeitraum des Anlegens. Wie in 4(c) dargestellt, ist die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors groß und die Winkelgeschwindigkeit ω des Motors ist nahezu Null, das bedeutet, der Motor rotiert nicht in dem Zeitraum T, in welchem die Spannung an den Motor angelegt ist. In diesem Zusammenhang, wenn die an den Motor anzulegende Spannung V so bestimmt ist, dass der geschätzte Motorstrom „is" niedriger eingestellt ist als der zu dem statischen (Haft-)Reibungs-Drehmoment des Steuerungs-Mechanismus korrespondierende Wert, dann ist die Bedingung, dass der Motor nicht unerwartet rotiert, erfüllt.
4(d) zeigt eine Zeitgebung für das Abtasten des Motorstroms. Wie in 4(d) dargestellt, beginnt das Abtasten nach dem Zeitraum T0 nachdem die Spannung V an den Motor angelegt ist.
Entsprechend den Veränderungs-Eigenschaften des Motorstroms i und der Motor-Winkelgeschwindigkeit ω, steigt der Motorstrom i, wenn der Zeitraum T0 vorbei ist; dann wird die Spannung an den Motor angelegt. Der Zeitraum T0 ist etwas kürzer als der Zeitraum T. Und weil der Motor kaum rotiert, während der konstante Strom i in dem Motor fließt, werden die Winkelgeschwindigkeit ω und der differenzierte Wert des Motorstroms i ungefähr Null.
Folglich kann der obige Ausdruck (1) durch den folgenden Ausdruck (2) ersetzt werden. V = Ri (2)
Der geschätzte Motorstrom „is" wird damit erhalten durch Teilen der Spannung V zwischen den Motoranschlüssen durch den internen Widerstand R und wird repräsentiert durch den folgenden Ausdruck (3). is = V/R (3)
Wie aus dem Ausdruck (3) zu verstehen ist, schließt der geschätzte Motorstrom „is" weder die elektromotorische Gegenkraft k_Tω ein noch die regenerative Spannung L × di/dt des Motors, so dass der Motorstrom „is" frei von der Störung durch die elektromotorische Gegenkraft und die regenerative Spannung des Motors geschätzt werden kann.
Die an den Motor angelegte Spannung kann direkt aus der Spannung V zwischen Motoranschlüssen oder wie folgt festgestellt werden.
Die Spannung V zwischen den Motoranschlüssen steht in Relation zu dem Strom-Steuerungswert (die relative Einschaltdauer des PWM-Signals), geliefert an den Motor, wie gezeigt in dem folgenden Ausdruck (4). V = VBAT × D (4)
Hier bezeichnet das V_BAT eine Batteriespannung und das D bezeichnet eine relative Einschaltdauer des PWM-Signals.
Folglich kann der Ausdruck (3) für das Repräsentieren des geschätzten Motorstroms „is" ersetzt werden durch den folgenden Ausdruck (5). is = (VBAT × D)/R (5)
Hiernach wird mit Bezug zu 2 eine Beschreibung gegeben für beides, die Konfiguration und den Betrieb der Fehler-Bestimmung des Motorstrom-Feststellungsmittels und der Fehler-Sicherheits-Verarbeitung.
Wenn der Zündschlüssel 11 in die „EIN"-Position gedreht wird, wird eine Spannung nur für einen vorbestimmten Zeitraum T, voreingestellt in einem Zeitgeber TM (nicht gezeigt) an den Motor angelegt. Der „EIN"-Zustand des Zündschlüssels 11 wird durch den Zündung-"EIN"-Detektor 31 festgestellt und das festgestellte Signal wird in den Fehler-Detektor 32 eingegeben. Der Fehler-Detektor 32 empfängt auch eine Batteriespannung V_BAT, festgestellt durch den Batteriespannungs-Detektor 36 und einen Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert (die relative Einschaltdauer D des PWM-Signals), welches ein Eingabesignal der Motor-Antriebs-Schaltung ist.
Außerdem beginnt das Abtasten des Motorstroms i zu dem vorbestimmten Zeitraum T0 (T0 < T), voreingestellt in dem Zeitgeber TM (nicht gezeigt) und der durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 festgestellte Motorstromwert i wird an den Fehler-Detektor 32 eingegeben. Das Abtasten wird gerade in dem vorbestimmten Zeitraum Ts, voreingestellt durch den Zeitgeber Tm, ausgeführt.
Der Fehler-Detektor 32 berechnet einen geschätzten Strom-Wert „is" durch Einsetzen der Batteriespannung V_BAT, der relativen Einschaltdauer D des PWM-Signals und des Widerstands R zwischen den Motoranschlüssen in den Ausdruck (5), vergleicht dann das Ergebnis des berechneten Strom-Werts „is" mit dem Motorstromwert „i", festgestellt als ein Abtast-Wert durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42. Als ein Ergebnis wird bestimmt, wenn der Absolut-Wert der Differenz |is – i| größer ist als ein vorbestimmter zulässiger Wert Δi, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist.
Wenn festgestellt ist, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist, wird der Fehler-Sicherheits-Prozessor 33 aktiviert, um ein Fehler-Relais 34 auszuschalten und einen Kontakt 34a zu öffnen, so dass die Stromversorgung des Motors 20 abgeschaltet wird und die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung außer Betrieb gesetzt wird.
Die Fehler-Bestimmung für die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 kann als echter Fehler oder falscher Fehler betrachtet werden. Der falsche Fehler wird dadurch verursacht, dass die Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors durch einen Oxydfilm bedeckt ist, wodurch kein Motorstrom oder nur ein schwacher Motorstrom festgestellt wird.
Um eine solche falsche Fehler-Bestimmung zu verhindern, wird eine Spannung zwischen den Motoranschlüssen mit der Zeit Schritt für Schritt erhöht, um den Oxydfilm zu durchbrechen, wodurch die Störung der Motorstrom-Feststellung durch den Oxydfilm behoben wird. Nach diesem wird der Motorstrom i festgestellt, um zu bestimmen, ob die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist oder nicht. Hiernach wird die für diese Verarbeitung erforderliche Konfiguration der elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung beschrieben.
Wie in dem Ausdruck (4) gezeigt, wird die Spannung zwischen den Motoranschlüssen, das ist die an den Motor angelegte Spannung V, bestimmt durch die relative Einschaltdauer D des PWM-Signals und die Batteriespannung V_BAT. Damit kann die Spannung zwischen den Motoranschlüssen, das ist die an den Motor angelegte Spannung V, durch Verändern der relativen Einschaltdauer D verändert werden.
Hier wird eine Beschreibung zweier Verfahren für das Verändern der relativen Einschaltdauer D des PWM-Signals, um die an den Motor angelegte Spannung zu verändern, gegeben: ein Verfahren verändert die relative Einschaltdauer D mit der Zeit in einem Abtastvorgang und das andere Verfahren verändert die relative Einschaltdauer D basierend auf der Anzahl des in einer Mehrzahl von Abtastvorgängen ausgeführten Abtastens.
5(a) und 5(b) zeigen Diagramme für das Beschreiben eines Verfahrens für das Verändern der relativen Einschaltdauer D mit der Zeit während eines Abtastvorgangs. Wie in 5(a) gezeigt, wird die relative Einschaltdauer D in einem Abtastvorgang zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 von D1 nach D2 verändert, wie durch die Linie A dargestellt. Die zu diesem Zeitpunkt an den Motor angelegte Spannung V wird proportional zu dem Anwachsen der relativen Einschaltdauer D, gezeigt in 5(b), wie folgt verändert; der „EIN"-Zeitraum der an den Motor angelegten Spannung V wird zunehmend länger, wie durch Linie C dargestellt, und entsprechend wächst der Durchschnittswert der Spannung V von V1 zu V2 zunehmend an, wie durch Linie B dargestellt.
6(a) und 6(b) zeigen Diagramme für das beschreiben eines Verfahrens für das Ändern der relativen Einschaltdauer D mit der Zeit bei einer Mehrzahl von Abtastvorgängen. Wie in 6(a) dargestellt, steigt die relative Einschaltdauer D, welches im ersten Abtastvorgang D1 ist, in darauf folgenden Abtastvorgängen mehr und mehr an. In dem n-ten Abtastvorgang wird die relative Einschaltdauer D zu D2. Die relativen Einschaltdauer wird in diesem Fall in jedem Abtastvorgang als feststehend betrachtet, wie in 6(b) durch Linie B dargestellt. Die in diesem Zeitraum an den Motor angelegte Spannung V dehnt ihren „EIN"-Zeitraum in den darauf folgenden Abtastvorgängen länger und länger aus. Als ein Ergebnis verändert sich der Durchschnittswert der an den Motor angelegten Spannung V zunehmend von V1 nach V2, wie in 6(b) durch Linie C angezeigt.
Die relative Einschaltdauer D1 ist die minimale relative Einschaltdauer, welche zu der minimal notwendigen Spannung V für das Durchbrechen des Oxydfilms korrespondiert, wie oben beschrieben. Die relative Einschaltdauer D2 ist die maximale relative Einschaltdauer, welche zu der maximal an den Motor angelegten Spannung korrespondiert, bei welcher der Motor gerade noch nicht rotiert und das Lenkrad sich noch nicht zu drehen beginnt.
Jedes der obigen Verfahren kann für das Verändern der relativen Einschaltdauer D gewählt werden, um die an den Motor angelegte Spannung V zu erhöhen.
7 zeigt ein Flussdiagramm für das Steuern/Regeln des Betriebs des Fehler-Detektors 32, wenn das Verfahren für das Verändern der relativen Einschaltdauer D auf der bei einer Mehrzahl von Abtastungs-Vorgängen ausgeführten Anzahl von Abtastungen basiert.
Zuerst wird der Fehler-Detektor 32 initialisiert und der Zeitgeber TM gestartet (Schritt P1). Dann werden nacheinander die Batteriespannung V_BAT und die relative Einschaltdauer D des PWM-Signals gelesen (Schritte P2 und P3). Es ist hier angenommen, dass D1 (die minimale relative Einschaltdauer) als die anfängliche relative Einschaltdauer D eingestellt ist und diese danach aktualisiert wird, wenn die relative Einschaltdauer geändert wird.
Die zu der relativen Einschaltdauer D korrespondierende Spannung V wird zwischen den Anschlüssen des Motors angelegt (Schritt P4). Wenn der in dem Zeitgeber TM voreingestellte Zeitraum T0 beendet ist (Schritt P5) wird der abgetastete Motorstrom i aus der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 gelesen (Schritt P6). Der geschätzte Motorstrom „is" wird durch den Ausdruck (5) (Schritt P7) berechnet, um zu bestimmen, ob oder ob nicht der Absolutwert |is – i| größer ist als der vorbestimmte zulässige Wert Δi (Schritt P8). Wenn das Ergebnis im Schritt P8 „NEIN" ist (nicht größer), wird bestimmt, dass kein Fehler aufgetreten ist, wodurch die Programm-Ablaufsteuerung zur normalen Verarbeitung geht.
Wenn das Ergebnis im Schritt P8 JA (größer) ist, wird die relative Einschaltdauer D verändert, um den Oxydfilm zu durchbrechen, da der Motorstrom-Detektor fehlerhaft sein könnte und/oder ein Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors gebildet ist, wodurch der Motorstrom nicht korrekt festgestellt sein könnte. Es wird bestimmt, ob oder ob nicht die eingestellte relative Einschaltdauer D2 ist (maximaler Wert) (Schritt P9). Wenn das Ergebnis „JA" ist (D2), wird geschätzt, dass der Oxydfilm bereits durchbrochen ist. Folglich wird bestimmt, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist und Fehler-sicheres Verarbeiten wird ausgeführt, während die relative Einschaltdauer D2 belassen wird wie sie ist (Schritt P10); dann wird die Verarbeitung beendet.
Wenn das Ergebnis im Schritt P9 „NEIN" ist (nicht D2), wird die Batteriespannung V_BAT gelesen, dann wird die relative Einschaltdauer D um einen Schritt vergrößert (Schritte P11 und P12). Danach springt die Programmablauf-Steuerung zum Schritt P4.
Ein zu der mechanischen Zeitkonstante Tm des Motors korrespondierender Spannungs-Wert wird in der Fehler-Verarbeitung für die zur Verhinderung der Motor-Drehung als obere Grenze für die an den Motor angelegte Spannung V angenommen.
Wie oben beschrieben, wird in der ersten Ausführungsform die Motorstrom-Feststellungsschaltung auf Fehler überprüft, sofort nachdem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde. Der Fehler wird festgestellt durch Vergleichen des basierend auf dem Motorstromanweisungswert geschätzten Motorstromwert mit dem tatsächlichen Motorstromwert, festgestellt durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung, während der Motorstromanweisungswert nur für einen Zeitraum T eingestellt ist, dessen Wert genügend kleiner ist als die mechanische Zeitkonstante Tm und genügend größer ist als die elektrische Zeitkonstante Te des Motors (Te << T << Tm), und der Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert mit der Zeit verändert wird. Das Verfahren macht es daher möglich, Fehler der Motorstrom-Feststellungsschaltung zu bestimmen während der Motor nicht rotiert.
Außerdem wird die Motorstrom-Feststellungsschaltung auch auf Fehler überprüft, während ein Strom in dem Motor für nur kurze zeit fließt. Jedoch kann der so festgestellte Fehler ein nicht echter Fehler sein. Dies ist so, weil ein ähnlicher Fehler oft festgestellt wird, wenn ein Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors gebildet ist, wodurch der Motorstrom nicht korrekt festgestellt werden kann. In dieser ersten Ausführungsform wird die relative Einschaltdauer D, die die Motor-Spannung bestimmt, mit der Zeit vergrößert, um die an den Motor angelegte Spannung Schritt für Schritt zu vergrößern, so dass der Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche durchbrochen wird, um die korrekte Feststellung des Motorstroms zu ermöglichen. Folglich werden Fehler der Motorstrom-Feststellungsschaltung immer exakt festgestellt werden.
Außerdem können in der ersten Ausführungsform Fehler der Motorstrom-Feststellungsschaltung sofort nach dem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde festgestellt werden, während die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω nahezu Null ist und der Motor entsprechend nicht rotiert. Damit kann ein Unfall, dass das Lenkrad sich dreht während die Motorstrom-Feststellungsschaltung auf Fehler überprüft wird, verhindert werden.
[Zweite Ausführungsform]
Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
8 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13. In dieser zweiten Ausführungsform werden zur Vermeidung redundanter Beschreibung für die gleichen Elemente die gleichen Referenznummern verwendet wie für diejenigen in der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform werden Elemente der elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13, welche hauptsächlich durch eine CPU konfiguriert sind, als durch ein in der CPU gespeichertes Programm auszuführende Funktionen dargestellt. Zum Beispiel bezeichnet ein Phasen-Komparator 21 hier nicht eine unabhängige Hardware-Einheit; dieser ist dargestellt als eine in der PU auszuführende Phasen-Kompensations-Funktion. Die elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 muss nicht durch eine CPU konfiguriert werden und jede der obigen Funktionen kann natürlich durch unabhängige Hardware-Einheiten (elektronische Schaltung) realisiert werden.
Nachstehend werden die Funktionen und Vorgänge der elektronischen Steuerungs/Regelungs-Schaltung 13 beschrieben. Ein durch einen Steuerungs-Drehmoment-Sensor eingegebenes Steuerungs-Drehmoment-Signal wird durch einen Phasen-Kompensator 21 der Phasen-Kompensation unterworfen, um die Stabilität des Steuerungs/Regelungs-Systems zu verbessern, und dann in einen Stromanweisungswert-Berechner 22 eingegeben. Eine durch einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 12 festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit wird ebenfalls in den Stromanweisungswert-Berechner 22 eingegeben. Der Stromanweisungswert-Berechner 22 berechnet unter Verwendung eines vorbestimmten Ausdrucks einen Stromanweisungswert I basierend auf einem, wie oben beschrieben, eingegebenen Drehmoment-Signal und Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal. Der Stromanweisungswert I ist ein Ziel-Steuerungs/Regelungs-Wert des an den Motor 10 zu liefernden Stroms.
Ein Strom-Abweichungs-Rechner/Proportional-Integrator 53 ist ein Berechnungs-Element, welches eine Differenz Δi zwischen dem Stromanweisungswert I, ausgegeben durch den Stromanweisungswert-Berechner 22, und dem tatsächlichen Motorstromwert i, festgestellt durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42, berechnet und eine proportionale Integration (PI-Vorgang) entsprechend der Differenz Δi ausführt, wodurch ein Strom-Steuerungswert E für das Steuern des Motors 10 ausgegeben wird.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des Strom-Abweichungs-Berechners/Proportional-Integrators 53 beschrieben. Während der Motorstromwert i normal festgestellt wird, wird der Differenz-Wert Δi ungefähr gleich Null. Der von dem Strom-Abweichungs-Berechner/Proporional-Integrator 53 ausgegebene Strom-Steuerungswert E wird so ungefähr gleich dem Stromanweisungswert I und der Motor 10 wird durch die rückgekoppelte SR so angetrieben, dass der Differenz-Wert Δi Null wird.
Während der Motorstromwert i nicht normal festgestellt wird, ist die Differenz Δi zwischen dem Stromanweisungswert I und dem festgestellten tatsächlichen Motorstromwert i groß.
Folglich steigt der Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert Schritt für Schritt an, als ein Ergebnis der durch den Differenz-Wert Δi zwischen dem Stromanweisungswert I und dem festgestellten tatsächlichen Motorstromwert bewirkten proportionalen Integration (PI-Vorgang). Damit steigt die an den Motor 10 zwischen den Anschlüssen angelegte Spannung V Schritt für Schritt an.
Wenn die Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors 10 durch einen Oxydfilm bedeckt ist, wird der anfängliche Motorstromwert i nur schwach festgestellt. Dann wird der schwach festgestellte Strom-Wert i zu dem Strom-Abweichungs-Berechner/Proportional-Integrator 53 zurückgeführt. So wie die Differenz-Werte Δi integriert werden, steigt der Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert E Schritt für Schritt an, wodurch die an den Motor angelegte Spannung V Schritt für Schritt ansteigt.
Wenn die an den Motor angelegte Spannung V einen bestimmten Wert übersteigt, wird der Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche durchbrochen. Es wird dann plötzlich ein großer Strom korrespondierend zu der hohen Spannung V entsprechend dem erhöhten Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert E fließen. Danach wird der Motorstromwert i jedoch normal festgestellt, wodurch der Motor durch die Rückkopplungs-Steuerung/Regelung so angesteuert wird, dass der Differenz-Wert Δi zwischen dem Stromanweisungswert I und dem tatsächlich festgestellten Motorstromwert i Null wird.
Der Motorstrom-Prüfer 54 bestimmt, ob oder ob nicht der durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 festgestellte Motorstromwert i innerhalb des voreingestellten Grenzwerts liegt. Wenn das Ergebnis „NEIN" (nicht innerhalb des Grenzwerts) ist, gibt der Motorstrom-Prüfer 54 ein Fehler-Signal aus. Das Signal zeigt an, dass ein Fehler in der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 festgestellt ist. Wenn das Ergebnis „JA" ist (innerhalb des Grenzwerts), gibt der Motorstrom-Prüfer 54 ein "Kein-Fehler"-Signal aus.
Der Fehler-Detektor 55 bestimmt ob die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist oder nicht und gibt ein Fehler-Bestimmungs-Signal basierend auf einer Mehrzahl von durch den Motorstrom-Prüfer 54 ausgegebenen Signalen aus, ein Signal ausgegeben von dem Zündung "EIN"-Detektor 31, welches den „EIN"-Position-Zustand des Zündschlüssels feststellt, und ein Signal ausgegeben aus dem Batteriespannungs-Detektor 36, welches bestimmt, ob die Batteriespannung normal ist oder nicht.
Der Fehler-Sicherheits-Prozessor 56 aktiviert eine Relais-Schaltung 34 entsprechend dem von dem Fehler-Detektor 55 ausgegebenen Fehlerfeststellungs-Signal, um die Stromversorgung an den Motor 10 abzuschalten. Die Fehlerfeststellung und die Fehler-Sicherheits-Verarbeitung wird später im Detail beschrieben werden.
Die Konfiguration der Motor-Antriebs-Schaltung 41 ist die gleiche wie jene in der ersten Ausführungsform. Die Beschreibung wird deshalb hier weggelassen.
Die oben beschriebene elektronische Steuerungs/Regelungs-Schaltung kann die Steuer-Leistung optimal unterstützen entsprechend dem Bewegungs-Zustand des betreffenden Motorfahrzeugs, da ein großer Stromanweisungswert I eingestellt ist, wenn das festgestellte Steuerungs-Drehmoment groß ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit Null oder niedrig ist und da ein kleiner Stromanweisungswert I eingestellt ist, wenn das festgestellte Steuerungs-Drehmoment klein ist und die festgestellte Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist.
Als Nächstes wird eine Beschreibung gegeben dazu, wie ein Fehler in der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 bestimmt wird und wie eine Fehler-Sicherheits-Verarbeitung basierend auf dem Feststellungs-Ergebnis ausgeführt wird.
Zuerst werden die Prinzipien der Fehler-Bestimmung und der Fehler-Sicherheits-Verarbeitung beschrieben. Wenn der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wird, um eine Spannung V an den Motor 10 anzulegen, wird eine Beziehung wie in dem folgenden Ausdruck (1) gezeigt hergestellt zwischen der Spannung V zwischen den Motoranschlüssen und dem Motorstrom i. V = L·di/dt + Ri + kTω (1)
Hier bezeichnet k_T eine elektromotorische Gegenkraft-Konstante des Motors und das ω bezeichnet eine Winkelgeschwindigkeit des Motors. Das L bezeichnet eine Induktivität zwischen den Motoranschlüssen.
Die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors wird erhalten durch Teilen des Trägheitsmoments J des Motors durch den Viskositäts-Widerstand B des Motors und wird repräsentiert als Tm = J/B. Die elektrische Zeitkonstante Te des Motors wird erhalten durch Teilen der Induktivität L des Motors durch den Widerstand R des Motors und wird repräsentiert als Te = L/R.
Als Nächstes wird eine Beschreibung gegeben für die Übergangs-Eigenschaften des Motorstroms i und der Motor-Winkelgeschwindigkeit ω, ebenso wie für eine Zeitgebung für das Abtasten des Motorstroms, wenn der Zeitraum T genügend kleiner als die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors und genügend größer als die elektrische Zeitkonstante Te des Motors (Te << T << Tm) eingestellt ist und eine Spannung V an den Motor gerade für einen Zeitraum T nach dem Anfangszustand angelegt ist, wobei Bezug genommen wird auf die 4(a) und 4(b), auf welche auch in der ersten Ausführungsform bezogen wurde.
4(a) zeigt eine Beziehung zwischen der an den Motor angelegten Spannung V und der Zeit der Anlegung. Eine Bestimmte Spannung Vo wird an den Motor bis zu dem Zeitpunkt T0 angelegt, bevor die Motorstrom-Abtastung beginnt. Nachdem das Abtasten beginnt, wächst die Spannung V mit der Zeit Schritt für Schritt an.
4(b) zeigt eine Beziehung zwischen einem Motorstrom und einem Strom-Zuführungs-Zeitraum. In dem normalen Zustand, das ist, wenn auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors kein Oxydfilm gebildet ist, steigt der Motorstrom schnell an (elektrische Zeitkonstante Te des Motors << Anlegungszeitraum T der Spannung V) in Reaktion auf die an den Motor angelegte Spannung, wodurch in dem Motor ein konstanter Strom i fließt.
4(c) zeigt eine Beziehung zwischen einer Winkelgeschwindigkeit ω des Motors und der Zuführungs-Zeit. Wie in 4(c) gezeigt, ist die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors groß und die Winkelgeschwindigkeit des Motors ist nahezu Null, das bedeutet, der Motor rotiert in dem Zeitraum T nicht, in welchem die Spannung V an den Motor angelegt ist. In diesem Zusammenhang, wenn die an den Motor anzulegende Spannung so bestimmt ist, dass der geschätzte Motorstrom „is" niedriger eingestellt ist als der zu dem statischen (Haft-)Reibungs-Drehmoment des Steuerungs-Mechanismus korrespondierende Wert, dann ist die Bedingung, dass der Motor nicht unerwartet rotiert, erfüllt.
4(d) zeigt einen Zeitablauf für das Abtasten des Motorstroms i. Wie in 4(d) gezeigt, beginnt das Abtasten zum Zeitpunkt T0 nachdem die Spannung an den Motor angelegt ist. Das Ts bezeichnet einen Abtast-Zeitraum.
Wie oben beschrieben, wird die Fehlerfeststellung durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 bewerkstelligt durch das vielfache Abtasten des Motorstromwerts i direkt nachdem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde.
Hiernach wird eine Beschreibung gegeben, sowohl zur Bestimmung eines Fehlers in der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 der vorliegenden Erfindung als auch, mit Bezug zu 8, zur Konfiguration und zum Betrieb der Fehler-Sicherheits-Verarbeitung basierend auf der Fehler-Bestimmung.
Die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 kann in den folgenden zwei Fällen bei der Feststellung des Motorstromwerts i versagen. In einem Fall fließt der Motorstrom nicht oder nur schwach wegen der Störung durch den auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors gebildeten Oxydfilm, während die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 normal in Betrieb ist. In dem anderen Fall ist die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 selbst defekt.
Um eine solche falsche Feststellung zu vermeiden, befähigt die vorliegende Erfindung den Motorstromwert i festgestellt zu werden nachdem der Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche durchbrochen ist, wodurch der Fehler der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 selbst genau festgestellt wird.
Wenn der Zündschlüssel 11 in die „EIN"-Position gedreht ist, wird die Spannung V nur für einen vorbestimmten Zeitraum T, voreingestellt durch einen Zeitgeber TM (nicht gezeigt), angelegt. Der „EIN"-Zustand des Zündschlüssels 11 wird durch den Zündung-"EIN"-Detektor 31 festgestellt und das festgestellte Signal wird in den Fehler-Detektor 55 eingegeben. Der Fehler-Detektor 55 empfängt auch eine Batteriespannung V_BAT, festgestellt durch den Batteriespannungs-Detektor 36.
Zum Zeitpunkt der Feststellung des Fehlers der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 wird kein Steuerungs-Drehmoment erzeugt und die Fahrzeuggeschwindigkeit ist Null. Daher wird der Motor nicht angesteuert, um ein Unterstützungs-Drehmoment zu erzeugen. Folglich wird ein vorbestimmter Stromanweisungswert I für Fehlerfeststellung von dem Stromanweisungswert-Berechner 22 ausgegeben, um die Spannung V an den Motor 10 anzulegen.
Auf der anderen Seite wird das Abtasten des Motorstromwerts i begonnen, nachdem ein vorbestimmter Zeitraum T0 (T0 < T), voreingestellt in dem Zeitgeber TM (nicht gezeigt), vergangen ist. Das Abtasten dauert nur für eine vorbestimmten Zeitraum Ts an, welcher in dem Zeitgeber TM voreingestellt ist, wie in 4(d) gezeigt.
Wie oben beschrieben berechnet der Stromabweichungs-Berechner/Proportional-Integrator 53 die Differenz Δi zwischen dem Stromanweisungswert I und dem festgestellten tatsächlichen Motorstromwert i und führt eine proportionale Integration (PI-Vorgang) entsprechend zur Differenz Δi aus, wodurch ein Strom-Steuerungs/Regelungs-Wert E für die Steuerung des Motors 10 ausgegeben wird. Wenn die Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors 10 durch einen Oxydfilm bedeckt ist, ist der Differenzwert Δi groß und der Stromanweisungswert I steigt an, der Oxydfilm wird durchbrochen, wodurch der normale Strom in dem Motor fließt. Der Motorstrom i wird dann festgestellt.
Die obigen Verarbeitungen werden immer in dem Strom-Abweichungs-Berechner/Proportional-Integrator 53 ausgeführt, unabhängig davon, ob ein Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche gebildet ist oder nicht; die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 kann den Motorstromwert i frei von der Störung durch den Oxydfilm feststellen.
In den obigen Verarbeitungen wird ein sehr großer Strom-Wert i zu einem Zeitpunkt festgestellt, an welchem die Oxydfilm-Isolation wegen der an den Motor angelegten Spannung, die schrittweise ansteigt, durchbrochen wird. Zum nächsten Abtast-Zeitpunkt wird der Motorstromwert i jedoch normal festgestellt. Daher wird der Motorstromwert in einer Vielzahl von Abtastvorgängen festgestellt. Konkret, auch wenn der festgestellte Motorstrom zu einem Abtast-Zeitpunkt nicht innerhalb des Grenzwerts ist, kann nicht bestimmt werden, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist. Andernfalls könnte die Feststellung falsch bestimmt sein.
Wenn der festgestellte Motorstromwert sogar in einer Vielzahl von Abtastvorgängen nicht innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts ist, wird festgestellt, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist, da auf den Kontaktoberflächen in diesem Fall kein Oxydfilm gebildet ist. Es ist auch möglich zu bestimmen, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 fehlerhaft ist, wenn der festgestellte Strom-Wert, welcher nicht innerhalb der vorbestimmten Grenze ist, fortgesetzt in einer spezifizierten Anzahl von Abtastvorgängen festgestellt wird.
Außerdem, weil die an den Motor angelegte Spannung in der Zeitreihenfolge Schritt für Schritt ansteigt, kann, wenn der zu der Spannung V korrespondierende Motorstrom nicht innerhalb des vorbestimmten Werts ist, bestimmt werden, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 defekt ist.
Der Motorstrom-Prüfer 54 gibt eine Vielzahl von Fehler-Signalen aus, wenn der durch die Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 festgestellte Motorstromwert i nicht innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts ist. Jedes der Signale zeigt an, dass ein Fehler in der Motorstrom-Feststellungsschaltung 42 aufgetreten ist. Wenn der Motorstromwert i innerhalb des Grenzwerts ist, gibt der Motorstrom-Prüfer 54 eine Vielzahl von „KEIN-Fehler"-Signalen aus. Der Grund, warum eine Vielzahl von „Fehler"/"KEIN-Fehler"-Signalen zu diesem Zeitpunkt ausgegeben werden ist, dass der Motorstromwert i an einer Vielzahl von Zeitpunkten abgetastet wird.
Der Fehler-Detektor 55 bestätigt, dass diese Signale durch Abtasten des Motorstromwerts i an einer Vielzahl von Zeitpunkten in einer Betriebs-Prüfung, ausgeführt sofort nachdem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde, basierend auf einer durch den Motorstrom-Prüfer 54 ausgegebenen Vielzahl von „Fehler"- oder „KEIN-Fehler"-Signalen, der Signal-Ausgabe aus dem Zündung-"EIN"-Detektor 31 und der Signal-Ausgabe aus dem Batteriespannungs-Detektor 36.
Der Fehler-Detektor 55 bestimmt auch, dass in dem Motorstrom-Feststellungsmittel ein Fehler aufgetreten ist und gibt ein Fehler-Bestimmungs-Signal an den Fehler-Sicherheits-Prozessor 56 aus, wenn ein Fehler-Signal festgestellt wird in jedem Feststellungs-Ergebnis oder in einem Feststellungs-Ergebnis direkt nachdem ein „KEIN-Fehler"-Signal in der Zeitfolge festgestellt ist.
Der Fehler-Sicherheits-Prozessor 56 betätigt die Relais-Schaltung 34, um den Kontakt 34a zu öffnen, entsprechend dem empfangenen Fehlerfeststellungs-Signal und schaltet dann die Stromversorgung für den Motor 10 ab. Der Betrieb der elektrischen Servo-Steuerungsvorrichtung wird dadurch deaktiviert.
Die an den Motor angelegte Spannung V sollte in ihrem Maximum begrenzt sein durch einen Wert korrespondierend zur mechanischen Zeitkonstante des Motors. Dies deshalb, weil andernfalls eine unerwartete Drehung des Motors eintreten kann, wenn die an den Motor angelegte Spannung ansteigt. Wenn die an den Motor angelegte Spannung V durch einen solchen oberen Grenzwert korrespondierend zu der mechanischen Zeitkonstante des Motors begrenzt ist, wird ein durch eine unerwartete Drehung des Motors verursachter Unfall verhindert.
Wie oben beschrieben wird in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Motorstrom-Feststellungsschaltung auf Fehler überprüft, direkt nachdem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde. Weiter ist ein Motorstromanweisungswert nur für einen Zeitraum T eingestellt, dessen Wert genügend kleiner ist als die mechanische Zeitkonstante Tm des Motors und genügend größer als die elektrische Zeitkonstante Te des Motors, wodurch der Strom-Abweichungs-Berechner/Proportional-Integrator 53 eine Differenz zwischen einem Stromanweisungswert und einem festgestellten Motorstromwert berechnet und für das Ergebnis eine proportionale Integration (PI-Vorgang) basierend auf der Differenz Δi ausführt, um einen Strom-Steuerungswert E für die Steuerung des Motors auszugeben.
Wenn der Motorstrom nicht normal festgestellt wird, steigt der Strom-Steuerungswert E durch die obige Integration mit der Zeit an, wodurch die an den Motor angelegte Spannung V ansteigt. Eine hohe Spannung wird damit an den Motor angelegt, auch wenn ein elektrisch isolierender Oxydfilm auf der Kontaktoberfläche zwischen dem Kollektor und der Bürste des Motors gebildet ist. Die Isolation durch den Oxydfilm wird so durchbrochen, wodurch der Motorstrom normal zu fließen beginnt.
Folglich wird die Fehlerfeststellung frei von der Störung durch den Oxydfilm ausgeführt, so dass es möglich ist zu bestimmen, dass die Motorstrom-Feststellungsschaltung fehlerhaft ist, wenn der festgestellte Motorstrom nicht innerhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt.
Außerdem ist es möglich Fehlerfeststellung in dem Motorstrom-Feststellungsmittel auszuführen, sofort nachdem der Zündschlüssel in die „EIN"-Position gedreht wurde, sogar während der Motor tatsächlich nicht gedreht wird. So kann ein Unfall dadurch, dass sich das Lenkrad unerwartet dreht, während der Fehlerfeststellung verhindert werden.
Obgleich nur bevorzugte Ausführungsformen hier illustriert und beschrieben sind, wird es offensichtlich sein, dass viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Unterrichtungen und innerhalb der Vorschau auf die angehängten Ansprüche möglich sind ohne den beabsichtigten Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung, umfassend: eine Steuereinheit, ausgestattet mit einem Motor (10) für die Unterstützung ihrer eigenen Steuer-Leistung; Steuerungs/Regelungs-Mittel (13) für das Steuern/Regeln einer Ausgabe des Motors korrespondierend zu zumindest einem Signal eines Steuerungs-Drehmoments, erzeugt an einer Steuerungs-Welle; wobei die Steuerungs/Regelungs-Mittel einschließen: Motorstromanweisungswert-Berechnungsmittel (22) für das Berechnen eines Stromanweisungswerts (I) eines an den Motor zu liefernden Stroms; Motorstrom-Abschätzungs-Mittel für das Abschätzen eines Werts (is) des Motorstroms, basierend auf dem Stromanweisungswert; Motorstrom-Feststellungsmittel (42) für das Feststellen eines Werts eines Stroms (i), welcher in den Motor fließt; Fehler-Feststellungsmittel (32) für das Feststellen eines Fehlers in dem Motorstrom-Feststellungsmittel durch Vergleichen des abgeschätzten Motorstroms mit dem festgestellten Motorstrom; und wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um in der Weise zu steuern/regeln, dass ein Motorstromanweisungswert nur für einen Zeitraum festgelegt wird, dessen Wert genügend größer ist als eine elektrische Zeitkonstante (Te) des Motors und genügend kleiner ist als eine mechanische Zeitkonstante (Tm) des Motors; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs/Regelungs-Mittel außerdem einschließt Mittel für das Verändern eines Strom-Steuerungswerts mit der Zeit, basierend auf dem Stromanweisungswert, um eine an den Motor angelegte Spannung (V), mit der Zeit zu vergrößern, bevor das Fehler-Feststellungsmittel den abgeschätzten Motorstromwert mit dem festgestellten Motorstromwert vergleicht, dadurch ermöglichend die korrekte Feststellung eines Fehlers in dem Motorstrom-Feststellungsmittel.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel, wenn ein Fehler in dem Motorstrom-Feststellungsmittel festgestellt wird, eingerichtet ist, um eine an den Motor angelegte Spannung mit der Zeit zu erhöhen, beginnend bei einer Spannung niedriger als die an den Motor angelegte Spannung, die festgestellt ist zum Zeitpunkt der Fehler-Feststellung, um so den Fehler wieder in dem Motorstrom-Feststellungsmittel festzustellen.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die an den Motor angelegte Spannung in deren Maximum begrenzt ist durch einen Wert korrespondierend zu der mechanischen Zeitkonstante des Motors.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um die relative Einschaltdauer (D) der an den Motor angelegten Spannung mit der Zeit zu verändern und die Spannung mit der Zeit zu erhöhen.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um die relative Einschaltdauer der an den Motor angelegten Spannung in einem Abtastvorgang mit der Zeit zu verändern und die Spannung mit der Zeit zu erhöhen.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um die relative Einschaltdauer der an den Motor angelegten Spannung korrespondierend zu einer Erhöhung der Anzahl von Abtastvorgängen mit der Zeit zu verändern und die Spannung mit der Zeit zu erhöhen.
Eine elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung, umfassend: eine Steuereinheit, ausgestattet mit einem Motor (10) für das Unterstützen von deren Steuer-Leistung; Steuerungs/Regelungs-Mittel (13) für das Steuern/Regeln einer Ausgabe des Motors korrespondierend zu zumindest einem Signal von einem Steuer-Drehmoment, erzeugt an einer Steuerungs-Welle; wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel einschließt: Mittel (22) für das Berechnen des Motorstromanweisungswerts für das Berechnen eines Stromanweisungswerts eines Stroms (I), welcher an den Motor zu liefern ist; Motorstrom-Feststellungsmittel (42) für das Feststellen eines in dem Motor fließenden Stroms; und Fehler-Feststellungsmittel (55) für das Bestimmen, das das Motorstrom-Feststellungsmittel fehlerhaft ist, wenn der festgestellte Motorstrom nicht innerhalb eines vorbestimmten Grenzwerts ist; gekennzeichnet durch: ein Strom-Abweichung berechnendes/proportional-integrierendes Mittel (53) für das Berechnen einer jeden Differenz (Δi) zwischen einem Motorstromanweisungswert (I) und einem festgestellten Motorstrom (i) und proportional integrierend die berechnete Differenz für das Ausgeben eines Strom-Steuerungswerts (E); wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um so zu Steuern/Regeln, dass der Motorstromanweisungswert nur für einen Zeitraum festgelegt ist, dessen Wert größer ist als die elektrische Zeitkonstante (Te) des Motors und kleiner ist als die mechanische Zeitkonstante (Tm) des Motors, und eingerichtet ist, um den Motor mit einer Spannung (V) anzutreiben, welche einzustellen ist basierend auf dem Strom-Steuerungswert, ausgegeben aus dem die Strom-Abweichung berechnenden/proportional-integrierenden Mittel, nachdem der Strom-Steuerungswert einen Minimal-Wert erreicht hat, wodurch dem Fehler-Feststellungsmittel ermöglicht wird, einen Fehler des Motorstrom-Feststellungsmittels korrekt zu bestimmen.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Steuerungs/Regelungs-Mittel eingerichtet ist, um die an den Motor angelegte Spannung bis zu einem Wert zu erhöhen, bei welchem ein Oxydfilm durchbrochen wird, welcher auf einer Kontaktoberfläche zwischen einem Kollektor und einer Bürste des Motors gebildet ist.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Fehler-Feststellungs-Mittel eingerichtet ist, um einen Fehler des Motorstrom-Feststellungsmittels zu bestimmen, korrespondierend zu jedem Feststellungs-Ergebnis des Motorstrom-Feststellungsmittels, erhalten in einer Vielzahl von Motorstrom-Abtastvorgängen.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Fehler-Feststellungsmittel nicht sofort bestimmt, dass das Motorstrom-Feststellungsmittel fehlerhaft ist, wenn der festgestellte Motorstrom Werte einschließt, welche zwar innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts jedoch nicht innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts in den Motorstrom-Abtast-Ergebnissen, erhalten durch eine Vielzahl an Abtastvorgängen, sind und wobei das Fehler-Feststellungsmittel bestimmt, dass das Motorstrom-Feststellungsmittel fehlerhaft ist, wenn der festgestellte Motorstrom einen Wert einschließt, der nicht innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts in den Abtast-Ergebnissen, erhalten durch eine Vielzahl von Abtastvorgängen, liegt oder festgestellte gegenwärtige Motorstromwerte einen Wert einschließen, der nicht innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts in den Abtast-Ergebnissen liegt, die erhalten sind in Korrespondenz mit der an den Motor angelegten, Stufe für Stufe in zeitlicher Reihenfolge erhöhten, Spannung.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Fehler-Feststellungsmittel bestimmt, dass das Motorstrom-Feststellungsmittel fehlerhaft ist, wenn eine Vielzahl von Motorströmen, welche nicht innerhalb des Grenzwerts sind, aufeinander folgend in den Feststellungs-Ergebnissen festgestellt werden, welche durch eine Vielzahl von durch das Motorstrom-Feststellungsmittel ausgeführten Abtastvorgängen erhalten wurden.
Die elektrische Servo-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die an den Motor angelegte Spannung in ihrem Maximum begrenzt ist durch einen zur mechanischen Zeitkonstante des Motors korrespondierenden Wert.