DE68920103T2

DE68920103T2 - Servomotorlenkeinrichtung.

Info

Publication number: DE68920103T2
Application number: DE68920103T
Authority: DE
Inventors: Mitsuharu C O Himeji Morishita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2009-09-12
Also published as: KR920005374B1; EP0361726A2; EP0361726A3; US5000278A; EP0361726B1; DE68920103D1; KR900004578A; JPH0288362A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge oder andere Fahrzeuge. Bisher wurden Servolenkvorrichtungen für Kraftfahrzeuge gewöhnlich durch hydraulische Kraft, die von einer Pumpe erzeugt wurde, angetrieben. Da Hydrauliksysteme sperrig und schwer sind, besteht jedoch seit einigen Jahren ein Trend zu der Verwendung von Elektromotoren, um die Antriebskraft zum Lenken mit Hilfskraft zu liefern. Eine Servolenkvorrichtung, die von einem Elektromotor Gebrauch macht, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, um das Lenken des Fahrzeugs zu unterstützen, wird als motorbetriebene Servolenkvorrichtung bezeichnet.
Bei einer motorbetriebenen Servolenkvorrichtung mißt ein Drehmomentsensor das Lenkdrehmoment, das von dem Fahrer auf ein Lenkrad aufgebracht wird. Ein Elektromotor, der mit einem geeigneten Bereich des Lenkgetriebes verbunden ist, wird dann nach Maßgabe des gemessenen Drehmoments gesteuert, um auf das Lenkgetriebe eine Hilfslenkkraft aufzubringen. Die Hilfslenkkraft verringert die Kraft, die von dem Fahrer auf das Lenkrad aufzubringen ist.
Im allgemeinen verringert sich mit zunehmender Geschwindigkeit eines Fahrzeugs der Widerstand zwischen der Straßenoberfläche und den Reifen, und somit verringert sich auch die Kraft, die zum Lenken des Fahrzeugs erforderlich ist. Wenn die von dem Elektromotor erzeugte Hilfslenkkraft bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten die gleiche wäre, würde der Lenkwiderstand, den der Fahrer fühlt, bei hohen Geschwindigkeiten zu gering werden. Wenn der Fahrer bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit eine plötzliche Drehkraft auf das Lenkrad aufbringen würde, könnten die Fahrzeugräder zu scharf einschlagen und möglicherweise die Stabilität des Fahrzeugs beeinträchtigen.
Deshalb wird bei einer motorbetriebenen Servolenkvorrichtung der Elektromotor so gesteuert, daß das Drehmoment, das er aufgrund eines gegebenen Lenkdrehmoments abgibt, bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten geringer als bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten ist. Bei vielen herkömmlichen Servolenkvorrichtungen wird der Motor von einem Mikrocomputer gesteuert, der einen internen Speicher aufweist, in dem eine Tabelle von Daten gespeichert ist, die die Motorabtriebsleistung mit dem Lenkdrehmoment für alle Fahrzeuggeschwindigkeiten in Beziehung setzen. Wenn der Mikrocomputer Signale empfängt, die die Fahrzeuggeschwindigkeit und das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkdrehmoment repräsentieren, berechnet er auf der Basis der Daten in dem Speicher das von dem Motor zu erzeugende geeignete Drehmoment und steuert den Motorstrom entsprechend.
Um eine kontinuierliche Feinsteuerung des Elektromotors über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs durchzuführen, ist eine große Datenmenge erforderlich. Der interne Speicher des Mikrocomputers muß eine große Kapazität haben, um sämtliche Daten aufzunehmen, und ist daher teuer. Unter Berücksichtigung sämtlicher Aspekte sind herkömmliche motorbetriebene Servolenkvorrichtungen, die von einem Mikrocomputer Gebrauch machen, kompliziert, unzuverlässig und teuer.
Die US-A-4660671 beschreibt eine Servolenkvorrichtung, bei der der Motorstrom auf einen Stromgrenzwert begrenzt wird, der mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Dies wird durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle zum Vergleich des Ausgangssignals eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors und Regeln der Hilfskraft im Anschluß an diesen Vergleich erreicht, so daß der Motorstrom begrenzt wird. Das von dem Geschwindigkeitssensor gewonnene Ausgangssignal wird also dazu verwendet, die Stromversorgungssignale für den Motor zu modulieren. Dies erfordert die Verwendung eines Mikrocomputers mit den bereits genannten Nachteilen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung bereitzustellen, die eine Feinsteuerung der von ihr erzeugten Hilfslenkkraft ohne Verwendung eines Mikrocomputers durchführen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung bereitzustellen, die zuverlässig, einfach aufgebaut und kostengünstig ist.
Es wird eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung bereitgestellt, die die in den Ansprüchen 1, 2 oder 3 genannten Merkmale hat.
Die Erfindung stellt einfache und robuste Mittel bereit, um den Motorstrom auf einen Stromgrenzwert zu begrenzen, der mit zunehmender Motordrehzahl abnimmt.
Durch Verringerung des maximalen Stroms, der durch den Motor fließen kann, wenn die Motordrehzahl oder die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt, kann verhindert werden, daß der Motor bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine zu große Hilfslenkkraft aufbringt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Motordrehzahl- oder Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ein Geschwindigkeitssignal, dessen Frequenz proportional zu der Motordrehzahl oder der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, und der Bezugsspannungserzeuger ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit zunehmender Frequenz des Geschwindigkeitssignals abnimmt.
Die Motorsteuerung ist nicht auf einen speziellen Typ beschränkt, bei einer bevorzugten Ausführungsform ist sie jedoch eine selbsterregte Pulsbreitenmodulationsschaltung mit Rückkopplung von dem Motor. Sie erzeugt Ausgangsimpulse, deren Pulsbreite durch die Ausgangsspannung des Drehmomentsensors moduliert wird.
Der Drehmomentsensor weist bevorzugt folgendes auf: ein Rechtskurven-Potentiometer, das eine zu dem Lenkdrehmoment proportionale Ausgangsspannung nur dann erzeugt, wenn das Lenkdrehmoment derart ist, daß das Fahrzeug nach rechts gelenkt wird, und ein separates Linkskurven-Potentiometer, das eine dein Lenkdrehmoment entsprechende Ausgangsspannung nur dann erzeugt, wenn das Lenkdrehmoment derart ist, daß das Fahrzeug nach links gelenkt wird. Die Motorsteuerung spricht jeweils auf die Ausgangsspannung von nur einem der Potentiometer an. Die Motorsteuerung weist bevorzugt eine logische Schaltung auf, die den Betrieb des Motors verhindert, wenn beide Potentiometer gleichzeitig eine Ausgangsspannung über einem vorbestimmten Pegel erzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugen die Potentiometer des Drehmomentsensors eine Ausgangsspannung, die sowohl zu dem Lenkdrehmoment als auch zu einer Versorgungsspannung proportional ist. Eine Spannungsquelle liefert dem Drehmomentsensor eine positive Versorgungsspannung, die mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Infolgedessen nimmt die Ausgangsspannung des Drehmomentsensors für ein gegebenes Lenkdrehmoment mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ab, was eine Verringerung des Motordrehmoments bewirkt. Es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich des Aufbaus der Spannungsquelle. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist sie folgendes auf: einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, der ein Geschwindigkeitssignal erzeugt, dessen Frequenz zu der Fahrzeuggeschwindigkeit proportional ist, und einen Frequenz- Spannungs-Wandler, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit zunehmender Frequenz des Geschwindigkeitssignals abnimmt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer motorbetriebenen Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 2 ist ein Schaltbild der Steuereinheit der Ausführungsform von Figur 1.
Figur 3 ist ein Diagramm, das das Ausgangssignal des Drehmomentsensors als Funktion des Lenkdrehmoments zeigt, das von dem Fahrer des Fahrzeugs auf das Lenkrad aufgebracht wird.
Figur 4 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Figur 5 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers als Funktion der Motordrehzahl.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine bevorzugte Ausführungsform einer motorbetriebenen Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Wie Figur 1 zeigt, die ein Blockdiagramm dieser Ausführungsform darstellt, ist ein Lenkrad 1 eines Kraftfahrzeugs an dem oberen Ende einer ersten Lenkwelle 3 angebracht. Das untere Ende der ersten Lenkwelle 3 ist durch einen Drehmomentsensor 2 mit dem oberen Ende einer zweiten Lenkwelle 4 verbunden. Der Drehmomentsensor 2 weist einen Drehmoment/Verlagerungs-Wandler 2a auf, der eine Verlagerung erzeugt, die zu dem von dem Fahrer des Fahrzeugs auf das Lenkrad 1 aufgebrachten Lenkdrehmoment proportional ist. Jeder herkömmliche Drehmoment/Verlagerungs-Wandler kann verwendet werden, wie beispielsweise der in der US-PS Nr. 4 666 010 beschriebene Drehmoment/Verlagerungs-Wandler, bei dem ein Torsionsstab, der zwei Lenkwellen verbindet, aufgrund eines Verdrehens, das zu dem auf ein Lenkrad aufgebrachten Lenkdrehmoment proportional ist, eine Winkelverlagerung bzw. Winkelverschiebung erfährt. Der Drehmomentsensor 2 weist ferner ein Rechtskurven-Potentiometer 2b und ein Linkskurven-Potentiometer 2c auf. Jedes Potentiometer hat einen Schleifer, der durch die Verlagerung des Drehmoment/Verlagerungs-Wandlers 2a an einem Widerstandselement entlang bewegt wird. Die Spannung an dem Schleifer jedes Potentiometers bildet eine Ausgangsspannung des Drehmomentsensors 2 und wird einer Steuereinheit 12 als Anzeige des Lenkdrehmoments nach rechts bzw. nach links zugeführt.
Das untere Ende der zweiten Lenkwelle 4 ist durch ein erstes Kardangelenk 5 mit dem oberen Ende einer dritten Lenkwelle 6 verbunden, und das untere Ende der dritten Lenkwelle 6 ist durch ein zweites Kardangelenk 7 mit dem oberen Ende einer Antriebswelle 8 verbunden. Ein Ritzel 8a ist an dem unteren Ende der Antriebswelle 8 gebildet. Das Ritzel 8a kämmt mit einer Zahnstange 9 des Lenkgetriebes des Fahrzeugs.
Ein Hilfsdrehmoment kann von einem Elektromotor 10, wie etwa einem Nebenschluß- oder Permanentmagnet-Gleichstrommotor, auf die Antriebswelle 8 aufgebracht werden. Der Motor 10 ist durch ein Untersetzungsgetriebe 11, das die Drehzahl des Motors 10 herabsetzt, mit der Antriebswelle 8 verbunden. Der Betrieb des Motors 10 wird von der Steuereinheit 12 gesteuert, die dem Motor 10 ein pulsbreitenmoduliertes Antriebssignal zuführt.
Die Steuereinheit 12 wird von der Fahrzeugbatterie 13, die typischerweise eine 12-V-Batterie ist, gespeist. Bereiche der Steuereinheit 12 sind direkt mit der Batterie 13 verbunden, während andere Bereiche über einen Schlüsselschalter 14 mit der Batterie 13 verbunden sind. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Frequenz zu der Fahrzeuggeschwindigkeit proportional ist. Dieses Ausgangssignal wird der Steuereinheit 12 zugeführt.
Figur 2 ist ein Schaltbild der Steuereinheit 12 von Figur 1, die eine selbsterregte Pulsbreitenmodulationsschaltung mit Rückkopplung von dem Motor 10 bildet. Ein erster Vergleicher 19 hat einen positiven Eingang, der mit dem Schleifer des Rechtskurven-Potentiometers 2b verbunden ist, und einen negativen Eingang, der mit der Verbindung zwischen zwei Serienwiderständen 17 und 18 verbunden ist. Ein zweiter Vergleicher 20 hat einen positiven Eingang, der mit dem Schleifer des Rechtskurven-Potentiometers 2b verbunden ist, und einen negativen Eingang, der über einen Widerstand 40 mit Masse verbunden ist. Ein dritter Vergleicher 23 hat einen positiven Eingang, der mit dem Schleifer des Linkskurven-Potentiometers 2c verbunden ist, und einen negativen Eingang, der mit der Verbindung zwischen zwei Serienwiderständen 21 und 22 verbunden ist. Ein vierter Vergleicher 24 hat einen positiven Eingang, der mit dem Schleifer des Linkskurven-Potentiometers 2c verbunden ist, und einen negativen Eingang, der über einen Widerstand 43 geerdet ist.
Die Widerstände 17 und 18 sind zwischen dem Ausgang eines ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 und Masse in Reihe geschaltet. Die Widerstände 21 und 22 sind ebenfalls zwischen dem Ausgang des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 und Masse in Reihe geschaltet. Ein Anschluß an einem Ende des Widerstandselements jedes Potentiometers 2b und 2c ist mit dem Ausgang des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 verbunden, während der Anschluß an dem anderen Ende des Widerstandselements geerdet ist.
Die Ausgänge des ersten Vergleichers 19 und des dritten Vergleichers 23 sind durch Pull-up-Widerstände 35 bzw. 37 mit dem Ausgang eines 5-V-Spannungsreglers 50 verbunden. Die Ausgänge des zweiten Vergleichers 20 und des vierten Vergleichers 24 sind durch Pull-up-Widerstände 36 bzw. 38 mit dem Ausgang einer 26-V-Spannungsquelle 49 verbunden.
Der Ausgang des ersten Vergleichers 19 ist auch mit dem Eingang eines ersten NICHT-Glieds 25 und mit einem der Eingänge eines ersten UND-Glieds 27 verbunden. Der Ausgang des dritten Vergleichers 23 ist mit dem Eingang eines zweiten NICHT- Glieds 26 und mit einem der Eingänge eines zweiten UND-Glieds 28 verbunden. Der Ausgang des ersten NICHT-Glieds 25 ist mit dem anderen Eingang des zweiten UND-Glieds 28 verbunden, und der Ausgang des zweiten NICHT-Glieds 26 ist mit dem anderen Eingang des ersten UND-Glieds 27 verbunden.
Der Elektromotor 10 wird von ersten bis vierten Leistungs- MOSFETs 30, 31, 33 und 34 angetrieben. Der Gateanschluß des ersten MOSFET 30 ist mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers 20 verbunden, sein Drainanschluß ist mit der Batterie 13 verbunden, und sein Sourceanschluß ist über einen Motorstromsensor 47 mit einem ersten Anschluß 10a des Elektromotors 10 verbunden. Der Gateanschluß des zweiten MOSFET 31 ist mit dem Ausgang des ersten UND-Glieds 27 verbunden, sein Drainanschluß ist über einen Motorstromsensor 48 mit einem zweiten Anschluß 10b des Motors 10 verbunden, und sein Sourceanschluß ist geerdet. Der Gateanschluß des dritten MOSFET 33 ist mit dem Ausgang des vierten Vergleichers 24 verbunden, sein Drainanschluß ist mit der Batterie 13 verbunden, und sein Sourceanschluß ist über den Motorstromsensor 48 mit dem zweiten Anschluß 10b des Elektromotors 10 verbunden. Der Gateanschluß des vierten MOSFET 34 ist mit dem Ausgang des zweiten UND-Glied 28 verbunden, sein Drainanschluß ist über den Motorstromsensor 47 mit dem ersten Anschluß 10a des Elektromotors 10 verbunden, und sein Sourceanschluß ist geerdet.
Der erste Anschluß 10a des Motors 10 empfängt eine positive Eingangsspannung, wenn der Motor 10 angetrieben wird, um die Räder des Fahrzeugs für eine Rechtskurve zu lenken, und der zweite Anschluß 10b empfängt während einer Linkskurve eine positive Eingangsspannung.
Ein Widerstand 39 ist zwischen den ersten Anschluß 10a des Motors 10 und den Widerstand 40 geschaltet, und ein Kondensator 41 ist von der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 aus mit Masse verbunden. Ähnlich ist ein Widerstand 42 zwischen den zweiten Anschluß 10b des Motors 10 und den Widerstand 43 geschaltet, und ein Kondensator 44 ist von der Verbindung zwischen den Widerständen 42 und 43 aus mit Masse verbunden. Die Kondensatoren 41 und 43 bestimmen die Frequenz von selbsterregter Schwingung der Steuereinheit 12. Über die Widerstände 39 und 42 empfangen der zweite und vierte Vergleicher 20 und 24 Rückkopplungssignale von dem Motor 10.
Die Stromquelle 49 und der Spannungsregler 50 sind durch den Schlüsselschalter 14 mit der Batterie 13 verbunden. Der vorstehend genannte erste Frequenz-Spannungs-Wandler 45 empfängt das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, das von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 abgegeben wird, und erzeugt eine Ausgangsspannung, die zu der Frequenz des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals umgekehrt proportional ist. Die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 wird den Potentiometern 2b und 2c und den Widerständen 17 und 21 als positive Versorgungsspannung zugeführt.
Ein Motordrehzahlsensor 16 erzeugt ein Ausgangssignal in Form eines Motordrehzahlsignals, dessen Frequenz zu der Motordrehzahl proportional ist. Das Motordrehzahlsignal wird einem zweiten Frequenz-Spannungs-Wandler 46 zugeführt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die zu der Frequenz des Ausgangssignals umgekehrt proportional ist. Die Ausgangsspannung des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers 46 wird als Bezugsspannung verwendet, die einen der momentanen Motordrehzahl entsprechenden Motorstromgrenzwert repräsentiert. Der zweite Frequenz-Spannungs-Wandler 45 bildet daher einen Bezugsspannungserzeuger. Die Bezugsspannung wird an die positiven Eingänge eines fünften Vergleichers 29 und eines sechsten Vergleichers 32 angelegt. Die negativen Eingänge der Vergleicher 29 bzw. 32 sind mit den Ausgängen der Motorstromsensoren 47 bzw. 48 verbunden.
Der Motorstromsensor 47 erzeugt eine Spannung, die zu dem durch den Motor 10 fließenden Strom proportional ist, wenn das Fahrzeug nach rechts gelenkt wird, und der Motorstromsensor 48 erzeugt eine Spannung, die zu dem durch den Motor 10 fließenden Strom proportional ist, wenn das Fahrzeug nach links gelenkt wird. Der Ausgang des fünften Vergleichers 29 ist mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers 20 und mit dem Gateanschluß des ersten MOSFET 30 verbunden. Der Ausgang des sechsten Vergleichers 32 ist mit dem Ausgang des vierten Vergleichers 24 und dem Gateanschluß des dritten MOSFET 33 verbunden. Der erste und dritte MOSFET 30 und 33, die Stromsensoren 47 und 48 sowie der fünfte und sechste Vergleicher 29 und 32 bilden gemeinsam eine Strombegrenzungsschaltung 60.
Figur 3 zeigt die Ausgangscharakteristiken des Drehmomentsensors 2 als Funktion des von dem Fahrer auf das Lenkrad 1 aufgebrachten Lenkdrehmoments. Wenn kein Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 1 aufgebracht wird, hat die Ausgangsspannung beider Potentiometer 2b und 2c den Wert 0 V. Wenn ein rechtsgerichtetes Drehmoment auf das Lenkrad 1 aufgebracht wird, steigt die Ausgangs spannung des Rechtskurven-Potentiometers 2b mit zunehmendem Drehmoment linear an, bis das Lenkdrehmoment einen Wert von ungefähr 0,8 kgf-m erreicht, bei dem die Ausgangsspannung bei einer Spannung VSR gesättigt ist. Wenn das Rechtskurven-Potentiometer 2b eine Ausgangsspannung hat, die nicht Null ist, bleibt die Ausgangsspannung des Linkskurven-Potentiometers 2c bei 0 V.
Wenn umgekehrt ein linksgerichtetes Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 1 aufgebracht wird, hat die Ausgangsspannung des Rechtskurven-Potentiometers 2b den Wert 0 V, während die Ausgangsspannung des Linkskurven-Potentiometers 2c mit zunehmendem Lenkdrehmoment linear ansteigt, bis das Lenkdrehmoment ungefähr 0,8 kgf-m erreicht, woraufhin die Ausgangsspannung bei einer Spannung VSL gesättigt ist. Wie nachstehend erläutert wird, hängen die Pegel von VSR und VSL von der Fahrzeuggeschwindigkeit ab.
Figur 4 ist ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristiken des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt. Bei einer niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeit von bis zu ungefähr 5 km/h (Punkt f in Figur 4) erzeugt der erste Frequenz-Spannungs-Wandler 45 eine Konstantspannung von ungefähr 5 V. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von mehr als ungefähr 20 km/h (Punkt g) erzeugt der erste Frequenz-Spannungs-Wandler 45 eine Konstantspannung von ungefähr 2,5 V. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen ungefähr 5 und 20 km/h nimmt die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit linear ab.
Die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 wird den Potentiometern 2b und 2c als positive Versorgungsspannung zugeführt. Da sich die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit ändert, hängen die Ausgangscharakteristiken des Drehmomentsensors 2 auch von der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Wie Figur 3 zeigt, entsprechen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unter derjenigen ist, die Punkt f von Figur 4 entspricht (ungefähr 5 km/h), die Ausgangscharakteristiken der Potentiometer 2b und 2c den Kurven a bzw. a', die eine steile Neigung und eine hohe Sättigungsspannung VSR(L) und VSL(L) von ungefähr 5 V haben. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über derjenigen ist, die Punkt g von Figur 4 entspricht (ungefähr 20 km/h), entsprechen die Ausgangscharakteristiken der Potentiometer 2b und 2c den Kurven b bzw. b', die eine mäßigere Neigung und eine niedrigere Sättigungsspannung VSR(H) und VSL(H) von ungefähr 2,5 V haben. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 5 und 20 km/h liegt, werden die Ausgangscharakteristiken der Potentiometer 2b und 2c von Kurven beschrieben, die irgendwo zwischen den Kurven a und b oder a' und b' liegen. Wenn beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit diejenige ist, die Punkt h von Figur 4 (ungefähr 12,5 km/h) in der Mitte zwischen den Punkten f und g entspricht, entsprechen die Ausgangscharakteristiken der Potentiometer 2b und 2c den Kurven c bzw. c', die in der Mitte zwischen den Kurven a und b (oder a' und b') liegen.
Figur 5 zeigt die Ausgangscharakteristiken des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers 46, die denjenigen des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 ähnlich sind. Wenn die Motordrehzahl niedriger als ca. 1500 min&supmin;¹ ist, ist die Ausgangsspannung des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers 46 ein Konstantwert von ungefähr 5 V. Wenn die Motordrehzahl höher als ca. 3000 min&supmin;¹ ist, ist die Ausgangsspannung ein Konstantwert von ungefähr 2,5 V. Zwischen 1500 min&supmin;¹ und 3000 min&supmin;¹ nimmt die Ausgangsspannung mit zunehmender Motordrehzahl linear ab.
Wenn der nicht gezeigte Motor des Fahrzeugs angelassen und der Schlüsselschalter 14 geschlossen ist, werden der Stromquelle 49 und dem Spannungsregler 50 von der Batterie 13 eine Spannung von 12 V zugeführt, und die Steuereinheit 12 beginnt mit dem Betrieb. Es wird angenommen, daß das Fahrzeug ursprünglich stillsteht, und somit erzeugt der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 ein Signal, das einer Geschwindigkeit von 0 km/h entspricht. Wie in Figur 4 gezeigt ist, erzeugt daher der erste Frequenz-Spannungs-Wandler 45 eine maximale Ausgangsspannung von ungefähr 5 V. Diese Ausgangsspannung wird den Potentiometern 2b und 2c und den Widerständen 17 und 21 als eine positive Versorgungsspannung zugeführt. Wenn der Fahrer dann ein Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 1 aufbringt, erzeugt der Drehmomentsensor 2 eine Ausgangsspannung, die der Größe und Richtung des in Figur 3 gezeigten Lenkdrehmoments entspricht.
Wenn der Fahrer ein Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 1 aufbringt, um die Räder des Fahrzeugs nach rechts einzuschlagen, wird die Spannung des Schleifers des Rechtskurven-Potentiometers 2b den positiven Eingängen des ersten und zweiten Vergleichers 19 und 20 zugeführt. Wenn die Ausgangsspannung des Rechtskurven-Potentiometers 2b die Spannung VN an der Verbindung zwischen den Widerständen 17 und 18 überschreitet, wird das Ausgangssignal des ersten Vergleichers 19 hoch.
Da noch keine Spannung an den Motor 10 angelegt worden ist, ist die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 niedrig, und das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 20 wird hoch. Die Ausgangsspannung des Linkskurven- Potentiometers 2c ist 0 V, und somit sind die Ausgangssignale des dritten und vierten Vergleichers 23 und 24 niedrig. Daher ist das Ausgangssignal des ersten NICHT-Glieds 25 niedrig, und das Ausgangssignal des zweiten NICHT-Glieds 26 ist hoch, und somit ist das Ausgangssignal des ersten UND-Glieds 27 hoch, das Ausgangssignal des zweiten UND-Glieds 28 niedrig, und der erste und zweite MOSFET 30 und 31 werden eingeschaltet. Daher wird eine Spannung von der Batterie 13 durch den ersten MOSFET 30 an den Motor 10 angelegt, und der Motor 10 beginnt zu leiten. Die positive Eingangsspannung für den Motor 10, d. h. die Spannung an dem Anschluß 10a, wird außerdem über die Widerstände 39 und 40 angelegt.
Daher steigt die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 exponentiell mit einer von dem Kondensator 41 bestimmten Zeitkonstanten. Wenn die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 die Spannung an dem positiven Eingang des zweiten Vergleichers 20 überschreitet, die die Ausgangsspannung des Rechtskurven-Potentiometers 2b ist, bleibt das Ausgangssignal des ersten Vergleichers 19 hoch, wohingegen das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 20 niedrig wird, und somit wird der erste MOSFET 30 abgeschaltet, und die Stromzufuhr zu dem Motor 10 wird unterbrochen.
Wenn diese Unterbrechung stattfindet, sinkt die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 exponentiell mit einer von dem Kondensator 41 bestimmten Zeitkonstanten. Wenn die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 39 und 40 unter die Spannung an dem positiven Eingang des zweiten Vergleichers 20 sinkt, wird das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 20 wieder hoch, und der erste MOSFET 30 wird wieder eingeschaltet, um den Motor 10 anzutreiben.
Auf diese Weise wird der zweite Vergleicher 20 wiederholt ein- und abgeschaltet, und eine Reihe von Impulsen wird dem Motor 10 als eine Versorgungsspannung zugeführt. Ein Strom, der durch die Versorgungsspannung und die der Drehzahl des Motors 10 entsprechende Gegen-EMK bestimmt ist, fließt durch den Motor 10. Der Motor 10 erzeugt ein Hilfsdrehmoment, um die Räder des Fahrzeugs nach rechts einzuschlagen, und das von dem Fahrer des Fahrzeugs aufzubringende Lenkdrehmoment wird verringert. Die Dauer der Impulse, die dem Motor 10 zugeführt werden, hängt von der Ausgangsspannung des Potentiometers 2b ab. Je höher die Ausgangsspannung des Potentiometers 2b, umso länger ist die Impulsdauer.
Wenn der Fahrer ein Lenkdrehmoment aufbringt, um das Fahrzeug nach links zu lenken, werden der dritte und vierte Vergleicher 23 und 24 auf eine Weise gesteuert, die der vorstehend in bezug auf den ersten und zweiten Vergleicher 19 und 20 beschriebenen ähnlich ist, und eine Spannung wird dem Motor 10 zugeführt, um die Räder des Fahrzeugs nach links einzuschlagen.
Wie Figur 3 zeigt, sinkt die einem gegebenen Lenkdrehmoment entsprechende Ausgangsspannung der Potentiometer 2b und 2c mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit. Da das von dem Motor 10 erzeugte Drehmoment mit sinkender Ausgangs spannung der Potentiometer 2b und 2c abnimmt, nimmt das aufgrund eines vorbestimmten Lenkdrehmoments von dem Motor 10 erzeugte Hilfsdrehmoment mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Diese Abnahme des Hilfsdrehmoments gleicht die Verringerung des Lenkwiderstands bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit aus.
Daher bleibt das Lenkgefühl angenehm, ohne daß das Lenkrad bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten zu leicht dreht, und die Sicherheit des Fahrzeugs wird aufrechterhalten.
Wenn der Motor 10 leitet, erzeugen die Stromsensoren 47 und 48 jeweils eine Spannung, die zu dem durch den Motor 10 fließenden Strom proportional ist. Die Ausgangsspannungen der Stromsensoren 47 und 48 werden durch den fünften Vergleicher 29 bzw. den sechsten Vergleicher 32 mit der Bezugsspannung verglichen, die von dem zweiten Frequenz-Spannungs-Wandler 46 abgegeben wird. Wenn der Motor 10 ein Hilfsdrehmoment für eine Rechtskurve aufbringt und der Motorstrom einen vorbestimmten Stromgrenzwert überschreitet, überschreitet die Ausgangsspannung des Stromsensors 47 die Bezugsspannung von dem zweiten Frequenz-Spannungs-Wandler 46, und das Ausgangssignal des fünften Vergleichers 29 wird niedrig.
Infolgedessen wird der erste MOSFET 30 abgeschaltet, und die Stromzufuhr zu dem Motor 10 wird unterbrochen. Der durch den Motor 10 fließende Strom nimmt exponentiell mit einer von der Induktivität und dem Innenwiderstand des Motors 10 bestimmten Zeitkonstanten ab. Wenn der Strom unter den vorbestimmten Stromgrenzwert sinkt, sinkt die Ausgangsspannung des Stromsensors 47 unter die Bezugsspannung von dem zweiten Frequenz- Spannungs-Wandler 46, und somit wird das Ausgangssignal des fünften Vergleichers 29 wiederum hoch. Der erste MOSFET 30 wird wieder eingeschaltet, und der Motorstrom nimmt wieder zu. Durch eine Wiederholung der obigen Vorgänge wird der durch den Motor 10 fließende Strom auf den vorbestimmten Stromgrenzwert geregelt.
Wenn der Motor 10 ein Hilfsdrehmoment für eine Linkskurve aufbringt, wird der Motorstrom von dem Stromsensor 48, dem sechsten Vergleicher 32 und dem dritten MOSFET 33 auf eine Weise gesteuert, die der für eine Rechtskurve beschriebenen gleichartig ist.
Wie Figur 5 zeigt, sinkt die Ausgangsspannung des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers 46 mit zunehmender Motordrehzahl.
Da der Stromgrenzwert für den Motor 10 von dieser Ausgangsspannung bestimmt ist, sinkt der Grenzstrom mit sinkender Motordrehzahl. Bei einer niedrigen Motordrehzahl, beispielsweise bei Leerlauf des Motors, ist der Stromgrenzwert mit einem hohen Pegel vorgegeben, und der Motor 10 kann ein großes Hilfsdrehmoment aufbringen. Bei hohen Fahrzeugzeuggeschwindigkeiten, wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird der Stromgrenzwert auf einen niedrigen Pegel gesenkt, und somit wird das maximale Hilfsdrehmoment, das der Motor 10 erzeugen kann, verringert. Wenn der Fahrer des Fahrzeugs bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit ein plötzliches Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 1 aufbringt, wird daher das von dem Motor 10 erzeugte Hilfsdrehmoment begrenzt, um zu verhindern, daß die Räder des Fahrzeugs zu scharf einschlagen, und die Stabilität des Fahrzeugs kann aufrechterhalten werden.
Die UND-Glieder 27 und 28 verhindern den Betrieb des Motors 10, es sei denn, das Ausgangssignal entweder des ersten Vergleichers 19 oder des dritten Vergleichers 23 ist hoch. Dieser Zustand tritt ein, wenn die Ausgangsspannung des Rechtskurven-Potentiometers 2b die Spannung VN an der Verbindung zwischen den Widerständen 17 und 18 überschreitet oder wenn die Ausgangsspannung des Linkskurven-Potentiometers 2c die Spannung VN an der Verbindung zwischen den Widerständen 21 und 22 überschreitet. Wenn der Fahrer nur ein sehr geringes Drehmoment von weniger als T1 auf das Lenkrad 1 aufbringt, überschreiten die Ausgangsspannungen der Potentiometer 2b und 2c den Wert VN nicht, und somit wird der Motor 10 nicht eingeschaltet.
Folglich besteht ein Unempfindlichkeitsbereich des Lenkdrehmoments auf beiden Seiten eines neutralen Drehmoments, in dem kein durch Hilfskraft unterstütztes Lenken erfolgt. Die Größe des Unempfindlichkeitsbereichs, d. h. die Größe von T1, hängt von dem Wert von VN und von den Ausgangscharakteristiken der Potentiometer 2b und 2c ab. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist VN eine Funktion der Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45, und somit ändert sich VN mit der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Wie Figur 3 zeigt, hat bei einer niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeit unter derjenigen, die Punkt f von Figur 4 entspricht, VN einen Maximalwert VN(L), und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit über derjenigen, die Punkt g von Figur 4 entspricht, hat es einen Minimalwert VN(H). Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit irgendwo zwischen derjenigen liegt, die den Punkten f und g entspricht, hat VN einen Pegel irgendwo zwischen VN(L) und VN(H). VN nimmt also mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Mit abnehmendem VN werden jedoch die Neigungen der Kurven, die die Ausgangscharakteristiken der Potentiometer definieren, ebenfalls geringer, und somit bleiben T1 und die Größe des Unempfindlichkeitsbereichs bei sämtlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten konstant.
Normalerweise erzeugt jeweils nur eines der Potentiometer eine Ausgangsspannung. Wenn die Potentiometer gestört sind (beispielsweise aufgrund von einem von dem Drehmomentsensor 3 selbst erzeugtem Rauschen, schlechten Kontakten, Drahtbruch oder Kurzschlüssen) und beide zur gleichen Zeit eine Ausgangsspannung von mehr als VN erzeugen, werden die Ausgangssignale beider UND-Glieder 27 und 28 niedrig und verhindern ein Leiten der MOSFETs 31 und 34. Daher kann der Motor 10 nicht betrieben werden, und es besteht keine Gefahr, daß der Motor 10 ein Hilfsdrehmoment in einer Richtung aufbringt, die der Richtung, in der der Fahrer das Fahrzeug zu lenken wünscht, entgegengesetzt ist. Obwohl das Lenken als schwer empfunden wird, wenn der Motor 7 nicht in Betrieb ist, da das Lenkrad 1 mit der Zahnstange 9 mechanisch verbunden ist, ist der Fahrer dennoch in der Lage, das Fahrzeug sicher zu lenken.
Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform wird der Motorstrom auf der Basis der Motordrehzahl begrenzt, und die Ausgangsspannung des zweiten Frequenz-Spannungs-Wandlers 46 wird als eine den Stromgrenzwert repräsentierende Bezugsspannung verwendet. Stattdessen ist es jedoch möglich, den Motorstrom auf der Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit zu begrenzen und die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 als eine den Stromgrenzwert repräsentierende Bezugsspannung zu verwenden. In diesem Fall könnte der zweite Frequenz- Spannungs-Wandler 46 entfallen, und die Ausgangsspannung des ersten Frequenz-Spannungs-Wandlers 45 könnte den positiven Eingängen des fünften und sechsten Vergleichers 29 und 32 zugeführt werden.

Claims

1. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung für ein Fahrzeug, umfassend:

- eine Drehmomenterfassungseinrichtung (2) zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem von einem Fahrer des Fahrzeugs ausgeübten Lenkdrehmoment;

- einen Motor (10) zur Erzeugung einer Hilfs-Lenkkraft;

- eine Motorsteuerung (12) zur Steuerung des von dem Motor abgegebenen Drehmoments in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Drehmomenterfassungseinrichtung; und

- eine Strombegrenzungseinrichtung (60) zur Begrenzung des Motorstroms auf einen Stromgrenzwert, der mit zunehmender Drehzahl des Fahrzeugmotors abnimmt;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Strombegrenzungseinrichtung folgendes aufweist:

- einen Fahrzeugmotordrehzahlsensor (16) zur Erzeugung eines die Drehzahl des Fahrzeugmotors repräsentierenden Signals;

- eine Bezugsspannungserzeugungseinrichtung (46), die in Abhängigkeit von diesem Signal eine Bezugsspannung erzeugt, die einen Stromgrenzwert repräsentiert, der der von dem Drehzahlsensor erfaßten Drehzahl entspricht;

- eine Strommeßeinrichtung (47, 48) zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die proportional zum Motorstrom ist;

- eine Detektoreinrichtung (29, 32) zur Ermittlung, ob der Motorstrom den Stromgrenzwert überschreitet, durch Vergleichen der Bezugsspannung mit der Ausgangsspannung der Strommeßeinrichtung; und

- eine Einrichtung (30, 33), die verhindert, daß Strom an den Motor geliefert wird, wenn die Detektoreinrichtung einen Zustand erfaßt, in dem der Motorstrom den Stromgrenzwert überschreitet.

2. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung für ein Fahrzeug, umfassend:

- einen Motor (10) zur Erzeugung einer Hilfs-Lenkkraft;

- eine Strombegrenzungseinrichtung (60) zur Begrenzung des Motorstroms auf einen Stromgrenzwert, der mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Strombegrenzungseinrichtung folgendes aufweist:

- einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (15) zur Erzeugung eines die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentierenden Signals;

- eine Bezugsspannungserzeugungseinrichtung (45), die in Abhängigkeit von diesem Signal eine Bezugsspannung erzeugt, die einen Stromgrenzwert repräsentiert, der der von dem Geschwindigkeitssensor gemessenen Geschwindigkeit entspricht;

3. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung für ein Fahrzeug, umfassend:

- einen Motor (10) zur Erzeugung einer Hilfs-Lenkkraft;

- eine Strombegrenzungseinrichtung (60) zur Begrenzung des Motorstroms auf einen Stromgrenzwert, der mit zunehmender Drehzahl des Fahrzeugmotors und mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Strombegrenzungseinrichtung folgendes aufweist:

- einen Drehzahlsensor (16) zur Erzeugung eines die Drehzahl des Fahrzeugmotors repräsentierenden Signals und einen Geschwindigkeitssensor (15) zur Erzeugung eines die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentierenden Signals;

- eine Bezugsspannungserzeugungseinrichtung (45, 46), die in Abhängigkeit von diesen Signalen Bezugsspannungen erzeugt, die die Stromgrenzwerte repräsentieren, die den von den Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssensoren erfaßten Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten entsprechen;

4. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei der Fahrzeugmotordrezahlsensor (16) Mittel aufweist zur Erzeugung eines Fahrzeugmotordrehzahlsignals, dessen Frequenz proportional zur Drehzahl des Fahrzeugmotors ist;

und wobei die Bezugsspannungserzeugungseinrichtung einen Frequenz-Spannungs-Wandler (46) aufweist, der eine Bezugsspannung erzeugt, die mit zunehmender Frequenz des Fahrzeugmotordrehzahlsignals abnimmt.

5. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (15) Mittel aufweist zur Erzeugung eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, dessen Frequenz proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist;

und wobei die Bezugsspannungserzeugungseinrichtung einen Frequenz-Spannungs-Wandler (45) aufweist, der eine Bezugsspannung erzeugt, die mit zunehmender Frequenz des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals abnimmt.

6. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Drehmomenterfassungseinrichtung (2) Mittel zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist, das proportional zu einer Versorgungsspannung und dem Lenkdrehmoment ist;

und wobei die Bezugsspannung der Drehmomenterfassungseinrichtung als Versorgungsspannung zugeführt wird.

7. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorsteuerung eine selbsterregte Pulsbreitenmodulationsschaltung mit Rückkopplung von dem Motor (10) aufweist, um dem Motor Steuerimpulse zuzuführen, deren Pulsbreite durch die Ausgangsspannung der Drehmomenterfassungseinrichtung (2) moduliert wird.

8. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Pulsbreitenmodulationsschaltung folgendes aufweist:

- eine Brückenschaltung, bestehend aus einer Viehlzahl von Schaltelementen (30, 31, 33, 34), wobei der Motor (10) parallel zu der Brückenschaltung geschaltet ist;

- einen Kondensator (41, 44) und einen Widerstand (40, 43), die zwischen dem Motor und Masse parallelgeschaltet sind; und

- einen Komparator (20, 24) mit einem ersten Eingangsanschluß, dem die Ausgangsspannung von der Drehmomenterfassungseinrichtung zugeführt wird, und mit einem zweiten Eingangsanschluß, der mit der Verbindung zwischen dem Widerstand und dem Kondensator verbunden ist, wobei die Ausgangs spannung des Komparators einem Gateanschluß von einem der Schaltelemente (30, 33) der Brückenschaltung zugeführt wird.