DE69532213T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung einer Überlastung eines Motors in einem elektrischen Hilfskraft-Lenksystem - Google Patents
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen eines Überlastungszustands eines elektrischen Hilfskraft-Motors in einem elektrischen Fahrzeughilfskraft- bzw. Fahrzeugservolenksystem.
- Beschreibung des in Beziehung stehenden Standes der Technik
- Elektrische Hilfskraft-Lenksysteme sind in der Technik bekannt. In solchen elektrischen Hilfskraft-Lenksystemen sieht ein elektrischer Hilfsmotor, wenn er erregt ist, Drehmomenthilfe vor, um dem Fahrer beim Drehen lenkbarer Räder der Fahrzeugs zu helfen. Der elektrische Hilfsmotor wird typischerweise ansprechend auf sowohl das an das Fahrzeuglenkrad angelegte Lenkdrehmoment, als auch auf die gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert. Eine Steuervorrichtung überwacht das Lenkdrehmoment und steuert eine Antriebsschaltung, die ihrerseits den Strom, der an den elektrischen Hilfsmotor angelegt wird, steuert. Solche Antriebsschaltungen umfassen typischerweise FET's (Feldeffekttransistoren) oder andere Formen von Festkörperschaltern, die betriebsmäßig zwischen der Fahrzeugbatterie und dem elektrischen Hilfsmotor gekoppelt sind. Der Strom wird durch die Pulsbreitenmodulation der FET's oder Schalters gesteuert. Wenn ein Lenkdrehmoment angelegt wird und die lenkbaren Räder unbeweglich gehalten werden, z. B. die Räder stehen gegen einen Bordstein, steigt die Temperatur sowohl des elektrischen Hilfsmotors als auch der FET's. Auf einen solchen Zustand wird als Überlastungsstillstand des elektrischen Hilfsmotors Bezug genommen. Wenn der Überlastungsstillstand über einen verlängerten Zeitraum andauert, dann kann sich der Motor und/oder die FET's überhitzen oder versagen.
- Das dem Standes der Technik am nächsten kommende Dokument U.S. Patent Nr. 4,532,567 von Kade offenbart ein elektrisches Hilfslenksystem, das den Ist-Strom durch den Motor misst. Wenn der gemessenen Strom einen Grenzwert überschreitet wird der Motorantriebsstrom reduziert.
- U.S. Patent Nr. 5,097,918 von Daido et al. offenbart ein elektrisches Hilfslenksystem, das einen elektrischen Hilfsmotor umfasst, der mit einem Lenkmechanismus durch eine elektromagnetische Kupplung verbunden ist. Das System umfasst ferner einen Sensor zum Abfühlen von Drehbewegung des elektrischen Hilfsmotors. Wenn Drehmoment abgefühlt wird und der Drehsensor anzeigt, dass sich der Motor nicht dreht, kommt mit der elektromagnetischen Kupplung außer Eingriff.
- U.S. Patent Nr. 4,878,004 von Shimizu offenbart ein elektrisches Hilfslenksystem, das einen elektrischen Hilfsmotor umfasst und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Betriebs des Motors. Das System umfasst ferner einen Stromsensor, der die Größe des Ist-Stroms durch den elektrischen Hilfsmotor abfühlt. Ein Durchschnittsmotorstromwert wird bestimmt. Der Motor wird ansprechend auf den bestimmten Durchschnittsstromwert gesteuert.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, wie in Ansprüchen 1 bzw. 6 definiert wird.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten des Gebietes, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, in denen zeigt:
-
1 ein Blockdiagramm, das ein elektrisches Hilfslenksystem darstellt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; -
2 eine Querschnittsansicht des in1 gezeigten elektrischen Hilfsmotors; -
3 ein schematisches Schaltdiagramm eines Teils des in1 gezeigten Schalters; -
4 ein Flußdiagramm, das einen Überlastungserkennungsprozess zum Gebrauch mit dem System der1 zeigt. - Detaillierte Beschreibung
- Bezugnehmend auf
1 umfasst ein elektrisches Fahrzeugservolenksystem10 , gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeuglenkrad12 , das mit einer Antriebswelle16 verbunden ist, und ein Ritzelgetriebe14 , das mit einer Ritzelwelle17 verbunden ist. Die Antriebswelle16 ist mit der Ritzelwelle17 durch eine Torsionsstange18 gekoppelt. Die Torsionsstange18 dreht sich ansprechend auf das Drehmoment, das an das Fahrzeuglenkrad12 angelegt wird, um relative Drehung zwischen der Antriebswelle und der Ritzelwelle17 zuzulassen. Anschläge, nicht gezeigt, begrenzen die relativen Drehungsgröße zwischen der Antriebswelle16 und dem Abtriebsritzel17 in einer in der Technik bekannten Art und Weise. - Das Ritzelgetriebe
14 besitzt einen Satz von schräg verzahnten Getriebezähnen (nicht gezeigt), die in Zahneingriff mit einem Satz von gerade geschnittenen Getriebezähnen (nicht gezeigt) auf einem linearen Lenkglied oder Zahnstange20 stehen. Die Zahnstange20 ist mit lenkbaren Fahrzeugrädern22 ,24 mit einer Lenkverbindungen auf eine bekannte Art und Weise verbunden. Das Ritzelgetriebe14 bildet zusammen mit der Zahnstange20 einen Zahnstangen- und Ritzelgetriebesatz. Wenn das Lenkrad12 gedreht wird, wandelt der Zahnstangen- und Ritzelgetriebesatz die Drehbewegung des Lenkrads in eine Linearbewegung der Zahnstange20 um. Wenn sich die Zahnstange20 linear bewegt, schwenken die lenkbaren Räder22 ,24 um ihre zugehörige Lenkachse und das Fahrzeug wird gelenkt. - Ein elektrischer Hilfsmotor
26 ist antriebsmäßig mit der Zahnstange20 vorzugsweise durch eine Kugel-Mutter-Antriebsanordnung (nicht gezeigt) ver bunden. Der Motor26 sieht, wenn er erregt ist, Hilfe vor, um bei der Lenkbewegung der Zahnstange20 zu helfen. Ein Motor mit variabler Reluktanz wird wegen seiner geringen Größe, niedriger Reibung und wegen des hohen Drehmoment-zu-Trägheit-Verhältnisses bevorzugt. - Der Motor
26 umfasst einen Stator28 (2 ), der eine Vielzahl von Statorpolen30 besitzt. Jedem Statorpol30 ist eine Statorspule (nicht gezeigt) zugeordnet, die um den Statorpol gewickelt ist. Der Motor26 umfasst ebenfalls einen Rotor32 , der eine Vielzahl von Rotorpolen34 besitzt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Motor26 acht Statorpole30 und sechs Rotorpole34 . - Die Statorpole
30 sind derart angeordnet, dass sie in Paaren, bezeichnet als Aa, Bb, Cc und Dd, erregt werden. Wenn ein Paar von Statorpolen30 erregt wird, bewegt sich der Rotor32 derart, dass die Reluktanz zwischen den erregten Statorpolen und den Rotorpolen34 minimiert wird. Minimale Reluktanz tritt auf, wenn ein Paar von Rotorpolen34 mit den erregten Statorpolen30 ausgerichtet ist. Zum Beispiel gibt es minimale Reluktanz in der in2 dargestellten Position des Motors26 zwischen dem Paar von Statorpolen Aa und dem Rotorpolen34 , die mit den Statorpolen Aa ausgerichtet sind. Sobald minimale Reluktanz erreicht ist, wie sie durch die relative Position des Rotors und Stators bestimmt ist, werden die erregten Statorpole30 ent-erregt und ein benachbartes Paar von Statorpolen wird erregt, um weiterhin Drehung des Rotors32 zu bewirken. - Die Drehrichtung des Rotors
32 wird durch die Reihenfolge, in der die Statorpole30 erregt werden, gesteuert. Zum Beispiel wird, um den Rotor32 im Uhrzeigersinn von seiner Position in2 zu drehen, das Statorpolpaar Dd als nächstes erregt. Um den Rotor32 gegen den Uhrzeigersinn von seiner in2 dargestellten Position zu drehen, wird das Statorpolpaar Bb als nächstes erregt. - Das Drehmoment, das durch den Motor
26 erzeugt wird, wird durch die Strommenge durch die Statorspulen gesteuert. Eine bevorzugte Art und Weise, einen Motor mit variabler Reluktanz so zu steuern, dass Motordrehmoment und Richtung gesteuert werden, ist vollständig in U.S. Patent Nr. 5,257,828 von Miller et al., und übertragen an TRW Inc., offenbart. - Ein Rotorpositionssensor
36 (1 ) fühlt die Position des Rotors32 relativ zu dem Stator28 ab und liefert ein Rotorpositionssignal38 , das eine Anzeige für diese relative Position bildet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Rotorpositionssensor36 ein diskreter Sensor. Es wird erwogen, dass alternativ Betriebsparameter des Motors26 verwendet werden können, um die Rotorposition abzufühlen. Zum Beispiel kann die Rotorposition bestimmt werden durch Überwachen des Stroms durch die Statorspulen, die den nicht erregten Statorpolen30 zugeordnet sind. Eine spezielle Anordnung zum Abfühlen der Rotorposition ohne einen diskreten Sensor wird in U.S. Patent Nr. 5,072,166 offenbart. - Rückbezüglich auf
1 wird ein Wellenpositionssensor40 mit der Antriebswelle16 und der Abtriebswelle17 verbunden. Der Wellenpositionssensor40 bildet in Verbindung mit der Torsionsstange18 einen Drehmomentssensor, der schematisch bei42 gezeigt ist. Der Wellenpositionssensor40 liefert ein Signal44 , das eine Anzeige bildet für die relative Drehposition zwischen der Antriebswelle16 und der Abtriebswelle17 . Die relative Drehposition zwischen der Antriebswelle16 und der Abtriebswelle17 bildet eine Anzeige für das Lenkdrehmoment, das von dem Fahrzeugfahrer an das Fahrzeuglenkrad12 angelegt wird. Deswegen bildet das Ausgangssignal44 des Wellenpositionssensors40 eine Anzeige für das Lenkdrehmoment, das an das Fahrzeuglenkrad12 angelegt wird und es wird darauf Bezug genommen als das angelegten Lenkdrehmomentsignal. - Das angelegte Lenkdrehmomentsignal
44 ist verbunden mit einer Drehmomentbefehlsschaltung46 . Die Drehmomentbefehlsschaltung46 bestimmt das Hilfsdrehmoment, das von dem Motor26 gewünscht wird. Das Hilfsdrehmo ment, das durch die Drehmomentbefehlsschaltung46 bestimmt wird, ist eine Funktion von zwei Parametern: (i) dem Wert des angelegten Lenkdrehmomentssignal44 und (ii) der Fahrzeuggeschwindigkeit. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor50 liefert ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal an die Drehmomentbefehlsschaltung46 , und zwar anzeigend für die Fahrzeuggeschwindigkeit. Typischerweise nimmt die Größe der Drehmomentshilfe, die von dem Motor26 gewünscht wird, ab, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Darauf wird in der Technik Bezug genommen als „Geschwindigkeitsrückfaltung". - Die Drehmomentbefehlsschaltung
46 liefert ein Drehmomentbefehlssignal48 vor, das eine Anzeige bildet für den Drehmomentshilfswert, der von dem Hilfsmotor26 gewünscht wird. Das Drehmomentbefehlssignal48 wird an einen Verstärker52 mit einstellbarer Verstärkung abgegeben. Der Verstärker52 mit einstellbarer Verstärkung verstärkt das Drehmomentbefehlssignal48 und gibt ein verstärktes Drehmomentbefehlssignal53 aus. - Das verstärkte Drehmomentbefehlssignal
53 ist mit einer Antriebssteuerschaltung54 verbunden. Vorzugsweise ist die Antriebssteuerschaltung54 ein Mikroprozessor oder ein Mikrocomputer. Das Rotorpositionssignal38 ist ebenfalls mit der Antriebssteuerschaltung54 verbunden. Die Antriebssteuerschaltung54 verwendet das verstärkte Drehmomentbefehlssignal53 und das Rotorpositionssignal38 , um den gewünschten Motorerregungsstrom und Motorerregungssequenz zu bestimmen, um die gewünschte Lenkrichtung zu erreichen. Die Antriebssteuerschaltung54 gibt ein Motorsteuersignal55 aus. Das Motorsteuersignal55 regelt, welches Statorpolpaar (d. h. Aa, Bb, Cc oder Dd) oder Paare erregt werden und regelt auch den Erregungsstrom. Obwohl eine einzelne Steuerlinie55 gezeigt wird, besitzt jedes Polpaar seine eigene zugeordnete Steuerlinie55 , d. h. es gibt vier Steuerlinien55 zwischen der Antriebssteuerschaltung54 und den Leistungsschaltern56 . - Die Leistungsschalter
56 sind pulsbreitenmoduliert, um den Motorstrom zu steuern. Um einen glatten Betrieb des Motors26 sicherzustellen kann die Po sition des Rotors30 zu vorbestimmten Zeiten zwischen tatsächlichen Rotorpositionsmessungen geschätzt werden. Diese Schätzung wird auf der Basis bestimmter bekannter Zustände und bestimmter Annahmen gemacht. Geeignete Methoden der Rotorpositionsschätzung sind in einem IEEE Artikel mit dem Titel " A Simple Motion Estimator For VR Motors" von W. D. Harris und J. H. Lang, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Oktober 1988 beschrieben und in einem Artikel mit dem Titel "A State Observer for Variable Reluctance Motors: Analysis and Experiments" von A. Lumsdaine, J.H. Lang und M. J. Balas, 19te ASILOMAR Conference on Circuits, Systems & Computers, 6.-8. November 1985. - Bezugnehmend auf
3 wird der Leistungsschalter56 , der einem Statorspulenpaar Aa zugeordnet ist, gezeigt. Eine Seite der Statorspule Aa ist mit elektrischer Erde durch einen Hauptantriebsschalter58 verbunden. Die andere Seite der Statorspule Aa ist mit der Fahrzeugbatterie durch einen Schalter62 und ein LC Filternetzwerk60 verbunden. Die Antriebssteuerschaltung54 (1 ) gibt die Motorsteuersignale55 ,63 an den Steueranschluss des Schalters58 bzw. Schalters62 . Die Motorsteuersignale55 und63 sind durch die Antriebssteuerschaltung54 pulsbreitenmoduliert, um den Strom durch das Statorspulenpaar Aa zu steuern. Dioden64 ,65 sehen Rücklaufstromsteuerung vor. Zenerdioden66 ,67 sehen Überspannungsschutz vor. - Der Motor
26 wird durch die Schalter56 erregt, um zu bewirken, dass sich der Rotor32 in der gewünschten Richtung mit dem gewünschten Drehmoment dreht. Drehung des Rotors32 führt zu linearer Bewegung der Zahnstange20 . Lineare Bewegung der Zahnstange20 führt zum Drehen der lenkbaren Fahrzeugräder22 ,24 , um das Fahrzeug zu lenken. - Überlastungsfeststellmittel
70 integrieren das Drehmomentbefehlssignal48 abhängig von der Zeit und liefern ein Überlastungssignal ansprechend auf das integrierte Drehmomentbefehlssignal an den Verstärker52 mit einstellbarer Verstärkung, um die Verstärkung des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung anzupassen, um den Motor26 zu schützen. - Ein Prozess für den Überlastungsdetektor
70 ist in dem Flußdiagramm der5 gezeigt. Der Steuerungsprozess beginnt in Schritt110 , wo die Anfangsparameter gesetzt werden, inklusive dem Setzen des Anfangsverstärkungswertes für das Drehmomentbefehlssignal gleich 1. Der Prozess schreitet dann zu Schritt112 voran, wo das Drehmomentbefehlssignal48 durch den Überlastungsdetektor70 überwacht wird. Von Schritt112 schreitet der Prozess zu Schritt114 vor, wo das überwachte Drehmomentbefehlssignal48 durch einen verlustbehafteten Überlastungsstillstandfeststellintegrator integriert wird. Um verlustbehaftete Integration (leaky integration) zu erreichen, wird ein konstanter Wert von dem Integrationswert abgezogen, und zwar jedes Mal, wenn der Prozess durch eine Schleife geht, d. h. jedes Mal, wenn Schritt114 durchgeführt wird. - Der Prozess schreitet dann zu Schritt
116 voran. In Schritt116 wird eine Bestimmung gemacht, ob das integrierte Drehmomentbefehlssignal größer ist als ein Schwellenwert To. Wenn die Bestimmung in Schritt116 negativ ist, schreitet der Prozess zu Schritt118 voran, wo die Verstärkung des Verstärkers52 mit einstellbarer Verstärkung erhöht wird. Der Prozess schreitet dann zu Schritt122 voran, wo die Drehmomentbefehlszunahme auf einen Wert von 1 begrenzt wird. Der Prozess läuft dann in einer Schleife zurück zu Schritt112 . - Wenn die Bestimmung in Schritt
116 bestätigend ist, bestimmt der Prozess, dass der Motor26 überlastet ist. Der Prozess schreitet dann zu Schritt120 voran. In Schritt120 reduziert der Überlastungsdetektor70 die Verstärkung des Verstärkers52 mit einstellbarer Verstärkung. Der Prozess schreitet dann zu Schritt121 voran, wo die Verstärkungsreduzierung auf einen vorbestimmten Minimalwert begrenzt wird. Von Schritt121 läuft der Prozess dann in einer Schleife zurück zu Schritt112 . Der Steuerprozess erhöht die Verstärkerverstärkung abhängig von der Zeit auf ein normales Niveau, und zwar nur wenn das integrierte Drehmomentbefehlssignal geringer als der Schwellenwert To bleibt, und zwar resultierend aus dem Integrierverlust über eine ausreichende Zeitperiode. Es sollte von Fachleuten erkannt werden, dass die Erhöhungsra te der Drehmomentbefehlsverstärkung in Schritt118 und die Erniedrigungsrate der Drehmomentbefehlsverstärkung in Schritt120 voneinander unabhängig sind. Auch können die Raten linear oder nicht-linear sein. - Fachleute sollten ebenfalls erkennen, dass das Ausführungsbeispiel der
5 Überlastung eines elektrischen Hilfslenk- bzw. Servolenksystems detektiert. Solche Überlastung tritt zum Beispiel auf, wenn hohe Motordrehmomente für eine ausgedehnte Zeitperiode angefordert werden, obwohl sich der Motor bewegt. Fachleute werden erkennen, dass der Überlastungsstillstand ein Überlastungszustand sein kann. - Die in
4 gezeigten Steuerprozesse könnten in einem Überlastungsfeststellmittel bzw. -detektor70 implementiert sein. In einer solchen Umsetzung würde der Überlastungsdetektor70 bestimmen, dass ein Überlastungszustand besteht, wenn der Prozess die Existenz eines Überlastungszustands anzeigt. Im Endeffekt ist ein Überlastungszustand das Ergebnis davon, dass der integrierte Drehmomentbefehl einen Schwellenwert überschreitet. - Es ist wünschenswert, Selbstdiagnosemerkmale in die Antriebssteuerschaltung einzuschließen, um einen korrekten Betrieb der Hilfsanordnung sicherzustellen. Solch eine diagnostische Anordnung für ein elektrisches Servolenksystem ist vollständig in U.S. Patent Nr. 4,660,671 von Behr et al. und an TRW Inc. Überschrieben, beschrieben.
Claims (9)
- Vorrichtung zum Feststellen eines Überlastungszustands eines elektrischen Hilfsmotors (
26 ) in einem Fahrzeugservolenksystem (10 ), die Folgendes aufweist: Lenkmittel (12 ,16 ) zum Lenken der lenkbaren Räder eines Fahrzeugs; und Drehmomentbefehlsschaltungsmittel (46 ) zum Abfühlen des Lenkdrehmoments, das an das Fahrzeuglenkrad angelegt wird und zum Vorsehen eines dafür anzeigenden Drehmomentbefehlssignals (48 ); ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfasst: Überlastungsfeststellmittel (70 ) zum Integrieren des Drehmomentbefehlssignals (48 ) abhängig von der Zeit und zum Vorsehen eines Überlastungssignals, ansprechend auf das integrierte Drehmomentbefehlssignal. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Überlastungsfeststellmittel (
70 ) Mittel umfassen zum Vorsehen des Überlastungssignals, wenn das integrierte Drehmomentbefehlssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. - Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Verstärkermittel (
52 ) mit variabler Verstärkung umfassen, die zwischen den Drehmomentbefehlsschaltungsmitteln (46 ) und den Überlastungsfeststellmitteln (70 ) arbeiten, zum Steuern der Verstärkung des Drehmomentbefehlssignals und die ferner Mittel umfasst zum Vermindern der Verstärkung des Verstärkers (52 ) mit variabler Verstärkung, ansprechend auf das Überlastungssignal. - Vorrichtung von Anspruch 3, die ferner Mittel (
118 ) umfasst zum Vergrößern der Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung, wenn das integrierte Drehmomentbefehlssignal geringer ist als der vorbestimmte Schwellenwert. - Vorrichtung von Anspruch 4, wobei die Mittel zum Verringern und die Mittel zum Erhöhen der Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung unabhängige Raten besitzen.
- Verfahren zum Feststellen eines Überlastungszustands eines elektrischen Servolenkmotors (
26 ), das die folgenden Schritte aufweist: (a) Vorsehen von Lenkmitteln (12 ,16 ) zum Lenken der lenkbaren Räder (22 ,24 ) des Fahrzeugs: (b) Abfühlen des Lenkdrehmoments (18 ), das an ein Lenkrad (12 ) des Fahrzeugs angelegt wird; (c) Vorsehen eines Drehmomentbefehlssignals (48 ) ansprechend auf das abgefühlte angelegte Lenkdrehmoment; gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: (d) Integrieren des Drehmomentbefehlssignals (114 ); und (e) Vorsehen eines Überlastungssignals ansprechend auf das integrierte Drehmomentbefehlssignal (116 ). - Verfahren nach Anspruchs 6, das ferner den Schritt des periodischen Verminderns des Wertes des integrierten Drehmomentbefehlssignals (
120 ) umfasst. - Verfahren nach Anspruch 7 wobei der Schritt des Vorsehens des Überlastungssignals auftritt, wenn der Wert des integrierten Drehmomentbefehlssignals einen vorbestimmten Wert (
116 ) überschreitet und ferner den Schritt des Verminderns der Verstärkung des Drehmomentbefehlssignals umfasst, ansprechend auf das Überlastungssignal (120 ). - Verfahren nach Anspruch 8, das ferner ein Erhöhen der Verstärkung des Drehmomentbefehlssignals (
118 ) umfasst, wobei das integrierte Drehmomentbefehlssignal geringer ist als der vorbestimmte Wert (116 ).
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