-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Mittelstellung eines Fahrzeuglenksystems, wie
sie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 definiert und z.B.
aus der EP-A 546789 bekannt sind. Dieses Verfahren und die Vorrichtung
sind besonders nützlich
zur Steuerung einer elektrohydraulischen Hilfskraft- bzw. sogenannten
Servolenkanlage.
-
Es
ist in der Technik bekannt, Lenksensoren zur Steuerung von Lenksystemen
und Federungssystemen einzusetzen. Sensoren der Bauart mit fester
Mittelstellung neigen jedoch zum Versagen wegen fehlerhafter Einstellung
des Sensors, weil genaue Winkelmessungen mit solchen Sensoren erzielt werden
müssen,
wenn sie helfen sollen, rasch auf ein Ereignis im Lenksystem zu
reagieren. Diese Sensoren müssen
bei der Herstellung des Fahrzeuges genau installiert und kalibriert
werden und erfordern einen erneuten Abgleich, wann immer die Lenksystemgeometrie
geändert
wird. Die Lenksystemgeometrie kann sich im Gebrauch des Fahrzeuges ändern, was dann
Wartungsarbeiten zur Kalibrierung des Lenksensors erfordert.
-
Um
diese Probleme zu vermeiden, sind Relativlenkstellungsgeber entwickelt
worden, die in der Lage sind, Relativbewegungen im Lenksystem zu messen,
allerdings müssen
diese die tatsächliche bzw.
echte Mittelstellung des Lenksystems jedesmal neu bestimmen, wenn
das Fahrzeug betrieben wird. Ein solcher Lenksensor ist in der US-Patentschrift
Nr. 4,722,545 offenbart, die der Anmelderin der vorliegenden Erfindung
erteilt wurde. Dieses System bringt ein Programm zum Einsatz, in
welchem die Lenkmittelstellung durch Einsatz eines Verfahrens mit
variabler Abtastzeitraum-Erfassung bestimmt wird, das mit veränderlich
breiten Umfangsbereichsfenstern im Betrieb einer Lenkwelle arbeitet.
Da der dem Algorithmus der US-Patentschrift Nr. 4,722,545 zugeordnete
Abtastprozeß nicht
bestimmen kann, ob am Lenksystem Kräfte angelegt werden oder nicht,
kann der dort offenbarte Algorithmus sehr langsam zu einer exakten
Mittelstellung konvergieren, insbesondere dann, wenn das Fahrzeug
mit nahezu kontinuierlichen konstanten Kreisradien betrieben wird.
-
Es
ist daher wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zu stellen, die in der Lage sind, eine
exakte bzw. echte Mittelstellung eines Lenksystems rasch zu ermitteln,
ohne dazu den Kostenaufwand und die Komplexität eines festen Lenkungsgebers
zu erfordern.
-
EP-A-546
789 beschreibt ein Verfahren zur Schätzung eines Neutralpunktes
eines Lenkrades für ein
Fahrzeug. Das Verfahren beinhaltet die Ermittlung, daß sich das
Fahrzeug in einer Geradeausfahrtbedingung befindet, und zwar anhand
des Arbeitsdruckes in einem hydraulischen Servolenksystem, wobei
der Arbeitsdruck aus einer Differenz zwischen einem ersten und einem
zweiten Drucksensor bestimmt wird, welche Sensoren jeweils in einer
rechten und einer linken Druckkammer des Servolenksystems angeordnet
sind. Die Geradeausfahrtbedingung trifft nur dann zu, wenn der Arbeitsdruck
unter einem vorgegebenen Wert liegt, und die Fahrzeuggeschwindigkeit
größer als
eine vorgegebene Geschwindigkeit ist. Ein Sensor erfaßt den Lenkradeinschlagwinkel,
und es wird eine Erfassungshäufigkeitsverteilung
bestimmt, die einer Reihe von erfaßten Lenkradeinschlagwinkeln
entspricht. Der Neutralpunkt wird ausgehend von der Erfassungshäufigkeitsverteilung
ermittelt.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge beinhaltet ein Verfahren zur Bestimmung
einer Mittelstellung eines in einem Fahrzeug eingebauten Lenksystems folgende
Schritte: Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit und Erzeugen eines
Fahrzeuggeschwindigkeitssignales; und Erfassen einer momentanen
Lenkstellung und Erzeugen eines momentanen Lenkstellungssignales;
gekennzeichnet durch: die Überwachung
eines einem Elektromotor im Fahrzeuglenksystem zugeführten Motorstromes
und Erzeugung eines Motorstromsignals; Überwachen der Motorgeschwindigkeit
und Erzeugen eines Motorgeschwindigkeitssignales; Berechnen einer
Pumpenlast unter Einsatz der besagten Motorstrom- und Motorgeschwindigkeitssignale
und Erzeugung eines Pumpenlastsignals aus diesen; und Filtern des
besagten momentanen Lenkstellungssignales, wenn sowohl besagtes
Fahrzeuggeschwindigkeitssignal einen Geschwindigkeitsschwellenwert überschreitet
als auch besagtes Pumpenlastsignal kleiner als ein Pumpenlastschwellenwert
ist, so daß eine
Mittelstellung des besagten Fahrzeuglenksystems ermittelt wird.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge umfaßt des weiteren eine Vorrichtung
zur Ermittlung einer Mittelstellung eines in einem Fahrzeug eingebauten Lenksystems:
Fahrzeuggeschwindigkeitssensormittel
zur Ermittlung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und Erzeugung eines
Fahrzeuggeschwindigkeitssignales; und Lenksensormittel zur Erfassung
einer momentanen Lenkstellung und Erzeugung eines momentanen Lenkstellungssignales;
und ist gekennzeichnet durch Motorstromüberwachungsmittel zur Überwachung
eines einem Elektromotor im Fahrzeuglenksystem zugeführten Motorstromes
und zur Erzeugung eines Motorstromsignals; Motorgeschwindigkeitsüberwachungsmittel
zur Überwachung
der Motorgeschwindigkeit und Erzeugung eines Motorgeschwindigkeitssignales;
Rechnermittel zur Berechnung einer Pumpenlast anhand der besagten
Motorstrom- und Motorgeschwindigkeitssignale, und zur Erzeugung
eines Pumpenlastsignals aus denselben; und Prozessormittel zur Filterung
des besagten momentanen Lenkstellungssignales, wenn sowohl besagtes
Fahrzeuggeschwindigkeitssignal einen Geschwindigkeitsschwellenwert überschreitet
als auch besagtes Pumpenlastsignal kleiner als ein Pumpenlastschwellenwert
ist, so daß dann
ein Mittelstellungssignal des besagten Fahrzeuglenksystems bestimmt
wird.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt also ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Mittelstellung eines Lenksystems, das/die die
echte Mittelstellung schnell bestimmen kann.
-
Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigt:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm eines Steuersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 ein
logisches Blockflußdiagramm
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
3 eine
teilgeschnittene Draufsicht auf einen Lenkungssensor mit einer Teilkomponente
eines Mittelstellungsermittlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine
quergeschnittene Ansicht des Lenkungsgebers nach der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie 4-4 aus 3;
-
5A veranschaulicht
die Ausgangswellenformen der in dem in den 3 und 4 dargestellten
Lenkungssensor eingesetzten Sensoren bei einer Drehung im Uhrzeigersinn;
-
5B veranschaulicht
die Ausgangswellenformen der in dem in den 3 und 4 dargestellten
Lenkungssensor eingesetzten Sensoren bei einer Drehung entgegen
dem Uhrzeigersinn;
-
6 ist
eine Wahrheitstabelle, welche die Ausgänge der in den 3-5 veranschaulichten Detektoren A und B
zeigt, wenn der erfindungsgemäße Lenkungssensor
jeweils im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht
wird.
-
Wie 1 zeigt,
bilden das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
Teil einer elektrohydraulischen Hilfskraftlenkanlage, bei der ein
Elektromotor 12 zum Antrieb einer Hydraulikpumpe eingesetzt wird,
die ihrerseits den Systemdruck erzeugt, der zum Verschieben der
Lenkzahnstange verwendet wird. Die Pumpenfördermenge ist stufenlos variierbar,
vorzugsweise im Millisekundentakt, und zwar durch die Steuerung
der Drehzahl des Elektromotors. Die Pumpenförderleistung wird in Reaktion
auf die momentane Stellung des Lenkrades in bezug auf eine berechnete
Mittelstellung verändert, die
auch als absoluter Lenkradeinschlagwinkel bezeichnet wird.
-
Der
Fachmann in der Technik wird angesichts dieser Offenbarung erkennen,
daß ein
System nach der vorliegenden Erfindung nicht nur zur Steuerung eines
Lenksystems verwendet werden kann, sondern auch zur Steuerung von
verstellbaren Federungseinheiten wie z.B. Stoßdämpfern, Federn oder Stabilisatorstabsystemen,
sowie für
verschiedene Aspekte von Fahrzeugbremssystemen.
-
Die
Komponenten eines Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in 1 dargestellt. Dementsprechend
empfängt
ein Steuermodul 14 Eingaben vom Geschwindigkeitssensor 16,
vom Lenksensor 18, sowie den Motorstrom IM und
die Motordrehzahl ωM von der Motordrehzahlsteuerung 20. Umgekehrt
gibt das Steuermodul eine Solldrehzahl aus, die anhand von der absoluten
Lenkradstellung berechnet wird und der Motordrehzahlsteuerung 20 zugeführt wird.
Der Fachmann wird angesichts der vorliegenden Offenbarung erkennen,
daß der
Prozessor im Steuermodul sowie die ihm zugeordneten Peripherieeinrichtungen
nach mehreren verschiedenen Architekturen aufgebaut sein können. In
einer bevorzugten Ausführungsform
jedoch ist der Prozessor so konfiguriert, daß ein Steuerprogramm sequentiell
für jeden
Einzelsteuerbefehl aus einem Nurlesespeicher (ROM) abgelesen wird,
der vorgegebene Steuerprogramme enthält. Einzelsteuerbefehle werden
durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) ausgeführt. Der
Prozessor beinhaltet eine Eingangs-/Ausgangssteuerschaltung (I/O)
für den
Datenaustausch mit externen Vorrichtungen und einen Schreib- und
Lesespeicher (RAM) für
die vorübergehende
Ablage von Daten, während
die Daten verarbeitet werden.
-
Der
Lenkungssensor 18 beinhaltet Mittel zur Messung der absoluten
Lenkstellung, welche den Winkelausschlag des Lenkrades von einer
Mittelstellung aus darstellt, die wiederum vom Lenksensor in Verbindung
mit dem Steuermodul und den Steuermitteln bestimmt wird. Wie in 3 und 4 dargestellt
ist, beinhaltet der Lenkungssensor 18 eine Spaltscheibenblende
bzw. sogenannte Codierscheibe 28, die an der Lenkwelle 36 befestigt
ist, welche Welle sich zusammen mit dem Lenkrad dreht, wenn das
Lenkrad vom Fahrer des Fahrzeuges gedreht wird. Die Codierscheibe 28 hat
mehrere Öffnungen 30,
im vorliegenden Falle 40 Öffnungen, welche Öffnungen
dazu dienen, die Funktion von Detektoren A und B auszulösen, wenn
sich die Codierscheibe zusammen mit dem Lenksystem des Fahrzeuges
dreht. Da sich in der Codierscheibe 28 insgesamt 40 Öffnungen
befinden, gibt der Lenksensor 80mal je ein Signal ab, wenn das Lenkrad
eine Umdrehung macht, und dementsprechend stellt jedes der 80 Signale
oder Schritte eine Drehung um 4,5° des
Lenksystems dar. Der Fachmann wird erkennen, daß zur Erzielung einer höheren Steuergenauigkeit
eine Codierscheibe mit einer höheren
Anzahl von Öffnungen eingesetzt
werden kann. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Erhöhung der
Auflösung
und damit der Präzision
eines Sensors.
-
Wie 4 darstellt,
beinhaltet jeder Detektor A und B eine Leuchtdiode (DEL) 32 und
eine Photodiode 34. Die Kombination von Leuchtdiode und
Photodiode wird dazu verwendet, die Bewegungen der Codierscheibe 28 und
damit des Lenksystems zu erfassen. Dies wird dadurch ermöglicht,
daß Photodioden
zwei Zustände
aufweisen, d.h. sie sind bistabil. Ein leitender Zustand tritt auf,
wenn Licht von der zugeordneten LED durch eine Öffnung 30 in der Codierscheibe
tritt und auf die Photodiode auftrifft. Der Ausgang der Detektorschaltung
steigt dann auf ungefähr 5
Volt. Ein nichtleitender Zustand existiert dann, wenn die Codierscheibe
die Lichtübertragung
zwischen der LED und der Photodiode blockiert. Wie in 5A dargestellt
ist, erzeugt eine Drehung der Codierscheibe 28 im Uhrzeigersinn
ein Wellenformmuster der beiden Detektoren, wo der Übergang
des Detektors A vor dem Übergang
des Detektors B erfolgt. In anderen Worten, Detektor A eilt Detektor
B vor.
-
Wie
dagegen 5B zeigt, erzeugt eine Drehung
des Lenkungssensors entgegen dem Uhrzeigersinn ein Wellenformmuster
für die
Detektoren, wo der Übergang
bei Detektor A nach dem Übergang von
Detektor B erfolgt, so daß Detektor
A Detektor B nacheilt. Die Ausgänge
der Detektoren A und B werden in das Steuermodul eingegeben, und
auf diese Weise kann das Steuermodul 14 die Richtung der Drehung
des Lenksystems mitverfolgen.
-
6 ist
eine tabellarische Darstellung der in den 5A und 5B dargestellten
Wellenformen in einem digitalen Format. In herkömmlicher Weise wird hier der
ungefähr
5 Volt betragende Maximalausgang der Detektoren als logische "1" behandelt, während der Null-Ausgang-Zustand
als eine logische "0" behandelt wird. 6 zeigt
jedes der möglichen logischen
Zustandspaare, die von den Detektoren A und B ausgegeben werden
können.
Diese Paare sind in der Reihenfolge angeordnet, in der sie vom Steuermodul 14 jeweils
bei Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn empfangen
werden. Wie aus 6 zu erkennen ist, wird die
Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn von unten nach oben in der Figur
gelesen, und eine Drehung im Uhrzeigersinn wird von oben nach unten
in der Tabelle gelesen.
-
Der
Ausgang der Detektoren A und B wird weiterhin so im Steuermodul 14 verarbeitet,
daß ein Signal
geschaffen wird, das die Geschwindigkeit des Lenksystems bzw. die
Winkelgeschwindigkeit anzeigt. Diese Operation wird in recht einfacher
Weise dadurch ausgeführt,
daß einfach
die Zahl der Übergänge eines
oder beider Detektor(en) in einem gegebenen Zeitraum verfolgt wird.
Die Zahl der Übergänge pro
Abtastzeitraum ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit
des Lenksystems.
-
Wie
zuvor bereits erwähnt,
enthält
die 2 ein Logikblock-Flußdiagramm gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Beginnend mit Startblock 38 des
Flußdiagrammes
geht der Prozessor im Steuermodul 14 auf Block 40 über, und
ein Schleifendurchlaufzähler
CNT wird mit einem vorgegebenen Wert initialisiert, der in der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform
20 beträgt.
Dann geht der Prozessor zu Block 42, wo zwei Bedingungen
abgeschätzt
werden, um zu bestimmen, ob das gerade von dem Lenksystem erzeugte
Datum für
eine rasche und genaue Ermittlung der Mittelstellung des Lenksystems
verwendet werden kann.
-
Die
erste Bedingung ist, daß die
Fahrzeuggeschwindigkeit VS größer als
ein Geschwindigkeitsschwellenwert ist, der bei der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform
auf 20 mph eingestellt war. Die zweite Bedingung beinhaltet die
Abwägung
einer Schätzung
der an der Lenkzahnstange angelegten Lenkkräfte und die Sicherstellung,
daß der
Prozessor nur dann weiterarbeitet, wenn die geschätzte Lenkhilfskraft
unter einem vorgegebenen Kraftschwellenwert liegt. Vorteilhafterweise
bietet dabei die vorliegende Erfindung ein Lenkzahnstangenkraft-Schätzungssignal,
ohne dabei auf zusätzliche
Sensoren außer
denjenigen angewiesen zu sein, die sowieso schon für den Betrieb
des Lenksystems erforderlich sind. Es ist experimentell ermittelt
worden, daß die Pumpenlast
am Elektromotor 12 direkt in Relation zu den Kräften an
der Lenkzahnstange gesetzt werden kann. Daher führt die vorliegende Erfindung
eine Schätzung
des Pumpenlastsignales TP aus, um zu bestimmen,
wann das Signal unter einem Pumpenlastschwellenwert KP liegt,
bevor der Prozessor weiter zu Block 44 geht. Das Pumpenlastsignal
TP wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt: TP = IMKT – Jw'M – DωM worin
- TP
- = Pumpenlast am Motor
(Nm)
- IM
- = Motorstrom (A)
- ωM
- = Motorgeschwindigkeit
(rad/s)
- KT
- = Motorkonstante (Nm/A)
- J
- = Trägheitsmoment
des Motorläufers
(kgm2)
- w'M
- = Motorbeschleunigung
(rad/s2), und
- D
- = Motordämpfung und
Verlustleistung.
-
Der
Prozessor erhält
die Pumpenmotordrehzahl und den Motorstrom von der Motorgeschwindigkeitssteuerung 20.
Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, geht der Prozessor
weiter zu Block 44, wo die Lenkstellungsdaten gefiltert
werden, um die Mittelstellung zu bestimmen.
-
In
Block 44 berechnet der Prozessor eine absolute Lenkstellung θABS, die durch Abziehen eines berechneten
Fehlers θERR von einer über den Lenkungssensor 18 ermittelten
momentanen Lenkstellung θSW bestimmt wird. Der berechnete Fehlerwert θERR stellt die Differenz zwischen der Lenkstellung beim
Starten des Fahrzeuges und der echten Lenkmittelstellung dar. Wenn
also das Fahrzeug angelassen wird, während die Räder geradeaus stehen, ist der
berechnete Fehler Null, und die absolute Lenkstellung θABS ist gleich der momentanen Lenkstellung θSW. Der Prozessor berechnet die absolute
Lenkstellung θABS nach folgender Gleichung: θABS(N) = θREL(N) – [(θERR(N-1) – ((CNT-1)/CNT) + θREL(N)/CNT]worin
- θABS(N)
- = absolute Lenkstellung
- θREL(N)
- = momentane Lenkstellung
- θERR(N-1)
- = θREL(N-1) – θABS(N-1)
- N
- = gegenwärtiger Durchlauf
- N-1
- = vorangehender Durchlauf
- CNT
- = Schleifendurchlaufzähler
-
Aus
dieser Berechnung gewinnt der Prozessor eine neue bzw. aktualisierte
absolute Lenkstellung θABS(N). Bevor diese jedoch als Eingabeparameter
für die
Steuerung verwendet werden kann, führt der Prozessor in Block 46 eine
Qualitätsanalyse durch.
-
In
Block 46 berechnet der Prozessor das numerische Differential
des berechneten Fehlers ΔθERR durch Teilen der Differenz der beiden
letzten Werte des berechneten Fehlers θERR durch
einen Wert, welcher einen Zeitschritt eines einzelnen Durchlaufes durch
die Schleife darstellt. Das Ergebnis wird mit einem Fehlerschwellenwert
KERR verglichen. In den Blöcken 46, 48, 50 und 52 muß ΔθERR für
100 aufeinanderfolgende Schleifendurchläufe kleiner als der Fehlerschwellenwert
sein, bevor die absolute Lenkstellung θABS als
verwendungstauglich erklärt
wird. Wenn dies erfolgt, setzt der Prozessor bei Block 54 einen
Qualitätsmerker,
so daß dieser
anzeigt, daß eine
nutzbare Mittelstellung gefunden worden ist, und daß die resultierende
absolute Lenkstellung θABS für
Steuerzwecke verwendet werden kann.
-
Insbesondere
geht jedesmal dann, wenn ΔθERR kleiner als der Fehlerschwellenwert ist,
der Prozessor weiter von Block 46 auf Block 48 und stockt
dort den Zähler
ErrCNT um eins auf und prüft in
Block 50, ob der Zähler
schon bei 100 angelangt ist, oder bei einem beliebigen anderen,
durch Versuche erstellten Wert, der den für ein gegebenes Steuersystem
erforderlichen Vertrauensgrad bietet. Ist der Zähler noch nicht bei 100 angelangt,
geht der Prozessor wieder zurück
zu Block 42 und stockt CNT in Block 56 um eins
auf. Nochmal Bezug auf Block 46 nehmend, geht der Prozessor,
wenn ΔθERR größer als die
Fehlerschwelle ist, weiter zu Block 52, wo der Fehlerzähler ErrCNT
zurückgesetzt
wird. Auch hier geht der Prozessor zurück zu Block 42 und
stockt den Zähler
CNT in Block 56 um eins auf. Obwohl der Prozessor bestimmt
hat, daß die
absolute Lenkposition für
Steuerzwecke verwendbar ist, wie in Block 54 angezeigt,
verbessert der Prozessor solange weiter die Präzision der absoluten Lenkstellung,
bis der Prozessor in Block 58 feststellt, daß der Schleifendurchlaufzähler CNT
einen Schleifendurchlaufzähler-Schwellenwert überschritten
hat, der in der vorliegenden Erfindung auf 300000 eingestellt ist.
Liegt dieser Fall vor, geht der Prozessor weiter zu Block 60 und
legt dort die Mittelstellung durch Festlegen des berechneten Fehlers θERR auf den letzten gültigen Wert fest und schließt dann
jede weitere Ausführung des
Algorithmus aus, bis das Fahrzeug wieder neu gestartet wird.
-
Verschiedene Änderungen
und Varianten werden dem Fachmann auf dem Gebiet der Technik, auf
das sich die vorliegende Erfindung bezieht, wahrscheinlich in den
Sinn kommen. So können
z.B. die besonderen in Verbindung mit dem offenbarten System eingesetzten
Sensoren von den hier dargestellten Sensoren abweichen, um die Realisierung
an hydraulischen oder vollelektronischen Servolenksystemen zu ermöglichen.
Es könnte
eine Rückmeldung von
Informationen über
die an der Zahnstange angelegte Kraft mittels eines Hydraulikdrucksensors
in derselben Weise erfolgen, wie über den Motorstrom IM, wie er oben in der bevorzugten Ausführungsform beschrieben
worden ist. Zusätzlich
dazu kann das System mit geänderten
Zahlenwerten der verschiedenen Schwellenwerte in dem hier beschriebenen Berechnungsschema
betrieben werden.