SE533985C2 - Metod för reglering av fordonsstyrning och fordonsbeteende - Google Patents

Abstract

Ett styrsystem (100) och en regleralgoritm för fordonsservostyrning somverkar så att förarens pâlagda rattmoment omsätts till ett fordonsbeteende.Styrsystemet består av ett styrrack (124), styrstag (125) som är koppladetill fordonets styrda hjul (127). Fordonets ratt (120) är kopplad till racketgenom styrkolonnen (121). Styrkolonnen innehåller en momentstav (128)med momentsensor för mätning av föraren pâlagda styrmoment. Assistans-momentet ges av en aktuator (115) som regleras av ett reglersystem (110).I reglersystemet finns en regleralgorithm som tolkar förarens pålagda styr-moment till ett börvärde i form av ett gir- och/ eller lateralfordonstillstând.Servosystemet regleras så att detta börvärde uppnås.

Description

20 25 30 35 40 533 985 upplevs stabil vad gäller styregenskaperna med dålig styrkänsla som följd. [6] Med en låg assistans kommer bilen att bli stabil i högre farter med god styrkänsla. Störningar, såsom till exempel spårig vägbana, split-my (olika. friktion, my, mellan vänster och höger sida) och momentstyrning vid motor- pådrag (effekten vid pådrag av att längskrafterna antingen är olika mellan vänster och höger sida och/ eller på, grund av att längskrafterna inte angriper i däckskontaktens centrum), kommer bli framträdande och rattkrafterna höga vid låg fart. [7] De hydrauliska servostyrsystemen hade sitt genombrott på femtiotalet och arbetar enligt samma principer än i dag. De stora nackdelarna, utöver de som nämnts ovan, med systemen i dagens bilar är de är svàrtunade, har stora variationer i produktionsutfall och att de behöver anpassas till varje framaxellast och däckbredd (vilket varierar för olika motoralternativ även för en och samma bilmodell). Dessutom ställs krav på styrsystemets friktion, både vad det gäller dess storlek, men också dess placering (friktionen ska, för bra styrkänsla, ha rätt storlek och vara rätt fördelad mellan under och över torsionsstaven). [8] Sedan är 2000 har de hydrauliska servosystemen, framförallt på. lättare bilar, börjat ersättas av elektriska. Dessa system regleras idag uteslutande på samma sätt som hydrauliska, nämligen med hjälp av en boost-kurva. En assistansaktuator är en aktuator som är ämnad att ge föraren rätt assistans.

En reglerbar assistansaktuator är en aktuator där assistansnivån är regler- bar. Följande patent innehåller reglering av styrservon. [9] Patentet US 6,250,419 Bl (Chabaan) visar ett styrsystem fór en bil där en H-oändlighets-regulator används fór att reglera en elmotor i ett elektriskt servosystem. Denna uppfinning är helt i linje med ett traditionellt boost- kurvekoncept, där förarens applicerade moment i ratten via en boost-kurva översätts till det hjälpmoment som den elektriska motorn ska ge.

[10] Patent EPl431160B1 (Ekmark) beskriver en regleralgoritm för ett bil- styrservosystem. Ekmark räknar fram ett önskat rattmoment, börvärde, utifrån fordonstillstånd såsom rattvinkel, fordonshastighet, lateralaccelera- tion, giracceleration, etcetera. Ekmark mäter sedan det faktiska rattmo- mentet och reglera den elektriska servomotorn så att det uppmätta momentet ska överensstämma med börvärdet.

[11] Ekmark hävdar att det beskrivna reglersättet förbättrar undertryckning av oönskade vägstörningar i styrsystemet. Men eftersom regleringen utgår från felet mellan det uträknade rattmomentet och det riktiga kommer alltid en del av de störningar som finns propagera till ratten innan de regleras bort. 10 15 20 25 30 35 40 533 985

[12] Ekmarks koncept är mycket känsligt när ratten är i raktframläge. För att nå. en bra moment-uppbyggnad vid rakt framläge på ratten vill man i Ekmarks koncept att gradienten för moment/lateralacceleration ska vara mycket hög. En hög gradient för moment/lateralacceleration leder dock till att regleringen i denna uppfinning blir väldigt känslig för störningar i sig- nalen för pinjong- eller motsvarande vinkel. Med en för hög förstärkning börjar därför ratten att oscillera, vilket är obekvämt och osäkert. Med en lag förstärkning är risken stor att momentuppbygnaden vid rakt-framkörning är otillräcklig. Vidare krävs det en underliggande momentregulator, där det finns en kompromiss mellan regualtorprestanda- och stabilitet. Samtidigt måste osäkerheter i form av toleransutfall, åldring, temperatur, slitage tas med i betraktelse vid korrekt val av regulatorpararnetrar. Detta medför att det finns en kompromiss mellan styrkänsla, undertryckning av störningar och regulatorstabilitet. Störningar såsom till exempel sidvind och ramförvrid- ning (vanligt på. lastbilar med last) regleras inte bort.

[13] För att summera: Det som tidigare är känt inom omrâdet, enligt ovan nämnda referenser, adresserar inte problemet med att omsätta kraften / momentet en förare lägger på ratten till ett önskat gir- och/ eller lateralfordonstillständ, och utifrån det styra ut en servoassistans. Tidigare kända lösningar kom- penserar inte för yttre störningar såsom sidvind och ramförvridning. Tidi- gare kända lösningar får en kompromiss mellan styrkänsla, undertryckning av störningar och stabilitet.

Summering av uppfinningen

[14] Den aktuella uppfinningen, enligt krav 1, relaterar till ett servostyrn- ingssystem, som ger föraren av ett fordon det önskade gir- och /eller lat- eralfordonstillstándet. Specifikt relaterar denna uppfinning till hur förarens pâlagda rattmoment via en reglering av servosystemet omsätts till fordon- stillstànd. Detta i sin tur leder till en robust styrkänsla utan oönskade störningar i vare sig ratt eller fordonstillstånd och utan en kompromiss i systemets stabilitetsmarginal.

[15] Ändamålet med krav 1 är att beskriva hur ett styrmoment transformeras till ett önskat gir- och eller lateralfordonstillständ. Vidare, hur detta önskade fordonstillständ används i en fordonstillståndsregulator och en aktuatortill- stàndsregulator för att reglera en styraktuator.

[16] Styrning av en aktuator avser att på ett kontrollerat sätt åstadkomma ett önskat tillstånd hos aktuatorn. 10 15 20 25 30 00 533 985 L:

[17] En aktuator är ett medel för att påverka förändring av ett eller fiera tillstånd.

[18] En styraktuator för ett fordon är ett medel för att påverka förändring av fordonets gir- och/ eller lateralfordonstillstånd.

[19] Ett dynamiskt systems tillstànd är ett antal variabler som beskriver i vilken situation systemet befinner sig vid en viss tidpunkt.

[20] Ett fordonstillstånd är ett antal variabler som beskriver i vilken situa- tion fordonet befinner sig i vid en viss tidpunkt.

[21] Girfordonstillstànden beskriver fordonets girposition, girhastighet eller giracceleration vid en viss tidpunkt.

[22] Lateralfordonstillstånden beskriver fordonets lateralposition, lateralhastighet eller lateralacceleration vid en viss tidpunkt.

[23] Gir-led avser rotation kring fordonets z-axel, vilken är riktad uppåt och vinkelrät mot xy-planet, på. vilket fordonet bedinner sig.

[24] Lateral-led avser fordonets y-axel, vilken är riktad ät vänster och vinkel- rät mot xz-planet.

[25] Fordonets x-axel är riktad framåt i fordonet.

[26] Styrsystem avser det fordonssystem som kan påverka fordonets gir- och lateralfordonstillstånd.

[27] Transformation avser en operation på, ett eller flera tillstànd som ger ett eller fiera andra tillstånd som resultat.

[28] Regulator avser en algoritm som i ett förlopp reglerar och söker hålla ett referensvärde i balans genom att kontrollera resultatet genom återkoppling.

[29] Önskat tillstånd avser referensvärde till en regulator.

[30] Stabilitetsmarginal avser marginal till den gräns där systemet blir insta- bilt.

[31] När föraren av ett fordon lägger på. ett moment, förarmomentet, beskriver en del av momentet, styrmomentet, de fordonstillständ föraren vill uppnå.

Den del som inte beskriver styrmomentet är kompensationsmomentet, en- ligt krav 2. Kompensationsmomentet har tillsammans med styrmomentet 10 15 20 25 30 40 533 985 5' till uppgift att beskriva fordonets momentuppbyggnad i ratten. Ändamålet med detta är att beräkna styrmomentet.

[32] Förarmoment avser det i fordonets ratt av föraren pålagda momentet.

[33] Styrmomentet avser den del av det i fordonets ratt av föraren pålagda momentet som svarar mot det / de fordonstillstånd föraren vill uppnå.

[34] Krav 3 har till ändamål att beskriva de delar kompensationsmomentet kan bestå av.

[35] Momentbidrag avser del av förarmomentet, såsom styrmoment eller del av kompensationsmoment.

[36] Momentbidraget styrsystemfriktionsmoment avser att bygga upp det på grund av önskad friktion i styrsystemet uppträdande momentet i ratten.

Detta momentbidrag är ett börvärde för hur friktionen ska vara och har där- för inte med systemets verkliga friktion att göra.

[37] Momentbidraget dä/cksfriktionsmoment avser att bygga upp det på grund av önskad däcksfriktion uppträdande momentet i ratten. Även detta mo- mentbidrag är ett börvärde för hur friktionen ska vara och har därför inte med däßkens verkliga friktion att göra.

[38] Momentbidraget dämpningsmoment avser att bygga upp det på grund av önskad dämpning uppträdande momentet i ratten. Även detta moment- bidrag är ett börvärde för hur dämpningen ska vara och har därför inte med den verkliga dämpningen att göra.

[39] Momentbidraget rattåtergångsmoment avser att bygga upp det på grund av önskad rattàtergång uppträdande momentet i ratten. Även detta moment- bidrag är ett börvärde för hur rattåtergången ska vara och har därför inte med systemets verkliga rattàtergång att göra.

[40] Rattåtergång avser styrningens förmåga att själv återföra ratten till rakt-fram-läge.

[41] Rak-fram-läge avser rattens position då fordonet går rakt fram i x-led.

[42] Ändamålet med krav 4 är att beskriva hur momentbidragen tas fram.

[43] Styrvinkel avser en vinkel, på något sätt svarande mot en hjulvinkel, uppmätt någonstans i styrsystemet. 10 15 20 25 30 ID 533 985

[44] Ändamålet med krav 5 är att beskriva hur en fordonsmodell används för att omsätta ett önskat gir- och eller lateralfordonstillstånd till de tillstànd styraktuatorerna måste anta för att enligt denna modell anta det önskade fordonstillståndet.

[45] Fordonsmodell avser en matematisk modell över fordonets dynamik i form av en hastighetsberoende överföringsfunktion mellan styrvinkel och fordonstillstånd. En fordonsmodell kan användas för transformation mel- lan styrvinkel och fordonstillstånd och vice versa.

[46] Ändamålet med krav 6 är att beskriva vilken typ av dynamik fordons~ modellen inkluderar.

[47] En dynamisk process avser en process som har en tröghet så att dess tillstånd beror av tidigare insignalvärden.

[48] Kvasistatisk process avser en process där dess tillstånd inte beror av tidigare insignalvärden.

[49] Ändamålet med krav 7 är att beskriva hur en regulator används för att minimera felet mellan önskat och erhållet styraktuatortillstånd.

[50] Ändamålet med krav 8 är att beskriva hur ett fel bildas mellan ön- skat gir- och eller lateralfordonstillstånd och erhållet. Detta fel ingår i en kaskadreglering av fordonstillstånd i en yttre krets och aktuatortillstånd i en inre.

[51] Ändamålet med krav 9 är att beskriva hur en regulator används för att minimera felet mellan önskat och erhållet fordonstillstånd.

[52] Ändamålet med krav 10 är att beskriva hur en assistanskurva används för att begränsa begäran från aktuatortillståndsregulatorn.

[53] Assistansmoment avser det med styraktuatom pålagda momentet.

[54] Assistanskurva avser kurva fór transformation mellan förarmoment och assistansmoment.

[55] Ändamålet med krav 11 är att beskriva hur assistanskurvan kan utföras.

[56] Funktion avser en matematisk formel som tillordnar ett utvärde för varje givet invärde. 10 15 20 25 30 35 40 533 985

[57] Interpolationstabell avser avser en tabell med invärden och utvärden som genom interpolation tillordnar ett utvärde för varje givet invärde.

[58] Ändamålet med krav 12 är att beskriva hur begränsningen i begäran från aktuatortillståndsregulatorn kan degraderas som funktion av avvikelsen mellan begäran och begränsningen. .

[59] Regulatorbegränsning avser begränsning av regulatorns utsignal så att regulatorns utsignal reduceras jämfört med regulatorbegäran.

[60] Degradering avser reducering av utsignalen från regulatorn.

Detaljerad beskrivning

[61] Servostyrsystemet enligt denna uppfinning inkluderar en estimering eller mätning av förarens pålagda moment i ratten, en funktion eller interpola- tionstabell som omsätter momentet i rattstången till de fordonstillständ for- donet ska anta (i form av ett reglerbörvärde), en sensor eller modell som mäter eller beräknar de aktuella fordonstillstånden, en reglering som jäm- för aktuellt fordonstillståndsvärde med den via fórarmomentet begärda och reglerar (på något för fackmannen känt sätt) aktuatorns aktuatortillstånd, såsom: position och/ eller hastighet och/ eller acceleration och/ eller moment och/eller kraft för att uppnå detta.

[62] Fordonstillstånden är acceleration, hastighet och position i lateralled (fordonets förhållande till till exempel vägkanten) och /eller rotationsled (runt fordonets rotationsaxel) och/eller kurvatur och/eller styrvinkel. Förarens kraft / moment, vilket läggs pä ratten, kan omsättas till ett önskat gir- och /eller lateralfordonstillständ. För vägfordon kallas dessa tillstånd lateralaccelera- tion, -hastighet, -position, giracceleration, -hastighet, -vinkel, kurvatur och hjulvinkel, eller mer generellt hjulvinklar vid fieraxlig styrning.

[63] Förarens pålagda moment, som ger insignalen, bör i ett styrsystem ko- rrigeras vilket ger en tolkning av kraften som föraren vill styra med, som ett underlag för att omsätta styrmomentet i ett gir- och/eller lateralfordon- stillständ. Normalt beskriver man en styrkänsla i ratten. I denna reglering dras först styrkänsleegenskaper såsom den önskade friktionen, som bygger raktframkänsla, den önskade dämpning men även till exempel kraftförluster i styrsystemet bort. Även önskad rattåtergång kan dras bort från det som är basen för att omsätta förarens styrmoment. Styrmomentet är det moment som föraren lägger på vid ratten, och som kan mätas någonstans mellan ratt och hjul eller estimeras från andra tillstànd såsom exempelvis assistansmo- tormoment, eller -kraft, mätta vinklar i styrsystemet etcetera. 10 IS 20 25 30 S! 40 533 985 8

[64] Fïinktionen eller interpolationstabellen i (110) beskriver vilket värde de reglerade fordonstillständen ska anta när föraren ansätter ett visst moment i ratten. Funktionen eller interpolationstabellen kan, men behöver inte, vara baserad även på, andra fordonstillstånd så att även andra fordonstillständ påverkar hur förarens moment tolkas till det reglerade fordonstillståndet, såsom fordonshastighet men även observationer, mätningar, beräkningar, etcetera av förarsignaler (till exempel broms-, gaspedal eller förarens bered- skap), miljötillstând (till exempel friktion i underlaget) och situationer (till exempel parkering).

[65] Modellen och en eller flera sensorer som mäter fordonstillständen ger det aktuella värdet. Det kan antingen tas direkt från en eller flera intelligenta sensorer eller beräknas via andra fordonstillstånd med hjälp av en fordons- modell.

[66] Reglerfelet för regulatorn är skillnaden mellan det aktuella fordonstill- ståndets värde och det som föraren begärt genom det tolkade rattmomentet (som tex felet mellan aw och ay i figur 11). Utifrån det positions-, kraft eller momentregleras aktuatorn en eller flera aktuatorer.

[67] Uppfinningen fungerar pä följande sätt. När föraren vill svänga, vilket betyder att han/ hon vill förändra ett fordonstillstånd, lägger föraren på. en kraft på. ratten. Ett moment byggs upp i rattstängen. Detta moment tolkas via funktionen eller interpolationstabellen till ett fordonstiilstånd föraren vill uppnå., exempelvis en lateralacceleration. Regleringen jämför aktuellt värde med det av föraren begärda och beräknar till exempel en position för en aktuator för att uppnå det begärda fordonstillståndsvärdet.

[68] En störning kommer mycket effektivt att regleras bort. Om en spårig vägbana, framdrivningsmoment eller hjulobalans ger en störning i form av en kraft i hjulet som propagerar in i styrväxeln, regleras felet snabbt och ef- fektivt bort av aktuatorregleringen utan att nä till ratten. Detta åstadkoms genom uppfinningens implementation i enlighet med ñgur 10 eller figur 11.

[69] Om fordonet utsätts för en störning såsom sladd, sidvind eller ram- förvridning kommer det uppträda som ett fel mellan det begärda fordonstill- ståndet och det aktuella fordonstillstàndet vilket betyder att felet regleras bort i fordonsregulatorn, se till exempel uppfinningens implementation i en- lighet med figure 11. Uppfinningen ger alltså med automatik funktioner såsom girstabilicering med hjälp av styrning (ofta kallat ESP), sidvinds- och ramförvridningskompensering.

[70] En fördel med uppfinningen är att den kommer ge samma karaktär (sys- 10 15 20 25 30 35 40 533 985 temegenskaper kan dock ge begränsningar) oberoende vilket fordon eller sys- tem den implementeras i. Detta utan att varje situation behöver konstrueras.

[71] Ytterligare fördelar framgår från den detaljerade beskrivningen av kon- ceptet.

[72] Styrkonceptet som beskrivs i denna uppfinning kan med fördel järn- föras med andra kända lösningar, så att de fördelarna fordonet får genom uppfinningen blir tydliga. De koncept som är viktiga att järnföra med är den så. kallade assistanskurvaregleringen samt reglering med hjälp av så. kallad momentreferensgenerator. Den sistnämnda beskrivs i detalj av Ekmark i EP1431l60Bl, och den förstnämnda är idag det gängse sättet att reglera en servoassisterad fordonsstyrning.

[73] Figur 1 visar den mekaniska modellen som används i den följande analy- sen. Figuren visar styrracket med de dominerade trögheterna som utgörs av höger och vänster hjul av den styrda axeln, ratten och servomotorn.

Figuren visar ytterligare momentstaven och assistanskurvan som beskriver förhållandet mellan förarens pälagda moment och servomotorns assistansmo- ment. Notationen i figuren följer benämningen T för moment, 6 för vinkel J för tröghetsmornent samt c for torsionsstavens styvhet. Indexeringen avser höger- wr och vänsterhjul wl, s för sensor, sw fór ratt och sm för servomotor.

Från denna modell låter sig ett blockdiagram härledas vilket är ett brukligt förfarande vid reglertekniska analyser.

[74] Blockdiagrammet för styrsystemet som regleras efter assistansprincipen visas i figur 2. Det ingår en rad överföringsfunktioner i blockdiagrammet, såsom GW, = öm/(Td - T,) som beskriver ratt- och styrkolonndynamiken och Gm., = rip/T, som beskriver styrrackets dynamik. De egenskaper som skall belysas i jämförelsen mellan de tre nämnda styrkoncepten är systemets förmåga att undertrycka vägstörningar eller störningar som uppstår genom fordonets kontakt med vägbanan. I det avseendet är styrsystemets störöver- föringsfunktion viktig, dvs överföringsfunktionen mellan störmomentet Tu, och pinjongvinkel ÖP.

[75] Blockdiagrammet för störöverföringsfunktionen för ett styrsystem som regleras enligt assistansprincipen visa i figur 3. Parametern K Bg avser här den i en arbetspunkt linjäriserade förstärkningen av assistanskurvan. Det är viktigt att veta att styrsystem som regleras enligt denna princip har en jämförelsevis läg förstärkning för låga assistansnivàer. Systemets förmåga att undertrycka störningar är direkt proportionell mot denna förstärkning, så att god störningsundertryckning ej är möjlig för låga assistansnivåer vilket ofta är liktydigt med rakt-framkörning. 10 15 20 25 30 35 40 533 985 l O

[76] Blockdiagrammen för momentreferensgeneratorn enligt Ekmark kan härledas på motsvarande sätt. Figur 4 visar blockdiagrammet där momentdiífer- ansen, och därmed momentrefernsgeneratorn tydligt framgår, och figur 5 visar störöverföringsfunktion för systemet.

[77] På motsvarande sätt som för styrsystemet som regleras enligt assis- tansprincipen är störöverföringsfunktionens totala kretsförstärkning ett mått på systemets förmåga att undertrycka vägstörningar. Det som är påfal- lande för momentreferensgeneratorn är att det existerar en konflikt mellan den underliggande momentäterkopplingen och momentreferensgeneratorns förstärkning. Denna kompromiss ger sig till känna genom minustecknet i det nedre blocket i figur 5. Parametern Km, är den linjariserade förstärknin- gen av momentreferensgeneratorn. Till skillnad från assistansregeleringen har denna pararneter höga värden för rakt-frarnkörning och låga värden un- der kurvkörning. Det är viktigt att veta att god styrkänsla under rakt- framkörning kräver höga värden av denna parameter, vilket leder till att den totala kretsförstärkningen av störöverföringsfunktionen minskas med sti- gande Ktrg. En minskad kretsförstärkning leder till en försämrad förmåga att undertrycka störningar. Vad gäller momentreferensgeneratorn blir det följaktligen tydligt att det existerar en kompromiss mellan god styrkänsla under rakt-framkörning och god undertryckning av störningar.

[78] Blockdiagrammen för uppfinningens implementation enligt figur 10 visas i figur 6 och störöverföringsfunktionen visas i figur 7.

[79] Med tanke pä de föregående analyserna av den totala kretsfórstärknin- gen kan följande slutsats dras vad gäller uppfinngens förmåga att undertrycka störningar. Det existerar ingen kompromiss mellan störningsundertryckning och god styrkänsla, ty den totala kretsförstärkningen domineras av vinkel- regulatorns förstärkning. Således medför en tillämpning av uppfinningens huvudkrav att god styrkänsla förenas med god undertryckning av störningar vilket hittills inte kunnats uppnå genom tidigare kända uppfinningar.

[80] Styrkonceptet som beskrivs i denna uppfinning är beroende av fler mätsignaler från fordonet än en traditionell assistansreglering. Detta med- for att antalet möjliga felmoder stiger när ett eller flera mätfel föreligger i mätsignalerna, eller när mätningar uteblir. Även i detta fall måste det säker- ställas att styrkonceptet förblir säkert och fordonet kontrollerbart för föraren.

[81] Ett möjligt sätt att kontrollera säkerheten i styrkonceptet är att jäm- föra styrkonceptets aktuatorassistansbegäran med den assistansbegäran som skulle erhållits av en säkerhetsassistanskurva i samma tidsögonblick. En säk- erhetsassistanskurva använder sig av färre mätsignaler än styrkonceptet som beskrivs i denna uppfinning och antalet möjliga felmoder är därmed mindre. 10 15 20 25 30 35 00 533 985 ll Det är lämpligt att utforma mätningen av signaler till assistanskurvan på ett redundant eller felsäkert sätt.

[82] Det är lämpligt att använda en assistanskurva som basassistans och endast addera regulatorassistansen till denna, som visas i figur 8. Regula- torassistansen kan dä begränsas så att momentet pâ ratten inte avviker mer än motsvarande den satta gränsen för regulatorassistansbegäran.

[83] Assistanskurvan är en förutbestämd interpolationstabell eller funktion som är vald på ett sådant sätt att den assistansbegäran som kan erhållas av respektive gräns anses leda till ett säkert framförande av fordonet.

[84] Ligger styrkonceptets assistansbegäran över den undre och under den övre gränsen skickas denna begäran till assistansaktuatorn. I annat fall be- gränsas styrkonceptets assistansbegäran.

[85] Säkerhetskonceptet som beskrivs i [82H84] kan med fördel användas även till andra typer av styrkoncept, såsom momentreferensgeneratorkon- ceptet som beskrivs i [10].

Figurbeskrivning

[86] Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande, med hänvisning till utföringsexempel som visas pà de bifogade ritningarna, som schematiskt visar signalflödet samt elementära beräkningssteg för en styrkänsleregulator enligt uppfinningen.

Figur 1. Mekanikmodellen som är grunden för blockdiagrammen.

Figur 2. Blockdiagram för styrsystem som regleras enligt assistanskurveprincipen.

Figur 3. Störöverföringsfunktionen för ett styrsysternet som regleras enligt assistansprincipen.

Figur 4. Blockdiagram för styrsystem som regleras enligt momentreferns- generatorprincipen.

Figur 5. Störöverföringsfunktionen för ett styrsystemet som regleras enligt momentreferensgeneratorprincipen.

Figur 6. Blockdiagram för ett styrsystemet som regleras enligt figur 10.

Figur 7. Störöverföringsfunktionen för ett styrsystemet som regleras enligt figur 10. 10 15 20 25 30 35 40 533 985 I2 Figur 8. Säkerhetskoncept med assistanskurva för ett styrsystem som re- gleras med en fordonstillståndsregulator och en styraktuatortillständsaktua- tor.

Figur 9. Styrsystem för fordonsstyrning.

Figur 10. Implementation av uppfinningen med enbart rattvinkeläterkop- pling.

Figur 11. Implementation av uppñnningen med fordonsstillstånd- (girvinkel- hastighet rßfmdon eller lateralacceleration ag) och rattvinkelåterkoppling. I figuren visas enbart återkoppling av lateralacceleration. Återkoppling av girvinkelhastighet sker på. motsvarande sätt.

Figur 12. Schematisk representation av beräkningen av kompenseringsmo- mentet To.

Figur 13. Exempel på friktionshysteres i friktionsmodell som funktion av styrvinkel. Modellen beskriver ett mjukt hysteresbeteende.

Figur 14. Exempel på däicksrelaxation som funktion av däckrullningslängd.

Figur 15. Exempel på styrsystemsfriktionsmoment som funktion av styrvinkel.

Modellen beskriver ett mjukt hysteresbeteende.

Figur 16. Exempel på dämpningsmoment som funktion av dämpmoment.

Figur 17. Exempel på rattåtergängsmoment som funktion av styrvinkel.

Figur 18. Exempel på lateralacceleratíonsbegäran som funktion av lateralac- celerationsmoment.

Beskrivning av utföringsexempel

[87] Styrsystemet (100), enligt figur 1, omfattar ett styrrack (124) med till- hörande styrstag (125) som är kopplade till fordonets styrda hjul (127).

Fordonets ratt (120) är kopplad till racket genom styrkolonnen (121). I styrkolonnen finns en momentstav (128) med rnomentsensor fór mätning av förarens pàlagda styrmoment. Assistansmomentet ges av en motor (115) som regleras av ett reglersystem (110). Regleralgoritmen för styrkänslereglerin- gen fungerar på följande sätt. Förarens pålagda styrmoment TC mäts med hjälp av momentgivaren. För att beräkna det moment T; som anses vara det 10 15 20 25 30 35 533 985 lå moment som svarar mot förarens avsedda lateralacceleration dras momentet To bort från det uppmätta momentet TC. Momentet TO innehåller olika momentbidrag som anses vara nödvändiga för att uppnå en bra styrkänsla för fordonet, såsom frictionsmoment Tfn-c, dämpningsrnomentet Tdamp, rat- tåtergångsmomentet TM och hjulmomentet Thju; som svara mot styrkänsla vid till exempel rangering och parkering.

[88] Det momentbidraget som anses svara mot förarens begäran för lateralac- celeration utvärderas av funktion eller en interpolationstabell så att förarens eftersträvade lateralacceleration erhålles. Denna lateralacceleration används av en fordonsmodell för att beräkna den styrvinkel 6,- som krävs för att uppnå denna lateralacceleration. Styrvinkel 6,- är börvärdet för en styrvinkelregula- tor som reglerar motorns assistansmoment på ett sådant sätt att felet mel- lan börstyrvinkel 6,- och den faktiska styrvinkeln 64 blir så litet som möjligt.

Denna implementation av uppfinningen svarar mot [69].

[89] lmplementationen av uppfinningen enligt figur 10 kan utökas genom yt- terligare en återkoppling så att de nämnda fördelarnai [69] kan uppnås utöver de egenskaper som nämns i [68]. Båda implementeringar ger fördelarna som nämns i [70]. Detta visas i figur 11 genom införandet av återkopplingen av ett fordonstillstånd. Detta tillstånd kan exempelvis vara girvinkelhastighet eller lateralacceleration ay, som visad i figuren.

Beräkning av förarens begäran av gir- och Iateralfordonstillstånd

[90] Då ett fordon framförs är styrkänsla en viktig egenskap. Styrkänsla består av två delar: momentuppbyggnad i styrmomentet och fordonsrespons.

Momentuppbygnaden ges av fordonets, styrsystemets och assistansuppbyg- gnadens egenskaper, och fordonsresponsen primärt av fordonets egenskaper.

Responsen kan påverkas något av momentuppbyggnaden via styrsystemets flexibilitet på så sått att ett större styrmoment ger en större uppvridning av styrsystemet och därmed en lägre respons och vice versa.

[91] Gir- och 1ateralfordonstillståndsmomentet, Ill, det vill säga kopplingen mellan styrmomentet och gir- och lateralfordonstillstånden är den viktigaste kopplingen för god styrkånsla. För att entydingt kunna göra denna kopplin- gen, behöver det uppmätt styrmomentet kompenseras enligt nedan, se även figur 12.

Ti=Tc“To (1) där kompensationsmomentet är 10 15 20 25 30 35 533 985 To ï TuIt + Tflïs + + Tsa och momentbidragen kan beskrivas som (2) o Däcksfriktionsrnoment, TM, det vill säga ett styrmomentbidrag som funktion av hjulvinkel, hjulvinkelhistorik, fordonsposition och -hastighet.

Detta bidrag är endast av betydelse vid låg fordonshastíghet eftersom däckskontakten ändras snabbare än uppvridningen av däcket vid högre hastigheter. o Styrsystemsfriktionsrnoment, TM, det vill säga ett styrmomentbidrag som funktion av styrvinkel och styrvinkelhistorik. Styrsystemet be- höver ha en viss friktion för att föraren ska kunna vila sig mot denna så. att inte hela styrmomentet behöver ges av föraren. Det behövs också en viss hysteres för att bilen inte ska upplevas som "vinglig" eller "orolig". o Dämpningsmoment, Td, det vill säga ett styrmomentbidrag som funk- tion av styrvinkelhastighet och styrmoment. Dämpningen ger en viktig dämpning av styrvinkeln och därmed fordonsresponsen. o Rattåtergångsmoment, TM, det vill säga ett styrmomentsbidrag som funktion av styrvinkel. Detta bidrag gör att ratten gar tillbaka till rakt framátläge även vid så. låga hastigheter att man inte har någon gir- och lateralfordonstillståndsåtekoppling.

[92] Enligt uppfinningen behandlas dessa bidrag på följande sätt.

Däcksfriktionsmoment

[93] Däcksfriktionsmomentet har två. delar. En del som bygger upp moment vid styrvinkel ändring och en del som genom relaxation minskar styrmo- mentet då fordonet rör sig. Styrvinkelberoendet byggs exempelvis upp av en borstmodell, se Svendenius [Sve07]. En sådan hysteresmodell är exempli- fierad i ñgur 13.

[94] Däcksrelaxationen beskrivs exempelvis av en halveringsrullningslängd för däcket, på motsvarande sätt som avklingningen på grund av halveringsti- den fór en radioaktiv isotop. En sådan relaxationsmodell är exemplifierad i figur 14.

Styrsystemsfriktionsmoment

[95] Styrsystemsfriktionsmomentet bygger upp moment vid styrvinkelän- dring. Styrvinkelberoendet byggs exempelvis upp av en borstmodell, se Svendenius [Sve07]. En sådan hysteresmodell är exernplifierad i figur 15. 10 15 20 25 30 533 985 15 Dämpningsmoment

[96] Dämpningen bör vara en funktion som har olika dämpning utåt respek- tive inåt, kring körning rakt fram och vid kurvkörning. Ett exempel på. detta ges av de två delarna dämpmoment, TDC, och dämpningsbegränsning, TD.

Dämpningsbegränsningen behövs för att det inte ska bli för tungt vid höga rattvinkelhastigheter och kan utföras enligt av följande samband, se även figur 16.

TD = f(TDo) Rattåtergångsmoment

[97] Rattåtergångsmomentet bygger upp moment vid styrvinkeländring. Rat- tåtergångsmomentet kan vara en interpolationstabell eller en mjuk funktion såsom i figur 17.

Kopplingen till gir- och lateralfordonstillstàndsmoment

[98] Ett utföringsexempel på detta är att definiera ett samband mellan kvasis- tatisk lateralacceleration och lateralaccelerationsmoment, se vidare figur 18. än = fm) (4)

[99] Således skapas det en tolkning mellan uppmätt styrmoment och, i detta utföringsexempel, begärd lateralacceleration.

Vägfriktionsâterkoppling

[100] För att tolka styrrnomentet korrekt vid halt väglag kompenseras ut- trycket i 4 dels med avseende på att responsen mättas då friktionen inte längre räcker till, dels med avseende på. att framdåckens sidkrafts hävarm minskar då friktionen inte längre räcker till. Dessa typer av kompensationer kan åstadkommas med hjälp av att jämföra mätningar av fordonstillstånd med fordonsmodellens tillstånd.

Styrvinkelbegäran

[101] Den begärda lateralaccelerationen kan via en fordonsmodell tolkas till en begärd styrvinkel. Se vidare figur 10, figur ll och avsnitt "Fordons- modell". Notera här att styrvinkel är ekvivalent med en styrracksposition via pinjongens radie och måste således betraktas som allmängiltig för alla delar som är mekaniskt kopplade till ratten och/eller hjulen. Uppfinnin- gen är således relevant för styrmomentassistans såsom EPS (Electric Power Steering) eller EPAS (Electric Power Assisted Steering), momentassistans i kombination med styrresponsassistans såsom AFS (Active Front Steering) 10 15 20 25 30 533 985 lb där en deltavinkel adderas någonstans mellan ratten och hjulen så att föraren får styrvinkelhjälp samt helt isärkoppling mellan ratt och hjul, SbW (Steer by Wire).

Styrning av fordon och styraktuatorer

[102] Ett fordon kan styras på många olika sätt. Det traditionella är med hjälp av att framhjulen vrids en vinkel ut frän fordonets zz-plan. I detta fall är styraktuatortillståndet hjulvinkeln. Eftersom hjulen traditionellt styrs mekaniskt från ratten, via utväxlingar och länkage, kan styraktuatortillstån- det mätas var som helst mellan ratt och hjul. Andra möjliga sätt att styra ett fordon är med hjälp av bakhjulsstyrning, individuell styrning av hjulen, bromsning av olika axlar, bromsning av individuella hjul, framdrivning på. olika axlar, framdrivning på individuella hjul, ändring av axlars camber- vinkel, ändring av individuella hjuls camber-vinkel, samt kombinationer av dessa. De traditionella styraaktuatortillstånden är då. bakhjulsstyrvinkel, in- dividuell styrvinkel pà hjulen, axelbromsmoment eller -kraft, hjulbromsmo- ment eller -kraft, framdrivningsmoment eller -kraft på, olika axlar, framdrivn- ingsmoment eller -kraft på. individuella hjul, camber-vinkel på respektive axel, camber-vinkel på respektive hjul. Styraktuatorer är aktuatorer som kan användas för att påverka en eller flera av dessa styraktuatortillstànd.

Styrning av fordonet kan åstadkommas genom en samreglering av flera ak- tuatorer. Detta görs lämpligen så. att de aktuatorer som är i någon mening mest lämpade används. Val av aktuator eller kombination av aktuatorer görs med hjälp av exempelvis viktsfunktioner.

Styrvinkelregulator [103| Styraktuatortillstàndsregulatorn är till för att reglera en styraktua- tor till önskat tillstànd. I det här fallet är styraktuatortillständsregulatorn en styrvinkelregulator. Styrvinkelregulatorn i figur 10 och figur 11 har till uppgift att reglera aktuatorns assistanskraft eller -moment på ett sådant sätt att felet mellan önskad och uppmätt styr- eller hjulvinkel minimeras. Regu- latorn kan vara av så. kallad PID-typ eller tillständsregulator. Beräkningsme- toden för aktuatorassistans for PID-regulatorn exemplifieras med ekvationen nedan.

Twi = KP - (än, - ä) + H1 - feta, - hd: + KD - (in, - å) (ö) 10 15 20 25 30 533 985 I? Fordonstillstå ndsregulator

[104] Fordonstillständsregulatorn, enligt figur 8, har till uppgift att minimera felet mellan begärt fordonstillstànd, såsom lateralacceleration eller girvinkel- hastighet, och uppmätt fordonstillständ. Det betyder att fordonet kommer att regleras mot begärt fordonstillständ. Eftersom fordonstillstàndsregula- torn ingår i en kaskadregulators yttre loop med en styrvinkelregulator i en inre loop, kommer fordonstillsändet regleras med hjälp av en styrvinkel.

[105] Fordonets överföringsfunktion mellan lateralacceleration eller girvinkel- hastighet och styrvinkel visar ett starkt hastighetsberoende beteende ([Wa196]), vilket gör att en modelbaserad regulator som automatiskt anpassar sig till fordonets aktuella förstärkning och dynamik är ett lämpligt regulatorval.

[106] Ett rimligt antagande för överföringsfunktionen mellan styrvinkelbegäran och lateralacceleration eller girvinkelhastighet är att denna överföringsfunk- tion domineras av fordonets dynamik och dess stationära förstärkning. Detta antagande kan motiveras med att styrsystemets dynamik i vanliga fall är my- cket snabbare än fordonets och därmed har underordnad betydelse för den nämnda överiöringsfunktionen. Om fordonets verkliga överföringsfunktion mellan lateralacceleration eller girvinkehastighet och styr- eller hjulvinkel kallas G och fordonsmodellens motsvarighet kallas G0 kan IMC-regulatorn tecknas enligt nedan. Riegulatorpararnetern 'r är IMC-regulatorns tidkon- stant. 1 1/(27) 1 GIMC - E: _:- -_'_'-_ (5)

[107] I just detta fall kan en IMC-regulator även uttryckas som en PID- regulator med approximativ D-del, där regulatorparametrarna K p, K 1 och K D anpassas dynamiskt efter den rådande arbetspunkten.

Fordonsmodell [108| För att erhålla korrekt styrkänsla behövs en styrmodell eller fordon- smodell. En fordonsmodell användning visas i bland annat figur 10 och figur 11. En lämplig fordonsmodell for detta ändamål är en cykelmodell, se vidare Wallentowitz [Wal96]. För det kvasi-statiska fallet (dä giracceleratio- nen är noll) är: åiv, ¿=L+%(@%~å)@2 (7) och äy :Ibvz 10 15 533 985 IS

[109] De dynamiska kompenseringarna kan fås ur Wallentowitz [Wal96]. (9) 12» = - f (fordonsparametrar) och åy = äy - f (fordonsparametrar) (10)

[110] Uppfinningen ska inte begränsas till dessa utfóringsexempel utan kan användas till alla typer av farkoster.

[111] Uppfinningen ska heller inte begränsas till utföringar med styrrack, utan kan användas till alla typer av styrsystem, såsom exempelvis system med Pitmanarm.

Notation Följande notation används för olika typer av variabler: :ïc sensorsignal fór a: zï: signal :c från en kvasistatisk modell i: signal :c från en dynamisk modell Följande överföringsfunktioner används: Gm överfóringsfunction från rattmoment Td till styrvinkel 6 Gym Överfóringsfunction från torsionsstavsmoment TC till raßkvinkel 6,, GMC överföringsfunction från rattvinkel 6 till fordonets lateralacceleration av Följande notation används: 533 985 I? styrvinkel pinjongvinkel fordonets girhastighet fordonets giracceleration avstånd mellan framaxel och tyngdpunkt avstånd mellan bakaxel och tyngdpunkt torsionsstavens styvhet framaxelns kurvsidostyvhet bakaxelns kurvsidostyvhet K SM servoactuatorns förstärkningskoefficient K 30 assistanskurvans linjariserade förstärkníngskoefiicient K w momentreferensgeneratorns linjariserade forstärkningskoefficient K Mg vinkelreferensgeneratorns lin jariserade förstärkningskoefficient Ka vinkelreferensgeneratorns proportionella förstärkningskoefficient K ¿ momentreferensgeneratorns proportionella fórstärkningskoefficient L m Un: 93 n o-1:$,g_§=<>= axelavstånd, zle. L = a + b fordonets massa longitudinell fordonshastighet vy laterell fordonshastighet ay laterell fordonsacceleration 71 gir- och lateralfordonstillståndsmoment TC mätt styrmoment TO kompensationsmoment TM däcksfriktionsmoment T,,_, styrsystemsfriktionsmoment TD dämpningsmoment T 4 Förarmoment T” rattåtergångsmoment Tu, hjulmomentet z longitudinell riktning y laterell riktning z riktning vinkelrät mot :c och y References [Sve07] Jacob Svendenius. Tire modeling and Friction Estimation. PhD thesis, Department of Automatic Control, Lund University, Sweden, apr 2007. ISRN LUTFD2/TFRT--1077--SE.

[Wal96} Henning Wallentowitz. Vertikal-/Querdynamik von Kraftfahlzeugen. Forschungsgesellshaft Kraftfahrwesen Aachen mbH, Aachen, 1996.

Claims (24)

10 15 20 25 30 35 40 533 985 20 Patentkrav

1. Metod för styrning av en eller flera styraktuatorer (115) ingående i ett styrsystem (100) till ett fordon innefattande följande metodsteg: - uppmätande av åtminstone en insignal med hjälp av en sensor (128) och - fastställande av ett matt på ett av föraren via en ratt (120) pålagt mo- ment ur nämnda insignal, kännetecknad av att nämnda mått på ett av föraren via en ratt (120) pâlagt moment transformeras via en funktion beskrivande momentuppbyggnad i styrmomentet och fordonsrespons till ett önskat gir- och/eller lateralfordonstillstånd varvid nämnda ön- skade gir- och/eller lateralfordonstillstånd används som insignal i en regulator (140) för nämnda styming av en eller flera styraktuatorer för att uppnå ett önskat assistansmoment.

2. Metod enligt krav 1 kännetecknad av att önskat gir- och/eller lateralfor- donstillstànd fastställs ur nämnda matt på. ett av föraren via en ratt ( 120) pålagt moment korrigerat med ett kompensationsmoment.

3. Metod enligt krav 2 kännetecknad av att kompensationsmomentet in- nefattar en eller flera av följande momentbidrag: styrsystemsfriktionsmo- ment, däcksfriktionsmoment, dämpningsmoment och rattåtergångsmoment.

4. Metod enligt krav 2 eller 3 kännetecknad av att kompensationsmomentet är en funktion av en eller flera av följande variabler: styrvinkeln, styrvinkel- hastighet och/ eller styrvinkelacceleration.

5. Metod enligt krav 1-4 kännetecknad av att önskat gir- och/eller lateral- fordonstillstånd transformeras via en fordonsmodell till ett eller flera styrak- tuatortillstând.

6. Metod enligt krav 5 kännetecknad av att fordonsmodellen är en kvasis- tatisk eller dynamisk styrmodell.

7. Metod enligt krav 5 eller 6, kännetecknad av att det eller de önskade styraktuatortillstandet/n omsatts genom en styraktuatortillstandsregulator till aktuatorkrafter, -mornent, -positionen -hastigheter eller -accelerationer så att felet mellan det eller de önskade styrtillstândet/n och det eller de fak- tiska styrtillståndet / n minimeras.

8. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ett gir- och/eller lateralfordonstillstàndsfel bildas av skillnaden mellan önskat gir- och / eller lateralfordonstillstånd och uppmätt och /eller estimerat gir- och / eller 10 15 20 30 35 10 533 985 2! lateralfordonstillstånd.

9. Metod enligt krav 8, kännetecknad av att ett gir- och/eller lateralfordon- stillståndsfel omsätts genom en fordonsregulator till ett eller fiera önskade styraktuatortillstånd.

10. Metod enligt krav 7-9, kännetecknad av att aktuatorkrafterna, -momenten, -positionerna, -hastigheterna och /eller -accelerationerna begränsas av en max- imal avvikelse från en assistanskurva.

11. Metod enligt krav 10 kännetecknad av att assistanskurvan är imple- menterad i form av en funktion eller en interpolationstabell.

12. Metod enligt krav 10 eller 11 kännetecknad av att när regulatorbegärans- begränsning pågått under ett tidsintervall överstigande ett första gränsvärde och/eller en avvikelse mellan regulatorbegäran och begränsningarna över- stiger ett andra gränsvärde och/eller en viktad produkt och/eller integralen av en eller fiera av nämnda avvikelse överstiger ett tredje gränsvärde min- skas den maximala avvikelsen så. att regulatorbegäran blir degraderad viss tid eller resterande del av körcykeln eller till ett fel har korrígerats.

13. Styrsystem (100) till ett fordon innefattande en eller fiera styraktuatorer (115), åtminstone en sensor (128) för uppmätande av åtminstone en insignal vilken utgör av ett mått på ett av föraren via en ratt (120) palagt moment ur nämnda insignal, kännetecknad av att styrsystemet innefattar ett funk- tionsblock i vilket nämnda mått på ett av föraren via en ratt (120) pålagt moment transforrneras till ett önskat gir- och/eller lateralfordonstillständ och att styrsystemet innefattar en regulator (140) där nämnda önska/de gir- och/ eller lateralfordonstillständ används som insignal för nämnda styrning av en eller flera styraktuatorer.

14. Styrsystem enligt krav 13, kännetecknat av att önskat gir- och/eller lat- eralfordonstillstånd fastställs ur nämnda mått på. ett av föraren via en ratt (120) pälagt moment korrigerat med ett kompensationsmoment.

15. Styrsystem enligt krav 14 kännetecknat av att kompensationsmomentet innefattar en eller fiera av följande momentbidrag: styrsystemsfriktionsmo- ment, däcksfriktionsmoment, dämpningsmoment och rattätergängsmoment.

16. Styrsystem enligt krav 14 eller 15, kännetecknat av att kompensations- momentet är en funktion av en eller fiera av följande variabler: styrvinkeln, styrvinkelhastighet och/ eller styrvinkelacceleration. 10 IB 20 25 30 35 533 985 22

17. Styrsystem enligt krav 13 - 16 kännetecknat av att önskat gir- och/ eller lateralfordonstillstånd transformeras via en fordonsmodell till ett eller Hera styraktuatortillstànd.

18. Styrsystem enligt krav 17, kännetecknat av att fordonsmodellen är en kvasistatisk eller dynamisk styrmodell.

19. Styrsystem enligt krav 17 eller 18, kännetecknat av att det eller de ön- skade styraktuatortillståndet /n omsätts genom en styraktuatortillstàndsreg- ulator till aktuatorkrafter, -moment, -positioner, -hastigheter eller -accelerationer så, att felet mellan det eller de önskade styrtillstàndet /n och det eller de fak- tiska styrtillståndet/n minimeras.

20. Styrsystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att ett gir- och/eller lateralfordonstillstàndsfel bildas av skillnaden mellan önskat gir- och/eller lateralfordonstillstând och uppmätt och/eller estimerat gir- och/eller lateralfordonstillstånd.

21. Styrsystem enligt krav 20, kännetecknat av att ett gir- och/eller later- alfordonstillståndsfel omsätts genom en fordonsregulator till ett eller flera önskade styraktuatortillstånd.

22. Styrsystem enligt krav 19-21, kännetecknat av att aktuatorkrafterna, - momenten, -positionerna, -hastigheterna och / eller -accelerationerna begrän- sas av en maximal avvikelse fràn en assistanskurva.

23. Styrsystem enligt krav 22, kännetecknat av att assistanskurvan är im- plementerad i form av en funktion eller en interpolationstabell.

24. Styrsystem enligt krav 22 eller 23, kännetecknat av att när regulator- begäransbegränsning pågått under ett tidsintervall överstigande ett första gränsvärde och/ eller en avvikelse mellan regulatorbegäran och begränsningarna överstiger ett andra gränsvärde och /eller en viktad produkt och/ eller inte- gralen av en eller flera av nämnda avvikelse överstiger ett tredje gränsvärde minskas den maximala avvikelsen så att regulatorbegäran blir degraderad viss tid eller resterande del av körcykeln eller till ett fel har korrigerats.