WO2024170262A1 - Verfahren zur ansteuerung eines elektromotors eines lenksystems eines fahrzeugs, und steer-by-wire-lenkung - Google Patents

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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
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    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures

Definitions

  • the present invention relates to the field of controlling electric motors for steering systems of vehicles, in particular rear axle steering systems with steer-by-wire technology.
  • Permanent magnet synchronous machines also called PSM, are used on board a motor vehicle for various purposes, e.g. for steering power assistance.
  • electromechanical actuators When braking, electromechanical actuators can generate an energy flow (feedback current) back into the supply network (recuperation) due to the kinetic energy stored in the mechanics.
  • the level of this energy flow is often limited in automotive applications in order not to overload the supply network.
  • One known solution is the use of additional electronics such as installing braking resistors. These require additional installation space and lead to more weight in the system.
  • a limitation of the actuator dynamics can also be provided, which can lead to an undesirable limitation of the performance of the overall system.
  • a q-current is used to build up the torque of the electric motor, and a d-current as a predetermined d-current is zero in control operation.
  • a negative d-current is supplied as a field weakening component in addition to the specified d-current. If the electric motor is braked, the level of regenerative current flowing into the vehicle's power grid is recorded. If a specified limit value of the regenerative current is reached or exceeded, the field weakening component is increased by supplying the field-oriented control with an additional negative d-current to limit the regenerative current to the specified limit value.
  • the level of the negative d-current for limiting the feedback current is adjusted using a proportional control so that feedback currents in the supply network are limited to the specified limit value.
  • the feedback current can thus be limited in a simple manner.
  • the level of the negative d-current is adjusted to limit the regenerative current using a controller that regulates regenerative currents in the supply network to the specified limit value.
  • the regenerative current can thus be limited to the desired setpoint.
  • an additional limitation against overcurrent and positive d-currents is provided. This means that components that drive the electric motor can be protected from excessive currents.
  • a computer program which is designed to carry out individual or all steps of the method by means of program code on a computing unit which is part of an electronic control device. Furthermore, a machine-readable storage medium is proposed on which the computer program is stored.
  • a control device which is in signal connection with a supply network of a steering system of a vehicle and an electric motor for driving the steering system, and which is designed to carry out the method for controlling the electric motor.
  • a control device also called a control unit
  • the control unit can be understood here as an electrical device that processes sensor signals and outputs control and/or data signals depending on them.
  • the control unit can have an interface that can be designed as hardware and/or software.
  • the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the control unit.
  • the interfaces can be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components.
  • the interfaces can be software modules that are present on a microcontroller alongside other software modules, for example.
  • a drive system for a steering system of a vehicle comprising a supply network and an electric motor that can be supplied with electrical energy by the supply network for controlling a steering rod of the steering system, wherein the drive system further comprises a control device for controlling the electric motor.
  • the supply network is a power supply network with voltages of less than 1000V.
  • a steer-by-wire steering system is a mostly electromechanical unit that is decoupled from a mechanical steering handle, e.g. a steering wheel. Based on steering signals and one or more parameters such as Vehicle speed, steering wheel angle, current steering angles on the front and/or rear axle, yaw acceleration and/or lateral acceleration of the vehicle, etc., steering signals are generated in a control unit.
  • the steering movement is carried out by means of at least one actuator of the steer-by-wire steering, which receives steering signals from the control unit.
  • a spindle or steering rod can be axially displaced in the actuator by means of a spindle drive, which is directly or indirectly coupled to the wheel carrier in an articulated manner.
  • Figure 1 shows schematically a control of an electric motor according to the state of the art.
  • Figure 2 shows schematically a control of an electric motor according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows time diagrams of different control parameters of an electric motor as a comparison of two operating point strategies.
  • Figure 4 shows a schematic plan view of a rear axle of a vehicle.
  • a PSM is a rotating field machine with a permanent magnet arranged on or in the rotor.
  • the at least one stator comprises windings of three or more phases and is formed from the phases distributed at an angle of 120 degrees.
  • the coils of the phases are distributed on a circumference around an axis of rotation, relative to which the rotor is mounted so that it can rotate with respect to the stator.
  • the state variables of the PSM can be represented in the three-coordinate system (U, V, W).
  • the state variables of the PSM are transformed into a coordinate system (d, q) that rotates with the rotor, with the d-axis being directed in the same direction as the permanent flux of the rotor.
  • the so-called a, ß system is the fixed two-coordinate system of the stator.
  • FOR field-oriented control
  • a total target current that should flow through the PSM is determined with respect to a rotor (flux) fixed d, q coordinate system, so that some control or regulation processes are easier to carry out and some calculations are simplified.
  • Input variables of the field-oriented control are the d and q currents Idset, Iqset, Idqmeas as well as the angle of rotation 0 and angular velocity w (speed) of the electric motor 29, as shown in Figure 1.
  • the Iqset is a fixed input current (q component) which is obtained as follows.
  • a predetermined position POSset e.g. due to a steering request
  • a measured position POSmeas of the electric motor 29 are recorded and processed.
  • the output signal is a fixed speed n_set for the electric motor 29.
  • the current input variables Idset, Iqset, Idqmeas (measured d and q current), angle of rotation 0 and angular velocity w are processed so that the voltage values Lid, llq (d and q components) result.
  • These are processed together with the angle of rotation 0 in a converter 300, in particular converted into three-phase alternating variables Uabc and passed on to a power electronics 400 as an input signal, which is supplied with the supply voltage Usupply and controls the electric motor 29, which then implements the steering with the angle of rotation 0 and the angular velocity w (speed) as specified.
  • the FOR runs on one (or more) processing devices, which preferably comprise at least one programmable microcomputer.
  • electromechanical actuators generate an energy flow (feedback current) back into the supply network (recuperation) when braking due to the kinetic energy stored in the mechanics.
  • the level of this energy flow is often limited in automotive applications in order not to overload the supply network. For example, it may be required that only very little or no feed-back into the battery is permitted. This requirement represents an additional boundary condition in the design of the mechatronic system, in particular the control (regulation) of the electric motor 29, and must be observed accordingly. This can result in limitations in terms of performance or increased system costs due to additional electronics such as an installation of braking resistors. It may also be necessary to limit the actuator dynamics, i.e. a slower approach to a given position so that the system brakes over a longer period of time and thus lower regenerative currents are generated. However, this leads to an undesirable limitation of the performance of the overall system.
  • the aim of the invention is to reduce the amount of energy generated by a generator (by braking the electric motor 29) in order to limit a return flow into the vehicle's supply network. Energy is destroyed directly in the electric motor 29, i.e. converted into heat.
  • an additional, negative d-current Id is passed to the FOR.
  • This additional negative d-current Id is obtained as follows.
  • the supply current Isupply (Ibat in Figure 3) of the energy storage device (battery or accumulator) of the vehicle is obtained, for example, from a measurement or an estimate from internally available variables such as supply voltage Usupply, output voltage Udq, input current Idq (block 500).
  • This current supply current Isupply is then processed in such a way that it is detected whether the current supply current Isupply is a feedback current that feeds energy (current) back into the supply network. If this is the case, it is further determined whether the regenerative current reaches or exceeds a specified limit value. If this is the case, in particular if the regenerative current exceeds the limit value (target current), an additional negative d-current Id is determined as a measure using a control strategy 600 and passed on to the FOR. The additional negative d-current Id is selected so that the regenerative current falls below the limit value (target current) again. The additional d-current is therefore also a Field weakening current to increase the field weakening, creating a new dependency to limit the recuperation current.
  • the control strategy 600 for transferring the additional negative d-current Id to the FOR can be implemented as a proportional control (also referred to as proportional control) or as a closed-loop control.
  • a value is determined for the negative current Id to be transferred to the FOR, which influences the regenerative current generated due to braking in such a way that it no longer exceeds the specified limit value (setpoint current).
  • the regenerative currents are regulated to the required minimum limit value (setpoint current), i.e. dynamically adjusted depending on the regenerative current.
  • the control can be designed in different ways and can use, for example, a PID (proportional-integral-derivative controller).
  • Figure 3 shows diagrams that compare two operating point strategies. Shown are speed n_motor (speed [rpm], top diagram), torque T_motor (Torque [Nm], second diagram from the top), currents Id (Currents [A], second diagram from the bottom) and current in the energy storage Ibat (Battery Current [A], bottom diagram, corresponds to Isupply in Figures 1 and 2) over time (Time [s]).
  • the operating scenario is braking the electric motor 29 with connected moment of inertia of 2000rpm to standstill, as shown in the top diagram.
  • the dashed line (labeled "Standard” in the diagrams) shows the values when the method is carried out according to the state of the art with field weakening operation, but without additional negative d-current Id.
  • an increased negative d-current is set in the electric motor 29 during braking, as shown in the second diagram from the bottom (Iq is unchanged, the lines are more or less on top of each other).
  • the additional negative d-current causes increased current heat losses (according to R (resistance) x I 2 ) in the electric motor 29, as shown in the bottom diagram.
  • the additional losses mean that less mechanical energy has to be fed back into the supply network during braking. With a constant voltage in the energy storage device, the negative regenerative current that occurs can be reduced.
  • the supply network is a voltage network of up to 1000 V, e.g. 12V, 24V, 48V, 230V, 400V, 600V, 650V, 800V.
  • the electric motor 29 serves as a drive machine for a steering system, in particular a steer-by-wire steering system. All common electric motors 29 for steering systems can be used as electric motors 29, including so-called high-cogging motors, i.e. electric motors with a high cogging torque.
  • the method can be used particularly effectively in systems that operate at low voltage, e.g. 12V, and high currents, e.g. in the range of 100A, as is often the case with steering systems.
  • the method is implemented in a steering system of a vehicle, wherein the steering system is in particular a steer-by-wire steering system, wherein the axle can be either a front or a rear axle or an axle located between the front and rear axles of a motor vehicle.
  • the steering can be for a Motor vehicle intended, for example, for the transport of persons and, additionally or alternatively, objects.
  • a vehicle axle is shown, here shown as a rear axle (in plan view) with a subframe 2, which is attached to a vehicle body or forms this and is connected to the body of a motor vehicle.
  • the invention is not limited to steering a rear axle.
  • the wheels 5 and 6 are articulated to the subframe 2 by means of links 3, 4 as part of a wheel suspension.
  • An actuator 10 of a steer-by-wire steering 12 is arranged on the subframe 2.
  • the actuator 10 is attached to the subframe 2 with its housing 22.
  • the actuator 10 has a continuous steering rod 24, which is guided through the housing 22 of the actuator 10.
  • the drive motor in the form of an electric motor 29 is arranged axially parallel to the steering rod 24, but can also be designed in another way, e.g. as a hollow shaft motor.
  • Tie rods 23, 25 are articulated at the ends of the steering rod 24, which are each articulated to a wheel carrier 7 of the wheels 5 and 6 at the end facing away from the actuator 10.
  • the axial displacement of the steering rod 24 occurs due to a rotation / translation converter, which is shown, for example, as a motion thread of a spindle drive. It is obvious that an axial displacement, i.e.
  • a displacement of the steering rod 24 along the longitudinal axis in one direction or the other changes the wheel steering angle 8, 9 because the tie rods 23, 25 represent a positive connection between the wheel 5, 6 or wheel carrier 7 and the actuator 10.
  • the actuator 10 is a device that enables the steering 12 to be operated.
  • the spindle nut is set in rotation about the longitudinal axis (preferably without slip).
  • the steering rod 24 is linearly displaced in one direction or the other along the longitudinal axis depending on the direction of rotation of the electric motor 29.
  • a steer-by-wire steering system has a steering rod 24 and a transmission that is operatively connected to the electric motor 29 and, in a known manner, converts the rotational force output by the electric motor 29 into a translational force by means of a toothed belt drive or spindle drive to the steering rod 24 and thus to the wheels 5, 6 to change the wheel steering angle 8, 9.
  • the electric motor 29 has a stator (not shown) and a rotor (not shown).
  • the electric motor 29 is controlled (regulated) by one or more control devices that are in signal connection with a supply network of a steering system of a vehicle and an electric motor for driving the steering system.
  • a control device is a computing unit which is designed to receive signals such as voltage signals, position signals from sensor units and other components of the drive system or the motor vehicle and to process them in such a way that a signal is output with which a component, in particular an electric motor 29, can be controlled to control a steering system such as a steer-by-wire steering system.
  • Subframe vehicle body, 4 links, 6 wheels

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Lenksystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Steer-by-wire-Lenksystems, wobei die Ansteuerung des Elektromotors mittels einer feldorientierten Regelung erfolgt. Dabei wird ein q-Strom zum Aufbau des Drehmoments des Elektromotors verwendet, und ein d-Strom als vorgegebener d-Strom ist im Regelbetrieb Null. Im Falle eines Feldschwächebetriebs der feldorientierten Regelung wird ein negativer d-Strom als Feldschwächungsanteil zusätzlich zum vorgegebenen d-Strom zugeführt. Im Falle eines Abbremsens des Elektromotors erfolgt eine Erfassung, in welcher Höhe ein Rückspeisestrom in das Versorgungsnetz des Fahrzeugs fließt. Im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert des Rückspeisestroms erreicht oder überschritten wird, wird der Feldschwächungsanteil erhöht, indem der feldorientierten Regelung ein zusätzlicher negativer d-Strom zur Begrenzung des Rückspeisestroms auf den vorgegebenen Grenzwert zugeführt wird.

Description

Verfahren zur Ansteuerunq eines Elektromotors eines Lenksystems eines
Fahrzeugs, und Steer-by-Wire-Lenkunq
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Ansteuerung von Elektromotoren für Lenksysteme von Fahrzeugen, insbesondere der Hinterachslenkungen mit Steer-by- Wire-Technologie.
Permanent(magnet)erregte Synchronmaschinen, auch PSM genannt, werden z.B. an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet, z.B. zur Lenkkraftunterstützung.
Elektromechanische Stellantriebe können beim Abbremsen aufgrund der in der Mechanik gespeicherten kinetischen Energie einen Energiefluss (Rückspeisestrom) zurück in das Versorgungsnetz (Rekuperation) erzeugen. Die Höhe dieses Energieflusses ist in automobilen Anwendungen oftmals begrenzt, um das Versorgungsnetz nicht zu überlasten. Als Lösung ist bereits die Verwendung von zusätzlicher Elektronik wie einen Einbau von Bremswiderständen bekannt. Diese benötigen zusätzlichen Bauraum und führen zu mehr Gewicht im System. Auch kann eine Limitierung der Stellerdynamik vorgesehen sein, was zu einer unerwünschten Limitierung der Performance des Gesamtsystems führen kann.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Lenksystems eines Fahrzeugs, bereitzustellen, das die zuvor beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Lenksystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Steer-by-wire-Lenksystems, wobei die Ansteuerung des Elektromotors mittels einer feldorientierten Regelung erfolgt. Dabei wird ein q-Strom zum Aufbau des Drehmoments des Elektromotors verwendet, und ein d-Strom als vorgegebener d-Strom ist im Regelbetrieb Null. Im Falle eines Feldschwächebetriebs der feldorientierten Regelung wird ein negativer d-Strom als Feldschwächungsanteil zusätzlich zum vorgegebenen d-Strom zugeführt. Im Falle eines Abbremsens des Elektromotors erfolgt eine Erfassung, in welcher Höhe ein Rückspeisestrom in das Versorgungsnetz des Fahrzeugs fließt. Im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert des Rückspeisestroms erreicht oder überschritten wird, wird der Feldschwächungsanteil erhöht, indem der feldorientierten Regelung ein zusätzlicher negativer d-Strom zur Begrenzung des Rückspeisestroms auf den vorgegebenen Grenzwert zugeführt wird.
Durch das vorgeschlagene Verfahren kann unerwünschter Rückspeisestrom direkt im Elektromotor teilweise oder ganz vernichtet werden, indem er aufgrund des zusätzlichen negativen d-Stroms in Wärme umgewandelt wird.
In einer Ausführung wird die Höhe des negativen d-Stroms zur Begrenzung des Rückspeisestroms derart mittels einer proportionalen Steuerung angepasst, dass Rückspeiseströme in das Versorgungsnetz auf den vorgegebenen Grenzwert begrenzt werden. Somit kann der Rückspeisestrom in einfacher Weise begrenzt werden.
In einer Ausführung wird die Höhe des negativen d-Stroms zur Begrenzung des Rückspeisestroms mittels eines Reglers angepasst, der Rückspeiseströme in das Versorgungsnetz auf den vorgegebenen Grenzwert regelt. Somit kann der Rückspeisestrom auf den gewünschten Sollwert begrenzt werden.
In einer Ausführung ist eine zusätzliche Begrenzung gegen Überstrom und positive d-Ströme vorgesehen. Somit können Komponenten, welche den Elektromotor antreiben, vor zu hohen Strömen geschützt werden.
Ferner wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, einzelne oder sämtliche Schritte des Verfahrens mittels Programmcode auf einer Recheneinheit auszuführen, welche Teil einer elektronischen Steuereinrichtung ist. Ferner wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Ferner wird eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, die mit einem Versorgungsnetz eines Lenksystems eines Fahrzeugs und einem Elektromotor zum Antreiben des Lenksystems in Signalverbindung ist, und die dazu ausgebildet ist, das Verfahren zur Ansteuerung des Elektromotors auszuführen.
Unter eine Steuereinrichtung, auch Steuergerät genannt, kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ferner wird ein Antriebssystem einer Lenkung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, insbesondere einer Steer-by-Wire-Lenkung, aufweisend ein Versorgungsnetz und einen durch das Versorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgbaren Elektromotor zur Ansteuerung einer Lenkstange der Lenkung, wobei das Antriebssystem ferner eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors aufweist.
In einer Ausführung ist das Versorgungsnetz ein Spannungsversorgungsnetz mit Spannungen von weniger als 1000V.
Ferner wird eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend das Antriebssystem. Eine Steer-by-wire-Lenkung ist eine von einer mechanischen Lenkhandhabe, z.B. einem Lenkrad entkoppelte, zumeist elektromechanische Einheit. Aufgrund von Lenksignalen und einem oder mehreren Parametern wie z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkradwinkel, aktuell vorliegenden Lenkwinkeln an Vorder- und/oder Hinterachse, Gierbeschleunigung und/oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs etc., werden in einem Steuergerät Lenksignale generiert. Die Lenkbewegung erfolgt mittels zumindest eines Aktuators der Steer-by-wire-Lenkung, welcher vom Steuergerät Lenksignale erhält. Bspw. kann in dem Aktuator mittels eines Spindeltriebs eine Spindel oder Lenkstange axial verlagert werden, welche unmittelbar oder mittelbar mit Radträgem gelenkig gekoppelt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch eine Regelung eines Elektromotors gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt schematisch eine Regelung eines Elektromotors gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Figur 3 zeigt Zeit-Diagramme verschiedener Regelparameter eines Elektromotors als Vergleich von zwei Arbeitspunktstrategien.
Figur 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Hinterachse eines Fahrzeugs.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine PSM ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten. Der zumindest eine Stator umfasst Wicklungen dreier oder mehr Phasen und bildet sich aus den mit einem Winkel von 120 Grad verteilten Phasen. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber welcher der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist.
Die Zustandsgrößen der PSM wie z.B. Strom, Spannung, Fluss etc., können in dem Drei-Koordinatensystem (U, V, W) dargestellt werden. Für die Regelung der PSM werden die Zustandsgrößen der PSM in ein mit dem Rotor drehendes Koordinatensystem (d, q) transformiert, wobei die d-Achse in gleichem Sinn des Permanentflusses des Läufers gerichtet wird. Das sogenannte a, ß - System ist das feste Zwei-Koordinatensystem des Stators. Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d, q- Koordinatensystem vereinfachen sich die differentiellen Gleichungen der PSM und die PSM kann wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird als feldorientierte Regelung oder FOR (engl. FOC) bezeichnet. Bei einer feldorientierten Regelung FOR wird ein Gesamt-Soll-Strom, der durch die PSM fließen soll, bezüglich eines rotor(fluss)festen d, q-Koordinatensystems bestimmt, so dass einige Steuer- bzw. Regelungsvorgänge einfacher durchzuführen sind und einige Berechnungen vereinfacht werden.
Nachfolgend wird die Regelung einer PSM gemäß Stand der Technik anhand von Figur 1 beschrieben. Eingangsgrößen der feldorientierten Regelung (FOR) sind der d- und q-Strom Idset, Iqset, Idqmeas sowie Drehwinkel 0 und Winkelgeschwindigkeit w (Drehzahl) des Elektromotors 29, wie in Figur 1 gezeigt. Dabei ist der Iqset ein festgelegter Eingangsstrom (q-Komponente), der wie folgt erhalten wird. In einer Positionskontrolleinrichtung 200 werden eine vorgegebene Position POSset, z.B. aufgrund einer Lenkanforderung, und eine gemessene Position POSmeas des Elektromotors 29 erfasst und verarbeitet. Als Ausgangssignal entsteht eine festgelegte Drehzahl n_set für den Elektromotor 29. Diese wird in einer Drehzahlkontrolleinrichtung 201 zusammen mit einer gemessenen Drehzahl n_meas verarbeitet, so dass ein vorgegebener q-Strom Iqset an die FOR ausgegeben wird, der das Drehmoment bestimmt. Des Weiteren ist Idset ein festgelegter Eingangsstrom (d-Komponente), der wie folgt erhalten wird. Im Normalbetrieb ist bekanntermaßen Idset gleich Null (ldset==0). Bei hohen Drehzahlen wird ein negativer d-Anteil zusätzlich zu Idset eingeprägt (Feldschwächung, Block 100 mit Eingangsspannungen lldq und Usupply)., um den Elektromotor 29 im Feldschwächebereich zu betrieben und dadurch die Drehzahl weiter zu erhöhen (Block 300). Dabei wird bekanntermaßen ein negativer d-Strom als Idset an die FOR übergeben. Somit kann die geforderte Position schneller angefahren werden, auch wenn das maximale Drehmoment bereits erreicht ist. Im Feldschwächebereich muss das Drehmoment herabgesetzt werden, da durch den negativen d- Strom nicht mehr so viel q-Strom für die Drehmomentbildung zur Verfügung steht.
In der FOR werden die Strom-Eingangsgrößen Idset, Iqset, Idqmeas (gemessener d- und q-Strom), Drehwinkel 0 und Winkelgeschwindigkeit w verarbeitet, so dass daraus die Spannungswerte Lid, llq (d- und q-Komponente) resultieren. Diese werden zusammen mit dem Drehwinkel 0 in einem Umsetzer 300 verarbeitet, insbesondere in dreiphasige Wechselgrößen Uabc umgewandelt und an eine Leistungselektronik 400 als Eingangssignal übergeben, welche mit der Versorgungsspannung Usupply versorgt wird und den Elektromotor 29 ansteuert, der dann mit dem Drehwinkel 0 und der Wnkelgeschwindigkeit w (Drehzahl) wie vorgegeben die Lenkung umsetzt.
Die FOR läuft auf einer (oder mehreren) Verarbeitungseinrichtungen ab, die vorzugsweise mindestens einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst bzw. umfassen.
Wie bereits einleitend erwähnt, erzeugen elektromechanische Stellantriebe beim Abbremsen aufgrund der in der Mechanik gespeicherten kinetischen Energie einen Energiefluss (Rückspeisestrom) zurück in das Versorgungsnetz (Rekuperation). Die Höhe dieses Energieflusses ist in automobilen Anwendungen oftmals begrenzt, um das Versorgungsnetz nicht zu überlasten. Es kann z.B. gefordert sein, dass nur eine sehr geringe oder keine Rückspeisung in die Batterie/den Akku gestattet ist. Diese Anforderung stellt eine zusätzliche Randbedingung bei der Auslegung des mechatro- nischen Systems, insbesondere der Ansteuerung (Regelung) des Elektromotors 29, dar und muss entsprechend beachtet werden. Dabei können sich Limitierungen hinsichtlich Performance oder erhöhte Systemkosten durch zusätzliche Elektronik wie einen Einbau von Bremswiderständen ergeben. Auch kann eine Limitierung der Stel- lerdynamik nötig sein, also ein langsameres Anfahren einer vorgegebenen Position, damit das System über einen längeren Zeitraum abbremst und damit geringere Rückspeiseströme entstehen. Allerdings führt dies zu einer unerwünschten Limitierung der Performance des Gesamtsystems.
Um keine zusätzliche Elektronik verbauen zu müssen und damit Bauraum zu benötigen, und um eine möglichst geringe Limitierung der System performance in Kauf nehmen zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Ansteuer- bzw. Regelstrategie des Elektromotors 29 anzupassen, wie in Figur 2 gezeigt, welche eine Erweiterung der in Figur 1 gezeigten Komponenten darstellt. Die bereits für Figur 1 beschriebenen Komponenten bleiben unverändert und werden deshalb nicht mehr beschrieben.
Ziel der Erfindung ist es, eine Reduzierung von generatorisch (durch Abbremsen des Elektromotors 29) erzeugten Energiemengen zu erreichen, um einen Rückfluss in das Versorgungsnetz des Fahrzeugs zu begrenzen. Es wird dabei Energie direkt im Elektromotor 29 vernichtet, also in Wärme umgewandelt. Hierfür wird zusätzlich zum negativen d-Strom der Feldschwächung ein zusätzlicher, negativer d-Strom Id an die FOR übergeben. Dieser zusätzliche negative d-Strom Id wird wie folgt erhalten. Der Versorgungsstrom Isupply (Ibat in Figur 3) des Energiespeichers (Batterie oder Akkumulator) des Fahrzeugs wird z.B. aus einer Messung oder einer Abschätzung aus intern vorhandenen Größen wie Versorgungsspannung Usupply, Ausgangsspannung Udq, Eingangsstrom Idq erhalten (Block 500). Dieser aktuelle Versorgungsstrom Isupply wird dann derart verarbeitet, dass eine Erfassung erfolgt, ob der aktuelle Versorgungsstrom Isupply ein Rückspeisestrom ist, der Energie (Strom) zurück in Richtung Versorgungsnetz speist. Wenn dies der Fall ist, wird weiter bestimmt, ob der Rückspeisestrom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Wenn dies der Fall ist, insbesondere wenn der Rückspeisestrom also den Grenzwert (Sollstrom) überschreitet, wird als Maßnahme mittels einer Kontrollstrategie 600 ein zusätzlicher negativer d-Strom Id ermittelt und der FOR übergeben. Der zusätzliche negative d-Strom Id wird dabei so gewählt, dass der Rückspeisestrom wieder unterhalb des Grenzwerts (Sollstrom) sinkt. Der zusätzliche d-Strom ist also ebenfalls ein Feldschwächestrom, um die Feldschwächung zu erhöhen, wobei eine neue Abhängigkeit geschaffen wird, um den Rekuperationsstrom zu begrenzen.
Die Kontrollstrategie 600, um den zusätzlichen negativen d-Strom Id an die FOR zu übergeben, kann als proportionale Steuerung (auch als Proportionalsteuerung bezeichnet) oder als Regelung erfolgen. Im Falle einer Steuerung wird ein Wert für den der FOR zu übergebenden negativen Strom Id ermittelt, welcher den aufgrund des Abbremsens erzeugten Rückspeisestrom derart beeinflusst, dass dieser den vorgegebenen Grenzwert (Sollstrom) nicht (mehr) überschreitet. Im Falle einer Regelung werden die Rückspeiseströme auf den geforderten minimalen Grenzwert (Sollstrom) geregelt, also dynamisch in Abhängigkeit des Rückspeisestroms angepasst. Die Regelung kann unterschiedlich ausgestaltet sein und z.B. einen PID (Proportional-Integ- ral-Differential-Regler)-Regler verwenden.
In beiden Fällen erfolgt eine Begrenzung gegen Überstrom und positive d-Ströme. Besonders vorteilhaft erfolgt die Begrenzung eines positiven d-Stroms auf 0 Ampere, was den energetisch besten Fall darstellt und im Normalfall eingestellt werden sollte.
Wie bereits beschrieben, wird durch die Erhöhung des Feldschwächeanteils, also des der FOR zugeführten (negativen) d-Stroms, Energie direkt im Elektromotor 29 vernichtet, also in Wärme umgewandelt. Dabei wird in der Regel nur ein Teil der Energie vernichtet, es erfolgt also eine Begrenzung, d.h. eine teilweise Reduzierung. In speziellen Anwendungsfällen kann aber auch die gesamte Energie vernichtet werden. Da die Bremsvorgänge im Lenkungsbereich relativ kurz sind, ist es unwahrscheinlich, dass durch diese Maßnahme eine Temperatur im Stellerantrieb, insbesondere im Elektromotor 29, zu hoch wird.
In Figur 3 sind Diagramme gezeigt, die einen Vergleich von zwei Arbeitspunktstrategien darstellen. Gezeigt sind Drehzahl n_motor (speed [rpm], oberstes Diagramm), Drehmoment T_motor (Torque [Nm], zweites Diagramm von oben), Ströme Id (Currents [A], zweites Diagramm von unten) und Strom im Energiespeicher Ibat (Battery Current [A], unterstes Diagramm, entspricht Isupply in Figuren 1 und 2) über die Zeit (Time [s]). Als Betriebsszenario ist ein Bremsen des Elektromotors 29 mit angeschlossenem Trägheitsmoment von 2000rpm in den Stillstand angenommen, wie im obersten Diagramm zu sehen. Die gestrichelte Linie (mit „Standard“ in den Diagrammen bezeichnet) zeigt jeweils die Werte bei Ausführung des Verfahrens gemäß Stand der Technik mit Feldschwächebetrieb, aber ohne zusätzlichen negativen d-Strom Id. Die durchgezogene Linie (mit „Innovation“ in den Diagrammen bezeichnet) zeigt jeweils die Werte bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Drehmoment und Drehzahlverlauf sind in beiden Arbeitspunktstrategien identisch (in den Diagrammen Drehzahl und Drehmoment liegen die Linien übereinander). Es ist also zu sehen, dass die übergeordnete Drehzahlregelung von dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren nicht beeinflusst wird.
Um den Rückspeisestrom zu reduzieren, wird beim Bremsen ein erhöhter negativer d-Strom in dem Elektromotor 29 eingestellt, wie im zweiten Diagramm von unten gezeigt (Iq ist unverändert, die Linien liegen quasi übereinander). Der zusätzliche negative d-Strom verursacht erhöhte Stromwärmeverluste (gemäß R (Widerstand) x I2) im Elektromotor 29, wie im untersten Diagramm gezeigt. Die zusätzlichen Verluste führen dazu, dass weniger mechanische Energie beim Bremsen ins Versorgungsnetz zurückgeführt werden muss. Bei konstanter Spannung im Energiespeicher lässt sich dadurch der auftretende negative Rückspeisestrom verringern.
Das Versorgungsnetz ist in diesem Falle ein Spannungsnetz bis zu 1000 V, , also z.B. 12V, 24V, 48V, 230V, 400V, 600V, 650V, 800V. Der Elektromotor 29 dient als Antriebsmaschine für eine Lenkung, insbesondere eine Steer-by-Wire-Lenkung. Als Elektromotor 29 können alle gängigen Elektromotoren 29 für Lenksysteme verwendet werden, auch sogenannte High-Cogging-Motoren, also Elektromotoren mit hohem Rastmoment. Besonders effektiv kann das Verfahren angewendet werden bei Systemen, welche bei niedriger Spannung, z.B. 12V, und hohen Strömen arbeiten, also z.B. im Bereich von 100A, wie es bei Lenksystemen häufig der Fall ist.
Das Verfahren wird in einem Lenksystem eines Fahrzeugs umgesetzt, wobei das Lenksystem insbesondere eine Steer-by-wire-Lenkung ist, wobei die Achse sowohl eine Vorder- als auch eine Hinterachse oder eine zwischen Vorder- und Hinterachse befindliche Achse eines Kraftfahrzeugs sein kann. Die Lenkung kann für ein Kraftfahrzeug verwendet werden, das beispielsweise für einen Transport von Personen und zusätzlich oder alternativ von Gegenständen vorgesehen ist.
In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 4 ist eine Fahrzeugachse gezeigt, hier dargestellt als eine Hinterachse (in Draufsicht) mit einem Hilfsrahmen 2, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Lenkung einer Hinterachse beschränkt. Die Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3, 4 als Teil einer Radaufhängung an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer Steer-by-Wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 22 an dem Hilfsrahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung eine durchgehende Lenkstange 24 auf, welche durch das Gehäuse 22 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Der Antriebsmotor in Form eines Elektromotors 29 ist achsparallel zur Lenkstange 24 angeordnet, kann aber auch in anderer Art und Weise, z.B. als Hohlwellenmotor, ausgeführt sein. An den Enden der Lenkstange 24 sind Spurstangen 23, 25 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit einem Radträger 7 der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Die axiale Verlagerung der Lenkstange 24 erfolgt aufgrund eines Rotations- / Translationswandlers, welcher z.B. als ein Bewegungsgewinde eines Spindeltriebs dargestellt ist. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 24 entlang der Längsachse in die eine oder andere Richtung eine Veränderung des Radlenkwinkels 8, 9 erfolgt, weil die Spurstangen 23, 25 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger 7 und dem Aktuator 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar über den Radträger 7 an der Radaufhängung 3, 4 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 ermöglicht. Bei Drehbewegung des Elektromotors bzw. Antriebsmotors 29 wird die Spindelmutter (bevorzugt schlupffrei) in Drehbewegung um die Längsachse versetzt wird. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter erfolgt eine lineare Verlagerung der Lenkstange 24 in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 29. Ein Steer-by-Wire-Lenksystem weist eine Lenkstange 24 und ein Getriebe auf, das mit dem Elektromotor 29 in Wirkverbindung steht und in bekannter Art und Weise die vom Elektromotor 29 ausgegebene Rotationskraft mittels eines Zahnriementriebs bzw. Spindeltriebs gewandelt in eine Translationskraft zur Lenkstange 24 und damit auf die Räder 5, 6 zur Änderung des Radlenkwinkels 8, 9 überträgt. Der Elektromotor 29 weist einen (nicht gezeigten) Stator und einen (nicht gezeigten) Rotor auf. Die Ansteuerung (Regelung) des Elektromotors 29 erfolgt durch ein oder mehrere Steuereinrichtungen, die mit einem Versorgungsnetz eines Lenksystems eines Fahrzeugs und einem Elektromotor zum Antreiben des Lenksystems in Signalverbindung ist bzw. sind.
Das vorgeschlagene Verfahren ist in der bzw. den Steuereinrichtungen als Computerprogramm mit entsprechendem Programmcode implementiert. Ferner kann auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen sein, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Eine Steuereinrichtung ist eine Recheneinheit, welche ausgelegt ist, um Signale wie Spannungssignale, Positionssignale von Sensoreinheiten und anderen Komponenten des Antriebssystems oder des Kraftfahrzeugs zu empfangen und derart zu verarbeiten, dass ein Signal ausgegeben wird, mit welchem eine Komponente, insbesondere ein Elektromotor 29 zur Ansteuerung eines Lenksystems wie eines Steer-by-Wire-Lenksystem s angesteuert werden kann.
Bezugszeichen
Hilfsrahmen, Fahrzeugaufbau , 4 Lenker , 6 Rad
Radträger , 9 Radlenkwinkel
10 Aktuator
12 Lenkung, Steer-by-wire-Lenkung 2 Gehäuse 3, 25 Spurstange 4 Lenkstange 7, 28 Gelenkverbindungen
29 Elektromotor
100 Block Feldschwächebetrieb
200 Positionskontrolleinrichtung
201 Drehzahlkontrolleinrichtung
FOR feldorientierte Regelung
300 Umsetzer
400 Leistungselektronik
500 Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung des Versorgungsstroms
600 Kontrollstrategie

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (29) eines Lenksystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Steer-by-wire-Lenksystems (12), wobei die Ansteuerung des Elektromotors (29) mittels einer feldorientierten Regelung (FOR) erfolgt, wobei ein q-Strom (Iqset) zum Aufbau des Drehmoments des Elektromotors (29) verwendet wird, und ein d-Strom als vorgegebener d-Strom (Idset) im Regelbetrieb Null ist, und im Falle eines Feldschwächebetriebs der feldorientierten Regelung (FOR) ein negativer d-Strom als Feldschwächungsanteil zusätzlich zum vorgegebenen d-Strom (Idset) zugeführt wird, und wobei im Falle eines Abbremsens des Elektromotors (29) eine Erfassung erfolgt, in welcher Höhe ein Rückspeisestrom in das Versorgungsnetz des Fahrzeugs fließt, und im Falle, dass ein vorgegebener Grenzwert des Rückspeisestroms erreicht oder überschritten wird, der Feldschwächungsanteil erhöht wird, indem der feldorientierten Regelung (FOR) ein zusätzlicher negativer d-Strom (Id) zur Begrenzung des Rückspeisestroms auf den vorgegebenen Grenzwert zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Höhe des negativen d-Stroms zur Begrenzung des Rückspeisestroms derart mittels einer proportionalen Steuerung angepasst wird, dass Rückspeiseströme in das Versorgungsnetz auf den vorgegebenen Grenzwert begrenzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Höhe des negativen d-Stroms zur Begrenzung des Rückspeisestroms mittels eines Reglers angepasst wird, der Rückspeiseströme in das Versorgungsnetz auf den vorgegebenen Grenzwert regelt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine zusätzliche Begrenzung gegen Überstrom und positive d-Ströme vorgesehen ist.
5. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, einzelne oder sämtliche Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mittels Programmcode auf einer Recheneinheit auszuführen, welche Teil einer elektronischen Steuereinrichtung ist.
6. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.
7. Steuereinrichtung, die mit einem Versorgungsnetz eines Lenksystems eines Fahrzeugs und einem Elektromotor (29) zum Antreiben des Lenksystems in Signalverbindung ist, und die dazu ausgebildet ist, das Verfahren zur Ansteuerung des Elektromotors (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 7, wobei das Versorgungsnetz ein Spannungsversorgungsnetz mit Spannungen von weniger als 1000V ist.
9. Antriebssystem einer Lenkung eines Fahrzeugs nach Anspruch 8, insbesondere einer Steer-by-Wire-Lenkung (12), aufweisend ein Versorgungsnetz und einen durch das Versorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgbaren Elektromotor (29) zur Ansteuerung einer Lenkstange (24) der Lenkung, wobei das Antriebssystem ferner eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors nach Anspruch 7 oder 8 aufweist.
10. Steer-by-Wire-Lenkung (12) eines Fahrzeugs, aufweisend das Antriebssystem nach Anspruch 9.
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