DE102004001764A1

DE102004001764A1 - Ausgleich der Reibung in einem Lenksystem eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102004001764A1
Application number: DE102004001764A
Authority: DE
Inventors: Yixin Ann Arbor Yao; Behrouz Northville Ashrafi; Ann Hayes Southfield Larsen
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2004-01-12
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: DE102004001764B4; US6901320B2; US20040138797A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems (10) in einem Fahrzeug, das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: DOLLAR A - Festlegen eines bestimmten Lenkwertes für die Richtung von mindestens einem Vorderrad (z. B. 26a), welches mindestens eine Vorderrad (z. B. 26a) sich in einer Anordnung der Vorderräder (26a, 26b) befindet; DOLLAR A - Senden eines Signals, das dem bestimmten Lenkwert entspricht, an das System der Vorderräder (26a, 26b), das mindestens ein Motor-Stellglied (24a, 24b) aufweist; DOLLAR A - Festlegen eines Drehmoment-Regelwertes für das Motor-Stellglied (24a, 24b) durch einen Regelalgorithmus; DOLLAR A - Festlegen eines Wertes für den Reibungsausgleich; DOLLAR A - Kompensieren des bestimmten Lenkwertes, der durch mechanische Reibung beeinträchtigt ist, mit dem Wert des Reibungsausgleichs und DOLLAR A - Betätigen der Vorderräder (26a, 26b) in Abhängigkeit von dem bestimmten Lenkwert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Reibungsausgleich in einem Lenksystem eines Fahrzeuges und speziell auf den Reibungsausgleich in einem elektronischen Lenksystem (steer-by-wire system), es werden modellgestützte und nicht modellgestützte Methoden zur Kompensation von Reibung eingesetzt.
Ein typisches Kraftfahrzeug wird durch Betätigen einer manuellen Lenkvorrichtung, wie z. B. einem Lenkrad, über einen Lenkmechanismus, der die Richtung der Vorderräder bestimmt, gelenkt. Im Allgemeinen befindet sich die manuelle Lenkvorrichtung im Fahrgastraum des Fahrzeugs und sind die lenkbaren Vorderräder an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet. Ein geeigneter Lenkmechanismus ist notwendig, um die manuelle Lenkvorrichtung und die Vorderräder miteinander zu verbinden.
Um die Beschränkungen in mechanischen Lenksystemen zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, ein Lenksystem anzuwenden, in dem die manuelle Lenkvorrichtung nicht mechanisch mit den Vorderrädern verbunden ist und die Lenkbewegung durch einen Elektromotor erreicht wird, ein so genanntes elektronisches Lenksystem.
In einem elektronischen Lenksystem arbeitet ein Motor-Stellglied, das mit den Vorderrädern verbunden ist, und auf einen Regelbefehl reagiert, der von einem Regler der Vorderräder erzeugt wird. Der Regler der Vorderräder empfängt verschiedene, gemessene und bewertete, Signale wie: Winkel des Lenkrades, Winkel der Vorderräder und Geschwindigkeit des Fahrzeugs und sendet einen Regelbefehl an das Stellglied, um die Vorderräder dem Lenkbefehl folgen zu lassen. In einem elektronischen Lenksystem gibt es keine mechanische Verbindung zwischen dem Stellsystem der Vorderräder und dem Lenkrad, obwohl beide Vorderräder mechanisch miteinander verbunden sein können, um sich synchron zu bewegen.
Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, ein elektronisches Lenksystem anzuwenden, in dem die beiden Vorderräder unabhängig voneinander gelenkt werden. Bei dieser Art des elektronischen Lenksystems sind die beiden Vorderräder nicht mechanisch miteinander verbunden. Stattdessen bewegen zwei unabhängige Stellglieder die beiden Vorderräder unabhängig.
Der Lenkmechanismus der Vorderräder eines elektronischen Lenksystems ist ein elektromechanisches System, er wird angetrieben von Elektromotoren und unterliegt dem Einfluss von Reibung, in der Form einer Kraft oder eines Drehmoments. Ein typisches elektronisches Lenksystem umfasst zum Beispiel zwei Vorderräder, jedes wird über eine Kugelumlaufspindel von einem bürstenlosen DC Motor angetrieben. In einem solchen System gibt es viele Reibungsquellen, einschließlich: der Lager der Kugelumlaufspindel, der Schnittstelle zwischen der Spindel und einer Spurstange sowie der Belastung und der seitlichen Belastung durch die Vorderräder. Die gesamte Reibung, die das elektronische Lenksystem erfährt, ist die Summe der jeweiligen Reibungen, die im System vorhanden sind. Die resultierende Reibung ist in hohem Maß nicht-linear und kann die Leistungsfähigkeit des Regel-Lenksystems negativ beeinflussen, was zu bleibender Regelabweichung, Grenzzyklen und ruckendem Gleiten führt. Daraus ergibt sich, dass die Vorderräder nicht exakt dem geforderten Befehl des Lenkrades folgen können.
Die Reibung muss deshalb ausgeglichen werden, um sicher zu stellen, dass die Vorderräder dem Eingangs-Befehl vom Lenkrad folgen, speziell bei Eingängen mit langsamem Lenkverhältnis. Obwohl die Reibung, die am Motor-Stellglied wirkt, durch verbesserte Gestaltung der Mechanik verringert werden kann, gibt es jedoch bei dieser Lösung Einschränkungen bezüglich Kosten und verfügbarem bzw. beanspruchtem Raum.
Demgemäß wendet die gegenwärtige Erfindung Methodenlehren für das Regelsystem an, um die Reibungseffekte, die in einem elektronischen Lenksystem vorhanden sind, zu kompensieren. Im Speziellen wendet die gegenwärtige Erfindung System-Modellierung, Abschätzung und Methodenlehren der Regelung an, um die Reibungseffekte in einem elektronischen Lenksystem zu auszugleichen.
In einem elektronischen Lenksystem erzeugt ein Kompensator der Reibung ein Drehmoment zum Reibungsausgleich, in gleicher Größe und entgegengesetzt dem unmittelbaren Reibmoment. Dieses Drehmoment zum Reibungsausgleich wird zu dem Regelsignal des Systems addiert, um die Reibungseffekte, die im System vorhanden sind, auszugleichen. Der Reibungskompensator erzeugt das Drehmoment zum Reibungsausgleich nach (einem von) zwei Verfahren: modellgestützt oder nicht modellgestützt. Das modellgestützte Verfahren basiert auf einem geeigneten Reibungsmodell, welches das Verhalten der Reibung erfasst, um das Reibmoment auszugleichen. Das nicht modellgestützte Verfahren arbeitet von Reibungsmodellen unabhängig, um das Reibmoment auszugleichen.
In der gegenwärtigen Erfindung werden mehrere modellgestützte und nicht modellgestützte Verfahren zum Ausgleich der Reibung beschrieben. Das modellgestützte Verfahren umfasst eine Anzahl verschiedener Methoden, einschließlich: einem standardmäßigen, modellgestütztem Verfahren, einem Verfahren der Regelung des Störmoments durch Beobachtung (DTO) und einem Verfahren zum adaptiven Reibungsausgleich, oder nach Verfahren der adaptiven Regelung mit Referenzmodell (MRCA). Das nicht modellbasierende Verfahren schließt ein Verfahren der Fuzzy-Logik ein.
Obwohl die vorliegende Erfindung den Reibungsausgleich in einem elektronischen Lenksystem mit zwei unabhängigen, von Stellgliedern angetriebenen, Vorderrädern beschreibt, ist sie nicht auf ein solches Lenksystem beschränkt. Die gegenwärtige Erfindung kann auf jedes elektronische oder elektromechanische Lenksystem angepasst werden.
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Lenksystems gemäß der gegenwärtigen Erfindung,
2 eine schematische Darstellung des Mechanismus des Vorderrades, einschließlich eines Stellgliedes mit Kugelumlaufspindel, und seine Anordnung in einem elektronischen Lenksystem, gemäß der gegenwärtigen Erfindung,
3 ein Diagramm für den Zusammenhang zwischen der Stromaufnahme des Motors und der Bewegung des Stellgliedes des Vorderrades, ohne Reibungsausgleich und Regelung,
4 ein Diagramm für eine typische statische Reibung, mit Coulomb-Reibung und viskoser Reibung,
5 ein Blockdiagramm einer Regelstrecke des Vorderrades mit nichtlinearer Darstellung der Reibung,
6 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem standardmäßigen modellgestützten Verfahren des Reibungsausgleichs,
7 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch Regelung des Störmoments durch Beobachtung (DTO),
8 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des adaptiven Reibungsausgleichs,
9 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch adaptive Regelung mit Referenzmodell (MRCA),
10 ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch Fuzzy-Logik, und
11 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems in einem Fahrzeug.
Das elektronische Lenksystem 10 der gegenwärtigen Erfindung setzt sich, gemäß seiner bevurzugten Realisierung, wie sie in 1 dargestellt ist, aus einem Regelsystem 11 des Lenkrades und einem Regelsystem 19 der Vorderräder zusammen. Das Regelsystem 11 des Lenkrades weist ein Lenkrad 12 auf, das an einer Lenksäule 13 drehbar angeordnet ist. Ein Winkelsensor 14 und ein Motor-Stellglied 16 des Lenkrades sind auf der Lenksäule 13 montiert und elektrisch mit einer Regeleinheit 18 des Lenkrades verbunden. Ein Verstärker 17 des Lenkradmotors dient zum Ansteuern des Motor-Stellgliedes 16.
Das Regelsystem 19 der Vorderräder weist zwei Vorderräder 26a, 26b auf, die mechanisch über die Spurstangen 25a, 25b mit den (voneinander) unabhängigen Stellgliedern 24a, 24b der Vorderräder 26a, 26b verbunden sind. Das Regelsystem der Vorderräder 26a, 26b umfasst ebenfalls, zur Messung des Lenkwinkels der jeweiligen Vorderräder 26a, 26b, zwei Winkelsensoren 22a, 22b. Die Stellglieder 24a, 24b der Vorderräder und die Winkelsensoren 22a, 22b der Vorderräder sind elektrisch mit einer Regeleinheit 20 der Vorderräder verbunden. Zwei Verstärker 23a, 23b treiben die Motor-Stellglieder 24a, 24b.
Das elektronische Lenksystem 10 arbeitet durch abgestimmte Regelung der Regeleinheit 18 des Lenkrades 18 und der Regeleinheit der Vorderräder 20. Die Regeleinheit des Lenkrades empfängt Signale vom Winkelsensor 14 des Lenkrades, die den Winkelpositionen des Lenkrades 12 entsprechen, und Signale von der Regeleinheit 20 der Vorderräder, die zumindest die entsprechenden Winkelpositionen und Fahrmomente der Vorderräder 26a, 26b wiedergeben. Die Regeleinheit 18 des Lenkrades 12 verarbeitet die Eingangsdaten, basierend auf einem geeigneten Regel-Algorithmus des Lenkrades, und erzeugt ein Ausgangssignal für das Stellglied 16 des Lenkrades, um das Reaktions-Drehmoment am Lenkrad 12 zu regeln.
Die Regeleinheit 20 der Vorderräder empfängt ein Signal von der Regeleinheit 18 des Lenkrades, das einem geforderten Winkel des Lenkrades zugeordnet ist, sowie Signale, die mindestens den Winkelposition der Vorderräder 26a und 26b, durch die Winkelsensoren der Vorderräder 22a und 22b, entsprechen. Die Regeleinheit 20 der Vorderräder verarbeitet die Eingangsdaten, basierend auf einem geeigneten Regel-Algorithmus der Vorderräder, und erzeugt Ausgangssignale an die (voneinander) unabhängigen Stellglieder 24a und 24b der Vorderräder, um die Abweichung der Vorderräder 26a und 26b zu regeln.
Die Hauptaufgaben des Regelsystems 11 des Lenkrades sind, einen Winkelbefehl der Lenkrichtung zur Verfügung zu stellen und ein vertrautes Lenkgefühl, durch Regelung des Reaktions-Drehmoments am Lenkrad 12, zu erzeugen. Die Hauptaufgabe des Regelsystems 19 der Vorderräder ist es, sicher zu stellen, dass die Winkelposition der Vorderräder in Gleichlauf mit dem Winkelbefehl der Richtung, wie sie vom Regelsystem des Lenkrades 11 erzeugt wird, ist. Das Regelsystem 11 des Lenkrades und das Regelsystem 19 der Vorderräder sind durch die Regeleinheit 18 des Lenkrades und die Regeleinheit 20 der Vorderräder zu einem elektronischen Lenksystem 10 integriert.
2 zeigt schematisch den Mechanismus des Vorderrades als Teil des Regelsystems 19 der Vorderräder. Der Mechanismus des Vorderrades umfasst eine Kugelumlaufspindel und ihre Anordnung als Stellorgan. Das Vorderrad 26 ist über die Spurstange 25 mit der Kugelumlaufspindel 32 verbunden. Die Bewegung der Kugelumlaufspindel 32 wird durch einen Satz Stützlager 30 erleichtert und durch eine Mutter 28 bestimmt. Das Stellglied des Vorderrades 24 bewegt die Kugelumlaufspindel 32 lateral, wodurch das Vorderrad 26, über die Spurstange 25, gedreht wird. In einer bevorzugten Realisierung ist das Stellglied des Vorderrades 24 ein bürstenloser Gleichspannungsmotor. Der Mechanismus der Kugelumlaufspindel 32 und der Satz Stützlager 30 wandeln die Drehung des bürstenlosen Motors in die seitliche Bewegung des Vorderrades um.
Wie dargestellt, empfängt das Stellglied 24 des Vorderrades Regelsignale von der Regeleinheit 20 der Vorderräder. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem aufgenommenen Motorstrom, gemessen in Ampere, und der Abweichung des Vorderrades, gemessen in Millimetern, ohne jeden Reibungsausgleich und ohne Regelung der Winkelposition des Vorderrades. Dies ist das experimentelle Ergebnis des typischen ruckenden Gleitens des Vorderrad-Mechanismus, dargestellt in 2. Es ist offensichtlich, dass die Beziehung zwischen dem aufgenommenen Motorstrom und der Abweichung des Vorderrades in hohem Maß nicht-linear ist. Diese Nicht-Linearität wird hauptsächlich durch die mechanische Reibung im Lenkmechanismus 32 (in der Kugelumlaufspindel 32) des Vorderräder-Regelsystems 19 verursacht, wie in 2 dargestellt. In einem typischen Mechanismus der Vorderräder kann das Reibmoment bis zu 30% des nominalen Betätigungs-Drehmoments erreichen.
Um die Betätigung der Vorderräder im elektronischen Lenksystem nach 1 zu realisieren, wird ein Regelsystem, welches die Signale der Winkelpositionen von den Winkelsensoren 22a und 22b der Vorderräder als Rückkopplung verwendet, benutzt, um die Vorderräder in Gleichlauf mit dem Eingangsbefehl des Lenkrades zu bringen. Die in dem System vorhandene Reibung kann jedoch unerwartete bleibende Regelabweichungen, ruckelndes Gleiten, Grenzzyklen und insgesamt schlechte Leistungsfähigkeit des Systems verursachen. Obwohl es möglich ist, die mechanischen Komponenten entsprechend umzugestalten, um das Reibmoment, das an den Stellgliedern der Vorderräder 24a, 24b wirkt, zu verringern, wird dieser Ansatz in einer Kostenzunahme und größeren Beschränkung des (verfügbaren) Raums führen.
Die gegenwärtige Erfindung überwindet die voraus genannten Beschränkungen beim Ausgleich der Reibung durch modellgestützte und nicht modellgestützte Methodenlehren des Reibungsausgleichs. Das Prinzip des modellgestützten Reibungsausgleichs ist es, eine Kraft oder ein Moment von gleicher Größe und entgegengesetzt der unmittelbaren Reibkraft oder dem unmittelbaren Reibmoment anzulegen. Um dies zu erreichen, wird deshalb ein genaues Reibungsmodell benötigt. Die Leistungsfähigkeit des modellgestützen Reibungsausgleichs wird in der Tat letztlich durch die Fähigkeit des Modells bestimmt, die Dynamik der physikalischen Regelstrecke, einschließlich des Mechanismus der Vorderräder mit der Reibung, zu beschreiben.
Im Allgemeinen kann die Reibung durch statische oder dynamische Modelle beschrieben werden. 4 ist eine grafische Darstellung eines bevorzugten Reibungsmodells, das eine statische Reibung, plus einer Coulomb-Reibung (Trockenreibung), und eine viskose Reibung umfasst. Das Reibungsmodell wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
wobei T_c die absolute Größe des coulombschen Reibmoments ist, b der viskose Reibungs-Koeffizient ist, T_s die absolute Größe des statischen Moments (Losbrechmoment) ist, ω die Winkelgeschwindigkeit der Motorstellglieder der Vorderräder 24a, 24b ist und T_e das externe Eingangsmoment ist. Die Funktion sgn(x) ist die Signumfunktion. Für einen Wert von x ungleich 0 erzeugt die Signumfunktion bei einem Wert eines negativen x einen Wert für eine negative 1 und bei einem Wert eines positiven x einen Wert für eine positive 1.
Die Coulomb-Reibung (Truckenreibung) ist die Reibung, die sich der Bewegung widersetzt und nicht von Geschwindigkeit und Kontaktfläche abhängig ist. Das viskose Reibmoment wird durch die Viskosität des Schmiermittels verursacht. Diese beiden Reibmomente werden in der ersten Reihe der Gleichung (1) beschrieben, wobei:
T_cl = T_csgn(ω) die Coulomb-Reibung und
T_v = bω die viskose Reibung darstellt. Die statische Reibung ist die Reibung bei der Geschwindigkeit 0 und ist eine Funktion der externen Kraft. Sie wird in Gleichung (1) beschrieben als:
T_e für |T_e| < T_s und T_s sgnT_e für |T_e| ≥ T_s
wenn die Geschwindigkeit v = 0 ist, wobei T_e die von außen angelegte Kraft und T_s eine statische Reibkraft (Losbrechkraft) ist.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer Regelstrecke 44 des Vorderrades mit nicht-linearer Darstellung der Reibung. 5 zeigt als Blockdiagramm die Beschreibung der Regelstrecke des Vorderrades, einschließlich der Basiskomponenten des Vorderrad-Mechanismus, im elektronischen Lenksystem 10. Ein Verstärker (für das Motor-Stellglied) 36 empfängt das Regelsignal u_c und steuert das Motor-Stellglied an, um das Drehmoment t_e zu erzeugen. Das Motor-Stellglied und seine Komponenten 38 erzeugen am Ausgang, unter der Einwirkung des Eingangsmoments τ_e und des Reibmoments τ_f, die Winkelgeschwindigkeit ω und die Abweichung Θ. Der Integrator 40 stellt die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Abweichung dar und wandelt die Winkelgeschwindigkeit w in die Winkelabweichung Θ um. Die Reibung wird dargestellt als eine Rückkopplungs-Einheit 42, gemäß dem mathematischen Modell, beschrieben in Gleichung (1). Ist das Reibmoment τ_f = 0, wird das Eingangsmoment τ_e durch das Reibmoment nicht beeinflusst und wird, für das Motor-Stellglied der Regelstrecke des Vorderrades, vollständig zum effektiven Drehmoment, wie in 5 dargestellt.
Dynamische Modelle der Reibung, die in der Regelstrecke der Vorderräder vorhanden ist, können in der Absicht entwickelt werden, die Reibungs-Phänomene bei niedrigen Geschwindigkeiten besser vorher zu sagen. Die dynamischen Modelle werden oft als zustandsvariable Modelle bezeichnet. Die Idee ist, zusätzliche Zustandsvariable (oder innere Zustände) einzuführen, die den Grad der Reibung, zusätzlich zur Geschwindigkeit, bestimmen. Die zeitliche Änderung und Entwicklung der Zustandsvariablen wird durch einen Satz Differentialgleichungen bestimmt. Das Reibungsmodell nach LuGre, als ein Beispiel eines dynamischen Modells, versucht, das Reibungsphänomen des ruckenden Gleitens bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erfassen. Dieses dynamische Modell zeigt die Möglichkeit, die Effekte bei niedriger Geschwindigkeit zu erfassen.
Die Reibung ist theoretisch eine kontinuierliche Funktion der Zeit. Die Modelle der Zustandsvariablen, wie das LuGre-Modell, werden im Allgemeinen die Reibung in Systemen, die bei einer sehr niedrigen Geschwindigkeit, oder bei 0, arbeiten, genauer ausgleichen. In der Praxis ist eines der Hauptprobleme bei diesen Modellen, dass die Zustände nicht messbar sind. Als eine Konsequenz basiert der Reibungsausgleich auf diskontinuierlichen und statischen Modellen.
6 ist ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem standardmäßigen modellgestützten Verfahren des Reibungsausgleichs. Es basiert auf einem genau bekannten nicht-linearen Reibungsmodell, dargestellt in Gleichung (1) und der Rückkopplungs-Einheit 42 aus 5. Die aktuelle Reibung τ_f kann durch Anlegen eines äquivalenten modellgestützten Reibmoments τ_fe ausgeglichen werden. Das aktuelle modellgestützte Reibmoment τ_fe ist das Ausgangsmoment des bekannten Reibungsmodells (1) und ist dem Reibmoment τ_f entgegengesetzt. In 6 wird das Reibmoment τ_f durch Verwenden eines Prädiktors 50 und einer Verstärkerfunktion 52 abgeschätzt, die (wiederum) die Reibung durch Verwenden der verfügbaren Messwerte und einem bekannten Reibungsmodell abschätzen. Die abgeschätzte Reibung τ_fe wird dann zu dem Regelsignal u_c addiert, um das Reibmoment τ_f auszugleichen.
6 stellt ebenfalls das Blockdiagramm einer vollständigen Rückkopplungs-Regelung des Lenksystems dar. Das Ziel ist die Regelung des Lenkwinkels des Vorderräder durch Verwenden der Rückkopplungen von Winkelposition und Geschwindigkeit des Vorderrades. Das Regelsystem in 6 setzt sich zusammen aus der Rückkopplung der Winkelposition eines Vorderrades und der Rückkopplung der Winkelgeschwindigkeit eines Vorderrades. Die Rückkopplungs-Schleife der Winkelposition setzt sich zusammen aus der Regelstrecke des Vorderrades 44, vom Eingang u_c bis zum Winkel des Vorderrades Θ, und dem Positionsregler C(s) 46, mit der negativen Rückkopplung des Vorderrad-Winkels. Die Rückkopplungs-Schleife der Winkelgeschwindigkeit setzt sich zusammen aus der Regelstrecke des Vorderrades 44, vom Eingang u_c bis zur Winkelgeschwindigkeit ω des Vorderrades, und dem Kompensator der Rückkopplungs-Schleife der Geschwindigkeit C_r(s) 48, mit der negativen Rückkopplung der Winkelgeschwindigkeit des Vorderrades. Der Positionsregler C(s) 46 und der Kompensator C_r(s) 48 sind entsprechend gestaltet, basierend auf den Anforderungen des Regelsystems nach Stabilität und Leistungsfähigkeit, wie Gleichlauffehler des Vorderrad-Winkels, Reaktionszeit und Dämpfung.
Die Regelschleife des Reibungsausgleichs, von der Winkelgeschwindigkeit des Vorderrades ω bis zu einem abgeschätzten Reibungswert τ_fe, wird zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des elektronischen Lenksystems 10 eingeführt. In der Regelschleife des Reibungsausgleichs wird die Winkelgeschwindigkeit des Vorderrades an einen Prädiktor der Reibung 50 und eine Verstärkungsfunktion 52 gesendet. Der Reibungs-Prädiktor 50 basiert auf dem bekannten Reibungsmodell aus Gleichung (1), mit der Annahme der Verwendung des statischen Reibungsmodells. Das Ausgangsmoment des Prädiktors der Reibung 50 und der Verstärkerfunktion 52 ist die abgeschätzte Reibung τ_fe, die dann zu dem Regelsignal u_c addiert wird, um das Reibmoment τ_f, das in der Regelstrecke 44 vorhanden ist, auszugleichen.
Der Prädiktor der Reibung 50 in 6 kann alternativ, durch Verwenden der nicht-linearen Reibung, wie statische und coulombsche Reibung, die Reibung im System ausgleichen. In diesem Fall können die linearen Anteile der Reibung, wie die viskose Dämpfung, durch den Kompensator der Regelschleife der Geschwindigkeit C_r(s) 48 ausgeglichen werden.
Ein anderes Beispiel der Methodenlehre eines modellgestützten Reibungsausgleichs, die am elekeronischen Lenksystem 10 anwendbar ist, ist ein Verfahren zum Reibungsausgleich durch Beobachtung der Störung. In dieser Methode kann das Reibmoment als Störmoment betrachtet werden. Dieses Ausgleichsverfahren verwendet einen Beobachter', um das Störmoment zu bewerten. Das bewertete Störmoment wird dann zum Ausgleich der Reibung verwendet.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des Reibungsausgleichs durch Regelung des Störmoments durch Beobachtung (DTO). Der Beobachter der Störung ist ausgelegt, ein unbekanntes Drehmoment durch Verwenden einer Invertierung des dynamischen Modells des Vorderrades und eines Tiefpasses zu bewerten. Wie in 7 dargestellt, besteht die DTO aus einem inversen nominalen Modell 1/G(s) 58 der Regelstrecke des Vorderrades 44 und einem Tiefpass Q(s) 60. Der Ausgang τ_fo dieser DTO ist eine Bewertung des störenden Reibmoments τ_f. Dieses bewertete Moment wird zum Regelsignal u_c addiert, um die nicht-lineare Reibung τ_f auszugleichen.
Wie oben erwähnt, sind der Regler der Positions-Regelschleife C(s) 54 und der Kompensator der Geschwindigkeits-Regelschleife Cr(s) 56, dargestellt in 7, entsprechend gestaltet, basierend auf den Anforderungen des Regelsystems an Stabilität und Leistungsfähigkeit. Der nicht-lineare Reibungsausgleich kann durch Verwenden der Beobachtung des Störmoments die Reibungseffekte überwinden, um die geforderten Ziele der Leistungsfähigkeit des Regelsystems zu erreichen.
Eine andere modellgestützte Methodenlehre zum Reibungsausgleich wendet adaptive Regeltechniken an. Die Methode der adaptiven Regelung ist besonders geeignet bei zeitveränderlichen Prozessen, was ein typischer Fall bei Reibungsmodellen ist, deren Parameter sich mit der Zeit ändern. Die Reibung im Mechanismus des Vorderrades 32, dargestellt in 2, ist abhängig von: dem Arbeitspunkt, der Last, dem Schmiermittel, der Abnutzung und der Temperatur. Der vorher beschriebene, modellgestützte Reibungsausgleich mit festen Parametern des Ausgleichs kann die erfolgreiche Behandlung dieses Problems einschränken. Experimente mit einem Regelsystem der Vorderräder haben gezeigt, dass die Parameter zum Reibungsausgleich in einem Kompensator mit festen Reibungsparametern empfindlich gegenüber den Betriebsbedingungen sind. Die Anpassung der Parameter im Verfahren zum Reibungsausgleich ist ebenfalls ziemlich kritisch, weil ungenaue Reibungsparameter zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Systems führen können. Das unten beschriebene Verfahren des adaptiven Reibungsausgleichs kann angewandt werden, um dieses Problem zu lösen.
8 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren des adaptiven Reibungsausgleichs. Wie in 8 dargestellt, umfasst die Regelung des adaptiven Reibungsausgleichs eine rekursive Kleistquadrat (recursive-least-square) (RLS) Schätzfunktion 66, die eine Abschätzung des Reibmomentes τ_fe zur Verfügung stellt, das dann zu dem Regelsignal u_c addiert wird, um die nicht-lineare Reibung τ_f, die in der Regelstrecke 44 vorhanden ist, auszugleichen. Wie oben erwähnt und wie in 8 dargestellt, sind der Regler der Positions-Regelschleife C(s) 62 und der Kompensator der Geschwindigkeits-Regelschleife C_r(s) 64 den Anforderungen an Stabilität und Leistungsfähigkeit des Regelsystems entsprechend gestaltet.
Diese adaptive Methodenlehre kann auch erweitert werden, um der Variation in anderen Parametern der Regelstrecke 44 gerecht zu werden und gibt deshalb ein besseres Reibungsmodell wieder. Weiterhin kann der Regler der Positions-Regelschleife C(s) 62 durch Anwenden von adaptiver Regelstruktur und Methodenlehre gestaltet werden. In diesem Fall ist es notwendig, das Modell der Regelstrecke zu erweitern und zusätzliche Modell-Parameter abzuschätzen. Wird die adaptive Regelung für die Regelstrecke der Vorderräder mit Reibung verwendet, sollten einige wichtige Probleme (Ergebnisse) sorgfältig berücksichtigt werden, einschließlich der Stabilitätsprobleme, anhaltende permanente Erregung der Eingänge zur Abschätzung der Parameter, Wiederholrate (der Parameter) und die Wahl der geeigneten Identifizierungs-Verfahren.
Als ein weiteres Beispiel kann im Regelsystem der Vorderräder ebenfalls ein Verfahren des Reibungsausgleichs durch adaptive Regelung mit Referenzmodell (MRAC) verwendet werden. Die MRAC ist eine Art der Methodenlehre der adaptiven Regelung, in der die geforderte Leistungsfähigkeit in den Bedingungen eines Referenzmodells ausgedrückt wird. Der Ausgang eines Referenzmodells stellt die geforderte Reaktion des aktuellen Systems zur Verfügung. Das Verfahren nach MRAC zwingt das System, dem Referenzmodell, trotz geringen Wissens über die Modell-Parameter des Systems, zu folgen.
9 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelsystems des Vorderrades mit einem Verfahren zum Reibungsausgleich durch adaptive Regelung mit Referenzmodell (nach MRAC). Die Hauptkomponenten des MRAC-Verfahrens umfassen ein Referenzmodell M(s) 70, das den geforderten Ausgang des geregelten Systems spezifiziert, eine gewöhnliche Rückkopplungs-Schleife der Winkelposition des Vorderrades mit dem Regler C(s) 68 und der Regelstrecke 44. Eine andere Rückkopplungs-Schleife mit einer Schätzfunktion 72 aktualisiert und gleicht die Parameter des Reglers C(s) 68, auf der Basis der Rückkopplung einer Fehlergröße e, ab, wobei der Fehler die Differenz zwischen dem Ausgangswinkel des Vorderrades Θ und dem Ausgang des Referenzmodells 70 ist. Als ein Ergebnis wird der Ausgangswinkel des Vorderrades Θ dem Ausgang des Referenzmodells folgen und die Auswirkung des Reibmoments τ_f wird verringert.
Obgleich eine typische MRAC in der Lage ist, den geregelten Ausgang in Gleichlauf mit dem geforderten Modellausgang zu zwingen, muss besonders auf die charakteristische, nicht lineare, Dynamik der Reibung geachtet werden, welche die Bewegung im Wechsel zwischen Haften und Gleiten beherrscht. In einem aktuellen Regelsystem des Vorderrades kann es notwendig werden, einen nicht-linearen Kompensator der positiven Rückkopplung hinzu zu fügen, um die Grenzzyklen, von der nicht-linearen Reibung erzeugt, auszuschalten.
In den oben erwähnten modellgestützten Verfahren des Reibungsausgleichs wird ein genaues Reibungsmodell benötigt, um zufrieden stellende Ergebnisse des Reibungsausgleichs zu erhalten. Die Leistungsfähigkeit der modellgestützten Regelung des Reibungsausgleichs ist deshalb letztlich auf die Fähigkeit des Modells beschränkt, die Dynamik des Modells der Regelstrecke, einschließlich der Reibung, genau zu beschreiben. Wird ein nicht modellgestützter Reibungsausgleich verwendet, ist es nicht notwendig, die Reibung in ein Modell zu bringen oder die Änderung der Parameter des Modells der Regelstrecke mathematisch zu berücksichtigen.
Im Regelsystem eines elektronischen Lenksystems der Vorderräder sind nicht-lineare und unregelmäßige Reibungs-Charakteristiken bei niedrigen Geschwindigkeiten offensichtlich. Modellgestützte Verfahren zum Reibungsausgleich können nicht robust genug sein, um diese Unregelmäßigkeiten hinreichend auszugleichen. Dementsprechend sind nicht modellgestützte Verfahren zum Reibungsausgleich, die mit hoch nichtlinearen Modellen umgehen können, für den Reibungsausgleich in einem Regelsystem der Vorderräder geeignet. Im Speziellen kann ein Verfahren der Regelung mit Fuzzy-Logik, in Verbindung mit einem klassischen Verfahren der Rückkopplungs-Regelung, zum Reibungsausgleich im Regelsystem der Vorderräder verwendet werden.
10 zeigt ein Blockdiagramm des Regelsystems des Vorderrades mit einem nicht modellgestützten Reibungsausgleich in Verbindung mit einen Reibungsausgleich auf der Basis von Fuzzy-Logik. Die Methodenlehre der Fuzzy-Logik ermöglicht das direkte Verwenden von experimentellen Ergebnissen bei der Gestaltung eines komplexen nicht-linearen Reibungsausgleichs und löst Gestaltungsprobleme der Regelstrecke und der Reibung.
Wie in 10 dargestellt, umfasst das nicht modellgestützte Verfahren des Reibungsausgleichs eine Schätzfunktion 76 der Reibung, basierend auf Fuzzy-Logik, um die aktuelle Reibung abzuschätzen, die auf der Winkelgeschwindigkeit des Vorderrades und dem Fehler zwischen dem aktuellen Vorderradwinkel Θ und dem Referenzwinkel des Vorderrades Θ_ref basiert. Die abgeschätzte Reibung wird in einem Filter 78 verarbeitet, der das Ausgleichsmoment τ_fe erzeugt, um das aktuelle Reibmoment τ_f, in der Regelstrecke 44 vorhanden, auszugleichen. Das Verfahren der Rückkopplungs-Regelung der Winkelposition des Vorderrades mit dem Regler 74 ist mit dem Verfahren der Fuzzy-Reglung verbunden und gleicht die restliche Reibung aus.
Die gegenwärtige Erfindung kann weiterhin beschrieben werden mit Verweis auf eine Methodenlehre zum Reibungsausgleich in einem elektronischen Lenksystem. 11 ist ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens eines elektronischen Lenksystems, einschließlich der Schritte des Reibungsausgleichs.
Wie in 11 dargestellt, wird in Schritt S 100, zu Beginn des Betriebsverfahrens eines elektronischen Lenksystems, ein bestimmter Lenkwert durch das Regelsystem des Lenkrades festgelegt. Dieser bestimmte Lenkwert bezieht sich im Allgemeinen auf einen Winkel bei der Drehung des Lenkrades und seine Festlegung wird vom Regelsystem des Lenkrades 11 durchgeführt. Dieser bestimmte Lenkwinkel wird an das Regelsystem der Vorderräder übertragen. Der bestimmte Lenkwinkel wird in der Weise als Referenzwinkel der Vorderräder verwendet, dass die aktuellen Winkel der Vorderräder diesem Referenzwinkel folgen können, wie in Schritt S 102 dargestellt.
In Schritt S 103 wird ein Regelwert für das Motor-Drehmoment (der Motor-Stellglieder) durch den Regel-Algorithmus in der Weise festgelegt, dass die aktuellen Winkel der Vorderräder im Gleichlauf mit den Referenzwinkeln der Vorderräder sind. Dieser Regelwert wird im Allgemeinen durch den Regler der Rückkopplung der Winkelposition C(s) erzeugt, der in jedem Regelverfahren, von 6 bis 10, dargestellt ist.
In Schritt S 104 wird ein Wert für den Reibungsausgleich festgelegt, um die mechanische Reibung, die im elektronischen Lenksystem 10 vorhanden ist, auszugleichen und um die gesamte Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern. Der Wert des Reibungsausgleichs kann festgelegt werden durch: ein Verfahren durch DTO (Disturbance Torque Observer-Based Scheme) beobachterbasiertes Schema des Störmoments, ein Verfahren des adaptiven Reibungsausgleichs, ein Verfahren durch MRAC (Model Reference Adaptive Control), einem standardmäßigen modellgestützten Verfahren oder einem nicht modellgestützten Verfahren.
In Schritt S 104 werden der Regelwert des Motor-Drehmoments und der Wert des Reibungsausgleichs zu einem Regelsignal summiert, um den Mechanismus der Vorderräder mit der nicht-linearen Reibung zu regeln.
In Schritt S 106 wird die aktuelle Reibung durch den Wert des Reibungsausgleichs ausgeglichen. Das effektive Regelsignal wird dann verwendet, um die Vorderräder in der Weise zu bewegen, dass sie in Gleichlauf mit dem bestimmten Lenkwert sind, wie in Schritt S 108 dargestellt.
Die Methodenlehre der gegenwärtigen Erfindung wird durch das Hinzufügen des Schrittes S 112 weiter verbessert, der das Erzeugen eines Reibungsmodells erfordert, das die aktuellen Reibmomente im elektronischen Lenksystem 10 darstellt. In Schritt S 110 wird ein mathematisches Modell der Reibung im elektronischen Lenksystem 10 verwendet, um sich der aktuellen Reibung anzunähern. Diese Modelle werden in den Verfahren des modellgestützten Reibungsausgleichs verwendet, um die Werte für den Reibungsausgleich zu erzeugen.
Die vorangegangene Diskussion zeigt und beschreibt eine bevorzugte Realisierung der Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Diskussion, aus der begleitenden Zeichnung und den Ansprüchen leicht erkennen, dass Änderungen und Modifikationen der Erfindung möglich sind, ohne sich vom Bereich der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen festgelegt ist, zu entfernen. Die Erfindung ist in einer illustrativen Art und Weise beschrieben worden und es ist selbstverständlich, dass die verwendete Terminologie beabsichtigt, eher in der Natur der Worte der Beschreibung zu sein als in ihrer Beschränkung.

Claims

Ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Lenksystems (10) in einem Fahrzeug, das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: – Festlegen eines bestimmten Lenkwertes für die Richtung von mindestens einem Vorderrad (z.B. 26a), welches mindestens eine Vorderrad (z.B. 26a) sich in einer Anordnung der Vorderräder (26a, 26b) befindet; – Senden eines Signals, das dem bestimmten Lenkwert entspricht, an das System der Vorderräder (26a, 26b), das mindestens ein Motor-Stellglied (24a, 24b) aufweist; – Festlegen eines Drehmoment-Regelwertes für das Motor-Stellglied (24a, 24b) durch einen Regelalgorithmus; – Festlegen eines Wertes für den Reibungsausgleich; – Kompensieren des bestimmten Lenkwertes, der durch mechanische Reibung beeinträchtigt ist, mit dem Wert des Reibungsausgleichs; und – Betätigen der Vorderräder (26a, 26b) in Abhängigkeit von dem bestimmten Lenkwert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt aufweist, ein Reibungsmodell zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem standardmäßigen, modellgestützten Verfahren festgelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem Verfahren mit Regelung des Störmoments durch Beobachtung festgelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem Verfahren des adaptiven Reibungsausgleichs festgelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem Verfahren der adaptiven Regelung mit Referenzmodell festgelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Reibungsausgleichs gemäß einem nicht modellgestützten Verfahren festgelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht modellgestützte Verfahren eine Schätzfunktion der Reibung mit Fuzzy-Logik einschließt.
Ein elektronisches Lenksystem für ein Fahrzeug mit – einem Lenkrad (12), das mit einem Lenkrad-Winkelsensor (14) und einem Lenkrad-Stellglied (16) verbunden ist; – einem ersten Vorderrad (z.B. 26a), das mit einer schwenkbaren Vorrichtung verbunden ist, um Änderungen des Lenkwinkels zu ermöglichen, und das mit einem Vorderrad-Winkelsensor (22a, 22b) und einem Vorderrad-Stellglied (24) verbunden ist; und – einem Regler (18), der mit dem Lenkrad-Winkelsensor (14), mit dem Lenkrad-Stellglied (16), mit dem Vorderrad-Winkelsensor (z.B. 22a) und dem Vorderrad-Stellglied (24) verbunden ist, und der den Regelwert des Betätigungs-Drehmoments des Vorderrades (z.B. 26a) vorgibt, um das Vorderrad-Stellglied (24) zu betätigen und das Vorderrad (z.B. 26a) zu drehen, wodurch eine Winkelbewegung des Vorderrades (z.B. 26a) erzeugt wird, und der weiterhin den Regelwert des Betätigungs-Drehmoments des Lenkrades (12) vorgibt, um das Lenkrad-Stellglied (16) zu betätigen und die Lenksäule (13) zu drehen, wodurch ein Reaktions-Drehmoment am Lenkrad (12) erzeugt wird; – wobei der Lenkrad-Winkelsensor (14) eine Winkelposition des Lenkrades (12) erfasst und – wobei weiterhin der Vorderrad-Winkelsensor (z.B. 22a) den Winkel des Vorderrades (z.B. 26a) erfasst; und – wobei der Regler (18) weiterhin einen Wert des Reibungsausgleichs erzeugt und zudem die mechanische Reibung durch den Wert des Reibungsausgleichs kompensiert.