DE102007054018A1

DE102007054018A1 - Verfahren zur aktiven Ansteuerung einer Servoventilbaugruppe

Info

Publication number: DE102007054018A1
Application number: DE102007054018A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Bröcker
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-05-14
Also published as: US20090171534A1

Abstract

Ein Verfahren zur aktiven Ansteuerung einer Servoventilbaugruppe in einem elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystem umfaßt folgende Verfahrensschritte: a) Als Eingangsgrößen werden ein Lenkradwinkel (phiHW) und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit $I1 ermittelt; b) als weitere Eingangsgrößen werden ein Ritzelwinkel (phiPinion) und eine Ritzelwinkelgeschwindigkeit $I2 ermittelt; c) es wird ein Sollwert (phiHW,Ref) für den Lenkradwinkel (phiHW) vorgegeben; d) die Eingangsgrößen $I3 und der Lenkradwinkel-Sollwert (phiHW,Ref) werden jeweils mit einem Verstärkungsparameter (k1, k2, k3, k4 und k0) multipliziert; e) durch Summation der verstärkten Eingangsgrößen $I4 und des verstärkten Lenkradwinkel-Sollwerts (phiHW,Ref) wird eine Stellgröße (TEM) für einen Servoventilaktuator ermittelt, der ein Ventilbauteil der Servoventilbaugruppe betätigt; f) der Servoventilaktuator wird entsprechend der Stellgröße (TEM) angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Ansteuerung einer Servoventilbaugruppe in einem elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystem.
Gewöhnliche, als Zahnstangenlenkung ausgebildete hydraulische oder elektrohydraulische Fahrzeuglenksysteme (EHPS) sind nicht in der Lage, eine aktive Regelung der Lenkposition bei freigelassenem Lenkrad durchzuführen, da sie prinzipbedingt nur bei einer manuellen Lenkradbetätigung eine Torsionsstabverdrehung bewirken und damit eine an der Zahnstange aufgeprägte Hilfskraft generieren.
Um der vom Fahrer vorgegebenen Servounterstützungskraft eine von einer elektronischen Steuereinheit bestimmten Unterstützungskraft, d. h. ein zusätzliches Lenkmoment zu überlagern, ist in der DE 10 2006 055 279 A1 bereits eine Servoventilbaugruppe beschrieben, die eine elektrische Momentenüberlagerungseinheit aufweist. Die Momentenüberlagerungseinheit ist dabei als Servoventilaktuator ausgebildet und betätigt eine Ventilhülse der Servoventilbaugruppe, wodurch direkt ein Differenzdruck in den Hydraulikzylinderkammern des hydraulischen oder elektrohydraulischen Lenksystems erzeugt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Momentenüberlagerungseinheit einer Servoventilbaugruppe mit geringem Aufwand so anzusteuern, daß sich bei freigelassenem Lenkrad ein gewünschter Lenkeinschlag des Lenkrads bzw. der lenkbaren Räder einstellt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur aktiven Ansteuerung einer Servoventilbaugruppe in einem elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystem, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) als Eingangsgrößen werden ein Lenkradwinkel und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit ermittelt;
b) als weitere Eingangsgrößen werden ein Ritzelwinkel und eine Ritzelwinkelgeschwindigkeit ermittelt;
c) es wird ein Sollwert für den Lenkradwinkel vorgegeben;
d) die Eingangsgrößen und der Lenkradwinkel-Sollwert werden jeweils mit einem Verstärkungsparameter multipliziert;
e) durch Summation der verstärkten Eingangsgrößen und des verstärkten Lenkradwinkel-Sollwerts wird eine Stellgröße für einen Servoventilaktuator ermittelt, der ein Ventilbauteil der Servoventilbaugruppe betätigt;
f) der Servoventilaktuator wird entsprechend der Stellgröße angesteuert.

Die Erfindung basiert auf einem regelungstechnischen Verfahren zur Trajektoriensteuerung eines Lenkrad- bzw. Fahrerwinkels bei freigelassenem Lenkrad. Der Servoventilaktuator betätigt ein Ventilbauteil der Servoventilbaugruppe, vorzugsweise die Ventilhülse, und bewirkt somit direkt einen Differenzdruck in den Hydraulikzylinderkammern des hydraulischen oder elektrohydraulischen Lenksystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird als unterlagerter Regelkreis zur Anwendung von Parkassistenten und Spurhalteassistenten bei hydraulischen oder elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystemen verwendet. Es kommt bevorzugt bei Lenksystemen zum Einsatz, die als Zahnstangenlenkungen ausgebildet sind und einen Servoventilaktuator d. h. eine elektrisch verstellbarer Steuereinheit zur Momentenüberlagerung aufweisen. In der DE 10 2006 055 279 A1 , auf die ausdrücklich und in vollem Umfang Bezug genommen wird, ist bereits eine Servoventilbauguppe für eine Zahnstangenlenkung offenbart, die einen Servoventilaktuator umfaßt. Darüber hinaus sind Zahnstangenlenkungen mit Servounterstützung allgemein aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb auf deren Konstruktion lediglich am Rande, zur genauen Definition der verwendeten Winkel eingegangen wird.
Bei servounterstützten Zahnstangenlenkungen ist in der Regel ein Lenkrad mit einer Eingangswelle eines Servoventils fest verbunden, wobei der Winkel zwischen der Eingangswelle und einem karosseriefesten Gehäuse als Fahrerwinkel oder Lenkradwinkel bezeichnet wird und in einer Lenkradmittenstellung zu 0° definiert ist. Die Ventileingangswelle ist mit einer Ausgangswelle bzw. einem Ritzel der Servoventilbaugruppe gekoppelt (beispielsweise über einen Torsionsstab), wobei das Ritzel mit einer Zahnstange kämmt, welche die lenkbaren Räder des Fahrzeugs verstellt. Der Winkel zwischen dem Ritzel und dem karosseriefesten Gehäuse wird als Ritzelwinkel bezeichnet und ist in einer Mittenstellung der lenkbaren Räder (Geradeausfahrt) zu 0° definiert.
Bei einer Fahrzeuglenkung mit Servoventilaktuator gemäß der DE 10 2006 055 279 A1 ist eine Besonderheit, daß eine Ventilhülse der Ventilbaugruppe nicht starr mit der Ausgangswelle bzw. dem Ritzel gekoppelt ist, sondern durch den Servoventilaktuator verstellt werden kann. Der Winkel, den der Servoventilaktuator zwischen Ventilhülse und Ritzel einstellt, wird als Ventiloffsetwinkel bezeichnet und entspricht bei einem als Elektromotor ausgebildeten Servoventilaktuator unter Berücksichtigung einer Getriebeübersetzung einem Motordrehwinkel. Aus den vorgenannten Winkeln ergibt sich letztlich ein sogenannter Ventilöffnungswinkel, der die Verdrehung zwischen der Ventileingangswelle und der Ventilhülse angibt. Dieser Winkel bestimmt den Ventildurchfluß zu Arbeitskammern eines Hydraulikzylinders und damit die hydraulische Lenkkraft auf die Zahnstange bzw. die lenkbaren Räder.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Lenkradwinkel im Schritt a) direkt aus Sensordaten gewonnen. Ein Lenkwinkelsensor zur Erfassung des Lenkradwinkels ist heutzutage bereits in vielen Fahrzeugen standardmäßig vorgesehen oder kann mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.
Hingegen wird der Ritzelwinkel im Schritt b) vorzugsweise indirekt über den Lenkradwinkel und ein gemessenes Handmoment abgeschätzt. Wie oben erwähnt, sind bereits zahlreiche hydraulische oder elektrohydraulische Servolenksysteme mit einem Lenkwinkelsensor ausgestattet. Ein Lenkmomentsensor ist in einigen Ausführungsformen ebenfalls vorhanden oder kann mit geringem Aufwand nachgerüstet werden, um die Funktionalität geeignet darzustellen. Somit fällt bei dieser indirekten Ermittlung des Ritzelwinkels kein oder lediglich ein minimaler Mehraufwand durch zusätzliche Sensoren an.
Die Ritzelwinkelgeschwindigkeit im Schritt b) kann dann im folgenden einfach durch zeitliche Ableitung des abgeschätzten Ritzelwinkels ermittelt werden.
Die Verstärkungsparameter der Eingangsgrößen werden vorzugsweise per Polvorgabe aus einer linearen Zustandsrückführung gewonnen.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung wird der Lenkradwinkel-Sollwert in Schritt c) mittels einer Parkassistenz- oder Spurhalteassistenzfunktion vorgegeben und im Schritt d) mit dem Verstärkungsparameter multipliziert, wobei der Verstärkungsparameter ein Reglerparameter zur Vorsteuerung ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Verfahrenvariante beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigt:
1 ein elektrohydraulisches Lenksystem mit Momentenüberlagerung im Fahrer/Fahrzeug-Verbund;
2 die schematische Darstellung eines Fahrzeuglenksystems mit einem Servoventilaktuator zur Momentenüberlagerung; und
3 ein Blockschaltbild des Regelgesetzes zur Trajektoriensteuerung des Lenkradwinkels bei freigelassenem Lenkrad.
Ein elektrohydraulisches Lenksystem mit Momentenüberlagerung läßt sich im Fahrer/Fahrzeug-Verbund entsprechend 1 darstellen. Hierbei sind die physikalischen Eingangsgrößen in das Lenksystem ein Fahrerwinkel bzw. ein Fahrermoment und eine Zahnstangenkraft. Ausgänge des Lenksystems sind ein sensiertes Handmoment sowie eine Zahnstangenposition. Im Folgenden wird die Regelstrecke bestehend aus dem elektrohydraulischen Hilfskraft-Lenksystem und einem Servoventilaktuator betrachtet.
Für das freigelassene Lenksystem (Fahrer nimmt die Hände vom Lenkrad) läßt sich eine lineare Zustandsmodellbeschreibung vereinfacht formulieren durch:
Hierbei ist u₁ der erste Eingang, u₂ der zweite Eingang, y der Ausgang, und x der Zustandsvektor. Ferner wird im folgenden davon ausgegangen, daß der Servoventilaktuator zur Momentenüberlagerung einen Elektromotor sowie ein Getriebe umfaßt, um die Ventilhülse relativ zum Ritzel zu verdrehen.
Der Zustandsvektor ist dann gegeben durch: x = [φHW φ .HW xRack x .Rack φEM φ .EM]T (2) mit den physikalischen Größen Lenkradwinkel φ_HW, Lenkradwinkelgeschwindigkeit φ ._HW, Zahnstangenposition x_Rack, Zahnstangengeschwindigkeit x ._Rack und Motordrehwinkel φ_EM sowie Motorwinkelgeschwindigkeit φ ._EM (vgl. 2).
Die beiden Eingänge und der Ausgang werden definiert zu: u1 = FAssist – FReaction u2 = TEM y = X1 = φHW (3)mit einer Zahnstangenunterstützungskraft F_Assist, einer externen Zahnstangenkraft F_Reaction, einer Stellgröße des Servoventilaktuators, d. h. konkret einem Stellmoment T_EM des Elektromotors und dem Lenkradwinkel φ_HW.
Der Vorteil dieser vereinfachten Beschreibung ist, daß zwei voneinander entkoppelte Teilsysteme vorhanden sind, die nur durch die Hydraulik d. h. durch die Generierung der Zahnstangenunterstützungskraft F_Assist eine gegenseitige Wirkung haben (vgl. 2). Die Generierung der Zahnstangenunterstützungskraft F_Assist erfolgt über die Ansteuerung des elektrohydraulischen Lenksystems sowie des Servoventilaktuators, also über die physikalischen Größen Lenkradwinkel φ_HW, Ritzelwinkel φ_Pinion sowie Ventiloffsetwinkel φ_VO. Ein Ventilöffnungswinkel φ_VS der Servoventilbaugruppe ergibt sich zu: φVS = φHW – φPinion – φVO (4)woraus sich die Zahnstangenunterstützungskraft F_Assist als Funktion des Ventilöffnungswinkels ergibt: FAssist = f(φVS) (5)
Der Ritzelwinkel φ_Pinion bzw. die Ritzelgeschwindigkeit φ ._Pinion sind über die Ritzelübersetzung i_Pinion gegeben:
Die Systemmatrix nach Gleichung (1) ist gegeben zu:
sowie die Eingangsvektoren und der Ausgangsvektor:
Die Systemparameter des Lenksystems mit Momentenüberlagerung lauten:
Torsionsstabsteifigkeit c_TS und Torsionsstabdämpfung d_TS,
Lenkradmassenträgheitsmoment J_HW und Lenkraddämpfung d_HW,
Zahnstangenmasse m_Rack und Ritzelübersetzung i_Pinion, sowie
Elektromotor-Massenträgheitsmoment J_EM, Motorsteifigkeit c_EM und Motordämpfung d_EM.
Damit die beiden entkoppelten Teilsysteme ansteuerbar sind, wird ein neuer Eingang ν eingeführt: ν = u1 (9)auf den eine lineare Zustandsrückführung angewendet wird: ν = k0yRef + k T x = k0yRef + k1x1 + k2x2 + k3x3 + k4x4 (10)
Hierbei ist y_Ref = φ_HW,Ref das Referenzsignal für die Lenkwinkelregelung, welches als Sollgröße aus überlagerter Parkassistenzfunktion oder überlagerter Spurhalteassistenzfunktion berechnet wird. Der Reglerparameter k₀ dient zur Vorsteuerung und die weiteren Parameter k₁, k₂, k₃, k₄ werden per Polvorgabe der Zustandsrückführung ermittelt. Die Stellgröße für den Servoventilaktuator, d. h. konkret das Stellmoment T_EM für den Elektromotor, wird berechnet zu: TEM = u2 ≈ i*ν = k0yRef + k T x = k0yRef + k1x1 + k2x2 + k3x3 + k4x4 (11)und ist in 3 dargestellt. Dabei stellt die mechanische Übersetzung i* die Transformation einer Zahnstangenkraft in das Elektromotor-Stellmoment T_EM dar.
Für das regelungstechnische Verfahrens zur Trajektoriensteuerung des Lenkradwinkels φ_HW werden die Sensorsignale Lenkradwinkel φ_HW bzw. Lenkradwinkelgeschwindigkeit φ ._HW benötigt: x1,S = φHW (12a) x2,S = φHW (12b)
Die Berechnung des dritten und vierten Zustands, d. h. des Ritzelwinkels φ_Pinion und der Ritzelwinkelgeschwindigkeit φ ._Pinion, erfolgt über die Schätzung mit einem gemessenen Handmoment T_TS (vgl. 2) und mit den gemessenen Größen aus den Gleichungen (12a) und (12b):
wobei das Handmoment T_TS mit einem Lenkmomentsensor bestimmt wird.
Aus den Gleichungen (12a) und (12b) und den Gleichungen (13a) und (13b) ergibt sich eingesetzt in Gleichung (11): TEM = k0yRef + k1x1,S + k2x2,S + k3x ~3 + k4x ~4 (14)
Dieses Regelgesetz entspricht dem Blockschaltbild in 3.
Ausgehend von der Sollwertvorgabe φ_HW,Ref eines Parkassistenzsystems oder eines Spurhalteassistenzsystems wird mit dem beschriebenen Verfahren die Stellgröße T_EM für den Elektromotor des Servoventilaktuators ermittelt. Bei entsprechender Ansteuerung des Servoventilaktuators wird ein Ventilbauteil der Servoventilbaugruppe (vorzugsweise die Ventilhülse) so betätigt, daß sich über eine resultierende, hydraulische Unterstützungskraft an der Zahnstange der gewünschte Lenkradwinkel einstellt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für automatische oder halbautomatische Parkiervorgänge bei denen der Fahrer kein Handmoment aufbringt, also das Lenkrad freigibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006055279 A1 [0003, 0007, 0009]

Claims

Verfahren zur aktiven Ansteuerung einer Servoventilbaugruppe in einem elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystem, mit folgenden Verfahrensschritten: a) als Eingangsgrößen werden ein Lenkradwinkel (φ_HW) und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit (φ ._HW) ermittelt; b) als weitere Eingangsgrößen werden ein Ritzelwinkel (φ_Pinion) und eine Ritzelwinkelgeschwindigkeit (φ ._Pinion) ermittelt; c) es wird ein Sollwert (φ_HW,Ref) für den Lenkradwinkel (φ_HW) vorgegeben; d) die Eingangsgrößen (φ_HW, φ ._HW, φ_Pinion, φ ._Pinion) und der Lenkradwinkel-Sollwert (φ_HW,Ref) werden jeweils mit einem Verstärkungsparameter (k₁, k₂, k₃, k₄ und k₀) multipliziert; e) durch Summation der verstärkten Eingangsgrößen (φ_HW, φ ._HW, φ ._Pinion) und des verstärkten Lenkradwinkel-Sollwerts (φ_HW,Ref) wird eine Stellgröße (T_EM) für einen Servoventilaktuator ermittelt, der ein Ventilbauteil der Servoventilbaugruppe betätigt; f) der Servoventilaktuator wird entsprechend der Stellgröße (T_EM) angesteuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradwinkel (φ_HW) im Schritt a) direkt aus Sensordaten gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ritzelwinkel (φ_Pinion) im Schritt b) indirekt über den Lenkradwinkel (φ_HW) und ein gemessenes Handmoment (T_TS) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ritzelwinkelgeschwindigkeit (φ ._Pinion) im Schritt b) durch zeitliche Ableitung des abgeschätzten Ritzelwinkels (φ_Pinion) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsparameter (k₁, k₂, k₃, k₄) der Eingangsgrößen (φ_HW, φ ._HW, φ_Pinion, φ._Pinion) per Polvorgabe aus einer linearen Zustandsrückführung gewonnen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkradwinkel-Sollwert (φ_HW,Ref) in Schritt c) mittels einer Parkassistenz- oder Spurhalteassistenzfunktion vorgegeben wird und im Schritt d) mit dem Verstärkungsparameter (k₀) multipliziert wird, wobei der Verstärkungsparameter (k₀) ein Reglerparameter zur Vorsteuerung ist.