DE10209610A1 - Control device for a power amplifier with adaptive control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Steuer- oder Regelvorrichtung, die in einem Kraftverstärker verwendet wird, um einen Kraftsteller zu steuern oder zu regeln, der manuell aufgebrachte Kräfte bzw. Momente verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine adaptive Regelstrategie eingesetzt wird, mit der die Stabilität des Gesamtsystems über ein adaptives Verhalten des Gesamtsystems erreicht wird.The invention relates to a control device that is used in a power amplifier to control or regulate a power controller that amplifies manually applied forces or moments, characterized in that an adaptive control strategy is used with which the stability of the overall system is achieved via an adaptive behavior of the overall system.
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuer- oder Regelvorrichtung, die in einem Kraftverstärker verwendet wird, um einen Kraftsteller zu steuern oder zu regeln, der manuell aufgebrachte Kräfte bzw. Momente verstärkt. The invention relates to a control or regulating device in one Power amplifier is used to control or regulate a power controller, which increases manually applied forces or moments.
Kraftverstärker werden in unterschiedlichen Bereichen zur Verstärkung der von Menschen aufgebrachten Kräfte oder Momente eingesetzt, insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik bei Servolenksystemen, um den vom Fahrer manuell vorgenommenen Lenkvorgang zu unterstützen. Zu diesem Zweck ist ergänzend zur reinen Übertragungsmechanik vom Lenkrad zu den Rädern eine Lenkkraftunterstützung entwickelt worden. Hierbei handelt es sich oft um rein hydraulische Systeme, deren Eigenschaften wie etwa die Unterstützungscharakteristik durch ihre konstruktive Gestaltung bestimmt werden und damit weitgehend unveränderlich sind. Darüber hinaus sind in den letzten Jahren elektromechanische und elektrohydraulische Servolenksysteme eingeführt worden, die ein hohes Potential an programmierbaren Systemeigenschaften aufweisen. Bei diesen Systemen wird in der Regel das Lenkmoment gemessen und über einen elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller unterstützt. Die Höhe der Unterstützung kann dabei in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie etwa der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Fahrzeugtyps etc. beliebig eingestellt werden. Das Regelsystem des Kraftverstärkers ermittelt aus dem Lenkmoment und anderen Einflußgrößen die benötigte Lenkunterstützung und gibt diese als Sollgröße an den Kraftsteller. Allerdings ist die Höhe der Unterstützung durch die Eigendynamik des Systems begrenzt. Zu hohe Verstärkungsfaktoren führen zu Instabilitäten des Gesamtsystems, die nur durch einen hohen regelungstechnischen Aufwand z. B. über eine Zustandsvektorrückführung ausgeglichen werden können. Diese Art der Regelung ist sehr komplex und erfordert oft zusätzliche Sensorik, weshalb in heutigen Systemen eher geringe Verstärkungsfaktoren verwendet werden. Power amplifiers are used in different areas to reinforce the forces or moments used by people, especially in Area of vehicle technology for power steering systems, around which the driver manually to support the steering process carried out. To this end is complementary for pure transmission mechanics from the steering wheel to the wheels Power steering has been developed. This is often pure hydraulic systems, the properties of which, such as Support characteristics can be determined by their constructive design and are therefore largely unchangeable. In addition, the past Years ago, electromechanical and electro-hydraulic power steering systems were introduced that have a high potential of programmable system properties exhibit. The steering torque is usually measured in these systems and supported by an electrical or electrohydraulic power controller. The The amount of support can depend on various parameters such as such as the vehicle speed, the vehicle type etc. arbitrarily set become. The control system of the power amplifier determines from the steering torque and other influencing variables the required steering assistance and gives this as Target size to the power controller. However, the level of support from the The system's own dynamic is limited. Too high gain factors lead to Instabilities of the overall system, which are only caused by a high level control engineering effort z. B. via a state vector feedback can be compensated. This type of regulation is very complex and often requires additional sensors, which is why in today's systems rather small Gain factors are used.
Elektromechanische und elektrohydraulische Servolenksysteme weisen darüber hinaus ein charakteristisches dynamisches Verhalten auf, welches als Systembandbreite bezeichnet wird und das abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die Systembandbreite ist kennzeichnend für die Reaktion des Servolenksystems auf unterschiedliche zeitliche Folgen von Lenkbewegungen (z. B. Links-Rechts-Links). Sie definiert sich über den Zuwachs an Kraftverstärkung durch den elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller im Verhältnis zum Anstieg des vom Fahrer ausgeübten Lenkmoments und über die Ansprechzeit, nach deren Ablauf eine Kraftverstärkung bei einer Lenkbewegung einsetzt. Diese Ansprechzeit stellt sich als eine Funktion des zeitlichen Wechsels der Lenkbewegungen dar. Der Verstärkungsfaktor wird in der Regel so gewählt, daß kurze Ansprechzeiten und damit ein stabiles Systemverhalten erreicht werden. Auch dies beschränkt die mögliche Größe der Verstärkung. Übersteigt bei einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit der zeitliche Wechsel einer Folge von Lenkbewegungen die Systembandbreite, so erscheint das Lenkverhalten bei Richtungsänderungen träge und verzögert, da der Lenkkraftverstärker nicht schnell genug reagiert. Show electromechanical and electrohydraulic power steering systems also a characteristic dynamic behavior, which as System bandwidth is called and that depends on the Vehicle speed is. The system bandwidth is characteristic of the Response of the power steering system to different time sequences of Steering movements (e.g. left-right-left). It defines itself through growth power boost by the electric or electrohydraulic power controller in relation to the increase in the steering torque exerted by the driver and above the response time, after which a power boost at a Steering movement begins. This response time is a function of the change of the steering movements over time. The amplification factor is in the Usually chosen so that short response times and thus a stable System behavior can be achieved. This also limits the possible size of the Gain. Exceeds at a certain vehicle speed temporal change of a sequence of steering movements the system bandwidth, so the steering behavior appears sluggish and delayed when changing direction, because the Power steering does not respond quickly enough.
Aus der Patentschrift US 5,504,403 ist eine Regelvorrichtung für einen Kraftverstärker eines Servolenksystems bekannt, bei der die Systembandbreite von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem manuell ausgeübten Lenkmoment unabhängig ist. Das Signal des Lenkmoment-Sensors wird über ein Hochpaßfilter und ein Tiefpaßfilter gefiltert, wobei die jeweilige Grenzfrequenz eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, darüber hinaus mit einem sich mit der Fahrzeuggeschwindigkeit verändernden adaptiven Filter verarbeitet und schließlich zur Steuerung des Kraftstellers verwendet. Auf diese Weise kann die Bandbreite des Lenksystems immer optimal gewählt werden. From the patent US 5,504,403 is a control device for a Power amplifier of a power steering system known in which the system bandwidth the vehicle speed and the manual steering torque is independent. The signal from the steering torque sensor is sent through a high-pass filter and a low-pass filter, the respective cut-off frequency being a function the vehicle speed is, moreover, with one with the Vehicle speed changing adaptive filter processed and finally used to control the power controller. In this way, the The range of the steering system should always be selected optimally.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuer- oder Regelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne zusätzliche Sensorik auch hohe Verstärkungsfaktoren realisieren kann, ohne daß eine Instabilität des Gesamtsystems auftritt. The object of the invention is a control or regulating device of the type mentioned at the outset, which is also high without additional sensors Gain can realize without instability of the Entire system occurs.
Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung eine adaptive Regelstrategie eingesetzt, mit der die Stabilität des Gesamtsystems über ein adaptives Verhalten des Gesamtsystems erreicht wird. Dabei wird über eine vom Verstärkungsfaktor abhängige Änderung der Bandbreite des Systems der elektromechanische bzw. elektrohydraulische Kraftverstärker in seiner Leistungsabgabe beschränkt. Bei steigenden Verstärkungsfaktoren wird die Bandbreite der Unterstützung gesenkt, und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren wird sie angehoben. Somit paßt sich das Gesamtsystem in seinem dynamischen Verhalten zur Aufrechterhaltung der Stabilität dem gerade erforderlichen Verstärkungsverhalten an, und es stellt sich eine genügend hohe Dämpfung bzw. genügend hohe Schnelligkeit des Systems ein. For this purpose, according to the invention, an adaptive control strategy used with the stability of the overall system via an adaptive behavior of the overall system is achieved. It is about one of the gain factor dependent change in the bandwidth of the system of electromechanical or electrohydraulic booster limited in its power output. at increasing amplification factors, the range of support is reduced, and as the gain drops, it will increase. So that fits Overall system in its dynamic behavior to maintain the Stability the reinforcement behavior just required, and it turns a sufficiently high damping or a sufficiently high speed of the system on.
Das Adaptionsverhalten selbst kann hinsichtlich der erforderlichen Dämpfung und Schnelligkeit innerhalb gewisser Grenzen an die Anforderungen des Systems angepaßt werden und ist somit in der Lage, ein breites Spektrum unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten abzudecken bzw. auf verschiedene äußere Einflüsse, die das Lenkverhalten beeinflussen können, spezifisch zu reagieren. The adaptation behavior itself can with regard to the required damping and speed within certain limits to the requirements of the system be adapted and is therefore able to offer a wide range of different To cover possible uses or to cover various external influences Can influence steering behavior, react specifically.
Eine über die Messung der manuell auf das Lenksystem einwirkenden Kräfte bzw. Momente hinausgehende Sensorik wird bei der erfindungsgemäßen Steuer- oder Regelvorrichtung nicht benötigt. Jedoch kann die Adaption an bestimmte Fahrzeugzustände wie etwa die Fahrzeuggeschwindigkeit angepaßt werden. A measurement of the forces acting manually on the steering system or sensors going beyond moments is used in the control or control device not required. However, the adaptation to certain Vehicle conditions such as vehicle speed can be adjusted.
Hierzu werden entsprechende Sensoren benötigt, welche die erforderlichen Fahrzeugzustands-Parameter liefern. Appropriate sensors are required for this, which are the required ones Deliver vehicle condition parameters.
Da zwischen der am Kraftsteller auftretenden Unterstützungskraft und dem manuell aufgebrachten Lenkmoment eine lineare Beziehung besteht, kann die Regelstrecke der adaptiven Regelung gemäß der Theorie der linearen Regler ausgelegt werden. Since between the support force occurring at the power controller and the manually applied steering torque there is a linear relationship, the Controlled system of adaptive control according to the theory of linear controllers be interpreted.
Die Adaption des Systems kann ebenso wie an verschiedene Fahrzeugzustände auch an unterschiedliche Fahrertypen angepaßt werden. So lassen sich für jeden Fahrertyp individuelle Einstellungen bzgl. des Lenkverhaltens des Fahrzeugs vornehmen. Ebenso kann das vom Fahrer wahrgenommenen Lenkgefühl über die veränderbare Dynamik der adaptiven Regelung beeinflußt werden. The system can be adapted as well as to different vehicle conditions can also be adapted to different types of drivers. So everyone can Driver type individual settings regarding the steering behavior of the vehicle make. Likewise, the steering feeling perceived by the driver via the changeable dynamics of the adaptive control are influenced.
Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen: The invention will now be described below with reference to various Embodiments described, which are illustrated in the accompanying drawings are. In these show:
Fig. 1 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems ohne Adaptionsmittel; Figure 1 is a schematic view of a controller structure of a power steering system without adaptation means.
Fig. 2 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems mit einem vor den Regler geschalteten adaptiven Filter; Figure 2 is a schematic view of a control structure of a power steering system with a connected before the regulator adaptive filter.
Fig. 3 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems mit einer Adaption des Reglers. Fig. 3 is a schematic view of a controller structure of a power steering system with an adaptation of the controller.
Fig. 1 zeigt eine Reglerstruktur eines Servolenksystems nach dem Stand der Technik. Bei diesem Servolenksystem wird mit einem Lenkrad 1 manuell ein Lenkmoment auf die Lenkwelle 3 aufgebracht und damit über ein Lenkgetriebe 5 ein Zahnstangenmechanismus 4 betätigt, mit dem auf bekannte Weise die Lenkung der Räder des Kraftfahrzeugs vorgenommen wird. Um die manuell aufzubringenden Lenkkräfte zu reduzieren, ist ein elektrischer bzw. elektrohydraulischer Kraftsteller 6 zum Erzeugen von Hilfslenkkräften koaxial zum Zahnstangenmechanismus 4 angeordnet. Ein Lenkdrehmomentsensor 2 gibt Drehmomentsignale aus, die von der Richtung, in die das Lenkrad 1 gedreht wird und von dem aufgebrachten Lenkmoment abhängen. Ein Regler 7 ermittelt aus den Drehmomentsignalen die benötigte Sollgröße und gibt die zu stellende Lenkhilfskraft an den Kraftsteller weiter. Fig. 1 shows a control structure indicates a power steering system according to the prior art. In this power steering system, a steering torque is manually applied to the steering shaft 3 with a steering wheel 1 , and a rack and pinion mechanism 4 is thus actuated via a steering gear 5 , with which the steering of the motor vehicle wheels is carried out in a known manner. In order to reduce the steering forces to be applied manually, an electrical or electrohydraulic power actuator 6 for generating auxiliary steering forces is arranged coaxially with the rack mechanism 4 . A steering torque sensor 2 outputs torque signals that depend on the direction in which the steering wheel 1 is turned and on the applied steering torque. A controller 7 determines the required setpoint from the torque signals and forwards the power steering assist to the power controller.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung für ein Servolenksystem mit einer Regelstrecke gemäß einer ersten Ausführungsform. Das vom Lenkdrehmomentsensor 2 gemessene Lenkmoment wird hier über ein Adaptionsmittel 8 an den Regler 7 geführt. Das Adaptionsmittel 8 wird als adaptiver Filter ausgeführt, der vor den Regelkreis des elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftstellers 6 geschaltet wird. Die Bandbreite des adaptiven Filters wird bei hohen Verstärkungsfaktoren gesenkt und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren angehoben. Die dadurch in das System eingebrachte zusätzliche Dynamik dient zur Stabilisierung des Gesamtsystems. Diese zusätzliche Dynamik wird bestimmt von Filterparametern, die in Abhängigkeit vom Fahrzeugzustand ermittelt werden. So wird das Verhalten des adaptiven Filters hinsichtlich einer genügend hohen Dämpfung bzw. einer genügend hohen Schnelligkeit des Systems gezielt beeinflußt. Durch die Verwendung eines adaptiven Filters bei der Regelung von elektrischen bzw. elektrohydraulischen Servolenksystemen lassen sich auch große Rückführverstärkungen realisieren, ohne daß es dabei zu Instabilitäten des Gesamtsystems kommt. Der regelungstechnische Eingriff ist dabei relativ gering und ohne großen Aufwand realisierbar. Fig. 2 shows schematically a control of the invention or control device for a power steering system having a control system according to a first embodiment. The steering torque measured by the steering torque sensor 2 is here passed to the controller 7 via an adaptation means 8 . The adaptation means 8 is designed as an adaptive filter, which is connected upstream of the control circuit of the electrical or electrohydraulic power actuator 6 . The bandwidth of the adaptive filter is reduced when the amplification factors are high and increased when the amplification factors decrease. The additional dynamics introduced into the system serve to stabilize the overall system. This additional dynamic is determined by filter parameters that are determined depending on the vehicle condition. The behavior of the adaptive filter with regard to a sufficiently high damping or a sufficiently high speed of the system is influenced in a targeted manner. By using an adaptive filter for the control of electrical or electrohydraulic power steering systems, large feedback amplifications can also be realized without the overall system becoming unstable. The control intervention is relatively small and can be implemented with little effort.
Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung für ein Servolenksystem mit einer Regelstrecke gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Adaption findet in diesem Fall direkt im Regelkreis statt. Die Parameter des Reglers 7 werden in Abhängigkeit vom Lenkmoment, das vom Lenkdrehmomentsensor 2 gemessen wird, durch ein Adaptionsmittel 8 so angepaßt, daß die Bandbreite des auf den elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller 6 einwirkenden Regelkreis bei steigenden Verstärkungsfaktoren zurückgenommen und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren angehoben wird. Die Bandbreite wird dabei derart beschränkt, daß sich eine genügend hohe Dämpfung bzw. genügend hohe Schnelligkeit zur Erreichung einen stabilen Systemzustands einstellt. Fig. 3 shows schematically a control of the invention or control device for a power steering system having a control system according to a second embodiment. In this case, the adaptation takes place directly in the control loop. The parameters of the controller 7 are adjusted as a function of the steering torque, which is measured by the steering torque sensor 2 , by an adaptation means 8 so that the bandwidth of the control loop acting on the electric or electrohydraulic power actuator 6 is reduced as the amplification factors increase and is increased as the amplification factors decrease. The bandwidth is limited in such a way that there is a sufficiently high damping or a sufficiently high speed to achieve a stable system state.
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