DE19807024A1

DE19807024A1 - Regler für eine elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE19807024A1
Application number: DE19807024A
Authority: DE
Inventors: Shuji Endo
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP3951337B2; KR19980071642A; JPH10236323A; US5982137A; KR100361119B1; DE19807024B4

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen Regler für ein elektrisches Servo lenksystem, der dazu dient, der Lenkung eines Kraftfahrzeugs oder Automobils eine Lenkhilfskraft zuzuleiten, die von einem Motor erzeugt wird. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen Regler für ein elektri sches Servolenksystem, der dazu dient, das Ansprechverhalten der Ser volenkung auf ein Not-Lenken (oder einen Lenkvorgang) dadurch zu steigern, daß das Auftreten einer Verringerung der Spannungsversorgung vorhergesagt und gegebenenfalls eine Leerlauferhöhung vorgenommen wird. Konventionelle, mittels Motor angetriebene Servolenksysteme zum Beaufschlagen einer Lenkeinheit mit einer Hilfskraft durch Ausnutzung der Drehkraft (oder der Drehung) eines Motors ist derart ausgebildet, daß das Aufbringen der Hilfskraft auf eine Lenkwelle oder eine Zahn welle über einen Übertragungsmechanismus erfolgt, beispielsweise Zahn räder oder einen Riemen, um die Antriebskraft des Motors über ein Untersetzungsgetriebe zu übertragen. Derartige konventionelle motor getriebene Servolenkungen enthalten eine Regelung für den Motorstrom, damit das Lenkhilfsmoment genau erzeugt wird.

Die Regelung dient dazu, eine an den Motor angelegte oder diesem aufgeprägte Spannung derart einzustellen, daß die Differenz zwischen einem Stromsteuerwert und einem Motorstrom-Istwert abnimmt. Im allgemeinen erfolgt die Regelung der an den Motor angelegten Spannung durch Regulieren des Tastverhältnisses im Rahmen einer PWM-Steue rung (Pulsbreitenmodulations-Steuerung).

Zunächst soll anhand der Fig. 1 der übliche Aufbau eines solchen motorgetriebenen Servolenksystems erläutert werden. Eine Welle 2 eines Lenkrads 1 ist mit den Lenkstangen 6, die den jeweiligen Rädern zuge ordnet sind, über ein Untersetzungsgetriebe 3, Universalgelenke 4a und 4b und einen Ritzel/Zahnstangen-Mechanismus 5 gekoppelt. Mit einem Drehmomentsensor 10 wird das Lenkmoment des an der Welle 2 befe stigten Lenkrads 1 festgestellt. Mit der Welle 2 ist über eine Kupplung 21 und das Untersetzungsgetriebe 3 ein Motor 20 gekoppelt, der zur Lenkkraftunterstützung beim Lenken des Lenkrads 1 dient. Von einer Batterie 14 wird über ein Zündschloß 11 einer Steuereinheit 30 zum Steuern des Servolenksystems elektrische Energie zugeführt. Die Steuer einheit 30 berechnet einen Lenkhilfensollwert I, welcher dadurch erhal ten wird, daß ein Hilfenbefehl ausgeführt wird auf der Grundlage des von dem Drehmomentsensor 10 ermittelten Lenkmoments T und der von einem Fahrzeugtacho 12 ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit. Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 30 auf der Grundlage des berechneten Lenkhilfensollwerts I den in den Motor 20 einzuspeisenden elektrischen Strom. Das Steuern des Ein- und Auskuppelns der Kupplung 21 erfolgt durch die Steuereinheit 20. Bei normalen Betriebsbedingungen ist einge kuppelt. Wenn die Steuereinheit 30 feststellt, daß die Servolenkung nicht ordnungsgemäß arbeitet, oder wenn die Energie von der Batterie 14 von dem Zündschloß 11 abgestellt wird, wird die Kupplung 21 ausgeschaltet, d. h., es wird ausgekuppelt.

Die Steuereinheit 30 wird hauptsächlich durch eine CPU gebildet. Fig. 2 veranschaulicht die gemeinsamen Funktionen, die durch Ausführung von Programmen in der CPU wahrgenommen werden. Beispielsweise reprä sentiert ein Block mit der Bezeichnung "Phasenkompensator 31" nicht einen als Hardware unabhängig ausgeführten Phasenkompensator, son dern eine Phasenkompensations-Funktion, die von der CPU ausgeführt wird. Funktionen und Betriebsabläufe der Steuereinheit 30 werden weiter unten noch beschrieben. Zunächst erfolgt in dem Phasenkompensator 31 eine Phasenkompensation des Lenkmoments T, welches von dem Dreh momentsensor 10 erfaßt und eingegeben wird, um die Stabilität des Lenksystems zu verbessern. Anschließend wird das phasenkompensierte Lenkmoment TA in eine Lenkhilfensollwert-Rechnereinrichtung 32 eingegeben, welche einen Lenkhilfensollwert I berechnet, bei dem es sich um einen Zielwert für den in den Motor 20 einzuspeisenden Strom handelt, abhängig von dem Lenkmoment TA und der eingegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit V. Außerdem ist an der Lenkhilfensollwert- Rechnereinheit 32 ein Speicher 33 angeschlossen, der denjenigen Lenk hilfensollwert I abspeichert, der dem Lenkmoment entspricht, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit V einen Parameter darstellt. Der gespeicherte Wert dient zum Berechnen des Lenkhilfensollwerts I mit Hilfe der Lenk hilfensollwert-Rechnereinheit 32. Darüber hinaus wird der Lenkhilfen sollwert I in einen Subtrahierer 30A eingegeben, ferner in einen Diffe rential-Kompensator 34 des Mitkopplungssystems, welches zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit dient. Von dem Subtrahierer 30A wird eine Abweichung (I-i) erhalten, die in eine Proportional-Berechnungs einheit 35 eingegeben wird. Der Proportionalausgangswert der Propor tional-Berechnungseinheit 35 wird auf einen Addierer 30B und außerdem auf einen Integral-Kompensator 36 zur Verbesserung der Kennlinie des Rückkopplungssystems gegeben. Ausgangssignale des Differential-Kom pensators 34 und des Integral-Kompensators 36 gelangen auf den Addie rer 30B und dort erfolgt eine Addition der Ausgangssignale der Propor tional-Berechnungseinheit 35 und der Kompensatoren 34 und 35. Ein einen Stromsteuerwert E repräsentierendes Signal als Ergebnis der in dem Addierer 30B ausgeführten Addition wird als Motortreibersignal in eine Motortreiberschaltung eingegeben. Der Motorstromwert i des Motors 20 wird mit Hilfe eines Motorstromfühlers 38 ermittelt und zu dem Subtrahierer 30A zurückgeführt.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der Motortreiberschaltung. Die Motortreiberschaltung 37 enthält: eine FET-Gate-Treiberschaltung 371, die Feldeffekttransistoren (FETs) FET1 bis FET4 ansteuert; eine H-Brücken schaltung, die sich aus den Feldeffekttransistoren FET1 bis FET4 zusammensetzt, und eine Spannungsversorgung 372 mit Span nungserhöhung (Booster) zum Treiben der Hochpotentialseiten der Feld effekttransistoren FET1 und FET2. Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 werden ansprechend auf ein PWM-Signal, welches ein Tastver hältnis D1 aufweist, ein- und ausgeschaltet. In einem Bereich, in dem das Tastverhältnis D1 einem kleinen Wert entspricht, werden die Feld effekttransistoren FET3 und FET4 ansprechend auf ein PWM-Signal, welches ein Tastverhältnis D2 aufweist, angesteuert, wobei das Tast verhältnis einer vorbestimmten linearen Funktion entspricht (D2 = a. D1 + b, wobei a und b Konstanten sind). In einem Bereich, in dem das Tastverhältnis D1 groß ist, werden die Feldeffekttransistoren FET3 und FET4 nach Maßgabe der Drehrichtung des Motors ein- und ausgeschal tet, was entsprechend dem Vorzeichen des PWM-Signals bestimmt wird. Wenn z. B. der Feldeffekttransistor FET3 sich im leitenden Zustand befindet, fließt elektrischer Strom durch den Feldeffekttransistor FET1, den Motor 20, den Transistor FET3 und einen Widerstand R1. Damit hat der durch den Motor 20 fließende elektrische Strom positive Rich tung. Wenn hingegen der Feldeffekttransistor FET4 leitet, fließt elek trischer Strom durch den Feldeffekttransistor FET2, den Motor 20, den Transistor FET4 und einen Widerstand R2, was einem Stromfluß durch den Motor 20 in negativer Richtung entspricht. Deshalb wird von dem Addierer 30B ein den Stromsteuerwert E repräsentierendes Signal als PWM-Ausgangssignal abgegeben. Darüber hinaus erfaßt der Motor stromfühler 38 die Stärke eines Stroms in positiver Richtung anhand eines Spannungsabfalls am Widerstand R1. Darüber hinaus ermittelt der Motorstromfühler 38 die Stärke eines Stroms in negativer Richtung aufgrund eines Spannungsabfalls am Widerstand R2. Der von dem Motorstromfühler 38 erfaßte Motorstromwert i wird in den Subtrahierer 30A zurückgekoppelt.

Eine der wichtigen Spezifikationen für das Lenkverhalten bei Regelung durch die oben erläuterte Regeleinheit betrifft das Ansprechverhalten einer (Servo-)Lenkhilfseinheit. Betrachtet man z. B. den Fall der Notlen kung, so ist es sehr wichtig, wie rasch ein Fahrer den Lenkvorgang ausführen kann, ohne daß er den Vorgang als ungewohnt empfindet. Im Fall einer Servolenkung ist das Verhalten des Motors der dominierende Faktor für das Ansprechverhalten. Die Spannungsversorgung für den Motor ist üblicherweise begrenzt auf einen Spannungsbereich (14,5 bis 12,0 Volt), den ein Generator oder eine Batterie liefert. Eine Be schränkung stellt die Baugröße des Motors entsprechend den mechani schen Spezifikationen dar. Aus Gründen der Gestaltung des Motors gibt es eine Grenze bei der Ansprechempfindlichkeit, die sich bei der Servo lenkung realisieren läßt.

Wird andererseits das Ansprechverhalten ein Problem, wird eine Zusatz hilfe (Strom) erforderlich. Wenn die Servolenkung die übliche Span nungsversorgung benutzt, üblicherweise bestehend aus Generator und Batterie, so verschiebt sich die Versorgungsspannung entsprechend der Relation zwischen der Leistung des Generators und dem einer Last zuzuführenden Strom bei ansteigendem Strom von der vom Generator gelieferten Spannung zu der von der Batterie gelieferten Spannung, wird also geringer. Dementsprechend verschiebt sich das Ansprechvermögen des Motors von einer Linie oder einem Segment A in Fig. 4 in Richtung einer Linie B. Hierdurch ergibt sich bei der herkömmlichen Servolen kung des Problem, daß die erforderliche Ansprechempfindlichkeit nicht erreicht werden kann.

Wenn, um einer Gefahr zu entgehen, rasche Lenkvorgänge ausgeführt werden, erhöht sich das Lenkmoment. Damit ist es erforderlich, das Hilfsmoment zur Verfügung zu stellen. Wenn der Motor in der Weise betrieben wird, daß die Leistungsgrenzen des Motors überschritten werden, so kommt es zu einer raschen Änderung des Motorstroms und mithin zu einer impulsähnlichen Änderung des Lenkmoments, wie dies in Fig. 5A bis 5C veranschaulicht ist. Im Fall eines schnellen Lenkvor gangs im Zeitpunkt t1 erhöht sich die Motor-Winkelgeschwindigkeit, wie aus Fig. 5A hervorgeht. Im Gegensatz dazu verringert sich der Motor strom i abrupt aufgrund einer gegenelektromotorischen Kraft (im folgen den: Gegen-EMK), wie in Fig. 5B veranschaulicht ist. Darüber hinaus erhöht sich gemäß Fig. 5C das Lenkmoment T nach dem Zeitpunkt t1 rapide. Außerdem wird die natürliche oder Eigenschwingung des Systems angeregt. Das in Fig. 5C durch einen gestrichelten Kreis A angedeutete Geschehen ruft heim Fahrer das Gefühl eines Mißverhältnis ses oder einer Unstimmigkeit hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Hinblick auf die obigen Umstände einen Regler für ein elektrisches Servolenksystem zu schaffen, der die Ansprechempfindlichkeit des Systems dadurch steigert, daß das Auftreten einer Verringerung der Versorgungsspannung vorhergesagt wird und gegebenenfalls eine Leerlauferhöhung ausgeführt wird, sogar zu dem Zeitpunkt, in dem eine Notlenkung am Lenkrad erfolgt, um einer gefährlichen Situation zu entgehen.

Um diese Aufgabe zu lösen, schafft die Erfindung einen Regler, wie er im Anspruch 1 angegeben ist. Der Regler dient zum Regeln eines Motors, um einem Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft nach Maßgabe eines Stromsteuerwerts zuzuführen, der berechnet wird aus dem Lenkhil fensollwert, der seinerseits nach Maßgabe des in einer Lenkwelle er zeugten Lenkmoments berechnet wird, und aus einem Motorstromwert. Darüber hinaus besitzt der Regler eine Vorhersageeinrichtung zum Vor hersagen einer Verringerung der Speisespannung des Motors, um im Fall einer vorhergesagten Verringerung der Speisespannung eine Leer lauferhöhung durchzuführen.

Bei einer Ausgestaltung dieses Reglers empfängt die Vorhersageeinrich tung ein Signal über die Drehzahl oder die Winkelgeschwindigkeit des Motors und sagt die Verringerung der Versorgungsspannung voraus anhand einer Stromstärke und eines früheren Werts der erhaltenen Dreh zahl.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Aufbaus eines Beispiels einer (herkömm lichen) elektrischen Servolenkung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des internen Aufbaus einer Steuereinheit (der herkömmlichen Servolenkung);

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer Motortreiber schaltung (der herkömmlichen Servolenkung);

Fig. 4 eine graphische Darstellung zum Veranschaulichen der Absen kung der Leistungsgrenze des Motors aufgrund einer Abnahme der Speisespannung;

Fig. 5A bis 5C graphische Darstellungen zum Veranschaulichen eines Beispiels für den Betrieb der herkömmlichen Anlage, falls eine Notlen kung erfolgt;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Steuereinheit in einem erfindungsgemäßen elektrischen Servolenksystem;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Relation zwischen einem Motor strom und einer Motor-Winkelgeschwindigkeit gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine Kennliniendarstellung eines Beispiels für die Relation zwi schen Lenkmoment und Lenkhilfensollwert unter Verwendung einer Fahrzeuggeschwindigkeit als Parameter;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Relation zwischen der Gegen- EMK und der Winkelgeschwindigkeit eines Motors;

Fig. 10 eine graphische Darstellung eines Beispiels für die Relation zwischen einem Motorstromwert und der Breite einer toten Zone (eines Totbandes);

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Beispiels für den Betrieb heim Erfas sen der Drehzahl des Motors in jedem seiner Zustände; und

Fig. 12 ein Flußdiagramm eines Beispiels für die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Obschon es zur Lösung der obigen Probleme wünschenswert wäre, den Leerlauf eines Fahrzeugmotors heraufzusetzen, wenn eine Versorgungs spannung abfällt, damit die Ausgangsspannung des Generators auf 14,5 Volt gehalten wird, so daß der Generator ausreichend Strom liefern kann, gibt es bei dem konventionellen System eine Zeitverzögerung zwischen dem Nachweis eines Abfallens der Versorgungsspannung und dem Wiedererreichen der gewünschten Versorgungsspannung, welches durch die Erhöhung der Leerlaufdrehzahl erreicht wird. Folglich kommt die Wiedererlangung der gewünschten Versorgungsspannung zu spät, um die Ansprechempfindlichkeit bei einer Notlenkung im Gefahrenfall er höhen zu können. Bei dem erfindungsgemäßen Regler hingegen wird das Auftreten einer Beeinträchtigung der Stromlieferfähigkeit eines Genera tors vorausgesagt aufgrund des Stromwerts und des vergangenen Werts eines erfaßten Motorstroms oder einer erfaßten Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors, und es wird vorab ein Leerlauferhöhungs-Signal erzeugt. Somit wird die Zeitverzögerung bis zur Wiedererlangung der gewünschten Spannungsversorgung kompensiert, die benötigte Ansprech empfindlichkeit für den Lenkvorgang bleibt erhalten.

Da es nicht möglich ist, den Motor über seine Leistungsgrenze hinaus auszusteuern, steuert der erfindungsgemäße Regler den Motor durch Abschätzung oder Vorhersage seiner Leistungsgrenze und Erhöhung der Stromlieferfähigkeit des Generators. Fig. 7 zeigt die Motorstromstärke i auf der Abszisse aufgetragen und dazu im Verhältnis die Motor-Winkel geschwindigkeit ω auf der Ordinate, um die Kennlinie eines solchen Steuervorgangs darzustellen. In dieser graphischen Darstellung bedeuten ir den Nennstrom und ωr eine Nenn-Winkelgeschwindigkeit. Eine Kurve C zeigt die Änderung der Lenkrad-Handhabung. Die Kennliniengrenze (oder das Leistungsvermögen) des Motors liegt bei LT2 (ω = a2. i + b2). Im Fall des erfindungsgemäßen Reglers wird vorhergesagt, ob der Motor eine Beurteilungskennlinie (Kriterium) LT1 (ω = a1. i + b1) erreicht oder nicht, wobei diese Kennlinie von dem Motor zu dem Zeitpunkt erreicht werden sollte, der eine Zeitspanne Δt vor dem Erreichen der Kennliniengrenze LT2 liegt. Wenn die Beurteilungskennlinie LT1 er reicht wird, erfolgt ein Heraufsetzen der Leerlaufdrehzahl durch Aus gabe eines Leerlauferhöhungssignals. Folglich wird die Zeitverzögerung (Δt) bis zur Wiederherstellung der Soll-Versorgungsspannung kompen siert, so daß die benötigte Ansprechempfindlichkeit auf einen Lenkvor gang beibehalten werden kann. In Fig. 7 bezeichnet *i einen ausgewerte ten oder vorhergesagten Stromwert, und ΔS eine vorhergesagte Ver schiebungsstrecke innerhalb einer Zeitspanne Δt. Üblicherweise beträgt die Zeitspanne Δt 0,5 Sekunden.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist derart ausgebildet, daß die Win kelgeschwindigkeit ω und der Motorstromwert i des Motors 20 ermittelt werden und aus dieser Winkelgeschwindigkeit ω und dem Stromwert i vorhergesagt wird, ob der Motor die Beurteilungskennlinie LT1 erreicht oder nicht, um bei Erreichen der Kennlinie LT1 eine Leerlauferhöhung durchzuführen. Fig. 6 entspricht prinzipiell der Darstellung nach Fig. 2. Ein von dem Drehmomentsensor 10 kommendes, das Lenkmoment T repräsentierendes Signal wird in den Phasenkompensator 31 und eine Lenkradrückstellsteuereinrichtung 310 gegeben. Außerdem wird ein der Fahrzeuggeschwindigkeit V entsprechendes Signal von dem Fahrzeug tacho 12 in die Lenkradrückstellsteuereinrichtung 310 und in eine Kon vergenzsteuereinrichtung 311 eingegeben, zudem wird das Signal in eine Lenkhilfensollwert-Berechnungseinheit 320 gegeben. Der von der Be rechnungseinheit 320 ausgegebene Lenkhilfensollwert I wird dann in einen Addierer/Subtrahierer 321 als Hilfsbefehl eingegeben. Außerdem wird in einen Subtrahierer 30A ein von dem Addierer/Subtrahierer 321 ausgegebener Lenkhilfensollwert Iref gegeben. Der von dem Addierer 30B ausgegebene Stromsteuerwert E und eine von der Batterie 14 gelie ferte Spannung Vb werden in eine Klemmenspannungs-Abschätzeinrich tung 340 gegeben. Ein Klemmenspannungsschätzwert Vm wird in eine Winkelgeschwindigkeits-Abschätzeinrichtung 331 gegeben, die in einer Abschätzeinheit 330 enthalten ist. Außerdem wird ein von einem Motor stromfühler 38 gesendeter Motorstrom-Istwert in den Subtrahierer 30A und außerdem in die Winkelgeschwindigkeits-Abschätzeinrichtung 331 eingegeben. Ein von der Abschätzeinheit 330 gewonnener Schätzwert PR1 wird in die Lenkradrückstellsteuereinrichtung 310 und die Konver genzsteuereinrichtung 311 gegeben. Ein von der Einheit 330 erhaltener Schätzwert PR2 wird in einen Verlustmoment-Kompensator 312 eingege ben. In eine Trägheitskompensationseinrichtung 313 wird ein Schätzwert PR3 gegeben. Ein von der Winkelgeschwindigkeits-Abschätzeinrichtung 331 in der Abschätzeinheit 330 geschätzter Wert für die Winkelge schwindigkeit ω wird direkt als Schätzwert PR1 ausgegeben. Somit repräsentiert der Schätzwert PR1 die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω. Darüber hinaus wird die Winkelgeschwindigkeit ω in einen Vorzeichen detektor 332 gegeben, der das Vorzeichen der Winkelgeschwindigkeit ermittelt. Mithin zeigt der Schätzwert PR2 die Drehrichtung des Motors an. Außerdem kennzeichnet der Schätzwert PR3, der durch Differenzie ren einer Motor-Winkelgeschwindigkeit ω in einem Näherungs-Differen tiator 333 gewonnen wird, eine Motor-Winkelbeschleunigung. Ein Lenk radrückstellsignal HR, welches von der Lenkradrückstellsteuereinrich tung 310 ausgegeben wird, wird als Eingangsgröße dem Addierer/Sub trahierer 321 zur Addition zugeleitet. Von der Konvergenzsteuereinrich tung 311 wird ein Konvergenzsignal AS zwecks Subtraktion dem Addie rer/Subtrahierer 321 zugeführt. Ein von dem Verlustmomentkompensator 312 ausgegebenes Verlustmoment-Kompensationssignal LT und ein von dem Trägheitskompensator 313 ausgegebenes Trägheits-Kompensations signal IN werden zur Addition dem Addierer/Subtrahierer 321 zuge führt.

Die erfindungsgemäße Steuereinheit 30 besitzt eine Vorhersageeinrich tung 350, welcher der Motorstromwert i und die Winkelgeschwindigkeit o als Eingangsgrößen von dem Motorstromfühler 38 bzw. der Abschätz einheit 330 zugeführt werden. Die Vorhersageeinrichtung 350 arbeitet so, daß sie einen Abfall der Versorgungsspannung vorhersagt anhand des eingegebenen Motorstromwerts i und der eingegebenen Motor-Winkelge schwindigkeit ω. Darüber hinaus hat die Vorhersageeinrichtung 350 die Wirkung, daß sie die Stromlieferfähigkeit des Generators dadurch er höht, daß sie ein Leerlauferhöhungssignal IU zum Erhöhen der Leerlauf drehzahl ausgibt, wenn ein Abfall der Versorgungsspannung anhand des vorhergesagten oder abgeschätzten Werts nachgewiesen wird. Der Zweck der Verwendung der Steuereinheit gemäß der Erfindung besteht darin, den Motor 20 innerhalb der Grenzen seiner Kennwerte zu betrei ben. Darüber hinaus bestimmt sich die Kennliniengrenze durch die Relation zwischen dem Strom und der Winkelgeschwindigkeit. Deshalb wird aus dem Strom und der Winkelgeschwindigkeit nachgewiesen, daß sich die Stromkennlinie des Motors 20 in der Nähe ihres Grenzbereichs befindet. Wenn festgestellt wird, daß die Stromkennlinie des Motors 20 sich in der Nähe ihres Grenzbereichs befindet, wird die Stromlieferfä higkeit des Generators durch eine Leerlauferhöhung gesteigert. Somit wird die Ansprechempfindlichkeit des Motors verbessert. Die Vorher sageeinrichtung 350 ist also derart ausgebildet, daß sie nachweist, wann sich die Stromkennlinie des Motors 20 in der Nähe ihres Grenzbereichs befindet, indem der Motorstromwert i und die Winkelgeschwindigkeit ω herangezogen werden, ohne daß das Drehmomentsignal T verwendet wird.

Die Lenkhilfensollwert-Berechnungseinheit 320 berechnet den Lenkhil fensollwert I als einen Hilfswert aus dem Lenkmoment T und der Fahr zeuggeschwindigkeit V auf der Grundlage der Hilfskennlinie, die vorab in Form eines Polynoms gemäß Fig. 8 definiert wurde, und die Berech nungseinheit gibt den Lenkhilfensollwert I aus. Die Lenkradrückstell steuereinrichtung 310 gibt am Ausgang das Lenkradrückstellsignal HR im Rücklaufzustand des Lenkrads aus und führt eine Unterstützung in Rückstellrichtung für das Lenkrad durch, um das Rückstellverhalten des Lenkrads zu verbessern, welches dies bei mittleren und niedrigen Ge schwindigkeiten aufweist. Die Konvergenzsteuereinrichtung 311 ist so ausgebildet, daß sie eine Ruckbewegung des Lenkrads abbremst, um das Konvergieren einer Gierbewegung eines Fahrzeugs zu verbessern. Daher wird die Fahrzeuggeschwindigkeit V in die Lenkradrückstellsteuerein richtung 310 und die Konvergenzsteuereinrichtung 311 gegeben. Der Verlustmoment-Kompensator 312 liefert ein Verlustmoment-Kompensa tionssignal LT und führt eine Unterstützung durch, welche dem Verlust moment entspricht, und zwar in einer Richtung, in der das Verlustmo ment erzeugt wird, d. h. in Drehrichtung des Motors 20, um den Ein fluß des Verlustmoments aufzuheben. Darüber hinaus arbeitet der Träg heitskompensator 313 so, daß er eine Unterstützung entsprechend einer Kraft ausführt, die aufgrund der Trägheit des Motors 20 entsteht. Außer dem liefert der Trägheitskompensator ein Trägheits-Kompensationssignal IN, um dadurch das Trägheitsgefühl zu vermeiden oder zu verhindern, daß sich die Ansprechempfindlichkeit der Regelung verschlechtert. Aus diesem Grund kennzeichnet der in den Verlustmoment-Kompensator 312 eingegebene Schätzwert PR2 die Drehrichtung des Motors. Darüber hinaus kennzeichnet der in den Trägheitskompensator 313 eingegebene Schätzwert PR3 die Winkelbeschleunigung des Motors.

In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 8-67262 ist beschrieben, daß man die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω gewinnen kann aus dem abgeschätzten Wert der Gegen-EMK des Motors. Der Schätzwert K_T der Motor-Gegen-EMK wird gewonnen aus der Klemmenspannung Vm des Motors und der Motorstromstärke i gemäß folgender Gleichung (1):

K_T . ω = Vm - R . i (1)

wobei R den Klemmenwiderstand und K_T die Konstante für die Gegen-EMK ist.

Es wird davon ausgegangen, daß die Frequenzkomponente der Motor- Winkelgeschwindigkeit ω hinreichend klein ist im Vergleich zum elek trischen Ansprechverhalten des Motors.

Wenngleich die Winkelgeschwindigkeit ω des Motors 20 durch die obige Gleichung (1) gewonnen werden kann, kommt es zu einem Abschätz fehler e des Schätzwerts ω für die Motor-Winkelgeschwindigkeit in einer Richtung, in der ein Offset vorhanden ist, falls es eine Differenz zwi schen den tatsächlichen elektrischen Kennwerten des Motors und den elektrischen Kennwerten gibt, die mit Hilfe eines mathematischen Mo dells definiert werden. Obschon die Induktivität L des Motors die Win kelgeschwindigkeit bei einem realen Motor beeinflußt, wird als mathe matisches Modell eine Kennlinie verwendet, bei der die Induktivität L vernachlässigt wird. Folglich drückt man die Klemmenspannung aus durch: VM = R . i. Gibt es einen Offset-Fehler e, so gibt es selbst für den Fall, daß das Lenkrad stillsteht, eine fehlerhafte Einschätzung dahin gehend, daß der Motor als sich drehend betrachtet wird, wenn ein Kor rektursignal erzeugt wird, das unter Verwendung des Schätzwerts ge wonnen wurde. In diesem Fall wird also ein fehlerhaftes Korrektursignal ausgegeben. Die tatsächliche elektrische Kennlinie des Motors 20 wird beeinflußt durch fertigungsbedingte Toleranzschwankungen, außerdem durch Temperaturänderungen. Der vorerwähnte Offsetfehler e tritt also unvermeidlich auf. Um ein derartiges Problem zu lösen, wird erwogen, eine dem Schätzwert K_T der Motor-Gegen-EMK gemäß Fig. 9 entspre chende feste tote Zone DZ einzurichten. Dabei ergibt sich allerdings ein weiteres Problem, nämlich das, daß die Motor-Gegen-EMK sich in einer Zone, in der die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω klein ist, nicht abschät zen läßt.

Wie oben ausgeführt, ist ein Hauptfaktor beim Erzeugen eines Abschät zungsfehlers e für die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω die Differenz zwischen der elektrischen Kennlinie K_T . ω eines realen Motors und der elektrischen Kennlinie K_T . ω', die mit Hilfe des mathematischen Modells definiert wird. Folgende Gleichung (2) gilt für den Klemmwiderstand R des Motors:

R = Rm + ΔRt + ΔRp (2)

wobei Rm den Widerstand im Fall der Modellanwendung, ΔRt die Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturschwankungen und ΔRp die Widerstandsänderung aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzen ist.

Somit gewinnt man die Klemmenspannung Vm des realen Motors fol gendermaßen, indem man in die Gleichung (1) den obigen Wert für R gemäß nachstehender Gleichung (3) einsetzt:

Vm = (Rm + ΔRt + ΔRp) . i + K_T . ω (3).

Verwendet man hingegen das mathematische Modell, wobei bei die Qualitätsschwankungen des Motors bei der Fertigung ebenso außer Acht läßt wie Temperaturänderungen, so erhält man die Klemmenspannung Vm durch folgende Gleichung (4):

Vm = Rm . i + K_T . ω' (4).

Folglich ist der Abschätzungsfehler e der Gegen-EMK durch folgende Gleichung (5) gegeben, die aus den obigen Gleichungen (3) und (4) ableitbar ist:

e = K_T . ω' - K_T . ω = Vm - Rm . i - {Vm - (Rm + ΔRt + ΔRp) .i} = (ΔRt + ΔRp) . i (5).

Folglich entsteht der Offsetfehler e, der proportional ist zum Strom i. Als Ergebnis des Einrichtens einer toten Zone, deren Breite proportional zum Strom i ist, wie dies z. B. in Fig. 10 veranschaulicht ist, wird der Offsetwert dann klein, wenn der Strom i gering ist. Darüber hinaus wird in ähnlicher Weise auch die Breite der toten Zone schmal, nämlich "DZ = K . i". Selbst in der Zone, in der die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω klein ist, läßt sich also die Motor-Gegen-EMK abschätzen oder vorhersa gen.

Für den Fall, daß die Winkelgeschwindigkeit ω aus dem Stromsteuer wert E und dem Motorstromwert i abgeschätzt wird, bei welchen Wer ten es sich um PWM-Ausgangssignale handelt, so wird davon ausgegan gen, daß die Breite der toten Zone DZ proportional ist zum Motorstrom wert i. Wenn K eine Konstante ist, gilt die Gleichung DZ = K . i. In diesem Fall wird ein Wert, der nicht kleiner ist als der Maximalwert der Schwankung der Klemmenspannung des Motors in der Gleichung (5), als proportionaler Koeffizient oder Faktor K verwendet. Deshalb hat der Schätzwert der Winkelgeschwindigkeit überhaupt keinen Offsetfehler e. Selbst in der Zone, in der die Ist-Motor-Winkelgeschwindigkeit niedrig ist, läßt sich von der Winkelgeschwindigkeitsabschätzeinrichtung 331 die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω abschätzen. Für den Fall, daß die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω ein anderes Vorzeichen hat als der Strom i, nämlich dann, wenn das Lenkrad in die Ausgangsstellung zurückgedreht wird, entsteht kein Offsetfehler, wie sich aus der nach stehenden Gleichung (7) ersehen läßt. Das, was als Totzonenkorrektur bezeichnet wird, wird also vorzugsweise nicht durchgeführt.

K_T . ω' = K_T . ω - (ΔRt + ΔRp) . |i| (6).

Weiterhin gilt, falls |i| ≈ 0

K_T . ω' = K_T . ω (7).

Fig. 11 zeigt ein Beispiel für den Arbeitsablauf beim Nachweisen der Winkelgeschwindigkeit ω (d. h. der Drehrichtung und des Stillstands) des Motors 20 mit Hilfe der Abschätzeinheit 330. Als erstes wird der Motorstromwert i von dem Motorstromfühler 38 ermittelt (Schritt S1). Anschließend wird die Klemmenspannung Vm von der Klemmenspan nungs-Abschätzeinrichtung 340 entsprechend der Gleichung "Vm = Vb . E" anhand der von der Batterie gelieferten Spannung Vb und dem Stromsteuerwert E berechnet (Schritt S2). Dann wird der Wert der Winkelgeschwindigkeit ω von der Winkelgeschwindigkeits-Abschätzein richtung 331 ermittelt, und es wird die Berechnung der Gleichung (1) ausgeführt (Schritt S3). Als nächstes wird anhand der Winkelgeschwin digkeit ω und des Motorstromwerts i beurteilt, ob sich das Lenkrad im Lenkradrückhub befindet oder nicht (Schritt S4). Wird das Lenkrad zurückgestellt, so ist der Vorgang beendet. Wird das Lenkrad nicht zurückgestellt, erfolgt die Berechnung folgender Ungleichung (8):

|K_T . ω| - |K . i| ≧ 0 (8)

(Schritt S10), um zu beurteilen, ob der Absolutwert der Motor-Gegen- EMK K_T . ω kleiner ist als die Breite der Totzone "DZ = K . i" oder nicht. Wenn außerdem die Gegen-EMK des Motors nicht kleiner ist als die Breite der Totzone, wird folgende Gleichung (9) berechnet (Schritt S12):

ω = sign(K_T . ω) . (|K_T . ω| - |K . i|) (9).

Ist die Gegen-EMK größer oder kleiner, so wird der Abschätzwert für die Winkelgeschwindigkeit folgendermaßen eingestellt (Schritt S 11): ω = 0.

Ist die Gegen-EMK K_T in obiger Gleichung (9) positiv, so ist das Vor zeichen, d. h. sign(K_T . ω) dann "+1". Wenn hingegen die Gegen-EMK K_T . ω negativ ist, erhält man durch sign(K_T . ω) den Wert "-1". Anschlie ßend wird ermittelt, ob die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω den Wert "0" hat oder nicht (Schritt S13). Falls ja, bedeutet dies den Stillstand des Motors (Schritt S17). Falls nicht, wird im Schritt S14 ermittelt, ob die Motor-Winkelgeschwindigkeit ω positiv ist oder nicht. Ist sie z. B. positiv, so wird dies dahingehend gewertet, daß sich der Motor im Uhrzeigersinn dreht (Schritt S16). Ist sie hingegen negativ, so bedeutet dies, daß sich der Motor im Gegenuhrzeigersinn dreht (Schritt S15).

Im Fall der erfindungsgemäßen Steuereinheit erfolgt der Nachweis der Winkelgeschwindigkeit des Motors 20 durch Verwendung des Schätz werts für die Winkelgeschwindigkeit des Motors, welcher aus dem obigen Schritt S3 gewonnen wird. Wie oben ausgeführt, wird der Schätzfehler e vom Offset-Typ durch den abgeschätzten Wert ω der Winkelgeschwindigkeit des Motors erzeugt. Im Fall des Erzeugens eines Korrektursignals durch Verwendung des Schätzwerts gibt es also den unerwünschten Effekt, daß, auch wenn das Lenkrad stillsteht, fälschli cherweise geurteilt wird, daß sich der Motor 20 dreht. Die Winkelge schwindigkeit des Motors läßt sich aber exakt nachweisen, nachdem die Totzone eingerichtet ist, deren Breite "DZ = K . i" proportional ist zum Motorstrom i, und damit eine Offset-Korrektur erfolgt.

Die Konvergenzsteuereinrichtung 311 dient zum Ausgeben eines Signals Ks . ω, erhalten durch Multiplizieren der Motor-Winkelgeschwindigkeit ω, die durch die Abschätzeinheit 330 geschätzt wird, mit einer vorbe stimmten Verstärkung Ks, die vorab eingestellt wird. Die Einrichtung 311 liefert ein Konvergenzsignal AS, um die Konvergenz des Fahrzeugs zu erreichen.

Anhand des Flußdiagramms in Fig. 12 soll im folgenden die Arbeits weise der Vorhersageeinrichtung 350 gemäß der Erfindung erläutert werden. Zunächst empfängt und liest die Vorhersageeinrichtung 350 die von der Abschätzeinheit 330 kommende Winkelgeschwindigkeit ω und den von dem Motorstromfühler 38 gesendeten Motorstromwert i (Schritt S20). Dann beurteilt die Vorhersageeinrichtung 350, ob die Winkelge schwindigkeit ω größer ist als die Beurteilungskennlinie "LT1 = a1 . i + b1" (Schritt S21). Übersteigt die Winkelgeschwindigkeit die Beurtei lungskennlinie LT1, so werden "di/dt" und "dω/dt" berechnet (Schritt S22). Als nächstes wird ein Vorhersagestromwert *i gemäß Fig. 7 da durch gewonnen, daß man "(di/dt) . Δt + i" berechnet (Schritt S23). Außerdem wird "dω/di" durch folgende Gleichung (10) erhalten (Schritt S24):

dω/di = (dω/dt) . (dt/di) (10).

Wenn der vorhergesagte Stromwert *i durch die obige Gleichung (10) gewonnen wird, läßt sich die vorhergesagte Winkelgeschwindigkeit *ω für den Zeitpunkt nach Ablauf einer Zeitspanne Δt gemäß folgender Gleichung (11) gewinnen (Schritt S25):

*ω = (dω/di) . *i + ω (11).

Wenn die vorhergesagte Winkelgeschwindigkeit *ω erhalten ist, wird beurteilt, ob diese vorhergesagte Winkelgeschwindigkeit *ω größer ist als die Grenze der Kennlinie "LT2 = a2 . i + b2" oder nicht (Schritt S26). Wenn die vorhergesagte Winkelgeschwindigkeit *ω nicht kleiner ist als die Grenze der Kennlinie LT2, wird ein Leerlaufdrehzahl-Erhö hungssignal IU ausgegeben (Schritt S27), um dadurch die Stromliefer fähigkeit des Generators zu steigern.

Selbst für den Fall, daß die an den Motor gelegte Spannung sinkt und die Leistungsgrenze des Motors niedriger wird, ist der erfindungsgemäße Regler für die elektrische Servolenkung gemäß der Erfindung in der Lage, vorauszusagen, ob die Leistungsgrenze des Motors überschritten wird oder nicht, um die Leerlaufdrehzahl hochzufahren in Abhängigkeit des Vorhersageergebnisses. Wenn es also zu einem Notfall-Lenkvorgang kommt, kann die Ansprechempfindlichkeit des Motors gesteigert werden.

Claims

1. Regler für eine elektrische Servolenkung zum Regeln eines Motors derart, daß dieser einem Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft zuführt, die einem Stromsteuerwert entspricht, der aus einem Lenk hilfensollwert, welcher seinerseits nach Maßgabe des in einer Lenk welle erzeugten Lenkmoments berechnet wird, und aus einem Motorstromwert berechnet wird, gekennzeichnet durch eine Vorher sageeinrichtung (350) zum Vorhersagen einer Verringerung der Speisespannung des Motors, wobei im Fall einer vorhergesagten Speisespannungs-Verringerung eine Leerlaufdrehzahlerhöhung durchgeführt wird.

2. Regler nach Anspruch 1, bei dem die Vorhersageeinrichtung eine Drehzahl oder eine Winkelgeschwindigkeit des Motors (20) em pfängt und die Verringerung der Speisespannung vorhersagt aus einem Stromwert und einem früheren Wert der empfangenen Dreh zahl oder Winkelgeschwindigkeit.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vorhersageeinrichtung außerdem den Motorstromwert empfängt.

4. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorhersageeinrichtung eine Kennlinienbegrenzung (LT2) für den Motor definiert, vorhersagt, ob der Motor eine Beurteilungskenn linie (LT1) erreicht oder nicht, welche der Motor zu einem Zeit punkt erreichen sollte, der um eine Zeitspanne (Δt) vor Erreichen der Kennwertgrenze (LT2) liegt, um dann die Leerlaufdrehzahl- Erhöhung durchzuführen.

5. Regler nach Anspruch 4, bei dem die Kennlinienbegrenzung (LT2) dargestellt wird durch "ω = a2 . i + b2", und die Beurteilungskenn linie (LT1) ausgedrückt wird durch "ω = a1 . i + b1", wobei ω eine Motor-Winkelgeschwindigkeit, i ein Motorstrom und a1, a2, b1 und b2 Konstanten sind.

6. Regler nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Zeitspanne (Δt) etwa 0,5 Sekunden beträgt.

7. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Steigerung der Stromlieferfähigkeit eines Generators durch die Leerlaufdreh zahl-Erhöhung erreicht wird.