DE3429072A1

DE3429072A1 - Servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE3429072A1
Application number: DE19843429072
Authority: DE
Inventors: Akio Hashimoto; Tomi Yasuda
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1984-08-07
Publication date: 1985-02-28
Also published as: US4611682A; DE3429072C2; GB8419970D0; JPS6035663A; GB2145678B; GB2145678A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Servolenkung und insbesondere auf eine motorisch angetriebene Servolenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge.

Es wurden bereits motorisch angetriebene Servolenkvorrichtungen vorgeschlagen, die einen Elektromotor als Kraftoder Energiequelle haben. Derartige Servolenkvorrichtungen zeigen jedoch Nachteile, wenn die Umgebungstemperatur des Motors einen maximal zulässigen Wert übersteigt. Wenn ein solcher Temperaturanstieg eintritt, dann kann der Motor auf Grund von Schaden an der Isolation usw. durchbrennen.

Insbesondere muß der Motor für die Servolenkung, wenn die Servolenkvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt, im Fahrzeug-Motorraum untergebracht werden, in wel-

Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Bayer. Vereinsban Poslscfteck (München] KIo. 670-43-804

ehern eine relativ hohe Temperatur zu erwarten ist. Eine dauernde oder ununterbrochene Anwendung des Servomotors in einer Umgebung mit solch hoher Temperatur bewirkt, daß der Anker des Ε-Motors Wärme erzeugt, die ihrerseits wieder zu einer hohen Temperatur des Motors führt.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte motorgetriebene Servolenkvorrichtung zu schaffen, die einen Elektromotor als Kraft- oder Antriebsquelle hat.

Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, die Servolenkvorrichtung so auszubilden, daß die Motortemperatur geregelt wird.

Des weiteren zielt die Erfindung auf eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung ab, die einen Drehmoment-Erfassungskreis zur Peststellung des Drehmoments aus der Lenk- oder Steuerbewegung, einen Stromfühler, der den Stromfluß am Motor ermittelt, und eine elektronische Schaltung hat, welche den Motor im Ansprechen auf Signale vom Drehmoment-Erfassungskreis sowie vom Stromfühler und dem Temperaturanstieg des Motors erregt.

Die Motortemperatur wird in der folgenden Weise ermittelt: Wenn der Wärmeverlust des Motors W, die mechanischen Verluste Wm, die Eisenverluste Wi, der Kupferverlust Wc und die Warmfestigkeit Rt sind, dann kann der Temperaturanstieg ©m wiedergegeben werden als:

©m = W/Rt = (Wm + Wi + Wc)/Rt (1)

Hierin sind die Werte für Wm und Wi im Vergleich zum Wert von Wc so klein, daß sie vernachlässigt werden können, so daß die Gleichung (1) umgeschrieben werden kann als:

θ = Wc/Rt = Ia² · Ra/Rt (2)

worin Ia der Motorankerstrom und Ra der Ankerwiderstand sind.

Wenn man die Wärme-Zeitkonstante des Motors mit T ansetzt, dann ist die Temperaturänderung mit der Zeit:

Δ θ = öm (1 - eoc )

= Ia² (Ra/Rt) (1 - ecc ) = k · Ia² (1 -<£<* )

worin ist:

c* = - t/T

k = Ra/Rt d (3)

Hieraus folgt, daß der Temperaturanstieg des Ankers sehr einfach durch Integration des quadrierten Werts des den Anker durchfließenden Stroms erhalten werden kann.

Wenn die Umgebungstemperatur konstant ist, dann ist der Temperaturanstieg derselbe wie der des Motors. Zur Regelung der Wärmemenge am Motor kann insofern diese erhöhte Temperatur mit einer vorbestimmten Temperatur, die niedriger ist als die zulässige Motortemperatür, verglichen werden, und wenn sie über der vorbestimmten Temperatur liegt, dann dient eine elektronische Schaltung dazu, den Stromfluß zum Motor zu steuern.

Es ist damit ein weiteres Ziel der Erfindung, eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung zu schaffen, wobei ein nahe dem Motor angebrachter Temperaturfühler dazu dient, die Umgebungstemperatur des Motors zu ermitteln.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist in der Ausbildung einer motorgetriebenen Servolenkvorrichtung zu sehen, die eine Temperatursteuerung aufweist, welche eine unter einer maximal zulässigen Temperatur des Motors liegende Temperatur erfaßt, um den Motorbetrieb allmählich herabzusetzen, bevor die Temperatur das Maximum erreicht, bei dem der Motor völlig stillsteht.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen mit seinen Merkmalen und Vorteilen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm für die Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 irri 4 Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Schaltkreise;

verschiedene Arbeitsweisen des Servomotors; ein Diagramm über die Impulse von vier Ausgangstransistoren;

ein Kurvenbild zum Ausgang des Servomotors; ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen der Motortemperatur und dem Motorausgang in bezug zu Änderungen in der Zeit;

Fig. 9 ein zu Fig. 2 gleichartiges Blockdiagramm für eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. IO eine Einzelheit für den in Fig. 9 dargestellten Block B14¹;

Fig. 11 eine Einzelheit für die in Fig. 2 und 9 dargestellten Blöcke B3 und BIl.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine motorgetriebene Servolenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem an einer ersten Lenkspindel 2 angebrachten Lenkrad 1, wobei die erste Lenkspindel 2 über ein Kardangelenk 4 mit einer zweiten Lenkspindel 5 verbunden ist, deren unteres Ende über ein Kardangelenk 6 an eine dritte Lenkspindel 7 angeschlossen ist, und diese Spindel 7 steht über ein (nicht gezeigtes) Ritzel mit einer Zahnstange 11 in Verbindung.

Ein Drehmomentfühler 8 mit vier Spannungs- oder Dehnungsmeßelementen ist an der ersten Lenkspindel 2 befestigt; der elektrische Ausgang des Drehmomentfühlers 8 wird einem

Steuergerät CON zugeführt, das den servounterstützten Lenkbetrieb steuert. Ein Motordrehmoment-Ubersetzungsgetriebe 9 ist zwischen dem mit der Zahnstange 11 kämmenden Ritzel bzw. der Lenkspindel 7 sowie dem Kardangelenk 6 angeordnet und mit einer (nicht gezeigten) Abtriebswelle eines Gleichstrom-Servo- oder Stellmotors DM verbunden.

Der Servomotor DM ist an das Steuergerät CON angeschlossen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Thermistor TH am Gehäuse des Motors DM angebracht, um die Umgebungstemperatur zu erfassen, und dieser Thermistor TH ist ebenfalls mit dem Steuergerät CON verbunden. Die Batterie BT des Fahrzeugs dient als Energiequelle für dieses Servolenksystem.

Die Zahnstange 11 ist mit einer Zugstange 10 verbunden, deren eines Ende (die Anordnung ist symmetrisch) an einen Lenkzapfen 16 angeschlossen ist, der die Richtung des Fahrzeugrades 12 bestimmt, wenn das Lenkrad 1 betätigt wird. An der Lenkachse sind ein Stoßdämpfer 13, eine obere Aufhängung 14, eine Schraubenfeder 15 und eine untere Aufhängung 18 vorgesehen.

Bei dem Blockdiagramm von Fig. 2, das die Kenndaten in jedem Block angibt, zeigt die lotrechte Achse den Eingangspegel und die waagerechte Achse den Ausgangspegel. In Fig. 3 und 4, die Einzelheiten der Blöcke von Fig. 2 zeigen, sind Widerstände als kleine Rechtecke dargestellt.

Der Drehmomentfühler 8, der an der ersten Lenkspindel 2 angebracht ist, ist, wie Fig. 2 zeigt, als Widerstandsmeßbrücke ausgebildet, deren Ausgang an den Block Bl geführt ist, der einen linearen Verstärker darstellt, dessen Ausgang den Blöcken B2 und B3 zugeführt wird. Der Block B2 ist ein Analogkomparator, der die Polarität eines Eingangssignals in bezug auf den Null-Pegel beurteilt und ein

Binärsignal abgibt. Der Block B3 ist ein Absolutwertkreis, der ein positives Signal abgibt, das denselben Pegel wie sein Eingangssignal unabhängig von dessen Polarität hat.

Demzufolge stellt der Ausgang des Blocks B2 die Polarität des eingegangenen DrehmomentsignaIs dar, während der Ausgang des Blocks B3 die Größe des Eingangsdrehmoments angibt. Der Ausgang des Blocks B2 wird der Eingangsklemme eines logischen Steuerkreises B17 zugeführt. Der Ausgang des Blocks B3 geht an einen Funktionsgeber B4, der ein Null-Pegelsignal, wenn der Eingangspegel unter einem vorgegebenen Pegel liegt, und ein Signal, das dem Eingangspegel gemäß einer vorbestimmten Kurve entspricht, wenn der Eingangspegel über dem vorgegebenen Pegel liegt, abgibt.

Bei der in Rede stehenden Servolenkung wird der in den Servomotor DM fließende Strom wiederholt in einem vorbestimmten Zyklus in einer sehr kurzen Zeitspanne an- und abgeschaltet. Die Größe der Erregung des Motors DM kann durch Änderung des AN/AUS-Arbeitszyklus geregelt werden. Der Block B7 ist ein Pulsbreitenmodulationskreis (PDM), der dazu dient, eine solche Änderung in der Größe der Erregung zu steuern. Der Kreis PDM, d.h. der Block 7, gibt einen Impuls ab, dessen Breite dem vom Block B6 zugeführten Signalpegel entspricht. Der Block B9 stellt einen Oszillator OSZ dar, der ein Signal an den Block B7 als Standard- oder Meßsignal für diesen abgibt.

Der Block B5 ist ein Begrenzungsverstärker, während der Block B6 ein Kompensator oder Entzerrer (PI) ist (Verhältnis und Integration). Eingangsdrehmomentsignale vom Block B4 sowie Ausgangssignale der Blöcke B8 und B15 werden dem Eingang des Blocks B5 zugeführt. Der Block B8 dient als ein Ausgang für das Ausgangssystem des Servomotors DM, während der Block B15 als Ausgang für das System des Tem-

peraturerfassungskreises dient.

Gemäß Fig. 2 ist ein Stromfühler CT vorhanden, dessen Ausgang einem linearen Verstärker BIO, dann einem Absolutwertkreis BIl und schließlich dem Block B5 zugeführt wird. Es ist hier zu bemerken, daß in Fig. 3 der Block B8 weggelassen wurde. Der Block B12 stellt einen Analogkomparator dar, der einen Stromüberlaüf verhindert. Wenn der Stromfluß über einen vorgegebenen Wert hinausgeht, dann gibt der Komparator B12 ein Niedrig-Pegelsignal L an den Eingang Pc des logischen Steuerkreises B17, um den Stromfluß zum Motor DM zu unterbrechen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Block B12 Hysteresiskennwerte hat.

Das Stromsignal am Ausgang des Blocks BIl wird auch einem Block B14 zugeführt, der eine quadratische Charakteristik hat und einen dem Quadrat des Eingangssignals proportionalen Signalpegel abgibt. Insofern liefert der Ausgang des Blocks B14 ein zur Größe des Kupferverlusts (Ia · Ra) proportionales Signal. Der Block B14 besteht aus einer Mehrzahl von Dioden und Widerständen, um eine pseudoquadratische Charakteristik zu bilden. An den Block B14 schließt ein Integratorkreis B13 an, der an seinem Ausgang ein Signal im Ansprechen auf den Temperaturanstieg des Servomotors DM liefert.

Das Ausgangssignal des Thermistors TH wird durch den Temperaturfühlkreis B16 verstärkt und dem Block B15 zugeführt, der ein Funktionsgeber mit zum Block bzw. Funktionsgeber B4 gleichartigen Eigenschaften ist. Solange die Temperatur des Motors unter einem vorbestimmten Wert Tl ist, der niedriger als die maximal zulässige Temperatur T2 des Motors ist, ist der Ausgangspegel Null, und wenn die Temperatur den Wert Tl übersteigt, dann erhöht sich der Ausgangspegel in einem vorgegebenen Anstiegswinkel im Ansprechen auf den Temperaturanstieg.

Der logische Steuerkreis B17 besteht aus einer Umkehrstufe (Inverter) INI und NAND-Gliedern NAl sowie NA2 (s. Fig. 4). Wenn der Eingang Pc einen hohen Pegel H darstellt, dann gibt jeder der Eingänge der NAND-Glieder NAl, NA2 einen hohen Pegel H wieder, weshalb jeder Ausgangspegel in Verbindung mit den beiden anderen Eingangspegeln bestimmt wird.

Wenn unter diesen Bedingungen der Eingang Pa einen hohen Pegel H angibt, d.h., wenn das Eingangsdrehmoment in der ersten Richtung der Klemme Pa zugeführt wird, dann zeigt der eine der Eingänge des NAND-Glieds NAl einen hohen Pegel H an, während einer der Eingänge des NAND-Glieds NA2 einen niedrigen Pegel L angibt. Eine mit einem Ausgangstransistor Ql verbundene Basistreiberstufe B18 gibt ein invertiertes Signal des Eingangs an der Klemme Pb ab, die anderen Basistreiberstufen B18, die mit den Ausgangstransistoren Q2, Q3 und Q4 verbunden sind, zeigen einen hohen Pegel H bzw. einen hohen Pegel H bzw. einen niedrigen Pegel L an.

Wenn am Eingang Pa ein niedriger Pegel L anliegt, d.h., wenn das Eingangsdrehmoment in der zweiten Richtung der Klemme Pa zugeführt wird, dann gibt ein Eingang der Basistreiberstufe B18, die mit dem Transistor Q3 verbunden ist, ein invertiertes Signal Pb an. Die anderen Basistreiberstufen B18, die mit den Transistoren Q2, Ql und Q4 verbunden sind, zeigen AN bzw. AUS bzw. AUS an. Die Basistreiberstufen B18 bestehen aus Transistoren, Widerständen und zwei Dioden, von denen eine als Photokoppler (opto-elektronischer Koppler) PC, der an die Basen der Transistoren Ql - Q4 angeschlossen ist, verwendet wird.

Die Fig. 5 zeigt vier Betriebsarten des Servomotors DM, die Fig. 6 zeigt ein Diagramm über die Beziehung der Impulswellen der Transistoren Ql - Q4. Wenn das Lenkrad in der ersten Richtung gedreht wird, dann gibt der Eingang Pa

des logischen Steuerkreises B17 einen hohen Pegel H an, demzufolge gehen die Ausgangstraisistoren Q2 und Q3 auf AUS. Da der Transistor Q4 immer im AN-Zustand ist, geht der Ausgang des Transistors Ql nur dann in den AN-Zustand, wenn das Signal an der Eingangsklemme Pb einen hohen Pegel H angibt.

Das heißt mit anderen Worten, daß ein Strom intermittierend in einer vorbestimmten Richtung in den Motor DM fließt.' Wenn die Lenkspindel in der ersten Richtung gedreht wird, dann wird der Servomotor DM so betrieben, daß er ein Drehmoment zur Unterstützung des vom Fahrer des Kraftfahrzeugs auszuführenden Lenkvorgangs erzeugt. Die Impulsbreite des Ausgangs des Pulsbreitenmodulationskreises B7 wird so gesteuert, daß das Signal im Ansprechen auf das Eingangsdrehmoment vom Block B4 (wobei der Ausgang vom Verstärker B5 Null ist) mit dem Signal des Motorrückkopplungsstroms in Einklang steht oder übereinstimmt.

In ähnlicher Weise schalten, wenn die Lenkspindel in der zweiten Richtung gedreht wird, die Transistoren Ql und Q4 in den AUS-Zustand und-der Transistor Q2 in den AN-Zustand. Der Transistor Q3 schaltet wiederholt auf AN und AUS, so daß der Strom des Motors DM intermittierend in der anderen Richtung fließt. Üblicherweise wird der Pegel des Signals im Ansprechen auf das am Ausgang des Blocks B4 erhaltene Eingangsdrehmoment automatisch so geregelt, daß es eine vorbestimmte Beziehung zum Pegel des zum Motor DM fließenden Stroms hat.

Wenn die Temperatur des Motors DM den Wert Tl erreicht, der unter der zulässigen Motortemperatur T2 liegt, dann hat der Ausgang des Blocks B15 einen vorbestimmten Pegel, der dem Unterschied zwischen der erfaßten Temperatur und dem Wert Tl entspricht. Dieser wird dem Eingangsdrehmoment mit umgekehrter Polarität zugefügt, d.h., es erfolgt eine Subtraktion.

Demzufolge wird der Ausgang am Block B15 umso größer, je höher die erfaßte Temperatur ist, und deshalb wird das Ausgangsdrehmoment des Motors DM im Sinne einer Verminderung geregelt. Wie die Fig. 7 zeigt, wird der Ausgang des Motors DM zwischen den Temperaturen Tl und T2 mit einer vorbestimmten Neigung linear vermindert. Wenn die erfaßte Temperatur den Wert T2 erreicht, dann wird der Motor DM völlig stillgesetzt.

Die Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Motortemperatur und dem Motorausgang (Motorleistung) mit Bezug auf die Zeitänderungen. Wenn das Eingangsdrehmoment konstant ist, dann ist, falls die Temperatur unter Tl liegt, auch der Ausgang konstant. Unmittelbar nach dem Betreiben des Motors steigt dessen Temperatur in Übereinstimmung mit der Zeitänderung an. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit und Erreichen des Temperaturwerts Tl wird der Ausgang des Motors im Sinne einer Verminderung geregelt. Wenn der Ausgang des Motors konstant ist, dann wird die Temperatur ansteigen, wie die gestrichelte Linie in Fig. 8 zeigt. Nachdem die Temperatur den Wert Tl erreicht, wird jedoch der Ausgang des Motors vermindert, d.h., der Stromfluß zum Motor wird entsprechend reduziert, und es ergibt sich die Temperaturkurve gemäß der ausgezogenen Linie, die unter der gestrichelten Linie liegt.

Die Temepratur wird dann weiter ansteigen, und es wird der Wert T2 erreicht, so daß der Stromzufluß I zum Motor zu Null wird und der Motor dann nach Ablauf einer Zeitverzögerung gekühlt wird, um das Ansteigen der Temperatur T zu beenden. Der Temperaturabfall dauert an, und die Temperatur geht unter den Wert T2, womit der Strom wieder in Abhängigkeit vom Drehmoment fließen wird. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit beginnt wieder ein Temperaturanstieg. Unter diesen schlechtesten Bedingungen schaukelt die Temperatur um die zulässige Temperatur T2 auf und ab.

In der Praxis ist ein derartiger fortlaufender Betrieb der Lenkung sehr selten und kann vernachlässigt werden. Üblicherweise kommt der Motor DM intermittierend zum Einsatz, wobei ein allmählicher Temperaturanstieg eintritt und der Wert T2 selten überschritten wird, so daß der Motor nicht völlig zum Stillstand kommt.

Bei der Ausführungsform von Fig. 9 ist das Rückkopplungssystem für den Motorstromfluß vom Erfassungssystem für den Temperaturanstieg des Motors getrennt. Der Funktionsgeber B14' mit quadratischer Charakteristik ist geändert, so daß er in der Lage ist, einen Ausgang mit Bezug zum negativen Eingangspegel zu erhalten,.und der Ausgang vom Stromfühler CT wird dem Block B14¹ unmittelbar zugeführt.

Der Block B14¹ ist in Fig. 10 im einzelnen gezeigt; die Blöcke B3 und BIl können gemäß Fig. 11 aufgebaut sein.

Der Thermistor TH ist gemäß Fig. 1 unmittelbar am Motorgehäuse vorgesehen. Es ist dann jedoch notwendig, zwischen dem Gehäuse und dem Thermistor eine Isolierung anzubringen, wenn die Temperatur des Gehäuses größer wird als diejenige des Motors. Auch ist es möglich, den Thermistor wegzulassen und die Temperatur des Motors selbst als die Umgebungstemperatur zu erfassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Servolenkvorrichtung mit Motorantrieb für Kraftfahrzeuge mit einem Lenkrad, gekennzeichnet

- durch eine Drehmomentfühleinrichtung (8, Bl, B2, B3, B4), die das durch eine Drehung des Lenkrades (1) erzeugte Drehmoment erfaßt und im Ansprechen auf das erfaßte Drehmoment Signale erzeugt,

- durch eine Stromfühleinrichtung (CT, BIO, BIl), die den Strom des Motors (DM) erfaßt und im Ansprechen auf die Größe des erfaßten Stroms Signale erzeugt,

- durch eine den Motor (DM) im Ansprechen auf den Ausgang der Drehmomentfühleinrichtung betätigende Motorantriebseinrichtung (B14, B13, B15) und

- durch eine die Antriebskraft der Motorantriebseinrichtung im Ansprechen auf die Signale von der Stromfühleinrichtung regelnde Steuereinrichtung (B17).

Dresdner Bank (München) Kto 3939 844

Bayer Vereinsbank !München) Klo 508 941

Postsctiecli. Mjncncn) Klo 670-13-SC4

2. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von der Stromfühleinrichtung dem Anstieg der Motortemperatur entsprechen, wobei die Steuereinrichtung die Antriebskraft der Motorantriebseinrichtung bei Erreichen eines vorbestimmten Werts (Tl) der angestiegenen Motortemperatur vermindert.

3. Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine die Umgebungstemperatur des Motors erfassende Fühleinrichtung (TH, B16, B15) enthält, die im Ansprechen auf diese Temperatur Signale erzeugt.