DE60109237T2

DE60109237T2 - Elektrische Servolenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60109237T2
Application number: DE60109237T
Authority: DE
Inventors: Dominique Marc Bernede; Tonino Del Fabbro
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: ATE290485T1; EP1172280A1; FR2811627B1; FR2811627A1; EP1172280B1; DE60109237D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lenkungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Servovorrichtung, und im Spezielleren auf ein Servolenkungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches System ist aus der JP 08 244 635 bekannt.
Genauer betrifft sie ein Servolenkungssystem von der Bauart, die eine drehbare Lenkungswelle umfasst, die an einem Ende ein Lenkrad und an ihrem anderen Ende ein Übersetzungselement trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange zusammenwirkt, die mit jedem ihrer Enden mit einer Ausrichtungseinrichtung für die Leiträder des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung einen Elektromotor, der ein mit der Zahnstange zusammenwirkendes Servoglied antreibt, und eine Steuereinrichtung umfasst, die dem Elektromotor ein Steuersignal bereitstellt, das dazu ausgelegt ist, das Ausgangsmoment des Elektromotors in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Lenkungswelle und/oder allgemeiner des Fahrzeugs sich verändern zu lassen.
Bei den bekannten elektrischen Servolenkungssystemen treibt ein Elektromotor mittels eines Getriebes ein Ritzel an, das mit der Lenkungszahnstange in Eingriff ist, um auf die Zahnstange eine Hilfskraft zu übertragen. Es bestehen andere Techniken wie beispielsweise diejenige der Kugelumlaufschnecken, um die Drehbewegung des Motors auf die Zahnstange zu übertragen. Der Elektromotor wird von einem Rechner gesteuert, der vorprogrammierte Steuergesetze anwendet, um der Entwicklung von Funktionsparametern des Fahrzeugs und der Lenkung, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem vom Fahrer an das Lenkrad und die Lenkungswelle angelegten Moment und der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads Rechnung zu tragen. Der Rechner liefert dem Elektromotor ausgehend von diesen Funktionsparametern und vorprogrammierten Steuergesetzen ein Momentsteuersignal, das dem abzugebenden Motorausgangsmoment entspricht, um auf die Zahnstange die gewünschte Hilfskraft auszuüben.
Im Allgemeinen ist keine Regelschleife vorgesehen, die eine Korrektur des Signals ermöglicht, das in Abhängigkeit von den gemessenen Größen zum Motor geschickt wird, die ein Moment oder eine Hilfskraft angeben, das bzw. die tatsächlich vom Motor abgegeben wird.
Eine solche Vorrichtung ist aufgrund der Schwierigkeit nicht vollkommen zufriedenstellend, eine gewünschte Hilfskraft in ein Motorausgangsmoment zu übersetzen.
Bei einem bestimmten Ausgangsmoment des Elektromotors unterscheidet sich nämlich die effektiv auf die Zahnstange angelegte Hilfskraft wegen der mechanischen Energieverluste im Elektromotor (Trägheit, Reibungen) und im Übertragungsmechanismus des Motormoments mit Hilfskraft, und zwar insbesondere dem Getriebe und Übersetzungselement der Zahnstange, deutlich von der theoretischen Hilfskraft. Beispielsweise können die vorgenannten mechanischen Energieverluste bei bestimmten Fahrzeugen von der Axt einer Limousine und bei häufig wechselnden Lenkradgeschwindigkeits- und Einschlagzuständen bei variablen Lenkradmomenten um die 30% und bei konstanten Lenkradmomenten um die 15% gegenüber der theoretischen auf die Zahnstange wirkenden Hilfskraft betragen. Diese Verluste schwanken im Verlauf der Zeit in einem Fahrzeug mit dem Verschleiß der mechanischen Übersetzungsteile, aber auch von einem Fahrzeug zum anderen, wobei diese Schwankungen extrem schwierig nachzuvollziehen sind.
Ein Hauptziel der Erfindung ist es, diesen Nachteilen abzuhelfen und eine elektrische Servolenkung vorzuschlagen, deren Funktionsablauf nicht durch die Unterschiede, die von einem Fahrzeug zu einem anderen bestehen, oder durch mechanische Energieverluste, die mit der Zeit aufkommen, beeinträchtigt wird.
Unter Verfolgung dieses Ziels ist ein Kraftfahrzeuglenkungssystem von der vorgenannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung an der Zahnstange Messeinrichtungen für die durch das Servoglied auf die Zahnstange ausgeübte Kraft umfasst, und die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, das Steuersignal für das Moment in Abhängigkeit von dem durch die Messeinrichtung ermittelten Kräftewert abzuändern.
Nach weiteren Merkmalen:

– umfasst die Steuervorrichtung einen Rechner, der ausgehend von voreingespeicherten Daten und Betriebsparametern ein Momentreferenzsignal herstellt, und einen Regelbaustein, der in Abhängigkeit vom Referenzsignal und dem ermittelten Kräftewert das Steuersignal für das Moment herstellt;
– umfasst der Regelbaustein ein Wandlerteil, das ausgehend vom ermittelten Kräftewert ein Messsignal abgibt, welches ein Abbild des reellen Werts des Servomoments des Motors ist, mit dem das Servoglied beaufschlagt wird;
– umfasst der Regelbaustein eine Vergleichseinrichtung, die als Eingang das Messsignal des Moments und das Momentreferenzsignal empfängt und als Ausgang ein Momentversatzsignal abgibt;
– umfasst der Regelbaustein einen PID-Regler, der das Steuersignal für das Moment aus dem Momentversatzsignal herstellt;
– ist die Proportionalverstärkung des PID-Reglers auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt;
– ist die Proportionalverstärkung des PID-Reglers auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt;
– ist die Proportionalverstärkung des PID-Reglers auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt;
– umfasst das Servolenkungssystem Schätzeinrichtungen für das am Lenkrad anliegende Moment und der Regelbaustein reagiert bei von den Schätzeinrichtungen geschätzten Momentwerten, die unter einem vorbestimmten Momentwert liegen, nicht; und
– liegt der vorbestimmte Momentwert zwischen 1 und 2 Nm.

Die vorliegende Erfindung zielt auch auf ein Steuerverfahren für ein Servolenkungssystem der vorgenannten Art ab, nach dem das Steuersignal für das Moment auf folgende Weise hergestellt wird:

– die vom Servoglied auf die Zahnstange ausgeübte Kraft wird gemessen;
– der so erhaltene Kräftewert wird in einen reellen Momentwert umgewandelt, der aus den Eigenschaften des Untersetzungsgetriebes, des Servoglieds und der Zahnstange geschätzt wird;
– der Versatz zwischen einem Momentreferenzwert wird ausgehend von voreingespeicherten Daten und Betriebsparametern und dem so geschätzten reellen Momentwert berechnet;
– ein Momentsteuerwert wird mittels eines PID-Regelgesetzes berechnet, dessen Koeffizienten vorbestimmt sind;
– das Steuersignal für das Moment wird hergestellt, das diesem Steuerwert entspricht.

Schließlich bezieht sich die Erfindung noch auf ein Kraftfahrzeug, das ein wie vorstehend definiertes elektrisches Servolenkungssystem umfasst.
Die Erfindung wird bei der Lektüre der folgenden Beschreibung verständlicher, die nur als Beispiel wiedergegeben ist und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erstellt wurde:
1 ist eine Schemaansicht eines erfindungsgemäßen Servolenkungssystems;
2 ist ein Schema, das die Hilfsvorrichtung zeigt, mit der eine erfindungsgemäße Servolenkung ausgestattet ist.
In 1 ist ein Lenkungssystem 1 für ein elektrisch unterstütztes Kraftfahrzeug dargestellt, das ein Lenkrad 2 umfasst, das fest mit einem ersten Abschnitt 3 einer Lenkungswelle 4 verbunden ist, die mittels eines Kardangelenks 6 an einen zweiten Abschnitt 5 dieser Lenkungswelle 4 angeschlossen ist. Die Lenkungswelle 4 setzt sich hier aus zwei angelenkten Abschnitten 3, 4 zusammen, könnte aber auch aus einem Stück bestehen. Die Lenkungswelle 4 überträgt das vom Fahrer des Fahrzeugs an das Lenkrad 2 angelegte Drehmoment an ein Übersetzungsritzel 7, das in eine Lenkungszahnstange 8 eingreift, die im Verhältnis zur Fahrzeugachse quer zwischen zwei Leiträdern 9 angeordnet ist. Das Übersetzungsritzel 7 könnte durch jedes andere geeignete Übersetzungselement ersetzt werden, wie beispielsweise eine Schnecke. Jedes Leitrad 9 kann unter der Einwirkung einer linearen Verschiebung der Zahnstange 8 um eine Schwenkachse oder im Wesentlichen um Z-Z schwenken, wobei das Leitrad 9 von einer Pleuelstange 10 betätigt wird, die mit einem Ende 11 der Zahnstange 8 verbunden ist.
Das Lenkungssystem 1 umfasst auch eine Servovorrichtung 12, die dazu bestimmt ist, auf die Zahnstange 8 eine Kraft mit derselben Richtung auszuüben, wie die Kraft, die vom Übersetzungsritzel 7 ausgeübt wird, um dem Fahrer des Fahrzeugs in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Fahrzeugs wie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und von Betriebsparametern der Lenkung wie der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads und dem vom Benutzer an das Lenkrad angelegten Drehmoment, die Betätigung des Lenkrads 2 zu erleichtern. Die drei genannten Parameter sind jeweils mit den Bezugszeichen P1, P2, P3 bezeichnet. Der Geschwindigkeitswert P1 des Fahrzeugs wird von herkömmlichen Messeinrichtungen für die Geschwindigkeit bestimmt, die für gewöhnlich in Fahrzeugen vorhanden sind. Die Drehgeschwindigkeit P2 des Lenkrads 2 wird von einem Winkelgeschwindigkeitssensor 13 geliefert, der am ersten Abschnitt 3 der Lenkungswelle 4 angebracht ist, und der Wert P3 des an das Lenkrad 2 angelegten Drehmomentsensors 14 geschätzt, der am zweiten Abschnitt 5 der Lenkungswelle 4 in einem Bereich nahe am Übersetzungsritzel 7 angebracht ist.
Die Servovorrichtung 12 umfasst einen Elektromotor 15, dessen Ausgangsmoment C_s von einer elektronischen Steuervorrichtung 16 gesteuert wird, die dem Motor ein Momentsteuersignal S liefert. Das Ausgangsmoment C_s des Elektromotors 15 wird über die Ausgangswelle 18 des Motors 15 an ein Untersetzungsgetriebe 19 und an ein Servoglied oder Hilfsritzel 20 übertragen, das in die Zahnstange 8 eingreift. Die Zahnstange umfasst eine Kräftemesseinrichtung 21, die dazu ausgelegt ist, die Kraft zu messen, die vom Hilfsritzel 20 auf die Zahnstange 8 ausgeübt wird, und der elektronischen Steuervorrichtung 16 den Wert m der so ermittelten Kraft bereitzustellen.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die elektronische Steuervorrichtung 16 einen Rechner 22 und einen Regelbaustein 23. Der Rechner 22 empfängt die Signale, die für die Betriebsparameter P1, P2, P3 stehen und wendet auf sie voreingespeicherte Steuergesetze an, um ein Referenzsignal S1 für das Moment herzustellen und zu einem ersten Eingang des Regelbausteins 23 zu schicken.
Das Signal, das für den Wert m der von der Kräftemesseinrichtung 21 ermittelten Kraft steht, wird zu einem zweiten Eingang des Regelbausteins 23 geschickt, wobei dieser ein Wandlerteil 24 umfasst, das ausgehend vom ermittelten Kräftewert m ein Messsignal SO abgibt, welches ein Abbild des reellen Werts des Servomoments des Motors ist, mit dem das Servoglied 20 beaufschlagt und das zur Zahnstange 8 übertragen wird.
Der Regelbaustein 23 umfasst im Übrigen eine Vergleichseinrichtung 25, die als Eingang das Messsignal SO des Moments und das Momentreferenzsignal S1 empfängt, das vom Rechner 22 geliefert wird, und gibt als Ausgang ein Momentversatzsignal S_Δ ab, das an einen PID-Regler 26 übertragen wird. Dieser Regler 26 wendet auf das Momentsignal S_Δ ein Proportional-/Integral-/Differential-Gesetz an, um das Momentsteuersignal S herzustellen, das dann an den Elektromotor 15 angelegt wird. Die Proportional-/Integral-/Differential-Verstärkungskoeffizienten K_p, K_i, K_d, die im Regelgesetz angewendet werden, betragen beispielsweise bei einem Fahrzeug von der Art einer Limousine ca. 7.5; 175; 0.02.
Die wie vorstehend beschriebene Regelung des Ausgangsmoments C_s des Elektromotors 15 durch die Hilfskraft ermöglicht es, einen deutlich verbesserten Funktionsablauf des unterstützten Lenkungssystem in den Phasen zu erhalten, die an das Lenkrad 2 angelegten Momenten entsprechen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten; hingegen kann die wie vorstehend beschriebene Regelschleife bei an das Lenkrad 2 angelegten Momentwerten, die sich innerhalb eines Schwellenwerts Co befinden, nicht nützlich sein und in manchen Fällen sogar den Betrieb der Servovorrichtung verschlechtern.
Deshalb ist es vorzuziehen, den Regelbaustein 23 beispielsweise für bestimmte Werte des Betriebsparameters P3, der mit dem an das Lenkrad 2 angelegten Moment zusammenhängt, unwirksam zu machen; diese Werte entsprechen Momentwerten, die unter einem vorbestimmten Schwellenwert Co, zwischen 1 und 2 Nm, liegen, und kann bei einem bestimmten Fahrzeug 1,5 Nm betragen. Dieser Wert kann für jeden Fahrzeugtyp oder jedes Fahrzeugmodell bestimmt werden, indem Versuche durchgeführt werden, die sich auf eine bestimmte Anzahl von Auswertekriterien beziehen, wie das in diesem Teilbereich der Technik in der Praxis gemacht wird.
Die elektrische Servolenkung und das damit verbundene Verfahren liefern, so wie sie in der Erfindung beschrieben sind, eine Hilfskraft, die sehr wohl auch die Verschleißwirkungen mechanischer Übersetzungsteile der Servovorrichtung die ganze Lebensdauer des Fahrzeugs lang und ohne Zeitverschiebung, wie die Schwankungen der mechanischen Eigenschaften von einem Fahrzeug zum anderen und die Schwankungen dieser Eigenschaften je nach den Benutzungsbedingungen des Fahrzeugs ausgleicht.
Im Übrigen verbessert die Erfindung im Vergleich mit bekannten elektrischen Servolenkungen den Fahrkomfort vor allem aufgrund einer hohen Reaktivität, die durch den sofortigen Ausgleich der Trägheitskräfte erhalten wird, die von den mechanischen Teilen der Lenkung erzeugt werden.
Diese Ergebnisse werden im Übrigen durch einfache und zuverlässige Mittel und ohne nennenswerte Kostenerhöhung erzielt.

Claims

Elektrisches Servolenkungssystem mit einer drehbaren Lenkungswelle (4), die an einem Ende ein Lenkrad (2) und an ihrem anderen Ende ein Übersetzungselement (7) trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange (8) zusammenwirkt, die mit jedem ihrer Enden (11) mit einer Ausrichtungseinrichtung (10) für die Leiträder (9) des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung, (12) einen Elektromotor (15), der ein mit der Zahnstange (8) zusammenwirkendes Servoglied (20) antreibt, und eine Steuervorrichtung (16) umfasst, die dem Elektromotor (15) ein Steuersignal (S) bereitstellt, das dazu ausgelegt ist, das Ausgangsmoment (Cs) des Elektromotors (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Lenkungswelle und/oder allgemeiner des Fahrzeugs sich verändern zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Servovorrichtung (12) an der Zahnstange (8) Messeinrichtungen (21) für die durch das Servoglied (20) auf die Zahnstange (8) ausgeübte Kraft umfasst, und die Steuervorrichtung (16) dazu ausgelegt ist, das Steuersignal (S) für das Moment in Abhängigkeit von dem durch die Messeinrichtungen (21) ermittelten Kräftewerts (m) abzuändern.
Servolenkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (16) einen Rechner (22), der ausgehend von voreingespeicherten Daten und Betriebsparametern (P1, P2, P3) ein Momentreferenzsignal (S1) herstellt, und einen Regelbaustein (23) umfasst, der in Abhängigkeit vom Referenzsignal (S1) und dem ermittelten Kräftewert (m) das Steuersignal (S) für das Moment herstellt.
Servolenkungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelbaustein (23) ein Wandlerteil (24) umfasst, das ausgehend vom ermittelten Kräftewert (m) ein Messsignal (S0) abgibt, welches ein Abbild des reellen Werts des Servomoments des Motors (15) ist, mit dem das Servoglied (20) beaufschlagt wird.
Servolenkungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelbaustein (23) eine Vergleichseinrichtung (25) umfasst, die als Eingang das Messsignal (S0) des Moments und das Momentreferenzsignal (S1) empfängt und als Ausgang ein Momentversatzsignal (S_Δ) abgibt.
Servolenkungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelbaustein (23) einen PID-Regler (26) umfasst, der das Steuersignal (S) für das Moment aus dem Momentversatzsignal (S_Δ) herstellt.
Servolenkungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalverstärkung (K_p) des PID-Reglers (26) auf einen Wert zwischen 6 und 9 voreingestellt ist.
Servolenkungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalverstärkung (K_p) des PID-Reglers (26) auf einen Wert zwischen 140 und 210 voreingestellt ist.
Servolenkungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalverstärkung (K_p) des PID-Reglers (26) auf einen Wert zwischen 0,016 und 0,024 voreingestellt ist.
Servolenkungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Schätzeinrichtungen (14) für das am Lenkrad (2) anliegende Moment umfasst und der Regelbaustein (23) bei von den Schätzeinrichtungen (14) geschätzten Momentwerten, die unter einem vorbestimmten Momentwert (Co) liegen, nicht reagiert.
Servolenkungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Momentwert (Co) zwischen 1 und 2 Nm liegt.
Verfahren zum Steuern, mittels eines Steuersignals für das Moment, eines Elektromotors einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung eines Lenkungssystems eines Kraftfahrzeugs, das eine drehbare Lenkungswelle (4) umfasst, die an einem Ende ein Lenkrad (2) und an ihrem anderen Ende ein Übersetzungselement (7) trägt, das mit einer translationsbeweglichen Zahnstange (8) zusammenwirkt, die mit jedem ihrer Enden (11) mit einer Ausrichtungseinrichtung (10) für die Leiträder (9) des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Servovorrichtung (12) einen Elektromotor (15), der mittels eines Untersetzungsgetriebes (19) ein mit der Zahnstange (8) zusammenwirkendes Servoglied (20) antreibt, und eine Steuervorrichtung (16) umfasst, die dem Elektromotor (15) ein Steuersignal (S) bereitstellt, das dazu ausgelegt ist, das Ausgangsmoment (Cs) des Elektromotors (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Lenkungswelle und/oder allgemeiner des Fahrzeugs sich verändern zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S) für das Moment auf folgende Weise hergestellt wird: – die vom Servoglied (20) auf die Zahnstange (8) ausgeübte Kraft wird gemessen; – der so erhaltene Kräftewert (m) wird in einen reellen Momentwert umgewandelt, der aus den Eigenschaften des Untersetzungsgetriebes (19), des Servoglieds (20) und der Zahnstange (8) geschätzt wird; – der Versatz zwischen einem Momentreferenzwert wird ausgehend von voreingespeicherten Daten und Betriebsparametern (P1, P2, P3) und dem so geschätzten reellen Momentwert berechnet; – ein Momentsteuerwert wird mittels eines PID-Regelgesetzes berechnet, dessen Koeffizienten (K_p, K_i, K_d) vorbestimmt sind; – das Steuersignal (S) für das Moment wird hergestellt, das diesem Steuerwert entspricht.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Servolenkungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10.