DE69916924T2

DE69916924T2 - Verbesserungen in Verbindung mit Fahrzeuglenksystemen

Info

Publication number: DE69916924T2
Application number: DE69916924T
Authority: DE
Inventors: Russell Stratford-upon-Avon Wilson Jones; Andrew James Stephen Lapworth Williams
Original assignee: TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd
Current assignee: TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: EP0947413A2; JPH11321692A; JP4119563B2; KR19990082834A; KR100688995B1; GB9806969D0; US6282472B1; EP0947413B1; ES2221313T3; DE69916924D1; EP0947413A3

Description

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei elektrisch servounterstützten Lenkungssystemen der Art, bei der ein Elektromotor dafür ausgelegt ist, ein Unterstützungsdrehmoment in Antwort auf ein Ausgangssignal von einem Drehmomentsensor bereitzustellen, welches das Eingangsdrehmoment angibt, das von dem Fahrer des Fahrzeuges auf das Lenkungssystem aufgebracht wird. Ein derartiges elektrisches servounterstütztes Lenkungssystem, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist, ist in der US-A-4753309 offenbart.
Bei einem Lenkungssystem dieser Art, bei dem das Unterstützungsdrehmoment von einem Elektromotor erzeugt wird, wird eine "Verstärkungskurve" benötigt. Die Verstärkungskurve legt die statische Beziehung zwischen dem vom Fahrer aufgebrachten Eingangsdrehmoment und dem vom Motor erzeugten Unterstützungsdrehmoment fest. In einem einfachen System, bei dem eine lineare Beziehung zwischen dem Eingangsdrehmoment und dem Ausgangsdrehmoment vorliegt, kann die Verstärkungskurve die Form einer geraden Linie annehmen.
Bei einer tatsächlichen Anwendung führt eine einfache "geradlinige" Verstärkungskurve nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Eine praxisgerechte Verstärkungskurve hat mehrere Merkmale, welche ein verbessertes Fahrgefühl erzeugen. Zunächst ist es wünschenswert, einen Bereich mit niedrigem Verstärkungsfaktor für kleine Eingangsdrehmomente auf jeder Seite des Null-Eingangsdrehmomentes zu haben. In dem Bereich mit niedrigem Verstärkungsfaktor ist das Unterstützungsdrehmoment gering. Dies stellt sicher, dass das Lenkungssystem nicht unnötig empfindlich auf sehr geringe Änderungen des Eingangsdrehmoments reagiert, wenn geradeaus gefahren wird, beispielsweise zum Beibehalten der Position des Fahrzeuges auf einer Fahrspur einer Schnellstraße, jedoch ein "progressives" Gefühl erzeugen kann, wenn mit hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine Kurve durchfahren wird.
Ein weiteres wünschenswertes Merkmal einer praxisgemäßen Verstärkungskurve ist, dass der Gradient der Kurve bei hohen Wertes des Eingangsdrehmomentes hoch sein sollte. Ein solches hohes Eingangsdrehmoment tritt üblicherweise bei Einparkmanövern auf und dieses Merkmal stellt sicher, dass die Bewegung des Lenkrades während solcher Manöver erleichtert wird, indem ein "leichtes" Lenkgefühl bereitgestellt wird. Ein hohes Eingangsdrehmoment kann auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkei ten während eines Notfall-Ausweichmanövers, beispielsweise eines Fahrspurwechsels, auftreten. Wenn der Gradient der Kurve hoch ist, kann von der Kurve gesagt werden, dass sie einen hohen Verstärkungsfaktor hat.
Ein drittes wünschenswertes Merkmal ist, dass es einen sanften Übergang zwischen dem Bereich mit niedrigem Verstärkungsfaktor (für niedrige Eingangsdrehmomente) und dem Bereich mit hohem Verstärkungsfaktor (für hohe Eingangsdrehmomente) geben sollte. Irgendwelche plötzlichen stufenförmigen Änderungen im Gradienten der Kurve wären vom Fahrer wahrnehmbar und würden ein unvorhersehbares Lenkgefühl erzeugen.
Ein letztes Merkmal einer praxisgerechten Verstärkungskurve ist, dass es einen Grenzwert der Höhe des Unterstützungsdrehmomentes geben sollte, welches von dem Motor aufgebracht wird. In vielen Systemen wird diese Grenze durch Grenzen der Hardware (z. B. maximales Drehmoment des Motors) bestimmt. In anderen Systemen kann es notwendig sein, diese Grenze künstlich einzubringen. Wo eine solche Grenze vorhanden ist, wird die Verstärkungskurve flach (d. h. das Ausgangsdrehmoment konstant) für Eingangsdrehmomente, welche ansonsten zu einem Unterstützungsdrehmoment führen würden, welches über dem begrenzenden Wert liegen würde.
Viele dieser Merkmale sind in hydraulischen servounterstützten Lenkungssystemen allgemein bekannt. Typischerweise ist in einem Hydrauliksystem die Form der Verstärkungskurve bestimmt durch das Profil eines Drehventils, welches sich ändernde Strömungsraten von Hydraulikfluid bei unterschiedlichen Lenkeingangsdrehmomenten ermöglicht. Bei einem elektrischen Servolenkungssystem wird die Verstärkungskurve vorzugsweise elektronisch bereitgestellt, beispielsweise durch einen Software-Algorithmus. Dies hat den Vorteil, dass durch Bereitstellen eines Geschwindigkeitssensors zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit es möglich wird, Größe und Formen der Verstärkungskurve für sich ändernde Geschwindigkeiten zu ändern. Eine derartige Abänderung kann eine Erhöhung der Breite des Bereiches des niedrigen Verstärkungsfaktors und eine Verringerung des Verstärkungsfaktors im Bereich des niedrigen Verstärkungsfaktors bei höheren Geschwindigkeiten sein, um einen Anstieg der wahrgenommenen Fahrzeugstabilität zu erzeugen.
In der Vergangenheit wurde die Verstärkungskurve in Form einer stückweisen linearen Annäherung einer Kurve erzeugt. Eine solche Verstärkungskurve weist eine Anzahl von Abschnitten auf, von denen jeder durch eine lineare Gleichung definiert ist.
Durch Ändern der Parameter der linearen Gleichung über jedem Abschnitt kann eine komplexe Verstärkungskurve erzeugt werden. Ein Beispiel einer derartigen Kurve ist in 1(a) der Zeichnung gezeigt.
Ein Nachteil der Verwendung einer Verstärkungskurve, bei der jeder Abschnitt durch eine lineare Gleichung definiert ist, besteht darin, dass sie nicht glatt verläuft, da plötzliche stufenförmige Gradientenänderungen beim Übergang von einem linearen Abschnitt zu einem anderen auftreten. Dies ist offensichtlich, wenn eine zeichnerische Darstellung der Ableitung der Verstärkungskurve gemacht wird, welche viele Diskontinuitäten zeigt, wie in 1(b) dargestellt. Eine Verbesserung der Glattheit der Kurve kann erhalten werden, indem die Anzahl der verwendeten linearen Gleichungen erhöht wird und hierdurch die Breite eines jeden Abschnittes verkleinert wird, jedoch erhöht dies die Komplexität der Kurve erheblich. Weiterhin können Änderungen der Form der Verstärkungskurve aufgrund der hohen Anzahl von Variablen, welche zur Erzeugung der gesamten Kurve nötig sind, nicht problemlos erhalten werden.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches servounterstütztes Lenkungssystem mit einem Eingangsglied, einem Ausgangsglied, einem mit dem Ausgangsglied gekoppelten Elektromotor und einem Drehmomentsensor, wobei der Elektromotor als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Drehmomentsensors, welches das von einem Fahrer des Fahrzeuges auf das Eingangsglied aufgebrachte Drehmoment angibt, ein Unterstützungsdrehmoment auf das Ausgangsglied aufzubringen vermag, wobei die Beziehung zwischen dem angegebenen Eingangsdrehmoment und dem von dem Motor aufgebrachten Ausgangsdrehmoment durch eine Verstärkungskurve festgelegt ist, die eine zu einem Null-Eingangsdrehmoment inverse Symmetrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve auf jeder Seite des Null-Eingangsdrehmomentes zumindest einen ersten Abschnitt, der durch eine erste Polynomgleichung entsprechend einem Bereich an Eingangsdrehmomenten zwischen einem Nullwert und einem ersten Wert definiert ist, und einen zweiten Abschnitt umfasst, der durch eine zweite Polynomgleichung entsprechend einem Bereich von Eingangsdrehmomenten zwischen einem zweiten Wert und einem dritten Wert definiert ist, wobei der Gradient des ersten Abschnitts der Kurve an dem ersten Wert im wesentlichen gleich dem Gradienten des zweiten Abschnitts der Kurve am zweiten Wert ist.
Das Eingangsglied und das Ausgangsglied können Teile eines einzelnen einstückigen Glieds sein, beispielsweise einander gegenüberliegende Enden einer Lenksäulenwelle.
Bevorzugt ist ein dritter Abschnitt der Kurve zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert festgelegt. Dieser Abschnitt kann durch eine lineare Gleichung definiert sein. Der Gradient der linearen Gleichung kann gleich dem Gradienten des ersten Abschnittes der Kurve am ersten Wert sein (und somit implizit der Gleiche wie der Gradient des zweiten Abschnittes der Kurve am zweiten Wert).
Das erste Polynom und das zweite Polynom können von unterschiedlicher Form sein. Tatsächlich ist es bevorzugt, dass sie dies sind. Alternativ können sie gleich sein. Die Polynome können quadratische Gleichungen sein.
Die ersten und zweiten Werte können im wesentlichen gleich sein. Der Null-Wert kann dem Null-Eingangsdrehmoment entsprechen.
Ein vierter Abschnitt der Kurve kann zwischen dem dritten Wert und einem vierten Wert definiert sein. Dieser kann durch eine lineare Gleichung definiert sein.
Ein fünfter Abschnitt kann zwischen dem vierten Wert und einem Maximaleingangswert definiert sein. Dieser Abschnitt hat bevorzugt einen Null-Gradienten.
Im Betrieb kann einer oder können mehrere der ersten, zweiten, dritten und vierten Werte variabel sein. Sie können sich in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit ändern. Ein Speicher kann vorgesehen sein und der eine oder mehrere Werte können im Speicher gespeichert sein. Sie können in einem Feld in einer elektronischen Verarbeitungseinheit gespeichert sein.
Zusätzlich kann der Gradient der Verstärkungskurve an einem oder mehreren der ersten, zweiten, dritten und vierten Werte im Speicher gespeichert werden. Der Gradientenwert bzw. die Gradientenwerte können von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig sein. Auch die Breite von einem oder mehreren der Abschnitte der Verstärkungskurve kann in einem Speicher gespeichert sein.
Die Verstärkungskurve für das elektrische servounterstützte Lenkungssystem der vorliegenden Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft dahingehend, dass sie keinerlei plötzliche Gradientenänderungen hat, wie sie auftreten, wenn die Abschnitte durch stückweise lineare Gleichungen definiert sind. Dies stellt ein weiches Lenkgefühl über den gesamten Bereich hinweg sicher. Die gesamte Verstärkungskurve kann auch durch ein Minimum an variablen oder konstanten Parametern definiert werden.
Bevorzugt hat die Verstärkungskurve um das Null-Eingangsdrehmoment eine inverse Symmetrie.
Bevorzugt ist der zweite Wert des Eingangsdrehmomentes höher als der erste Wert, der dritte Wert des Eingangsdrehmomentes kann höher als der zweite Wert sein und der vierte Wert kann höher als der dritte Wert sein.
Somit kann die gesamte Verstärkungskurve zwischen maximal negativem und maximal positivem Eingangsdrehmoment leicht durch zwei quadratische Gleichungen, ein Unterstützungsdrehmoment und die inverse Symmetrie um das Null-Eingangsdrehmoment festgelegt werden. Dies verringert die Anzahl von Variablen und/oder Konstanten, die zur Definition der Verstärkungskurve notwendig sind, erheblich.
Es können Mittel vorgesehen sein, um es zu ermöglichen, dass die Breite eines jeden Abschnittes der Verstärkungskurve und der Verstärkungsfaktor geändert werden, um es zu ermöglichen, dass Form und Verstärkungsfaktor der Verstärkungskurve an Fahrbedingungen angepasst oder für einen individuellen Fahrer "maßgeschneidert" werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die die quadratischen und linearen Abschnitte definierenden Parameter in einer Nachschlagtabelle gespeichert sein. Eine Software kann bereitgestellt werden, um diese Parameter zu ändern, um die Form der Verstärkungskurve abzuändern.
Ein glatt verlaufender Übergang kann sichergestellt werden, indem Mittel bereitgestellt werden, um die Werte der Parameter, welche die Verstärkungskurve definieren, über die Zeit hinweg langsam ansteigen zu lassen.
Das Lenkungssystem kann Schaltvorrichtungen beinhalten, die dafür ausgelegt sind, es einem Fahrer zu ermöglichen, von Hand zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Verstärkungskurvenform und/oder einem Verstärkungsfaktor zu wählen. Dies kann es möglich machen, eine "Sport"- oder "Komfort"-Verstärkungskurve durch den Fahrer auswählen zu lassen, um das Lenkgefühl abzuändern. In der Sport-Verstärkungskurve kann weniger Unterstützungsdrehmoment bereitgestellt werden als bei der Komfort-Einstellung, so dass ein schwergängigeres Lenkgefühl bereitgestellt wird.
Das Lenkungssystem kann dafür ausgelegt sein, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal zu empfangen, das die Geschwindigkeit des Fahrzeugs anzeigt. Daraufhin kann das System die Form der Verstärkungskurve für unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten abändern.
Das System kann auch Vorrichtungen beinhalten zum automatischen Abändern der Verstärkungskurve zur Anpassung an unterschiedliche Fahrer, beispielsweise kann dies einen identifizierenden Transponder umfassen, der für jeden Fahrer einzigartig ist. Wenn somit der Fahrer einsteigt und das Fahrzeug startet, kann das System automatisch die richtige Form der Verstärkungskurve wählen. Die Verstärkungskurven können vordefiniert sein oder von jedem Fahrer benutzerdefiniert werden.
Das Lenkungssystem kann Vorrichtungen beinhalten zur Erleichterung eines glatt verlaufenden Übergangs von einer Verstärkungskurvenform zu einer anderen. Beispielsweise kann die Form der Kurve glatt verlaufend geändert werden, wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit ändert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Verstärkungskurve durch sechs Parameter vollständig definiert: der Breite des ersten (quadratischen) Abschnittes q_1w, dem Gradienten des dritten (linearen) Abschnittes g₁, dem zweiten Eingangswert q_2s – entsprechend dem Beginn des zweiten (quadratischen) Abschnittes, der Breite des zweiten (quadratischen) Abschnittes q_2b, dem Gradienten des vierten (linearen) Abschnittes g₂ und dem maximalen Unterstützungsdrehmoment T_A(MAX) – welches den vierten Eingangswert definiert.
Alle sechs Werte können in einem Speicher, beispielsweise einem elektronischen Speicher gespeichert sein. Die sechs Werte können für verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten unterschiedlich sein. In diesem Fall kann eine Anzahl von Sätzen von sechs Werten, jeweils entsprechend einer Verstärkungskurve bei einer unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeit, in einem Speicher gespeichert sein. Eine Interpolation kann verwendet werden, um den notwendigen Satz von Werten für dazwischen liegende Fahrzeuggeschwindigkeiten zu wählen.
Mittel können vorgesehen sein, um die Verstärkungskurve aus den sechs Parametern zu bilden.
Somit weist die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Verstärkungskurve aus einem kleinen Satz von Schlüsselparametern auf, welche wesentliche Merkmale der Kurve definieren. Dies bedeutet, dass eine Kurve mit einem geringen Speicherbedarf definiert werden kann.
Der eine oder mehrere Werte können benutzerdefinierbar sein. Somit ist es relativ problemlos, unterschiedliche Verstärkungskurven für unterschiedliche Fahrzeuge durch Ändern der Werte der einen oder mehrerer Variablen in dem Speicher zu erzeugen. Somit ist die Anzahl an Variablen in vorteilhafter Weise klein, und es wird doch eine glatt verlaufende Verstärkungskurve bereitgestellt.
Es wird nun lediglich exemplarisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1(a) eine Darstellung einer Verstärkungskurve des Standes der Technik ist, die durch eine Mehrzahl von linearen Gleichungen zur Annäherung einer glatt verlaufenden Kurve definiert ist;
1(b) die Ableitung der Kurve von 1(a) darstellt, welche Diskontinuitäten am Schnittpunkt der linearen Abschnitte zeigt;
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm der Steuerstrategie für das elektrische servounterstützte Lenkungssystem ist;
3 eine Darstellung ist, welche die verschiedenen Abschnitte der durchgehend glatt verlaufenden Verstärkungskurve zeigt, welche gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Quadranten der Verstärkungskurve ist, der durch die linearen Gleichungen und die quadratische Gleichung definiert ist, welche zur Definition einer glatt verlaufenden Verstärkungskurve wie der in 3 gezeigten geeignet ist;
5 ein schematisches Blockdiagramm ist, das die verschiedenen Schritte zeigt, die bei der Erzeugung eines Ausgangsdrehmoments für ein entsprechendes Eingangsdrehmoment unter Verwendung der Verstärkungskurve durchgeführt werden;
6 die allmähliche Offset-Änderung zeigt, wenn von einer Verstärkungskurvenform auf eine andere umgeschaltet wird, was einen glatt verlaufenden Übergang der Verstärkungskurve schafft;
7 zeigt, wie eine vollständige Kurve durch Addition der verschiedenen Abschnitte der Kurve erzeugt wird;
8(a) eine Kurve zeigt, die einen linearen und einen quadratischen Abschnitt für unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten hat; und
8(b) eine Kurve zeigt, welche zwei quadratische und zwei lineare Abschnitte für unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten hat.
In einem elektrisch servounterstützten Lenkungssysten (electrical power assisted steering system = EPAS) der dargestellten Art besteht eine Notwendigkeit für eine "Verstärkungskurve". Diese definiert die statische Beziehung zwischen dem Eingangsdrehmoment und einem Unterstützungsdrehmoment, welches vom Elektromotor erzeugt wird.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des Steueralgorithmus für ein EPAS-System. Das Eingangsdrehmoment T_i wird unter Verwendung einer Sensierungsvorrichtung, beispielsweise eines Drehmomentsensors 1 und einer Signalkonditionierungseinheit gemessen. Das vom Drehmomentsensor erzeugte Signal ist nominell proportional zu dem Drehmomentwert, der von dem Fahrer auf die Eingangswelle des Lenkungssystems aufgebracht wird. Das Unterstützungsdrehmoment wird durch Führen eines elektrischen Stromes durch einen Elektromotor 2 erzeugt und ist im wesentlichen proportional zu dem angelegten Strom, der durch eine Stromsteuerung 3 erzeugt wird.
Die Verstärkungskurve 5 gibt die statische Beziehung zwischen dem Eingangsdrehmoment und dem Unterstützungsdrehmoment T_A an. Die dynamische Beziehung zwischen diesen beiden Parametern wird durch seriell angelegte und parallel angelegte Kompensationselemente 6, 7 bestimmt. Beispielsweise können ein paralleles Phasennetzwerk und ein serielles Tiefpassfilter-Netzwerk verwendet werden. Ein Drehmomentanforderungs-Wandler 4 wandelt die Drehmomentanforderung in eine Stromanforderung zur Eingabe in die Motorstromsteuerung 3.
Eine Verstärkungskurve gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Für positive Eingangsdrehmomente ist die Verstärkungskurve 5 in 4 gezeigt. Die Verstärkungskurve besitzt eine inverse Symmetrie um ein Null-Eingangsdrehmoment, was eine allgemeine Anforderung für alle geeigneten Verstärkungskurven ist.
Die in 4 dargestellte Verstärkungskurve hat fünf unterschiedliche Abschnitte. Ein erster quadratischer Abschnitt 10, der durch eine quadratische Gleichung definiert ist, verläuft zwischen dem Null-Eingangsdrehmoment und einem ersten Eingangsdrehmomentwert q_1w. Der Gradient der quadratischen Gleichung am Eingangswert q_1w ist mit g₁ bezeichnet. Ein zweiter quadratischer Abschnitt 11, der durch eine quadratische Gleichung definiert ist, erstreckt sich von einem zweiten Eingangsdrehmomentwert q_2s zu einem dritten Eingangsdrehmomentwert. Der dritte Wert ist relativ zu dem zweiten Eingangswert durch Definieren der Breite des zweiten quadratischen Abschnittes als q_2w definiert. Somit ergibt sich der dritte Wert als q_2s + q_2w. Der Gradient der zweiten quadratischen Gleichung an dem zweiten Eingangswert wird als gleich demjenigen der Verstärkungskurve am ersten Eingangsdrehmoment gewählt.
Ein dritter linearer Abschnitt 12 erstreckt sich zwischen den ersten und zweiten quadratischen Verläufen. Der Gradient des linearen Abschnittes ist als g₁ gegeben und ist gleich dem Gradienten der quadratischen Kurven, wo sie mit dem dritten Abschnitt zusammentreffen. Somit wird eine nahtlose Kurve vom Nullwert zum dritten Wert erzeugt. Die Ableitung der Verstärkungskurve hat daher keine Diskontinuitäten über diesen Bereich von Werten hinweg.
Ein vierter linearer Abschnitt 13 ist zwischen dem dritten Wert und einem vierten Eingangswert definiert, der einem maximal zulässigen Unterstützungsdrehmoment T_A(max) entspricht. Der Gradient g₂ des vierten linearen Abschnittes ist gleich demjenigen des zweiten quadratischen Abschnittes beim dritten Eingangsdrehmoment. Oberhalb des viertes Eingangswertes ist die Kurve flach. Über diesen fünften Abschnitt erzeugen jegliche Anstiege im Eingangsdrehmoment keine entsprechenden Anstiege im Unterstützungsdrehmoment. In einigen System wird dieser maximale Unterstützungsdrehmomentwert durch Beschränkungen in der Hardware festgesetzt, beispielsweise durch das maximale Drehmoment, welches vom Motor erzeugt werden kann es oder kann absichtlich in die Software eingebracht werden, um unerwünscht hohe Unterstützungsdrehmomente zu verhindern.
Die glatt verlaufende Verstärkungskurve 5 kann durch eine Software mit nur einer geringen Anzahl von Parametern definiert werden, um die Eigenschaften der verschiedenen Abschnitte festzusetzen (d. h. den Bereich von Eingangsdrehmomenten entsprechend jedem der quadratischen und linearen Abschnitte, den Gradienten der linearen Abschnitte 12 und 13 und den begrenzenden Drehmomentwert T_A(max)).
Um sicherzustellen, dass die Verstärkungskurve glatt verläuft, so dass die Ableitung der Kurve stetig ist, müssen der quadratische Abschnitt und der lineare Abschnitt mehrere Regeln erfüllen. Die folgende Berechnung kann verwendet werden, um die Verstärkungskurvenparameter zu definieren.
Die optimale Verstärkungskurvenfunktion ändert sich mit der Fahrzeuggeschwindigkeit für jedes gegebene Fahrzeugmodell und wird für gewöhnlich auf subjektive Weise durch Testfahrer bestimmt und von objektiven Messungen der verschiedenen Fahrzeugparameter, wie Fahrerdrehmoment, Lenkwinkelgeschwindigkeit, Lenkradwinkelposition, Fahrzeuggierrate, Fahrzeugseitenbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit während definierter Lenkmanöver unterstützt.
Das Prinzip der hier dargestellten Auslegung ist, dass eine vollständige Verstärkungskurve (durch einen Parametersatz) bei unterschiedlichen festgelegten Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise bei 0, 10, 20, ... 200 km/h definiert ist. Bei Fahrzeuggeschwindigkeiten zwischen denjenigen, bei denen die Parameter explizit festgelegt sind, wird der tatsächlich verwendete Parametersatz durch eine lineare Interpolation eines jeden Parameters abhängig von der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit und der Parameter, welche an den beiden benachbarten umgebenden Fahrzeuggeschwindigkeitspunkten festgelegt sind, definiert.
Bei der hier dargestellten Auslegung ist die Verstärkungskurve durch sechs Parameter definiert, wie nachfolgend beschrieben. Jeder der sechs Parameter kann an jedem von verschiedenen vordefinierten Fahrzeuggeschwindigkeitspunkten gespeichert sein, wie oben beschrieben, aber es ist auch möglich, den Abstimmungsprozess weiter zu vereinfachen (und die Speicheranforderungen des Systems zu verringern), indem einer oder mehrere Parameter als fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Größe definiert werden.
Das Vorzeichen des Ausgangs ist stets gleich dem Vorzeichen des Eingangs und da die Funktion entlang der Linie TA = –T_i gespiegelt wird, ist es nur notwendig, die Form der Verstärkungskurve im ersten Quadranten der T_i–T_A-Achsen zu definieren, um sie vollständig festzulegen.
Wie zuvor erläutert, sind die fünf Abschnitte der Verstärkungskurve durch die folgenden Parameter definiert:
Parameter 1: q_1w Breite des ersten (quadratischen) Abschnittes
Parameter 2: g₁ Gradient des dritten (linearen) Abschnittes
Parameter 3: q_2s Beginn des zweiten (quadratischen) Abschnittes
Parameter 4: q_2w Breite des zweiten (quadratischen) Abschnittes
Parameter 5: g₂ Gradient des vierten (linearen) Abschnittes
Parameter 6: T_A(max) Maximales Unterstützungsdrehmoment.
Die mathematische Definition eines jeden Abschnittes in der Verstärkungskurve im ersten Quadranten wird nachfolgend dargestellt, wobei |T_i| den Absolutwert von T_i darstellt.
Erster Abschnitt
TA = (g1 × |Ti|2) = (2 × q1w)
Zweiter Abschnitt
TA = {[(g2 – g1) × (|Ti| – q2s)2] ÷ (2 × q2w)} + [g1 × (|Ti| – q2s)] + {g1 × [q2s – (q1w ÷ 2)]}
Dritter Abschnitt
TA = [g2 × (|Ti| – q1w)] + [(g1 × q1w) ÷ 2]
Vierter Abschnitt
TA = [(g1 × (|Ti| – q2s – q2w)] + {g1 × [q2s – (q1w ÷ 2) + (q2w ÷ 2)]} + (g2 × q2w ÷ 2)
Fünfter Abschnitt
TA = TA(max)
Zur Bestimmung des momentanen Verstärkungsunterstützungsdrehmomentes T_A wird der folgende Ablauf verwendet:
WENN |T_D| < q_1w, DANN
Berechnung von T_A unter Verwendung obiger Definition für ersten Abschnitt.
SONST WENN |T_D| < q_2s, DANN
Berechnung von T_A unter Verwendung obiger Definition für dritten Abschnitt.
SONST WENN |T_D| < q_2s + q_2w), DANN
Berechnung von T_A unter Verwendung obiger Definition für zweiten Abschnitt.
SONST
Berechnung von T_A unter Verwendung der Definition für vierten Abschnitt.
ENDE WENN.
Dann wird in der nächsten Stufe der berechnete Wert von T_A auf einen Maximalwert von T_A(max) gemäß der obigen Definition für den fünften Abschnitt beschränkt:
WENN T_A > T_A(max) DANN
T_A = T_A(max)
ENDE WENN.
Das Vorzeichen von T_A wird dann gleich dem Vorzeichen von T_i gesetzt: TA = TA × Vorzeichen (Ti)
Diesem Ablauf wird gefolgt, um die Unterstützungsdrehmomentanforderung T_A für jegliches gegebenes fahrerseitiges Eingangsdrehmoment T_i unter Verwendung des Parametersatzes [q_1w, g₁, q_2s, q_2w, g₂, T_A(max)] zu berechnen. Jeder der Parameter in dem Satz kann durch eine lineare Interpolation aus einer Wertetabelle entsprechend der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit erhalten worden sein.
Die Einfachheit der die Verstärkungskurve definierenden Parameter gestattet es, die Form der Kurve mit einem Minimum an Rechenaufwand abzuändern.
5 zeigt einen Weg, auf welchem die vorab beschriebene Verstärkungskurve in einem elektrischen Servolenkungssystem verwirklicht werden kann.
Anfangs wird der Eingangsdrehmomentwert T_i in eine Größenkomponente und eine Vorzeichenkomponente getrennt. Dies kann mathematisch durch Ermitteln von T_i und T_i/|T_i| oder durch Verwendung eines geeigneten Software-Unterprogramms gemacht werden.
Eine Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit V wird dann von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor erhalten. Jeder der einzelnen Abschnitte der Verstärkungskurve wird dann erzeugt, bevor sie alle einer Kombinationseinheit zugeführt werden, welche die Werte kombiniert, um eine endgültige Verstärkungskurve zu erzeugen. Das Vorzeichen des Eingangsdrehmoments wird dann an die endgültige Verstärkungskurve angelegt, um eine symmetrische Verstärkungskurve zu erzeugen.
Die Art und Weise, auf die die einzelnen Abschnitte der Kurve kombiniert werden, um eine vollständige Kurve zu erzeugen, ist in 7 gezeigt.
Die 8(a) und 8(b) zeigen einen Satz von Verstärkungskurven, welche sich mit der Fahrzeuggeschwindigkeit ändern und die unter Verwendung des in 5 dargestellten Systems erzeugt worden sind.
In 8(a) werden die zweiten und dritten Eingangsdrehmomentwerte einander gleichgesetzt und der erste lineare Abschnitt ist deshalb nicht mehr erforderlich.
In 8(b) ist eine vollständige Kurve mit zwei quadratischen und zwei linearen Abschnitten gezeigt. Dies erlaubt eine größere Flexibilität bei der Auslegung der Verstärkungskurve.
Das Schema kann angewendet werden, um ein vom Fahrer auswählbares Gefühl bereitzustellen.
Bei bestimmten Fahrzeuganwendungen kann es vorteilhaft sein, den Fahrer mit der Möglichkeit zu versehen, eine von zwei vorbestimmten Verstärkungskurven auszuwählen. Beispielsweise kann eine Verstärkungskurve einen niedrigen Wert an Servounterstützung definieren, um eine "Sport"-Fahrgefühlcharakteristik zu implementieren. Die zweite Verstärkungskurve kann einen hohen Wert an Servounterstützung definieren, um eine "Komfort"-Fahrgefühlcharakteristik zu realisieren, um sehr niedrige Lenkradkräfte zu ergeben, welche für ein auf städtischen Straßen verwendetes Fahrzeug bevorzugt sind.
Bei einer derartigen Umsetzung kann der Fahrer mit einem Verfahren zur Auswahl der beiden Verstärkungskurven, beispielsweise über einen Schalter am Fahrzeugarmaturenbrett, ausgestattet werden. Andere Alternativen für die Auswahl umfassen:

– Einen Druckkontaktschalter, bei dem jeder Schalterdruck eine Auswahländerung der Verstärkungskurve befielt.
– Die Möglichkeit, einen Befehl von einer anderen elektronischen Steuereinheit des Fahrzeugs anzunehmen; beispielsweise kann eine Verstärkungskurve für einen einzelnen Fahrer identifiziert und ausgewählt werden, wenn der Zündschlüssel in der Zündstellung ist.

Um plötzliche Änderungen im Wert der Servounterstützung zu vermeiden, welche den Fahrer stören könnten, wenn die ausgewählte Verstärkungskurve beispielsweise bei einer hohen Geschwindigkeit während der Kurvenfahrt geändert wird (und somit das Risiko des Verlustes der Steuerung über das Fahrzeug vorliegt), wird das folgende Verfahren vorgeschlagen, um das Umschalten zwischen zwei separaten Abstimmungen zu handhaben.
Zwei Paramtersätze sind definiert, einer für die "Sport" Verstärkungskurve und einer für die "Komfort" Verstärkungskurve. Jeder Parametersatz kann vollständig sein dahingehend, dass er separat jeden der sechs Verstärkungskurvenparameter bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten sowohl für "Sport" als auch "Komfort" Verstärkungskurven definiert. Alternativ können einige Parameter unabhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder "Sport"/"Komfort" sein, um den Fahrzeugabstimmvorgang zu vereinfachen und Speicheranforderungen zu verringern.
Abhängig von der ausgewählten Verstärkungskurve wird ein Parameter b definiert. Der Parameter b ist gleich 0 (Null), wenn die "Komfort" Verstärkungskurve ausgewählt ist und ist 1, wenn die "Sport" Verstärkungskurve ausgewählt ist. Jedoch ist der Parameter b beschränkt, um eine gewisse maximale Änderungsrate zu haben, so daß, wenn sich die ausgewählte Verstärkungskurve ändert, sich b glatt verlaufend von 0 nach 1 und umgekehrt ändert. Dies ist in 6 dargestellt.
Der Parameter b wird dann verwendet, einen tatsächlichen Wert für jeden der sechs Verstärkungskurvenparameter zu bestimmen, welche verwendet werden, die Verstärkungskurve, die zu jedem Moment zu verwenden ist, zu bestimmen.
Beispielsweise sei bei einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit angenommen, daß der Parameter g_1(Sport) abhängig von der "Sport" Verstärkungskurve ist und g_1(Komfort) abhängig von der "Komfort" Verstärkungskurve ist, wobei der folgende Ausdruck verwendet wird, um den tatsächlichen Parameter g₁ zu bestimmen, der zu verwenden ist: g1 = (b × g1(Sport) + [(1 – b) × g1(Komfort)]
Ein ähnlicher Ausdruck wird verwendet, um den tatsächlichen Wert eines jeden Verstärkungskurvenparameters zu berechnen. Die Verstärkungskurve wird dann unter Verwendung des Parametersatzes berechnet, der auf diese Weise bestimmt worden ist.
Die maximale Änderungsrate des Parameters b wird so gesetzt, daß die Zeit bestimmt wird, über die hinweg sich die Verstärkungskurve glatt verlaufend von der Festlegung "Sport" zu "Komfort" ändert, wenn die Verstärkungskurvenwahl geändert wird. Beispielsweise verstreicht, wenn die maximale Änderungsrate von b als 0,5/Sekunde spezifiziert ist, eine Zeitdauer von zwei Sekunden, nachdem die Verstärkungskurvenwahl geändert worden ist, bevor die neu gewählte Verstärkungskurve vollständig in Gebrauch ist. In der dazwischen liegenden Zeitdauer wird eine momentane Verstärkungskurve verwendet, welche zwischen den Verstärkungskurven von "Sport" und "Komfort" liegt.

Claims

Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem mit einem Eingangsglied, einem Ausgangsglied, einem mit dem Ausgangsglied gekoppelten Elektromotor und einem Drehmomentsensor, wobei der Elektromotor als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Drehmomentsensors, welches das von einem Fahrer des Fahrzeuges auf das Eingangsglied aufgebrachte Drehmoment angibt, ein Unterstützungsmoment auf das Ausgangsglied aufzubringen vermag, wobei die Beziehung zwischen dem angegebenen Eingangsdrehmoment und dem von dem Motor aufgebrachten Ausgangsdrehmoment durch eine Verstärkungskurve (5) festgelegt ist, die eine zu einem Eingangsdrehmoment Null inverse Symmetrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve (5) auf jeder Seite des Eingangsdrehmoments Null zumindest einen ersten Abschnitt (10), der durch eine erste Polynomgleichung entsprechend einem Bereich an Eingangsdrehmomentwerten zwischen einem Nullwert und einem ersten Wert definiert ist, und einen zweiten Abschnitt (11) umfasst, der durch eine zweite Polynomgleichung entsprechend einem Bereich von Eingangsdrehmomentwerten zwischen einem zweiten Wert und einem dritten Wert definiert ist, wobei der Gradient des ersten Abschnitts (10) der Kurve (5) an dem ersten Wert im Wesentlichen gleich dem Gradienten des zweiten Abschnitts der Kurve (5) am zweiten Wert ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 1, bei dem ein dritter Abschnitt (12) der Kurve zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert festgelegt ist, wobei der dritte Abschnitt (12) im Wesentlichen linear ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das erste Polynom und das zweite Polynom von unterschiedlicher Form sind.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das erste und das zweite Polynom quadratische Funktionen des Eingangsdrehmomentes sind.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein vierter Abschnitt (13) der Kurve (5) zwischen dem dritten Wert und einem vierten Wert durch eine lineare Gleichung definiert ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 5, bei dem ein fünfter Abschnitt zwischen dem vierten Wert und einem Maximaleingangswert mit einem Gradienten Null festgelegt ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem einer oder mehrere der ersten, zweiten, dritten und vierten Werte im Betrieb variabel sind.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 7, bei dem einer oder mehrere der Werte in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit variieren.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Speicher vorhanden ist und einer oder mehrere der Werte, die die Verstärkungskurve festlegen, in dem Speicher abgelegt sind.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 9, bei dem der Gradient der Verstärkungskurve an einem oder mehreren der ersten, zweiten, dritten oder vierten Werte in dem Speicher abgelegt ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 10, bei dem der eine oder mehrere der Gradientenwerte mit der Fahrzeuggeschwindigkeit variiert werden.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Breite eines oder mehrerer der Abschnitte (10, 11, 12) der Verstärkungskurve (5) in dem Speicher abgelegt ist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, das eine Schalteinrichtung umfasst, die es einem Fahrer ermöglicht, manuell zwischen zumindest einer ersten und einer zweiten Verstärkungskurvenform und/oder -faktor zu wählen.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner eine Einrichtung zum automatischen Ändern der Verstärkungskurve (5) zum Anpassen an unterschiedliche Fahrer aufweist.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach Anspruch 13 oder 14, das ferner Mittel zum Erleichtern eines sanften Übergangs von einer Verstärkungskurvenform zu einer anderen umfasst.
Elektrisch servounterstütztes Lenkungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Verstärkungskurve (5) durch sechs Parameter vollständig definiert ist: Breite des ersten (quadratischen) Abschnitts (q_1w), Gradient eines dritten (linearen) Abschnitts (g₁), ein zweiter Eingangswert (q_2s) – entsprechend dem Beginn eines zweiten quadratischen Abschnitts, der Breite des zweiten quadratischen Abschnitts (q_2w), der Gradient eines vierten (linearen) Abschnitts (g₂), und ein maximales Verstärkungskurvenausgangsdrehmoment (T_A(MAX)), das einen vierten Eingangswert festlegt, wobei diese sechs Variablen in einem Speicher abgelegt sind, und wobei Mittel bereitgestellt sind, um die Verstärkungskurve (5) aus den sechs Parametern zu konstruieren.