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Die Erfindung betrifft einen Regler für ein elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem, welcher zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst, wobei der Regler ausgebildet ist, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Lenkmittel, einen Stellmotor zur Beeinflussung einer auf das Lenkmittel ausgeübten Kraft und einen Regler zur Regelung des Eingriffs des Stellmotors.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektromechanischen Lenksystem.
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Elektromechanische Lenksysteme werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Kraft zu reduzieren, die ein Kraftfahrzeugführer zum Bedienen eines Lenkmittels des Kraftfahrzeuges, üblicherweise eines Lenkrades, aufwenden muss. Ein besonderer Vorteil der elektromechanischen Lenkung ist dabei, dass die Lenkung beziehungsweise eine auf das Lenkmittel ausgeübte Kraft adaptiv beeinflusst werden kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und Handmoment.
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Ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Servolenksystems ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 602 12 030 T2 bekannt. In dieser Druckschrift wird offenbart, dass in herkömmlichen elektrischen Servolenksystemen ein Proportional-Integral-Differenzialregler (PID-Regler) zum Einsatz kommt. Die Druckschrift offenbart weiter den Einsatz einer H
∞-Steuerung (H
∞: H-unendlich), wobei zwei H
∞-Reglern verschiedene Signale zugeführt werden. Diese geben ein gemitteltes Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsschleife aus, wodurch Störungen, insbesondere auf die Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche zurückzuführende Störungen, weggeregelt werden und somit für den Kraftfahrzeugführer unbemerkt bleiben.
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Problematisch hierbei ist, dass durch das Wegregeln von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen die Rückmeldung hinsichtlich der Fahrbahnbeschaffenheit für den Kraftfahrzeugführer gering ist. Besonders problematisch ist insbesondere bei der Entwicklung von elektromechanischen Lenksystemen für Hochleistungsfahrzeuge die schwache Rückmeldung durch eine reine Ansteuerung des unterstützenden Stellmotors des elektromechanischen Lenksystems. Ein Grund hierfür ist die hohe Massenträgheit des Motors. Eine solche Ansteuerung der Unterstützungseinheit erzeugt daher ein als künstlich wahrgenommenes Lenkgefühl.
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Zur Reduzierung diese Problems ist es bekannt, ein elektromechanisches Lenksystem als rückmeldungsoptimierte EPS (EPS: Electric Power Steering) auszubilden, bei welchem auf die Unterstützungskraft des Unterstützungsmotors und nicht auf das Motormoment geregelt wird. Ein solches elektromechanisches Lenksystem ist in der Druckschrift
DE 10 2012 102 629 A1 offenbart. Die Regelungsaufgabe wird hier üblicherweise durch eine Zustandsregelung, durch einen LQ-Regler (linear-quadratischer Regler) oder einen PID-Regler gelöst. Ein Nachteil hierbei ist, dass diese Regelungsverfahren schwer auszulegen und schlecht applizierbar sind. Darüber hinaus können diese Regelungsverfahren zu Instabilitäten führen. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, die Fahrbahnrückmeldung in Abhängigkeit von unterschiedlichen fahrdynamischen Grenzbereichen, wie Unter- und/oder Übersteuern, darzustellen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Regler für ein elektromechanisches Lenksystem bereitzustellen, insbesondere derart, dass ein Kraftfahrzeugführer eine verbesserte Rückmeldung von Fahrbahnzuständen erhält, wobei die Unterstützung durch den Stellmotor vorteilhafterweise nicht beeinträchtigt werden soll.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Regler für eine elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem, welcher zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst, vorgeschlagen, wobei der Regler ausgebildet ist, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln, wobei die Störungen frequenzabhängig modelliert sind und der Regler derart ausgelegt ist, dass Störungen wenigstens eines ersten festgelegten Frequenzbereiches an das Lenkmittel übertragen werden und Störungen wenigstens eines zweiten festgelegten Frequenzbereichs unterdrückt werden. Von außen einwirkende Störungen sind dabei insbesondere durch die Fahrbahnbeschaffenheit hervorgerufene Anregungen im Lenksystem sowie fahrdynamische Einflüsse. Vorzugsweise ist das Lenkmittel ein Lenkrad.
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Ein Übertragen von Störungen an das Lenkmittel sieht insbesondere ein Durchlassen dieser Störungen an das Lenkmittel vor. Ein Übertragen von Störungen an das Lenkmittel sieht ferner insbesondere ein Verstärken dieser Störungen vor, derart, dass die Störungen für den Kraftfahrzeugführer über das Lenkmittel verbessert wahrnehmbar sind.
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Ein Unterdrücken von Störungen sieht insbesondere ein Kompensieren dieser Störungen vor, insbesondere ein Kompensieren durch entsprechende Reglereingriffe.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein erster festgelegter Frequenzbereich Frequenzen zwischen 0 Hz und 6 Hz (Hz: Hertz) umfasst und/oder ein weiterer erster festgelegter Frequenzbereich Frequenzen zwischen 6 Hz und 16 Hz umfasst. Das heißt, dass Störungen in dem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 6 Hz und/oder Störungen in dem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz an das Lenkmittel übertragen werden.
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Der Frequenzbereich zwischen 0 und 6 Hz bildet dabei insbesondere den normalen Lenkbereich ab, das heißt insbesondere Einflüsse auf das Lenksystem, die insbesondere beim Parkieren, bei Slalomfahrten und/oder beim Spurwechsel auftreten.
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Von dem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz sind insbesondere sogenannte Nutzinformationen umfasst. Das sind Einflüsse, die dem Kraftfahrzeugführer insbesondere Rückmeldungen über die Fahrbahnbeschaffenheit, wie beispielsweise Spurrillen, auftretendes Aquaplaning, auftretendes Unter- und/oder Übersteuern des Kraftfahrzeugs, und/oder die Seitenkraftreserve liefern können. Durch das Durchlassen beziehungsweise Verstärken von Frequenzen insbesondere in diesem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 16 Hz, vorzugsweise zumindest in einem Frequenzbereich zwischen 6 Hz und 15 Hz, werden vorteilhafterweise Reibwertübergänge der Straßenoberfläche für den Kraftfahrzeugführer verbessert wahrnehmbar. Zudem wird vorteilhafterweise eine auftretende Tendenz des Kraftfahrzeugs zum Untersteuern besser für den Kraftfahrzeugführer erfahrbar. Zudem werden Informationen über die Beschaffenheit der Straßenoberfläche über das Lenkmittel verbessert an den Kraftfahrzeugführer weitergegeben.
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Vorteilhafterweise umfasst ein zweiter festgelegter Frequenzbereich Frequenzen größer 16 Hz. Störungen dieses Frequenzbereiches werden somit vorteilhafterweise unterdrückt beziehungsweise bedämpft. Von diesem Frequenzbereich sind insbesondere Störinformationen umfasst, dass sind Einflüsse die insbesondere durch eine Radunwucht, Brems-Lenkradschwingungen und/oder Lenkradstöße hervorgerufen werden können. Durch eine Unterdrückung beziehungsweise Kompensation dieser Störinformationen mittels des erfindungsgemäßen Reglers wird vorteilhafterweise das Fahrerlebnis weiter verbessert.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Regler ein verallgemeinertes Regelkreismodell mit einer verallgemeinerten Regelstrecke zugrunde liegt, wobei die Regelstrecke auf einem linearen Vorderachs-Lenkungsmodell basiert. Lineare Vorderachs-Lenkungsmodelle sind bereits im Stand der Technik bekannt. Vorteilhafterweise ist der Regler hierdurch einfacher applizierbar.
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Das verallgemeinerte Regelkreismodell lässt sich dabei beschreiben durch:
Vorteilhafterweise regelt der erfindungsgemäße Regler auf die Unterstützungskraft des Stellmotors. Das heißt, dass insbesondere vorgesehen ist, dass der erfindungsgemäße Regler nicht auf das Motormoment des Stellmotors regelt. Hierdurch sind vorteilhafterweise die dominierenden rotatorischen Trägheiten mit in dem zugrunde liegenden Regelkreis enthalten. Ein elektromechanisches Kraftfahrzeuglenksystem wird hierdurch vorteilhafterweise rückmeldungsoptimiert, wodurch vorteilhafterweise ein weiter verbessertes Lenkgefühl bereitgestellt ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Regler ein H∞-Regler mit einer Übertragungsfunktion höherer Ordnung ist, welcher vorteilhafterweise derart modifiziert ist, dass die Störungen frequenzabhängig modelliert sind. Dem erfindungsgemäßen Regler liegt somit ein auf einem modifizierten EPS-Modellbasierender H∞-Regelungsansatz zugrunde. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Ausgestaltung des Reglers, die Trägheit des Stellmotors im haptisch relevanten Frequenzbereich mehr und in Störbereichen weniger stark zu kompensieren. Hierdurch werden vorteilhafterweise Einflüsse aus dem Nutzinformationen enthaltenden Frequenzbereich über das Lenkmittel an den Fahrer weitergeleitet. Darüber hinaus werden Störinformationen, wie insbesondere durch eine Radunwucht, durch Brems-Lenkradschwingungen und/oder durch Lenkradstöße hervorgerufene Einflüsse, durch den Regler kompensiert. Ein weiterer besonderer Vorteil der Auslegung des Reglers als H∞-Reglers ist, dass das System stabilisiert wird. Darüber hinaus erfüllt der H∞-Regler vorteilhafterweise die quantitativen Regelkreiseigenschaften. Des Weiteren ist durch den H∞-Regler das System vorteilhafterweise robust gegen Modellunsicherheiten und Störungen.
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Für den Entwurf des Reglers als H
∞-Regler ist es dabei erforderlich, dass die P-Matrix
den vollen Spaltenrand besitzt.
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Die Übertragungsfunktion des verallgemeinerten Regelkreises ergibt sich zu: F(P, K) = wz–1 = P11 + P12K(1 – P22K)–1P21.
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Die Regler K-Matrix des Reglers ist dabei durch die Lösung des Optimierungsproblems (H∞ Standard Problem) K(s) = min||P11 + P12K(I – P22K)–1P21||∞ bestimmt, also eine Minimierung der Energieverstärkung des in F(P, K) spezifizierten Übertragungsverhaltens.
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Vorteilhafterweise ermöglicht dieser erfindungsgemäß modifizierte H Regler eine virtuelle Entkopplung des Stellmotors von der Zahnstange des Lenksystems vorteilhafterweise mit einer sehr geringen Phasenverzögerung und vorteilhafterweise ohne Instabilitäten. Ferner kann sich vorteilhafterweise durch die mittels des erfindungsgemäßen Reglers erzielbare frequenzabhängige Kompensation der Trägheit des Stellmotors die Zahnstange des Lenksystems bei externer Anregung in definierten Zuständen frei bewegen. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Regler vorteilhafterweise einen physikalisch korrekten Lenkungsrücklauf gemäß der am Rad wirkenden Kräfte. Der Lenkungsrücklauf auf Schwimmwinkel bei Manövern im Grenzbereich führt zudem vorteilhafterweise zur Selbststabilisierung des Kraftfahrzeugs.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die komplexe Übertragungsfunktion des H∞-Reglers durch ein Second Order Section Model modelliert wird. Durch eine solche Darstellung werden Quantisierungsfehler der Koeffizienten, die im Rahmen der Implementierung auf digitalen Steuergeräten entstehen, vorteilhafterweise minimiert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die komplexe Übertragungsfunktion eine Übertragungsfunktion n-ter Ordnung ist, wobei die Übertragungsfunktion als eine Mehrzahl von FIR-Filtern (FIR: Finite Impulse Response) modelliert ist, deren Ordnung kleiner n ist. Besonders bevorzugt sind FIR-Filter zweiter Ordnung vorgesehen, welche seriell aneinander geschaltet, also kaskadiert, sind, und somit in Summe die Übertragungsfunktion des Reglers nachbilden. Vorteilhafterweise wird durch den Einsatz der FIR-Filter eine ungünstige einseitige Aufteilung von Pol-Nullstellen der Filterkoeffizienten in der komplexen Ebene vermieden. Zudem sind FIR-Filter vorteilhafterweise besonders tolerant gegenüber Quantisierungsfehlern der Filterkoeffizienten.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Lenkmittel, einen Stellmotor zur Beeinflussung einer auf das Lenkmittel ausgeübten Kraft und einen Regler zur Regelung des Eingriffs des Stellmotors vorgeschlagen, wobei der Regler ein erfindungsgemäßer Regler ist.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenksystem vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit 1 und 2 näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild umfassend einen erfindungsgemäßen Regler für ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Lenksystem; und
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2 ein Ausführungsbeispiel für einen Amplitudengang eines erfindungsgemäß ausgelegten Reglers im Vergleich zu einem konventionell ausgelegten Regler.
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Aus 1 ist ersichtlich, wie ein erfindungsgemäß ausgebildeter Regler 1 in die Funktionsarchitektur integriert ist. Die Regelstrecke 2 bildet dabei das elektromechanische Lenksystem, welches zur Beeinflussung einer auf ein Lenkmittel des Lenksystems ausgeübten Kraft einen Stellmotor umfasst und als lineares Vorderachs-Lenkungsmodell modelliert ist. Das Vorderachs-Lenkungsmodell umfasst dabei die notwendigen EPS-Systemeigenschaften. EPS bedeutet dabei „Electronic Power Steering” was eine englische Übersetzung für ein elektromechanisches Lenksystem ist.
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Der Regler 1 ist dabei ausgebildet, einen Eingriff des Stellmotors unter Berücksichtigung von auf das Lenksystem einwirkenden Störungen zu regeln.
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Der Regler
1 basiert dabei auf einem verallgemeinerten H
∞-Reglerentwurf. Ansatz ist hierbei ein verallgemeinerter Regelkreis
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Dabei stellt sich die Übertragungsfunktion des verallgemeinerten Regelkreises wie folgt dar: F(P, K) = wz–1 = P11 + P12K(I – P22K)–1P21.
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Durch Lösung des Optimierungsproblems K(s) = min||P11 + P12K(I – P22K)–1P21||∞ ist die Regler K-Matrix bestimmt.
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Die generalisierte Regelstrecke P basiert auf dem linearen Vorderachs-Lenkungsmodell, das aus der Modellierung der notwendigen EPS-Systemeigenschaften entsteht.
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Der H∞-Regler 1 ist dabei so modifiziert, dass Störungen w frequenzabhängig dargestellt werden. Damit ist der Regler 1 robust gegen Störungen im normalen Lenkbereich, der sich einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 6 Hz zuordnen lässt. Des Weiteren ist der Regler 1 ausgebildet, die Massenträgheit der Antriebseinheit verstärkt zu kompensieren und damit eine freie Bewegung der Zahnstange bei externer Anregung zu ermöglichen und somit Störungen, die sich insbesondere einem Frequenzbereich von 6 Hz bis 15 Hz zuordnen lassen, als Nutzinformationen auf das Lenkmittel des Lenksystems zu übertragen. Anregungen des Lenksystems von Störungen, die als 16 Hz übersteigende Frequenzen dargestellt sind, werden durch den Regler 1 kompensiert.
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Die Führungsgröße 7 des Regelkreises ergibt sich dabei aus der mittels eines Summierers 6 bestimmten Summe der durch die Basislenkunterstützung 4 und durch weitere Funktionsmodule 5 vorgegebenen Sollkräfte. Beispielsweise resultieren hier Vorgaben unter Berücksichtigung der momentanen Fahrsituationen und unter Berücksichtigung von Messsignalen verschiedener Sensoren, insbesondere Sensoren zur Erfassung des Lenkradwinkels, der Lenkraddrehrate, der Gierrate, der Querbeschleunigung und/oder der Raddrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit, Handmoment sowie Motordrehzahl und/oder Motorposition des Stellmotors des elektromechanischen Lenksystems.
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Über ein Kalman-Filter 3 wird eine die Unterstützungskraft des Stellmotors bestimmende Istgröße 8 vorgegeben, wobei dem Kalman-Filter der Systemausgang 10 sowie die Stellgröße 9 zugeführt wird.
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Als Eingangssignal wird dem Regler 1 die Differenz aus der Istgröße 8 und der Führungsgröße 7 zugeführt. Die Ausgangsgröße des Reglers 1 wird mittels eines Begrenzers 11 auf einen maximalen Wert begrenzt. Mittels eines weiteren Summierers 6 wird als Stellgröße 9 ein Summensignal aus der Führungsgröße 7 und der mittels des Begrenzers 11 begrenzten Ausgangsgröße des Reglers 1 gebildet.
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Zur Veranschaulichung der mittels eines erfindungsgemäß ausgebildeten elektromechanischen Lenksystems bereitgestellten Unterstützungskraft ist in 2 ein Bode-Diagramm mit einem Amplitudengang 12 einer Übertragungsfunktion eines erfindungsgemäßen Reglers sowie mit einem Amplitudengang 18 eines konventionellen Reglers dargestellt.
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Dabei ist die Verstärkung in dB (dB: Dezibel) über der Frequenz in Hz (Hz: Hertz) dargestellt. Auf der Achse 13 ist somit die Frequenz aufgetragen und auf der Achse 14 die Verstärkung.
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Wie aus dem Amplitudengang 18 in 2 ersichtlich, werden bei einem konventionellen Regler auf das Lenksystem einwirkende Störungen direkt stark gedämpft, sodass insbesondere keine gute Rückmeldung über das Lenkmittel eines Kraftfahrzeugs zur Straße gegeben ist.
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Anders verhält es sich bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Regler, wie aus dem Amplitudengang 12 in 2 ersichtlich.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Regler ist dabei derart ausgelegt, dass der Regler robust gegen Störungen in einem ersten Frequenzbereich 15 zwischen 0 Hz und 6 Hz ist. Dieser erste Frequenzbereich 15 kann als normaler Lenkbereich gelten, da in diesen insbesondere Einflüsse im Zusammenhang mit einem Parkieren, mit Slalomfahrten und mit Spurwechsel fallen.
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In einem weiteren ersten Frequenzbereich 16 zwischen 6 Hz und 18 Hz fallen insbesondere als Nutzinformationen geltende Störungen, die dem Kraftfahrzeugführer beispielsweise Rückmeldung über Aquaplaning, ein Unter- und/oder Übersteuern des Kraftfahrzeuges, Spurrillen und/oder eine Seitenkraftreserve vermitteln. Wie aus dem Amplitudengang 12 des erfindungsgemäß ausgebildeten Reglers in 2 ersichtlich, ist der Regler derart ausgebildet, dass diese in dem weiteren ersten Frequenzbereich 16 fallende das Lenksystem beeinflussende Störungen an das Lenkmittel übertragen werden und somit dem Kraftfahrzeugführer eine verbesserte Rückmeldung über den Fahrbahnzustand liefern.
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Störungen, die in einen zweiten Frequenzbereich 17, insbesondere jenseits von 18 Hz fallen, werden insbesondere durch eine Radunwucht, durch Brems-Lenkradschwingungen und/oder Lenkradstöße verursacht, und werden vorteilhafterweise bei einem Lenksystem mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Regler unterdrückt beziehungsweise durch den Regler kompensiert, wie der weitere Verlauf des Amplitudengangs 18 veranschaulicht.
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Merkmale dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60212030 T2 [0005]
- DE 102012102629 A1 [0007]