DE60214637T2

DE60214637T2 - Verfahren und Vorrichtung mit dynamischer Vorwärtssteuerung zur integrierten Lenk- und Bremssteuerung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE60214637T2
Application number: DE2002614637
Authority: DE
Inventors: Ashok Fenton Chandy; Hsien Heng Troy CHEN
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: EP1285833A2; DE60214637D1; EP1285833A3; EP1285833B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Steuersysteme für Kraftfahrzeug-Teilsysteme und insbesondere auf ein System und ein Verfahren, die das Merkmal einer dynamischen Vorwärtskopplung (feedforward) für eine integrierte Steuerung der Kraftfahrzeuglenkung und der Kraftfahrzeugbremsen umfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es sind vereinheitlichte oder integrierte Fahrwerksteuersysteme vorgeschlagen worden, die die Bremsen, die Lenkung und die Aufhängung eines Kraftfahrzeugs steuern. Der Zweck einer vereinheitlichten Fahrwerksteuerung ist das Verbessern des Fahrzeugverhaltens unter allen Fahrbedingungen durch Koordinieren der Steuerung der Fahrwerk-Teilsysteme. Vereinigte Fahrwerksteuersysteme wenden im Allgemeinen ein Überwachungssteuerungskonzept an, das drei Grundblöcke verwendet: ein Referenzmodell, eine Zustandsschätzeinrichtung und eine Fahrzeugsteuerung. Das Fahrzeugsteuerungselement enthält normalerweise eine Regelung. Dieses Element berechnet Stellwerte, indem es von der Zustandsschätzeinrichtung erhaltene Istzustände mit Sollzuständen aus dem Referenzmodell vergleicht.
Es ist allgemein bekannt, dass beim Betätigen von Bremsen während eines Lenkmanövers ein Giergeschwindigkeitsfehler eingeführt wird. Unter solchen Bedingungen sind die herkömmlichen Fahrwerksteuersysteme beim Kompensieren relativ langsam.
US 5,606,502 offenbart ein Lenkwinkelsteuersystem, das eine Steuerung, die eine Soll-Fahrzeugbewegungsvariable erzeugt, und eine Regelung, die Störungen unterdrückt, umfasst. Eine Steuereinheit berechnet aus einem erfassten Lenkwinkel und einer im Voraus gemessenen Kennlinie eines Lenksystems einen korrigierten Lenkwinkel. Die Soll-Fahrzeugbewegungsvariable wird aus der Fahrgeschwindigkeit und dem korrigierten Lenkwinkel berechnet. Die Regelung wird entsprechend der Differenz zwischen der gewünschten und der erfassten Fahrzeugbewegungsvariablen ausgeführt und zieht eine Kompensation anhand einer nichtlinearen Kennlinie des Lenksystems in Betracht.
US 6,131,688 offenbart eine Driftsteuervorrichtung eines vierradgelenkten Fahrzeugs, das ein Brems-/Traktionssystem, um auf jedes der vier Räder wahlweise eine Bremskraft oder eine Traktionskraft auszuüben, und ein Lenksystem, um ein Vorderradpaar und ein Hinterradpaar wahlweise getrennt zu lenken, besitzt, wobei die Driftsteuervorrichtung eine erste Steuereinheit, die das Brems-/Traktionssystem steuert, um wahlweise ein das Drehen unterstützendes Giermoment am Fahrzeug zu erzeugen, und eine zweite Steuereinheit umfasst, die das Lenksystem steuert, um bei einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs wahlweise das Hinterradpaar in dieselbe Lenkrichtung wie das Vorderradpaar zu lenken, wenn die erste Steuereinheit das Brems-/Traktionssystem zugunsten der Erzeugung des das Drehen unterstützenden Giermoments steuert, so dass ein dem Drehen entgegenwirkendes Giermoment, das durch die in dieselbe Richtung wie die Vorderräder gelenkten Hinterräder erzeugt wird, durch eine verstärkte Erzeugung des Kurvenunterstützungs-Giermoments aufgehoben wird und dabei eine größere Zentripetal-Seitenkraft an den Hinterrädern zur Unterdrückung der Drift sichergestellt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeug-Teilsystems. Das Steuersystem umfasst ein Referenzmodell und einen Feedforward-Regler. Das Referenzmodell berechnet Sollzustände des Teilsystems. Der Feedforward-Regler berechnet einen ersten Stellwert anhand einer Eingabe von dem Referenzmodell und einen zweiten Stellwert anhand der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs und einer Steuervariablen für das Teilsystem.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem des oben beschriebenen Typs zu schaffen, das eine Standardmethodik zum Integrieren der Steuerung in eine vereinheitlichte Fahrwerksteuerungsüberwachung bietet und mehrere bekannte Mängel beseitigt, indem es
die Reaktion der Steuerung verbessert,
eine Einzelabstimmung zulässt und
eine Logik für dynamische Vorwärtskopplung enthält.
Die oben genannten und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, deutlicher. Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen sollen die Erfindung lediglich veranschaulichen und keineswegs einschränken, wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhalber mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine schematische Ansicht eines Fahrwerksteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Kraftfahrzeug ist;
2 ein Blockschaltplan eines dynamischen Feedforward-Regelsystems ist, das ein Referenzmodell erster Ordnung verwendet; und
3 ein Blockschaltplan eines dynamischen Feedforward-Regelsystems ist, das ein Referenzmodell zweiter Ordnung verwendet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Steuersystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung für Fahrwerk-Teilsysteme 12 eines Kraftfahrzeugs 14. Die Fahrwerk-Teilsysteme können eine Vorderrad- und/oder Hinterradlenkung und Bremsen umfassen. Eine Überwachungssteuereinheit 16 übt viele Schätz- und Steuerfunktionen aus, die herkömmlicherweise von den Teilsystemen selbst ausgeübt werden. Die Überwachungssteuereinheit 16 umfasst ein Referenzmodell 18, eine Fahrzeugzustands- und Fahrzeugumgebungsschätzeinrichtung 20 und einen Fahrzeughöhenregler, der einen Feedforward-Regler 22 und einen Feedback-Regler 24 umfasst.
Das Referenzmodell 18 bestimmt mittels Messeingaben von Sensoren 26 und einigen Schätzwerten die Soll-Fahrzeugreaktion auf Fahrereingaben in Form von messbaren Variablen. Die Schätzeinrichtung oder Schätzfunktion 20 verwendet Messeingaben wie etwa von den Sensoren 26, Messausgaben wie etwa von den Sensoren 28 und einige vorläufige Schätzwerte von einzelnen Modulen, um Schätzwerte von Fahrzeugzuständen, die nicht direkt gemessen werden, zu schätzen. Die Schätzeinrichtung 20 kann außerdem Variablen schätzen, die eventuell relevante Umgebungseffekte wie etwa den Kraftschlussbeiwert der Oberfläche, den Querneigungswinkel der Straße, die Rauheit des Straßenbelags und dergleichen beschreiben. Die Überwachungssteuereinheit 16 verwendet die Soll-, Mess- und Schätzwerte zum Bestimmen der korrigierenden Wirkung von beispielsweise auf das Fahrzeug einwirkenden Momenten und Kräften, die die Fahrzeugreaktion in Übereinstimmung mit der Sollreaktion bringt. Die Überwachungssteuereinheit 16 führt außerdem die Aufteilung der Steuerung auf die Teilsysteme 12 durch. Folglich entscheidet die Überwachungssteuereinheit 16, ob und in welchem Ausmaß ein oder mehrere Teilsysteme in einer gegebenen Situation zu aktivieren sind.
Der Feedforward-Regler 22 berechnet einen Stellwert anhand einer Eingabe von dem Referenzmodell 18. Die vorliegende Erfindung stellt optional eine Fahrer-Fahrwerk-Teilsystem-Übergangsfunktion 30 bereit. Im Fall der Lenkung könnte diese die Übergangsfunktion zwischen der Lenkradstellung und der Stellung eines Rads auf der Straße repräsentieren. Im Fall der Bremsen könnte diese die Übergangsfunktion zwischen der Pedalkraft und Kräften an der Scheibenbremse an jedem der gebremsten Räder des Kraftfahrzeugs repräsentieren. Diese Übergangsfunktion kann in dem Steuerungs- und Regelungsentwurf enthalten sein. Bei Aufhängungssystemen ist dieser Block jedoch nicht vorhanden. Es sei angemerkt, dass die Linien in dem Blockschaltplan von 1 primäre Steuerpfade zeigen. In Wirklichkeit fasst die vorliegende Erfindung wegen der nichtlinearen Natur der Fahrzeugdynamik andere Verknüpfungen wie etwa den Querneigungswinkel von der Zustandsschätzeinrichtung 20 zu dem Feedforward-Regler 22 ins Auge. Ein auf Fahrereingaben (Eingaben in das Referenzmo dell) basierender Steuerausdruck ist ebenfalls geeignet und genügt der Definition einer Steuerung.
Eine dynamische Steuerung ist durch die Linie 32 dargestellt. Die dynamische Steuerung ist durch die Fahrzeug-Gierebene-Dynamik bestimmt, die durch Gleichungen beschrieben werden kann, die Variablen Δδ_r für ein Hinterradlenksystem (falls vorhanden), Δδ_fc für ein aktives Vorderradlenksystem und ΔF_b für ein Differentialbremssystem verwenden. Das Fahrradmodell mit zwei Freiheitsgraden ist beschrieben durch: X .p = ApXp + Dfθ + DrΔδr +DfcΔδfc + BpΔFb
wobei φ . und V_y die Fahrzeug-Giergeschwindigkeit bzw. die Seitenschlupfgeschwindigkeit sind und die Systemkoeffizienten a_ij (i = 1, 2; j = 1, 2), b_fi, b_ri, b_fci, b_p1 Funktionen der Fahrzeugmasse M, der Fahrgeschwindigkeit V_x, der Fahrzeugträgheit I_z, der vorderen und hinteren Kurvensteifigkeit C_f, C_r, der Fahrzeugspurweite t_w und des Orts des Fahrzeugschwerpunkts, der durch die Parameter a und b beschrieben ist, sind:
Die durch die Sensoren 28 gemessene Ist-Giergeschwindigkeit φ . des Fahrzeugs 14 lautet nach 1 mathematisch: φ . = P1θ + P2GS[Gffφ .r + Gfb(φ . – φ .r)].
Die Übergangsfunktion, die die Giergeschwindigkeit φ . mit dem Radeinschlagwinkel θ in eine Beziehung bringt, wird ausgedrückt durch:
Die Variable P₂ repräsentiert die Übergangsfunktion, die die Giergeschwindigkeit mit den Steuervariablen für das Hinterradlenksystem (falls vorhanden), das aktive Vorderradlenksystem und das Bremssystem in eine Beziehung bringt. Die Variablen G_ref, G_ff, G_fb bzw. G_s repräsentieren die Übergangsfunktionen für das gesuchte Referenzmodell, die Steuerung, die Regelung und die Aktuatordynamik, die in 1 gezeigt sind.
Unter der Annahme, dass die Giergeschwindigkeit gleich der Soll-Giergeschwindigkeit φ_r ist, kann die letzte Gleichung umgeschrieben werden zu: (1 - P2GsGff)φ .r = P1θ.
Wenn ferner angenommen wird, dass φ ._r = G_refθ, ist die allgemeine Übergangsfunktion für dynamische Vorwärtskopplung gegeben durch: Gff = P2 –1GS –1[1 – Gref –1P1]
Hinterradlenksystem
Die Übergangsfunktion, die die Giergeschwindigkeit mit der Hinterrad-Einschlagwinkelsteuerung, falls vorhanden, in eine Beziehung bringt, ist gegeben durch:
Falls die Soll-Giergeschwindigkeit (oder das Referenzmodell) als Übergangsfunktion erster Ordnung
wiedergegeben ist, wobei
wobei K_μ bzw. L den Untersteuerungskoeffizienten und die Fahrzeuglänge repräsentieren, ist der dynamische Vorwärtskopplungsteil der Hinterradlenksteuerung gegeben durch: Δδr = GffGrefθ,wobei
und
Die dynamische Steuerung mit einem Proportionalausdruck, einem Differentialausdruck und einem abschwächenden Integralausdruck für die Lenkradstellung wird dazu verwendet, die gesuchte dynamische Steuerfunktion zu erreichen. 2 zeigt ein Verfahren der dynamischen Steuerung für eine Hinterradlenkungsanwendung unter Annahme einer Übergangsfunktion erster Ordnung. Die Fahrradmodellparameter werden zunächst im Block 100 erhalten, worauf im Block 102 die gesuchte Zeitkonstante τ_d gemäß den oben besprochenen Gleichungen bestimmt wird. Im Block 104 wird dann die Kurvensteifigkeitsanpassung auf der Grundlage eines Schätzwerts der Straßenreibung durchgeführt, worauf das Filtern der Lenkradstellung, der Lenkradveränderungsrate und der Fahrgeschwindigkeit, wie durch den Block 106 gezeigt ist, folgt. Im Block 108 werden dann die abschwächenden Integral-Verstärkungen G_i und a₃₃ be stimmt, während im Block 110 die Proportional- bzw. Differential-Regelverstärkungen G_p bzw. G_d bestimmt werden. Im Block 112 wird die Verstärkung für dynamische Steuerung gemäß der oben besprochenen Gleichung bestimmt. Der Befehl für dynamische Steuerung für das Hinterradlenksystem wird dann im Block 114 bestimmt. Abschließend werden im Block 116 die statische Steuerung und die Regelung zu der dynamischen Steuerung addiert, um den gesamten Lenksteuerungsbefehl zu erhalten. Die Verstärkungen für dynamische Steuerung können als vier getrennte Tabellenverweise dargestellt sein. Wenn beispielsweise die Zeitkonstante erster Ordnung als 0,05 Sekunden angenommen wird, werden die Proportional-, die abschwächenden Integral- und die Differential-Regelverstärkungen als Funktion der Fahrgeschwindigkeit aufgezeichnet und in einem Computerspeicher gespeichert.
Falls das Referenzmodell als Übergangsfunktion zweiter Ordnung
modelliert ist, wird der dynamische Vorwärtskopplungsausdruck der Hinterradlenksteuerung zu
wobei die dem dynamischem Vorwärtskopplungsausdruck zugeordnete Hinterradlenksteuerung gegeben ist durch:
Die Parameter der Übergangsfunktion zweiter Ordnung sind:
Die Variablen ω_d und ξ_d sind die gesuchte Eigenfrequenz und der gesuchte Dämpfungsfaktor, die über einen Lösungsweg der Einzelabstimmung so definiert werden können, dass das Übergangsverhalten des Hinterradlenksystems verbessert wird.
Die Übergangsfunktion für dynamische Steuerung G_{ff_2nd} kann als Summation eines Proportionalausdrucks, eines Differentialausdrucks und eines Ausdrucks zweiter Ordnung wie folgt umgeordnet werden:
wobei
Die Eigenfrequenz und der Dämpfungsfaktor des Fahrzeugs werden im Allgemeinen vorzugsweise abgesenkt, wenn die Fahrgeschwindigkeit zunimmt. Ein Vorteil der Übergangsfunktion zweiter Ordnung ist der, dass sie einem Fahrer erlaubt, das gewünschte Fahrverhalten des Fahrzeugs zu wählen. 3 zeigt die dynamische Steuerung für das Hinterradlenksystem unter Annahme eines Referenzmodells zweiter Ordnung. Der Befehl für dynamische Steuerung kann als Summation eines Proportionalausdrucks, eines Differentialausdrucks und eines Integralausdrucks mit einer Übergangsfunktion zweiter Ordnung, wie sie oben angegeben worden ist, dargestellt sein. Die Verstärkungen für dynamische Steuerung können als vier getrennte Tabellenverweise dargestellt sein. Wenn beispielsweise das Fahrverhalten eines Fahrzeugs durch eine gewünschte Eigenfrequenz von 1,5 Hz und einen gewünschten Dämpfungsfaktor von 1,5 spezifiziert ist, sind die Regelverstärkungen als Funktion der Fahrgeschwindigkeit dargestellt und in einem Computerspeicher gespeichert. Der gesamte Befehl für Hinterradlenksteuerung ist die Summation aus der statischen Steuerung, der dynamischen Steuerung und der Regelung.
Aktives Vorderradlenksystem
Die Übergangsfunktion, die die Giergeschwindigkeit mit der aktiven Vorderradlenksteuerung in eine Beziehung bringt, ist gegeben durch:
Falls das Referenzmodell als Übergangsfunktion erster Ordnung dargestellt ist, ist der dynamische Vorwärtskopplungsteil der aktiven Vorderradlenksteuerung gegeben durch:
wobei
Aktives Bremssystem
Die Übergangsfunktion, die die Giergeschwindigkeit mit der aktiven Bremssteuerung in eine Beziehung bringt, ist gegeben durch:
Falls das Referenzmodell als Übergangsfunktion erster Ordnung dargestellt ist, ist der dynamische Vorwärtskopplungsteil der aktiven Bremssteuerung gegeben durch:
wobei
Das Übergangsverhalten des Fahrzeugs wie etwa beim Lenkwinkelsprung- oder Slalom-Manövrieren kann verbessert werden, indem die Eigenfrequenz und der Dämpfungsfaktor des Fahrzeug-Referenzmodells über einen Lösungsweg der Einzelabstimmung gewählt werden. Die dynamische Steuerung der Aktivlenk- und Bremsintegration kann so abgestimmt werden, dass entweder ein gesuchtes Referenzmodellverhalten erster Ordnung oder zweiter Ordnung bereitgestellt ist, was bei systematischem Abstimmen des Fahrzeugs auf das gewünschte Niveau des Fahrverhaltens von großem Vorteil ist. Die Hinzunahme der dynamischen Steuerung verrin gert die Verzögerung der Giergeschwindigkeits- und Seitenbeschleunigungsreaktionen auf Lenkeingaben und verbessert die Richtungsstabilität des Fahrzeugs im Vergleich zur alleinigen statischen Steuerung. Ferner kann die Steuerung viele der Systemdynamikvorzüge und die Abstimmbarkeitsfunktion anbieten, falls das Regelsystem infolge eines Ausfalls, z. B. der Giergeschwindigkeits- oder Seitenbeschleunigungssensoren, funktionsunfähig ist.

Claims

Steuersystem (10) zur Verwendung in einem Fahrzeug (14) und zum Beeinflussen eines Giergeschwindigkeitssignals, das für ein Kraftfahrzeug-Teilsystem (12), das ein Brems-Teilsystem und ein Vorderrad- und/oder Hinterradlenk-Teilsystem umfasst, vorgesehen ist, wobei das Steuersystem (10) umfasst: ein Referenzmodell (18), das Sollzustände des Teilsystems (12) berechnen kann; eine Zustandsschätzeinrichtung, die Istzustände des Fahrzeugs schätzt; Steuer- und Regelmittel (22, 44), mit: einem Feedforward-Regler (22), der einen ersten Lenk-Teilsystem-Stellwert und einen ersten Brems-Teilsystem-Stellwert anhand einer Eingabe von dem Referenzmodell (18), die einen Sollzustand des Brems-Teilsystems widerspiegelt, berechnen kann; und einem Feedback-Regler (24), der einen zweiten Lenk-Teilsystem-Stellwert und einen zweiten Brems-Teilsystem-Stellwert anhand der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs und einer Steuervariablen für das Teilsystem durch Vergleichen der Schätzwerte von Istzuständen mit Sollzuständen berechnen kann; und Mittel zum Beeinflussen des Bremssystems und des Vorderrad- und/oder Hinterradlenksystems anhand der ersten und der zweiten Lenk- und Brems-Teilsystem-Stellwerte.
Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der erste Lenk-Teilsystem-Stellwert eine Funktion der Fahrgeschwindigkeit ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der erste Lenk-Teilsystem-Stellwert eine Funktion eines Schätzwerts der Oberflächenreibung ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der zweite Lenk-Teilsystem-Stellwert eine Funktion von Proportional-, Differential- und abschwächenden Integralausdrücken ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der zweite Lenk-Teilsystem-Stellwert eine Funktion der Lenkradstellung ist.
Verfahren zum Steuern von Lenk- und Brems-Teilsystemen eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen von Sollzuständen der Lenk- und Brems-Teilsysteme; Schätzen von Istzuständen des Fahrzeugs; Berechnen eines ersten Feedforward-Stellwerts für das Lenk-Teilsystem anhand des Sollzustands des Lenk-Teilsystems; Berechnen eines ersten Feedforward-Stellwerts für das Brems-Teilsystem anhand des Sollzustands des Brems-Teilsystems; Berechnen eines zweiten Feedback-Stellwerts für das Lenk-Teilsystem anhand der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs und einer Steuervariablen für das Lenk-Teilsystem; Berechnen eines zweiten Feedback-Stellwerts für das Brems-Teilsystem anhand der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs und einer Steuervariablen für das Brems-Teilsystem, wobei das Berechnen des zweiten Lenk-Teilsystem-Stellwerts und des zweiten Brems-Teilsystem-Stellwerts auf einem Vergleich der Schätzwerte von Istzuständen mit den Sollzuständen basiert; und Beeinflussen des Lenk-Teilsystems und des Brems-Teilsystems auf der Grundlage des ersten Lenk-Teilsystem-Stellwerts, des ersten Brems-Teilsystem-Stellwerts, des zweiten Lenk-Teilsystem-Stellwerts und des zweiten Brems-Teilsystem-Stellwerts.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der erste Brems-Teilsystem-Stellwert eine Funktion von Proportional-, Differential- und abschwächenden Integralausdrücken ist.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Schätzen von Istzuständen des Fahrzeugs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Berechnen eines dritten Stellwerts durch Vergleichen der Schätzwerte von Istzuständen mit Sollzuständen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der erste Stellwert eine Funktion der Fahrgeschwindigkeit und eines Schätzwerts der Oberflächenreibung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite Stellwert eine Funktion der Lenkradstellung ist.