Dierkes, Ulrich (Im Lichtenfelde 49, Paderborn, 33100, DE)
Nyenhuis, Markus (Robert-Schumann-Weg 5, Paderborn, 33102, DE)
Dierkes, Ulrich (Im Lichtenfelde 49, Paderborn, 33100, DE)
| 1. | Steueroder Regelvorrichtung, die in einem Kraftverstärker verwendet wird, um einen Kraftsteller zu steuern oder zu regeln, der Kräfte bzw. Momente verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine adaptive Regelstrategie eingesetzt wird, mit der die Stabilität des Gesamtsystems über ein adaptives Verhalten des Gesamtsystems erreicht wird. |
| 2. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Regelung so gewählt ist, daß sich eine zur Stabilisierung des Gesamtsystems genügend hohe Dämpfung bzw. genügend hohe Schnelligkeit der Steueroder Regelvorrichtung einstellt. |
| 3. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption in Bezug auf die Dämpfung bzw. die Schnelligkeit der Steueroder Regelvorrichtung den Stabilitätsanforderungen des Gesamtsystems angepaßt ist. |
| 4. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer zur Messung der manuell aufgebrachten Kräfte bzw. Momente keine zusätzliche Sensorik benötigt wird. |
| 5. | Steueroder Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung durch eine Anpassung der Reglerparameter in Abhängigkeit von der zu verstärkenden Kraft oder vom zu verstärkenden Moment vorgenommen wird. |
| 6. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Kräftebzw. Momenteverstärkung des Kraftverstärkers bei steigenden Verstärkungsfaktoren reduziert und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren erhöht wird. |
| 7. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung einer adaptiven Regelung des Kraftverstärkers methodisch gemäß der Theorie linearer Regler erfolgen kann. |
| 8. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftverstärker im Servolenksystem eines Kraftfahrzeuges zur Verstärkung eines manuell aufgebrachten Lenkmoments eingesetzt wird. |
| 9. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung in Abhängigkeit von FahrzeugzustandsParametern erfolgt. |
| 10. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung an verschiedene Fahrertypen angepaßt werden kann. |
| 11. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung das Lenkgefühl beeinflußt werden kann. |
| 12. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung durch ein adaptives Filter vorgenommen wird. |
| 13. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter vor den Regelkreis des Kraftstellers geschaltet ist. |
| 14. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption der Steueroder Regelvorrichtung durch eine Anpassung der Reglerparameter in Abhängigkeit vom Lenkmoment vorgenommen wird. |
| 15. | Steueroder Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß hohe Verstärkungsfaktoren realisiert werden. |
| 16. | Regelsystem für einen Kraftverstärker, mit einem Adaptionsglied, einem Regelglied und einem Kraftsteller, wobei das Adaptionsglied so ausgebildet ist, daß ist, daß es die Stabilität des Gesamtsystems mittels eines adaptiven Verhaltens des Gesamtsystems gewährleistet. |
| 17. | Verfahren zur Regelung eines Kraftverstärkers, mit einem Regelglied, einem Adaptionsglied und einem Kraftsteller, wobei das Adaptionsglied so ausgebildet ist, daß es durch Verändern der Bandbreite des Systems in Abhängigkeit vom Verstärkungsfaktor die Stabilität des Gesamtsystems gewährleistet. |
Kraftverstärker werden in unterschiedlichen Bereichen zur Verstärkung der von Menschen aufgebrachten Kräfte oder Momente eingesetzt, insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik bei Servolenksystemen, um den vom Fahrer manuell vorgenommenen Lenkvorgang zu unterstützen. Zu diesem Zweck ist ergänzend zur reinen Übertragungsmechanik vom Lenkrad zu den Rädern eine Lenkkraftunterstützung entwickelt worden. Hierbei handelt es sich oft um rein hydraulische Systeme, deren Eigenschaften wie etwa die Unterstützungscharakteristik durch ihre konstruktive Gestaltung bestimmt werden und damit weitgehend unveränderlich sind. Darüber hinaus sind in den letzten Jahren elektromechanische und elektrohydraulische Servolenksysteme eingeführt worden, die ein hohes Potential an programmierbaren Systemeigenschaften aufweisen. Bei diesen Systemen wird in der Regel das Lenkmoment gemessen und über einen elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller unterstützt. Die Höhe der Unterstützung kann dabei in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie etwa der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Fahrzeugtyps etc. beliebig eingestellt werden. Das Regelsystem des Kraftverstärkers ermittelt aus dem Lenkmoment und anderen Einflußgrößen die benötigte Lenkunterstützung und gibt diese als Sollgröße an den Kraftsteller. Allerdings ist die Höhe der Unterstützung durch die Eigendynamik des Systems begrenzt. Zu hohe Verstärkungsfaktoren führen zu Instabilitäten des Gesamtsystems, die nur durch einen hohen regelungstechnischen Aufwand z. B. über eine Zustandsvektorrückführung ausgeglichen werden können.
Diese Art der Regelung ist sehr komplex und erfordert oft zusätzliche Sensorik, weshalb in heutigen Systemen eher geringe Verstärkungsfaktoren verwendet werden.
Elektromechanische und elektrohydraulische Servolenksysteme weisen darüber hinaus ein charakteristisches dynamisches Verhalten auf, welches als Systembandbreite bezeichnet wird und das abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die Systembandbreite ist kennzeichnend für die Reaktion des Servolenksystems auf unterschiedliche zeitliche Folgen von Lenkbewegungen (z. B. Links-Rechts-Links). Sie definiert sich über den Zuwachs an Kraftverstärkung durch den elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller im Verhältnis zum Anstieg des vom Fahrer ausgeübten Lenkmoments und über die Ansprechzeit, nach deren Ablauf eine Kraftverstärkung bei einer Lenkbewegung einsetzt. Diese Ansprechzeit stellt sich als eine Funktion des zeitlichen Wechsels der Lenkbewegungen dar. Der Verstärkungsfaktor wird in der Regel so gewählt, daß kurze Ansprechzeiten und damit ein stabiles Systemverhalten erreicht werden. Auch dies beschränkt die mögliche Größe der Verstärkung. Übersteigt bei einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit der zeitliche Wechsel einer Folge von Lenkbewegungen die Systembandbreite, so erscheint das Lenkverhalten bei Richtungsänderungen träge und verzögert, da der Lenkkraftverstärker nicht schnell genug reagiert.
Aus der Patentschrift US 5,504, 403 ist eine Regelvorrichtung für einen Kraftverstärker eines Servolenksystems bekannt, bei der die Systembandbreite von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem manuell ausgeübten Lenkmoment unabhängig ist. Das Signal des Lenkmoment-Sensors wird über ein Hochpaßfilter und ein Tiefpaßfilter gefiltert, wobei die jeweilige Grenzfrequenz eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, darüber hinaus mit einem sich mit der Fahrzeuggeschwindigkeit verändernden adaptiven Filter verarbeitet und schließlich zur Steuerung des Kraftstellers verwendet. Auf diese Weise kann die Bandbreite des Lenksystems immer optimal gewählt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuer-oder Regelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne zusätzliche Sensorik auch hohe Verstärkungsfaktoren realisieren kann, ohne daß eine Instabilität des Gesamtsystems auftritt.
Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung eine adaptive Regelstrategie eingesetzt, mit der die Stabilität des Gesamtsystems über ein adaptives Verhalten des Gesamtsystems erreicht wird. Dabei wird über eine vom Verstärkungsfaktor abhängige Änderung der Bandbreite des Systems der elektromechanische bzw. elektrohydraulische Kraftverstärker in seiner Leistungsabgabe beschränkt. Bei steigenden Verstärkungsfaktoren wird die Bandbreite der Unterstützung gesenkt, und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren wird sie angehoben. Somit paßt sich das Gesamtsystem in seinem dynamischen Verhalten zur Aufrechterhaltung der Stabilität dem gerade erforderlichen Verstärkungsverhalten an, und es stellt sich eine genügend hohe Dämpfung bzw. genügend hohe Schnelligkeit des Systems ein.
Das Adaptionsverhalten selbst kann hinsichtlich der erforderlichen Dämpfung und Schnelligkeit innerhalb gewisser Grenzen an die Anforderungen des Systems angepaßt werden und ist somit in der Lage, ein breites Spektrum unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten abzudecken bzw. auf verschiedene äußere Einflüsse, die das Lenkverhalten beeinflussen können, spezifisch zu reagieren.
Eine über die Messung der manuell auf das Lenksystem einwirkenden Kräfte bzw. Momente hinausgehende Sensorik wird bei der erfindungsgemäßen Steuer- oder Regelvorrichtung nicht benötigt. Jedoch kann die Adaption an bestimmte Fahrzeugzustände wie etwa die Fahrzeuggeschwindigkeit angepaßt werden.
Hierzu werden entsprechende Sensoren benötigt, welche die erforderlichen Fahrzeugzustands-Parameter liefern.
Da zwischen der am Kraftsteller auftretenden Unterstützungskraft und dem manuell aufgebrachten Lenkmoment eine lineare Beziehung besteht, kann die Regelstrecke der adaptiven Regelung gemäß der Theorie der linearen Regler ausgelegt werden.
Die Adaption des Systems kann ebenso wie an verschiedene Fahrzeugzustände auch an unterschiedliche Fahrertypen angepaßt werden. So lassen sich für jeden Fahrertyp individuelle Einstellungen bzgl. des Lenkverhaltens des Fahrzeugs
vornehmen. Ebenso kann das vom Fahrer wahrgenommenen Lenkgefühl über die veränderbare Dynamik der adaptiven Regelung beeinflußt werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen : - Figur 1 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems ohne Adaptionsmittel ; - Figur 2 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems mit einem vor den Regler geschalteten adaptiven Filter ; - Figur 3 in einer schematischen Ansicht eine Reglerstruktur eines Servolenksystems mit einer Adaption des Reglers.
Figur 1 zeigt eine Reglerstruktur eines Servolenksystems nach dem Stand der Technik. Bei diesem Servolenksystem wird mit einem Lenkrad 1 manuell ein Lenkmoment auf die Lenkwelle 3 aufgebracht und damit über ein Lenkgetriebe 5 ein Zahnstangenmechanismus 4 betätigt, mit dem auf bekannte Weise die Lenkung der Räder des Kraftfahrzeugs vorgenommen wird. Um die manuell aufzubringenden Lenkkräfte zu reduzieren, ist ein elektrischer bzw. elektrohydraulischer Kraftsteller 6 zum Erzeugen von Hilfslenkkräften koaxial zum Zahnstangenmechanismus 4 angeordnet. Ein Lenkdrehmomentsensor 2 gibt Drehmomentsignale aus, die von der Richtung, in die das Lenkrad 1 gedreht wird und von dem aufgebrachten Lenkmoment abhängen. Ein Regler 7 ermittelt aus den Drehmomentsignalen die benötigte Sollgröße und gibt die zu stellende Lenkhilfskraft an den Kraftsteller weiter.
Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuer-oder Regelvorrichtung für ein Servolenksystem mit einer Regelstrecke gemäß einer ersten Ausführungsform. Das vom Lenkdrehmomentsensor 2 gemessene Lenkmoment wird hier über ein Adaptionsmittel 8 an den Regler 7 geführt. Das Adaptionsmittel 8 wird als adaptiver Filter ausgeführt, der vor den Regelkreis des
elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftstellers 6 geschaltet wird. Die Bandbreite des adaptiven Filters wird bei hohen Verstärkungsfaktoren gesenkt und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren angehoben. Die dadurch in das System eingebrachte zusätzliche Dynamik dient zur Stabilisierung des Gesamtsystems.
Diese zusätzliche Dynamik wird bestimmt von Filterparametern, die in Abhängigkeit vom Fahrzeugzustand ermittelt werden. So wird das Verhalten des adaptiven Filters hinsichtlich einer genügend hohen Dämpfung bzw. einer genügend hohen Schnelligkeit des Systems gezielt beeinflußt. Durch die Verwendung eines adaptiven Filters bei der Regelung von elektrischen bzw. elektrohydraulischen Servolenksystemen lassen sich auch große Rückführverstärkungen realisieren, ohne daß es dabei zu Instabilitäten des Gesamtsystems kommt. Der regelungstechnische Eingriff ist dabei relativ gering und ohne großen Aufwand realisierbar.
Figur 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuer-oder Regelvorrichtung für ein Servolenksystem mit einer Regelstrecke gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Adaption findet in diesem Fall direkt im Regelkreis statt. Die Parameter des Reglers 7 werden in Abhängigkeit vom Lenkmoment, das vom Lenkdrehmomentsensor 2 gemessen wird, durch ein Adaptionsmittel 8 so angepaßt, daß die Bandbreite des auf den elektrischen bzw. elektrohydraulischen Kraftsteller 6 einwirkenden Regelkreis bei steigenden Verstärkungsfaktoren zurückgenommen und bei sinkenden Verstärkungsfaktoren angehoben wird. Die Bandbreite wird dabei derart beschränkt, daß sich eine genügend hohe Dämpfung bzw. genügend hohe Schnelligkeit zur Erreichung einen stabilen Systemzustands einstellt.
Next Patent: ASSEMBLY PLANT FOR ASSEMBLING INDUSTRIAL PRODUCTS