Verfahren zur Steuerung eines Steer-by-Wire-Lenksystems beim

Erreichen einer maximal zur Verfügung stehenden Leistung des

Lenkstellers

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Steer-by- Wire-Lenksystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und 4 und ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8. Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen ist die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkeingabemittel, beispielsweise einem Lenkrad, gekoppelt.

Es besteht eine Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern über elektrische Signale. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkwinkel- sensor abgegriffen, und in Abhängigkeit von dem Fahrerlenkwunsch wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt. Eine mechanische Verbindung zu den Rädern ist nicht vorgesehen, sodass nach Betätigung des Lenkrads keine unmittelbare Kraft-Rückmeldung an den Fahrer übermittelt wird. Um bei Steer-by-Wire-Lenkungen die Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad zu simulieren, ist es notwendig, am Lenkrad oder der Lenksäule einen Feedback-Aktuator (FBA) vorzusehen, welcher in Abhängigkeit von den gewünschten Rückwirkungen der Lenkhandhabe ein Lenkgefühl aufprägt.

Der Regelalgorithmus oder das Regelverfahren einer Steer-by-Wire-Lenkung ist bevorzugt so ausgelegt, dass die Position des elektrischen Lenkstellers bzw. die Position der Zahnstange, mit möglichst geringer Zeitverzögerung und ohne Überschwingungen einem vorgegeben Sollwert folgt. Außerdem ist es erwünscht, dass die Positionsregelung ein robustes und gegenüber internen und externen Störgrößen unempfindliches Regelverhalten aufweist.

Bei Steer-by-Wire-Lenkungen kann es Vorkommen, dass die Leistung des elektrischen Lenkstellers nicht ausreicht, schnell und exakt den gewünschten Radlenkwinkel einzustellen. In diesem Fall kann die von dem Lenksteller in Längsrichtung verschobene Zahnstange nicht der gewünschten Zahnstangen- position oder dem gewünschten Lenkraddrehwinkel folgen. Dieses Problem tritt insbesondere beim Parkvorgang auf, da in diesem Fall die Leistungs- anforderungen am Höchsten sind. Kann der Lenksteller das berechnete Drehmoment nicht erbringen, kommt es zu einem Offset zwischen der

Sollposition und der Istposition der Zahnstange. Das führt dazu, dass das Getriebe weiterlenkt bis die Sollposition erreicht ist, auch wenn der Fahrer bereits den Lenkvorgang beendet hat. Das Eingreifen des Lenkstellers ohne Lenkeingabe ist für den Fahrer sehr irritierend und daher nicht akzeptabel.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Steer-by-Wire-Lenksystems anzugeben, bei dem eine fehlende Leistung des Lenkstellers nicht oder nur unwesentlich vom Fahrer wahrgenommen wird.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Steuerung eines Steer-by-Wire- Lenksystems für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 4 und einem Steer-by-Wire-Lenksystems für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.

Demnach ist ein Verfahren zur Steuerung eines Steer-by-Wire-Lenksystems für Kraftfahrzeuge umfassend einen auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit eines Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, der eine translatorische Bewegung einer Zahnstange zur Lenkung der Räder bewirkt, und einen Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad in Form eines Rückstellmomentes übertragenden Feedback-Aktuator vorgesehen, wobei anhand eines Lenkradlenkwinkels in einer Signalverarbeitungseinheit eine Sollposition der Zahnstange ermittelt wird und diese mit einer Ist-Position der Zahnstange oder mit einem gemessenen Radlenkwinkel als Ist-Wert an eine Regeleinheit übermittelt wird, die daraus ein Solldrehmoment des Elektro- motors des Lenkstellers berechnet, wobei folgende weitere Verfahrensschritte zur Steuerung vorgesehen sind :

• Überwachen einer zum Erreichen der ermittelten Sollposition benötigten Leistung des Elektromotors;

• Falls die benötigte Leistung die maximale Leistung des Elektromotors überschreitet, Betreiben des Elektromotors mit der maximalen Leistung und Erhöhung eines am Lenkrad anliegenden der weiteren Verdrehung entgegenwirkenden Rückstellmomentes.

Dadurch kann verhindert werden, dass der Fahrer des Kraftfahrzeuges die fehlende Leistung des Lenkstellers beim Lenkvorgang spürt.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Erhöhung des am Lenkrad anliegenden Drehmomentes mittels des Feedback-Aktuators erfolgt, der ein dem Lenk- befehl entgegengesetztes Gegendrehmoment in eine mit dem Lenkrad verbundene Lenkwelle einleitet. Vorzugsweise ist die Erhöhung des am

Lenkrad anliegenden Drehmomentes so dimensioniert ist, dass ein Versatz zwischen dem Lenkradlenkwinkel und dem Radlenkwinkel verringert, besonders bevorzugt sogar verhindert, werden kann.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Steuerung eines Steer-by-Wire-Lenksystems für Kraftfahrzeuge umfassend einen auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit eines Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, der eine translatorische Bewegung einer Zahnstange zur Lenkung der Räder bewirkt, und einen Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad in Form eines Rückstellmomentes übertragenden Feedback-Aktuator vorgesehen, wobei anhand eines Lenkradlenkwinkel in einer Signalverarbeitungseinheit eine Sollposition der Zahnstange ermittelt wird und diese mit einer Ist-Position der Zahnstange oder mit einem gemessenen Radlenkwinkel als Ist-Wert an eine Regeleinheit übermittelt wird, die daraus ein Solldrehmoment des Elektro- motors des Lenkstellers berechnet, wobei folgende weitere Verfahrensschritte zur Steuerung vorgesehen sind :

• Überwachen einer zum Erreichen der ermittelten Sollposition benötigten Leistung des Elektromotors;

• Falls die benötigte Leistung die maximale Leistung des Elektromotors überschreitet, Betreiben des Elektromotors mit der maximalen Leistung und Reduzierung der zeitlichen Änderung der Sollposition der Zahnstange und zwar derart, dass bei einer neutralen Position des Lenkrades die Istposition der Zahnstange der Sollposition der Zahnstange entspricht.

Dadurch kann ein Nacheilen der Zahnstange gegenüber der Sollposition verhindert werden und der Fahrer bekommt die fehlende Leistung des

Lenkstellers kaum oder gar nicht zu spüren.

Dabei weist die Regeleinheit vorzugsweise eine Begrenzungseinrichtung auf, die die zeitliche Änderung der Sollposition derart limitiert, dass ein beim Einlenken auftretender Offset zwischen Soll- und Istposition der Zahnstange, beim Zurücklenken wieder korrigiert wird.

Zusätzlich kann für den Fall, dass die benötigte Leistung die maximale

Leistung des Elektromotors überschreitet, vorgesehen sein, dass ein am Lenkrad anliegendes Drehmoment das der Verdrehung des Lenkrads entgegenwirkt erhöht wird. Vorzugsweise erfolgt die Erhöhung des am Lenkrad anliegenden Drehmomentes mittels des Feedback-Aktuators, der ein dem Lenkbefehl entgegengesetztes Gegendrehmoment in eine mit dem Lenkrad verbundene Lenkwelle einleitet.

Weiterhin ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei das Lenksystem einen auf gelenkten Räder mittels eines Lenkgetriebes wirkenden elektronisch regelbaren Lenksteller, eine Signalverarbeitungsein- heit, einen Feedback-Aktuator, der über ein Lenkrad von einem Fahrer mit einem Fahrerwunsch für einen Lenkwinkel beaufschlagt werden kann und ein Feedback-Signal an das Lenkrad als Reaktion auf den Fahrerwunsch und einen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ausgibt und eine Einrichtung zur Signalüber- tragung, die den Fahrerwunsch an die Signalverarbeitungseinheit übermittelt, umfasst, wobei die Signalverarbeitungseinheit eine Sollposition des Lenkge- triebes ermittelt und diese mit einer Ist-Position der Zahnstange oder mit einem gemessenen Radlenkwinkel als Ist-Wert an eine Regeleinheit über- mittelt, die den Lenksteller ansteuert, um den Fahrerwunsch in eine

Auslenkung der gelenkten Räder zu transformieren. Das Steer-by-Wire- Lenksystem ist dazu eingerichtet ein zuvor beschriebenes Verfahren

auszuführen.

Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen :

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems,

Fig. 2: eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug in Kurvenfahrt,

Fig. 3: ein Blockdiagramm einer Steuerung des Steer-by-Wire-Lenk- systems,

Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Lenkradlenkwinkels und eines Radlenkwinkels eines Steer-by-Wire-Lenksystems,

Fig. 5: ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Ist- und Soll-

Drehmomentes des Lenkstellers bei einer Lenkbewegung, sowie

Fig. 6: ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Ist- und Soll-

Zahnstangenposition bei einer Lenkbewegung, sowie der Ist- Zahnstangenposition mit einer erfindungsgemäßen Korrektur.

In der Figur 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 gezeigt. An einer Lenkwelle 2 ist ein nicht dargestellter Drehwinkelsensor angebracht, welcher das durch Drehen eines Lenkeingabemittels 3, welches im Beispiel als Lenkrad ausge- bildet ist, aufgebrachten Lenkradlenkwinkel a erfasst. Es kann aber zusätzlich auch ein Lenkmoment erfasst werden. Des Weiteren ist an der Lenkwelle 2 ein Feedback-Aktuator 4 angebracht, welcher dazu dient, die Rückwirkungen von der Fahrbahn 60 auf das Lenkrad 3 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben. Ein elektrischer Lenksteller 5 steuert die Stellung der gelenkten Räder 6. Der Lenksteller 5 wirkt über ein Lenkstangen-Lenkgetriebe 7, wie beispielsweise einem Zahnstangen-Lenkgetriebe, wobei die Zahnstange 8 über nicht darge- stellte Kugelgelenke mit Spurstangen 9 und anderen Bauteilen mittelbar auf die gelenkten Räder 6 wirkt. In einer Steuerungseinheit, die auch Signal- verarbeitungseinheit 10 genannt werden kann, wird aus dem gemessenen Lenkradlenkwinkel a eine Sollposition Xd der Zahnstange und die zur Erreichen der Sollposition benötigte Ansteuerung eines Elektromotors 11 des Lenk- stellers bestimmt.

In der Figur 2 sind der Lenkradlenkwinkel a und der Radlenkwinkel ß darge- stellt. Der Lenkradlenkwinkel a ist der vom Fahrer am Lenkrad 3 eingebrachter Lenkwinkel. In der Geradeausstellung beträgt dieser Null Grad. Der Radlenk- winkel ß ist hingegen der Winkel, um den das Fahrzeugrad 6 eingeschlagen bzw. verschwenkt ist. Der Radlenkwinkel ß liegt zwischen der Kraftfahrzeug- längsachse 12 und der senkrecht zur Rotationsachse des Rades liegenden Querachse des Rades 6.

Figur 3 zeigt eine Steuerung des Lenkstellers 5. Aus dem am Lenkrad 3 gemessenen Lenkradlenkwinkel a wird in der Signalverarbeitungseinheit 10 eine Sollposition Xd der Zahnstange 8 ermittelt. Die ermittelte Sollposition Xd sowie eine Ist-Position der Zahnstange 8 oder des Verschwenkwinkels ß des Rades (Radlenkwinkel) als Ist-Wert X wird an eine Regeleinheit 13 übermittelt. Als mögliche weitere Eingangsgrößen sind im Beispiel die Fahrzeuggeschwin- digkeit V und/oder das am Lenkrad aufgebrachte Drehmoment T _JS und/oder weitere gemessene oder berechnete Größen vorgesehen. Die Regeleinheit 13 ermittelte als Sollgröße, das Stelldrehmoment TI des Elektromotors 11 des Lenkstellers 5. Auf Basis dieses Stelldrehmoments TI wird dann in bekannter Weise im Elektroantrieb ein jeweiliger Sollstrom I bestimmt, der dem Elektro- motor 11, der das Drehmoment aufbringt, zugeführt wird.

Parallel zur Regelstrecke ist eine Adaptionseinrichtung 14 vorgesehen, die das Stelldrehmoment TI beeinflusst, für den Fall, dass die zur Regelung benötigte Lenkleistung die maximale Leistung des Lenkstellers überschreitet. In der Adaptionseinrichtung 14 wird die vom Lenksteller 5 angeforderte Leistung überwacht. Überschreitet die für den Lenkvorgang benötigte Leistung das Maximum der zur Verfügung stehenden Leistung, wird der Lenksteller 5 mit maximaler Leistung betrieben. In diesem Fall kann der Lenksteller 5 der Sollposition Xd der Zahnstange 8 nicht folgen, da für das Erreichen der Sollposition Xd eine höhere Leistung als die zur Verfügung stehende Leistung benötigt wird. Der Feedback-Aktuator 4 gibt an die Lenkwelle 2 und damit an das Lenkrad 3 ein gegen das Verdrehen gerichtetes Gegenmoment aus, das dem Fahrer das bekannte Verhalten eines Lenksystems simuliert. Im weiteren wird das Gegenmoment auch einfach als Drehmoment bezeichnet, das am Lenkrad anliegt.

Es werden zwei Verfahren zur Regelung der Steer-by-Wire Lenkung bei Überschreiten der maximalen Leistung des Lenkstellers 5 vorgeschlagen.

Das erste Verfahren sieht beim Erreichen der maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Lenkstellers 5 eine Erhöhung des Drehmomentes am Lenkrad 3 vor. Die Adaptionseinrichtung 14 steht dafür in Kommunikation mit dem Feedback-Aktuator 4 und teilt ein Überschreiten der maximal zur

Verfügung stehenden Leistung des Lenkstellers 5 dem Feedback-Aktuator 4 mit. Der Feedback-Aktuator 4 bringt ein erhöhtes, dem Lenkbefehl entgegen- gesetztes Gegendrehmoment in die Lenkwelle 2 ein. Die Lenkbewegung des Fahrers wird damit gedämpft, so dass ein Versatz zwischen Zahnstangen- position X und Lenkradlenkwinkel a verhindert werden kann.

Beim zweiten Verfahren wird bei Erreichen der Maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Lenkstellers die zeitliche Änderung der Sollposition Xd der Zahnstange 8 verringert. Eine Abweichung zwischen der Sollposition Xd und der Istposition X der Zahnstange 8 wird somit zugelassen. Es kommt aber nicht zu einer Phasenverschiebung zwischen der Soll- und Istposition, d. h. die Zahnstange 8 eilt nicht der Sollposition Xd nach. Darunter wird verstanden, dass bei einer Geradeausfahrt bzw. einer neutralen Position des Lenkrades 3 die Istposition X der Zahnstange 8 der Sollposition Xd der Zahnstange 8 entspricht. Insbesondere entspricht die Istposition X der Zahnstange 8 auch der Sollposition Xd der Zahnstange 8 beim Erreichen von lokalen oder globalen Maxima und Minima und/oder Wendepunkten in dem zeitlichen Verlauf der Zahnstangenposition. Ein Nacheilen der Zahnstange 8 kann so verhindert werden. Der Fahrer spürt die Abweichung zwischen der Soll- und Istposition in diesem Fall nicht. Zur Begrenzung der zeitlichen Änderung der Sollposition Xd weist die Adaptionseinrichtung 14 eine intelligente Begrenzungseinrichtung 15 auf. Das Lenkgefühl des Feedback-Aktuators 4 wird in diesem Fall bevorzugt nicht angepasst. Die Begrenzungseinrichtung 15 limitiert die zeitliche

Änderung der Sollposition Xd derart, dass ein beim Einlenken auftretender Offset zwischen Soll- und Istposition der Zahnstange beim Zurücklenken wieder korrigiert wird. Im einfachsten Fall wird dabei die Differenz zwischen dem geforderten und dem eingestellten Radlenkwinkel ß im Verhältnis zum vom Fahrer eingegebenen Lenkradlenkwinkel a proportional umgerechnet, so dass im Falle des Geradeauslaufs des Fahrzeugs beide Winkel den Wert 0 einnehmen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Steer-by-Wire Lenkung 1 mit einem Lenkrad 3, einem Feedback-Aktuator 4, einem auf eine Zahnstange 8 wirkenden Lenk- steller 5 und mit der Zahnstange 8 über Spurstangen verbundene lenkbare Räder 6. Der Lenksteller 5 bewirkt eine translatorische Bewegung der Zahn- stange 8. Die Zahnstangenposition X ändert sich dabei zeitlich mit dX. Die Bewegung der Zahnstange 8 führt zu einem Verschwenken der Räder 6 um den Radlenkwinkel ß.

In der Figur 5 ist ein zeitlicher Verlauf eines Drehmomentes des Lenkstellers 5 in Nm dargestellt. Eine erste Kurve 16 zeigt die Drehmoment Anfrage an den Lenksteller (Soll-Drehmoment TI). Eine zweite Kurve 17 zeigt das vom Lenk- steller tatsächlich aufgebrachte Drehmoment (Ist-Drehmoment). Ab einer Maximalleistung des Lenkstellers kann das angefragte Soll-Drehmoment TI nicht mehr von dem Lenksteller zur Verfügung gestellt werden. Das Ist- Drehmoment bleibt daher deutlich hinter dem Solldrehmoment TI zurück.

Figur 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Zahnstangenposition. Eine erste Kurve 18 zeigt die Soll-Zahnstangenposition Xd. Eine zweite Kurve 19 zeigt die Ist- Zahnstangenposition X. Die zum Erreichen der Sollposition benötigte Leistung kann von dem Elektromotor des Lenkstellers beim zweiten Einschlagen des Lenkrads nicht aufgebracht werden. Die Lenkgeschwindigkeit am Lenkrad ist zu hoch. Die Soll-Zahnstangenposition Xd kann nur mit einer zeitlichen

Verzögerung erreicht werden. Die Zahnstange eilt der Sollposition somit nach. Dieser Zustand ist ungewünscht, da das Nacheilen der Zahnstange von dem Fahrer als störend empfunden wird. So lenken die Räder beispielsweise weiter ein, obwohl eine Lenkbewegung am Lenkrad nicht mehr stattfindet. Die dritte Kurve 20 zeigt die Ist-Zahnstangenposition mit aktivierter Begrenzungsein- richtung. Das Maximum der zweiten Auslenkung bzw. der Zahnstangenposition und die darauffolgende neutrale Position am Lenkrad werden von der Sol I- Zahnstangenposition und der adaptierten Ist-Zahnstangenposition zeitgleich erreicht. In dem Maximum liegt dabei ein Offset zwischen der Soll- und Istposition vor, welches beim Zurücklenken wieder korrigiert wird, so dass in neutraler Position beide Kurven 18,20 ihren Nulldurchgang haben.

Es kann auch vorteilhaft sein, das erste Verfahren und das zweite Verfahren gleichzeitig anzuwenden, d. h. sowohl auf das Lenkrad mittels des Feedback- Aktuators einzuwirken, als auch mittels der intelligenten Begrenzungsein- richtung ein Nacheilen der Zahnstange zu vermeiden.