Titel

Verfahren zur Ansteuerung eines Lenksystems mit einer elektrischen

Lenkunterstützung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lenksystems mit einer elektrischen Lenkunterstützung und ein Lenksystem nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Eine elektrische Lenkunterstützung durch einen Lenkungsregler dient der Einbringung eines Soll-Unterstützungsmoments in ein Lenkgetriebe eines Lenksystems. Eine derartige elektrische Lenkunterstützung ist allgemein bekannt.

Bei aktuellen Lenksystemen mit elektrischer Lenkunterstützung wird das dynamische Verhalten der Achse, auch Vorderachsdynamik genannt, jedoch nicht berücksichtigt. Bei der Vorderachsdynamik handelt es sich bei einem Lenkgetriebe mit Zahnstange um eine Kraftantwort der Vorderachse auf eine Zahnstangenverschiebung. Je nach Fahrzeug kann diese Vorderachsdynamik zu Instabilitäten oder zum Verlust an Lenkgefühl führen.

Der Lenkungsregler muss daher so parametriert werden, dass er mit der als unbekannt angenommenen Vorderachsdynamik stabil ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Lenkungsregelung bereitzustellen.

Dies wird durch das Verfahren zur Ansteuerung und das Lenksystem nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht. Bezüglich des Verfahrens zur Ansteuerung eines Lenksystems mit einer elektrischen Lenkunterstützung ist vorgesehen, dass eine Soll-Größe für die Lenkunterstützung durch einen Lenkungsregler vorgegeben wird, das Lenksystem abhängig von der Soll- Größe angesteuert wird, ein Kompensations-Wert zur Kompensation eines

dynamischen Verhaltens einer durch das Lenksystem gelenkten Achse modellbasiert bestimmt wird, und die Soll-Größe abhängig von dem Kompensations-Wert bestimmt wird. Dadurch wird eine aktive, modellbasierte Kompensation der Vorderachsdynamik vorgenommen, die die Regelung verbessert. Des Weiteren werden kostenintensivere Lösungen, z.B. steifere Anbindung eines Kugelgewindetriebs der Vorderachse, um ein robusteres Regelsystem zu erzielen, vermieden.

Vorteilhafterweise charakterisiert der Kompensations-Wert eine Zahnstangenkraft, die an einer Zahnstange des Lenksystems angreift. Dadurch wird die Zahnstangenkraft kompensiert, die die Auslenkung der Zahnstange bewirkt. Diese Beeinflussung der Soll-Größe, ermöglicht eine besonders schnelle Reaktion der Regelung auf Störungen.

Vorteilhafterweise wird der Kompensations-Wert abhängig von Information über einen Zahnstangenweg bestimmt, der eine Auslenkung der Zahnstange des Lenksystems bezüglich einer Referenzlage der Zahnstange angibt. Eine direkte Erfassung der Störung der Vorderachsdynamik an der Zahnstange ermöglicht die Verwendung eines linearen Modells basierend auf herkömmlichen Sensoren.

Vorteilhafterweise wird die Information über den Zahnstangenweg abhängig von wenigstens einem Messwert bestimmt, wobei der Messwert Information über eine Rotorposition eines elektrischen Antriebs der Lenkunterstützung bezüglich einer Referenzposition charakterisiert, oder wobei der Messwert Information über ein Drehmoment an einem Drehstab charakterisiert, wobei der Drehstab ein Lenkrad des Lenksystems mit dem elektrischen Antrieb des elektrischen Lenksystems verbindet, oder wobei der Messwert Information über eine Winkellage eines Lenkrads oder Information über eine Winkellage einer die Zahnstange antreibenden Welle bezüglich einer Referenzwinkellage charakterisiert. Dies ermögliche die einfache Erfassung der Messwerte über Winkellagegeber oder Drehmomentgeber. Eine Sensorfusion mittels Kaimanfilter kann vorgesehen sein.

Vorteilhafterweise wird der Kompensations-Wert bestimmt als G = 1 - c L R, mit

c e K,

L Übertragungsverhalten von Motormoment des elektrischen Antriebs der

Lenkunterstützung zu dem Drehmoment (T _Tb ) am Drehstab,

R Übertragungsverhalten von Zahnstangenweg (% _a ) nach der Zahnstangenkraft

Dies ermöglicht es den Einfluss der Vorderachse durch eine Vorsteuerung zu eliminieren.

Vorteilhafterweise wird ein Motorsollmoment bestimmt, wobei ein kompensiertes Motorsollmoment abhängig vom Kompensations-Wert und dem Motorsollmoment als die Soll-Größe bestimmt wird. Dies ermöglicht eine einfache Integration in die herkömmliche Regelung mittels Soll-Unterstützungsmoments.

Bezüglich des Lenksystems ist vorgesehen, dass der Lenkungsregler ausgebildet ist, die Soll-Größe für die Lenkunterstützung vorzugeben, wobei das Lenksystem abhängig von der Soll-Größe angesteuert wird, der Lenkungsregler ausgebildet ist, ein

Kompensations-Wert zur Kompensation eines dynamischen Verhaltens einer durch das Lenksystem gelenkten Achse modellbasiert zu bestimmen, wobei die Soll-Größe abhängig von dem Kompensations-Wert bestimmt wird. Die Kompensation des dynamischen Verhaltens durch den Lenkungsregler verbessert die Regelung.

Vorteilhafterweise umfasst das Lenksystem eine Zahnstange, wobei der

Kompenstions-Wert eine Zahnstangenkraft charakterisiert, die an der Zahnstange angreift. Diese Einflussnahme auf die Ansteuerung der Zahnstange ermöglicht eine besonders gute Beeinflussung der Dynamik.

Vorteilhafterweise ist der Lenkungsregler ausgebildet, den Kompensations-Wert abhängig von Information über einen Zahnstangenweg zu bestimmen, der eine Auslenkung der Zahnstange des Lenksystems bezüglich einer Referenzlage der Zahnstange angibt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Berücksichtigung der Dynamik.

Vorteilhafterweise ist der Lenkungsregler ausgebildet, die Information über den Zahnstangenweg abhängig von wenigstens einem Messwert zu bestimmen, wobei das Lenksystem einen Winkellagegeber umfasst, der ausgebildet ist den Messwert als Information über eine Rotorposition eines elektrischen Antriebs der Lenkunterstützung bezüglich einer Referenzposition zu erfassen, oder wobei das Lenksystem einen Drehmomentgeber umfasst, der ausgebildet ist Information über ein Drehmoment an einem Drehstab zu erfassen, wobei der Drehstab ein Lenkrad des Lenksystems mit dem elektrischen Antrieb des elektrischen Lenksystems verbindet, oder wobei das Lenksystem einen Winkellagegeber umfasst, der ausgebildet ist, Information über eine Winkellage des Lenkrads bezüglich einer Referenzwinkellage zu erfassen, oder wobei das Lenksystem einen Winkellagegeber umfasst, der ausgebildet ist, Information über eine Winkellage einer die Zahnstange antreibenden Welle bezüglich einer

Referenzwinkellage zu erfassen. Die Messwerterfassung mittels Winkellagegeber oder Drehmomentgeber ist besonders gut in herkömmlichen Lenksystemen darstellbar.

Vorteilhafterweise ist der Lenkungsregler ausgebildet, den Kompensations-Wert zu bestimmen als

G = 1 - c L R, mit

c e K,

L Übertragungsverhalten von Motormoment des elektrischen Antriebs der

Lenkunterstützung zu dem Drehmoment (T _Tb ) am Drehstab,

R Übertragungsverhalten von Zahnstangenweg (s _Ra ) nach der Zahnstangenkraft

Dies ermöglicht eine einfache Integration als Vorsteuerung in herkömmliche

Regelsysteme.

Vorteilhafterweise ist der Lenkungsregler ausgebildet, ein Motorsollmoment zu bestimmen, wobei ein kompensiertes Motorsollmoment abhängig vom Kompensations- Wert und dem Motorsollmoment als die Soll-Größe bestimmt wird. Diese Regelung lässt sich besonders leicht in herkömmliche Regelungen integrieren.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung, welcher insbesondere für sich allein oder vorteilhaft zusätzlich zu den zuvor genannten Aspekten der Erfindung realisiert werden kann, wird ein Verfahren zur Emulation einer Dynamik einer durch ein

Lenksystem gelenkten Achse eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei das

Lenksystem eine Zahnstange umfasst, wobei ein Kompensations-Wert zur

Kompensation eines dynamischen Verhaltens der durch das Lenksystem gelenkten Achse modellbasiert bestimmt wird. Zudem wird der Kompensations-Wert vorteilhaft abhängig von Information über einen Zahnstangenweg bestimmt, der insbesondere eine Auslenkung der Zahnstange des Lenksystems bezüglich einer Referenzlage der Zahnstange angibt. Die Information über den Zahnstangenweg wird dabei vorteilhaft abhängig von wenigstens einem Messwert bestimmt, wobei der Messwert

vorzugsweise Information über eine Rotorposition eines elektrischen Antriebs der

Lenkunterstützung bezüglich einer Referenzposition charakterisiert, oder wobei der Messwert Information über eine Winkellage eines Lenkrads oder Information über eine Winkellage einer die Zahnstange antreibenden Welle bezüglich einer

Referenzwinkellage charakterisiert. Hierdurch können insbesondere die bereits zuvor genannten Vorteile erreicht werden. Insbesondere wird dadurch eine aktive, modellbasierte Kompensation der Vorderachsdynamik vorgenommen, die die

Regelung verbessert. Des Weiteren werden kostenintensivere Lösungen, z.B. steifere Anbindung eines Kugelgewindetriebs der Vorderachse, um ein robusteres

Regelsystem zu erzielen, vermieden.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung, welcher insbesondere für sich allein oder vorteilhaft zusätzlich zu den zuvor genannten Aspekten der Erfindung realisiert werden kann, wird eine Vorrichtung zur Emulation einer Dynamik einer durch ein Lenksystem gelenkten Achse eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei das

Lenksystem eine Zahnstange umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, einen

Kompensations-Wert zur Kompensation eines dynamischen Verhaltens der durch das Lenksystem gelenkten Achse modellbasiert zu bestimmen. Zudem wird der

Kompensations-Wert vorteilhaft abhängig von Information über einen Zahnstangenweg bestimmt, der insbesondere eine Auslenkung der Zahnstange des Lenksystems bezüglich einer Referenzlage der Zahnstange angibt. Die Information über den Zahnstangenweg wird dabei vorteilhaft abhängig von wenigstens einem Messwert bestimmt, wobei der Messwert vorzugsweise Information über eine Rotorposition eines elektrischen Antriebs der Lenkunterstützung bezüglich einer Referenzposition charakterisiert, oder wobei der Messwert Information über eine Winkellage eines Lenkrads oder Information über eine Winkellage einer die Zahnstange antreibenden Welle bezüglich einer Referenzwinkellage charakterisiert. Hierdurch können insbesondere die bereits zuvor genannten Vorteile erreicht werden. Insbesondere wird dadurch eine aktive, modellbasierte Kompensation der Vorderachsdynamik

vorgenommen, die die Regelung verbessert. Des Weiteren werden kostenintensivere Lösungen, z.B. steifere Anbindung eines Kugelgewindetriebs der Vorderachse, um ein robusteres Regelsystem zu erzielen, vermieden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch eine Lenksystem,

Fig. 2 schematisch Winkellagen,

Fig. 3 schematisch Teile eines Regelkreises.

Figur 1 zeigt schematisch eine Lenksystem 100 mit einer elektrischen

Lenkunterstützung 102.

Ein Lenkungsregler 104 ist ausgebildet, eine Soll-Größe f _Mot für die

Lenkunterstützung 102 vorzugeben. Das Lenksystem 100 wird abhängig von der Soll- Größe T _Mot angesteuert. Das Lenksystem 100 umfasst eine Achse 106, die durch eine Zahnstange 108 bewegbar ist. Die die Soll-Größe T _Mot ist im Beispiel ein Soll-Moment für die Lenkunterstützung 102. Durch die Vorderachsdynamik entsteht eine

Zahnstangenkraft F _Ra , die auf die Zahnstange 108 wirkt. Die Zahnstange 108 wird um einen Zahnstangenweg s _Ra bewegt, der eine Auslenkung der Zahnstange 108 des Lenksystems 100 bezüglich einer Referenzlage 1 10 der Zahnstange 108 angibt. Im Beispiel wirkt eine positive Zahnstangenkraft F _Ra in Pfeilrichtung in Figur 1 , in Richtung einer Auslenkung der Zahnstange 108 mit positivem Zahnstangenweg s _Ra . Im Beispiel wirkt eine negative Zahnstangenkraft F _Ra entgegen der Pfeilrichtung, in Richtung einer Auslenkung der Zahnstange 108 mit negativem Zahnstangenweg s _Ra . Diese Definition ist beispielhaft und kann auch anders gewählt werden.

Der Lenkungsregler 104 ist ausgebildet, Information über den Zahnstangenweg s _Ra abhängig von wenigstens einem Messwert zu bestimmen. Das Lenksystem 100 umfasst beispielsweise einen Winkellagegeber 1 18, der ausgebildet ist den Messwert als Information über eine Rotorposition 202 eines elektrischen Antriebs 1 12 der Lenkunterstützung 102 bezüglich einer Referenzposition 204 zu erfassen.

Das Lenksystem 100 umfasst im Beispiel einen Drehmomentgeber 1 16, der ausgebildet ist Information über ein Drehmoment T _Tb an einem Drehstab 1 14 zu erfassen, wobei der Drehstab 1 14 ein Lenkrad 1 16 des Lenksystems 100 mit dem elektrischen Antrieb 1 12 des elektrischen Lenksystems 100 verbindet.

Das Lenksystem 100 kann auch zusätzlich oder alternativ einen Winkellagegeber 122 umfassen, der ausgebildet ist, Information über eine Winkellage a> _L des Lenkrads 1 16 bezüglich einer Referenzwinkellage ω _Λ(?/ . zu erfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Winkellagegeber 1 18 ausgebildet ist, Information über eine Winkellage ω _Κα einer die Zahnstange antreibenden Welle 124 bezüglich einer Referenzwinkellage i _Re f zu erfassen.

Fig. 2 zeigt schematisch Winkellagen, die bei Bewegungen im Lenksystem 100 entstehen können.

Der Lenkungsregler 104 ist ausgebildet, einen Kompensations-Wert zur Kompensation eines dynamischen Verhaltens einer durch das Lenksystem 100 gelenkten Achse 106 modellbasiert zu bestimmen. Die Soll-Größe T _Mot wird abhängig von dem

Kompensations-Wert bestimmt.

Der Lenkungsregler 104 ist in einem ersten Beispiel ausgebildet, den Kompensations- Wert abhängig von Information über den Zahnstangenweg s _Ra zu bestimmen. Genauer ist der Lenkungsregler 104 ausgebildet, ein Motorsollmoment T _Mot zu bestimmen, wobei ein kompensiertes Motorsollmoment f _Mot abhängig vom

Kompensations-Wert und dem Motorsollmoment T _Mot als die Soll-Größe T _Mot bestimmt wird.

Die Vorderachsdynamik wird beispielsweise für vorzugsweise alle sich im Fahrversuch befindlichen Fahrzeuge vermessen. Darüber können Modelle der Vorderachsdynamik, die beispielsweise mittels eines Auslegungstools in einer frühen Akquisephase verfügbar sind, verwendet.

Damit wird in dem ersten Beispiel ein lineares Modell der Vorderachsdynamik erzeugt.

Als Eingangsgröße des linearen Models der Vorderachsdynamik wird der

Zahnstangenweg s _Ra verwendet, der aus bereits in herkömmlichen Lenksystemen verfügbaren Sensordaten, beispielsweise der Rotorposition 202, dem Drehmoment T _Tb am Drehstab 1 14 oder anderen Elektronic Power Steering Sensordaten, mittels Sensorfusion beispielsweise über einen Kaimanfilter ermittelt. Als Ausgang wird beispielsweise die Zahnstangenkraft F _Ra als störenden Kraft berechnet. Die Soll-Größe T _Mot wird daraus bestimmt, um ein Motormoment zu generieren das der störenden Kraft entgegenwirkt.

Neben der Kompensation der Vorderachsdynamik, kann die berechntete, hier als Kompensations-Wert bezeichnete Größe verwendet werden, um ein bestimmtes Verhalten der Vorderachse zu emulieren. Ein Anwendungsfall wären beispielsweise Steer-By-Wire-Systeme.

Dazu kann beispielsweise eine fahrzeuginterne Vorderachsdynamik kompensiert werden und eine andere Achsdynamik überlagert werden.

Als Alternative kann anstatt der gemessenen Vorderachsdynamik ein Feder-Masse- Dämpfer Schwinger verwenden und abhängig von Bereifung und Achsdesign eine virtuelle Achse parametrieren. Dies ist hilfreich, wenn keine Achse vorliegt, um das Regelsystem zu parametieren. In einem zweiten Beispiel werden Vereinfachungen des Modells vorgenommen.

Dadurch kann auf die Ermittlung des Zahnstangenweges s _Ra verzichtet werden.

Zusätzlich zu bereits angewandter Regler-Methodik und Parametrierung für die Lenkunterstützung wird eine Komponente hinzugefügt, die entgegen der

Vorderachsdynamik wirkt und deren Einfluss kompensiert.

Ein derartiges Lenksystem 100 mit Vorderachsdynamik als Störung lässt sich folgendermaßen darstellen:

F Ra — R ^s Ra

mit

G Übertragungsverhalten des Lenksystems 100,

K Übertragungsverhalten K von Motorsollmoment T _Mot nach Drehmoment T _Tb am Drehstab 1 14,

L Übertragungsverhalten von Motormoment T _Mot des elektrischen Antriebs der

Lenkunterstützung zu dem Drehmoment T _Tb am Drehstab,

M Übertragungsverhalten von Motormoment T _Mot nach Zahnstangenweg s _Ra , N Übertragungsverhalten von Zahnstangenkraft F _Ra nach Zahnstangenweg s _Ra , R Übertragungsverhalten von Zahnstangenweg s _Ra nach der Zahnstangenkraft

Dabei stellt R die Störung durch die Vorderachsdynamik dar. Durch die Vereinfachung s _Ra = c T _Tb mit c e l und unter Annahme eine linearen Drehstabsteifigkeit und konstanter Übersetzung eines Lenkgetriebes im Lenksystem, lässt sich dieses MIMO- System in ein SISO-System überführen und folgendermaßen darstellen: ff

T _f t _f ot— K G T _Mot Um den Einfluss der Vorderachsdynamik zu eliminieren wird die Vorsteuerung bestimmt zu:

Der Regelkreis, der in Figur 3 teilweise dargestellt ist, beinhaltet eine herkömmliche Regelung zur Bestimmung eines Soll-Unterstützungsmoments als Motorsollmoment T _Mot . Dieses wird zunächst durch Multiplikation mit dem Kompensations-Wert G zur Soll-Größe f _Mot verändert. In Figur 3 ist zudem das Übertragungsverhalten K von Motorsollmoment T _Mot nach Drehmoment T _Tb am Drehstab 1 14 dargestellt. Außerdem wird weiteres Übertragungsverhalten des Lenkungssystems in Figur 3 berücksichtigt durch additive Rückkopplung des Terms c L R auf die Soll-Größe Γ M, et ^■

Der Lenkungsregler 104 ist in diesem Beispiel ausgebildet, den Kompensations-Wert G zu bestimmen als

G = 1 - c L R.

Vorzugsweise werden Funktionen L und R verwendet, durch deren Multiplikation die Null- bzw. Polstellen der Übertragungsfunktion nicht gekürzt werden. Es wird nicht vorausgesetzt, dass die Vorderachsdynamik komplett kompensiert wird.

Modellabweichungen durch verschieden Felgengrößen und Beladungsstufen können wie bisher durch den Lenkungsregler kompensiert werden. Da diese

Vorderachsdynamiken einen ähnlichen Verlauf haben, wird auch bei unterschiedlicher Bereifung und Untergrund eine Verbesserung des Regelverhaltens ermöglicht.