Die Erfindung betrifft eine Servolenkeinrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Sie wird vor allem zum Lenken von Kraftfahrzeugen angewendet.

Eine derartige Servolenkeinrichtung mit einer elektronischen Steuerung ist durch die DE-A 34 29 233 bekannt. Ein Analogvergleicher ermittelt die Polarität eines Lenkmomentsignals in bezug auf den Pegel Null und gibt ein binäres Signal ab. Das Lenkmomentsignal wird gleichzeitig einer Absolutwertschaltung zugeleitet, deren Ausgangssignal die Größe des Lenkmoments ergibt. In weiteren Steuerblöcken wird das Lenkmomentsignal mit einem Normaldrehmomentsignal verglichen und entsprechend einer gewünschten Kennlinie geformt, nach der durch Pulsbreitenmodulation der Strom des Elektromotors gesteuert wird. Dabei wird die Drehrichtung des Elektromotors mittels einer logischen Schaltung durch das Ausgangssignal des Analogvergleiches bestimmt.

Die bekannte elektrische Steuerung verwendet zahlreiche elektronische Bausteine. Diese müssen mit

Versorgungsspannungen betrieben werden, die, bezogen auf das Massepotential des Fahrzeugs, ein positives und negatives Potential haben. Da in der Regel die Fahrzeugmasse an dem negativen Pol der Batterie angeschlossen ist, benötigt man zur Erzeugung einer dazu negativen Spannung einen besonderen Spannungswandler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkeinrichtung mit einer elektrischen Steuerung der eingangs beschriebenen Art einfacher und sicherer zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst.

Durch die Verwendung von Verstärkerelementen der genannten Art, z. B. von Operationsverstärkern mit PNP-Eingangsstufen oder Operationsverstärkern, wie sie in der Zeitschrift "Markt und Technik, Design und Elektronik", Heft 9/1988, Seite 103, beschrieben sind, entfällt eine zusätzliche negative Spannungsquelle. Ferner entfallen Gleichrichter, da die Verstärker nur mit

Versorgungsspannungen zwischen dem Massepotential und einem einzigen weiteren Spannungspotential, in der Regel einem positiven Spannungspotential betrieben werden. Das vom Lenksensor je nach Lenkrichtung positiv bzw. negativ erzeugte Spannungssignal wird ohne großen Aufwand auf zwei getrennte Signalpfade gleicher Polarität geleitet.

Der Aufbau der gesamten Steuerung ist wegen der geringen Anzahl der Bauelemente sehr einfach. Ferner erhöht sich wegen der Einfachheit der Schaltung und der wenigen Bauelemente die Ausfallsicherheit. Gleichzeitig wird der Nachteil der bekannten Steuerung vermieden, daß sich bei Ausfall einer der symmetrischen Speisespannungen die Signalpegel in der Steuerung unzulässig verschieben. Außerdem wird die Nullpunkt-Stabilität verbessert, da sich Parameterverschiebungen infolge von TemperaturSchwankungen oder Materialalterungen usw. in beiden Signalpfaden gleichsinnig auswirken.

Als Lenksignal wird üblicherweise, z. B. bei hilfskraftunterstützten Lenkeinrichtungen ein dem Lenkmomen proportionales Signal (Lenkmomentsignal) verwendet. In besonderen Fällen, z. B. bei einer Hinterradlenkung oder anderen Fremdkraftlenkungen, sind Positionssignale, Lenkwinkelsignale oder dergleichen zweckmäßig. Dementsprechend sind geeignete Istwertsensoren zu verwenden, deren Signale in einer Differenzverstärkerschaltung mit den Lenksignalen der beiden Signalpfade verglichen werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Strom des Elektromotors mit Hilfe eines Stromsensors, z. B. eines Magnetkreises mit Hallgenerator, gemessen. Seine Ausgangsspannung (Ausgangssignal) ist eine Funktion des Produktes aus seinem Steuerstrom und dem Strom des Elektromotors, die Polarität des Ausgangssignals hängt vor _¬ der Richtung des Motorstroms ab. Die Ausgangssignale werden mit den entsprechenden Lenkmomentsignalen in einer Differenzverstärkerεchaltung den beiden Operationsverstärkern zugeführt.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal des Stromsensors, ähnlich wie das Lenkmomentsignal, mit Hilfe von zwei parallel geschalteten zusätzlichen Operationsverstärkern in

Differenzverstärkerschaltung in zwei Pfade aufgespalten, indem die Ausgangssignalleitungen des Stromsensors mit den Eingängen des einen zusätzlichen Operationsverstärkers in beliebiger Reihenfolge und mit den Eingängen des anderen zusätzlichen Operationsverstärkers in der entgegengesetzten Reihenfolge verbunden sind. Die Ausgänge der Differenzverstärker werden nun den Eingängen des ersten und des zweiten Operationsverstärkers in der Weise zugeordnet, wie es bei einem Sollwert-Istwert-Vergleich üblich ist.

Die Differenz des Lenksignals und des Stromsignals ergeben die Regelgröße für die Steuerung des Elektromotors. Da das Stromsignal am Ausgang des Hallgenerators mittels des Steuerstromes des Hallgenerators verändert werden kann, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den Steuerstrom in Abhängigkeit eines geeigneten Parameters, z. B. der Fahrgeschwindigkeit usw., zu verändern. Damit läßt sich eine Hilfskraftunterstützung in Abhängigkeit des gewählten Parameters modifizieren.

Es ist üblich, bei Servolenkeinrichtungen mit Hilfskraftunterstützung die Hilfskraft von einem vorgebbare Punkt so stark ansteigen zu lassen, daß die Handkraft am Lenkrad nicht oder nur geringfügig zunimmt. Dies wird in einem Fall dadurch realisiert, daß der Stromsensor so ausgelegt wird, daß sein Magnetkreis bei Erreichen des gewünschten Kennwertes in Sättigung geht. Dadurch steigt das Stromsignal nicht mehr an, so daß das Ausgangssignal des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers von diesem Betriebspunkt an im -wesentlichen von dem steigenden

Lenkmomentsignal bestimmt wird. In einem anderen Fall kann die gleiche Wirkung dadurch erzielt werden, daß die obere Speisespannung der zusätzlichen Operationsverstärker nach oben entsprechend dem gewünschten Betriebspunkt begrenzt wird.

Bei dieser Ausgestaltung ist es ferner möglich, durch Anhebung der unteren Speisespannung ein Ausgangssignal an beiden zusätzlichen Operationsverstärkern zu erzeugen, wenn noch kein Stromsignal ansteht. Dieses so erzeugte Signal wirkt dem Lenksignal entgegen, so daß eine Hilfskraftunterstützung erst entsteht, wenn das Lenksignal den eingestellten Wert überschreitet.

Grundsätzlich ist es möglich, die Steuerung mit konstanten Speisespannungen für die zusätzlichen Operationsverstärker auszulegen. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, die untere bzw. obere Speisespannung der zusätzlichen Operationsverstärker variabel zu halten und in Abhängigkeit beliebiger Parameter zu modifizieren. Solche Parameter können z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit oder -beschleunigung, der Lenkeinschlagwinkel usw. sein.

Die Ansprüche enthalten sinnvolle Kombinationen von

Lδsungs erkmalen» Der Fachmann wird jedoch ohne weiteres im

Rahmen der gestellten Aufgabe weitere sinnvolle Kombiπationsmöglichkeiten in Erwägung ziehen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen die Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 Stromlaufpläne verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungen. Die Fig. 5 zeigt ein Diagramm des Motorstroms über der Eingangsspannung in Abhängigkeit vom Steuerstrom des Hallgenerators bei einer bestimmten oberen und unteren Speisespannung der zusätzlichen Operationsverstärker.

Die Lenkeinrichtung kann ausschließlich mit Fremdkraft betrieben werden. In diesem Falle werden die Stellbewegungen ausschließlich von dem Elektromotor bewirkt und die Signalgeber für das Lenksignal bzw. für das rückgeführte Istwertsignal beziehen -sich auf Stellwege, Positionen, Winkelstellungen usw. Sie kann aber auch als Servolenkeinrichtung mit Hilfskraftunterstützung gestaltet sein. Diese wirkt als Stellkraft parallel zu den vom Fahrer erzeugten Handkräften und die Signalgeber beziehen sich auf Lenkmomente, Stellkräfte, Stellmomente oder entsprechende proportionale Größen, z. B. den Strom des Elektromotors 1.

Eine Servolenkeinrichtung besteht in üblicher Weise aus einem Lenkrad mit einer Lenkspindel, die triebmäßig über ein Lenkgetriebe und Lenkgestänge mit Rädern eines Fahrzeugs verbunden ist. Diese Teile sind nicht dargestellt. Zur Unterstützung der Handkraft am Lenkrad greift ein Elektromotor 1 an einem geeigneten Übertragungsglied, z. B. der Lenkspindel, dem Lenkgetriebe oder dem Lenkgestänge an.

Ein Lenksensor, hier ein Lenkmomentsensor 3, erzeugt an seinen Ausgängen 6 und 7 bei einem Lenkmoment je nach Drehrichtung entgegengesetzte Spannungspotentiale. Der Ausgang 6 ist über einen Widerstand 15 mit einem nicht invertierenden Eingang 9 eines als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärkers 10 und über einen

Widerstand 16 mit einem invertierenden Eingang 12 eines als Differenzverstärker parallel geschalteten Operationsverstärkers 13 verbunden. Der Ausgang 7 des Lenksensors 3 liegt über einen Widerstand 17 an einem invertierenden Eingang 8 des Operationsverstärkers 10 und über einen Widerstand 18 an einem nicht invertierenden Eingang 11 des zweiten Operationsverstärkers 13 an.

Die Operationsverstärker 10 und 13 sind bis zum Massepotential aussteuerbar, so daß der

Operationsverstärker 10 an seinem Ausgang 20 nur dann ein Signal erzeugt, wenn das Spannungspotential am Ausgang 6 des Lenksensors 3 größer ist als das Spannungspotential am Ausgang 7 des Lenksensors 3. Wird dieses Spannungssignal einem linksdrehenden Lenkmoment zugeordnet, wird dieses Lenksignal für den Linkseinschlag nur in einem ersten Signalpfad 5 verarbeitet, zu dem der erste

Operationsverstärker 10 gehört. Ist der Spannungεzustand an den Ausgängen 6 und 7 des Lenksensors 3 umgekehrt, so daß das Spannungspotential am Ausgang 6 kleiner ist als das Spannungspotential am Ausgang 7, erzeugt nur der zweite Operationsverstärker 13 an seinem Ausgang ein Signal und bildet damit einen zweiten Signalpfad 4 für ein Lenksignal, das analog einem rechtsdrehenden Lenkmoment bzw. einem Rechtseinschlag der Räder zuzuordnen ist.

Die Ausgangssignale der Operationsverstärker 10, 13 sind positiv und werden über Widerstände 21, 22 zwei parallel geschalteten Modulatoren zugeführt. Diese bestehen aus Komparatoren 23 und 24, die mit Hilfe eines Schwingungsgenerators 14 in bekannter Weise

Pulslängensignale für einen Gegentaktverstärker 2 erzeugen, der den Elektromotor 1 steuert. Zur Stabilisierung der Komparatoren 23, 24 können Widerstände 34, 35 vorgesehen werden.

Ein Stromsensor, im gezeigten Beispiel ein Magnetkreis 75 mit Hallgenerator 25, mißt den Strom des Elektromotors 1 und erzeugt an seinen Ausgängen 26, 27 ein Signal, das eine Funktion des Produktes aus dem Motorstrom und dem Steuerstrom des Hallgenerators ist. Die Ausgänge 26, 27 sind entsprechend ihrer Zuordnung zu einem rechts- bzw. linksdrehenden Lenkmoment des Elektromotors 1 über Widerstände 28, 29, 30 und 31 in Differenzverstärkeranordnung an die Eingänge 8, 9, 11, 12 des ersten und zweiten Operationsverstärkers 10 und 13 angeschlossen. Durch Veränderung des Steuerstromes des Hallgenerators 25 läßt sich der Einfluß der Hilfskraft bestimmen und in Abhängigkeit beliebiger Betriebsparameter, z. B. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Lenkwinkel usw. beeinflussen. Die für den Regelkreis wirksame

Grenzhilfskraft bzw. Grenzstellkraft kann durch Auslegung des Magnetkreises 75 bestimmt werden, indem er bei Erreichen des Grenzstromes in die Sättigung geht.

Ein Potentiometer 43 ist über Widerstände 36, 37 an die invertierenden Eingänge 8, 12 der Operationsverstärker 10, 13 angeschlossen.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind zwischen dem Hallgenerator 25 und den Operationsverstärkern 10 und 13 zwei zusätzliche Operationsverstärker 50 und 51 mit Widerständen 52 bis 59 als Differenzverstärker geschaltet. Der Ausgang 27 des Hallgenerators 25 ist über den Widerstand 53 mit dem invertierenden Eingang 60 des Operationsverstärkers 50 und über den Widerstand 58 mit dem nicht invertierenden Eingang 61 des Operationsverstärkers 51 verbunden, während der Ausgang 26 des Hallgenerators 25 über den Widerstand 54 mit dem nicht invertierenden Eingang 62 des Operationsverstärkers 50 und über den Widerstand 57 mit dem invertierenden Eingang 63 des Operationsverstärkers 61 verbunden ist. Ausgang 64 des Operationsverstärkers 50 ist über die Widerstände 28 und 29 mit dem ersten und zweiten

Operationsverstärker 10 und 13 verbunden, während der Ausgang 65 des zusätzlichen Operationsverstärkers 51 über die Widerstände 30 und 31 mit den Operationsverstärkern 10 und 13 verbunden ist.

Durch diese Schaltung wird das Stromsignal, ähnlich wie das Lenksignal, in zwei Signalpfade 66 und 67 aufgeteilt und die Ausgangssignale der zusätzlichen

Differenzverstärkerschaltung den Lenksignalen in der ersten

10 Differenzverstärkerschaltung überlagert.

Die AusgangsSignale der zusätzlichen Differenzverstärker werden im unteren Grenzwert von der unteren Speisespannung und im oberen Grenzwert von der ^• -- ^■ oberen Speisespannung bestimmt. Der untere Grenzwert kann in Abhängigkeit beliebiger Parameter durch ein Potentiometer 69 und die obere Speisespannung durch ein Potentiometer 68 verändert werden.

~~ ~ Durch die Anhebung des unteren Wertes erreicht man, daß das Lenksignal einen entsprechenden Wert zunächst überschreiten muß, bevor ein Ausgangssignal an den Ausgängen 19 bzw. 20 des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers 10, 13 erzeugt wird. Überschreitet das

^• --" Stromsignal den oberen Grenzwert, bleibt das Ausgangssignal an den Aufgängen 64 und 65 konstant. Von diesem

Betriebspunkt an wird das Ausgangssignal an den Ausgängen 19 und 20 nur noch von der Vergrößerung des Lenksignals bestimmt. 30

Zwischen dem oberen und unteren Grenzwert ist das Ausgangssignal an den Ausgängen 64 und 65 proportional dem Produkt aus dem Strom des Motors und dem Steuerstrom Is des Hallgenerators 25. Durch Veränderung des Steuerstroms kann -- ^• das Ausgangssignal in Abhängigkeit beliebiger Parameter und damit die Kennlinie der Stellkraft des Motors verändert werden.

Die Fig. 3 zeigt charakteristische Kennlinien des Motorstroms in Abhängigkeit des Steuerstroms, des Hallgenerators und der Speisespannung. Der Spannungsbereich 68 kennzeichnet die untere GrenzSpannung, während durch die obere GrenzSpannung der Stromwert 69 bestimmt wird, ab dem die Handkraft nicht mehr wesentlich zunimmt. Die gestrichelten Kurven zeigen entsprechende Kennlinien für veränderte Steuerströme des Hallgenerators . Der Motorstrom ist proportional dem Motormoment und damit der Stellkraft, die zur Verstellung der Räder oder zur Unterstützung der Handkraft zur Verfügung steht.

Die Ausführung nach Fig. 4 entspricht weitgehend der Ausführung nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß der Ausgang 6 des Lenksensors mit dem Massepotential verbunden ist, so daß dieses als Bezugspotential dient. Dadurch vereinfacht sich der Schaltungsaufbau bei sonst gleicher Funktionsweise.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Ausführung der Erfindung wie Fig. 2, jedoch sind die Speisespannungen der zusätzlichen Operationsverstärker 50 und 51 nicht regelbar. Statt dessen sind ihre Ausgänge 64 und 65 über Widerstände 40, 41 und Dioden 74, 73 mit einem Potentiometer 42 verbunden. Überschreitet das von den Ausgängen 64 und 65 zurückgeführte Signal den am Potentiometer 42 eingestellten Spannungswert, so begrenzen die Dioden 74, 73 die Stromrückführung über die Widerstände 52, 56 auf die invertierenden Eingänge 60, 63, wodurch die Verstärkerwirkung stark zunimmt. Dadurch steigt von diesem Betriebspunkt ab die Stellkraft bzw. die

Hilfskraftunterstützung in Abhängigkeit vom Lenksignal steil an.

Durch das Potentiometer 43 wird über die Widerstände 36 und 37 an die invertierenden Eingänge des ersten und zweiten Operationsverstärker 13 und 10 eine veränderbare Vorspannung gelegt, so daß an den Ausgängen 19 bzw. 20 erst dann ein

Signal entsteht, wenn das Lenksignal die eingestellte

Vorspannung -überschreitet. Das bedeutet, daß die Stellkraft. bzw. Hilfskraftunterstützung erst bei überschreiten dieses

Wertes einsetzt.

Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Ausführung ähnlich der Ausführung nach Fig. 5. Im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 5 ist bei der Ausführung nach Fig. 6 der Ausgang 7 des Lenksensors 3 mit dem Masεepotential verbunden. Durch entsprechende Dimensionierung der Innenwiderstände können die Widerstände 53, 54, 55, 58 und 59 entfallen, wodurch sich die Ausbeute des Drehmomentsensors vergrößert.

Bezugszeichen

1 Elektromotor

2 Gegentaktverstärker 3 Lenksensor

4, 5 Signalpfade

6, 7 Ausgänge des Lenksensors 3

8, 9 Eingänge des ersten Operationsverstärkers 10

10 erster Operationsverstärker (OP) 11, 12 Eingänge des zweiten Operationsverstärkers 13

13 zweiter Operationsverstärker

14 Schwingungsgenerator

15 - 18 Widerstände

19 Ausgang des Operationsverstärkers 10 20 Ausgang des Operationsverstärkers 13

21, 22 Widerstände

23, 24 Modulatoren

25 Stromsensor, Hallgenerator

26, 27 Ausgänge des Stromsensors 28 - 41 Widerstände

42, 43 Potentiometer

44 - 47 Transistoren

48, 49 Anschlüsse für die Versorgungsspannung der Transistoren 50, 51 zusätzliche Operationsverstärker

52 - 59 Widerstände

60 - 63 Eingänge der zusätzlichen Operationsverstärker

64, 65 Ausgänge der zusätzlichen Operationsverstärker

66, 67 Signalpfade 68,69,70 Spannungsbereiche

71, 72 Signalpfade

73, 74 Dioden

75 Magnetkreis