In den verschiedensten Bereichen der Technik muss die Position elektrischer Antriebe geregelt werden. Beispiele hierfür sind die elektrischen Antriebe von Werkzeugmaschinen und Fertigungsrobotern, aber auch die Ventilaktuatoren von Steer-by-Wire-Lenkanlagen mit Hydro- Lenkgetriebe.

Allen diesen Positionsregelungen ist gemeinsam, dass die Position des elektrischen Antriebs mit möglichst geringer Zeitverzögerung und ohne Überschwingen dem vorgegebenen Sollwert folgen soll. Außerdem ist es erwünscht, dass die Positionsregelung mit einer möglichst geringen Zahl an

Sensoren auskommt und überdies ein robustes und gegenüber internen und externen Störgrößen unempflindliches Regeverhalten aufweist.

Im Folgenden wird am Beispiel eines Ventilaktuators einer sogenannten Steer-by-Wire-Lenkanlage mit Hydro-Lenkgetriebe das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsregelung erläutert. Dies bedeutet keine Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung auf Steer-by-Wire-Lenkanlagen.

Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer steer- by-wire-Lenkung.

Steer-by-Wire-Lenkungen zeichnen sich dadurch aus, dass 'keine durchgehende mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern vorhanden ist.

Bei der Realisierung von Steer-by-Wire-Lenkungen sind zwei Aufgabenkomplexe zu bewältigen. Erstens muss der Fahrerlenkwunsch vom Lenkrad auf die gelenkten Räder übertragen werden und zweitens muss der Fahrer eine Rückmeldung von den gelenkten Rädern am Lenkrad erhalten.

Diese Rückmeldung spürt der Fahrer als ein vom Lenkrad auf ihn wirkendes Drehmoment. Sie wird im Folgenden als Lenkgefühl bezeichnet.

Dabei muß eine Steer-by-Wire-Lenkung bezüglich Funktionssicherheit und Regelverhalten mindestens ebenso gut wie eine konventionelle Servolenkung sein. Darüber hinaus sollen übergeordnete Funktionen, wie z. B.

Spurführungs-oder Fahrdynamikregelung und Seitenwind- Kompensation, in die Steer-by-Wire-Lenkung integrierbar sein. Schließlich soll eine Steer-by-Wire-Lenkung einfach an verschiedene Fahrzeugtypen adaptierbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur

Positionsregelung, insbesondere zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung, bereitzustellen, welche eine hohe Regelgüte aufweisen, sicher und zuverlässig arbeiten und die Integration übergeordneter Funktionen erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Positionsregelung eines elektrischen Antriebs nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Lenken eines Kraftfahrzeugs mit einer Steer-by-Wire-Lenkung nach dem nebengeordneten Anspruch 2, bei welchem - der Lenkradwinkel erfasst wird ; - der Lenkradwinkel in einen Soll-Wert der Stellung der gelenkten Räder umgewandelt wird ; - ein Ist-Wert der Stellung der gelenkten Räder erfasst wird ; - eine Regeldifferenz zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Stellung der gelenkten Räder gebildet wird ; - die Stellung der gelenkten Räder in Abhängigkeit der Regeldifferenz geregelt wird ; - ein Lenkradmoment in Abhängigkeit der zwischen den gelenkten Rädern und einem Lenksteller wirkenden Soll-Momente und/oder Kräfte geregelt wird.

Vorteile der Erfindung : Bei diesem Verfahren werden die Regelgüte und die Funktionssicherheit verbessert, da die Regelung der Stellung der gelenkten Räder und des Lenkradmoments getrennt erfolgen. Diese Struktur unterstützt die Umsetzung des Verfahrens in eine modular aufgebaute Software.

Außerdem können übergeordnete Funktionen einfach integriert werden und die Adaption an verschiedene Fahrzeuge wird vereinfacht.

In Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist

vorgesehen, dass ein erster Regler aus der Regeldifferenz einen ersten Sollwert eines Ventilaktuators einer Hydrolenkung als Stellgröße ausgibt, dass parallel zu dem ersten Regler ein Kompensator aus dem Sollwert der Stellung der gelenkten Räder einen zweiten Sollwert des Ventilaktuators als Stellgröße ausgibt, dass erster Sollwert und zweiter Sollwert zu einem Sollwert des Ventilaktuators addiert werden, und dass der Sollwert die Führungsgröße eines Motorreglers ist, so dass Nichtlinearitäten des Hydro-Lenkgetriebes vom Kompensator ausgeglichen werden und somit die weitere Regelung als lineare Regelung ausgeführt werden kann.

Bei einer Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im ersten Regler die Regeldifferenz CSLR, SOm -25Ritzel in Abhängigkeit des Drehwinkels ritzel des Ritzels im Bereich der Mittellage des Ritzels verstärkt wird, und dass das Produkt aus Regeldifferenz ÖLR, Soll-ÖRitzel und Verstärkung in einem Integrator zu dem ersten Sollwert tiVA, soll, l aufintegriert. Dadurch kann die Regeldifferenz in der Mittellage der Lenkung erhöht werden, wodurch sich die Stellgröße des Lenkungsreglers erhöht und somit die Lenkung empfindlich auf kleine Änderungen des Fahrerlenkwunsches um die Mittelstellung des Lenkrades bzw. der gelenkten Räder reagiert.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Variante ist vorgesehen, dass der Motorregler als Kaskadenregler mit einem Führungsregler und mindestens einem Folgeregler ausgeführt ist, und dass die Regeldifferenz des Führungsreglers aus dem Sollwert und dem Ist-Wert eines Drehwinkels des Ventilaktuators gebildet wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Führungsregler ein Positionsregler ist, und dass die Stellgröße des

Führungsreglers eine Solldrehzahl des Ventilaktuators ist, dass die Regeldifferenz eines als Drehzahlregler ausgebildeten ersten Folgereglers aus der Solldrehzahl und der Ist-Drehzahl des Ventilaktuators gebildet wird, dass die Stellgröße des Drehzahlreglers ein Solldrehmoment des Ventilaktuators ist, und/oder dass aus dem Sollmoment über eine Momenten-Strom-Kennlinie ein Sollstrom des Ventilaktuators gebildet wird, dass die Regeldifferenz eines als Momentenreglers ausgebildeten zweiten Folgereglers aus dem Sollmoment und dem Ist-Moment des Ventilaktuators gebildet wird, und/oder dass die Regeldifferenz eines als Stromregler ausgebildeten dritten Folgereglers aus dem Soll-Strom und dem Ist-Strom des Ventilaktuators gebildet wird, und dass der Stromregler über einen Umrichter den Ventilaktuator ansteuert.

Durch den Einsatz eines Kaskadenreglers wird die Regelgüte dahingehend verbessert, dass das Ansprechverhalten der Regelung verbessert wird, ohne dass es dabei zu einem Übersteuern der gelenkten Räder kommt.

Weitere Ergänzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass von der Stellgröße Msoii des Führungsreglers eine erste Störgröße Mstör, i subtrahiert wird, und dass die erste Störgröße nach der folgenden Gleichung berechnet wird : Mstör, 1 = CDrehstab X (Spitzel-5vA, ist) wobei Drehstab die Torsionsfederrate des Drehstabventils ist.

Durch diese Störgrößenaufschaltung wird die durch den Drehstab verursachte Schwingung kompensiert und die Regelung reagiert noch schneller und genauer auf Änderungen des Fahrerlenkwunsches.

Die Regelgüte kann weiter verbessert werden dadurch, dass von der Stellgröße Msoll des Führungsreglers ein Dämpfungsmoment Mdampf subtrahiert wird und dass das Dämpfungsmoment Mdampf nach der folgenden Gleichung berechnet wird : Mdämpf D D t(ORitzel-VA, ist) Dabei stellen D eine Konstante und w eine Drehgeschwindigkeit dar.

Bei weiteren Ergänzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Sollwertbildung der Stellung der gelenkten Räder geschwindigkeitsabhängig und/oder wird dem Lenkradwinkel von einem Spurführungsregler ein erster Korrekturwinkel in Abhängigkeit eines Kurslenkradwinkels überlagert, und/oder wird dem Lenkradwinkel von einem Fahrdynamikregler ein zweiter Korrekturwinkel in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit, der Querbeschleunigung und/oder der Gierrate des Fahrzeugs überlagert, so dass das Lenkverhalten und die Fahrstabilität eines mit einer erfindungsgemäßen Steer-by- Wire-Lenkung ausgerüsteten Fahrzeugs verbessert werden und das Fahrverhalten eines mit einer konventionellen Servo- Lenkung ausgerüsteten Fahrzeugs übertrifft. Zusätzlich kann z. B. auch noch eine Seitenwind-Kompensation erfolgen.

Eine weitere Ausgestalung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Lenkradmoment in Abhängigkeit der Differenz aus dem Drehwinkel des Ventilaktuators und dem Ritzelwinkel gebildet wird, oder dass das Lenkradmoment in Abhängigkeit des Ist-Stroms des Ventilaktuators geregelt wird, so dass auf einen Momentensensor verzichtet werden kann.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst, durch eine Steer-by-Wire-Lenkung eines Fahrzeugs, mit einem Lenkrad, mit einer Lenksäule, mit einem Drehwinkelsensor, mit einem auf die Lenksäule wirkenden Lenkradmotor, mit einem über ein Lenkgetriebe und eine Spurstange auf die gelenkten Räder wirkenden Lenksteller und mit einem Steuergerät nach Anspruch 15, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung zum Tragen kommen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Steer-by-Wire-Lenkung, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist ein Lenkrad 1 mit einer Lenksäule 3 einer erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung dargestellt. An der Lenksäule 3 sind ein erster Drehwinkelsensor 5, ein zweiter Drehwinkelsensor 7 und ein elektrischer Lenkradmotor 9 angeordnet.

Die gelenkten Räder 11 des in Figur 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs sind über eine Spurstange 13 miteinander verbunden und werden von einem Lenksteller 15 gelenkt. Der Lenksteller 15 basiert auf einem an sich bekannten Hydro- Lenkgetriebe. Das Lenkgetriebe des Lenkstellers 15 ist als Zahnstangenlenkgetriebe mit einer Zahnstange 17 und einem Ritzel 19 ausgebildet. Bei herkömmlichen Lenkungen wird das Ritzel 19 von der Lenksäule 3 angetrieben. Bei der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung wird das Ritzel 19 von einem elektrischen Ventilaktuator 21 angetrieben.

Zwischen dem Ventilaktuator 21 und dem Ritzel 19 ist ein Drehstabventil 23 angeordnet. Das Drehstabventil 23 steuert die Servounterstützung des Lenkstellers 15, indem es eine hydraulische Verbindung zwischen einer Förderpumpe 25 und einem in Fig. 1 nur andeutungsweise dargestellten, doppelt wirkenden Arbeitszylinder 27 mehr oder weniger freigibt.

Der Arbeitszylinder 27 wirkt auf die Spurstange 13.

Förderpumpe 25, Drehstabventil 23 und Arbeitszylinder 27 sind über Verbindungsleitungen 29 miteinander verbunden. Am Rotor des Ventilaktuators 21 ist ein dritter Drehwinkelsensor 31 vorgesehen, der den Drehwinkel des Ventilaktuators 21 erfasst. Am Ritzel 19 ist ein vierter Drehwinkelsensor 33 vorgesehen, welcher den Drehwinkel des Ritzels 19 erfasst. Anstelle des Drehwinkelsensors 33 kann auch ein Wegsensor 40 verwendet werden.

In dem Drehstabventil 23 ist ein in Figur 1 nicht erkennbarer Drehstab angeordnet, der sich in Abhängigkeit des vom Ventilaktuator 21 auf das Ritzel 19 übertragenen Moments verdreht. Die Torsion des Drehstabs wird einerseits zum Ansteuern des Arbeitszylinders 27 im Drehstabventil 23 ausgenutzt, andererseits kann aus einer Winkeldifferenz zwischen dritten Drehwinkelsensor und viertem Drehwinkelsensor auf das vom Ventilaktuator 21 aufgebrachte Moment geschlossen werden. Deshalb kann auch auf einen

Drehmomentsensor am Lenksteller 15 verzichtet werden. Ein eventuell vorhandenes Übersetzungsgetriebe zwischen Ventilaktuator 21 und Ritzel 19 muß ggf. berücksichtigt werden.

Der Ventilaktuator 21 wird über einen Ventilaktuatorumrichter 35 und einen Lenkregler 37 angesteuert. Führungsgröße des Lenkreglers 37 ist ein Solllenkwert bLR, sollt der in Abhängigkeit des vom ersten Drehwinkelsensor 5 oder/und des vom zweiten Drehwinkelsensor 7 gemessenen Drehwinkels bI, R des Lenkrads 1 und bspw. der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gebildet wird. In Figur 2 wird die Regelung des Lenkstellers 15 und der gelenkten Räder 11 im Detail erläutert.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelung des Lenkstellers. Die Lenkungsregelung besteht aus einem Lenkungsregler 41 und einem Motorregler 43.

Der Lenkungsregler 41 wiederum besteht aus einem Regler. 45 und einem Kompensator 47. Der Regler 45 regelt den Drehwinkel (5Ritzel des Ritzels 19. Führungsgröße des Reglers 45 ist der von einer in Figur 2 nicht dargestellten Sollwertbildung vorgegebener Solllenkradwinkel FI, R, soll- Parallel zum Regler 45 ist ein Kompensator 47 vorgesehen, welcher dazu dient, nicht-lineare Effekte des Lenkstellers 15, insbesondere der Hydrolenkung, zu kompensieren. Aus den Ausgangsgrößen von Regler 45 und Kompensator 47 wird ein Sollwert 5*vA, soll gebildet. Dieser Sollwert ti*VA, soll ist die Führungsgröße des Motorreglers 43. Der Motorregler 43 ist als Kaskadenregler ausgeführt und weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen als Positionsregler ausgebildeten Führungsregler 49, einen als Drehzahlregler ausgeführten ersten Folgeregler 51, optional einen als Momentenregler ausgeführten zweiten Folgeregler 53 und einen als

Stromregler ausgeführten dritten Folgeregler 55 auf.

Der Führungsregler 49 hat die Aufgabe, den am Ventilaktuator 21 vom dritten Drehwinkelsensor 31 gemessenen Winkel 5vA so zu regeln, dass ÖVA dem Sollwert 25VA, soll ohne Überschwingung folgt. Ausgangsgröße des Führungsreglers 49 ist eine Solldrehzahl soll, welche als Führungsgröße für den ersten Folgeregler 51 dient. Der erste Folgeregler 51 bewertet die Abweichung zwischen Solldrehzahl soll und der Istdrehzahl n des Ventilaktuators 21, die bspw. aus der zeitlichen Änderung. des Drehwinkels 5vA abgeleitet werden kann. Ausgangsgröße des ersten Folgereglers 51 ist ein Sollmoment Molle Im Fall einer Momentenregelung wird aus der Abweichung zwischen dem Sollmoment Msoll und einem am Ventilaktuator 21, wie oben erwähnt, ermittelten Istmoment Mist ein Sollstrom Isoll gebildet. Optional kann auch auf den zweiten Folgeregler 53 verzichtet werden und der Sollstrom Isoll mit Hilfe einer Momenten-Strom-Kennlinie gewonnen werden.

Anschließend folgt in einem dritten Folgeregler 55 die Stromregelung des Ventilaktuators 21, der dem Sollstrom Isoll mit einem am Ventilaktuator 21 gemessenen Iststrom Iist vergleicht und ein Ansteuersignal an einen Umrichter 57 liefert.

Durch die Ausbildung des Motorreglers 43 als Kaskadenregler mit einem vom Führungsregler 49 geregelten Führungsregelkreis und mehreren Folgeregelkreisen wird die Güte der Regelung des Drehwinkels ritzel verbessert. Bei einer Störung wird durch die zeitlich früher einsetzende Änderung bspw. der Drehzahl n, des Moments M oder des Stroms I über die Folgeregler bereits ein Regelvorgang ausgelöst und somit die Gesamtregelung unterstützt. Dadurch ist es möglich, dass der Drehwinkel bRitzel des Ritzels 19

dem Solllenkradwinkel ber, sols schnell, aber ohne Überschwingung folgt.

In wird die bereits erwähnte Sollwertbildung 39 näher erläutert. Ausgehend von einem Fahrerlenkwunsch, der durch einen Lenkradwinkel ÖLR festgelegt wird, wird der Solllenkradwinkel #LR,soll in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs umgewandelt. Damit wird eine geschwindigkeitsabhängige Übersetzung der Drehbewegung am Lenkrad 1 in eine Drehbewegung des Ritzels 19, welche auf die Zahnstange 17 wirkt, ermöglicht.

Optional können auch noch weitere übergeordnete Funktionen den Solllenkradwinkel bIjR, soll beeinflussen. Bspw. ist in Figur 3 ein Spurführungsregler 59 vorgesehen, welcher über eine Schnittstelle A mit der Sollwertbildung verknüpft ist.

Der Spurführungsregler 59 überlagert dem Fahrerlenkwunsch ÖLR in Abhängigkeit eines Kurswinkels eiK einen ersten Korrekturwinkel 5LR, var, i. Dadurch wird der Solllenkradwinkel bLR, soii so beeinflusst, dass das Fahrzeug einem vorgegebenen Kurs folgt bzw. der Fahrer zumindest über das Lenkrad eine Rückmeldung erhält, wenn er von einem vorgegebenen Kurs abweicht.

Eine weitere übergeordnete Funktion ist in einem Fahrdynamikregler 61 implementiert. Abhängig von der Geschwindigkeit v, der Querbeschleunigung ay und der Gierrate des Fahrzeugs wird dem Fahrerlenkwunsch bLR ein zweiter Korrekturwinkel 5Lp, var, 2 überlagert. Aus dem Fahrerlenkwunsch ÖLR, der geschwindigkeitsabhängigen Übersetzung und ggf. den ersten Korrekturlenkwinkel ÖLR, var, 1 und dem zweiten Korrekturwinkel bLR, var, 2 wird der Solllenkradwinkel tiLR, soll gebildet. Dieser Lenkradwinkel #LR,soll ist die Eingangsgröße des Reglers 45 aus Figur 2.

Selbstverständlich können der Spurführungsregler 59 und der

Fahrdynamikregler 61 auch abgeschaltet werden. Es ist außerdem möglich, weitere Funktionen, wie bspw. eine nicht dargestellte Seitenwindkompensation in ähnlicher Weise in der Sollwertbildung zu integrieren.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkung bestehen unter anderem darin, dass die Realisierung von Motorregelung und Lenkungsregelung überschaubar ist, und dass übergeordnete und nebengeordnete Funktionen einfach und unabhängig voneinander integriert werden können. Mit dieser Struktur ist es möglich, situationsabhängige Sollwerte ÖVA des Ventilaktuators 21 zu erzeugen, die Regler robust und fehlertolerant zu entwerfen und die Lenkregelung gezielt fahreradaptiv und anwendungsfreundlich zu applizieren.

Die Lenkradregelung kann als Regelung oder Steuerung ausgeführt werden. Wie in Figur 1 erwähnt, wird das Sollhandmoment MH, 5011 mit Hilfe der Winkeldifferenz 5vA- Spitzel ermittelt. Alternativ kann das Sollhandmoment MH, soll auch aus dem Motorstrom Iist des Ventilaktuators 21 ermittelt werden. Bei einer weiteren Alternative kann das Sollhandmoment MH, SO11 auch über eine Kennlinienschar oder ein Kennfeld (mit fahrzeug-bzw. fahrsituationsabhängigen Parametern) erzeugt werden. Um eine fehlerhafte Ermittlung des Sollhandmoments MH, SO11 zu vermeiden, können beide o. g.

Methoden zur Ermittlung des Sollhandmoments parallel angewandt werden und eine gegenseitige Überwachung erfolgen. Das Sollhandmoment wird einem Lenkradregler 63 zugeführt, der über einen Umrichter 65 den Lenkradmotor 9 so ansteuert, dass das Handmoment MH auf das Lenkrad 1 übertragen wird. Bei der Ausführung des Lenkradreglers 63 wird besonderer Wert auf die Drehmomentenwelligkeit des Lenkradmotors 9 gelegt, damit sich für den Fahrer ein angenehmes Lenkgefühl einstellt.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Ausschnitts des ersten Reglers 45 von Fig. 2 dargestellt. Um ein besonders sensibles Ansprechen der Regelung auf Änderungen des Solllenkradwinkels bLR, soll, der ein Maß für den Fahrerlenkwunsch darstellt, zu ermöglichen, wird der Drehwinkel des Ritzels 75Ritzel vor der Bildung der Regeldifferenz bLR, soll-Ritzel abgezweigt und in Abhängigkeit des Drehwinkels 75Ritzel verstärkt. Entsprechend der in Fig. 4 gezeigten Kennlinie 67 ist der Verstärkungsfaktor in der Mittellage der Lenkung bzw. der Lenkhandhabe groß und nimmt symmetrisch zu dieser Mittellage ab. Dieses durch die Kennlinie geänderte Signal wird mit der Regeldifferenz #LR, soll - #Ritzel multipliziert.

Anschließend wird dieses Signal einem Verstärker Ki und anschließend einem Integrator 69 zugeführt. Ausgangsgröße des Integrators 69 ist der erste Sollwinkel des Ventilaktuators 5vA, soll, i.

Durch diese Maßnahme wird das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Lenkanlage bei Geradeausfahrt verbessert und ein sensibleres Ansprechen der Lenkanlage auch auf kleinste Änderungen des Fahrerlenkwunsches erreicht.