DE3816484C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Lenkwinkel eines Fahrzeuges,
mit der auch zusätzlich die Lenkwinkel der Hinterräder gesteuert werden
können.
Beispiele herkömmlicher Lenkwinkel-Steuervorrichtungen sind in der US-PS
47 05 131 (entsprechend JP-OS 60-161 265) und der US-PS 46 66 013 (entsprechend
JP-OS 60-161 266) offenbart. Diese Lenkwinkel-Steuervorrichtungen
sind so ausgelegt, daß sie die Lenkwinkel der Vorder- und Hinterräder (δf und δr)
mit folgenden Gleichungen ermitteln:
δf = (af₀ + af₁S)R (1)
δr = (ar₀ + ar₁S)R (2)
δr = (ar₀ + ar₁S)R (2)
wobei R den Lenkwinkel bezeichnet, af₀, af₁, ar₀ und ar₁ die Koeffizienten sind,
deren Werte durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden und S den
Laplace Operator darstellt.
Wenn in dem Lenkwinkel-Stellsystem der Vorder- und Hinterräder Verzögerungen
auftreten, ist es empfehlenswert, folgende Gleichungen mit einem Term der
zweiten Ableitung zu verwenden:
δf = (af₀ + af₁S + af₂S²)R (3)
δr = (ar₀ + ar₁S + ar₂S²)R (4)
δr = (ar₀ + ar₁S + ar₂S²)R (4)
wobei die Werte der Koeffizienten af₂ und ar₂ durch die Fahrzeuggeschwindigkeit
bestimmt werden.
Folglich sind in dieser Lenkwinkel-Steuervorrichtung Differenzierer erforderlich,
die ein nach der Zeit differenziertes Ausgangssignal erzeugen, das proportional
zur Ableitung eines Eingangssignales, zum Beispiel des Lenkwinkels R ist. Die
in den konventionellen Lenkwinkel-Steuersystemen durchgeführte Ableitung
ist jedoch aus folgenden Gründen nicht genau genug:
Insbesondere bei der Verwendung von digitalen Sensoren, wie zum Beispiel
kodierten Drehwinkelgebern, ist das aus den gemessenen Werten des Lenkwinkels
R differenzierte Signal mit periodischen pulsartigen Änderungen beaufschlagt,
auch wenn sich der Lenkwinkel R mit konstanter Geschwindigkeit ändert, so
daß dann auch die Ableitung konstant sein müßte. Fig. 4 zeigt ein Beispiel. In
diesem Beispiel wird der Wert des Lenkwinkels R in jeder Periode mit dem
Zeitintervall Δt gemessen, das 5 msec lang ist, wobei eine Auflösung ΔR des
Lenkwinkelsensors von 1 deg erreicht wird. In diesem Fall ist die Auflösung der
ersten Ableitung durch 1 deg/5 msec = 200 deg/sec gegeben, die Auflösung der
zweiten Ableitung ist 1 deg/(5 msec)² = 40 000 deg/sec². Folglich werden in
dem Signal der ersten und zweiten Ableitung Pulse wie in Fig. 4 gezeigt, gebildet.
In Fig. 4 ist der tatsächliche Wert des Lenkwinkels R durch die schräge Linie α
angedeutet, während die gemessenen Werte des Lenkwinkels durch die entlang
dieser Linie α verteilten kleinen Kreise dargestellt sind. Die Linien β und γ
verbinden die tatsächlichen Werte der ersten und zweiten Ableitungen und .
Die kleinen Kreise entlang dieser Linien stellen wieder die von den gemessenen
Werten des Lenkwinkels R erhaltenen ersten und zweiten Ableitungen bzw.
dar. Wie man in Fig. 4 erkennt, sind Pulse sowohl in den aus einer Folge von
Werten der ersten Ableitung zusammengesetzten Signal R als auch in dem Signal
der zweiten Ableitung enthalten.
Bekannte Lenkwinkel-Steuersysteme sind deshalb bei der Bestimmung der
Lenkwinkel der Vorder- und Hinterräder durch Auflösung der Gleichungen (1)
und (2) oder (3) und (4) mit einem Fehler behaftet, so daß eine genaue Steuerung
schwierig oder unmöglich ist.
Systeme in denen eine Filterung der gemessenen Werte der Lenkwinkel R
durchgeführt wird, sind ebenfalls ungenau, da dadurch die linearen Terme af₀R und
ar₀R verzögert werden, die nicht durch pulsartige Änderungen beeinflußt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkwinkel-Steuervorrichtung
zu schaffen, die exakt und ohne sprunghafte Änderungen arbeitet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens
zum Inhalt.
Wie in Fig. 1 gezeigt umfaßt die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für den
Lenkwinkel eines Fahrzeuges einen Anfangswertgeber 101 zur Erzeugung einer
Folge von Grundwerten, die die Größe, d. h. den Lenkwinkel eines Fahrzeuges
repräsentieren, eine Glättungsschaltung 102 zur Erzeugung eines aus einer Folge
von geglätteten Werten bestehenden Signales, wobei die gesiebten Werte
durch Glättung einer bestimmten Anzahl von Grundwerten erhalten wird, einen
Differenzierer 103 zur Erzeugung eines abgeleiteten Signales
bestimmter Ordnung (d. h. der ersten, zweiten oder höheren Ableitung) aus der
Größe des Lenkwinkels unter Verwendung der geglätteten Werte anstelle der
Grundwerte, und eine Endstufe 104 zur Erzeugung eines Lenkwinkel-Steuersignales
unter Verwendung der differenzierten und anderer Signale.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der
Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 das Blockschaltbild der Grundausführung einer erfindungsgemäßen
Lenkwinkel-Steuervorrichtung,
Fig. 2 die schematische Darstellung einer Lenkwinkel-Steuervorrichtung
entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 das Flußdiagramm der durch die in Fig. 2 gezeigten Steuereinheit
durchgeführten Steuerung, und
Fig. 4 das Diagramm der aus den Werten der Lenkwinkel erhaltenen ersten
und zweiten, abgeleiteten Werte mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und im Vergleich dazu mittels eines konventionellen Systems.
Die Lenkwinkel-Steuervorrichtung gemäß Fig. 2 ist zur Lenkung sowohl der
Vorderräder 1L und 1R als auch der Hinterräder 2L und 2R eines Fahrzeuges
ausgelegt. Die Vorderräder 1L und 1R sind über ein Lenkgetriebe 4 mit einem
Lenkrad 3 verbunden, so daß normale Lenkungen ausgeführt werden können.
Außerdem ist für die Vorderräder ein zusätzliches Stellglied 5 zur
Unterstützung der Lenkungen vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist das
Lenkgetriebe 4 an der Fahrzeugkarosserie befestigt, so daß es entlang der
Querachse des Fahrzeuges verschoben werden kann. Das vordere Stellglied 5 ist
fest an der Fahrzeugkarosserie angebracht und mit dem Lenkgetriebe 4 verbunden.
Es können auch andere Arten von Stellgliedern für die Vorderräder verwendet
werden.
Das Stellglied 5 dieser Ausführung hat einen Kolben 5c, der durch ein Federpaar
5a und 5b federnd in einer Neutralstellung gehalten wird. Wenn sich der Kolben
5c in Neutralstellung befindet, wird das Lenkgetriebe 4 in Neutralstellung gehalten,
in der die Vorderräder 1L und 1R nur durch die mechanische Lenkverbindung
ohne die Lenkkraftverstärkung bewegt werden. Wenn auf die durch den
Kolben 5c getrennten Kammern 5d oder 5e ein Hydraulikdruck ausgeübt wird,
wird durch das Stellglied 5 die Hilfssteuerung der Vorderräder 1L und 1R durch
Bewegen des Lenkgetriebes 4 in die entsprechende Richtung ausgeführt.
Die Hinterräder 2L und 2R sind an dem Fahrzeug steuerbar angebracht.
Zwischen beiden befindet sich ein Lenkwinkel-Stellglied 6. Dieses Stellglied enthält
einen Kolben 6c, der durch ein Federpaar 6a und 6b federnd in einer
Neutralstellung gehalten wird und zwei Arbeitskammern 6d und 6e trennt. Wenn
der Kolben 6c in Neutralstellung ist, befinden sich auch die Hinterräder 2L und
2R in Neutralstellung. Wenn eine der beiden Kammern 6d oder 6e mit einem
Hydraulikdruck beaufschlagt wird, bewegt sich der Kolben 6c entweder nach
rechts oder nach links und steuert damit auch die Hinterräder in die entsprechende
Richtung.
Mit den Kammern 5d und 5e des vorderen Stellgliedes 5 ist ein vorderes
Steuerventil 7, mit den Kammern 6d und 6e des hinteren Stellgliedes 6 ein hinteres
Steuerventil 8 verbunden. Beide Steuerventile 7 und 8 sind mit einer aus einer
Pumpe 9, einem Vorratsbehälter 10, einer Druckleitung 11 und einer Rückführung
12 gebildeten Druckerzeugung verbunden. In der in Fig. 2 gezeigten
Neutralstellung blockiert das vordere Steuerventil 7 das vordere Stellglied durch
Trennen der Kammern 5d und 5e von den Leitungen 11 und 12, so daß der Kolben
5c unbeweglich ist. Entsprechend befindet sich auch das hintere Steuerventil,
wie in Fig. 2 gezeigt, in Neutralstellung und blockiert das hintere Stellglied 6
durch Trennen der Kammern 6d und 6e von den Leitungen 11 und 12, so daß der
Lenkwinkel der Hinterräder konstant gehalten wird. Die beiden Steuerventile 7
und 8 haben weiterhin eine erste Ventilstellung, in der die linke Kammer 5d
oder 6d des vorderen oder hinteren Stellgliedes 5 oder 6 mit der Druckleitung 11
und die rechte Kammer 5e oder 6e mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist, sowie
eine zweite Ventilstellung, in der die linke Kammer 5d oder 6d mit der Rückleitung
12 und die rechte Kammer 5e oder 6e mit der Druckleitung 11 verbunden
ist. In der ersten Ventilstellung bewirkt das vordere und hintere Steuerventil 7
und 8, daß das vordere oder hintere Stellglied 5 oder 6 die Vorder- bzw. Hinterräder
nach links steuert. Die zweite Ventilstellung des vorderen bzw. hinteren
Steuerventils 7 bzw. 8 dient zur Steuerung nach rechts.
Mit den Steuerventilen 7 und 8 ist eine Steuereinheit 13 verbunden, die diese
Ventile unabhängig voneinander ansteuert. Zur Zuführung von Eingangssignalen
ist die Steuereinheit 13 außerdem mit einem Lenkwinkelsensor 14 zur
Erfassung des Lenkwinkels R des Lenkrades 3, einem Sensor 15 für die Fahrzeug
geschwindigkeit V, einem Sensor zur Erfassung eines Hilfs-Lenkwinkels δF eines
Vorderrades durch Messung des Hubes des vorderen Stellgliedes 5, sowie
einem Sensor 17 zur Erfassung eines Hilfs-Lenkwinkels δR eines Hinterrades
durch Erfassung des Hubes des hinteren Stellgliedes 6 verbunden. Die Steuereinheit
13 bestimmt die Lenkwinkel δf und δr für die Vorder- und Hinterräder
durch Auswertung der von dem Lenkwinkelsensor 14 und dem Fahrzeug
geschwindigkeitssensor 15 zugeführten Signale und steuert die vorderen und hinteren
Steuerventile 7 und 8 unabhängig voneinander an, so daß die tatsächlichen
Hilfslenkwinkel δF und δR der Vorder- und Hinterräder, die von den Sensoren
16 und 17 gemessen werden, gleich den gewünschten Winkeln δf und δr
werden.
Die Steuereinheit 13 bestimmt die gewünschten Hilfslenkwinkel für die Vorder-
und Hinterräder durch einen in Fig. 3 gezeigten Rechenprozeß. Bei diesem
Beispiel wird ein Rechengang regelmäßig mit einer Zykluszeit von Δt = 5 msec
wiederholt.
In den Schritten 31 und 32 liest die Steuereinheit 13 die Fahrzeuggeschwindigkeit
V und den Lenkwinkel R alle 5 msec. Im Schritt 33 überprüft die Steuereinheit
13, ob die Anzahl N der Wiederholungen des Lesevorganges in Schritt 32
kleiner ist als eine bestimmte Anzahl, die in diesem Beispiel 5 ist. Wenn dies
der Fall ist, inkrementiert die Steuereinheit 13 den Wert N in einem Schritt 34
und speichert den gerade gelesenen Wert des Steuerwinkels R als RN im Schritt
35 ab. Wenn N den Wert den 5 erreicht, wird im Schritt 36 N durch die Steuer
einheit 13 auf Null gesetzt und im Schritt 37 ein geglätteter Wert M des Lenkwinkels
R berechnet. Bei dieser Ausführungsform ist der geglättete Wert RM der
Mittelwert (oder arithmetische Mittelwert) der fünf zuletzt gelesenen Werte der
Lenkwinkel R, die als RN-4, RN-3, . . ., RN gespeichert sind. Die Steuereinheit 13 berechnet
den geglätteten Wert jedesmal dann neu, wenn N gleich 5 wird. Im
Schritt 38 wird die erste Ableitung des Lenkwinkels R nach der Zeit durch
Division der Differenz zwischen dem gerade bestimmten, geglätteten Wert M
und dem im Schritt 37 zuvor bestimmten, geglätteten Wert durch die Zykluszeit
Δt errechnet.
Im Schritt 39 wird dann die Anzahl Q der Wiederholungen des Schrittes 38
durch die Steuereinheit 13 überprüft und in einem Schritt 41 die erste Ableitung
als RQ abgespeichert, bis Q einen bestimmten Wert erreicht, der in diesem
Beispiel 5 ist. Q wird im Schritt 40 um 1 erhöht und im Schritt 42 auf 0 gesetzt,
wenn Q den Wert 5 erreicht hat. Wenn Q = 5 wird, bestimmt die Steuereinheit
einen geglätteten Wert P aus der ersten Ableitung im Schritt 43. Bei dieser
Ausführungsform ist der geglättete Wert P der ersten Ableitung der Mittelwert
(oder arithmetischer Mittelwert) der gerade bestimmten und als Q-4, . . ., Q
abgespeicherten Werte. Im Schritt 44 wird der Wert der Ableitung zweiter Ordnung
des Lenkwinkels bestimmt, der sich aus dem Quotienten der Differenz des
Wertes P-1 der geglätteten ersten Ableitung, die gerade im Schritt 43 bestimmt
wurde, und dem entsprechenden, aus der laufenden Ausführung des Schrittes
43 erhaltenen Wertes P, sowie der Zykluszeit Δt als Divisor erhalten wird.
Im Schritt 45 bestimmt die Steuereinheit 13 die Werte der Koeffizienten af₀,
af₁, af₂, ar₀, ar₁ und ar₂, die der Fahrzeuggeschwindigkeit V entsprechen und
aus einer Tabelle oder auf andere Weise erhalten werden und berechnet die
gewünschten Hilfs-Lenkwinkel δf und δr für die Vorder- und Hinterräder mit den
Gleichungen (3) und (4) unter Verwendung des Wertes R für den Lenkwinkel, seiner
ersten Ableitung , seiner zweiten Ableitung sowie den Koeffizienten.
Die Steuereinheit 13 ist dabei rückgekoppelt, so daß die tatsächlichen Lenkwinkel
δF und δR der Vorder- und Hinterräder gleich den gewünschten Winkeln
δf und δr werden.
Wie oben beschrieben, werden die Werte und der ersten und zweiten Ableitung
auf der Grundlage der geglätteten Werte M durch die Steuervorrichtung
bestimmt. Deshalb sind die Signale der ersten und zweiten abgeleiteten Werte
unempfindlich gegen ungewünschte pulsartige Änderungen, wie sie in Fig. 4
durch (x) angedeutet sind, so daß genaue und zuverlässige Steuerungen möglich
sind.
Die beschriebene Steuervorrichtung glättet nicht nur die Lenkwinkel, sondern
auch ihre ersten Ableitungen. Folglich wird der relative Einfluß der Verteilung
der gemessenen Werte der Lenkwinkel R zu den Ableitungen in dem Maße verringert,
wie sich die Ordnung der Ableitung erhöht, so daß die höheren Ableitungen
vor unerwünschten Einflüssen geschützt sind.
Bei dieser Ausführungsform wird die Anzahl der gemessenen Werte der zur
Mittelung verwendeten Lenkwinkel im gleichen Maße erhöht wie die Ordnung der
Ableitungen. Dies hat zur Folge, daß mit der Steuervorrichtung die notwendige
und genügend hohe Auflösung erzielt werden kann, ohne daß das Ausgangssignal
zu stark verzögert wird.
Die beschriebene Steuervorrichtung glättet die gemessenen oder abgeleiteten
Werte durch einfache Mittelung. Es ist jedoch auch möglich, stattdessen eine
dynamische Mittelung durchzuführen.
Claims (4)
1. Steuervorrichtung für den Lenkwinkel eines Fahrzeugs mit
- - einem Lenkwinkelsensor (14) zur Bereitstellung eines einem Lenkwinkel (R) entsprechenden Signals,
- - einer Steuereinheit (13) zur Abgabe eines dem Lenkwinkel ent
sprechenden Steuersignals, welche
- - einen Differenzierer (103) zur Erzeugung eines der zeitlichen Ableitung des Lenkwinkelsignals entsprechenden Signals sowie
- - eine Ausgangsstufe (104) zur Erzeugung des Steuersignals aus dem differenzierten Signal aufweist und mit
- - einem Stellglied (5; 6) zur Einstellung der Vorder- und/oder der Hinterräder (1L, 1R; 2L, 2R) des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Steuersignals
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Steuereinheit (13) einen Anfangswertgeber (101) enthält, der die Lenkwinkelsignale in festgelegten zeitlichen Abständen erfaßt, die gemessenen Werte speichert und an eine Glättungsschaltung (102) abgibt, die aus einer bestimmten Anzahl von Lenkwinkelwerten in periodischer Folge einen Mittelwert bildet und daß
- - der Differenzierer (103) die Ableitung des Lenkbetrags aus den in der Glättungsschaltung (102) gebildeten Mittelwerten bestimmt und an die Ausgangsstufe (104) zur Bereitstellung des Steuersignals für das Stellglied (5; 6) abgibt.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzierer (103) mehrere Differenzierstufen aufweist,
welche jeweils aus einer bestimmten Anzahl von aus der vorhergehenden
Differenzierstufe stammender Signalwerte nach Mittelwertbildung
in der Glättungseinrichtung (102) eine weitere Differenzierung
höherer Ordnung vornehmen.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (13) mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
(15) verbunden ist, der ein Signal für die Ausgangsstufe
(104) liefert, welche in Abhängigkeit von diesem Signal, sowie von den
Signalen des Anfangswertgebers (101) und des Differenzierers (103)
das Stellglied (5; 6) ansteuert.
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