DE60312614T2

DE60312614T2 - Elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE60312614T2
Application number: DE60312614T
Authority: DE
Inventors: Takehiko Yamamoto-shi Fujioka; Theerawat Limpibunterng; Masahiko Kurishige; Hideyuki Tanaka; Hajime Oyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: EP1394015A2; US20040040781A1; US6886656B2; JP2004082862A; JP3935409B2; DE60312614D1; EP1394015A3; EP1394015B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkvorrichtung mit einem Lenksystem, das eine flexible Beziehung zwischen einem Lenkwinkel eines Lenkrades und einem Radwinkel eines Reifens aufbauen kann.
Üblicherweise ist, wie es im entsprechenden Fachgebiet bekannt ist, ein Steer-by-Wire Lenksystem (SBW – Steer-By-Wire) ein System, in welchem eine Lenkwelle als eine mit einem Lenkrad verbundene Antriebswelle mechanisch von einem angetriebenen Mechanismus getrennt ist, der unabhängig eine Fahrtrichtung der Reifen festlegt. Dieses System ermöglicht einen breiteren Bereich von Regeloptionen im Vergleich zu einem herkömmlichen Lenksystem, in welchem das Lenkrad und die Reifen über ein mechanisches Gestänge verbunden sind. Beispielsweise offenbart JP-A-2000-128002 eine Steer-by-Wire Regelvorrichtung, in welcher eine Lenkreaktionskraft auf der Basis des Lenkantriebszustandes und der Lenkungsabtriebsposition bestimmt wird. In der darin offenbarten Technik wird die auf die Lenkwelle einwirkende Lenkreaktionskraft ermittelt, indem lediglich ein Lenkwinkel als der eine Eingangsinformation darstellende Lenkantriebszustand verwendet wird.
In der vorstehenden Technik wird jedoch die Lenkreaktionskraft ermittelt, indem nur der Zustand berücksichtigt wird, in welchem das Lenkrad betätigt wird, und es gibt keine Berücksichtigung in Bezug auf einen geeigneten Wert der Lenkreaktionskraft in einem Bereich eines "Mittenstellungsge fühls", welches die Basis der Fahrbarkeit ist. Hier beruht dieses "Mittenstellungsgefühl" auf einem Drehmoment, das auf das Lenkrad im Falle einer leichten Einlenkung eines Fahrzeugs ausgeübt wird. In diesem Mittenstellungsbereich kann, wenn das Drehmoment für die Unterstützung der Lenkung des Lenkrades zu hoch ist, der Fahrer die Mittenstellung des Lenkrades (d.h., den Geradeausfahrzustand) nicht fühlen. Demzufolge tritt das Problem auf, dass das Fahrverhalten verschlechtert wird. Andererseits wird in diesem Bereich, wenn das Unterstützungsdrehmoment zu klein ist, das Fahrverhalten im Geradeausfahren verbessert, aber es tritt ein anderes Problem auf, dass die Belastung des Fahrers beim Lenken des Fahrzeugs erhöht wird.
Ferner hängt das Mittenstellungsgefühl mit einem Verhältnis (Winkelverstärkung) des Radwinkels des Reifens gegenüber dem Lenkwinkel des Lenkrades zusammen. Wenn dieser Winkelverstärkung klein ist, wird die Richtungsänderung des Reifens gegenüber der Betätigung des Lenkrades unempfindlich. Somit tritt, während es für den Fahrer leicht wird, das Fahrzeug in einer Geradeausfahrtrichtung zu halten, das vorstehend erwähnte Problem hinsichtlich der Fahrerbelastung auf, da der Fahrer zum Kurvenfahren des Fahrzeugs einen größeren Lenkausschlag des Lenkrades benötigt. Andererseits führt, wenn die Winkelverstärkung groß ist, da die Richtungsänderung des Reifens gegenüber der Betätigung empfindlich ist, dieses zu einer umgekehrten Unzulänglichkeit zu der, die auftritt, wenn die Winkelverstärkung klein ist.
US-A-6 032 757 offenbart eine Lenkregelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. EP-A-0 853 029 offenbart eine elektrische Servolenkvorrichtung, welche eine höhere Drehmomentrückkopplung bei kleineren Lenkwinkeln als bei höheren Lenkwinkeln bereitstellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgefühl und eine Lenkbarkeit zu verbessern, indem eine Drehmomentverstärkung und eine Winkelverstärkung in der elektrischen Servolenkvorrichtung angepasst werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine Darstellung, die den Gesamtaufbau einer elektrischen Servolenkvorrichtung darstellt;
2 eine Darstellung eines Regelblockes;
3 eine Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Reifenreaktionskraftdrehmoment und einem Lenkdrehmoment darstellt;
4 eine Darstellung, welche die Beziehung zwischen einem Lenkwinkel und einem Lenkdrehmoment darstellt;
5 eine Darstellung, die einen Fall demonstriert, in welchem eine Winkelverstärkung einer zweiten Ausführungsform variabel ist;
6 eine Darstellung, die ein Stabilitätsermittlungskennfeld in einer vierten Ausführungsform darstellt;
7 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Lenkwinkel und einem Lenkdrehmoment in einer sechsten Ausführungsform darstellt;
8 eine Darstellung, die obere und untere Grenzwerte einer Winkelverstärkung in einer siebenten Ausführungsform demonstriert;
9 eine Darstellung, die obere und untere Grenzwerte einer Drehmomentverstärkung in einer siebenten Ausführungsform demonstriert;
10 eine Darstellung, welche den Gesamtaufbau eines Radwinkelüberlagerungssystems darstellt.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Darstellung, die den Gesamtaufbau einer elektrischen Servolenkvorrichtung darstellt. Diese Aufbaudarstellung zeigt ein Steer-by-Wire System mit einem ersten Motor 103, der eine Lenkreaktionskraft regelt, welche auf ein Lenkrad 10 ausgeübt wird, und einen zweiten Motor 104, der einen Radwinkel (Ist-Einstellwinkel) eines Reifens 20 regelt. Dieses System enthält hauptsächlich zwei Funktionen. Die erste ist eine Funktion, dass der erste Motor 103 ein einer Reifenreaktionskraft, welche von dem Reifen 20 übertragen wird, entsprechendes Regeldrehmoment erzeugt und er dieses Regeldrehmoment als ein Lenkdrehmoment auf das Lenkrad 10 ausübt. Die zweite ist eine Funktion, dass der zweite Motor 104 ein dem Lenkwinkel des Lenkrades 10 entsprechendes Regeldrehmoment erzeugt und den Radwinkel des Reifens 20 regelt.
2 ist eine Regelblockdarstellung des Steer-by-Wire Systems. Hier stellt diese Figur eine Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsblöcken dar, welche nicht nur in der ersten Ausführungsform, sondern auch in der zweiten Ausführungsform oder später diskutiert wird, und somit angemerkt werden sollte, dass darauf in jeder Ausführungsform Bezug genommen wird. Ein Reifenreaktionskraftdrehmoment-Detektionsabschnitt 102 detektiert ein Reifenreaktionskraftdrehmoment Tf, welches von dem Reifen 20 übertragen wird. Ein Lenkwinkel-Detektionsabschnitt 105 detektiert einen Lenkwinkel θh des Lenkra des 10, und ein Radwinkel-Detektionsabschnitt 106 detektiert einen Radwinkel θf des Reifens 20. Ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Detektionsabschnitt 111 detektiert eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, und ein Lenkgeschwindigkeits-Detektionsabschnitt 112 detektiert eine Lenkgeschwindigkeit HS des Lenkrades 10, d.h., den Lenkbetrag pro Zeiteinheit. Ferner ist gemäß Darstellung in 1 zur Verbesserung des Lenkgefühls und der Fahrstabilität ein Fahrzeugzustandssummen-Detektionsabschnitt 108 vorgesehen. Dieser Detektionsabschnitt 108 detektiert verschiedene Arten von Information, welche den Fahrzustand des Fahrzeugs (Fahrzeugzustandssumme) anzeigen, wie z.B. eine Gierrate, eine Seitenbeschleunigung (Beschleunigung des Fahrzeugs in der Seitenrichtung), einen Rutschwinkel ("skid angle") oder einen Straßenreibwertkoeffizienten μ. Hierin ist es nicht erforderlich, dass die Fahrzeugzustandssumme alle diese enthält. Ein zu den Motoren 103 und 104 fließender Strom und eine Spannung zwischen den Motoranschlüssen werden zur Steuerung der entsprechenden Motoren detektiert, obwohl dieses nicht in dieser Figur dargestellt ist.
Hierin kann statt einer direkten Detektion durch den Reifenreaktionskraftdrehmoment-Detektionsabschnitt 102 das Reifenreaktionskraftdrehmoment Tf unter Verwendung von Ausgangssignalen, wie z.B. einem Steuerstrom oder einer Rotationsbeschleunigung des den Radwinkel regelnden zweiten Motors 104, abgeschätzt werden (dasselbe gilt für die Ausführungsformen, welche später beschrieben werden). Hierin kann unter der Annahme, dass Kt2 eine Drehmomentkonstante des Motors 104 ist, If ein Strom des Motors 104 ist, J2 eine Trägheit des Motors 104 ist und dω2/dt eine Beschleunigung des Motors 104 ist, das Reifenreaktionskraftdrehmoment Tf durch die nachstehende Gleichung berechnet werden.
Gleichung 1

Tf = If·Kt2 – J2·dω2/dt

Der Regelabschnitt 107 ist ein Computer (Lenkregelungs-Computer), welcher hauptsächlich aus einer CPU, ROM, RAM einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und dergleichen besteht. Hier speichert der ROM statt eines Kennfeldes zum Einstellen einer Drehmomentverstärkung α22, welche später beschrieben wird, ein (in der vierten Ausführungsform beschriebenes) Stabilitätsermittlungskennfeld, (in der siebten Ausführungsform beschriebene) obere und untere Grenzwerte von α22 und α11 und dergleichen. In einer funktionellen Interpretation des Regelabschnittes 107 enthält dieser Abschnitt 107 einen Mittenstellungsbereich-Ermittlungsabschnitt 120, einen Lenkdrehmoment-Regelabschnitt 121, einen Radwinkel-Regelabschnitt 122 und Motorstrombestimmungsabschnitte 123a und 123b. Der Regelabschnitt 107 führt eine Winkelregelung der Reifen und eine Drehmomentsteuerung des Lenkrades in einer solchen Weise durch, dass die nachstehende Gleichung erfüllt wird. Hier ist θh ein Lenkwinkel des Lenkrades, θf ein Radwinkel des Reifens 20, Tf ein Reifenreaktionskraftdrehmoment, Th ein Lenkdrehmoment, α11 ist eine Winkelverstärkung, und α22 ist eine Drehmomentverstärkung.
(Gleichung 2)

θf = α11·θh
Th = α22·Tf

Der Mittenstellungsbereich-Ermittlungsabschnitt 120 führt eine Ermittlung bezüglich eines "Mittenstellungbereichs" aus, welche für die Durchführung der Winkelregelung und der Drehmomentsteuerung in der vorliegenden Erfindung wichtig ist. Hier ist der "Mittenstellungsbereich" ein Bereich, in welchem die Position des Lenkrades 10 als nahezu neutral betrachtet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Ermittlung bezüglich des Mittenstellungsbereiches hauptsächlich unter Nutzung von Information über die dem berechneten Lenkdrehmoment entsprechende Lenkreaktionskraft ausgeführt. Insbesondere wird eine Drehung in eine Richtung (z.B. Drehen nach rechts) und eine Drehung in die andere Richtung (beispielsweise Drehen nach links) des Lenkrades 10 auf der Basis des Lenkdrehmomentes Th und der Lenkgeschwindigkeit abgeschätzt. Dieses wird als der Mittenstellungsbereich in dem Falle von ±2 Nm oder kleiner (d. h., |Th| = 2 oder |Th| < 2) beim Drehen in die eine Richtung und im Falle von 0 Nm beim Drehen in die andere Richtung bestimmt. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass sich der konkrete Wert des Lenkdrehmomentes Th fahrzeugabhängig unterscheidet und somit ein ein Ermittlungskriterium für den Mittenstellungsbereich angebender Schwellenwert (±2 Nm) unter Berücksichtigung der Spezifikationen des Fahrzeugs ermittelt wird. Natürlich kann in einem einen Sensor für die Detektion des Lenkdrehmomentes enthaltendem System der vorstehend beschriebene Mittenstellungsbereich unter Verwendung des durch den Sensor detektierten Lenkdrehmomentes ermittelt werden. In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen kann der zu verwendende Wert des Lenkdrehmomentes entweder der berechnete Wert oder der detektierte Wert sein.
Der Radwinkel-Regelabschnitt 122 berechnet den Radwinkel θf durch Multiplizieren des durch den Detektionsabschnitt 105 detektierten Lenkwinkels θh mit der Winkelverstärkung α11 (in der vorliegenden Ausführungsform ein fester Wert). Der zweite Motorstrom-Bestimmungsabschnitt 123b bestimmt einen Sollwert des Stroms im Betrieb des zweiten Motors 104 als Reaktion auf den von dem Regelabschnitt 122 berechneten Radwinkel θf und gibt ihn an den Regelabschnitt 130b des zweiten Motors aus.
Dieses ermöglicht eine solche Rückkopplungssteuerung, dass der Ist-Strom des zweiten Motors 104 gleich dem Sollwert wird, wodurch der Radwinkel des Reifens 20 auf θf oder ähnlich geregelt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Winkelverstärkung α11 ein fester Wert (konstanter Wert). Der Wert der Winkelverstärkung α11 ist ein Verhältnis zwischen dem Lenkwinkel θh und dem Radwinkel θf und entspricht einem Reziprokwert des als Gesamt-Lenkübersetzungsverhältnis bezeichneten Wertes. Für ein übliches Fahrzeug wird die Winkelverstärkung α11 oft auf etwa 1/15 bis 1/20 eingestellt. Um jedoch die Funktion eines als ein variables Übersetzungssystem bezeichneten Lenksystems zu realisieren, kann sie beispielsweise auf 1/10 bei niedriger Geschwindigkeit und auf 1/30 bei hoher Geschwindigkeit eingestellt werden.
Andererseits berechnet der Lenkdrehmoment-Regelabschnitt 121 das Lenkdrehmoment Th durch Multiplizieren der durch den Detektionsabschnitt 102 detektierten Reifenreaktionskraftdrehmoment Tf mit der Drehmomentverstärkung α22. Die Drehmomentverstärkung α22 ist im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Winkelverstärkung α11 variabel. Der erste Motorstrom-Bestimmungsabschnitt 123a bestimmt einen Sollwert des Stroms für den Betrieb des ersten Motors 103 als Reaktion auf das von dem Regelabschnitt 121 berechnete Lenkdrehmoment Th und gibt ihn an den ersten Motorstromregelabschnitt 130a aus. Dieses ermöglicht eine solche Rückkopplungssteuerung, dass der Ist-Strom des ersten Motors 103 gleich dem Sollwert wird, wodurch der erste Motor 103 ein vorbestimmtes Drehmoment ausübt, das durch Multiplizieren des Stromwertes sowohl mit der Drehmomentkonstante als auch dem Übersetzungsverhältnis (zwischen dem Motor und der Lenkwelle) erhalten wird. Demzufolge wird das Drehmoment zu dem Zeitpunkt, an dem der Fahrer das Lenkrad 10 betätigt auf Tf oder ähnlich geregelt.
Hier ist gemäß Darstellung in 3 die der Neigung einer geraden Linie in einem Koordinatensystem des Reifenreaktionskraftdrehmomentes Tf und des Lenkdrehmomentes Th entsprechende Drehmomentverstärkung α22 abhängig von dem Fahrzustand variabel festgelegt. Im Detail wird, wenn der Ermittlungsabschnitt 120 ermittelt, dass sich das Lenkrad 10 nicht in der Position des Mittelwertbereiches befindet, ein der Neigung der dicken aktuellen Linie in der Figur entsprechender vorbestimmter Wert einer Drehmomentverstärkung als die Drehmomentverstärkung α22 verwendet. Andererseits wird, wenn die Position des Lenkrades 10 als im Mittelwertbereich liegend ermittelt wird, als die Drehmomentverstärkung α22 ein größerer Wert als der vorbestimmte Wert der Drehmomentverstärkung verwendet. Ferner ist in diesem Falle, je schneller die Fahrzeuggeschwindigkeit υ ist, der Wert der Drehmomentverstärkung α22 umso größer. Beispielsweise kann der vorbestimmte Wert der Drehmomentverstärkung auf die Hälfte der Drehmomentverstärkung einer manuellen Lenkung eingestellt werden. Dieser Wert ist ein Drehmomentverstärkungswert, der das Verhältnis des Lenkdrehmomentes gegenüber der Reifenreaktionskraft in Bezug auf ein übliches Servolenksystem angibt. Dieser Wert ist auch der, der in dem von Kenneth D. Norman (Object Evaluation of On-Center Handling Performance, SAE Paper 840069, 1984) verfassten Dokument eingeführt wird. Ferner wird dadurch, dass dieser vorbestimmte Wert der Drehmomentverstärkung gleich oder größer als die Drehmomentverstärkung einer manuellen Lenkung gemacht wird, die Reifenreaktionskraft, die größer als die einer manuellen Lenkung ist, an den Fahrer übertragen. Demzufolge kann das Mittenstellungsgefühl des Lenkrades 10 weiter verbessert werden.
4 ist eine Darstellung, welche eine Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θh und dem Lenkdrehmoment Th darstellt. Wie es in dieser Figur dargestellt ist, wird in der vorliegenden Erfindung mit dem Ziel einer Verbesserung des Mittelstellungsgefühls eine Steigung in dem Mittenstellungsbereich (schraffierter Bereich) im Vergleich zu den Kennlinien einer manuellen Lenkung und den Kennlinien einer üblichen Servolenkvorrichtung größer. Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Mittenstellungsgefühl gleich oder größer als das einer manuellen Lenkung und dergleichen erzielt.
Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Mittenstellungsgefühl verstärkt und dadurch eine Verbesserung des Bedienungsgefühls ermöglicht. Im Allgemeinen trägt beim Fahren des Fahrzeugs im Mittenstellungsbereich, ein moderater Betrag des Lenkdrehmoments Th des Lenkrades 10 dazu bei, dass der Fahrer mit einem besseren Lenkgefühl fährt. In der vorliegenden Erfindung kann in dem Lenksystem, das in der Lage ist, flexibel die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θh und dem Radwinkel θf einzustellen, das an das Lenkrad 10 zu übertragende Lenkdrehmoment Th unabhängig von dem Radwinkel θf bestimmt werden. Unter Nutzung solcher Eigenschaften wird, wenn sich das Lenkrad 10 in der Position des Mittenstellungsbereichs (d.h., nahe an der neutralen Position) befindet, die Drehmomentverstärkung α22 größer eingestellt als dann, wenn es sich nicht in diesem Bereich befindet. Demzufolge wird das Lenkdrehmoment in dem Mittenstellungsbereich durch die Erhöhung der Drehmomentverstärkung α22 vergrößert und dadurch eine Verbesserung des Mittenstellungsgefühls ermöglicht.
Zweite Ausführungsform
In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist die Winkelverstärkung α11 ein fester Wert. In der vorliegenden Ausführungsform wird sie als variabel angenommen. Hier sind der gesamte Systemaufbau und die wesentlichen Teile, die die Regelung des Radwinkels und des Lenkdrehmoments betreffen ähnlich zu der ersten Ausführungsform (insbesondere 1 und 2) und werden somit nicht nochmals beschrieben (dasselbe gilt für die Ausführungsformen, welche später beschrieben werden).
Beispielsweise kann es, wenn ein Hindernisobjekt vor dem Fahrzeug durch einen Monitorsensor wie z.B. eine Stereokamera, ein Laserradar oder in Infrarotradar detektiert wird, erforderlich sein, dieses sofort zu umfahren. Bei einer derart dringenden Umfahrung stellt der Radwinkel-Regelabschnitt 122 den Wert der Winkelverstärkung α11 größer als einen Standardwert ein, wie es in 5 dargestellt ist. Beispielsweise wird im Falle eines Fahrzeugs, bei dem der Standardwert der Winkelverstärkung α11 1/15 ist, die Winkelverstärkung α11 auf 1/10 zum Zeitpunkt der Detektion des Objektes eingestellt. Auf diese Weise kann bei der Detektion des Objektes das Fahrzeug etwa 1,5-mal leichter eine Kurve fahren, als wenn es normal fährt. Demzufolge wird die Lenkbarkeit (Fähigkeit, Objekte zu umfahren) verbessert. Ferner stellt bei der Detektion des Objektes der Lenkungsdrehmoment-Regelabschnitt 121 bevorzugt auch den Wert der Drehmomentverstärkung α22 kleiner als bei einer normalen Fahrt ein. Da dieses das Lenkdrehmoment Th verringert, kann das Lenkrad 10 schneller betätigt werden (Verbesserung des Schwingverhaltens).
Ferner kann in einem Falle einer Fahrt auf Autobahnen und dergleichen, wenn mittels eines einem Navigationssystem zugeordneten Detektionsprozesses ermittelt wird, die Geradeaus fahrt fortzusetzen, gemäß Darstellung in 5 der Radwinkel-Regelabschnitt 122 einen kleineren Wert der Winkelverstärkung α11 als den Standardwert einstellen. Indem die Winkelverstärkung α11 kleiner eingestellt wird, wenn für eine Weile eine Geradeausfahrt erwartet wird, wird die Reaktion des Fahrzeugs gegenüber der Betätigung des Lenkrades 10 unempfindlich. Demzufolge ist es für den Fahrer leicht, das Lenkrad 10 im Falle einer Geradeausfahrt zu betätigen. Ebenso kann zu einem gegebenen Zeitpunkt der Wert der Drehmomentverstärkung α22 größer eingestellt werden. Auf diese Weise wird das Lenkdrehmoment Th größer und das Mittenstellungsgefühl des Lenkrades 10 wird zuverlässig an den Fahrer übertragen und dadurch eine Lenkbelastung reduziert.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch variables Einstellen der Winkelverstärkung α11 als Reaktion auf den Fahrzustand die Bedienbarkeit verbessert werden. Ferner kann im Vergleich zu der ersten Ausführungsform, in welcher die Winkelverstärkung α11 ein fester Wert ist, das auf die Radlenkung reagierende Fahrzeugverhalten flexibel als Antwort auf die Fahrbedingung oder die Präferenzen des Fahrers eingestellt werden. Demzufolge verbessert dieses die Flexibilität hinsichtlich der Einstellung des Radwinkels (Ist-Radwinkel des Reifens).
Dritte Ausführungsform
In den vorstehenden Ausführungsformen erfolgt die Ermittlung des Mittenstellungsbereiches auf der Basis des Lenkdrehmomentes Th. In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Ermittlung auf der Basis der Seitenbeschleunigung. Im Detail ermittelt der Mittenstellungsbereich-Ermittlungsabschnitt 120, dass wenn die Seitenbeschleunigung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder kleiner ist (z.B. ±0,1 g), sich dann das Lenkrad 10 in dem Mittenstellungsbereich befindet. Dieser Schwellenwert variiert abhängig von dem Fahrzeug und sollte somit unter Berücksichtigung des Spezifikationswertes des Fahrzeugs ermittelt werden. Eine Detektion der Seitenbeschleunigung wird durch Verwendung eines Seitenbeschleunigungssensors in dem Fahrzeug ermöglicht. Alternativ ist es möglich, ihn über eine Kommunikationseinrichtung, wie z.B. einen CAN-Bus, von einem anderen im Fahrzeug eingebauten System zu erhalten. Zusätzlich kann im Gegensatz zu dem auf der Basis der Seitenbeschleunigung aufgebauten Verfahren die Ermittlung des Mittenstellungsbereiches auf der Basis der verschiedenen Fahrzeugzustandssummen, wie z.B. der Reifenreaktionskraft und des Lenkwinkels ermittelt werden. Man beachte hier, dass diese Punkte auch auf die später beschriebenen Ausführungsformen anwendbar sind.
Vierte Ausführungsform
In der vorliegenden Ausführungsform wird unter Anwendung eines Stabilitätsermittlungskennfeldes, das die Beziehung zwischen der Gierrate und dem Rutschwinkel (skid angle) des Fahrzeugs definiert, die Fahrstabilität des Fahrzeugs auf der Basis des Abstandes zwischen einem Koordinatenpunkt, welcher einen Rutschwinkel und eine Gierrate angibt, und einem Ursprung, ermittelt. Gemäß dem Ermittlungsergebnis werden die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 verändert. Für diesen Zweck werden zu dem Aufbau der vorstehenden Ausführungsformen ein Gierwinkelsensor und ein Rutschwinkelsensor neu hinzugefügt, um die Fahrzeugzustandssumme, wie z.B. die Gierrate und den Rutschwinkel, zu detektieren. Um die Fahrstabilität des Fahrzeugs zu verbessern, verändert der Regelabschnitt 107 die Winkelverstärkung α11 und die Drehmo mentverstärkung α22 variabel als Reaktion auf die Fahrzeugzustandssumme. Hier kann die Zustandssumme aus einem anderen in dem Fahrzeug eingebauten System über den CAN-Bus erfasst werden.
6 ist eine Darstellung zur Demonstration des Stabilitätsermittlungskennfeldes in der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zur Ermittlung der Fahrzeugfahrstabilität wird in dem von Kin et al., "Improvement of vehicle's stability and steerability by skid control" (Honda R&D Technical Review, Vol. 13. Nov 2001) verfassten Dokument eingeführt. In der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise die Stabilitätsermittlung mit βmax von 5 Grad und γmax von 30 Grad d/s ausgeführt werden. In dieser Figur zeigt der Abstand zwischen dem Koordinatenpunkt (Rutschwinkel, Gierrate) und dem Ursprung die Fahrzeugstabilität an. Wenn der Koordinatenpunkt innerhalb des gestrichelten Bereichs liegt, wird er als stabiler Fahrzustand ermittelt, und wenn er außerhalb des Bereichs liegt, wird er als instabiler Fahrzustand ermittelt.
Bei Ermittlung eines normalen Fahrzustands wird als ein normaler Fahrmodus auf der Basis der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 auf die normalen Werte eingestellt. Diese Normalwerte werden auf der Basis der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen festgelegt. Andererseits wird bei der Ermittlung eines instabilen Fahrzustandes die Drehmomentverstärkung α22 größer als ihr Normalwert eingestellt. Auf diese Weise wird die Reifenreaktionskraft stärker an den Fahrer übertragen und somit kann der Fahrer korrekt den Straßenzustand aus dem Lenkrad 10 erfühlen. Ebenso wird bei der Ermittlung eines instabilen Fahrzustands die Winkelverstärkung α11 kleiner als ihr Normalwert eingestellt. Auf diese Weise wird das Fahrzeugverhalten in Bezug auf die Radlenkung unemp findlicher. Die Lenkung des Rades in dem Bereich, in welchem das Fahrverhalten des Fahrzeugs nicht stabil ist, ist für die Durchschnittsfahrer schwierig. Eine fehlerhafte Fahroperation kann das Fahrzeug instabil machen. Somit wird, wenn das Fahrzeug nicht stabil ist, die Winkelverstärkung α11 kleiner gemacht, um eine fehlerhafte Fahroperation des Fahrers zu verhindern, und die Drehmomentverstärkung α22 wird größer gemacht, um die für die Stabilisierung des Fahrzeugs benötigte Straßenoberflächeninformation an den Fahrer zu liefern.
Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Fahrzeugfahrzustand instabil wird, das Fahrzeugverhalten weniger empfindlich und das Lenkdrehmoment empfindlich. Demzufolge kann die Fahrzeugstabilität erfolgreich gesteigert werden.
Zusätzlich wird in der vorliegenden Ausführungsform die Stabilität binär ermittelt (stabile Fahrt, instabile Fahrt) und die Verstärkungen α11 und α22 werden binär eingestellt.
Jedoch können die Verstärkungen α11 und α22 aufeinander folgend eingestellt werden. Beispielsweise werden in dem vorstehend beschriebenen Stabilitätsermittlungskennfeld der Abstand zwischen dem Koordinatenpunkt, welcher sowohl durch den Rutschwinkel als auch die Gierrate bestimmt wird, und dem Ursprung berechnet, und dann die Verstärkungen α11 und α22 linear als Reaktion auf diesen berechneten Abstand verändert. In diesem Falle werden, sobald der Abstand größer wird (wenn die Fahrstabilität kleiner wird) der Wert der Winkelverstärkung α11 demzufolge verringert und der Wert der Drehmomentverstärkung α22 demzufolge vergrößert.
Fünfte Ausführungsform
In der vorliegenden Ausführungsform werden zur Verbesserung der Fahrstabilität des Fahrzeugs durch Abschätzung des Straßenoberflächenreibzustandes auf der Basis des Abschätzungsergebnisses die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 variabel geregelt. Im Detail berechnet/schätzt der Regelabschnitt 107 auf der Basis der lateralen Bewegungsgleichung des Fahrzeugs unter Anwendung der adaptiven Steuerungstheorie den Seitenkraftbeiwert der Vorder- und Hinterräder des Fahrzeugs. Dann berechnet der Regelabschnitt 107 einen Schätzwert des dem Straßenoberflächenzustand entsprechenden Straßenoberflächenreibkoeffizienten als Reaktion auf den Seitenkraftbeiwert der Vorder- und Hinterräder des Fahrzeugs. Wenn dann dieser Schätzwert ein vorbestimmter Schwellenwert oder größer ist (z.B. μ = 0,7) erfolgt die Ermittlung, dass eine Straße mit hohem Reibwert μ vorliegt. Wenn der Wert kleiner als dieser ist, erfolgt eine Ermittlung, dass eine Straße mit niedrigem Reibwert μ vorliegt. Eine derartige Abschätztechnik wird im Detail in JP-A-11-101732 beschrieben und hier bei Bedarf darauf Bezug genommen.
Wenn die Straßenoberfläche als eine solche mit hohem Reibwert μ ermittelt wird, werden die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 auf einen normalen Wert eingestellt. Diese normalen Werte basieren auf den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Andererseits werden, wenn die Straßenoberfläche als eine solche mit niedrigem Reibwert μ festgestellt wird, die Winkelverstärkung α11 kleiner als ihr Normalwert eingestellt und die Drehmomentverstärkung α22 größer als ihr Normalwert eingestellt. Daher wird es selbst dann, wenn der Zustand der Straße glatt ist, möglich, die stabile Fahrt des Fahrzeugs sicherzustellen.
Zusätzlich werden in der vorliegenden Ausführungsform der Zustand der Straßenoberfläche μ binär ermittelt (stabile Fahrt, instabile Fahrt) und die Verstärkungen α11 und α22 werden binär eingestellt. Diese Verstärkungen α11 und α22 können jedoch auch fortlaufend eingestellt werden. In diesem Falle werden, wenn die Straßenoberfläche einen Zustand mit niedrigerem μ annimmt, (d.h., wenn die Straßenoberfläche einen glatten Zustand annimmt) ein Wert der Winkelverstärkung α11 demzufolge verringert und ein Wert der Drehmomentverstärkung α22 demzufolge fortlaufend vergrößert.
Sechste Ausführungsform
7 ist eine die Beziehung zwischen dem Lenkwinkel θh und dem Lenkdrehmoment Th in der vorliegenden Ausführungsform zeigende Darstellung, und sie stellt ein Verfahren zur Ermittlung der Drehmomentverstärkung α22 dar, wenn die Winkelverstärkung α11 kleiner gemacht wird. In den vorstehenden Ausführungsformen werden gemäß Darstellung in der vorstehenden Gleichung 2 die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 jeweils unabhängig berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform werden andererseits diese miteinander verknüpft gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet. Hierin ist K eine beliebige Konstante
[Gleichung 3]

θf = α11·θh
Th = α22·Tf
Tf = K·θf
Th/θh = K·α11·α22

Gemäß vorstehender Beschreibung wird, wenn Th/θh ein konstanter Wert ist, (K·α11·α22), α11·α22 ebenfalls ein konstanter Wert. Dieses bedeutet, dass das Produkt der Winkelverstärkung α11 und der Drehmomentverstärkung α22 ein konstanter Wert ist. Indem Th/θh zu einem konstanten Wert gemacht wird, ermittelt die Ermittlung der Drehmomentverstärkung α22 eindeutig die Winkelverstärkung α11. Somit kann dadurch, dass das Produkt der Winkelverstärkung α11 und der Drehmomentverstärkung α22 zu einem konstanten Wert gemacht wird, der Verarbeitungsprozess erleichtert werden. Hier kann die Technik gemäß der vorliegenden Erfindung auf jede der vorstehenden Ausführungsformen angewendet werden.
Siebente Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 mit einem oberen Grenzwert bzw. einem unteren Grenzwert versieht. 8 ist eine Darstellung, welche die oberen und unteren Grenzwerte der Winkelverstärkung α11 darstellt. Der Bezugswert der Winkelverstärkung α11 variiert fahrzeugabhängig und kann bei üblichen Fahrzeugen beispielsweise bei 1/15 liegen. In diesem Falle ist der obere Grenzwert der Winkelverstärkung α11 beispielsweise als 1/3 eingestellt. In dem Falle, in dem die Winkelverstärkung α11 1/3 ist, ist die Winkelverstärkung das 5-fache ihres Bezugswertes, der 1/15 ist. Ebenso wird der untere Grenzwert beispielsweise auf 1/75 eingestellt. In dem Falle, in dem die Winkelverstärkung α11 1/75 ist, ist die Winkelverstärkung das 1/5-fache des Bezugswertes, der 1/15 ist.
Ferner ist 9 eine Darstellung, die die oberen und unteren Grenzwerte der Drehmomentverstärkung α22 darstellt. Als Drehmomentverstärkungs-Bezugswert wird beispielsweise 0,5 ähnlich zu der ersten Ausführungsform verwendet. Eine Einstellung des oberen Grenzwertes auf 2,5 und des unteren Grenzwertes auf 0,1 macht die Empfindlichkeit des Lenkdrehmomentes zum 5-fachen und 1/5-fachen gegenüber dem Drehmomentverstärkungs-Bezugswert.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Winkelverstärkung α11 und die Drehmomentverstärkung α22 jeweils mit dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert versehen. Auf diese Weise kann selbst dann, wenn eine fehlerhafte Signaleingabe aufgrund eines unterbrochenen Drahtes in dem Lenksystem, eines Sensorausfalls und dergleichen auftritt, der Fahrer das Fahrzeug sicher kontrollieren. Hierin werden der obere Grenzwert und der untere Grenzwert nicht notwendigerweise sowohl auf die Winkelverstärkung α11 als auch auf die Drehmomentverstärkung α22 angewendet und können einzeln darauf angewendet werden.
Hier ist in den vorstehenden Ausführungsformen ein Beispiel beschrieben, in welchem eine elektrische Servolenkvorrichtung auf ein Steer-by-Wire System angewendet wird. Dieses ist nicht einschränkend und die vorliegende Erfindung kann auch allgemein auf ein System angewendet werden, das mit einem Motor zur Steuerung der Lenkreaktionskraft und mit einem Motor zur Steuerung des Ist-Radwinkels des Reifens einschließlich eines in 10 dargestellten Radwinkelüberlagerungssystems versehen ist. Ein in der Figur dargestelltes Radwinkelüberlagerungssystem unterscheidet sich von dem Steer-by-Wire System in der Hinsicht, dass der Reifen 10 und das Lenkrad 20 mechanisch miteinander gekoppelt sind. Im Detail sind ein Lenkreaktionskraft-Planetengetriebe 809 auf der Seite des Lenkrades 10 und ein Radwinkelsteuer-Planetengetriebe 810 auf der Seite des Reifens 20 miteinander über eine Übertragungswelle 811 gekoppelt. Weitere Komponenten sind ähnlich dem Aufbau von 1 und werden somit nicht nochmals beschrieben, indem diesen dieselben Bezugszeichen wie denjenigen in 1 gegeben sind. Das Lenkwinkelüberlagerungssystem ist im Detail in dem von Kramer ("Potential Function and Benefits of Electronic Steering Assistance", CSAT, Czech Republic, 1996) beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer elektrischen Servolenkvorrichtung, welche ein Lenksystem enthält, das flexibel die Beziehung zwischen einem Lenkwinkel eines Lenkrades und einem Radwinkel eines Reifens einstellen kann, eine Anpassung einer Drehmomentverstärkung und an einer Winkelverstärkung in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel des Lenkrades, dem Fahrzustand, und dergleichen vorgenommen. Auf diese Weise können das Lenkgefühl und die Lenkbarkeit verbessert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsformen offenbart wurde, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, dürfte es verständlich sein, dass die Erfindung in verschiedenen Arten ohne Abweichung von dem Prinzip der Erfindung ausgeführt werden kann. Daher dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung alle möglichen Ausführungsformen, welche ohne Abweichung von dem in den beigefügten Ansprüchen beschriebenen Prinzip der Erfindung ausgeführt werden können, umfassen soll.

Claims

Elektrische Servolenkvorrichtung mit einem Lenksystem, das in der Lage ist, eine Drehmomentverstärkung (α22) und eine Winkelverstärkung (α11) zwischen einem Lenkwinkel (θh) eines Lenkrads (10) und einem Radwinkel (θf) eines Reifens (20) anzupassen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen ersten Motor (103) zum Regeln einer auf das Lenkrad (10) ausgeübten Lenkreaktionskraft; einen Lenkwinkel-Detektionsabschnitt (105) zum Detektieren des Lenkwinkels (θh) des Lenkrades (10); einen zweiten Motor (104) zum Regeln des Radwinkels (θf) des Reifens (20); einen Mittenbereich-Ermittlungsabschnitt (120) zum Ermitteln, ob sich das Lenkrad (10) in einer Position in einem Mittenbereich befindet; einen Reifenreaktionskraftdrehmoment-Detektionsabschnitt (102) zum Detektieren eines von dem Reifen (20) übertragenen Reifenreaktionskraftdrehmomentes (Tf); und einen Regelabschnitt (107) zum Berechnen eines Lenkdrehmomentes (Th) auf der Basis des von dem Reifenreaktionskraftdrehmoment-Detektionsabschnitt (102) detektierten Reifenreaktionskraftdrehmomentes (Tf) und einer Drehmomentverstärkung (α22) zum Regeln des ersten Motors (103), um die dem berechneten Lenkdrehmoment (Th) entsprechende Lenkreaktionskraft auf das Lenkrad (10) auszuüben, zum Berechnen des Radwinkels (θf) auf der Basis des von dem Lenkwinkel-Detektionsabschnitt (105) detektierten Lenkwinkels (θh), und einer Winkelverstärkung (α11), und zum Regeln des zweiten Motors (104) so, dass der Radwinkel (θf) des Reifens (20) dem berechneten Radwinkel (θf) entspricht dadurch gekennzeichnet, dass der Regelabschnitt (107) die Drehmomentverstärkung (α22) im Falle einer Ermittlung, dass sich das Lenkrad in der Position des Mittenbereichs befindet, größer einstellt als die Drehmomentverstärkung (α22) in dem Falle einer Ermittlung, dass sich das Lenkrad (10) nicht in der Position des Mittenbereichs befindet, und der Mittenbereichs-Ermittlungsabschnitt (120) ermittelt, dass sich das Lenkrad (10) in der Position des Mittenbereichs in einem der Fälle befindet: (i) dass ein Absolutwert der dem berechneten Lenkdrehmoment (Th) entsprechenden Lenkreaktionskraft ein vorbestimmter Schwellenwert oder kleiner ist, (ii) dass ein Absolutwert eines von einem Lenkdrehmoment-Detektionsabschnitt detektierten Drehmomentes ein vorbestimmter Schwellenwert oder kleiner ist, oder (iii), dass eine Seitenbeschleunigung des Fahrzeugs ein vorbestimmter Schwellenwert oder kleiner ist.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Regelabschnitt (107) die Winkelverstärkung (α11) oder die Drehmomentverstärkung (α22) als Reaktion auf eine einem Fahrzustand des Fahrzeugs anzeigende Fahrzeugzustandssumme einstellt.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Fahrzeugzustandssumme mindestens eine Fahrzeuggeschwindigkeit (v) enthält.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Winkelverstärkung (α11) auf einen kleineren Wert als einen Standardwert eingestellt wird, wenn das Fahrzeug dauernd geradeaus fährt.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Drehmomentverstärkung (α22) auf einen größeren Wert als einen Standardwert eingestellt wird, wenn das Fahrzeug dauernd geradeaus fährt.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Winkelverstärkung (α11) kleiner als ihr Normalwert eingestellt wird, und die Drehmomentverstärkung (α22) größer als ihr Normalwert eingestellt wird, wenn ein instabiler Fahrzustand ermittelt wird.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Regelabschnitt (107) eine Fahrstabilität des Fahrzeugs auf der Basis eines Abstands auf einem Stabilitätsermittlungskennfeld ermittelt, und die Winkelverstärkung (α11) und die Drehmomentverstärkung (α22) als Reaktion auf das Ermittlungsergebnis verändert, wobei das Stabilitätsermittlungskennfeld eine Beziehung zwischen einer Gierrate und einem Rutschwinkel des Fahrzeugs definiert, der Abstand erhalten wird, indem ein Koordinatenpunkt und ein Ursprung in dem Stabilitätsermittlungskennfeld verbunden werden, und der Koordinatenpunkt durch den Rutschwinkel und die Gierrate bestimmt wird.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Regelabschnitt (107) einen Straßenoberflächenreibwert einschätzt, und die Winkelverstärkung (α11) und die Drehmomentverstärkung (α22) in Abhängigkeit von dem Schätzergebnis ändert.
Elektrische Servolenkvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Regelabschnitt (107) einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert in Bezug auf mindestens einen Wert von der Winkelverstärkung (α11) oder der Drehmomentverstärkung (α22) einstellt.