DE102017108692B4

DE102017108692B4 - Steuerung einer elektrischen Servolenkung unter Verwendung von Systemzustandsvorhersagen

Info

Publication number: DE102017108692B4
Application number: DE102017108692.7A
Authority: DE
Inventors: Qi Wang; Xingye Zhang; Tejas M. Varunjikar; Anthony J. Champagne
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2024-09-26
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: CN107380254B; DE102017108692A1; US10562561B2; US20170305458A1; CN107380254A

Abstract

Verfahren zum Steuern einer oder mehrerer Komponenten eines Fahrzeugs (10), wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Referenzlenkungsbefehl und ein oder mehrere Messsignale, die ein Lenkungssystem (12) eines Fahrzeugs (10) betreffen, empfangen werden;von einer Verarbeitungsvorrichtung ein Zustand des Lenkungssystems (12) auf der Grundlage des einen oder der mehreren Messsignale geschätzt wird, wobei das Lenkungssystem (12) zumindest ein Lenkrad (14) und einen Lenkungsmotor enthält;im Anschluss an das Empfangen des einen oder der mehreren Messsignale ein maximaler Zustand bestimmt wird, der von dem Lenkungssystem (12) bei einem oder mehreren Zeitpunkten erreichbar ist; unddas Lenkungssystem (10) von einem Steuerungsmodul (40) auf der Grundlage des Referenzlenkungsbefehls und des maximalen Zustands gesteuert wird,wobei das eine oder die mehreren Messsignale eine Motorposition und/oder eine Motorgeschwindigkeit (96) umfassen und das Schätzen des Zustands umfasst, dass eine Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zahnstangenkraftmodells berechnet wird und dass der Systemzustand auf der Grundlage der geschätzten Zahnstangenkraft und eines Massemodells (154) des Lenkungssystems (12) berechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme eines Lenkungssystems und insbesondere Verfahren und Systeme zum Prognostizieren oder Vorhersagen von Systemzuständen und zum Steuern von Aspekten eines Fahrzeugs und/oder eines Lenkungssystems auf der Grundlage der vorhergesagten Systemzustände.
Elektrische Servolenkungssysteme (EPS-Systeme) verwenden einen Elektromotor als Aktor, um einen Fahrer zu unterstützen, während er ein Fahrzeug lenkt. Im aktuellen Markt entwickelt sich die Automotive-Technologie schnell weiter, um semiautonome und autonome Technologien zu umfassen, indem brauchbare ADAS-Lösungen (fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme) entwickelt werden. Statt den Fahrer direkt zu unterstützen (indem Anstrengungen beim Lenken verringert werden), kann ein EPS auch einen Positionsbefehl von einem anderen Steuerungssystem akzeptieren, um unter bestimmten Bedingungen eine Richtungssteuerung eines Fahrzeugs zu erzielen.
EP 0 448 059 A2 offenbart eine automatische Fahrvorrichtung, bei der ein Sollkurs bestimmt wird, ein momentaner Fahrzustand eines Fahrzeugs erfasst wird, ein Soll-Lenkbetrag auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands geschätzt wird, ein maximal zulässiger Lenkwinkel des Fahrzeugs auf der Grundlage des aktuell erfassten Fahrzustands des Fahrzeugs geschätzt wird und der Soll-Lenkbetrag unterhalb des maximalen Lenkwinkels begrenzt wird. DE 10 2007 062 244 A1 lehrt eine Vorrichtung zur semiautonomen Unterstützung während eines Einparkvorgangs, wobei eine Recheneinrichtung einen maximal erreichbaren Lenkwinkel der Räder und einen maximal erreichbaren Lenkwinkel des Lenkrads verarbeitet, um einen Ausgangswert zu bestimmen, der zur Steuerung der Lenkvorrichtung verwendet wird. DE 10 2017 112 968 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines EPS, bei dem eine Zahnstangenlenkungskraft bestimmt wird, um ein Drehmoment auf das EPS aufzubringen. DE 10 2008 042 666 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von Störgrößen, wobei eine Zahnstangenkompensationskraft auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Ist-Zahnstangenkraft und der geschätzten künstlichen Soll-Zahnstangenkraft bestimmt wird.
Es ist eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer oder mehrerer Komponenten eines Fahrzeugs sowie ein verbessertes Steuerungssystem bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch einen Gegenstand gemäß Anspruch 10 gelöst.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern einer oder mehrerer Komponenten eines Fahrzeugs umfasst, dass ein Referenzlenkungsbefehl und ein oder mehrere Messwertsignale bezüglich eines Lenkungssystems eines Fahrzeugs empfangen werden, und dass von einer Verarbeitungsvorrichtung ein Zustand des Lenkungssystems auf der Grundlage des einen oder der mehreren Messwertsignale geschätzt wird, wobei das Lenkungssystem zumindest ein Lenkrad und einen Lenkungsmotor enthält. Das Verfahren umfasst außerdem, dass ein maximaler Zustand bestimmt wird, der von dem Lenkungssystem zu einem oder mehreren Zeitpunkten nach dem Empfang des einen oder der mehreren Messwertsignale erreichbar ist, und dass das Lenkungssystem durch ein Steuerungsmodul auf der Grundlage des Referenzlenkungsbefehls und des maximalen Zustands gesteuert wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass das eine oder die mehreren Messsignale eine Motorposition und/oder eine Motorgeschwindigkeit umfassen und das Schätzen des Zustands umfasst, dass eine Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zahnstangenkraftmodells berechnet wird und dass der Systemzustand auf der Grundlage der geschätzten Zahnstangenkraft und eines Massemodells des Lenkungssystems berechnet wird.
Eine Ausführungsform eines Steuerungssystems enthält eine Verarbeitungsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um einen Zustand eines Lenkungssystems eines Fahrzeugs auf der Grundlage von Messwertsignalen, die das Lenkungssystem und das Fahrzeug betreffen, zu schätzen, wobei die Messwertsignale einem Anfangs-Zeitintervall zugeordnet sind und wobei das Lenkungssystem zumindest ein Lenkrad und einen Lenkungsmotor enthält, und um einen maximalen Zustand zu bestimmen, der von dem Lenkungssystem bei einem oder mehreren nachfolgenden Zeitintervallen erreichbar ist. Das System enthält außerdem ein Steuerungsmodul, das ausgestaltet ist, um das Lenkungssystem und/oder das Fahrzeug auf der Grundlage des maximalen Zustands zu steuern. Ferner umfasst das eine oder die mehreren Messsignale eine Motorposition und/oder eine Motorgeschwindigkeit und die Verarbeitungsvorrichtung ist ausgestaltet, um eine Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zahnstangenkraftmodells zu berechnen und um den Systemzustand auf der Grundlage der geschätzten Zahnstangenkraft und eines Massenmodells des Lenkungssystems zu berechnen.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung besser ergeben, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird speziell dargelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:

1 ein Funktionsblockdiagramm ist, das ein Fahrzeug veranschaulicht, welches ein Lenkungssteuerungs- und/oder Assistenzsystem in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält;
2 eine schematische Darstellung ist, die Komponenten, Module und Funktionen eines Lenkungssteuerungs- und/oder Assistenzsystems in Übereinstimmung mit einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Funktionsblockdiagramm ist, das Aspekte des Schätzens und/oder Vorhersagens von Systemzuständen veranschaulicht;
4 eine Ausführungsform eines Modells mit zwei Massen darstellt;
5 eine Ausführungsform eines Motorhüllkurvenmodells darstellt;
6 eine grafische Darstellung ist, die eine Ausführungsform des Motorhüllkurvenmodells von 5 mit verschiedenen Grenzen für ein Motordrehmoment darstellt;
7 Aspekte eines Verfahrens zum Schätzen einer Zahnstangenlast auf der Grundlage eines kombinierten Reifenmodells darstellt;
8 das Verfahren von 7 mit Aspekten eines statischen Reifenmodells darstellt;
9 das Verfahren von 7 mit Aspekten eines rollenden Reifenmodells darstellt;
10 ein Beispiel für einen Algorithmus zum Mischen oder Kombinieren von Ausgaben aus dem rollenden Reifenmodell und dem statischen Reifenmodell von 7 darstellt;
11 ein Beispiel für Simulationsergebnisse auf der Grundlage eines statischen Reifenmodells in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen darstellt;
12 ein Beispiel für Simulationsergebnisse auf der Grundlage eines rollenden Reifenmodells in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen darstellt; und
13 ein Beispiel für Zeitperioden oder Intervalle darstellt, in denen eine Prognosefunktion aufgerufen wird und in denen prognostizierte oder vorhergesagte Systemzustände geschätzt werden;
14 Aspekte eines Verfahrens zum Schätzen und/oder Prognostizieren eines Systemzustands auf der Grundlage von Schätzwerten einer Zahnstangenlast und eines Massenmodells eines Lenkungssystems darstellt;
15 ein Beispiel für prognostizierte Lenkradpositionsdaten darstellt, die in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen erzeugt wurden;
16 eine Ausführungsform eines Algorithmus darstellt, der in einem Steuerungsverfahren verwendet wird, das das Prognostizieren eines zukünftigen Systemzustands enthält;
17 ein Beispiel für prognostizierte Lenkradpositionsdaten darstellt, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Voraussagen von Systemzuständen erzeugt wurden;
18 ein Beispiel für ein Referenzbefehl-Aufbereitungsmodul darstellt, das ausgestaltet ist, um einen Lenkradpositionsbefehl aufzubereiten oder zu begrenzen; und
19 ein Beispiel für ein Referenzbefehl-Aufbereitungsmodul darstellt, das ausgestaltet ist, um einen Motordrehmomentbefehl aufzubereiten oder zu begrenzen.

Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen einander entsprechende Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Mit Bezug nun auf 1, wobei die Erfindung mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Fahrzeugs 10 veranschaulicht, das ein Lenkungssystem 12, etwa ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) und/oder ein Fahrerassistenzsystem enthält. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Lenkungssystem 12 ein Lenkrad 14, das mit einer Lenkwelle 16 gekoppelt ist. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Lenkungssystem 12 ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System), das ferner eine Lenkungsassistenzeinheit 18 enthält, die mit der Lenkwelle 16 des Lenkungssystems 12 und mit Spurstangen 20, 22 des Fahrzeugs 10 gekoppelt ist. Die Lenkungsassistenzeinheit 18 enthält beispielsweise einen Lenkungsaktormotor (z.B. einen Elektromotor) und einen (nicht gezeigten) Lenkungsmechanismus mit einer Zahnstange und einem Ritzel, der durch die Lenkwelle 16 mit dem Lenkungsaktormotor und einem Getriebe gekoppelt sein kann. Wenn im Betrieb des Lenkrad 14 von einem Fahrzeugbediener gedreht wird, stellt der Motor der Lenkungsassistenzeinheit 18 die Unterstützung zum Bewegen der Spurstangen 20, 22 bereit, welche wiederum jeweilige Lenkungsachsschenkel 24, 26 bewegt, die jeweils mit Straßenrädern 28, 30 des Fahrzeugs 10 gekoppelt sind.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Fahrzeug 10 ferner verschiedene Sensoren, die Signale des Lenkungssystems 12 und/oder des Fahrzeugs 10 messen. Die Sensoren erzeugen Sensorsignale auf der Grundlage der beobachtbaren Bedingungen. Bei dem gezeigten Beispiel sind Sensoren 31 und 32 Radgeschwindigkeitssensoren, die eine Drehgeschwindigkeit der Räder 28 bzw. 30 erfassen. Die Sensoren 31, 32 erzeugen Radgeschwindigkeitssignale auf dieser Grundlage. Bei anderen Beispielen können zusätzlich oder alternativ zu den Sensoren 31 und 32 andere Radgeschwindigkeitssensoren vorgesehen sein. Die anderen Radgeschwindigkeitssensoren können eine Drehgeschwindigkeit von Hinterrädern 34, 36 erfassen und auf dieser Grundlage Sensorsignale erzeugen. Wie festzustellen ist, können andere Radsensoren, welche eine Radbewegung erfassen, etwa Radpositionssensoren, anstelle der Radgeschwindigkeitssensoren verwendet werden. In einem derartigen Fall können eine Radgeschwindigkeit und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder Fahrgeschwindigkeit auf der Grundlage des Radsensorsignals berechnet werden. Bei einem anderen Beispiel ist der Sensor 33 ein Drehmomentsensor, der ein Drehmoment erfasst, das auf das Lenkrad 14 aufgebracht wird. Der Sensor 33 erzeugt Drehmomentsignale auf dieser Grundlage. Andere Sensoren umfassen Sensoren zum Detektieren der Position (Motorposition/Winkel) und Drehgeschwindigkeit (Motorgeschwindigkeit oder Motordrehzahl) des Lenkungsaktormotors oder eines anderen Motors, der der Lenkungsassistenzeinheit 18 zugeordnet ist.
Ein Steuerungsmodul 40 steuert den Betrieb des Lenkungssystems 12 auf der Grundlage eines oder mehrerer der Sensorsignale und ferner auf der Grundlage der Systeme und Verfahren zur Lenkungssteuerung der vorliegenden Offenbarung. Das Steuerungsmodul kann als Teil eines EPS-Systems verwendet werden, um ein Lenkungsassistenzdrehmoment bereitzustellen, und/oder es kann als Fahrerassistenzsystem verwendet werden, das das Lenken des Fahrzeugs steuern kann (z.B. als Parkassistent, Lenkungssteuerung im Notfall und/oder zur autonomen oder semiautonomen Lenkungssteuerung). Ein Beispiel für ein Fahrerassistenzsystem ist ein ADAS-System (fortschrittliches Fahrerassistenzsystem), das anstelle von oder zusätzlich zu der direkten Unterstützung des Fahrers (durch Reduzieren von Aufwänden beim Lenken) auch einen Positionsbefehl von einem anderen Steuerungssystem akzeptieren kann, um unter bestimmten Bedingungen eine Richtungssteuerung eines Fahrzeugs zu erreichen.
Allgemein können die Lenkungssteuerungssysteme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um eine Richtungssteuerung eines Fahrzeugs (entweder autonom oder semiautonom oder durch Bereitstellen von Drehmoment oder Lenkungsunterstützung) auf der Grundlage eines Prognostizierens oder Vorhersagens zukünftiger Systemzustände bereitzustellen. Diese Vorhersagen können verwendet werden, um das Erreichen einer gewünschten Fahrrichtung (oder Reifenposition) innerhalb einer erforderlichen Zeitspanne unter verschiedenen Bedingungen zu unterstützen. Beispielsweise kann ein Lenkungssteuerungssystem eine Lenkungssteuerung und/oder Assistenz bei Funktionen wie etwa dem automatisierten Fahren und/oder der automatischen Parkassistenz (APA) bereitstellen.
Aspekte von hier beschriebenen Ausführungsformen können von einem beliebigen geeigneten Steuerungssystem und/oder einer beliebigen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, etwa der Motorassistenzeinheit 18 und/oder des Steuerungsmoduls 40. Bei einer Ausführungsform ist das Steuerungsmodul 40 ein autonomes Fahrsystem oder als Teil dessen enthalten.
Mit Bezug nun auf 2 veranschaulicht ein Datenflussdiagramm eine beispielhafte Ausführungsform einer Steuerungsvorrichtung oder eines Systems, etwa des Steuerungsmoduls 40 von 1, das zum Steuern des Lenkungssystems 12 von 1 verwendet wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerungsvorrichtung oder das Steuerungssystem (z.B. das Modul 40) ein oder mehrere Teilmodule und Datenspeicher enthalten. Die Begriffe Modul und Teilmodul bezeichnen, so wie sie hier verwendet werden, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Eingaben für das Steuerungsmodul 40 können von Sensoren erzeugt werden, etwa den Sensoren 31, 32, 33 (1) des Fahrzeugs 10 (1), sie können von anderen (nicht gezeigten) Steuerungsmodulen innerhalb des Fahrzeugs 10 (1) empfangen werden, sie können modelliert werden und/oder sie können vordefiniert sein.
Das Steuerungsmodul 40 kann hauptsächlich Teilmodule enthalten, etwa ein Systemausgabekapazitätsmodul 60, ein Referenzbefehlaufbereitungsmodul 62 und ein Servosteuerungsmodul, das Motordrehmomentbefehle an ein EPS oder ein anderes Lenkungssteuerungssystem ausgibt. Das Steuerungsmodul kann außerdem zusätzliche Teilmodule enthalten, etwa diejenigen, die in 2 gezeigt sind und nachstehend weiter erörtert werden.
In dem Beispiel von 2 enthält das Steuerungsmodul 40 verschiedene Teilmodule, etwa ein Lokalisierungsmodul 50, das Lokalisierungsinformationen von Vorrichtungen wie etwa einer Vorrichtung eines globalen Positionierungssystems (GPS) empfängt, eine Trägheitsmesseinheit (IMU) und/oder ein Fahrzeugnetzwerk. Ein Wahrnehmungsmodul 52 empfängt Informationen, etwa Kamera- und Laserscannerdaten. Ein Sensorzusammenführungsmodul 54 kombiniert Ergebnisse von den Lokalisierungs- und Wahrnehmungsmodulen, welche von einem Planungsmodul 56 und/oder von einem Fahrzeugsteuerungsmodul 58 verwendet werden können, das Steuerungsentscheidungen trifft. In einer Ausführungsform enthalten die Steuerungsentscheidungen das Erzeugen eines Referenzbefehls, etwa eines Referenz-Motordrehmomentbefehls, der einen Betrag an Drehmoment vorschreibt, der von einem Lenkungsaktormotor aufgebracht werden soll, und/oder einer Referenz-Lenkradposition, in welche ein Fahrzeuglenkrad unter Verwendung des Motors positioniert werden soll.
Das Steuerungsmodul 40 enthält außerdem ein Systemausgabekapazitätsmodul 60, das aktuelle Systemzustände schätzen und/oder zukünftige Systemzustände prognostizieren kann, und das aktuelle Systemkapazitäten schätzen und/oder zukünftige Systemkapazitäten prognostizieren kann. Die Systemkapazitätsschätzungen können maximale Zustände enthalten (z.B. eine maximale Lenkradposition, ein maximales Motordrehmoment usw.), und sie können Informationen dahingehend bereitstellen, ob ein befohlener Zustand erreicht werden kann und den Zeitbetrag, der benötigt wird, um den befohlenen Zustand zu erreichen. Das Systemausgabekapazitätsmodul 60 verwendet EPS-Signale (z.B. Motorgeschwindigkeit und Motorposition), Fahrzeugsignale (z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit) und/oder Motorkapazitätsdaten, um Systemzustände zu schätzen und/oder zu prognostizieren.
Ein Systemzustand kann aus einem oder mehreren von verschiedenen Zuständen bestehen, die beispielsweise in Beziehung mit der Lenkradposition und mit Motorparametern stehen (z.B. Drehmoment, Motorwinkelgeschwindigkeit usw.). Beispielsweise kann das Ausgabekapazitätsmodul 60 wie ein Lenkradpositionsprognosemodul funktionieren, das eine Lenkradpositionsprognosefunktion ausführt. Bei einem anderen Beispiel kann das Modul ein maximales Motordrehmoment schätzen, z.B. den maximalen Drehmomentbetrag, der von einem Motor erzeugt werden kann. Bei noch einem weiteren Beispiel kann das Modul 60 einen Betrag an Motordrehmoment schätzen, der innerhalb eines gewählten Zeitintervalls (z.B. eines Zeitschritts) erreicht werden kann, und/oder es kann einen Zeitbetrag schätzen, der benötigt wird, um eine gewählte Lenkradposition zu erreichen.
Das Fahrzeugsteuerungsmodul 58 wird verwendet, um einen Referenzlenkungsbefehl (z.B. einen Motordrehmomentbefehl, einen Referenz-Lenkungswinkel oder eine Referenz-Lenkradposition) auf der Grundlage von Informationen vom Wahrnehmungsmodul 52 und vom Lokalisierungsmodul 50 zu erzeugen, jedoch kann es sein, dass der Zustand, der durch den Referenzlenkungsbefehl angegeben wird, aufgrund der eingeschränkten Fähigkeit des Lenkungsmotors in der erforderlichen Zeit nicht erreicht werden kann. Das Ausgabekapazitätsmodul 60 ist in der Lage, Systemzustände zu prognostizieren (z.B. den maximalen Lenkungswinkel oder das Motordrehmoment), die durch oder innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls erreicht werden können, z.B. innerhalb einer kalibrierbaren Zeitspanne in der Zukunft. Die Ausgabe aus dem Ausgabekapazitätsmodul 60 kann verwendet werden, um Steuerungssignale aufzubereiten, und sie kann auch verwendet werden, um die Anstiegsgeschwindigkeit des Referenzlenkradwinkels zu definieren. Beispielsweise führt das Ausgabekapazitätsmodul 60 eine Lenkradpositionsprognosefunktion aus und es ist ausgestaltet, um eine vorhergesagte Lenkradposition in Uhrzeigerrichtung und eine vorhergesagte Lenkradposition in die Richtung gegen den Uhrzeiger zu erzeugen, welche als Maximalwerte verwendet werden können, um die Referenzlenkradposition und/oder andere Steuerungsbefehle zu begrenzen. Die Systemausgabekapazität kann in ein Referenzbefehlaufbereitungsmodul 62 eingegeben werden, das den Referenzbefehl so aufbereitet oder begrenzt, dass er innerhalb von Systemkapazitätsgrenzen bleibt.
3 ist ein Blockdiagramm, das Aspekte von Ausführungsformen eines Systemzustandsschätz- und/oder Prognoseverfahrens veranschaulicht, das in Verbindung mit einem Fahrzeugsteuerungssystem (z.B. mit einem EPS-System oder einem autonomen Lenkungssystem) ausgeführt werden kann. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass eine Zahnstangenlast auf der Grundlage von Systeminformationen, etwa einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Motorposition und einer Motorgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) geschätzt und/oder prognostiziert wird. Die Zahnstangenlast bezeichnet einen Lastbetrag oder einen äquivalentes Drehmomentbetrag, das auf eine Zahnstange in einem Lenkungssystem aufgrund von Reifenkräften einwirkt. Die Zahnstangenlast kann in ein Massenmodell eines Lenkungssystems eingegeben werden, etwa in ein Modell mit einer Masse oder mit zwei Massen. Aktuelle und/oder zukünftige Systemzustände können auf der Grundlage der Zahnstangenlast und des Massenmodells geschätzt werden. Bei einer Ausführungsform ist ein Motorhüllkurvenmodell in das Verfahren eingebaut, welches Grenzen für die Motorkapazität auf der Grundlage von Faktoren wie etwa Spannungsgrenzen und thermischen Grenzen schätzt. Das Verfahren schätzt einen oder mehrere Systemzustände, etwa die Lenkradposition, die maximal erzielbare Lenkradgeschwindigkeit und das Motordrehmoment.
4 zeigt ein Beispiel für das Massenmodell. Bei diesem Beispiel ist das Modell ein Modell mit zwei Massen des Steuerungssystems, welches ein Massen-Feder-Dämpfungssystem mit zwei Freiheitsgraden ist. Ein Systemidentifikationsprozess kann verwendet werden, um die Parameter in diesem Modell zu bestimmen.
5 veranschaulicht Aspekte einer Ausführungsform zum Schätzen oder Prognostizieren von Motorkapazitätsgrenzen, etwa eines maximalen Motordrehmoments, welche ein Motorhüllkurvenmodell 80 enthält. In dieser Ausführungsform werden gemessene Motordrehzahl- oder Geschwindigkeitswerte in das Modell eingegeben und außerdem können zusätzliche Informationen, die eine Temperaturgrenze und einen Batteriespannungsmesswert enthalten, in das Modell 80 eingegeben werden. Das Motorhüllkurvenmodell 80 kann den maximalen Motordrehmomentbefehl in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit, der Temperaturgrenze und der Batteriespannung berechnen. Die Temperaturgrenze wird bereitgestellt, um das maximale Motordrehmoment anzuzeigen, das von dem Motor erzeugt werden kann, und sie kann als eine maximale Temperatur oder als ein maximales Motordrehmoment (z.B. in Einheiten von Newtonmeter des Motors), das von einem anderen Modul berechnet wird, bereitgestellt sein. Die Temperaturgrenze hängt von der Temperatur und der Motorgeschwindigkeit ab und wird bereitgestellt, um den Motor vor übermäßiger Verwendung zu schützen.
Das maximale Motordrehmoment (das als maximales Motordrehmoment I gezeigt ist) kann in ein Tiefpassfilter (LPF) 82 eingegeben werden, welches das maximale Drehmoment auf der Grundlage des dynamischen Verhaltens des Motors und der Motorsteuerung modelliert und weiter begrenzt.
Wie vorstehend gezeigt wurde, schätzt das Motorhüllkurvenmodell 80 das maximale Drehmoment und begrenzt den Motordrehmomentbefehl auf der Grundlage von Faktoren, welche die Motorgeschwindigkeit, die Temperaturgrenze und die Spannung umfassen. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform des Motorhüllkurvenmodells, die verschiedene Begrenzungen für die Motorkapazität enthält und die Beziehungen zwischen Motordrehmoment, Motorgeschwindigkeit, Temperaturgrenze und Spannung zeigt. Bei dieser Ausführungsform schätzt das Motorhüllkurvenmodell 80 Grenzen, die eine maximale Motordrehmomentgrenze 84 umfassen, welche das maximale Drehmoment repräsentiert, das bei einer gegebenen Motorgeschwindigkeit bereitgestellt werden kann. Eine Temperatur- und Spannungsgrenze 86 kann das Motordrehmoment bei einer gegebenen Motorgeschwindigkeit auf der Grundlage von Temperatur- und Spannungsgrenzen weiter begrenzen. Wie durch eine modifizierte Motordrehmomentgrenze 88 gezeigt ist, kann eine niedrigere Spannung die Motorgeschwindigkeit nach links verschieben, was anzeigt, dass der Motor bei niedrigeren Spannungen bei einer gegebenen Motorgeschwindigkeit ein geringeres maximales Drehmoment bereitstellen kann.
Es wird angemerkt, dass das Motorhüllkurvenmodell ausgestaltet sein kann, um weniger Faktoren oder andere Faktoren als diejenigen zu berücksichtigen, die in Verbindung mit 5 und 6 erörtert sind. Beispielsweise kann das Motordrehmomenthüllkurvenmodell so vereinfacht werden, dass es die Motorgeschwindigkeit ohne die anderen Faktoren berücksichtigt.
Wie vorstehend erörtert wurde, kann das Systemzustandsschätzungs- und/oder Prognoseverfahren das Schätzen und/oder Vorhersagen einer Zahnstangenlast umfassen, welche dann auf ein Massenmodell des Lenkungssystems zur Schätzung und/oder Vorhersage von Systemzuständen angewendet werden kann. Die geschätzte oder vorhergesagte Zahnstangenlast kann unter Verwendung einer Anzahl von Techniken bestimmt werden. Eine Technik umfasst das Schätzen der Zahnstangenkraft auf der Grundlage von Motormesswerten (Motorwinkel, Motorgeschwindigkeit) unter Verwendung eines Zustandsbeobachters, etwa eines EPS-Beobachters, der Schätzwerte für den internen Zustand des Systems bereitstellt.
Mit Bezug auf 7 wird bei einer Ausführungsform die Zahnstangenlast unter Verwendung einer Reifenmodellstruktur geschätzt. Bei dieser Ausführungsform werden Messwertinformationen, die einen Motorwinkel 90 enthalten, in ein Modell 92 mit statischen Reifen und ein Modell 94 mit rollenden Reifen eingegeben. Das Modell mit statischen Reifen sagt das Zahnstangendrehmoment auf der Grundlage der Motorposition (Motorwinkel 90), der Motorgeschwindigkeit 96 und der Fahrzeuggeschwindigkeit 98 vorher. Das Modell 94 mit rollenden Reifen verwendet ein nichtlineares Fahrradmodell, um das Zahnstangendrehmoment vorherzusagen. Das Modell 94 mit rollenden Reifen gibt eine rollende Zahnstangenkraft aus und das Modell 92 mit statischen Reifen gibt eine statische Zahnstangenkraft aus, welche als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit kombiniert oder gemischt werden können, um eine gemischte Zahnstangenkraft 100 zu erzeugen.
Mit Bezug auf 8 enthält eine Ausführungsform des statischen Reifenmodells die folgenden Gleichungen: $M_{z} - K_{ψ} Ψ,$
wobei M_z das Ausrichtungsdrehmoment ist, K_Ψ die Torsionssteifigkeit des Reifens ist und Ψ der Gierwinkel der Radebene ist, und ${\dot{Ψ}}_{d e f} = (1 - | \frac{M_{z}}{M_{z max}} |) \cdot \dot{Ψ} if sign (Ψ_{def}) = s i g n (\dot{Ψ})$
${\dot{Ψ}}_{d e f} = \dot{Ψ} if sign (Ψ_{def}) = s i g n (\dot{Ψ})$
$Ψ_{d e f m} = M_{z max} / K_{ψ}$
$Ψ_{d e f} = \int_{0}^{t} {\dot{Ψ}}_{d e f} \cdot \partial t$
$M_{z} = K_{ψ} \cdot Ψ_{d e f}$
wobei:

Ψ_def: Torsionsverbiegung des Reifens
Ψ_defm: maximal mögliche Verbiegung des Reifens
M_zmax: maximales Drehmoment, das von dem Reifen erzeugt werden kann.

{\dot{Ψ}}_{d e f 2} = - \frac{1}{τ} \cdot Ψ_{d e f}

τ = X_{r e f} / (ω \cdot r)

Ψ_{d e f} = \int_{0}^{r} ({\dot{Ψ}}_{d e f} + {\dot{Ψ}}_{d e f 2}) \cdot \partial t

Xrel: Reifenrelaxationslänge
ω: Drehgeschwindigkeit des Reifens
r: Reifenrollradius

Ein Beispiel für das statische Reifenmodell ist in der US-Patentanmeldung mit der Nummer US 2016 / 0 075 371 A1 mit dem Titel „Providing Assist Torque without Hand Wheel Torque Sensor for Zero to Low Speed“ beschrieben, die am 15. September 2014 eingereicht wurde und deren gesamter Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Die vorstehenden Gleichungen sind in Lenkradkoordinaten (HW rad, HW rad/s) statt in Reifenlenkungskoordinaten (tire rad, tire rad/s) implementiert.
Zudem werden, wie in Fig. gezeigt ist, die Motorgeschwindigkeit 96, der Motorwinkel 90 und eine Konstante 102 (Ψ_defm) in das Modell 92 mit statischen Reifen eingegeben, um einen statischen Zahnstangenkraftwert 104 zu erzeugen.
Mit Bezug auf 9 beruht eine Ausführungsform des Modells 94 mit rollenden Reifen auf einem nichtlinearen Fahrradmodell mit einigen Modifikationen. Ein Beispiel für das Modell mit rollenden Reifen ist in dem US-Patent US 9 845 109 B2 mit dem Titel „Continuous Estimation of Surface Friction Coefficient based on EPS and Vehicle Models“ beschrieben.
Der Motorwinkelwert 90 wird in ein Reifenrelaxations-Dynamikmodul 120 eingegeben, welches den Motorwinkel unter Verwendung von Straßenradwinkelmesswerten und Lenkungsarmlängenmesswerten in einen Reifenwinkel umwandelt. Dieser vorhergesagte Straßenradwinkel wird durch ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängiges Tiefpassfilter geleitet. Die Lenkungsarmlänge kann unter Verwendung von Messwerten, die an einem Fahrzeug ausgeführt werden, herausgefunden werden. Der Straßenradwinkel wird an ein Reifenrelaxations-Dynamikmodul 122 und dann an ein Fahrradmodell 124 angewendet, welches den Straßenradwinkel und einen Fahrzeuggeschwindigkeitswert empfängt und Kraftfunktionen und Werte (α) mit Bezug auf einen Reifenschlupf zwischen den Reifen und der Straße berechnet. Bei Block 126 werden Ausgaben aus dem Fahrradmodell 124, die Lenkungsarmlänge und die Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet, um eine rollende Zahnstangenkraft 128 zu berechnen.
Es können Standardgleichgewichtsgleichungen für Kraft und Moment an der Vorder- und Hinterachse des Fahrradmodells 124 verwendet werden. Das nichtlineare Modell mit rollenden Reifen wird verwendet, um die Beziehung von Querkraft über Schlupfwinkel zu repräsentieren.
Die folgenden Gleichungen können in dem Modell mit rollenden Reifen verwendet werden: $m (\dot{V} + r U) = F_{c f} + F_{c r}$
$I_{z z} \dot{r} = a . F_{c f} - b . F_{c r}$
wobei:

V = Quergeschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunkts (CG)
U = Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunkts
r = Gierrate des Fahrzeugschwerpunkts
a = Distanz der Vorderachse zum Fahrzeugschwerpunkt
b = Distanz der Hinterachse zum Fahrzeugschwerpunkt
I_zz = Trägheitsmoment um z-Achse
F_cf = Reifenkraft der Vorderachse
F_cr = Reifenkraft der Hinterachse
m = Masse des Fahrzeugs.

F_cf und F_cr können durch eine Nachschlagetabelle mit den Eingaben der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Schlupfwinkels bestimmt werden. Eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit wird zu einer geringeren Querkraft führen.
Die Beziehung zwischen Schlupfwinkel und Querkraft kann dargestellt werden durch $α_{f} = \frac{V + a r}{U} - δ$
$α_{r} = \frac{V - b r}{U}$
wobei α_r und α_r Schlupfwinkel der Vorder- bzw. Hinterachse sind und δ der Lenkungswinkel (Reifenwinkel) ist. Die Achskräfte und der Reifennachlauf werden ausgedrückt als: $F_{c f} = F_{c f} (\propto_{f})$
$F_{c r} = F_{c r} (\propto_{r})$
Zahnstangenkraft: F_rack = (t_m + t_p). F_cf/SA

SA: Lenkungsarmlänge
a: Distanz von Fahrzeugschwerpunkt zu Vorderachse
b: Distanz von Fahrzeugschwerpunkt zu Hinterachse
α_r: Schlupfwinkel der Vorderachse
α_r: Schlupfwinkel der Hinterachse
t_m: mechanischer Nachlauf
t_p: Reifennachlauf

Bei einer Ausführungsform werden die statische Zahnstangenkraft 104 und die rollende Zahnstangenkraft 128 auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit vermischt, um eine gemischte Zahnstangenkraft 130 zu erzeugen. Beispielsweise können die statische Zahnstangenkraft und die rollende Zahnstangenkraft beruhend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit gewichtet werden und/oder eine Schwellenwertgeschwindigkeit kann angewendet werden, um zu bestimmen, welche Kraft ausgegeben wird.
10 zeigt ein Beispiel für einen Geschwindigkeitsmischalgorithmus. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitswert 98 wird normiert und in eine Nachschlagetabelle 132 eingegeben, welche auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit einen Wert berechnet (z.B. zwischen 0 und 1), der verwendet wird, um die rollende Zahnstangenkraft 128 und die statische Zahnstangenkraft 104 zu kombinieren. Der Wert wird zu einer Konstante addiert und mit der rollenden Zahnstangenkraft 128 multipliziert und er wird außerdem mit der statischen Zahnstangenkraft 104 multipliziert. Die resultierenden Werte werden addiert, um die gemischte Zahnstangenkraft 130 zu erzeugen.
Daten, welche die gemischte Zahnstangenkraft und das maximale Motordrehmoment umfassen (welches unter Verwendung des Motorhüllkurvenmodells erzeugt sein kann), können auf ein Massenmodell eines EPS oder eines anderen Steuerungssystems angewendet werden. Das Massenmodell kann ein Modell mit einer Masse (z.B. ein Massen-Feder-Dämpfungssystem mit einem Freiheitsgrad), ein Modell mit zwei Massen oder eine andere Formulierung sein. Es kann verschiedene Formulierungen von Dynamiken eines EPS oder eines Steuerungssystems geben, etwa ein Modell mit drei Massen oder sogar ein Modell mit zehn Massen. Die Parameter eines EPS-Systemmodells mit vielen Körpern können unter Verwendung von Systemidentifikationsverfahren hergeleitet werden.
11 zeigt ein Beispiel für Zahnstangenkraftdaten, die in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen geschätzt wurden. Bei diesem Beispiel sind Zahnstangenkraftvorhersagen aus dem Simulationsergebnis eines statischen Reifenmodells durch Kurve 140 gezeigt und sie werden mit Fahrzeugtestdaten 142, die auf einer trockenen Oberfläche gesammelt wurden, verglichen. 12 zeigt ein Beispiel für Zahnstangenkraftdaten, die in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen geschätzt wurden. Bei diesem Beispiel sind Zahnstangenkraftvorhersagen eines Simulationsergebnisses von einem Modell mit rollenden Reifen durch Kurve 144 gezeigt und sie werden mit Fahrzeugtestdaten 146 verglichen. Wie gezeigt ist das auf Polynomen beruhende Reifenmodell in der Lage, die Zahnstangenkraft genau vorherzusagen.
13 zeigt ein Beispiel für Zeitintervalle oder Zeitschritte, in welchen die Systemkapazitätsschätzungs- und/oder Prognosefunktion ausgeführt werden kann. Bei diesem Beispiel ist Δt_Forecasting als Prognosezeitpunkt definiert, oder als Zeitspanne von einem Messwert, einer Abtastung oder einem anderen gewählten Zeitpunkt aus. Die Prognosezeitspanne kann als ein Zeitintervall nach einem aktuellen oder Abtastzeitpunkt definiert sein.
Bei einer Ausführungsform wird die Funktion zum Schätzen und/oder zur Prognose der Systemkapazität jede kalibrierbare Zeitspanne Δt_Update aufgerufen. Dann sagt diese Funktion die Systemantwort zum Zeitpunkt Δt_Forecasting voraus, indem sie eine Systemantwort iterativ in Schritten der Abtastzeit berechnet. Folglich wird die vorhergesagte Antwort zum Zeitpunkt Δt_Update + Δt_Forecasting bei dem aktuellen Zeitschritt, sagen wir Δt_Update geschätzt. Die iterative Berechnung kann durch eine Iterationstechnik erreicht werden, etwa eine „For-Schleifen“-Technik, die in einem eingebetteten Codierer/Controller ausgeführt werden kann. Da der Algorithmus als iterativer Algorithmus in einer „For-Schleife“ codiert ist, wird die „For-Schleife“, sobald sie aufgerufen wird, eine kalibrierbare Anzahl von Malen ausgeführt, um zukünftige Systemzustände vorherzusagen, etwa vorhergesagte Lenkradpositionen und Begrenzungen bei einem oder mehreren kalibrierbaren Zeitpunkten Δt_Forecasting in der Zukunft. Bei anderen Ausführungsformen wird die Systemkapazität unmittelbar geschätzt (z.B. bei dem aktuellen Zeitpunkt 0 oder bei dem nächsten folgenden Zeitstempel Δt_Update).
Der Systemzustand (z.B. die Lenkradposition) kann unter Verwendung des Modells für einen aktuellen Zeitpunkt geschätzt werden oder verwendet werden, um zukünftige Systemzustände vorherzusagen. Wenn beispielsweise ein Bereich von zukünftigen Zuständen vorhergesagt werden soll, kann ein iterativer Algorithmus verwendet werden, um Systemzustände für eine Folge von Zeitschritten zu schätzen. Beispiele für Algorithmen, die zur Vorhersage verwendet werden können, umfassen iterative Verfahren wie etwa das Runge-Kutta-Verfahren oder das Euler-Verfahren.
14 zeigt ein Beispiel für ein Massenmodell, das in das Systemzustandschätzungs- und/oder Prognoseverfahren aufgenommen ist. Ein Zahnstangenlastschätzmodul 150 empfängt Eingabedaten, etwa Fahrzeuggeschwindigkeit, Motorposition, Motorgeschwindigkeit und weitere und gibt eine aktuelle Zahnstangenkraft (für den aktuellen Zeitstempel oder einen unmittelbar folgenden Zeitstempel) oder eine vorhergesagte Zahnstangenkraft aus (für Zeitstempel im Anschluss an den aktuellen Zeitstempel und/oder den unmittelbar folgenden Zeitstempel). Das Zahnstangenlastschätzmodul 150 kann die vorstehend erörterten Reifenmodelle verwenden. Ein Motorbefehlsmodul 152 gibt einen Motorbefehl aus, der in Übereinstimmung mit dem vorstehend erörterten Motorhüllkurvenmodell begrenzt werden kann. Die Zahnstangenkraft (aktuell und/oder vorhergesagt) und der Motorbefehl werden in ein Massenmodell 154 eingegeben, welches den Systemzustand schätzt und/oder vorhersagt, etwa die Lenkradposition.
15 stellt ein Beispiel für Lenkradpositionsprognosedaten dar, die auf der Grundlage von hier erörterten Ausführungsformen erzeugt sein können. Die Daten in diesem Beispiel sind eine grafische Darstellung mit einer y-Achse, welche eine Lenkradposition im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in Grad repräsentiert und mit einer x-Achse, die die Zeit repräsentiert. Die Prognosedaten enthalten eine Lenkradpositionsgrenze 160 im Uhrzeigersinn und eine Lenkradpositionsgrenze 162 gegen den Uhrzeigersinn. Die Daten können von einem Steuerungssystem verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Referenzpositionsbefehl realisiert werden kann oder aktualisiert werden muss.
Zum Beispiel erzeugt ein Steuerungssystem einen Referenz-Lenkradpositionsbefehl 164. Auf der Grundlage der aktuellen Lenkradposition wird die Lenkradposition bei einem oder mehreren zukünftigen Zeitpunkten (z.B. bei einem Zeitschritt bei 0,01 Sekunden nach dem aktuellen Zeitpunkt oder bei mehreren Zeitschrittiterationen) in Übereinstimmung mit hier erörterten Ausführungsformen berechnet und verwendet, um die Grenzen 160 und 162 zu erzeugen. Bei diesem Beispiel überschreitet der Referenzbefehl 164 die Steuerungssystemkapazität, was anzeigt, dass er nicht erreicht werden kann. Im Gegensatz dazu liegt ein zweiter Referenz-Lenkradbefehl 166 innerhalb der Systemkapazität, was anzeigt, dass er erreicht werden kann. Aufgrund der geschätzten Steuerungssystemkapazität kann bestimmt werden, ob ein Referenzpositionsbefehl erreicht werden kann, z.B. indem die Grenzen und der Referenzpositionsbefehl auf das Referenzbefehlsaufbereitungsmodul 62 angewendet werden, das in 1 gezeigt ist, und das Steuerungssystem kann entscheiden, ob der Referenzpositionsbefehl aktualisiert werden soll (z.B. von dem Referenzpositionsbefehl 164 auf einen gesättigten Referenzpositionsbefehl 170).
Bei einer Ausführungsform können Systemzustände und Kapazitäten unmittelbar (z.B. für einen aktuellen Zeitschritt oder einen unmittelbar folgenden Zeitschritt) und/oder für zukünftige Zeitschritte berechnet werden. Beispielsweise kann das Verfahren umfassen, dass eine Lenkradposition in der Zukunft prognostiziert wird, und es kann auch umfassen, dass das maximal erreichbare Motordrehmoment oder die Lenkradgeschwindigkeit unmittelbar geschätzt werden.
Bei dem folgenden Beispiel werden Vorhersagen des zukünftigen Systemzustands, etwa vorhergesagte Lenkradpositionen, unter Verwendung des Runge-Kutta-Algorithmus erzeugt, um einen Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs) zu lösen, um den Bereich der Lenkradposition in der Zukunft vorherzusagen. Der Algorithmus ist als iterativer Algorithmus codiert, etwa als „For-Schleifen“-Algorithmus.
Die Ausführung des Runge-Kutta-Algorithmus wird im Folgenden auf allgemeine Weise erörtert. Wenn der Algorithmus zur EPS-Steuerung verwendet wird, enthält das dynamische System das Motorhüllkurvenmodell, das Zahnstangenlastmodell und das Massenmodell. Es wird das Lösen einer allgemeinen gewöhnlichen Differentialgleichung mit einer Anfangsbedingung betrachtet: $\dot{y} = f (t, y), y (t_{0}) = y_{0} .$
wobei y eine Funktion der Zeit t ist und ẏ die Ableitung von y mit Bezug auf t ist. Der Runge-Kutta-Algorithmus wird verwendet, um eine approximierte Lösung zu erhalten, welche eine Folge für n = 0, 1, 2, 3 ... wie folgt ist: $y_{n + 1} = y_{n} + \frac{h}{6} (k_{1} + 2 k_{2} + 2 k_{3} + k_{4})$
$t_{n + 1} = t_{n} + h$
wobei $k_{1} = f (t_{n}, y_{n}),$
$k_{2} = f (t_{n} + \frac{h}{2}, y_{n} + \frac{h}{2} k_{1}),$
$k_{3} = f (t_{n} + \frac{h}{2}, y_{n} + \frac{h}{2} k_{2}),$
$k_{4} = f (t_{n} + h, y_{n} + h k_{3}) .$
h ist ein Zeitintervall oder ein Zeitwert, k₁ (oder K1) ist das Inkrement auf der Grundlage der Steigung am Beginn des Intervalls y, k₂ (oder K2) ist das Inkrement auf der Grundlage der Steigung beim Mittelpunkt des Intervalls y+0,5*k*K1. K₃ (oder K3) ist ebenfalls das Inkrement auf der Grundlage der Steigung am Mittelpunkt des Intervalls y+0,5*h*K2 und k₄ (oder K4) ist das Inkrement auf der Grundlage der Steigung am Ende des Intervalls y+h*K3.
Bei einer Ausführungsform ist y_n ein Satz von Variablen, der die Lenkradposition, die Lenkradgeschwindigkeit, die Zahnstangenposition und die Zahnstangengeschwindigkeit enthält. 16 zeigt, wie der Runge-Kutta-Algorithmus verwendet wird, um y_n+1 in einer Prognosefunktion vorherzusagen.
17 veranschaulicht ein Beispiel für vorhergesagte Lenkradpositionsgrenzen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, die in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsformen geschätzt wurden. Bei diesem Beispiel wurde ein Fahrzeugtest erfasst, während ein Fahrer ein Fahrzeug für irgendein Manöver gefahren hat. Die Lenkradposition wurde 500 ms lang aufgenommen. Die Lenkradposition und die Lenkradgeschwindigkeit zum Zeitpunkt Null werden als Anfangsbedingungen verwendet, um die maximal erreichbare Lenkradposition in den zukünftigen 500 Millisekunden unter Verwendung des Prognosemodells vorherzusagen. 17 zeigt eine vorhergesagte maximale Lenkradposition (Kurve 180 im Uhrzeigersinn und Kurve 182 gegen den Uhrzeigersinn) und eine gemessene Lenkradposition (Kurve 184). Die Kurve 180 zeigt den maximalen Winkel, der in Uhrzeigersinnrichtung innerhalb der prognostizierten Zeit erreicht werden kann, und die Kurve 182 zeigt den maximalen Winkel, der in Richtung gegen den Uhrzeigersinn erreicht werden kann. Wie bei diesem Beispiel gezeigt ist, sind die gemessenen Daten kleiner als die Prognosedaten im Uhrzeigersinn und größer als Prognosedaten gegen den Uhrzeigersinn.
Es folgt ein Beispiel für ein Verfahren zum Prognostizieren oder Vorhersagen eines Systemzustands, das ein Modell mit einer Masse eines EPS-Assistenzmechanismus und einen EPS-Beobachter zum Schätzen einer Zahnstangenlast enthält. Das Modell mit einer Masse kann ein Masse-Feder-Dämpfungssystem mit einem Freiheitsgrad sein, bei dem das Lenkrad als die Masse dargestellt wird. Bei diesem Beispiel wird die Zahnstangenlast für einen aktuellen oder unmittelbar folgenden Zeitstempel geschätzt.
Die Bewegungsgleichung für das EPS-Modell mit einer Masse eines Assistenzmechanismus kann ausgedrückt werden als: $J_{A} \ddot{θ} = T_{M} - T_{F} - T_{b} - T_{R},$
wobei J_A die Trägheit des Assistenzmechanismus (AM) ist, θ̈_A die Winkelbeschleunigung des AM ist, T_M das Motordrehmoment ist, das auf den AM einwirkt, T_F das Drehmoment aufgrund von Reibung ist, T_b das Torsionsstabdrehmoment ist, und T_R das Drehmoment an dem AM ist, das durch die Zahnstangenlast erzeugt wird. T_M und T_b können gemessen werden und T_F kann modelliert werden. Die Kombination aus T_m, T_F und T_b kann zu einem gemessenen Drehmoment T kombiniert werden, wobei T = T_M - T_f - T_b. Zudem kann θ̇_A gemessen werden. Dann kann ein Beobachter T_R unter Verwendung des gemessenen T und θ̈_A schätzen.
Die Gleichung für den EPS-Beobachter kann wie folgt ausgedrückt werden: ${\dot{x}}_{e} = \bar{A} x_{e} + \bar{B} [\begin{matrix} T \\ {\dot{θ}}_{A} \end{matrix}],$
$T_{R} = [0 1] x_{e}$
wobei x_e ein Systemzustand ist. Die Werte A und B können abgestimmt werden, so dass T_R das echte Drehmoment an dem AM, das von der Zahnstangenlast erzeugt wird, approximieren kann. Die Zahnstangenlast kann dann in das Modell mit einer Masse eingegeben werden, um eine Lenkradposition oder eine Lenkradgeschwindigkeit zu schätzen.
Ein Beispiel für die Berechnung von Lenkradgeschwindigkeitsgrenzen ist wie folgt gezeigt:

Obergrenze = geschätzter maximaler Lenkradgeschwindigkeitszustand
Untergrenze = geschätzter minimaler Lenkradgeschwindigkeitszustand

Wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, werden eine Referenz-Lenkradposition und eine maximale Lenkradposition von dem Modul 60 in den Referenzpositionsaufbereitungsblock 62 eingegeben, welcher die Referenz-Lenkradposition mit Hilfe eines Ratenbegrenzers aufbereitet. Ein Beispiel für einen Ratenbegrenzer ist in 18 gezeigt, welcher einen Lenkradpositionsbefehl auf der Grundlage der Maximalgeschwindigkeit des Lenkrads begrenzt. Die oberen und unteren Geschwindigkeitsgrenzen werden durch Ausgaben der Prognosefunktion aus dem Systemausgabekapazitätsmodul 60 gebildet (Prognostizieren der maximalen Lenkradposition im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn). Die aufbereitete Referenzposition und eine gemessene Lenkradposition werden an einen Servo und an einen Lenkungsmotor oder an eine andere Komponente eines Lenkungssystems ausgegeben, um eine Steuerung des Fahrzeugs zu bewirken.
Ein geschätztes maximales Motordrehmoment kann von dem Motordrehmomenthüllkurvenmodell unmittelbar bereitgestellt werden. Das geschätzte maximale Motordrehmoment kann auch für zukünftige Zeitschritte geschätzt werden, z.B. indem ein Satz von ODEs wie vorstehend erörtert gelöst wird. Motordrehmomentbefehle können auf der Grundlage des maximalen Motordrehmoments begrenzt werden.
Bei einem anderen Beispiel gibt das Fahrzeugsteuerungsmodul 58 einen Referenzlenkungsbefehl aus, der einen Motordrehmomentbefehl statt einer Referenzlenkradposition repräsentiert. Das Systemausgabekapazitätsmodul 60 berechnet eine Motordrehmomentgrenze und sendet sie zu dem Modul 62, und ein Motordrehmomentbefehl wird begrenzt. Ein Beispiel für einen Begrenzer ist in 19 gezeigt, welcher einen Sättigungsdynamikbegrenzer verwendet, um den Motordrehmomentbefehl innerhalb von Grenzen zu halten, die auf der Grundlage des maximalen Motordrehmoments eingestellt werden.
Die Schätzungen und/oder Prognosen des Systemzustands können von einem oder in Verbindung mit einem Fahrzeugsteuerungssystem verwendet werden, um einen Referenzbefehl (z.B. einen Lenkradpositions-Referenzbefehl oder einen Motordrehmomentbefehl) zu begrenzen oder aufzubereiten, um sicherzustellen, dass der Referenzbefehl innerhalb von Systemkapazitäten bleibt.
Es wird angemerkt, dass die Systemkapazität für einen einzigen Zeitschritt oder für mehrere Zeitschrittiterationen an das Referenzaufbereitungsmodul 62 (oder an eine andere geeignete Begrenzungsvorrichtung) ausgegeben werden kann. Dies kann nützlich sein, beispielsweise wenn das Vorhersagen der EPS-Systemkapazität für mehrere Zeitschrittiterationen rechentechnisch aufwändig ist.
Hier beschriebene Ausführungsformen stellen eine Anzahl von Vorteilen und technischen Effekten bereit. Ausführungsformen stellen effektive Techniken zum Prognostizieren oder Vorhersagen von Zuständen eines Lenkungssystems und einer Lenkungssteuerung und/oder eines Lenkungsassistenzsystems bereit, welche verwendet werden können, um eine Motorsteuerung und/oder eine Fahrzeugsteuerung zu beeinflussen.
Aufgrund von Fortschritten bei der Motorsteuerung und bei anderen Technologien weisen EPS-Systeme eine viel höhere Bandbreite als früher auf. Jedoch wird die zeitliche Reaktion eines EPS-Systems immer noch durch eine Trägheit und Steifigkeit des Systems in großem Maß beeinträchtigt. Außerdem kann sich die augenblickliche Reifensteifigkeit als Funktion von Bedingungen wie etwa Oberflächenreibung, Nutzlast, Schlupfwinkel usw. verändern. Dies würde auch die Richtungssteuerung eines Fahrzeugs betreffen. Frühere Positionssteuerungsalgorithmen können einen Ratenbegrenzer verwenden, um die Änderungsrate bzw. Änderungsgeschwindigkeit einer Referenzpositionseingabe zu begrenzen. Diese Ratengrenzen sind jedoch nur einfache Kalibrierungen und repräsentieren Begrenzungen eines EPS-Systems in einem gegebenen Szenario nicht vollständig. Hier beschriebene Ausführungsformen stellen Funktionen bereit, etwa das Prognostizieren eines maximalen Winkels, der in einer kalibrierbaren Zeit in der Zukunft erreicht werden kann, welcher verwendet werden kann, um die Referenzposition aufzubereiten.

Claims

Verfahren zum Steuern einer oder mehrerer Komponenten eines Fahrzeugs (10), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Referenzlenkungsbefehl und ein oder mehrere Messsignale, die ein Lenkungssystem (12) eines Fahrzeugs (10) betreffen, empfangen werden; von einer Verarbeitungsvorrichtung ein Zustand des Lenkungssystems (12) auf der Grundlage des einen oder der mehreren Messsignale geschätzt wird, wobei das Lenkungssystem (12) zumindest ein Lenkrad (14) und einen Lenkungsmotor enthält; im Anschluss an das Empfangen des einen oder der mehreren Messsignale ein maximaler Zustand bestimmt wird, der von dem Lenkungssystem (12) bei einem oder mehreren Zeitpunkten erreichbar ist; und das Lenkungssystem (10) von einem Steuerungsmodul (40) auf der Grundlage des Referenzlenkungsbefehls und des maximalen Zustands gesteuert wird, wobei das eine oder die mehreren Messsignale eine Motorposition und/oder eine Motorgeschwindigkeit (96) umfassen und das Schätzen des Zustands umfasst, dass eine Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zahnstangenkraftmodells berechnet wird und dass der Systemzustand auf der Grundlage der geschätzten Zahnstangenkraft und eines Massemodells (154) des Lenkungssystems (12) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern umfasst, dass ein Befehl, der von einem Lenkungssteuerungssystem erzeugt wird, auf der Grundlage des maximalen Zustands begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zustand des Lenkungssystems (12) eine Lenkradposition ist und der maximale Zustand eine maximal erreichbare Lenkradposition enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zustand des Lenkungssystems (12) ein Motordrehmoment ist, das von dem Lenkungsmotor erzeugt wird, und der maximale Zustand ein maximal erreichbares Motordrehmoment enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zahnstangenkraftmodell ein Fahrradmodell (124) und ein Modell (94) mit statischen Reifen umfasst und das Berechnen der Zahnstangenkraft umfasst, dass eine rollende Zahnstangenkraft (128) auf der Grundlage des Fahrradmodells (124) und eine statische Zahnstangenkraft (104) auf der Grundlage des Modells (94) mit statischen Reifen geschätzt werden, und dass die statische Zahnstangenkraft (104) und die rollende Zahnstangenkraft (128) auf der Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit (98) gemischt werden, um eine gemischte Zahnstangenkraft (130) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zustandbeobachters in Kombination mit einem Massenmodell (154) des Systems geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Massenmodell (154) ein Modell mit einer Masse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des maximalen Zustands umfasst, dass der Zustand für jeden von einem oder mehreren aufeinander folgenden Zeitschritten auf der Grundlage eines Satzes von Differentialgleichungen, die aus dem Massenmodell (154) abgeleitet wurden, iterativ geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass ein Motordrehmomentbefehl empfangen wird, dass eine Motordrehmomenthüllkurve auf der Grundlage von Motorparametern, welche Spannungs- und Temperaturgrenzen des Motors umfassen, geschätzt wird und dass der Motordrehmomentbefehl auf der Grundlage der Motordrehmomenthüllkurve begrenzt wird.
Steuerungssystem, umfassend: eine Verarbeitungsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um einen Referenzlenkungsbefehl und ein oder mehrere Messsignale, welche ein Lenkungssystem (12) eines Fahrzeugs (10) betreffen, zu empfangen, um einen Zustand des Lenkungssystems (12) auf der Grundlage des einen oder der mehreren Messsignale zu schätzen, wobei das Lenkungssystem (12) zumindest ein Lenkrad (14) und einen Lenkungsmotor enthält, und um einen maximalen Zustand zu bestimmen, der von dem Lenkungssystem (12), bei einem oder mehreren Zeitpunkten im Anschluss an das Empfangen des einen oder der mehreren Messsignale erreicht werden kann; und ein Steuerungsmodul, das ausgestaltet ist, um das Lenkungssystem (12) auf der Grundlage des Lenkungsreferenzbefehls und des maximalen Zustands zu steuern, wobei das eine oder die mehreren Messsignale eine Motorposition und/oder eine Motorgeschwindigkeit (96) umfassen, und wobei die Verarbeitungsvorrichtung ausgestaltet ist, um eine Zahnstangenkraft auf der Grundlage eines Zahnstangenkraftmodells zu berechnen und um den Systemzustand auf der Grundlage der geschätzten Zahnstangenkraft und eines Massenmodells (154) des Lenkungssystems (12) zu berechnen.
System nach Anspruch 10, wobei das Steuerungsmodul ausgestaltet ist, um einen Befehl, der von einem Lenkungssteuerungssystem erzeugt wird, auf der Grundlage des maximalen Zustands zu begrenzen.
System nach Anspruch 10, wobei der Zustand des Lenkungssystems (12) eine Lenkradposition ist, und wobei der maximale Zustand eine maximal erreichbare Lenkradposition umfasst.
System nach Anspruch 10, wobei der Zustand des Lenkungssystems (12) ein Motordrehmoment ist, das von dem Lenkungsmotor erzeugt wird, und der maximale Zustand ein maximal erreichbares Motordrehmoment umfasst.