DE3525543C2

DE3525543C2 -

Info

Publication number: DE3525543C2
Application number: DE3525543A
Authority: DE
Inventors: Ken Ito; Naohiko Yokohama Jp Inoue
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-07-17
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1992-10-08
Also published as: JPS6127763A; DE3525543A1; JPH0555347B2; US4773012A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Referenzeinstellsystem zur Bestimmung des Kurvensollverhaltens des Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Kombination mit einem konventionellen mechanischen Lenkgestänge wird bei einem Kraftfahrzeug häufig eine Lenkhilfeeinrichtung verwendet, um ein möglichst stabiles und spurtreues Kurvenverhalten des Fahrzeugs zu gewährleisten. Eine Lenkhilfeeinrichtung der genannten Art kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, bei dem nur die Vorderräder oder aber auch zusätzlich die Hinterräder lenkbar sind.

In der JP-OS 58-201287 ist bereits eine Lenkhilfeeinrichtung beschrieben, mit deren Hilfe Vorder- und Hinterräder eines Fahrzeugs in Zusammenwirken mit einem Lenksystem, das ein Lenkgetriebe aufweist, lenkbar sind, um die Abweichung eines tatsächlichen Stabilitätsfaktors, bestimmt durch die Auslenkung, die Fahrzeuggeschwindigkeit und das Kurvensollverhalten des Fahrzeugs, beschrieben durch eine Gierwinkelgeschwindigkeit oder Lateralbeschleunigung, von einem vorbestimmten Sollstabilitätsfaktor zu minimieren. Die genannte Lenkhilfeeinrichtung ist dann wirksam, wenn das Fahrzeug gleichmäßig eine Kurve durchfährt oder die Lenkgeschwindigkeit klein ist. Das System arbeitet jedoch nicht zufriedenstellend, wenn starke Bewegungsänderungen des Fahrzeugs auftreten, da das System einen konstanten Sollstabilitätsfaktor als gewünschten Referenzwert des Fahrzeugverhaltens verwendet und keine dynamischen Fahrzeugzustände berücksichtigt.

Wird beispielsweise das Lenkrad schnell gedreht, so tritt eine Zeitverzögerung von beträchtlicher Größe zwischen der Eingangsänderung eines tatsächlichen Lenkwinkels der lenkbaren Räder infolge der Winkelverstellung des Lenkrades und der äußeren Änderung des tatsächlichen Fahrzeugverhaltens auf, beispielsweise der Gierrate bzw. Gierwinkelgeschwindigkeit oder der Lateralbeschleunigung. Während eines Anfangszeitintervalls nach Beginn der Eingangsänderung bleiben daher die Gierwinkelgeschwindigkeit und Lateralbeschleunigung des Fahrzeugs nahezu Null. Der tatsächliche Stabilitätsfaktor wird mit Hilfe eines Quotienten gebildet, in dessen Nenner die Gierwinkelgeschwindigkeit oder Lateralbeschleunigung erscheint. Dieser tatsächliche Stabilitätsfaktor nimmt daher im vorliegenden Fall extrem große Werte an. Das bedeutet, daß die Abweichung des tatsächlichen Stabilitätsfaktors vom Sollstabilitätsfaktor ebenfalls extrem groß wird, so daß im Steuersystem eine relativ große Regelabweichung auftritt. Infolgedessen treten Schwingungen im Steuersystem auf, die dazu führen, daß das Fahrzeugverhalten unstabil wird. Eine genaue Steuerung des Fahrzeugs, insbesondere bei plötzlichen Auslenkungen des Lenkrades, ist dann nicht mehr möglich. Zwar könnte zur Verminderung dieses Problems die Verstärkung des Steuersystems herabgesetzt werden. In diesem Fall würde sich jedoch das Ansprechvermögen des Steuersystems erheblich verschlechtern.

In der DE-OS 23 22 062 ist eine Lenkeinrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, die einen zum Ausregeln des Einflusses von Störseitenkräften auf die Fahrtrichtung dienenden Regelkreis aufweist. Ein erster Meßwertgeber gibt ein erstes einer auftretenden Fahrzeug-Querbeschleunigung entsprechendes Signal an ein Verknüpfungsglied ab, das von einem zweiten Meßgeber beaufschlagt wird, der ein Signal abgibt, das dem vom Fahrer gegebenen Lenkbefehl entspricht. Dabei wird in Abhängigkeit der beiden Signale und einem der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit entsprechenden Signal ein viertes Signal erzeugt. Insgesamt ermittelt die beschriebene Anordnung aus den ihr zugeführten Signalen für die jeweils aufgegebenen Lenkbefehle und die jeweils vorliegende Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit diejenige Querbeschleunigung, die bei von störenden Seitenkräften freiem Fahrbetrieb dann gerade auftreten müßte. Die dieser berechneten theoretischen Beschleunigung entsprechenden Signale werden in dem Verknüpfungsglied verglichen mit den Signalen für die tatsächlich auftretende Fahrzeug-Querbeschleunigung, wobei eine Regelgröße dem Lenkservo zur Erzeugung eines des Störseitenkräften entgegenwirkenden Momentes nur dann zugeführt wird, wenn tatsächlich Störseitenkräfte vorhanden sind. Der theoretische Zusammenhang zwischen der seitlichen Beschleunigung und dem Lenkeingangswinkel wird teilweise linearisiert, wodurch man zu einer einfachen Anordnung gelangt. Eine Vorausberechnung möglicher Betriebszustände ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für die Lenkhilfevorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten Sensoreinrichtung zur Ermittlung eines Lenkwinkels, einer zweiten Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einer mit der ersten und zweiten Sensoreinrichtung verbundenen Hauptbetriebseinheit zur Bestimmung eines Kurven-Sollverhaltens des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit zu schaffen, die in der Lage ist, einen Sollwert eines Fahrzeugkurvenverhaltens auch unter Berücksichtigung schneller Fahrzeugzustandsänderungen zu bestimmen, um die Abweichung zwischen tatsächlichem Fahrzeugverhalten und Sollwert des Fahrzeugverhaltens so klein wie möglich zu halten. Insbesondere soll ermöglicht werden, sowohl stationäre als auch Übergangs-Betriebszustände genau vorauszuberechnen.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Steuereinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Hauptbetriebseinheit so ausgebildet ist, daß sie das Kurven-Sollverhalten in Echtzeit durch Lösung einer Fahrzeuggierbewegungen beschreibenden Differenzialgleichung und einer Fahrzeugseitbewegungen beschreibenden Differenzialgleichung bestimmt.

Bevorzugt ist die Hauptbetriebseinheit so ausgebildet, daß sie eine Differentialgleichung zweiter Ordnung löst, die die dynamische Charakteristik des Fahrzeugsteuersystems repräsentiert. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Einrichtungen ist es mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung möglich, sowohl stationäre als auch Übergangs-Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges genau vorauszuberechnen.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Referenzeinstellsystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2A ein Schaltdiagramm eines nichtinvertierten Verstärkers für das Referenzeinstellsystem nach Fig. 1,

Fig. 2B ein Schaltdiagramm eines anderen nichtinvertierten Verstärkers, der anstelle des nichtinvertierten Verstärkers aus Fig. 2 benutzt werden kann,

Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer Dividierstufe für das Referenzeinstellsystem nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Schaltdiagramm einer Addier/Subtrahierstufe für das Referenzeinstellsystem nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Schaltdiagramm einer Integrierstufe für das Referenzeinstellsystem nach Fig. 1,

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer elektronischen Fahrzeuglenkeinrichtung mit einem Referenzeinstellsystem nach Fig. 1,

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Referenzeinstellsystems,

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Referenzeinstellsystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 9 ein Schaltdiagramm eines nichtinvertierten Verstärkers mit variablem Verstärkungsgrad für das Referenzeinstellsystem nach Fig. 8.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des Referenzeinstellsystems wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es besitzt einen Lenkwinkelsensor 1 zur Erfassung des Lenk- bzw. Drehwinkels des Steuerrades gegenüber einem Nullwinkel, einen Geschwindigkeitssensor 2 zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit und eine Hauptbetriebseinheit 3. Der Lenkwinkelsensor 1 besitzt einen üblichen Aufbau und erzeugt Pulssignale S_S mit einer Frequenz, die proportional zum Lenkwinkel ist. Der Geschwindigkeitssensor 2 zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit besitzt ebenfalls einen üblichen Aufbau und erzeugt Pulssignale S_V mit einer Frequenz proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit. Das Signal S_S wird einem Frequenz/Spannungswandler 4 zugeführt, der die Hauptbetriebseinheit 3 mit einer Lenkwinkelsignalspannung R_S versorgt, die proportional zum Lenkwinkel ist und deren Polarität durch die Lenkrichtung bestimmt wird. Das Signal S_V wird ebenfalls einem Frequenz/Spannungswandler 5 zugeführt, der die Hauptbetriebseinheit 3 mit einer Fahrzeug geschwindigkeitssignalspannung V versorgt, die proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist.

Die Hauptbetriebseinheit 3 bestimmt einen Target- bzw. Zielwert des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs auf der Grundlage von später noch zu erläuternden Bewegungsgleichungen des Fahrzeugs. Im vorliegenden Fall soll das Kurvenverhalten durch die Gierrate bzw. Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs ausgedrückt werden. Statt der Winkelgeschwindigkeit bzw. Gierrate kann das Kurvenverhalten des Fahrzeugs auch durch Lateralbeschleunigungen beschrieben werden. Die Hauptbetriebseinheit 3 enthält elf nichtinvertierte Verstärker 101 bis 111, zwei Dividierstufen 201 und 202, vier Addier/Subtrahierstufen 301 bis 304 sowie vier Integrierstufen 401 bis 404, die gemäß Fig. 1 miteinander verschaltet sind.

Jeder der nichtinvertierten Verstärker 101 bis 111 besitzt einen an sich bekannten Aufbau, wie er in den Fig. 2A und 2B angegeben ist. Danach besitzt jeder Verstärker eine Eingangsklemme 120 und eine Ausgangsklemme 121. Der Aufbau der Dividierstufen 201 und 202 ist ebenfalls an sich bekannt und in Fig. 3 dargestellt. Jede Dividierstufe besitzt danach eine Eingangsklemme 212, eine Ausgangsklemme 213 und eine weitere Eingangsklemme 214 zum Empfang eines Eingangssignals, das bei der Quotientenbildung als Nenner verwendet wird. In diesem Fall ist es das Signal V vom Frequenz/Spannungswandler 5. Der an sich bekannte Aufbau der Addier/Subtrahierstufen 301 bis 304 ist in Fig. 4 dargestellt. Eine Addier/Subtrahierstufe besitzt jeweils einen oder mehrere Additionseingänge 312, einen oder mehrere Subtraktionseingänge 313 sowie einen Ausgang 314. In der Fig. 5 ist der Aufbau der an sich bekannten Integrierstufen 401 bis 404 dargestellt. Sie besitzen jeweils eine Eingangsklemme 412 und eine Ausgangsklemme 413.

Im allgemeinen kann die Bewegung eines Fahrzeugs wenigstens annähernd durch die nachfolgenden Bewegungsgleichungen beschrieben werden. Die auf das Lenksystem bezogene Bewegungsgleichung lautet:

Dagegen lauten die auf den Fahrzeugschwerpunkt bezogenen Bewegungsgleichungen:

In den Gleichungen bedeuten:

I_k = Massenträgheitsmoment um einen Königszapfen bzw. eine Zentralachse,
D_k = Viskositätskoeffizient um den Königszapfen bzw. die Zentralachse,
K_S = Lenkwiderstand bzw. Lenksteifigkeit,
R_S = Lenkwinkel des Lenk- bzw. Steuerrades,
δ = tatsächlicher Lenkwinkel der steuerbaren Straßenräder,
N = gesamtes Lenkübersetzungsverhältnis,
ξ = Nachlauf (pneumatischer und Lenknachlauf),
ϕ = Gierrate bzw. Winkelgeschwindigkeit,
β = Schlupf- bzw. Gleitwinkel des Fahrzeugschwerpunktes,
K_f = vordere Kurvenkraft,
K_r = hintere Kurvenkraft,
l_f = Abstand zwischen der Vorderachse und dem Fahrzeugschwerpunkt,
l_r = Abstand zwischen der Hinterachse und dem Fahrzeugschwerpunkt,
m = Fahrzeugmasse,
I_z = Massenträgheitsmoment um die Gierachse des Fahrzeugs,
V = Fahrzeuggeschwindigkeit.

Die Gleichungen (1), (2) und (3) lassen sich wie folgt umschreiben:

In der Gleichung (1′) werden zweckmäßigerweise folgende Abkürzungen verwendet:

Jede dieser Abkürzungen A₁-A₅ ist eine Konstante. Die Verstärkungen der nichtinvertierten Verstärker 101 bis 105 werden jeweils gleich diesen Konstanten A₁-A₅ eingestellt. Für die Gleichung (2′) können die Ausdrücke A₆, A₇ und A₈ eingeführt werden, die wie folgt lauten:

Entsprechend diesen Ausdrücken, die ebenfalls konstant sind, wird jeweils die Verstärkung der nichtinvertierten Verstärker 106 bis 108 eingestellt.

Die Gleichung (3′) läßt sich durch die konstanten Ausdrücke A₉, A₁₀ und A₁₁ umschreiben, die wie folgt lauten:

Entsprechend diesen Ausdrücken A₉, A₁₀ und A₁₁ wird jeweils die Verstärkung der nichtinvertierten Verstärker 109 bis 111 eingestellt.

Im nachfolgenden wird die Funktionsweise des Referenzeinstellsystems nach Fig. 1 näher erläutert. Der Verstärker 101 liefert zur Addier/Subtrahierstufe 301 ein Signal, das dem Ausdruck A₁ · entspricht. A₁ ist konstant, und ist die Winkelgeschwindigkeit des tatsächlichen Lenkwinkels, d. h. die zeitliche Änderungsrate des tatsächlichen Winkels. Sie wird durch die Integrierstufe 401 bestimmt, wie später noch genauer erläutert wird. Der Verstärker 102 liefert zur Addier/Subtrahierstufe 301 ein Signal, das dem Produkt A₂ · δ entspricht. Dabei ist A₂ konstant, während δ der tatsächliche und durch die Integrierstufe 402 bestimmte Winkel bzw. Lenkwinkel ist, wie ebenfalls später beschrieben wird. Der Verstärker 103 liefert an die Addier/Subtrahierstufe 301 ein Signal, das dem Produkt A₃R_S entspricht. Hierbei ist A₃ eine Konstante, während R_S der Lenkwinkel des Lenk- bzw. Steuerrades ist. Durch den Verstärker 104 wird zur genannten Addier/Subtrahierstufe 301 ein Signal geliefert, das dem Produkt A₄β entspricht. A₄ ist ebenfalls eine Konstante, während β der Schlupfwinkel bzw. Nacheilwinkel des Fahrzeugmassenschwerpunktes ist. β wird durch die Integrierstufe 403 ermittelt. Die Addier/Subtrahierstufe 301 erhält weiterhin vom Verstärker 105 ein Signal A₅ · 1/V wobei A₅ eine Konstante, V die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Gierrate sind. Das Verhältnis aus Gierrate und Fahrzeuggeschwindigkeit V wird durch die Dividierstufe 202 bestimmt. Mit Hilfe dieser fünf Eingangssignale bestimmt die Addier/Subtrahierstufe 301 die Winkelbeschleunigung des tatsächlichen Winkels. Mit Hilfe der Winkelbeschleunigung bestimmt die Integrierstufe 401 die Winkelgeschwindigkeit des tatsächlichen bzw. momentanen Winkels. Aus der Winkelgeschwindigkeit wird mit Hilfe der Integrierstufe 402 der tatsächliche bzw. momentane Winkel δ ermittelt.

Der Verstärker 106 liefert ein Signal, das dem Produkt A₆β entspricht. A₆ ist eine Konstante und β der Schlupfwinkel des Fahrzeugmassenschwerpunktes, der durch die Integrierstufe 403 bestimmt wird. Der Verstärker 107 liefert an seinem Ausgang das Signal A₇δ mit der Konstanten A₇ und dem tatsächlichen Winkel δ, der durch die Integrierstufe 402 ermittelt worden ist. Durch den Verstärker 108 wird ein Signal ausgegeben, das dem Produkt A₈ · 1/V entspricht. A₈ ist konstant, während der Quotient 1/V durch die Dividierstufe 202 gebildet bzw. geliefert wird. Die drei durch die Verstärker 106 bis 108 ausgegebenen Signale werden der Addier/Subtrahierstufe 302 zugeführt, die ihrerseits die algebraische Summe aus den drei Produkten bestimmt, die sie als Eingangssignale empfangen hat. Die genannte algebraische Summe bildet den Klammerausdruck in der Gleichung (2′) und wird nachfolgend in Fig. 1 mit B bezeichnet. Die Summe B wird in der nachfolgenden Dividierstufe 201 durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V dividiert, so daß die Dividierstufe 201 den Quotienten B/V zu Addier/Subtrahierstufe 304 liefert. Diese empfängt andererseits von der Integrierstufe 404 ein Signal , daß der Gierrate bzw. Giergeschwindigkeit (Fahrzeugwinkelgeschwindigkeit) entspricht. Aus dem Quotienten B/V und dem Giersignal bestimmt die Addier/Subtrahierstufe 304 den Ausdruck B/V-, so daß an ihrem Ausgang ein Signal erscheint, das der Winkelgeschwindigkeit des Schlupfwinkels des Fahrzeugschwerpunktes entspricht. Dieser Ausdruck wird durch die Gleichung (2′) beschrieben. Das Ausgangssignal der Addier/Subtrahierstufe 304 wird der Integrierstufe 403 zugeführt, die ihrerseits den Schlupfwinkel β des Fahrzeugschwerpunktes (Massenschwerpunkt) ermittelt.

Der Verstärker 109 liefert an seinem Ausgang ein Signal A₉β, das aus der Konstanten A₉ und dem Schlupfwinkel β des Fahrzeugschwerpunktes gebildet ist. Der Verstärker 110 liefert an seinem Ausgang ein Signal A₁₀δ, das aus der Konstanten A₁₀ und dem tatsächlichen Lenkwinkel δ besteht. Ferner liefert der Verstärker 111 ein Signal A₁₁ 1/V, das dem Produkt aus der Konstanten A₁₁, dem Kehrwert der Fahrzeuggeschwindigkeit 1/V und der Gierrate bzw. Giergeschwindigkeit entspricht. Die durch die Verstärker 109 bis 11 gebildeten Signale werden der Addier/Subtrahierstufe 303 zugeführt, die ihrerseits die Gierbeschleunigung entsprechend der Gleichung (3′) ermittelt. Aus der Gierbeschleunigung bestimmt die Integrierstufe 404 die Giergeschwindigkeit . Die so ermittelte Giergeschwindigkeit wird zur Addier/Subtrahierstufe 304 geliefert. Andererseits wird die durch die Integrierstufe 404 gebildete Giergeschwindigkeit als Target- bzw. Zielwert des Fahrzeugkurvenverhaltens vom Referenzeinstellsystem nach Fig. 1 ausgegeben (Ziel- bzw. Targetwert der Giergeschwindigkeit). Sie wird durch die Dividierstufe 202 andererseits nochmal durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V dividiert, welche ihrerseits das Ergebnis der Division zu den Verstärkern 105, 108 und 111 liefert.

In der Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Fahrzeuglenkeinrichtung (Regeleinrichtung) dargestellt, die ein Referenzeinstellsystem 10 enthält, das dem in Fig. 1 dargestellten Referenzeinstellsystem entspricht. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 dient zur Lenkung der Vorderräder des Fahrzeugs, und zwar zusätzlich zu derjenigen Lenkung, die mit Hilfe eines Lenkgestänges ausgeführt wird. Das System nach Fig. 6 schließt den Fahrzeugkörper 11 ein und besitzt ein Lenksystem 12, einen Sensor 16 zur Erfassung des Fahrzeugverhaltens, beispielsweise einen Sensor zur Messung der Gierrate bzw. Gierwinkelgeschwindigkeit, das bereits in Fig. 1 beschriebene Referenzeinstellsystem 10 zur Bestimmung eines Ziel- bzw. Targetwertes der Gierwinkelgeschwindigkeit, eine Vergleichsstufe 13 zur Bestimmung der Abweichung zwischen der gemessenen und einer ermittelten bzw. berechneten Gierwinkelgeschwindigkeit, eine Steuerung 14 sowie ein Stellglied 15 (Summierpunkt).

Aus dem Lenkwinkel R_S, der über das Lenk- bzw. Steuerrad durch den Fahrzeuglenker vorbestimmt bzw. eingegeben wird, bestimmt das Lenksystem 12 den tatsächlichen eingestellten Lenkwinkel δ aufgrund seines Übersetzungsverhältnisses. Entsprechend diesem Lenkwinkel δ werden die vorderen lenkbaren Räder des Fahrzeugs durch das Lenksystem verstellt. Das Referenzeinstellsystem 10 bestimmt einen Targetwert der Gierwinkelgeschwindigkeit aus der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Lenkwinkel R_S mit Hilfe von auf das Fahrzeug bezogenen Bewegungsgleichungen, wie bereits anhand der Fig. 1 beschrieben worden ist.

Andererseits wird die tatsächliche Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch den Sensor 16 erfaßt. Die Vergleichsstufe 13 bestimmt die Abweichung der erfaßten tatsächlichen Gierwinkelgeschwindigkeit von dem durch das Referenzeinstellsystem 10 bestimmten Targetwert. Im vorliegenden Fall erzeugt die Steuerung 14 ein Steuersignal, das dem Produkt aus der durch die Vergleichsstufe 13 ermittelten Abweichung und einer vorbestimmten konstanten Verstärkung C entspricht. In Übereinstimmung mit diesem Produkt aus der genannten Abweichung und der Konstanten C korrigiert das Stellglied 15 den tatsächlichen und durch das Lenksystem 12 bestimmten Lenkwinkel, um auf diese Weise die genannte Abweichung zu vermindern bzw. auf Null zu führen. Durch das Stellglied 15 werden somit die Vorderräder des Fahrzeugs gelenkt, beispielsweise in Zusammenarbeit mit einem Lenksystem, so daß die tatsächliche Gierwinkelgeschwindigkeit an den Targetwert angenähert wird, wodurch sich ein stabileres Fahrzeugverhalten ergibt, wenn das Fahrzeug durch eine Kurve fährt.

Bei der Fahrzeuglenkeinrichtung nach Fig. 6 wird das dynamische Verhalten des Fahrzeugs beim Durchfahren von Kurven berücksichtigt, und zwar durch den genannten Target- bzw. Zielwert der Gierwinkelgeschwindigkeit . Das Fahrzeug besitzt daher nicht nur dann eine optimale Lenkcharakteristik, wenn es mit kleiner Lenkgeschwindigkeit und gleichförmig durch Kurven geführt wird, sondern auch dann, wenn starke Bewegungsänderungen auftreten und die Lenkgeschwindigkeit hoch ist.

Selbstverständlich kann das System nach Fig. 1 zur Erzeugung eines Targetwertes auch die Lateralbeschleunigungen des Fahrzeugs oder andere Parameter heranziehen, ohne daß es unbedingt erforderlich ist, als Targetwert die Gierwinkelgeschwindigkeit (Gierrate) zu verwenden. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die in Fig. 6 dargestellte Fahrzeuglenkeinrichtung beschränkt. Sie läßt sich vielmehr auch in anderen Fahrzeugsteuereinrichtungen einsetzen, beispielsweise in solchen, die zur Steuerung bzw. Einstellung der Bremskraft dienen, die auf Vorder- und Hinterräder des Fahrzeugs verteilt wird. Derartige Steuereinrichtungen sind beispielsweise in allradgetriebenen Fahrzeugen vorhanden. Im zuletzt genannten Fall wird erreicht, daß durch die Erfindung die Lenkcharakteristik stabilisiert wird, wenn Schlupferscheinungen während der Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs oder Kräfteveränderungen am Fahrzeug aufgrund von Gewichtsverschiebungen, wenn das Fahrzeug durch Kurven fährt, auftreten.

Das Referenzeinstellsystem nach Fig. 1 ist durch analoge Elemente aufgebaut. Selbstverständlich ist es auch möglich, hierfür digital arbeitende Schaltungen zu verwenden, beispielsweise einen Mikrocomputer.

In der Fig. 7 ist eine Abwandlung des Referenzeinstellsystems nach Fig. 1 dargestellt. Während des Betriebs erzeugt jede Integrierstufe 401 bis 404 (vgl. Fig. 1 bis 5) eine gewisse Abweichung bzw. Drift und addiert diese auf. Durch diese Drift (Fehlerdrift) besteht die Gefahr, daß der Targetwert des Fahrzeugverhaltens in nicht gewünschter Weise vergrößert wird. Durch die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 läßt sich eine derartige Fehlerdrift bei den Integrierstufen 401 bis 404 vermeiden. Dazu besitzt jede Integrierstufe 401 bis 404 einen elektronischen Schalter 415, der parallel zu einem Rückkopplungskondensator 414 der jeweiligen Integrierstufe 401 bis 404 liegt. Ferner ist mit der Hauptbetriebseinheit 3 ein Detektor 416 verbunden, der eingangsseitig ein Signal vom Lenkwinkelsensor 1 empfängt und mit seinem Ausgangssignal die genannten elektronischen Schalter 415 einschaltet. Der Detektor 416 erzeugt dann ein Ausgangssignal, wenn sich das Fahrzeug entlang einer Geraden bewegt.

Der Detektor 416 enthält einen Mikrocomputer mit einer Zeitsteuereinrichtung. Er überwacht die Pulssignals S_S, die eine Frequenz proportional zum Lenkwinkel des Lenk- bzw. Steuerrades besitzen. Aufgrund dieser Signale bestimmt er, ob das Fahrzeug geradeaus fährt oder nicht. Dazu wird festgestellt, ob der Lenkwinkel R_S in vorbestimmten Zeiträumen von z. B. 2 Sekunden innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches von z. B. ±10° bleibt. Stellt der Detektor 416 fest, daß das Fahrzeug nicht entlang einer geraden Strecke fährt, so hält er die elektronischen Schalter 415 in ausgeschaltetem Zustand. Die Integrierstufen 401 bis 404 sind dann zusammen mit den anderen Elementen der Hauptbetriebseinheit 3 in der Lage, das vorgeschriebene bzw. Sollfahrzeugverhalten zu ermitteln. Fährt das Fahrzeug dagegen geradeaus und ist es nicht erforderlich, das Ziel- bzw. Sollfahrzeugverhalten zu bestimmen, so veranlaßt der Detektor 416, daß die Schalter 415 der Integrierstufe 401 bis 404 geschlossen werden. Die Integrierstufen 401 bis 404 werden dadurch zurückgesetzt. Hierdurch werden Fehler bei der Berechnung des Sollfahrzeugverhaltens vermieden, die außerhalb eines nicht mehr zulässigen Bereiches liegen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Eigenschaften der Hauptbetriebseinheit 3 in Abhängigkeit mit der Lenkgeschwindigkeit eingestellt werden, so daß auf diese Weise die Richtungsstabilität des Fahrzeugs verbessert wird, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt und die Lenkgeschwindigkeit klein ist, während andererseits das Antwortverhalten des Fahrzeugs verbessert wird, wenn die Lenkgeschwindigkeit groß ist.

Im allgemeinen wird das Antwortverhalten des Fahrzeugs schlechter, wenn das Massenträgheitsmoment I_z um die Gierachse nach Gleichung (3) ansteigt. Dagegen wird es besser, wenn das Massenträgheitsmoment I_z abnimmt. Das tatsächliche Massenträgheitsmoment I_z ist eine mathematische Größe mit konstantem Wert und ist von Fahrzeug zu Fahrzeug verschieden. Das System der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist so ausgebildet, daß es die Eigenschaften der Hauptbetriebseinheit 3 durch Änderung des Wertes des Massenträgheitsmoments I_z bei der Berechnung verändern kann.

Die oben erwähnte Gleichung (3′) kann wie folgt umgeschrieben werden:

Dabei lassen sich folgende Abkürzungen einführen:

Die Größen A₁₂ bis A₁₄ sind Konstanten. Bei dem genannten Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind die nichtinvertierten Verstärker 109 bis 111 gemäß Fig. 1 durch nichtinvertierte Verstärker 112 bis 114 ersetzt, die jeweils eine Verstärkung besitzen, die einer Konstanten A₁₂ bis A₁₄ entspricht. Darüber hinaus befindet sich ein nichtinvertierter Verstärker mit variabler Verstärkung entsprechend dem Wert A₁₅ zwischen der Addier/Subtrahierstufe 303 und der Integrierstufe 404.

Die Schaltung nach Fig. 8 besitzt eine Differenzierstufe 20 und eine weitere Vergleichsstufe 21. Die Differenzierstufe 20 differenziert den Lenkwinkel R_S und überträgt ein Signal |_S| an die negative Eingangsklemme der Vergleichsstufe 21 als Lenkgeschwindigkeit, welches dem Absolutbetrag der zeitlichen Änderung des Lenkwinkels R_S entspricht. An den positiven Eingang der Vergleichsstufe 21 wird ein Referenzsignal angelegt, das einem Referenzwert _R der Lenkgeschwindigkeit entspricht. Die Vergleichsstufe 21 sendet ein Verstärkungssteuersignal S_G zu dem Verstärker 115, dessen Verstärkung veränderbar ist, wenn der Absolutwert |_S| der tatsächlichen Lenkgeschwindigkeit gleich oder kleiner als der Referenzwert _R ist.

Die Fig. 9 zeigt in beispielsweiser Ausführungsform den Aufbau des Verstärkers 115 mit variabler Verstärkung. In diesem Fall ist die Schaltung nach Fig. 2B um einen Widerstand R₃ und einen elektronischen Schalter 122 ergänzt, so daß das Verstärkungssteuersignal S_G steuerbar ist. Widerstand R₃ und Schalter 122 liegen in Reihe und parallel zu einem Rückkopplungswiderstand R₂ des Verstärkers 115. Je nachdem, ob der elektronische Schalter 122 geschlossen oder geöffnet ist, bestimmt der Verstärker 115 das Verhältnis zwischen Eingang D und Ausgang , das durch nachfolgende Gleichungen unter der Voraussetzung bestimmt ist, daß die Widerstände R_S und R_f in Fig. 9 untereinander gleich sind (R_S=R_f). Ist der elektronische Schalter 122 eingeschaltet, gilt:

Ist dagegen der elektronische Schalter 122 ausgeschaltet bzw. offen, so gilt:

Im nachfolgenden wird die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 8 näher erläutert. Die Verstärker 112 bis 114 liefern jeweils die Produkte A₁₂β, A₁₃δ und A₁₄ 1/V als Signale zur Addier/Subtrahierstufe 303, welche die algebraische Summe D dieser drei Produkte bestimmt. Die genannte algebraische Summe D stellt den gesamten Klammerausdruck in Gleichung (3′′) dar. Das Ergebnis (Summe D) gelangt zum Verstärker 115. Dieser Verstärker 115 multipliziert die Summe D mit dem Verstärkungsfaktor

wenn der elektronische Schalter 122 geschlossen ist, oder mit dem Verstärkungsfaktor

wenn der elektronische Schalter 122 geöffnet ist. Auf diese Weise wird am Ausgang des Verstärkers 115 die Gierwinkelbeschleunigung erhalten. Sie wird in derselben Weise wie beim System nach Fig. 1 verarbeitet.

Ist die Lenkgeschwindigkeit |_S| (Ausgang der Differenzierstufe 20) kleiner als der Referenzwert _R, so wird der elektronische Schalter 122 eingeschaltet bzw. geschlossen. Die Verstärkung A₁₅ des Verstärkers 115 ist abgesenkt. Dementsprechend liefert der Verstärker 115 an seinem Ausgang eine Gierwinkelbeschleunigung , die einem Fahrzeug mit einem großen Massenträgheitsmoment um die Gierachse entspricht. Die Hauptbetriebseinheit 3 liefert somit nur eine relativ kleine und diesem Fahrzeug zugeordnete Target- bzw. Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit . Ist die Lenkgeschwindigkeit |_S| größer als der Referenzwert R_R, so wird durch den elektronischen Schalter 122 die Verstärkung A₁₅ des Verstärkers 115 erhöht, so daß dieser ein Ausgangssignal bzw. eine Gierbeschleunigung liefert, wie sie einem Fahrzeug mit einem kleineren Massenträgheitsmoment um die Gierachse zugeordnet ist. Als Ergebnis steigt daher die Ziel- bzw. Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit entsprechend.

Wird das Referenzeinstellsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 in einer Fahrzeuglenkeinrichtung nach Fig. 6 verwendet, so läßt sich ein besonders gutes Fahrzeug- bzw. Lenkverhalten erreichen, indem die Anforderungen an den Sollzustand bei kleinen Lenkgeschwindigkeiten vermindert werden. Andererseits läßt sich bei hohen Lenkgeschwindigkeiten ein hohes Fahrzeugansprechvermögen durch Erhöhung der Anforderungen an den Sollzustand erhalten.

Beim genannten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 kann die Verstärkung des Verstärkers 115 zwischen zwei Werten verändert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Eigenschaften der Hauptbetriebseinheit genau und durch Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 115 zwischen drei oder mehreren Werten einzustellen. Die Einstellung kann dabei durch schrittweise oder kontinuierliche Veränderung des Verstärkungsgrades als Funktion der Lenkgeschwindigkeit |_S| erfolgen. Andererseits können auch zusätzlich zum Verstärker 115 oder allein die Betriebseigenschaften anderer Elemente der Hauptbetriebseinheit 3 verändert werden, um ein gewünschtes Verhalten der Hauptbetriebseinheit 3 zu erzielen.

Claims

1. Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit

- einer ersten Sensoreinrichtung (1, 4) zur Ermittlung eines Lenkwinkels (R_S),
- einer zweiten Sensoreinrichtung (2, 5) zur Ermittlung einer Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und
- einer mit der ersten und zweiten Sensoreinrichtung (1, 4 bzw. 2, 5) verbundenen Hauptbetriebseinheit (3) zur Bestimmung eines Kurven-Sollverhaltens des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel (R_S) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (V), dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) so ausgebildet ist, daß sie das Kurven-Sollverhalten in Echtzeit durch Lösung von einer Fahrzeuggierbewegungen beschreibenden Differentialgleichung und einer Fahrzeugseitbewegungen beschreibenden Differentialgleichung bestimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) so ausgebildet ist, daß sie weiterhin eine Differentialgleichung zweiter Ordnung löst, die die dynamische Charakteristik eines Fahrzeugsteuersystems repräsentiert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) so ausgebildet ist, daß sie durch Lösen der Differentialgleichung für die Fahrzeugseitbewegung ein den Fahrzeugseitbewegungs-Winkel anzeigendes Signal erzeugt, weiterhin durch Lösen der Gleichung für Gierbewegungen ein entsprechendes, eine Fahrzeuggierrate anzeigendes Signal ermittelt sowie durch Lösen der Differentialgleichung zweiter Ordnung ein einen Fahrzeuglenkwinkel anzeigendes Signal bestimmt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) Speichereinrichtungen (101 bis 105) zur Speicherung vorbestimmter konstanter Faktoren (A₁ bis A₁₅) aufweist, die in den Differentialgleichungen auftreten.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) integrierende Einrichtungen (401 bis 404) zur Lösung der Differentialgleichungen sowie Rücksetzeinrichtungen aufweist, die die integrierenden Einrichtungen rücksetzen, wenn der Betrag des gemessenen Lenkwinkels während eines vorbestimmten Zeitintervalls kleiner bleibt als ein vorbestimmter Wert.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) eine Einrichtung (20, 21) zur Bestimmung der Lenkgeschwindigkeit (|_S|), welche sich durch Änderung des Lenkwinkels (R_S) pro Zeiteinheit ergibt, und zur Einstellung eines Parameters aufweist, der in einer der Differentialgleichungen in Abhängigkeit von der Lenkgeschwindigkeit auftritt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 21) so ausgelegt ist, daß der den Reziprokwert des Trägheitsmomentes für Fahrzeuggierbewegungen repräsentierende Parameter gleich einem niedrigen Wert ist, wenn die Lenkgeschwindigkeit gleich oder kleiner ist als ein vorbestimmter Bezugswert und gleich einem hohen Wert ist, welcher höher liegt als der niedrige Wert, wenn die Lenkgeschwindigkeit höher ist als der vorbestimmte Bezugswert.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebseinheit (3) folgende Teile aufweist:

- eine erste Multiplizierstufe (101), an der ein die Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels der Räder anzeigendes Signal anliegt und die ein erstes Signal erzeugt, daß durch Multiplikation der Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels der Räder mit einem ersten vorbestimmten konstanten Faktor (A₁) entsteht,
- eine zweite Multiplizierstufe (102), an der ein den Lenkwinkel der Räder anzeigendes Signal anliegt, zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches durch Multiplikation des Lenkwinkels der Räder mit einem zweiten vorbestimmten konstanten Faktor (A₂) entsteht,
- eine dritte Multiplizierstufe (103), an der das Lenkwinkelsignal der ersten Sensoreinrichtung (1, 4) anliegt, zur Erzeugung eines dritten Signals, welches durch Multiplikation des Lenkwinkels mit einem dritten vorbestimmten konstanten Faktor (A₃) entsteht,
- eine vierte Multiplizierstufe (104), an der ein Signal entsprechend dem seitlichen Versatzwinkel anliegt, zur Erzeugung eines vierten Signals, welches durch Multiplikation des seitlichen Versatzwinkels mit einem vierten vorbestimmten konstanten Faktor (A₄) entsteht,
- eine fünfte Multiplizierstufe (105), an der ein das Verhältnis (/V) einer Fahrzeuggierrate zu einer Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigendes Signal anliegt, zur Erzeugung eines fünften Signals, welches durch Multiplikation des Verhältnisses mit einem fünften vorbestimmten konstanten Faktor (A₅) entsteht,
- einen ersten Summierer (301), an welchem die ersten bis fünften Signale anliegen, zur Erzeugung eines ersten algebraischen Summensignals, welches durch Subtraktion des ersten und zweiten und durch Addition des dritten, vierten und fünften Signals entsteht,
- einen ersten Integrator (401), an dem das erste algebraische Summensignal anliegt, zur Erzeugung des Signals für die Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels der Räder,
- einen zweiten Integrator (402), an dem das Signal der Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels der Räder anliegt, zur Erzeugung eines den Lenkwinkel der Räder anzeigenden Signals, welches das zeitliche Integral der Winkelgeschwindigkeit des Lenkwinkels der Räder darstellt,
- eine sechste Multiplizierstufe (106), an der das Signal für den seitlichen Versatzwinkel anliegt, zur Erzeugung eines sechsten Signals, welches durch Multiplikation des seitlichen Versatzwinkels mit einem sechsten vorbestimmten konstanten Faktor (A₆) entsteht,
- eine siebte Multiplizierstufe (107), an der das Lenkwinkelsignal des zweiten Integrators (402) anliegt, zur Erzeugung eines siebten Signals, welches durch Multiplikation des Lenkwinkels der Räder mit einem siebten vorbestimmten konstanten Faktor (A₇) entsteht,
- eine achte Multiplizierstufe (108), an der das Verhältnissignal anliegt, zur Erzeugung eines achten Signals, welches durch Multiplikation des Verhältnisses mit einem achten vorbestimmten konstanten Faktor (A₈) entsteht,
- eine zweiten Summierer (302), an dem die sechsten, siebten und achten Signale anliegen, zur Erzeugung eines Signals entsprechend einer zweiten algebraischen Summe (B), die durch Addition des siebten Signals sowie Subtraktion des sechsten und achten Signals entsteht,
- einen ersten Dividierer (201), an dem das zweite algebraische Summensignal und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal anliegt, zur Erzeugung eines ersten Quotienten (B/V), der durch Division des zweiten algebraischen Summensignals durch die Fahrzeuggeschwindigkeit entsteht,
- einen Subtrahierer (304), an dem das erste Quotientensignal und das eine Fahrzeuggierrate repräsentierende Signal anliegt, zur Erzeugung eines Signals, welches die Winkelgeschwindigkeit (β) einer seitlichen Gleitbewegung anzeigt, welches durch Subtraktion der Gierrate von dem ersten Quotienten entsteht,
- einen dritten Integrator (403), an dem das die Winkelgeschwindigkeit der seitlichen Gleitbewegung repräsentierende Signal anliegt, zur Erzeugung eines Signals, welches den seitlichen Gleitwinkel (β) eines Fahrzeugs repräsentiert, welcher sich aus dem zeitlichen Integral der Winkelgeschwindigkeit der seitlichen Gleitbewegung ergibt,
- eine neunte Multiplizierstufe (109, 112), an der das Signal des dritten Integrators (403) anliegt, zur Erzeugung eines neunten Signals, welches durch Multiplikation des seitlichen Gleitwinkels mit einem neunten vorbestimmten konstanten Faktor (A₉) entsteht,
- eine zehnte Multiplizierstufe (110, 113), an der das den Lenkwinkel der Räder entsprechende Signal des zweiten Integrators (402) anliegt, zur Erzeugung eines zehnten Signals, welches durch Multiplikation des Lenkwinkels mit einem zehnten vorbestimmten konstanten Faktor (A₁₀) entsteht,
- eine elfte Multiplizierstufe (111), an der das Verhältnissignal anliegt, zur Erzeugung eines elften Signals, welches durch Multiplikation des Verhältnisses mit einem elften vorbestimmten konstanten Faktor (A₁₁) entsteht,
- einen dritten Summierer (303, 115), an dem das neunte, zehnte und elfte Signal anliegt, zur Erzeugung eines Gier-Beschleunigungssignals, welches proportional zu einer dritten algebraischen Summe ist, die aus der Subtraktion des neunten, der Addition des zehnten und der Subtraktion des elften Signals entsteht,
- einen vierten Integrator (404), an dem das Gier-Beschleunigungssignal anliegt, zur Erzeugung eines Signals, das die Gierrate anzeigt, die das zeitliche Integral der Gier-Beschleunigung darstellt, und
- einen zweiten Dividierer (202), an dem das die Gierrate darstellende Signal sowie ein die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigendes Signal anliegt, zur Erzeugung eines Signals, welches durch Division der Gierrate durch die Fahrzeuggeschwindigkeit entsteht.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Steuereinrichtung das Signal mit der Gierrate von der Hauptbetriebseinheit (3) anliegt, zur Erzeugung eines Steuersignals und daß eine Vorrichtung zur Veränderung eines tatsächlichen Lenkwinkels der Räder des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem Steuersignal vorgesehen ist.