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Dokumentenidentifikation DE69615640T2 18.04.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0778660
Titel Servolenkungssystem
Anmelder Ford Motor Co. Ltd., Brentwood, Essex, GB;
Ford-Werke AG, 50735 Köln, DE;
Ford France S.A., Rueil-Malmaison, FR
Erfinder Miller, John Michael, Saline, Michigan 48176, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69615640
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.11.1996
EP-Aktenzeichen 963085170
EP-Offenlegungsdatum 11.06.1997
EP date of grant 04.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.04.2002
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
IPC-Nebenklasse B62D 5/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit Servolenksystemen mit einem Elektromotor zur Erzeugung einer Lenkhilfskraft zwecks Erhöhung des von einem Betreiber eines Kraftfahrzeuges an einem Lenkrad angelegten Drehmomentes, und insbesondere auf den Einsatz von Elektromotoren mit kontrollierbar Läuferinduktionsfeldern, wie z. B. Induktionsmotoren und Reluktanzsynchronmotoren, und die Steuerung der induzierten Läuferfeldstärken in solchen Motoren zur Senkung des Leistungsverbrauches von Servolenkanlagen.

Elektrische Servolenkungen (EPAS - electric power assisted steering) wurden dazu entwickelt, die Steuerbarkeit der Lenkung zu verbessern, Systemkosten zu senken, und zu einem kleinen Teil zur Verbesserung der Kraftstoffersparnis gegenüber hydraulischen Lenkhilfssystemen. Eine Vielzahl von Elektromotoren ist für den Einsatz in EPAS verfügbar, von Permanentmagnet-Bürsten- oder bürstenlosen Motoren über Schaltreluktanz- und Synchronreluktanzmotoren bis zu Induktionsmotoren. Die körperliche Größe spricht für den Permanentmagnetmotor, wohingegen die Kosten Reluktanz- und Induktionsmotoren begünstigen. Auch die Sanftheit im Betrieb begünstigt Synchronreluktanzmotoren und Induktionsmotoren, weil EPAS kein externes "Rauschen" und Vibrationen ins Lenkrad einleiten sollen, und Schaltreluktanzmotoren haben in der Regel mehr Drehmomentruckeln als das, was für den Einsatz in EPAS erwünscht ist.

Wenn nun auch Kosten und Sanftheit im Betrieb eher für Synchronreluktanzmotoren und für Induktionsmotoren gegenüber anderen für EPAS verwendbaren Motoren sprechen, erfordern Synchronreluktanzmotoren und Induktionsmotoren eine externe Stromversorgung für die Bestromung und die Aufrechterhaltung des Stromes im Läufer des Motors. Wenn also Synchronreluktanzmotoren und/ oder Induktionsmotoren für EPAS eingesetzt werden sollen, besteht ein Bedarf an einer Senkung des von diesen Motoren für die Läufer- oder Rotorerregung verbrauchten Stromes.

US-A-4 875 539 beschreibt ein Steuersystem für eine elektrische Servolenkung mit einem Elektromotor, welcher über ein Getriebe eine Hilfskraft für das Lenksystem eines Kraftfahrzeuges liefert. Eine Steuerung steuert den Motoreingang in Abhängigkeit vom Ausgang eines auf einer Lenkwelle angebrachten Drehmomentgebers sowie vom Ausgangswert eines Fahrzeuggeschwindigkeitsgebers. Eine Batterie liefert Strom an die Steuerung, und ein Spannungsverstärkungsmittel ist so an der Batterie angeschlossen, daß es den Motor mit einer höheren Spannung als die Batteriespannung betreibt. Der Motor kann ein Induktionsmotor sein.

EP-A-0 683 086 beschreibt ein Steuersystem für eine durch einen Elektromotor unterstützte Lenkanlage für ein Kraftfahrzeug. Ein Drehmomentsensor liefert hier ein Drehmomentsignal, das ein angelegtes Lenkmoment anzeigt, und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor liefert ein Geschwindigkeitssignal, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt. Ein mit dem Drehmomentsensor und dem Geschwindigkeitssensor verbundener Mischfilter liefert ein gefiltertes Drehmomentmischsignal mit einer ersten Funktionscharakteristik bei Drehmomentfrequenzen unter einer Mischfrequenz, und mit einer zweiten Funktionscharakteristik bei Drehmomentfrequenzen über der Mischfrequenz, wobei die Mischfrequenz in Relation zur Fahrzeuggeschwindigkeit steht. Eine Steuerung liefert ein Steuersignal an den Elektromotor in Reaktion auf das gefilterte Drehmomentmischsignal. Der Filter wirkt derart, daß das Drehmomentsignal so gefiltert wird, daß im Betrieb des Systems eine auswählbare Systembandbreite eingehalten wird.

Die vorliegende Erfindung liefert ein elektromotorisch getriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug, das folgendes aufweist:

einen Elektromotor mit einem regelbaren Läuferinduktionsfeld;

einen Kupplungsmechanismus zur Kupplung einer Abtriebswelle des besagten Elektromotors an das Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges;

einen mit besagtem Kraftfahrzeug gekoppelten Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zur Erfassung der Betriebsgeschwindigkeit des besagten Fahrzeuges, und zur Erzeugung repräsentativer Geschwindigkeitssignale; und

eine Motorsteuerung, welche auf besagte Geschwindigkeitssignale in der Weise anspricht, daß sie das Läuferinduktionsfeld des besagten Elektromotors als Funktion der Betriebsgeschwindigkeit des besagten Kraftfahrzeuges steuert;

dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung eine Fluß- Geschwindigkeit-Kurve beinhaltet, die wenigstens zwei teilweise kontinuierliche Abschnitte aufweist.

Der Elektromotor kann von einem Induktionsmotor oder von einem Synchron-Reluktanzmotor gebildet werden. Strom wird dadurch gespart, daß die Läuferinduktionsfelder oder der Läuferfluß in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines das Servolenksystem beinhaltenden Kraftfahrzeuges zugeschnitten werden.

Im einzelnen werden ein oder mehrere Magnetflußprogramme oder Kennfelder für das Servolenksystem bereitgestellt, wobei auf das Fluß-Kennfeld bzw. -Programm zugegriffen wird bzw. dieses adressiert wird über die Fahrzeuggeschwindigkeit. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges mit niedriger Geschwindigkeit, z. B. bei einem Einparkmanöver, wo die Geschwindigkeit fast null ist und die Lenkkräfte nahe an oder auf ihrem Maximum liegen, ist der Fluß im Läufer auf sein Maximum programmiert. Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb, z. B. beim Autobahn- oder Landstraßenbetrieb des Kraftfahrzeuges, ist der Fluß im Läufer auf einen niedrigen Wert programmiert, so daß interne Verlustmechanismen im Lenkhilfsmotor und der Motorsteuerung minimiert werden, und doch genug Läufermagnetfluß geboten wird, um auf Lenkkraftforderungen wie Fahrspurwechsel, Hindernisvermeidung u. ä. reagieren zu können. Verschiedene Übergangsgeschwindigkeiten und Übergangsmagnetflußgrößen schaffen sanfte Übergänge zwischen hohen Flußpegeln und niedrigen Flußpegeln.

Die vorliegende Erfindung bietet eine verbesserte Servolenkung für Kraftfahrzeuge, bei der die Lenkhilfskraft von Elektromotoren mit regelbaren Läuferinduktionsfeldern geliefert wird, und worin zur Senkung des Stromverbrauches in solchen Motoren induzierte Läuferfeldstärken oder Rotormagnetflußgrößen in Abhängigkeit von den Geschwindigkeiten des mit diesem Servolenksystem ausgerüsteten Kraftfahrzeuges programmiert werden.

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:

Fig. 1: ein schematisches Blockdiagramm einer elektrisch betriebenen Servolenkanlage (EPAS - electric power assisted steering) für ein Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: einen Graphen von Flußprogrammen bzw. -Kennfeldern und einer Lenkmomentkurve für das EPAS-System aus Fig. 1;

Fig. 3: ein schematisches Blockdiagramm eines Teils der Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung der Fig. 1;

Fig. 4: ein Vektordiagramm, welches die Dreiphasen-Statorströme aus Fig. 5 veranschaulicht;

Fig. 5: einen Graphen von Dreiphasen-Statorströmen in einem Induktionsmotor; und

Fig. 6: einen Graphen, welcher zwei Schlupfkurven für den Induktionsmotor aus Fig. 1 zeigt.

Es sei nun Bezug genommen auf Fig. 1. Diese zeigt schematisch eine elektrische Servolenkanlage (EPAS - electric power assisted steering) 100, die eine Geschwindigkeitsnachführung eines induzierten Läuferfeldes in einem die Lenkhilfskraft liefernden Elektromotor 102 beinhaltet. Der Elektromotor 102 hat ein regelbares Läuferinduktionsfeld; im allgemeinen wird ein Induktionsmotor bevorzugt, und die Erfindung wird mit Bezugnahme auf einen Induktionsmotor beschrieben; es kann aber auch ein Synchron-Reluktanzmotor in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Das System 100 beinhaltet ein Lenkrad 104, das über eine Lenkwelle 108 funktional mit einem Zahnritzel 106 verbunden ist. Mit der Lenkwelle 108 ist ein Drehmomentsensor 110 zur Messung des von einem Betreiber des mit dem System 100 ausgestatteten Kraftfahrzeuges am Lenkrad 104 angelegten Drehmomentes Tstr gekuppelt.

Motor 102 beinhaltet eine Abtriebswelle 112, welche über ein Getriebe 114 mit der Lenkwelle 108 gekuppelt ist. Das von der Lenkwelle 108 angetriebene Zahnritzel 106 steht in Antriebseingriff mit einem linearen Lenkungsglied bzw. einer Zahnstange 116, die in herkömmlicher Weise mit (nicht dargestellten) Lenkrädern verbunden ist.

Ein herkömmlicher Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 118, der mit einem Getriebe oder einem oder mehreren Rädern des das System 100 aufweisenden Fahrzeuges gekoppelt ist, liefert Fahrzeuggeschwindigkeitssignale, die an einer Steuerung 120 für den Fahrzeugtriebstrang angelegt werden. Die Triebstrangsteuerung 120 verarbeitet die Fahrzeuggeschwindigkeitssignale zur Erzeugung von geschwindigkeitsabhängigen Adreßsignalen für eine Fluß- Kennfeld-Tabelle 122, welche wenigstens ein geschwindigkeitsabhängiges Flußprogramm oder -Kennfeld für den Betrieb des Motors 102 enthält, wie später noch beschrieben wird.

Die Steuerung 120 liefert auch ein Servolenkbefehlssignal, das ein Relais 124 so betätigt, daß das EPAS-System 100 aktiviert oder deaktiviert wird, indem Strom von einem Stromwandler und einer Induktionsmotorsteuerung 126 zugeführt oder unterbrochen wird. Dadurch kann das EPAS-System 100 auch mit ausgeschalteter Zündung oder stehendem Motor betrieben werden, im Gegensatz zu hydraulischen Systemen, die es ersetzt. Zusätzlich ermöglicht es der Fahrzeugtriebstrang-Steuerung 120, das EPAS- System 100 im Falle eines Fehlers im System 100 abzuschalten.

Die Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 beinhaltet Sensoren zur Bestimmung der Flußwellenform λdr im Läufer bzw Rotor des Motors 102, des Querstromes Iq und/oder zur Überwachung der Geschwindigkeit ωr und des Drehmomentes Tr der Abtriebswelle 112 von Motor 102 über mit dem Getriebe 114 verbundene oder in sonstiger Weise dem Motor 102 oder der Abtriebswelle 102 zugeordnete Sensoren. Die Flußwellenform λ wird über eine Leitung 132 einem elektromagnetischen Drehmomentrechner (EM) 128 und einem Proportional-Integral-Ableitungs-Flußregler (PID) 130 zugeführt. Der PID-Flußregler erzeugt ein Magnetfluß- Befehlssignal Ide*.

Der EM-Drehmomentrechner 128 empfängt auch den Querstrom Iq über eine Leitung 134. Zur Bestimmung des EM-Drehmomentes führt der Drehmomentrechner 128 folgende Rechenfunktion aus:

Tem = (3/2)(P/2)(Lm/Lr)λdrIq (Nm)

wobei P die Anzahl der Pole des Motors 102 ist, Lm die Magnetisierungsinduktivität des Motors 102, und Lr die Rotorinduktivität des Motors 102. Im EM-Drehmomentrechner werden keine Reibungseffekte berücksichtigt.

Das von einem Fahrer des mit dem System 100 ausgestatteten Kraftfahrzeuges am Lenkrad 104 aufgebrachte Drehmoment Tstr, das vom Drehmomentsensor 110 erfaßt wird, wird einer Summenschaltung 136 zugeführt. Die Summenschaltung 136 empfängt auch das EM- Drehmoment Tem, das von dem EM-Drehmomentrechner 128 berechnet wurde, und zieht das EM-Drehmoment Tem vom gemessenen Drehmoment Tstr ab. Das resultierende Fehlersignal wird einem PID-Drehmomentregler 137 zugeführt, der ein Soll-Drehmomentsignal erzeugt und einer Summenschaltung 138 zuführt.

Ein Sättigungsrechner 139 schätzt eine Rotorfluß-Zeitkonstante τr = Lr/Rr, d. h. die Rotorinduktivität über dem Rotorwiderstand und die Magnetisierungsinduktivität Lm ausgehend von der Gleichung:

λdr(Ide*) = a1(1-exp(-a2*Ide*))

Lm = λdr(Ide*)/Ide*

τr = Lr(Ide*)/R2

wo a1 und a2 Konstanten und R2 des temperaturabhängige Widerstand des Motors sind. Für einen in einer funktionsfähigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten 500-Watt- Induktionsmotor war a1 = 0,05, a2 = 0,035 und R2 = 0,018 @ 25ºC. Es ist festzuhalten, daß die von dem Sättigungsrechner 139 erzeugten Schätzwerte von dem EM-Drehmomentrechner 128 verwendet werden.

Ein Trägheitsausgleich 140 empfängt die Geschwindigkeit ωr der Abtriebswelle 112 des Motors 102 zur Erzeugung eines die Rotorträgheit des über das Getriebe 114 mit der Lenkwelle 108 gekuppelten Motors 102 darstellenden Signales. Die Gegenwart von Rotorträgheit macht sich im Lenkrad 104 nur soviel wie die zusätzliche Trägheit eines Luftsackes im Lenkrad 104 bemerkbar. Der Trägheitsausgleicher 140 verwendet eine geschätzte Rotorbeschleunigung, die dadurch hergeleitet wird, daß man die Ableitung der geschätzten Rotordrehzahl nimmt, d. h. der Geschwindigkeit ωr der Abtriebswelle 112 von Motor 102, und die geschätzte Rotorbeschleunigung mit der Rotorträgheit multipliziert, wobei das Ergebnis in der Summenschaltung 138 zu dem Soll-Drehmomentsignal addiert wird, so daß das Drehmomentbefehlssignal Iqe* erzeugt wird, das der Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 zugeführt wird.

Die Grundlagen der Betriebssteuerung für den Motor 102, ob nun wie dargestellt ein Induktionsmotor oder ein Synchron- Reluktanzmotor verwendet wird, entsprechen bekannten Betriebstechniken, wie Feldrichtungssteuerung und verschiedene Skalarsteuerungsverfahren, so daß nur die Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 aus Fig. 1 nachstehend zur Erklärung der Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung noch näher erläutert werden muß. Der vorliegenden Erfindung zufolge wird das induzierte Feld des Läufers bzw. Rotors von Motor 102 über ein geschwindigkeitsabhängiges Flußprogramm oder -Kennfeld gesteuert, das in der Fluß-Kennfeldtabelle 122 abgelegt ist.

Bei Einsatz eines Induktionsmotors oder eines Synchron- Reluktanzmotors im EPAS-System ist eine konstante Erregung des Motorläufers bzw. -Rotors über einen Stromwandler erforderlich, um den Rotorflußpegel aktiv und bereit für sofortiges Ansprechen zu halten. Wichtig ist dabei, einen hohen Flußpegel bei niedrigen Geschwindigkeiten aufrecht zu erhalten, z. B. zur Lenkunterstützung bei Einparkmanövern oder anderen Manövern mit niedriger Geschwindigkeit. Bei hohen Geschwindigkeiten ist kein hoher Flußpegel erforderlich. Da ein kleiner Motor mit 200 oder 500 Watt an der Welle im EPAS-System 100 eingesetzt werden kann, und da solche Motoren kleine Rotorfluß-Zeitkonstanten im Bereich von 30 bis 90 Millisekunden haben, wird erfindungsgemäß der Rotormagnetfluß der Geschwindigkeit des mit dem System 100 ausgestatteten Fahrzeuges entsprechend angepaßt.

Die Fluß-Kennfeldtabelle 122 verbindet somit eine Fahrzeuggeschwindigkeit V mit einer angemessenen Rotorbetriebsflußhöhe λdr für den Motor 102 des EPAS-Systems 100 und beinhaltet wenigstens ein Flußprogramm für diesen Zweck, d. h. für den Betrieb des Motors 102. Die Fluß-Kennfeldtabelle 122 ist vorzugsweise so programmiert, daß sie eine Anzahl von statistischen fahrerverhaltensabhängigen und/oder einsatzabhängigen Flußprogrammen enthält. Die Flußprogramme können dann für einen gegebenen Fahrer gewählt werden und geändert werden, wenn ein mit dem EPAS- System 100 ausgestattetes Fahrzeug von mehreren anderen Benutzern oder für verschiedene andere Einsatzzwecke gefahren wird, oder auch an einen neuen Eigentümer verkauft wird.

Werden feldorientierte Steuerungen oder bestimmte Skalarsteuerungen in der Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 eingesetzt, werden Verstimmeffekte durch die Einbeziehung des oben beschriebenen Sättigungsrechners minimiert. Wird die Motorsättigung berücksichtigt, sind der nichtlineare Flußkennwert λdr(Ide) und dessen Auswirkung auf die Magnetisierungsinduktivität Lm, auf die Stator- und Rotorinduktivität Ls und Lr und auf die auf diesen Parametern basierenden Rechenwerte wie τr und Tem repräsentativ für das tatsächliche Motorverhalten.

Zwei Beispiele für Flußprogramme sind in der Fig. 2 dargestellt. Für ein Fahrzeug, das die meiste Zeit im Personentransport verbringt, wäre ein schnellerer Übergang auf andere Flußwerte von Vorteil, wie sie im Flußprogramm B dargestellt sind. Für geschäftlich eingesetzte Fahrzeuge dagegen, wie z. B. im Postdienst, Streifenwagen, Stadtwerksfahrzeuge u. ä., die keinen längeren Zeitraum auf einer gegebenen Geschwindigkeit verbringen, wären höhere durchschnittliche Flußwerte im Elektromotor von Vorteil, wie sie im Flußprogramm A dargestellt sind.

Beim Betrieb mit geringer Geschwindigkeit, z. B. bei Einparkmanövern, wo die Geschwindigkeiten nahe null liegen, und die Kräfte an der Lenkzahnstange nahe am oder im Maximum liegen, wird der Rotorfluß auf sein Maximum programmiert. Daraus ergibt sich, daß der Motor 102 Drehmoment bei einem hohen Drehmoment/Ampere-Wert liefert. Bei mittleren Geschwindigkeiten, z. B. bei 15 Meilen pro Stunde (mph) bis 45 mph, die Stadtverkehr entsprechen, kann der Fluß auf einen Zwischenwert wie im Flußprogramm B gesenkt werden, oder er kann allmählich auf ein Minimum wie im Flußprogramm A reduziert werden. Bei Geschwindigkeiten über 45 mph, die im großen und ganzen Autobahn- und Landstraßenbetrieb entsprechen, ist der EPAS-Arbeitszyklus klein, besonders bei Überlandfahrt mit einem großen Anteil Geradeausfahrt, und es ist das Ziel des EPAS-Systems 100 ist, den Energieverbrauch zu senken. Für das EPAS-System 100 bedeutet dies, den Magnetisierungsstrom auf einem niedrigen Wert zu halten, so daß interne Verlustmechanismen im Motor 102 und den Leistungstransistoren der Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 auf ein Minimum reduziert werden, während dennoch genügend Rotorfluß geliefert wird, um solchen Bedarfsfällen wie Fahrspurwechsel, Hindernisvermeidung usw. gerecht zu werden.

Es sollte klar sein, daß mit auf etwa 25% des Maximalwertes reduziertem Rotorfluß, wenn ein hohes Motordrehmoment gefordert wird, innerhalb einer Verstärkungsfaktor-Vorgabekurve 142 der Lenkung der geforderte Motordrehmomentstrom bis 100% von dem Stromwandler und dem Motor verarbeitet werden kann. In einer solchen Steuerungsübergangssituation spricht der Motor 102 schnell an. Bleibt der vorübergehende Bedarf erhalten, kann die Fluß-Kennfeldtabelle 122 so ergänzt werden, daß der geforderte Rotorfluß mittels eines Lenkmoment-Modellwertbefehls erhöht wird. So kann die Fluß-Kennfeldtabelle 122 z. B. einen Integrator für die Verarbeitung des Lenkmomentes Tstr und Addition desselben zu dem aus dem gerade benutzten Flußprogramm abgelesenen Wert beinhalten.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung soll nun eine Beschreibung der Art und Weise folgen, wie die Flußprogramme der Fluß-Kennfeldtabelle 122 die Lenkhilfskraft je nach Geschwindigkeit und/oder Fahrerwünschen anpassen, wenn ein Induktionsmotor für den Motor 102 eingesetzt wird. Es sei Bezug genommen auf Fig. 3, die in schematischer Blockdiagrammform einen Teil der einen Schlupf- Rechner 144 aufweisenden Stromwandler- und Induktionsmotorsteuerung 126 darstellt. Der Schlupf-Rechner 144 empfängt sowohl das Drehmoment-Befehlssignal Iqe* als auch das Magnetisierung- oder Flußbefehlssignal Ide* und ermittelt einen Schlupfzuwachs, der eine Funktion dieser Befehlssignale und der Magnetisierungsinduktivitat Lm und der Rotorfluß-Zeitkonstante τr = Lr/Rr ist, d. h. der Rotorinduktivität über dem Rotorwiderstand, die bekanntermaßen beide Sättigungseffekten unterliegen, die bis zu einem gewissen Grade durch den Sättigungsrechner 139 wie dargestellt kompensiert werden können.

In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung mit einem 500-W-Motor z. B., ist, wenn die Parameter des Induktionsmotors konstant sind, bei einem Magnetisierungsstrom Ids von ca. 40 Amp der Schlupfzuwachs ks = 0,37 rad/s/Amp, und ein resultierender Schlupf Sωe = ks · Iq wird in einer Summenschaltung 146 zur momentanen Rotorgeschwindigkeit ωr addiert, so daß eine elektrische Frequenz ωe für den Wandler definiert wird, die dann einem Rotator 148 zugeführt wird, der synchrone Rahmensignale in stationäre Rahmensignale umwandelt. Der Ausgang des Rotators 148 wird einer 2-Phasen- in 3-Phasen-Transformation 150 zugeführt. Der momentane Schlupf ist dann der Schlupf, der die Feldorientierung für den gegebenen Drehzahl-Drehmoment-Betriebspunkt des Motors 102 aufrecht erhält.

Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 reagiert der Induktionsmotor sowohl auf den Wandlerstrom-Vektor Is als auch den Schlupf Sωe derart, daß er ein Drehmoment Tm = kt · Iq an der Abtriebswelle 112 abgibt. Bei einer praktischen Ausführung mit einem 500-W-Induktionsmotor betrug die tatsächliche Drehmomentkonstante kt = 0,07 Nm/Amp, so daß das Wellendrehmoment Tq = 0,07 · Iq Nm war. Wird der Schlupf-Winkel geändert, indem z. B. der Rotorfluß mittels eines Flußprogrammes aus der Fluß-Kennfeldtabelle 122 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt wird, dann ist der Rotorfluß auf einen Wert unter dem maximalen Luftspaltfluß beschränkt (Spitzen-Fluß/Amp-Betrieb), und die Magnetisierundskomponente des Motorstromes ist eingeschränkt, woraus sich geringere Gesamtverluste und ein effizienterer Betrieb bei Autobahn- und Landstraßenfahrt ergeben.

Der Schlupf-Rechner bestimmt den Schlupf Sωe unter Anwendung der folgenden Gleichung:

Sωe = Iqs/(τr · Ids*) = (Lm/(τr · λdr)) · Iqs

Wenn Ids* = 40 Amp für den genannten Induktionsmotor beträgt, dann ist ks ∼ 0,37 rad/s/Amp. Arbeitet der Motor mit einem Drehmoment T1 auf einer Schlupfkurve 152 bei einer bestimmten Motorgeschwindigkeit ωr0, und es wird mehr Drehmoment T2 benötigt, dann springt die Wandlerfrequenz Sωe auf einen höheren Wert Sωe1, so daß der Induktionsmotor weiter oben auf der Schlupfkurve 154 gemäß Fig. 6 arbeitet. Ähnliche, Abläufe finden für jede Rotordrehzahl ωr und jedes Soll-Drehmoment Tm* statt. Der Motorschlupf und das abgegebene Drehmoment sind über den Schlupf-Rechner unmittelbar miteinander verbunden.

Durch Programmierung des Flusses je nach Fahrzeuggeschwindigkeit wird die Schlupfzuwachscharakteristik des Induktionsmotors effektiv von den Flußprogrammen aus der Fluß-Kennfeldtabelle 122 eingeschränkt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten z. B., wie sie beim Einparken anzutreffen sind, wird der Rotorfluß auf den maximal möglichen Luftspaltfluß eingestellt, um das maximale Drehmoment pro Ampere zur erreichen. In diesem Falle ist die Magnetisierung bzw. der Magnetflußstrom nicht begrenzt, bis ein hoher Wert von z. B. 80 Amp erreicht wird. Würde der maximale Luftspaltfluß bei niedrigem Drehmomentbedarf aufrecht erhalten, z. B. bei Autobahn- und Landstraßenfahrt, wären die Kupferdrahtverluste des Motors übermäßig hoch. Daher wird die Flußhöhe einem Flußprogramm aus der Fluß-Kennfeldtabelle entsprechend so gesteuert, daß bei Bedarf eine ausreichende Motordrehmomentkapazität geliefert wird, die Motorverluste jedoch niedrig gehalten werden.

Es ist auch möglich, die Flußprogramme anpaßbar zu gestalten, so daß die Flußvorgabe noch weiter verändert werden kann, um so Temperaturauswirkungen zu begegnen, die Änderungen der Rotor-Zeitkonstante und damit des Schlupfzuwachses zur Folge haben. Als Beispiel sei hierzu das adaptive Flußprogramm A' in Fig. 2 betrachtet.


Anspruch[de]

1. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug, folgendes aufweisend:

einen Elektromotor (102) mit einem regelbaren Läuferinduktionsfeld;

einen Kupplungsmechanismus (114) zur Kupplung einer Abtriebswelle (112) des besagten Elektromotors (102) mit einem Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges;

einen mit besagtem Kraftfahrzeug verbundenen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (118) zur Erfassung der Betriebsgeschwindigkeit des besagten Kraftfahrzeuges und zur Erzeugung eines repräsentativen Geschwindigkeitssignales; und

eine auf besagte Signale ansprechende Motorsteuerung (126) zur Steuerung des besagten Läuferinduktionsfeldes des besagten Elektromotors (102) in Abhängigkeit von der Betriebsgeschwindigkeit des besagten Kraftfahrzeuges;

dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung (126) eine Fluß- Geschwindigkeit-Kurve beinhaltet, die wenigstens zwei stückweise kontinuierliche Abschnitte aufweist.

2. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, worin besagter Elektromotor (102) von einem Induktionsmotor oder einem Synchron-Reluktanzmotor gebildet wird.

3. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, worin besagte Fluß- Geschwindigkeit-Kurve einen Ursprungsabschnitt aufweist, der einem festen Maximalfluß entspricht und sich zwischen einer Null-Geschwindigkeit und einer ersten Geschwindigkeit erstreckt.

4. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen zweiten Abschnitt aufweist, in welchem besagter Fluß mit einer ersten Abnahmerate von besagtem festem Maximalfluß auf einen kleineren Fluß-Zwischenwert abnimmt, und welcher Abschnitt sich zwischen besagter erster Geschwindigkeit und einer zweiten Geschwindigkeit erstreckt, die größer als besagte erste Geschwindigkeit ist.

5. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen dritten Abschnitt aufweist, in dem besagter Fluß im wesentlichen auf besagtem reduziertem Fluß-Zwischenwert gehalten wird, und welcher Abschnitt sich zwischen der besagten zweiten Geschwindigkeit und einer dritten Geschwindigkeit erstreckt.

6. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen vierten Abschnitt aufweist, in dem besagter Fluß mit einer zweiten Abnahmerate, die kleiner als besagte erste Abnahmerate ist, von besagtem zweitem Fluß-Zwischenwert bis auf einen Minimalfluß abnimmt, und welcher Abschnitt sich zwischen der besagten dritten Geschwindigkeit und einer vierten Geschwindigkeit erstreckt.

7. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen fünften Abschnitt aufweist, in dem besagter Fluß im wesentlichen auf besagtem Minimalflußwert gehalten wird, und welcher Abschnitt sich von besagter vierter Geschwindigkeit aus für alle anderen Geschwindigkeiten größer als besagte vierte Geschwindigkeit erstreckt.

8. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, worin die besagten ersten und zweiten Abnahmeraten im wesentlichen linear sind.

9. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen zweiten Abschnitt aufweist, in welchem besagter Fluß mit einer bestimmten Abnahmerate von besagtem festem Maximalfluß bis auf einen Minimalfluß abnimmt, und welcher Abschnitt sich zwischen besagter erster Geschwindigkeit und einer zweiten Geschwindigkeit erstreckt, die größer als besagte erste Geschwindigkeit ist.

10. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, worin besagte Fluß-Geschwindigkeit-Kurve einen dritten Abschnitt aufweist, in dem besagter Fluß im wesentlichen auf besagtem Minimalflußwert gehalten wird, und welcher Abschnitt sich von besagter zweiter Geschwindigkeit aus für alle anderen Geschwindigkeiten größer als besagte zweite Geschwindigkeit erstreckt.

11. Elektromotorisch angetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug nach einem beliebigen der Ansprüche 4 bis 10, worin besagte erste Geschwindigkeit im Bereich von ca. 5 bis 15 mph liegt, und besagte zweite Geschwindigkeit im Bereich von ca. 15 bis 45 mph liegt.







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