BE1031027A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung (1) mit folgenden Schritten: a. Bewegen einer Zahnstange (6) von einem ersten Endanschlag zu einem zweiten Endanschlag und dabei speichern eines Signals des Lenkwinkelsensors in Abhängigkeit eines integrierten Rotorlagesignals eines Elektromotors (9) der elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung (1), b. Kurvenanpassung der in Schritt a. gespeicherten Datenpunkte, c. Bestimmen der jeweiligen Abweichung zwischen der Position der Datenpunkte und der in Schritt b. bestimmten Funktion, d. Filter der in Schritt c. bestimmten Abweichungen mittels Tiefpassfilter (14), e. Subtraktion der in Schritt d. herausgefilterten Komponente von den in Schritt a. gespeicherten Datenpunkten (15), f. Kurvenanpassung der in Schritt e. angepassten Datenpunkte (16), und g. Addieren der in Schritt d. herausgefilterten Komponente zu der in Schritt f. bestimmten Funktion (18).
Description
1 BE2022/5906
Verfahren zur Kalibrierung eines Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines
Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung.
In elektromechanischen Lenksystemen wird über einen Elektromotor ein Drehmoment erzeugt, das auf ein Getriebe übertragen und dort dem vom Fahrer gestellten
Lenkmoment überlagert wird.
Lenkwinkelsensoren werden dazu eingesetzt, den Einschlagwinkel des Lenkrades eines
Kraftfahrzeuges zu messen und diese Information dem elektromechanischen
Lenksystem zur Verfügung zu stellen. Solche Lenkwinkelsensoren müssen kalibriert werden. Bei der Lenkwinkel-Kalibrierung wird der Lenkwinkel des Lenkrades aus der
Rotorlage des Elektromotors berechnet. Zur Kalibrierung wird der gesamte
Zahnstangenweg zwischen den Endanschlagspositionen durchlaufen und anhand des
Rotorlagesignals des Elektromotors die geometrische Zahnstangenmitte ermittelt sowie das Signal des Lenkwinkelsensors an dieser Position als Offset gespeichert.
Die Ausgabe des Lenkwinkelsensors ist in der Regel ein Signal, dass Oberwellen höherer Ordnung aufweist, die an bestimmten Positionen Signalspitzen haben. Wenn eine solche Signalspitze bei der geometrischen Zahnstangenmitte im Signal vorliegt, wird sie in den Offset mit einbezogen, was unerwünscht ist. Um eine solche
Auswirkung zu vermeiden, wird eine Ausgleichsrechnung vorgenommen und das
Signal des Lenkwinkelsensors gefittet. In anderen Worten, es wird eine lineare
Funktion erster Ordnung über die Reihe der Messdaten des Signals gelegt und die
Parameter der Funktion bestimmt, die am besten die Reihe beschreibt (Methode der kleinsten Quadrate). Die mittels des Fits bestimmte Funktion wird zur Bestimmung des Offsets verwendet.
Es sind elektromechanische Lenksysteme bekannt, die ein variables mechanisches
Übersetzungsverhältnis von Lenksäule zu Motorwelle aufweisen, das in der Regel durch eine Veränderung des Zahnabstandes auf der Zahnstange erreicht wird, wodurch sich in der geometrischen Zahnstangenmitte ein anderes
Übersetzungsverhältnis als bei den Endanschlägen ergibt. Der beschriebene Fit des
Signals des Lenkwinkelsensors in Abhängigkeit des Rotorlagesignals kann nicht vorgenommen werden, da das Übersetzungsverhältnis nicht linear ist und die gefittete
Funktion zu sehr von den realen Messwerten abweichen würde.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das eine genaue Bestimmung des Offsets des Signals des Lenkwinkelsensors in der geometrischen Zahnstangenmitte ermôglicht.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelôst.
Demnach ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit folgenden Schritten vorgesehen: a. Bewegen einer Zahnstange von einem ersten Endanschlag zu einem zweiten
Endanschlag und dabei speichern eines Signals des Lenkwinkelsensors in
Abhängigkeit eines integrierten Rotorlagesignals eines Elektromotors der elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung, b. Kurvenanpassung der in Schritt a. gespeicherten Datenpunkte, c. Bestimmen der jeweiligen Abweichung zwischen der Position der Datenpunkte und der in Schritt b. bestimmten Funktion, d. Filter der in Schritt c. bestimmten Abweichungen mittels Tiefpassfilter, e. Subtraktion der in Schritt d. herausgefilterten Komponente von den in Schritt a. gespeicherten Datenpunkten, f. Kurvenanpassung der in Schritt e. angepassten Datenpunkte, und g. Addieren der in Schritt d. herausgefilterten Komponente zu der in Schritt f. bestimmten Funktion.
Eine durch ein variables mechanische Übersetzungsverhältnis entstehende
Signalkomponente kann so herausgerechnet werden, so dass ein Offset des Signals des Lenkwinkelsensors in der geometrischen Zahnstangenmitte ohne Beeinträchtigung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- Bestimmen einer geometrischen Zahnstangenmitte mittels des integrierten
Rotorlagesignals des Elektromotors, - Bestimmen eines Offsets anhand der aus Schritt g. und h. resultierenden Daten zwischen dem Signal des Lenkwinkelsensors und der geometrischen 5 Zahnstangenmitte.
Vorzugsweise wird bei der Kurvenanpassung eine Ausgleichsgerade bestimmt, wobei die Summe der Abstandsquadrate von den Datenpunkten den kleinstmöglichen Wert annimmt.
Es ist vorteilhaft, wenn der Tiefpassfilter ein einpoliger Filter, zum Beispiel ein passiver
RC-Tiefpassfilter ist oder ein gleitender Durchschnitt als Tiefpassfilter mit endlicher
Impulsantwort (FIR-Tiefpass) verwendet wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der
Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Servolenkung, sowie
Figur 2: ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung des Offsets zwischen des Signals des Lenkwinkelsensors und der geometrischen
Zahnstangenmitte.
In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem
Lenkrad 2, das mit einer oberen Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als
Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Ein Lenkwinkelsensor misst den Einschlagwinkel des
Lenkrades. Das Drehmoment wird über die obere Lenkwelle 3 und untere Lenkwelle 4 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem
Zahnsegment einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in
Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die
Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die
Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der
4 BE2022/5906
Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der
Lenkbewegung entgegenwirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht.
Ein Elektromotor 9 einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um den Fahrer bei dieser
Lenkbewegung zu unterstützen.
Die obere Lenkwelle 3 und die untere Lenkwelle 4 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Eine Drehmomentsensoreinheit 11 erfasst die Verdrehung der oberen Lenkwelle 3 gegenüber der unteren Lenkwelle 4 als ein
Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten
Drehmomentes. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 11 gemessen
Drehmoments 111 stellt die Servoeinheit 10 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit. Die Servoeinheit 10 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10, 100, 101 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 5 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10, 100, 101 trägt ein
Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungseinrichtungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit 10 weist zur Berechnung der Lenkunterstützung eine elektronische Steuereinheit 12 auf.
Figur 2 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung des Offsets zwischen dem
Signal des Lenkwinkelsensors und der geometrischen Zahnstangenmitte. Die
Zahnstange wird von einem Endanschlag zum anderen Endanschlag und zurückbewegt. Dabei wird das Ausgabesignal des Lenkwinkelsensors und das
Rotorlagesignal des Elektromotors der Servoeinheit gespeichert. In einem ersten Block 13 des dargestellten Verfahrens, wird das sägezahnförmige Rotorlagesignal aufbereitet, so dass das resultierende integrierte Rotorlagesignal ein absolutes Signal von einem Endanschlag zum anderen Endanschlag ist. Das Ausgabesignal des
Lenkwinkelsensors wird in Abhängigkeit von dem integrierten Rotorlagesignal gespeichert. Es wird eine Kurvenanpassung der Datenpunkte vorgenommen, bei der eine lineare Funktion bestmöglich an die Datenpunkte angepasst wird. Dabei wird eine
Ausgleichsgerade bestimmt, wo die Koeffizienten k und d des Polynoms ersten Grades
Hx,k,d) = kx+d so bestimmt werden, dass die Summe der Abstandsquadrate von den
Datenpunkten den kleinstmôglichen Wert annimmt. Diese Minimierung der Summe der Abstandsquadrate bezeichnet man als "Least Squares"-Verfahren (Methode der kleinsten Quadrate). 5 Nach dem Fitten wird die jeweilige Abweichung zwischen der Position der Datenpunkte und der gefitteten linearen Funktion bestimmt.
Es wurde herausgefunden, dass bei Vorliegen eines variablen mechanischen
Übersetzungsverhältnis zwischen der oberen Lenkwelle und der Motorwelle die
Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses nicht-linear von dem integrierten
Rotorlagesignal ist und der Verlauf des Ausgabesignals des Lenkwinkelsensors in
Abhängigkeit von dem integrierten Rotorlagesignal eine Oberschwingungskomponente mit niedriger Ordnungszahl, insbesondere unter der 5. Harmonischen aufweist. Durch das Fitten werden hingegen Oberschwingungskomponenten mit hoher Ordnungszahl, insbesondere über der 5. Harmonischen unterdrückt. Es kann daher klar zwischen den
Oberschwingungen, hervorgerufen durch den Lenkwinkelsensor und solchen, hervorgerufen durch das variable mechanische Übersetzungsverhältnis unterschieden werden, da sie in unterschiedlichen Oberwellenbereichen liegen.
Um die durch das variable Übersetzungsverhältnis hervorgerufene
Oberschwingungskomponenten aus dem Signal herauszufiltern, wird ein Tiefpassfilter auf die Abweichung zwischen dem gefitteten Verlauf und den realen Datenpunkten angewendet 14. Die herausgefilterte Komponente, die dem variablen
Übersetzungsverhältnis zuzuordnen ist, wird von dem Ausgabesignal des
Lenkwinkelsensors in Abhängigkeit von dem integrierten Rotorlagesignal abgezogen 15. Danach wird eine erneute (zweite) Kurvenanpassung vorgenommen 16. Die
Abweichung zwischen der zweiten gefitteten linearen Funktion und dem originalen
Datensatz weist nur noch Oberschwingungen mit hôherer Ordnung auf. Die durch das variable Übersetzungsverhältnis hervorgerufene Oberschwingungskomponenten wurden vollständig herausgefiltert. Es wird mittels der zweiten Kurvenanpassung ein
Offset zwischen dem Signal des Lenkwinkelsensors und der geometrischen
Zahnstangenmitte bestimmt 17. Am Ende wird die aus der Abweichung herausgefilterte Komponente zu dem Offset addiert 18 und ein finaler Offset bestimmt 19. Der Offset wird anhand der linearisierten Daten bestimmt, aber nach Hinzufügen der herausgefilterten Komponente kann sich der Offset ändern. Im Normalfall sollte
57 BE2022/5906 die herausgefilterte Komponente keinen Einfluss auf den Offset haben, aber in der
Regel liegt ein mechanischer Fehler vor (Fehler bei der Herstellung der Zahnstange,
Montagefehler), so dass der Versatz vor und nach der Hinzufügung der herausgefilterten Komponente nicht derselbe ist. Da das variable
Übersetzungsverhältnis nunmehr keinen Einfluss mehr auf die Bestimmung des
Offsets hat, kann dieser mit groBer Genauigkeit bestimmt werden. Das Verfahren wird nach der Montage des Lenksystems im Kraftfahrzeug werkseitig durchgeführt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Lenkwinkelsensors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung (1) mit folgenden Schritten:
a. Bewegen einer Zahnstange (6) von einem ersten Endanschlag zu einem zweiten Endanschlag und dabei speichern eines Signals des Lenkwinkelsensors in Abhängigkeit eines integrierten Rotorlagesignals eines Elektromotors (9) der elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung (1),
b. Kurvenanpassung der in Schritt a. gespeicherten Datenpunkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
c. Bestimmen der jeweiligen Abweichung zwischen der Position der Datenpunkte und der in Schritt b. bestimmten Funktion,
d. Filter der in Schritt c. bestimmten Abweichungen mittels Tiefpassfilter (14),
e. Subtraktion der in Schritt d. herausgefilterten Komponente von den in Schritt a. gespeicherten Datenpunkten (15),
f. Kurvenanpassung der in Schritt e. angepassten Datenpunkte (16), und g. Addieren der in Schritt d. herausgefilterten Komponente zu der in Schritt f. bestimmten Funktion (18).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
h. Bestimmen einer geometrischen Zahnstangenmitte mittels des integrierten Rotorlagesignals des Elektromotors (9),
i. Bestimmen eines Offsets anhand der aus Schritt g. und h. resultierenden Daten zwischen dem Signal des Lenkwinkelsensors und der geometrischen Zahnstangenmitte (19).
8 BE2022/5906
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kurvenanpassung eine Ausgleichsgerade bestimmt wird, wobei die Summe der Abstandsquadrate von den Datenpunkten den kleinstmöglichen Wert annimmt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpassfilter ein einpoliger Tiefpassfilter ist.
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2022
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Effective date: 20240610 |