DE19603114A1 - Elektrische Servolenkeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkeinrichtung zum direkten Aufbringen der Kraft eines Elektromotors als Lenkhilfskraft auf ein Lenksystem, um die seitens eines Fah­ rers benötigte Lenkkraft zu verringern. Insbesondere betrifft sie eine elektrische Servolenkeinrichtung, die in der Lage ist, die Erzeugung anormaler Geräusche des Elektromotors und Schwing- oder Pendelbewegungen des Lenksystems zu verhindern.

Es sind elektrische Servolenkeinrichtungen bekannt, bei denen eine Motorantriebseinheit zum Antreiben eines Elektromotors aus 4 Feldeffekttransistoren (FETs) aufgebaut ist und diese FETs mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM) Signals ge­ steuert werden, welches von einer Steuereinheit geliefert wird, um so den Motor mittels eines einem Lenkdrehmoment ent­ sprechenden Motorstroms anzutreiben und zu steuern.

Fig. 3 zeigt den allgemeinen Aufbau einer solchen herkömmli­ chen elektrischen Servolenkeinrichtung. In Fig. 3 umfaßt die elektrische Servolenkeinrichtung 1 ein Lenkrad 2, eine Lenk­ welle 3, ein Hypoidrad 4, einen aus einem Zahnrad 5A und ei­ ner Zahnstange 5B aufgebauten Zahnstangenmechanismus 5, eine Spurstange 6, ein Vorderrad 7 als lenkbares Rad, einen Elek­ tromotor 8 zum Erzeugen einer Lenkhilfskraft, einen Lenkdreh­ momentsensor 10 zum Erfassen eines auf das Lenkrad 2 wirken­ den Lenkdrehmoments und zum Ausgeben eines dem Lenkdrehmoment entsprechenden, in ein elektrisches Signal umgeformten Lenk­ drehmomentsignals T, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 11 zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit und zum Ausgeben eines der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden, in ein elektrisches Signal umgeformten Fahrzeuggeschwindigkeitssi­ gnals V, eine Steuereinheit 12 zum Antreiben und Steuern des Motors 8 nach Maßgabe des Lenkdrehmomentsignals T und des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals V, eine Motorantriebseinheit 13 sowie eine Motorstromerfassungseinheit 14.

Wenn das Lenkrad 2 in eine Richtung gedreht wird, erfaßt der an der Lenkwelle 3 angeordnete Lenkdrehmomentsensor 10 ein Lenkdrehmoment, wandelt dieses in ein entsprechendes elektri­ sches Signal um und sendet dieses elektrische Signal als Lenkdrehmomentsignal T an die Steuereinheit 12.

Eine der Lenkwelle 3 verliehene Drehbewegung wird auf den Zahnstangenmechanismus 5 übertragen, in dem eine Drehkraft des Zahnrads 5A in eine axiale Linearbewegung der Zahnstange 5B umgewandelt wird, welche über die Spurstange 6 die Rich­ tung des Vorderrads 7 verändert.

Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 11 erfaßt eine Geschwin­ digkeit des Fahrzeugs, wandelt diese in ein entsprechendes elektrisches Signal um und sendet dieses elektrische Signal als Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V an die Steuereinheit 12.

Die Steuereinheit 12 arbeitet auf Grundlage des Lenkdrehmo­ mentsignals T und des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals V da­ hingehend, daß sie ein Motorsteuersignal V₀, welches sich aus einem Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) und einem Ein­ schalt-/Ausschaltsignal (EIN/AUS-Signal) zusammensetzt, an die Motorantriebseinheit 13 liefert, welche wiederum eine dem Motorsteuersignal V₀ entsprechende Motorspannung V_M an den Motor 8 liefert, um selbigen anzutreiben.

Der durch die Motorspannung V_M angetriebene Motor 8 bringt über das Hypoidrad 4 eine Lenkhilfskraft in das Lenksystem ein und verringert dadurch die vom Fahrer auf das Lenkrad 2 aufzubringende Lenkkraft.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches einen wesentlichen Teil der herkömmlichen elektrischen Servolenkeinrichtung zeigt.

Die Steuereinheit 12 der elektrischen Servolenkeinrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Mikroprozessor, welcher verschiedene arithmetische und logische Einheiten, Speicher und Verarbeitungseinheiten umfaßt. Im speziellen umfaßt die Steuereinheit 12 eine Soll-Strom-Einstelleinheit 15, welche das Lenkdrehmomentsignal T des Lenkdrehmomentsensors 10 und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V des Fahrzeuggeschwindig­ keitssensors 11 anhand einer in Fig. 5 gezeigten Lenkdrehmo­ ment/Soll-Stromsignal-Kennkarte, bei der das Fahrzeugge­ schwindigkeitssignal V als Parameter verwendet wird, in ein Soll-Stromsignal I_MS umwandelt, eine Abweichungssignalbestim­ mungseinheit 16, welche ein Abweichungssignal ΔI zwischen dem Soll-Stromsignal I_MS und einem über ein Tiefpaßfilter 19 aus einem Motorstromsignal I_MD, welches einen von der Motorstrom­ erfassungseinheit 14 erfaßten Motorstrom I_M, darstellt, erhal­ tenen Motorstromsignal I_M0 berechnet, eine Antriebssteuerein­ heit 17, welche das Abweichungssignal ΔI in eine Spannung umwandelt und ein Motorsteuersignal V₀ erzeugt, um eine PWM- Steuerung der Motorantriebseinheit 13 vorzunehmen, damit das Abweichungssignal ΔI unverzüglich auf Null gebracht wird, sowie das Tiefpaßfilter 19, welches hochfrequente Anteile aus dem von der Motorstromerfassungseinheit 14 gelieferten Motor­ stromsignal I_MD entfernt.

Die Antriebssteuereinheit 17 umfaßt eine PID-Regeleinheit (Proportional plus Integral plus Differential), eine Motor­ steuersignalerzeugungseinheit und dergleichen und wirkt in der Weise, daß eine PID-Regelung für das von der Abweichungs­ bestimmungseinheit 16 erhaltene Abweichungssignal ΔI erzielt wird und ein Motorsteuersignal V₀ an die Motorantriebseinheit 13 geliefert wird, welches sich aus einem dem Soll-Stromsi­ gnal I_MS entsprechenden PWM-Signal und einem EIN/AUS-Signal zusammensetzt.

Das Tiefpaßfilter 19 ist beispielsweise aus einem primären RC-Tiefpaßfilter (Widerstand, Kondensator) aufgebaut und ent­ fernt hochfrequente Anteile mit einer Dämpfung von 6 dB pro Oktave im Frequenzbereich oberhalb einer Grenzfrequenz, wo­ durch im Hochfrequenzbereich enthaltenes Rauschen und die Verstärkung im Hochfrequenzbereich reduziert werden, ohne einen Einfluß auf die Lenkeigenschaften auszuüben.

Die Motorantriebseinheit 13 ist zum Beispiel aus einer Brüc­ kenschaltung mit 4 Schaltelementen oder -vorrichtungen aufge­ baut, beispielsweise Leistungs-FETs. Mittels eines von der Antriebssteuereinheit 17 gelieferten Motorsteuersignals V₀, welches sich aus einem EIN/AUS-Signal und einem PWM-Signal zusammensetzt, steuert sie jeweils zwei Paare von Leistungs- FETs an, um so den Wert und die Richtung einer an den Motor 8 anzulegenden Motorspannung V_M festzulegen.

Die Richtung der Motorspannung V_M bestimmt sich nach der Po­ larität des von der Antriebssteuereinheit 17 ausgegebenen Motorsteuersignals V₀. Wenn beispielsweise eine Lenkaktion mit dem Ziel unternommen wird, eine Fahrtrichtungsänderung nach rechts zu bewirken, wird ein Lenkdrehmomentsignal T po­ sitiver Polarität in die Soll-Strom-Einstelleinheit 15 einge­ geben, welche wiederum ein Soll-Stromsignal I_MS positiver Polarität ausgibt (siehe Fig. 5), was einen Motorstrom posi­ tiver Polarität hervorruft, der durch den Motor 8 fließt und dadurch eine nach rechts gerichtete Lenkhilfskraft erzeugt. In diesem Zustand nimmt das von der Motorstromerfassungsein­ heit 14 erfaßte Motorstromsignal I_MD positive Polarität an. Das von der Abweichungsbestimmungseinheit 16 ausgegebene Ab­ weichungssignal ΔI ist die Differenz zwischen dem Soll-Strom­ signal I_MS und dem Motorstromsignal I_M0 welches dem Motor­ stromsignal I_MD entspricht, nämlich I_MS-I_M0. Das Abweichungs­ signal ΔI wird unmittelbar auf Null gebracht, so daß der Mo­ torstrom I_M gleich dem Soll-Stromsignal I_MS wird. Wenn ande­ rerseits eine Lenkaktion unternommen wird, um eine Fahrtrich­ tungsänderung nach links herbeizuführen, nehmen das in Fig. 5 gezeigte Soll-Stromsignal I_MS, der Motorstrom I_M und das Mo­ torstromsignal I_MD (= I_M0) negative Polarität an, so daß das von der Abweichungsbestimmungseinheit 16 ausgegebene Abwei­ chungssignal ΔI durch -I_MS +I_M0 dargestellt wird. Das Abwei­ chungssignal ΔI wird wiederum unmittelbar auf Null gebracht.

Somit ist die Steuereinheit 12 ungeachtet dessen, ob die Lenkaktion unternommen wird, um eine Fahrtrichtungsänderung nach rechts oder links herbeizuführen, in der Lage, das Ab­ weichungssignal ΔI auf Null zu bringen und auf diese Weise den Motorstrom I_M, auf eine Signalgröße einzusteuern, welche dem Soll-Stromsignal I_MS entspricht.

Fig. 6 ist ein Schaltplan, welcher eine Brückenschaltung der herkömmlichen Motorantriebseinheit zeigt. In Fig. 6 umfaßt die Motorantriebseinheit 13 vier Leistungs-FETs Q1-Q4, von denen jeder eine Diode D1-D4 umfaßt, welche konstruktionsbe­ dingt zwischen Source und Drain des jeweiligen FET gebildet ist. Die FETs Q1 und Q3 sind mit einer Gleichspannungsversor­ gung E₀ verbunden, während die FETs Q2 und Q4 mit Erde oder Masse (GND) einer Fahrzeugkarosserie verbunden sind.

Der Motor 8 ist zwischen der Verbindung zwischen dem FET Q1 und FET Q2 und der Verbindung zwischen dem FET Q3 und dem FET Q4 angeschlossen. Die Gates G1-G4 der FETs Q1-Q4 werden je­ weils durch das von der in Fig. 4 gezeigten Motorsteuerein­ heit 17 gelieferte Motorsteuersignal V₀ angesteuert, so daß eine Motorspannung V_M und ein Motorstrom I_M, welche durch das PWM-Signal gesteuert werden, dem Motor 8 geliefert werden.

Anstelle der Leistungs-FETs kann die Brückenschaltung auch aus vier Leistungstransistoren aufgebaut sein, in welchem Fall parallel zu jedem der Leistungstransistoren eine geson­ derte Diode geschaltet ist.

Zwischen der Verbindung zwischen dem FET Q1 und dem FET Q2 und der Verbindung zwischen dem FET Q3 und dem FET Q4 liegt in Reihe mit dem Motor 8 ein Widerstand R_D, welcher ein Strom­ erfassungselement der Motorstromerfassungseinheit 14 bildet, so daß anhand einer am Widerstand R_D auftretenden Spannung V_I und dem Vorzeichen (+ oder -) der Spannung V_I ein Absolutwert des Motorstroms I_M und die Richtung des Motorstroms I_M erfaßt werden.

Für den Fall, daß eine Lenkaktion vorgenommen wird, um eine Fahrtrichtungsänderung nach rechts zu bewirken, werden ein EIN-Signal V_ON, ein PWM-Signal V_PWM und ein AUS-Signal V_OFF des Stromsteuersignals V₀ beispielsweise dem Gate G1 des FET Q1, dem Gate G4 des FET Q4 bzw. den Gates G2 und G3 der FETs Q2 und Q3 zugeführt, woraufhin ein Motorstrom I_M+ längs eines Weges fließt, welcher bei der Gleichspannungsversorgung E₀ beginnt, dann nacheinander den FET Q1, den Widerstand R_D, den Motor 8 und den FET Q4 durchläuft und schließlich bei Masse GND der Fahrzeugkarosserie endet, wie durch die durchgezoge­ nen Pfeile angedeutet. Der Motor 8 wird damit mit dem Motor­ strom I_M+ angetrieben.

Andererseits werden in dem Fall, daß eine Lenkaktion unter­ nommen wird, um eine Fahrtrichtungsänderung nach links zu bewirken, ein EIN-Signal V_ON, ein PWM-Signal V_PWM und ein AUS- Signal V_OFF des Stromsteuersignals V₀ an das Gate G3 des FET Q3, das Gate G2 des FET Q2 bzw. die Gates G1 und G4 der FETs Q1 und Q4 geliefert, woraufhin ein Motorstrom I_M- längs eines Weges fließt, welcher bei der Gleichspannungsversorgung E₀ beginnt, dann nacheinander den FET Q3, den Motor 8, den Wi­ derstand R_D und den FET Q2 durchläuft und schließlich bei Masse GND der Fahrzeugkarosserie endet, wie durch die gestri­ chelten Pfeile angedeutet. Der Motor 8 wird damit mit dem Motorstrom I_M- angetrieben.

Die FETs Q1 und Q4 und die FETs Q2 und Q3, die jeweils gegen­ überliegende Seiten der Brückenschaltung bilden, werden durch das EIN-Signal V_ON und das PWM-Signal V_PWM des Motorsteuersi­ gnals V₀ gesteuert, mit dem Ergebnis, daß die Richtung (I_M+ oder I_M-) und die Größe des Motorstroms I_M bestimmt werden können, um dadurch die Richtung und Geschwindigkeit der Dre­ hung des Motors 8 zu steuern.

Der Widerstand R_D erfaßt die Richtung und die Höhe des Motor­ stroms I_M+, I_M- in Form einer Spannung V_I (Polarität und Span­ nungswert derselben), welche wiederum durch die Motorstrom­ erfassungseinheit 14 in einen Strom umgewandelt wird. Die Motorstromerfassungseinheit 14 gibt ein Motorstromsignal I_MD aus, welches über das Tiefpaßfilter 19 in ein Motorstromsi­ gnal I_M0 verändert wird, das wiederum zur Abweichungsbestim­ mungseinheit 16 zurückgeführt wird.

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines wesentlichen Teils der herkömm­ lichen Motorstromerfassungseinheit. Die Motorstromerfassungs­ einheit 14 setzt sich aus einem Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker OP1, welcher mit einer festen Spannung (beispielsweise + 5V) der Gleichspannungsversorgung E₀ be­ treibbar ist, und einer Stromwandlungseinheit 18 zum Umwan­ deln einer vom Differenzverstärker erfaßten Erfassungsspannung V_D in ein Motorstromsignal I_MD zusammen, welches einem Abso­ lutwert des durch den Motor 8 fließenden Motorstroms I_M+, I_M- entspricht.

Der Differenzverstärker umfaßt den Operationsverstärker OP1, zwei Widerstände R zum Einstellen einer Vorspannung (virtu­ elle Masse), zwei Widerstände R_a zum Einstellen einer Ein­ gangsimpedanz sowie Rückkopplungswiderstände R_b. Die virtu­ elle Masse, die Eingangsimpedanz sowie eine Spannungsverstär­ kung G sind auf E₀/2, R_a bzw. -R_b/R_a eingestellt. Bei dieser Einstellung verstärkt der Differenzverstärker die Potential­ differenz V_I am Widerstand R_D (mit der Spannungsverstärkung G) und gibt die Erfassungsspannung V_D an die Stromwandlungs­ einheit 18 aus.

Die Stromwandlungseinheit 18 umfaßt eine Spannungs-Strom- Wandlungseinheit, welche aus einem Speicher, beispielsweise einem ROM (Festwertspeicher), aufgebaut ist, die Erfassungs­ spannung V_D in einen Motorerfassungsstrom I_MD, der dem Abso­ lutwert eines voreingestellten Motorstroms I_M+, I_M- ent­ spricht, umwandelt und den Motorerfassungsstrom I_MD an das in Fig. 4 gezeigte Tiefpaßfilter 19 ausgibt. Die Stromwand­ lungseinheit 18 kann eine Spitzenwertspeicherungsschaltung enthalten.

Wie vorstehend beschrieben, ist die herkömmliche elektrische Servolenkeinrichtung 1 in der Lage, ein dem Motor 8 zu lie­ ferndes Soll-Stromsignal I_MS nach Maßgabe eines Lenkdrehmo­ mentsignals T und eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals V einzustellen, ein Motorstromsignal I_M, das einem durch den Motor 8 fließenden Motorstrom I_M entspricht, zurückzuführen und den Motor 8 über die Motorantriebseinheit 13 mittels ei­ nes PWM-Signals anzutreiben, welches auf einem Abweichungs­ signal ΔI zwischen dem Motorstromssignal I_MD und dem Soll- Stromsignal I_MS basiert, um das Abweichungssignal ΔI schnell auf Null zu bringen. Es ist daher möglich, den Motor 8 mit einem Motorstrom I_M anzutreiben, welcher gleich dem Soll- Strom ist, und dadurch eine gewünschte Lenkhilfskraft zu er­ zeugen.

Bei der herkömmlichen elektrischen Servolenkeinrichtung 1 besteht jedoch folgendes Problem: Da die aus einer Brücken­ schaltung mit vier Schaltvorrichtungen aufgebaute Motoran­ triebseinheit 13 durch ein hochfrequentes PWM-Signal ange­ steuert wird und der Motor 8 und der ein Stromerfassungsele­ ment der Motorstromerfassungseinheit 14 bildende Widerstand R_D in Reihe mit der Motorantriebseinheit 13 geschaltet sind, besitzt die sich aus einer Reihenkombination des Widerstands R_D und der Induktivität des Motors 8 zusammensetzende Last der Motorantriebseinheit 13 eine Impulsantwortkennlinie, die zeigt, daß die am Widerstand R_D erfaßte Spannungswellenform mit der Drehrichtung des Motors 8 variiert.

Fig. 8 zeigt herkömmliche Impulsantwortwellenformen am Wider­ stand R_D. Wenn sich die Motorantriebseinheit 13 in einem Zu­ stand befindet, in dem der FET Q1 und der FET Q4 von einem EIN-Signal bzw. einem PWM-Signal angesteuert werden, um einen Motorstrom I_M+ in der durch die durchgezogenen Pfeile ange­ deuteten Richtung fließen zu lassen, bildet der FET Q4 eine von dem hochfrequenten PWM-Signal (beispielsweise 20 kHz, Dauer T = 0,05 ms) betriebene Impulssignalquelle. Da in die­ sem Fall die Impulssignalquelle über die Induktivität des Motors 8 mit dem Widerstand R_D verbunden ist, nimmt die dem Impulsanteil zugeordnete Spannung am Widerstand R_D den Wert der in Fig. 8 durch die durchgezogene Linie angedeuteten Rauscherfassungsspannung V_IN an. Diese Spannung besitzt einen kleinen Wert und ist frei von einem Impulsrauschanteil.

Wenn sich andererseits die Motorantriebseinheit 13 in einem Zustand befindet, in dem der FET Q3 und der FET Q2 von einem EIN-Signal bzw. einem PWM-Signal angesteuert werden, um einen Motorstrom I_M- in der durch die gestrichelten Pfeile angedeu­ teten Richtung fließen zu lassen, bildet der FET Q2 eine von dem hochfrequenten PWM-Signal (beispielsweise 20 kHz) betrie­ bene Impulssignalquelle. Da in diesem Fall der Widerstand R_D direkt mit der Impulssignalquelle verbunden ist, nimmt die dem Impulsanteil zugeordnete Spannung am Widerstand R_D den Wert der in Fig. 8 durch die gestrichelte Linie angedeuteten Rauscherfassungsspannung V_IN an. Diese Spannung besitzt einen großen Wert und enthält einen großen Impulsrauschanteil.

Die herkömmliche elektrische Servolenkeinrichtung 1 besitzt daher das Problem, daß aufgrund der Wirkung der PWM-Steuerung der Motorantriebseinheit 13 eine Rauscherfassungsspannung V_IN mit einem großen Impulsrauschanteil entsteht, wenn eine Lenk­ aktion unternommen wird, um eine Fahrtrichtungsänderung ent­ weder nach rechts oder nach links zu bewirken. Die so ent­ standene Rauscherfassungsspannung V_IN wird über die Motor­ stromerfassungseinheit 14 zurückgeführt, mit dem Ergebnis, daß der Motorstrom I_M oszilliert, was den Motor 8 anormale Betriebsgeräusche erzeugen läßt.

Beim Motorstromsignal I_MD, das einen großen Rauschanteil be­ sitzt, welcher von der Motorstromerfassungseinheit 14 durch die einen großen Impulsrauschanteil enthaltende Rauscherfas­ sungsspannung V_IN erfaßt wird, kann der Rauschanteil durch das in Fig. 4 gezeigte Tiefpaßfilter 19 gedämpft werden. Al­ lerdings verändert das Tiefpaßfilter 19 die Phase des Motor­ stromsignals I_MD, was zu Schwing- oder Pendelerscheinungen im Stromrückkopplungsweg führt.

Erfindungsgemäß ist eine elektrische Servolenkeinrichtung zum direkten Aufbringen der Kraft eines Elektromotors als Hilfs­ lenkkraft auf ein Lenksystem zwecks Verringerung einer sei­ tens des Fahrers erforderlichen Lenkkraft vorgesehen, bei der ein Stromerfassungselement in einer Motorstromerfassungsein­ heit in Reihe mit dem Motor geschaltet ist und eine Antriebs­ steuereinheit so betreibbar ist, daß sie mittels eines PWM- Signals stets diejenige Seite von Schaltelementen einer Brüc­ kenschaltung ansteuert, an die der Motor angeschlossen ist. Mit dieser Konstruktion wird ein infolge der PWM-Ansteuerung der Schaltelemente erzeugtes Impulsrauschen durch die Induk­ tivität des Motors absorbiert. Damit kann das von dem Strom­ erfassungselement erfaßte hochfrequente Impulsrauschen auf einem äußerst kleinen Pegel gehalten werden. Die elektrische Servolenkeinrichtung kann so die Erzeugung anormaler Geräu­ sche seitens des Motors sowie Schwing- oder Pendelbewegungen des Lenksystems verhindern und stabile Lenkeigenschaften vor­ sehen.

Obige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfin­ dung werden aus der detaillierten Beschreibung und den bei­ gefügten Zeichnungen heraus klar werden. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das einen wesentlichen Teil ei­ ner erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkein­ richtung zeigt,

Fig. 2 einen Schaltplan, welcher die Arbeitsweise einer Motorantriebseinheit der elektrischen Servolenkein­ richtung zeigt,

Fig. 3 den allgemeinen Aufbau einer herkömmlichen elektri­ schen Servolenkeinrichtung,

Fig. 4 ein Blockdiagramm, das einen wesentlichen Teil der herkömmlichen elektrischen Servolenkeinrichtung zeigt,

Fig. 5 in grafischer Form Lenkdrehmoment/Soll-Stromsignal- Kennlinien, die mit einem Fahrzeuggeschwindigkeits­ signal als Parameter aufgezeichnet sind,

Fig. 6 einen Schaltplan einer Brückenschaltung einer her­ kömmlichen Motorantriebseinheit,

Fig. 7 den Aufbau eines wesentlichen Teils einer herkömm­ lichen Motorstromerfassungseinheit und

Fig. 8 in grafischer Form Impulsantwortwellenformen an ei­ nem Widerstand in der herkömmlichen Motorantriebs­ einheit.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 verwiesen. Die erfindungs­ gemäße elektrische Servolenkeinrichtung umfaßt eine Motoran­ triebseinheit, die aus einer Brückenschaltung aufgebaut ist, welche von zwei derart zusammengeschalteten Schaltelementen oder -vorrichtungen gebildet ist, daß die Schaltvorrichtungen jedes Paars von einem EIN-Signal (EIN-Ansteuerung) bzw. einem PWM-Signal (PWM-Ansteuerung) angesteuert werden, um einen Elektromotor in Vorwärtsdrehung oder Rückwärtsdrehung zu ver­ setzen. Die PWM-Ansteuerung der Schaltvorrichtungen erfolgt derart, daß ein infolge der PWM-Ansteuerung erzeugter hoch­ frequenter Impulsrauschanteil nicht an einem in Reihe mit dem Motor geschalteten Stromerfassungselement erscheint.

In Fig. 1 besteht eine Steuereinheit 20 im wesentlichen aus einem Mikroprozessor, verschiedenen arithmetischen und logi­ schen Einheiten, Verarbeitungseinheiten und Speichern und umfaßt eine Soll-Strom-Einstelleinheit 15, eine Abweichungs­ berechnungseinheit 16 sowie eine Antriebssteuereinheit 21. Die Soll-Strom-Einstelleinheit 15 und die Abweichungsberech­ nungseinheit 16 entsprechen vom Aufbau her denen der in Fig. 4 gezeigten und zuvor beschriebenen Steuereinheit 12, weswe­ gen auf ihre nähere Beschreibung verzichtet wird. Die Steu­ ereinheit 20 unterscheidet sich von der Steuereinheit 12 dar­ in, daß das Tiefpaßfilter 19 weggelassen ist und die An­ triebssteuereinheit 17 durch die Antriebssteuereinheit 21 ersetzt ist. Die Antriebssteuereinheit 21 steuert die Gates G1-G4 der Schaltelemente oder -vorrichtungen Q1-Q4 unter Ver­ wendung eines Motorsteuersignals V₀, welches ein Mischsignal ist, das aus einem EIN/AUS-Signal und einem PWM-Signal zur Ansteuerung einer Motorsteuereinheit 13 zusammengesetzt ist. Dies erfolgt in der Weise, daß ein hochfrequenter Impuls­ rauschanteil, der erzeugt wird, wenn die Schaltvorrichtungen von dem PWM-Signal angesteuert werden, nicht an einem mit einer Motorstromerfassungsschaltung 14 verbundenen Stromer­ fassungselement (Widerstand R_D) auftritt.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird nun die PWM-Steuerung beschrieben, die erreicht werden kann, ohne die Erzeugung hochfrequenter Impulsrauschanteile am Stromerfassungselement (Widerstand R_D) mit sich zu bringen.

Im Fall, daß ein Motorstrom I_M+ dem Motor 8 zugeführt werden soll (beispielsweise um den Motor 8 in Vorwärtsrichtung zu drehen), liefert die Antriebssteuereinheit 21 ein EIN-Signal V_ON und ein PWM-Signal V_PWM an ein Paar von Feldeffekttransi­ storen FET Q1 und Q4. Gleichzeitig liefert sie ein AUS-Signal V_OFF an das andere Paar von FETs Q2 und Q3. In diesem Zustand fließt der Motorstrom I_M+ längs eines Weges, welcher bei ei­ ner Gleichspannungsversorgung E₀ beginnt, dann nacheinander den FET Q1, den Widerstand R_D, den Motor 8 und den FET Q4 durchläuft und schließlich bei der Fahrzeugkarosseriemasse GND endet. Der Wert des Motorstroms I_M+ wird durch das PWM- Signal V_PWM am FET Q4 bestimmt.

Unter der Ansteuerung durch das PWM-Signal V_PWM bildet der FET Q4 eine Hochfrequenz-Impulssignalquelle, und über die Induk­ tivität des Motors 8 wird dem Widerstand R_D eine den hochfre­ quenten Impulsen zugeordnete Rauschspannung zugeführt.

Der Widerstand R_D erfaßt einen Motorstrom I_M+ in Form einer Spannung, welche durch das Produkt des Motorstroms I_M+ und den Widerstandswert des Widerstands R_D gegeben ist, und er­ faßt außerdem die Hochfrequenz-Impulssignalquelle als Impuls­ rauschspannung, welche durch Multiplikation der Hochfrequenz- Impulssignalquelle mit dem Verhältnis des Widerstandswerts des Widerstands R_D zur Induktivität des Motors 8 bestimmt ist.

Das hochfrequente Impulssignal wird durch die Induktivität des Motors 8 absorbiert, so daß am Widerstand R_D nur eine Spannung mit kleinem Pegel, die keinen hochfrequenten Impuls­ anteil aufweist (wie in Fig. 8 durch die durchgezogene Linie angedeutet), erfaßt wird.

Wenn andererseits dem Motor 8 ein Motorstrom I_M- zugeführt werden soll (beispielsweise um den Motor 8 in Rückwärtsrich­ tung zu drehen), liefert die Antriebssteuereinheit 21 ein EIN-Signal V_ON und ein PWM-Signal V_PWM an ein Paar von Feldef­ fekttransistoren FET Q2 und Q3. Gleichzeitig liefert sie ein AUS-Signal V_OFF an das andere Paar von FETs Q1 und Q4.

In diesem Zustand fließt der Motorstrom I_M- längs eines We­ ges, welcher von der Gleichspannungsversorgung E₀ über den FET Q3, den Widerstand R_D, den Motor 8 und den FET Q2 bis zur Fahrzeugkarosseriemasse GND verläuft. Der Wert des Motor­ stroms I_M- wird durch das PWM-Signal V_PWM am FET Q3 bestimmt.

Unter der Ansteuerung durch das PWM-Signal V_PWM bildet der FET Q3 eine Hochfrequenz-Impulssignalquelle, und über die Induk­ tivität des Motors 8 wird dem Widerstand R_D eine den hochfre­ quenten Impulsen zugeordnete Rauschspannung zugeführt.

Der Widerstand R_D erfaßt den Motorstrom I_M- in Form einer Spannung, welche durch das Produkt des Motorstroms I_M- und des Widerstandswerts des Widerstands R_D gegeben ist, und er­ faßt außerdem die Hochfrequenz-Impulssignalquelle als Impuls­ rauschspannung, welche durch Multiplikation der Hochfrequenz- Impulssignalquelle mit dem Verhältnis des Widerstandswerts des Widerstands R_D zur Induktivität des Motors 8 bestimmt ist.

In gleicher Weise wie beim Motorstrom I_M+ wird demnach das hochfrequente Impulssignal durch die Induktivität des Motors 8 absorbiert, so daß nur eine Spannung mit kleinem Pegel, die keine hochfrequenten Impulsanteile besitzt (wie in Fig. 8 durch die durchgezogene Linie angedeutet), am Widerstand R_D erfaßt wird.

Wie zuvor anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrie­ ben, umfaßt die erfindungsgemäße elektrische Servolenkein­ richtung eine Motorstromerfassungseinheit mit einem in Reihe mit einem Elektromotor geschalteten Stromerfassungselement sowie eine Antriebssteuereinheit, welche derart betreibbar ist, daß sie mittels eines PWM-Signals (d. h. PWM-Ansteuerung) diejenige Seite von Schaltelementen ansteuert, welche mit dem Motor verbunden ist. Mit dieser Konstruktion kann ein infolge der PWM-Ansteuerung erzeugtes hochfrequentes Impulsrauschen stets durch die Induktivität des Motors absorbiert werden, so daß das von dem Stromerfassungselement erfaßte hochfrequente Impulsrauschen auf einem äußerst kleinen Pegel gehalten wird.

Die erfindungsgemäße elektrische Servolenkeinrichtung ist damit in der Lage, eine von Impulsrauschen isolierte bzw. befreite PWM-Steuerung zu realisieren und die Erzeugung anormaler Geräusche seitens des Motors und Schwing- oder Pendelbewegungen des Lenksystems zu verhindern.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen sind selbstverständ­ lich verschiedene kleinere Änderungen und Modifikationen der Erfindung möglich. Es ist daher zu verstehen, daß die Erfin­ dung innerhalb des Umfangs des beigefügten Anspruchs anders als auf die speziell beschriebene Weise ausgeführt werden kann.

Es wird eine elektrische Servolenkeinrichtung zum direkten Aufbringen der Kraft eines Elektromotors als Hilfslenkkraft auf ein Lenksystem zwecks Verringerung der seitens des Fah­ rers erforderlichen Lenkkraft vorgeschlagen, bei der ein Stromerfassungselement in einer Motorstromerfassungseinheit in Reihe mit dem Motor geschaltet ist und eine Antriebssteu­ ereinheit derart betreibbar ist, daß stets diejenige Seite von Schaltelementen einer Brückenschaltung mittels eines PWM- Signals angesteuert wird, welche mit dem Motor verbunden ist. Mit dieser Konstruktion wird ein infolge der PWM-Ansteuerung der Schaltelemente erzeugtes hochfrequentes Impulsrauschen durch die Induktivität des Motors absorbiert. Damit kann ein von dem Stromerfassungselement erfaßtes hochfrequentes Im­ pulsrauschen auf einen extrem kleinen Pegel eingesteuert wer­ den. Die elektrische Servolenkeinrichtung kann auf diese Wei­ se die Erzeugung anormaler Geräusche seitens des Motors und Schwing- oder Pendelbewegungen des Lenksystems verhindern und stabile Lenkeigenschaften vorsehen.

Claims (3)

1. Elektrische Servolenkeinrichtung (1), umfassend:

• - einen Elektromotor (8) zum Aufbringen einer Lenk­ hilfskraft auf ein Lenksystem,
• - eine Motorantriebseinheit (13) zum Drehantrieb des Mo­ tors (8) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, welche eine Brückenschaltung aus zwei Paaren von Schaltelementen (Q1, Q4-Q2, Q3) umfaßt, die so verbunden sind, daß die Schaltelemente jedes der beiden Paare von Schaltelemen­ ten (Q1, Q4-Q2, Q3) durch ein Einschaltsignal (V_ON) bzw. ein Pulsweitenmodulationssignal (V_PWM) angesteuert werden,
• - eine Motorstromerfassungseinheit (14) zum Erfassen ei­ nes durch den Motor (8) fließenden Stroms (I_M+, I_M-) und
• - eine Steuereinheit (20), welche eine Soll-Strom-Ein­ stelleinheit (15) zum Einstellen eines Soll-Stromsignals für den Motor (8) sowie eine Antriebssteuereinheit (21) zum Ausgeben eines Motorsteuersignals (V₀) an die Motor­ antriebseinheit (13) auf Grundlage einer Abweichung zwi­ schen dem Soll-Stromsignal (I_MS) und einem mittels der Motorstromerfassungseinheit (14) erfaßten Motorstromsi­ gnal (I_MD) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Motorstromerfassungsein­ heit (14) ein in Reihe mit dem Motor (8) verbundenes Stromerfassungselement (R_D) umfaßt und daß die Antriebs­ steuereinheit (21) so betreibbar ist, daß sie mittels des Pulsweitenmodulationssignals (V_PWM) jeweils ein sol­ ches Schaltelement (Q3, Q4) der Brückenschaltung ansteu­ ert, welches mit dem Motor (8) verbunden ist.

2. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) fer­ ner eine Abweichungsberechnungseinheit (16) zum Berech­ nen einer Abweichung zwischen dem Soll-Stromsignal (I_MS) und dem Motorstromsignal (I_MD) umfaßt und daß die Motor­ stromerfassungseinheit (14) den durch den Motor (8) fließenden Strom (I_M+, I_M-) in Form eines Signals (V_I) er­ faßt, welches - gewünschtenfalls nach geeigneter Signal­ umformung oder/und -verstärkung - unmittelbar, insbeson­ dere ohne Zwischenschaltung eines Tiefpaßfilters, als Motorstromsignal (I_MD) zur Abweichungsberechnungseinheit (16) rückgeführt wird.