Übertragung des Lenkgefühls einer Servo-Lenkung auf Steer-by-Wire

Kurzfassung

In diesem Aufsatz wird für den regelungstechnischen Entwurf eines Steer-by-Wire (SbW) Systems mit kraftreflektierendem Lenkrad eine generische Reglerstruktur mit bidirektionaler Positionsrückführung vorgestellt. Das Entwurfsziel ist dabei, das dynamische Verhalten und das Lenkgefühl einer konventionellen (elektrischen oder hydraulischen Servo-) Lenkung auf ein SbW-System zu übertragen. Die Beherrschung dieses Problems kann als Grundlage für die Implementierung weiterer SbW-Funktionalitäten gesehen werden (variable Lenkübersetzung, variable Momenten-/Kraftübersetzung, Vorhaltelenkung, Fahrdynamikregelung mit aktiver Lenkung, etc.). Eine Servo-Lenkung lässt sich gedanklich in zwei Teilsysteme unterteilen, in einen manuellen (in erster Näherung linearen) Anteil und einen nichtlinearen Lenkkraft- Unterstützungsanteil. Um die Dynamik des manuellen Anteils auf SbW zu übertragen, wird eine generische lineare Reglerstruktur angenommen, für die Übertragung der Dynamik des Unterstützungsanteils ein nichtlineares Filter. Die regelungstechnische Entwurfsaufgabe besteht darin, die Gleichheit des dynamischen Verhaltens der konventionellen Servo-Lenkung und das der SbW-Lenkung jeweils für beide Teilsysteme herzustellen (Äquivalenz). Dies erfolgt modellbasiert durch algebraisches Gleichsetzen der jeweiligen Teilsysteme, entweder anhand eines physikalischen Modells oder anhand eines identifizierten Modells der Lenkung. Die hieraus resultierende exakte Lösung muss anschließend den praktischen Erfordernissen angepasst werden. Für eine Robustheits- und Stabilitätsanalyse des linearen SbWTeilsystems wird die Passivitätstheorie angewandt, für den Nachweis der Äquivalenz wird ein H-Unendlich-Regelgütekriterium verwendet. Nichtlineare Simulationen für unterschiedliche Betriebsbedingungen (Fahrgeschwindigkeit, Kraftschluss Reifen/Straße) zeigen schließlich die Robustheit der Eigenschaften Stabilität und Äquivalenz des SbW-Gesamtsystems.