AT528576B1 - Elektromechanische Lenkvorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer derartigen Lenkvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektromechanische Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Lenkrad (10), einer Lenkwelle, an der das Lenkrad (10) befestigt ist, einem ein Reaktionsdrehmoment auf die Lenkbewegung und ein Rückstelldrehmoment oder ein Lenkdrehmoment erzeugenden Lenkradaktuator (16), der mit der Lenkwelle (12) verbunden ist, einer Antriebseinheit (24), die mit einem Lenkgestänge (26) zur Erzeugung einer Lenkbewegung von Rädern (22) des Fahrzeugs verbunden ist, und einer zentralen Steuereinheit (20), über die die Antriebseinheit (24) in Abhängigkeit einer detektierten Lenkbewegung des Lenkrads (10) steuerbar ist, vorgeschlagen, bei der zur stetigen und validierbaren Ermittlung der Stellung des Lenkrads (10) vorgeschlagen wird, dass am Lenkradaktuator (16) zumindest ein Relativpositionssensor (32, 34) angeordnet ist, über den eine Bewegung des Lenkradaktuators (16) detektierbar ist und am Lenkrad (10) oder der Lenkwelle (12) ein Signalgeber (28) angeordnet ist, der mit einem Sensorschalter (30) zusammenwirkt, der in einer Neutralstellung des Lenkrads (10) ein Signal des Signalgebers (28) empfängt und schaltet, wobei der zumindest eine Relativpositionssensor (32, 34) und der Sensorschalter (30) mit der Steuereinheit (20) datenübertragend verbunden sind.

Description

Beschreibung

ELEKTROMECHANISCHE LENKVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR STEUERUNG ElNER DERARTIGEN LENKVORRICHTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Lenkvorrichtung mit einem Lenkrad, einer Lenkwelle, an der das Lenkrad befestigt ist, einem ein Reaktionsdrehmoment und ein Rückstellmoment erzeugenden Lenkradaktuator, der mit der Lenkwelle zumindest indirekt verbunden ist, einer Antriebseinheit, die mit einem Lenkgestänge zur Erzeugung einer Lenkbewegung von Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, einer zentralen Steuereinheit, über die die Antriebseinheit in Abhängigkeit einer detektierten Lenkbewegung des Lenkrades steuerbar ist, sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Lenkvorrichtung.

[0002] Elektromechanische Lenkvorrichtungen, die auch als steer-by-wire-Lenksysteme bekannt sind, verzichten vollständig auf eine direkte mechanische Verbindung des Lenkrades eines Fahrzeugs mit dem Lenkgestänge und damit mit den Rädern. Stattdessen besteht lediglich eine datenübertragende beziehungsweise elektrische Verbindung einer Steuereinheit zu einem mit dem Lenkrad verbundenen Lenkradaktuator und einer Antriebseinheit, über die die Räder zumindest indirekt ausgelenkt werden. Entsprechend muss jeder Position des Lenkrades eindeutig eine Position der Antriebseinheit beziehungsweise der Räder zugeordnet werden können. Der Lenkradaktuator weist bei Fahrzeugen, bei denen die Lenkaktionen durch einen Fahrzeugführer durchgeführt werden, einen Elektromotor auf, der ein Drehmoment erzeugt, welches der Lenkbewegung des Fahrers entgegengesetzt ist und je nach Ausführung üblicherweise bei wachsendem Drehwinkel des Lenkrades ein erhöhtes Gegendrehmoment zu dem durch den Fahrzeugführer aufgebrachten Drehmoment erzeugt, um das Gefühl eines direkten Lenksystems zu simulieren. Des Weiteren dient der Lenkantrieb dazu, das Lenkrad wieder in seine Neutralstellung zurückzudrehen, wenn kein Drehmoment beziehungsweise keine dem Drehmoment des Lenkantriebs entgegengesetzte Kraft vom Fahrzeugführer aufgebracht wird oder beispielsweise bei Nutzung eines Spurhalteassistenten in eine von der Steuereinheit vorgegebene Position zu drehen. Bei autonom fahrenden Fahrzeugen erfolgt eine direkte Ansteuerung des Lenkrades zur Erzeugung der Lenkbewegung durch den Lenkradaktuator, der somit das Lenkdrehmoment direkt bereitstellt.

[0003] So wird in der DE 10 2022 213 233 A1 ein Lenksystem offenbart, bei dem die Bewegung des Lenkrades auf eine Lenkwelle und von dieser auf ein bewegliches Element übertragen wird, welches durch die Drehung der Lenkwelle axial bewegt wird. Des Weiteren weist das Lenksystem einen ersten und einen zweiten Anschlag auf zwei gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Elements auf. Über zwei elastische Elemente, die zwischen dem beweglichen Element und den Anschlägen angeordnet sind, wird eine vom Lenkwinkel abhängige Gegenkraft erzeugt. Zusätzlich weist das Lenksystem ein Stützelement auf, das von dem beweglichen Element getragen wird, um eine axiale Reibungskraft zu erzeugen, wenn das bewegliche Element bewegt wird. Über einen Winkelsensor wird der Lenkwinkel des Lenkrads erfasst, während eine Steuervorrichtung das Stützelement steuert, um die Reibungskraft in Abhängigkeit vom Lenkwinkel des Lenkrads einzustellen. Dabei bilden die elastischen Elemente und das Stützelement den Lenkradaktuator.

[0004] Des Weiteren ist aus der DE 10 2023 201 425 A1 ein elektromechanisches Lenksystem bekannt, bei dem sowohl der die Gegenkraft erzeugende Lenkradaktuator als auch die die Lenkbewegung auf die Räder übertragende Antriebseinheit als Elektromotor ausgeführt sind.

[0005] Problematisch bei den bekannten Ausführungen ist es, dass zur zuverlässigen Detektion der Positionen des Lenkrades Absolutwinkelsensoren genutzt werden müssen, um sicherzustellen, dass eine korrekte Zuordnung des Lenkradwinkels zum Lenkwinkel der Räder erfolgt. Derartige Absolutwinkelsensoren sind jedoch relativ teuer und empfindlich gegen äußere magnetische Felder. Zur zuverlässigen Lagerückmeldung müssen daher mehrere Absolutwinkelsensoren benutzt werden, so dass der Herstellungsaufwand und die Kosten für ein solches Lenksystem hoch sind.

[0006] Des Weiteren wird es angestrebt in Zukunft zur Erhöhung der Sicherheit beim Fahren den Lenkwinkel des Lenkrades auf 180° in beide Richtungen zu beschränken, so dass ein Ubergreifen des Fahrers beim Lenken auch in scharfen Kurven nicht mehr erforderlich ist.

[0007] Es stellt sich daher die Aufgabe, eine elektromechanische Lenkvorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Steuerung einer derartigen Lenkvorrichtung bereit zu stellen, welche im Vergleich zu den bekannten Ausführungen bei Einschränkung des Lenkwinkels des Lenkrades auf jeweils 180° in beide Richtungen möglichst kostengünstig hergestellt werden kann, und ein stetig überprüfbares korrektes Stellungssignal liefert. Hierzu soll der Kalibrieraufwand im Vergleich zu bekannten Ausführungen reduziert werden und eine wiederkehrende Überprüfung des Signals ermöglicht werden.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

[0009] Die erfindungsgemäße elektromechanische Lenkvorrichtung weist ein Lenkrad auf, welches an einer Lenkwelle befestigt ist und sich entsprechend mit dieser dreht. Des Weiteren weist die Lenkvorrichtung einen mit der Lenkwelle verbundenen Lenkradaktuator auf. Über diesen Lenkradaktuator wird entweder ein Reaktionsdrehmoment auf eine Lenkbewegung eines Fahrzeugführers sowie ein Rückstelld'ehmoment zur Rückstellung des Lenkrades insbesondere in seine Neutralposition erzeugt oder direkt ein Lenkdrehmoment erzeugt, was insbesondere bei autonomen Fahrzeugen oder bei Spurhalteassistenten erforderlich ist. Die Lenkvorrichtung besteht zusätzlich aus einer Antriebseinheit, die mit einem Lenkgestänge zur Erzeugung einer Lenkbewegung von Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, so dass über diese Antriebseinheit die eigentliche Lenkung des Fahrzeugs erzeugt wird. Um die Antriebseinheit korrekt ansteuern zu können, ist die Antriebseinheit mit einer zentralen Steuereinheit verbunden, über die die Antriebseinheit in Abhängigkeit einer detektierten Lenkbewegung des Lenkrades steuerbar ist. Um nun die Lenkbewegung korrekt detektieren zu können, ist erfindungsgemäß am Lenkradaktuator zumindest ein Relativpositionssensor angeordnet, über den eine Bewegung des Lenkradaktuators detektierbar ist und am Lenkrad oder der Lenkwelle ein Signalgeber angeordnet, der mit einem Sensorschalter zusammenwirkt, der in einer Neutralstellung des Lenkrads ein Signal des Signalgebers empfängt und schaltet. Um deren Signale nutzen zu können, sind der zumindest eine Relativpositionssensor und der Sensorschalter mit der Steuereinheit datenübertragend verbunden. Ein solcher Relativpositionssensor besteht üblicherweise aus einem Signalgeber, der an einem sich bewegenden Teil des Lenkradaktuators angeordnet ist oder durch einen Teil des Lenkradaktuators gebildet wird und einem Signalempfänger, der die detektierten Signale in elektrische Impulse umwandelt, welche gezählt werden, so dass immer eine definierte Ausgangsposition benötigt wird, um einen absoluten Stellwinkel ermitteln zu können. Diese Ausgangsposition wird auf einfache Weise durch den Sensorschalter ermittelt, der beispielsweise als Hallschalter ausgeführt sein kann, der mit einem am Lenkrad oder an der Lenkwelle angeordneten Permanentmagneten zusammenwirkt. Somit können die Signale des Relativpositionssensors immer in Abhängigkeit der Neutralstellung des Lenkrades ermittelt werden, von der aus über die Signale des Relativpositionssensors gezählt werden kann. So ergibt sich ein stetig überprüfbares korrektes Signal für die zu ermittelnde Position des Lenkrades, welches entsprechend an die Antriebseinheit zur Verstellung der Räder weitergegeben werden kann. Es wird somit ein zuverlässiges reproduzierbares Signal mit minimalem Herstellungs- und Kostenaufwand erzeugt.

[0010] Vorzugsweise weist der Lenkradaktuator einen Lenkradelektromotor auf. Dieser ist besonders geeignet, eine zum vom Fahrer aufgebrachten Drehmoment ein einstellbares Reaktionsmoment zu schaffen und auch eine korrekte Rückstellung des Lenkrades durch ein entsprechendes Drehmoment zu erzeugen, wenn der Fahrer nicht eingreift. Des Weiteren ist ein solcher Elektromotor geeignet, in autonomen Fahrzeugen eingesetzt zu werden, um entsprechend der integrierten Software der Steuereinheit das Lenkrad zu betätigen.

[0011] In einer weiterführenden bevorzugten Ausführung weist der Lenkradaktuator ein Getriebe auf, über welches der Lenkradelektromotor mit der Lenkwelle verbunden ist. Durch ein solches

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Getriebe, welches insbesondere als Untersetzungsgetriebe ausgebildet ist, können die Lenkbewegungen noch genauer gesteuert werden, da der Verstellwinkel des Lenkrades zwischen aufeinanderfolgenden Signalen des Relativpositionssensors geringer ist.

[0012] Besonders bevorzugt ist es, wenn am Lenkrad oder an der Lenkwelle ein oder zwei mechanische Anschläge ausgebildet sind, welche eine Lenkbewegung in beide Lenkrichtungen jeweils auf einen maximalen Lenkwinkel von 180° begrenzen. Durch eine solche Begrenzung des Lenkwinkels wird sichergestellt, dass immer die Neutralstellung des Lenkrades vorliegt, wenn am Schaltsensor ein Signal erzeugt wird. Somit ist es nicht notwendig, die Schaltsensorsignale zu zählen, da diese Position eindeutig festgelegt ist. Des Weiteren erleichtert dies die Lenkung des Fahrzeugführers, da ein Übergreifen am Lenkrad nicht mehr erforderlich ist.

[0013] Der Komfort des Fahrzeugführers wird zusätzlich erhöht, wenn in der Steuereinheit zwei virtuelle Anschläge definiert sind, über die die Lenkbewegung in beiden Richtungen durch Erzeugen eines maximalen Gegendrehmomentes am Lenkradelektromotor über jeweils einen definierbaren Grenzwinkel zwischen 80° und 179° einschränkbar ist. Entsprechend kann eine Einschränkung des Lenkraddrehwinkels von beispielsweise 90° in beide Richtungen vorgenommen werden. Hierdurch wird zusätzlich eine mechanische Überlastung der mechanischen Anschläge verhindert, da diese nur im Fall eines nicht ausreichenden Gegendrehmomentes angefahren werden.

[0014] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn am Lenkradaktuator zwei Relativpositionssensoren angeordnet sind, über welche zwei zueinander phasenverschobene Signale detektierbar sind. Durch diese phasenverschobenen Signale wird eine Drehrichtungserkennung des Elektromotors ermöglicht. So kann auf zusätzliche Maßnahmen zur Drehrichtungserkennung, wie beispielweise eine Speicherung der Kommutierung des Elektromotors in der Steuereinheit zur Erkennung der Drehrichtung verzichtet werden.

[0015] In einer weiterführenden Ausführungsform ist der zumindest eine Relativpositionssensor als Inkrementalgeber ausgebildet. Diese Inkrementalgeber sind einfach und kostengünstig aufgebaut, unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und sehr energieeffizient.

[0016] In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist an einem Rotor oder einer Welle des Lenkradelektromotors eine Encoderscheibe angeordnet, welche als Signalgeber für den Inkrementalgeber wirkt. Eine solche Encoderscheibe kann hochauflösend ausgebildet werden und ermöglicht auch die Anordnung zweier Signalreihen mit phasenversetzten Signalen, die jeweils einem Relativpositionssensor zugeordnet werden können, um eine Richtungserkennung zu ermöglichen.

[0017] In einer alternativen Ausführung ist der zumindest eine Relativpositionssensor als Hallsensor beziehungsweise Hallschalter ausgebildet, über den unmittelbar das sich bei Drehung ändernde elektromagnetische Feld des Rotors detektierbar ist. Ein solcher Hallschalter ermöglicht eine relative Positionserkennung aufgrund des sich ändernden magnetischen Feldes des Rotors bei seiner Bewegung, so dass die Rotorpole durch den Hallsensor gezählt werden. Auf diese Weise kann auf einen Signalgeber in Form zusätzlicher Magneten verzichtet werden.

[0018] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Lenkvorrichtung eine mechanische Lenksperre aufweist, über die das Lenkrad in seiner Neutralstellung fixierbar ist. Eine solche Fixierung kann beispielsweise unmittelbar vor dem Abschalten des Fahrzeugs eingeschaltet werden und kann somit als Diebstahlsperre dienen. Vor allem aber wird durch diese mechanische Lenksperre sichergestellt, dass das Lenkrad nicht im abgestellten Zustand des Fahrzeugs betätigt werden kann und sich somit beim Start in der Neutralstellung befindet, so dass die Initialisierung der Sensoren bei Motorstart immer korrekt ist.

[0019] Beim erfindungsgemäß en Verfahren zur Steuerung einer derartigen elektromechanischen Lenkvorrichtung wird über den Sensorschalter am Lenkrad oder der Lenkwelle die Neutralstellung des Lenkrads beim Einschalten des Fahrzeugs detektiert und zur Initialisierung des zumindest einen Relativpositionssensors verwendet und bei jedem Überfahren des Sensorschalters während des Betriebs zur Validierung der Daten des zumindest einen Relativpositionssensors ge-

nutzt. Durch ein solches Vorgehen wird sichergestellt, dass die Relativpositionssensoren immer beim Starten des Fahrzeugs von der korrekten Ausgangsposition aus messen und somit ein absoluter Winkel berechnet werden kann. Dieser kann im Betrieb des Fahrzeugs, also während der Fahrt mit jedem Überfahren des Sensorschalters erneut kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass keine Fehler bei der Ermittlung der absoluten Position entstehen. Unter dem Einschalten des Fahrzeugs wird eine elektrische Stromversorgung des betreffenden Stromkreises verstanden, welche beispielsweise sowohl durch einen Start des Fahrzeugantriebs als auch ein Entriegeln der Tür oder ähnlichem initiiert werden kann. Entscheidend hierbei ist, dass die elektrische Versorgung des Fahrzeugs besteht und vor Antritt der Fahrt nicht erneut unterbrochen wird.

[0020] In einer weiterführenden Ausführungsform des Verfahrens befindet sich beim Einschalten des Fahrzeugs das Lenkrad in der über den Sensorschalter detektierten Neutralstellung. Zu dieser Neutralstellung wird der zumindest eine Relativpositionssensor beim Einschalten des Fahrzeugs, also beispielsweise beim Öffnen des Fahrzeugs oder beim Start des Fahrzeugantriebs initialisiert, und somit der Nullpunkt von dem aus gemessen wird, festgelegt. Von dieser Neutralstellung wird das Lenkrad im Folgenden, bevor das Fahrzeug in Bewegung gesetzt wird, durch Nutzung der Signale der Relativpositionssensoren mittels in der Steuereinheit beim Abschalten des Fahrzeugs gespeicherter Messwerte in eine Position gedreht, welche zur Position des Lenkgestänges korrespondiert. Hierbei wäre auch denkbar, beispielsweise die Position der Räder zu nutzen. Daraufhin werden während des Betriebs über die Relativpositionssensoren die Daten zur Ermittlung der Lenkradposition zur Weiterverarbeitung in Echtzeit an die Steuereinheit übermittelt und von der Steuereinheit entsprechende Steuersignale in Echtzeit an die Antriebseinheit übermittelt, so dass die die Räder über die Antriebseinheit in eine zu der Lenkradposition korrespondierende Stellung gedreht werden. Beim Abschalten des Fahrzeugs wird das Lenkrad in seine Neutralstellung zurückgedreht. Durch das Drehen in die Neutralstellung wird bei jedem Start ein korrekter Ausgangspunkt für die Ermittlung des absoluten Lenkwinkels verwendet. Hierzu werden lediglich die Daten des Lenkelektromotors beim Abschalten des Fahrzeugs, welche zu dem Lenkwinkel der Räder korrespondieren in der Steuereinheit gespeichert. Somit wird eine zuverlässige und eindeutige Korrespondenz zwischen der Lenkradposition und der Radposition mit einfachen Mitteln geschaffen. Unter Abschalten des Fahrzeugs wird ebenfalls die folgende Trennung des Stromkreises verstanden. Dies kann ebenfalls durch ein Abschließen des Fahrzeugs oder ein Ausschalten des Fahrzeugantriebs initiiert werden. Der Stromkreis wird entsprechend erst dann unterbrochen, wenn die entsprechenden Stellungen des Lenkrads und der Lenksperre eingenommen sind.

[0021] Vorzugsweise werden hierzu in der Steuereinheit die Anzahl der Signale und die Drehrichtung des Lenkrads zum Zurückstellen des Lenkrades in seine Neutralposition gespeichert, oder die Position der Räder detektiert und zur Rückstellung des Lenkrades in die zur Position des Lenkgestänges korrespondierende Stellung genutzt. Die Initialisierung und Validierung der Relativpositionssensoren zur Neutralstellung kann somit zur Einstellung eines korrekten absoluten Lenkwinkels genutzt werden.

[0022] Besonders bevorzugt ist es, wenn nach dem Abschalten des Fahrzeugantriebs und dem Rückdrehen des Lenkrades in seine Neutralstellung das Lenkrad durch die mechanische Lenksperre in der Neutralstellung fixiert wird. Hierdurch wird ausgeschlossen, dass das Lenkrad nach dem Abstellen und vor dem Neustart gedreht werden kann, wodurch sichergestellt wird, dass immer die korrekte Neutralstellung des Lenkrades zur Initialisierung der Relativpositionssensoren genutzt wird.

[0023] In einer hierzu weiterführenden Ausbildung wird nach dem Einschalten des Fahrzeugs und der Initialisierung des Relativpositionssensors die mechanische Lenksperre gelöst, so dass das Fahrzeug für den Betrieb genutzt werden kann. Eine Initialisierung, während das Lenkrad gedreht wird, kann auf diese Weise verhindert werden.

[0024] Es wird somit eine elektromechanische Lenkvorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Lenkvorrichtung geschaffen, mit welchen zuverlässig ein Lenkwinkel detektiert werden kann, ohne kostenintensive Absolutwinkelgeber verwenden zu müssen. Die erfin-

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dungsgemäße Lenkvorrichtung ermöglicht eine sehr genaue und feinfühlige Lenkung mit einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, welches eine hohe Ausfallsicherheit aufweist und auf Neukalibrierungen aufgrund von Signalverschiebungen beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen verzichten kann. Des Weiteren erfolgt während des Betriebs eine stetige Signalüberwachung.

[0025] Ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Lenkvorrichtung ist in der Figur dargestellt und wird ebenso wie das zugehörige Verfahren zur Steuerung nachfolgend beschrieben.

[0026] Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer elektromechanischen Lenkvorrichtung.

[0027] Die in der Figur dargestellte elektromechanische Lenkvorrichtung besteht aus einem Lenkrad 10, welches an einer Lenkwelle 12 befestigt ist, welche mit dem Lenkrad 10 bei Betätigung des Lenkrads 10 gedreht wird. Das Ende der Lenkwelle 12 ist mit einem Getriebe 14 eines Lenkradaktuators 16 verbunden, welches über einen Lenkradelektromotor 18 angetrieben beziehungsweise mit einem Drehmoment beaufschlagt werden kann.

[0028] Wird das Lenkrad 10 von einem Fahrzeugführer gedreht, wird die Bewegung über die Lenkwelle 12 und das Getriebe 14 auf den Lenkradelektromotor 18 übertragen, wo ein Reaktionsmoment erzeugt wird. Zusätzlich wird der Lenkradelektromotor 18 über eine zentrale Steuereinheit 20 entsprechend einer hinterlegten Software angesteuert, um ein Rückstelldzehmoment zu erzeugen, welches je nach verwendeter Software beispielsweise mit steigendem Lenkwinkel oder steigendem über den Fahrzeugführer eingebrachten Drehmoment ebenfalls ansteigt. Des Weiteren erfolgt durch den Lenkradelektromotor 18 eine Rückstellung des Lenkrades 10 in eine Neutralstellung, wenn vom Fahrzeugführer keine Lenkkraft aufgebracht wird. Die Neutralstellung ist eine Position des Lenkrades 10, in der das Lenkrad 10 gerade ausgerichtet ist und Räder 22 des Fahrzeugs keinen Lenkwinkel aufweisen, so dass ein Fahrzeug im Betrieb in gerader Richtung bewegt würde.

[0029] Die zentrale Steuereinheit 20 ist zusätzlich datenübertragend mit einer Antriebseinheit 24 verbunden, über die ein Lenkgestänge 26 des Fahrzeugs, welches mit den Rädern 22 verbunden ist, aktuiert werden kann, um an den Rädern 22 einen Lenkwinkel zu erzeugen. Die Antriebseinheit 24 weist hierzu üblicherweise ebenfalls einen Elektromotor 25, der über die zentrale Steuereinheit 20 angesteuert wird, sowie ein nachgeschaltetes Getriebe auf.

[0030] Um die Antriebseinheit 24 entsprechend des über das Lenkrad 10 erzeugten Lenkwinkels ansteuern zu können, ist es notwendig, den Lenkwinkel des Lenkrades 10 exakt zu detektieren, so dass jedem Lenkwinkel des Lenkrades 10 eindeutig ein Lenkwinkel der Räder 22 zugeordnet werden kann.

[0031] Hierzu ist am Lenkrad 10 oder an der Lenkwelle 12 ein Signalgeber 28 befestigt, der mit einem als Signalempfänger dienenden Sensorschalter 30 korrespondiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Permanentmagnet als Signalgeber 28 an der Lenkwelle 12 befestigt, dessen magnetisches Feld über einen in seiner Nähe befestigten Hallschalter gemessen wird, der als Sensorschalter 30 dient. Sobald der Signalgeber 28 gegenüberliegend zum Sensorschalter 30 angeordnet ist, wird im Sensorschalter 30 ein elektrisches Signal erzeugt und an die Steuereinheit 20 übermittelt, wodurch die Steuereinheit 20 eine Neutralstellung des Lenkrades 10 erkennt.

[0032] Des Weiteren sind am Lenkradaktuator 16 zwei Relativpositionssensoren 32, 34 angeordnet, die im vorliegenden Fall als Inkrementalgeber 33, 35 ausgebildet sind und durch zwei Hallschalter 36, 37 als Signalempfänger und eine Encoderscheibe 38 als Signalgeber gebildet werden, die am Ende einer Welle 39 des Lenkradelektromotors 18 befestigt ist und auf der zwei Spuren 40, 42 ausgebildet sind, die phasenversetzt zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spur 40 mit dem ersten Hallschalter 36 und die zweite Spur 42 mit dem zweiten Hallschalter 37 zusammenwirkt. Durch den Phasenversatz der beiden Spuren 40, 42 wird eine Drehrichtungserkennung eines Rotors 44 des Lenkradelektromotors 18 und damit des Lenkrades 10 beziehungs-

weise der Lenkwelle 12 ermöglicht.

[0033] Zusätzlich ist an der Lenkwelle 12 eine mechanische Lenksperre 46 ausgebildet. Diese besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem elektromagnetischen Aktuator 48, der einen ein- und ausführbaren Stift 50 aufweist, der in der Neutralstellung des Lenkrads 10 in eine entsprechende Bohrung 52 in der Lenkwelle 12 einfahrbar ist.

[0034] Des Weiteren ist an der Lenkwelle 12 ein mechanischer Anschlag 54 ausgebildet, der mit einem Gegenanschlag 56 an einem die Lenkwelle 12 aufnehmenden Gehäuse zusammenwirkt. In der Neutralstellung des Lenkrads 10 ist dieser mechanische Anschlag 54 um 180° versetzt zum Gegenanschlag 56 angeordnet, so dass das Lenkrad 10 in beide Drehrichtungen lediglich um diese 180° drehbar ist, bevor der mechanische Anschlag 54 auf den Gegenanschlag 56 trifft und somit ein Weiterdrehen des Lenkrads 10 verhindert.

[0035] Um ein solches Anschlagen im Normalbetrieb des Fahrzeugs zu verhindern, wird der maximale Lenkwinkel durch zwei zusätzliche virtuelle Anschläge verhindert. Ein derartiger virtueller Anschlag wird durch eine entsprechende Regelung des Lenkradaktuators 16 hergestellt, in dem über die Steuereinheit 20 bei Überschreiten eines Grenzwinkels von beispielsweise 90° das entgegen der Lenkradbewegung wirkende Drehmoment des Lenkradaktuators 16 maximiert wird, so dass der Fahrzeugführer nicht in der Lage ist das Lenkrad 10 über diesen definierten Grenzwinkel hinaus zu drehen.

[0036] Bei Beendigung des Betriebs des Fahrzeugs wird unmittelbar vor Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, das Lenkrad 10 über den Lenkradaktuator 16 in seine Neutralstellung bewegt, welche durch das Signal des Sensorschalters 30 identifiziert wird. Die dabei erzeugten Signale des ersten und zweiten Relativpositionssensors 32, 34 sowie die aus diesen Signalen resultierende Drehrichtung des Lenkradaktuators 16 werden dabei in der Steuereinheit 20 gespeichert. Wenn dies erfolgt ist wird die mechanische Lenksperre 46 betätigt, so dass das Lenkrad 10 nicht mehr bewegt werden kann und in seiner Neutralstellung fixiert ist. Sobald der Fahrzeugführer sein Fahrzeug wieder in Betrieb nehmen will, und entsprechend die elektrischen Stromkreise wieder eingeschaltet werden, was beispielsweise durch Aufschließen des Fahrzeugs oder einen folgenden Motorstart initiiert werden kann wird die Position des Lenkrads durch den Sensorschalter 30 als in der Neutralstellung befindlich identifiziert und die beiden Relativpositionssensoren 32, 34 initialisiert, was bedeutet, dass die vorliegende Position als Ausgangspunkt zum zählen folgender Signale dient. Sobald dies erfolgt ist wird die mechanische Lenksperre 46 gelöst, so dass das Lenkrad 10 wieder betätigt werden kann. Diese Betätigung erfolgt zunächst über den Lenkradaktuator 16, welcher das Lenkrad 10 über die Steuereinheit 20 unter Nutzung der gespeicherten Werte bezüglich der Drehrichtung und des Drehwinkels beim Abstellen des Fahrzeugs, wieder in die zu der Stellung der Räder 22 beim Abstellen des Fahrzeugs korrespondierenden Position verfährt. Während des folgenden Betriebs des Fahrzeugs wird am Lenkradaktuator 16 immer ein zur Lenkbewegung des Fahrzeugführers korrespondierendes Gegenmoment erzeugt und die Position des Rotors 44 beziehungsweise der Welle 39 des Lenkradelektromotors 18 kontinuierlich aufgenommen beziehungsweise die Signale der beiden Relativpositionssensoren 32, 34 vom Initialisierungspunkt aus gezählt und in Echtzeit an die Steuereinheit 20 übermittelt. Die Steuereinheit 20 verarbeitet diese Daten und übermittelt ein entsprechendes Ansteuersignal in Echtzeit an die Antriebseinheit 24, derart, dass jedem Lenkwinkel des Lenkrads 10 eine eindeutige Lenkposition der Räder 22 zugeordnet werden kann. Bei jeder Rückstellung des Lenkrads 10 in die Neutralstellung beziehungsweise bei jedem Überfahren dieser Neutralstellung wird erneut ein Signal des Sensorschalters 30 von der zentralen Steuereinheit 20 aufgenommen und dazu genutzt die Relativpositionssensoren 32, 34 beziehungsweise die über die Relativpositionssensoren 32, 34 ermittelten Werte zu validieren und somit auf ihre Korrektheit zu überprüfen. Entsprechend kann, falls dies notwendig ist, der Zeitpunkt des Überfahrens der Neutralstellung des Lenkrads 10 bei Abweichung der über die Relativpositionssensoren 32, 34 ermittelten Stellung als neuer Initialisierungspunkt genutzt werden und somit entweder Fehler bei der Zählung der beiden Relativpositionssensoren 32, 34 sofort eliminiert oder zumindest detektiert werden. Bei Beendigung der Fahrt und dem Abschalten des Motors oder dem Schließen des Fahrzeugs bleibt der Stromkreis zunächst geöffnet, so dass das Lenkrad 10 erneut in seine Neutralstellung

zurückgedreht werden kann und die mechanische Lenksperre 46 wieder eingeschaltet werden kann, wobei die Werte zur Drehrichtung des Lenkrads 10 und dem korrespondierenden Drehwinkel bis zum Erreichen der Neutralstellung erneut in der zentralen Steuereinheit 20 gespeichert werden. Anschließend wird der Stromkreis unterbrochen und das Fahrzeug ausgeschaltet. Bei erneuter Fahrtaufnahme werden die beschriebenen Schritte wieder durchgeführt.

[0037] Die beschriebene elektromechanische Lenkvorrichtung sowie das zugehörige Verfahren zur Steuerung dieser Lenkvorrichtung eignet sich sowohl für von Fahrzeugführern gesteuerte Fahrzeuge als auch für autonom fahrende Fahrzeuge. Die Lenkvorrichtung ist sehr einfach und kostengünstig herzustellen und weist eine hohe Ausfallsicherheit auf. Fehler aufgrund von Signalverschiebungen, wie sie beispielsweise durch Temperaturänderungen bei Absolutwinkelsensoren auftreten können, werden zuverlässig vermieden. Stattdessen erfolgt eine stetige Überwachung der Daten der Relativpositionssensoren über einen Abgleich von deren Daten mit den Signalen des Sensorschalters beim Überfahren der Neutralstellung.

[0038] Es sollte deutlich sein, dass neben der beschriebenen Ausführungsform auch andere Ausbildungen der Erfindung denkbar sind. Insbesondere können anders wirkende Sensoren als die beschriebenen, auf ein magnetisches Feld reagierenden Sensoren genutzt werden. So kann beispielsweise statt eines Hallschalters ein optischer Schalter verwendet werden. Des Weiteren ist es denkbar, statt des beschriebenen Inkrementalgebers einen Hallschalter zu nutzen, über den direkt die Signale aus der Bewegung der Permanentmagnete des Rotors des Lenkradelektromotors genutzt werden. Zusätzlich können die Anschläge sowie die Lenksperre selbstverständlich konstruktiv anders ausgeführt werden. Auch sind verschiedene Ausführungen zur Art der Steuerung des Lenkradaktuators bekannt, die jedoch üblicherweise alle mit der beschriebenen Lenkvorrichtung realisierbar sind.

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Claims (15)

Patentansprüche

1. Elektromechanische Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Lenkrad (10), einer Lenkwelle, an der das Lenkrad (10) befestigt ist, einem ein Reaktionsdrehmoment auf die Lenkbewegung und ein Rückstelldrehmoment oder ein Lenkdrehmoment erzeugenden Lenkradaktuator (16), der mit der Lenkwelle (12) verbunden ist, einer Antriebseinheit (24), die mit einem Lenkgestänge (26) zur Erzeugung einer Lenkbewegung von Rädern (22) des Fahrzeugs verbunden ist, einer zentralen Steuereinheit (20), über die die Antriebseinheit (24) in Abhängigkeit einer detektierten Lenkbewegung des Lenkrads (10) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Lenkradaktuator (16) zumindest ein Relativpositionssensor (32, 34) angeordnet ist, über den eine Bewegung des Lenkradaktuators (16) detektierbar ist und am Lenkrad (10) oder der Lenkwelle (12) ein Signalgeber (28) angeordnet ist, der mit einem Sensorschalter (30) zusammenwirkt, der in einer Neutralstellung des Lenkrads (10) ein Signal des Signalgebers (28) empfängt und schaltet, wobei der zumindest eine Relativpositionssensor (32, 34) und der Sensorschalter (30) mit der Steuereinheit (20) datenübertragend verbunden sind.

2. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradaktuator (16) einen Lenkradelektromotor (18) aufweist.

3. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradaktuator (16) ein Getriebe (14) aufweist, über welches der Lenkradelektromotor (18) mit der Lenkwelle (12) verbunden ist.

4. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Lenkrad (10) oder an der Lenkwelle (12) ein oder zwei mechanische Anschläge (56) ausgebildet sind, welche eine Lenkbewegung in beide Lenkrichtungen jeweils auf einen maximalen Lenkwinkel von 180° begrenzen.

5. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (20) zwei virtuelle Anschläge definiert sind, über die die Lenkbewegung in beide Richtungen durch Erzeugen eines maximalen Gegendrehmomentes am Lenkradelektromotor (18) über jeweils einen definierbaren Grenzwinkel zwischen 80° und 179° einschränkbar ist.

6. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Lenkradaktuator (16) zwei Relativpositionssensoren (32, 34) angeordnet sind, über welche zwei zueinander phasenverschobene Signale detektierbar sind.

7. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Relativpositionssensor (32, 34) als Inkrementalgeber (33, 35) ausgebildet ist.

8. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Rotor (44) oder einer Welle (39) des Lenkradelektromotors (18) eine Encoderscheibe (38) angeordnet ist, welche als Signalgeber für den Inkrementalgeber (33, 35) dient.

9. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Relativpositionssensor (32, 34) als Hallsensor ausgebildet ist, über den

unmittelbar das sich bei Drehung ändernde elektromagnetische Feld des Rotors (44) des Lenkradelektromotors (18) detektierbar ist.

10. Elektromechanische Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkvorrichtung eine mechanische Lenksperre (46) aufweist, über die das Lenkrad (10) in seiner Neutralstellung fixierbar ist.

11. Verfahren zur Steuerung einer elektromechanischen Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Sensorschalter (30) am Lenkrad (10) oder der Lenkwelle (12) die Neutralstellung des Lenkrads (10) beim Einschalten des Fahrzeugs detektiert und zur Initialisierung des zumindest einen Relativpositionssensors (32, 34) verwendet wird und bei jedem Überfahren des Sensorschalters (30) während des Betriebs zur Validierung der Daten des zumindest einen Relativpositionssensors (32, 34) genutzt wird.

12. Verfahren zur Steuerung einer elektromechanischen Lenkvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass

- sich beim Einschalten des Fahrzeugs das Lenkrad (10) in der über den Sensorschalter (30) detektierten Neutralstellung befindet,

- der zumindest eine Relativpositionssensor (32, 34) zu dieser Neutralstellung beim Einschalten des Fahrzeugs initialisiert wird,

- von dieser Neutralstellung das Lenkrad (10) durch Nutzung der Signale der Relativpositionssensoren (32, 34) mittels in der Steuereinheit (20) beim Abschalten des Fahrzeugs gespeicherter Messwerte in eine Position gedreht wird, welche zur Position des Lenkgestänges (26) und der Räder (22) korrespondiert,

- über die Relativpositionssensoren (32, 34) während des Betriebs des Fahrzeugs die Daten zur Ermittlung der Lenkradposition zur Weiterverarbeitung in Echtzeit an die Steuereinheit (20) übermittelt werden und von der Steuereinheit (20) entsprechende Steuersignale an die Antriebseinheit (24) übermittelt werden, so dass die Räder (22) in Echtzeit über die Antriebseinheit (24) in eine zu der Lenkradposition korrespondierende Stellung gedreht werden,

- beim Abschalten des Fahrzeugs das Lenkrad (10) in seine Neutralstellung zurückgedreht wird.

13. Verfahren zur Steuerung einer elektromechanischen Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (20) die Anzahl der Signale und die Drehrichtung des Lenkrads (10) zum Zurückstellen des Lenkrads (10) in seine Neutralposition gespeichert werden und zur Rückstellung des Lenkrads (10) in die zur Position des Lenkgestänges (26) und der Räder (22) korrespondierende Stellung genutzt werden.

14. Verfahren zur Steuerung einer elektromechanischen Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Fahrzeugs und dem Rückdrehen des Lenkrads (10) in seine Neutralstellung das Lenkrad (10) durch die mechanische Lenksperre (46) in der Neutralstellung fixiert wird.

15. Verfahren zur Steuerung einer elektromechanischen Lenkvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschalten des Fahrzeugs und der Initialisierung des Relativpositionssensors (32, 34) die mechanische Lenksperre (46) gelöst wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen