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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs mit
einer Steer-By-Wire-Lenkung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und eine Lenkanlage gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten
Anspruchs 5.
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Bei
einer Steer-By-Wire-Lenkanlage ist im Normalbetrieb nur eine elektrische
Signalverbindung zwischen einer Lenkhandhabe, wie z. B. einem Lenkrad,
und gelenkten Rädern
wirksam. Bei solchen Lenkanlagen werden zur Erfassung des Lenkraddrehwinkels
und zur Erfassung des Drehwinkels eines Steuerventils sogenannte
Multiturn-Sensoren mit einem Messbereich von beispielsweise 1440°, entsprechend
vier Lenkradumdrehungen, eingesetzt. Durch die Multiturn-Sensoren
kann der Drehwinkel des Lenkrads sowie des Steuerventils eindeutig
bestimmt werden. Allerdings sind Multiturn-Sensoren sehr teuer und
beim Ausfall eines dieser Sensoren ist die elektronische Steuerung
der Lenkanlage nicht mehr funktionsfähig. In Folge dessen muss auf
eine mechanische oder hydraulische Ersatzlenkung zurückgegriffen
werden. Diese Ersatzlenkung wird im folgenden als Rückfallebene
bezeichnet.
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Im
Folgenden ist mit "Position" eine Winkellage
von 0° bis < 360° bezeichnet,
während
unter "Drehwinkel" eine Winkellage
von –∞ bis +∞ verstanden
wird. Der (mehrdeutigen) "Position" von 10° können daher "Drehwinkel" von 10°, 370°, 730°, usw., aber
auch –350°, –710°, usw. entsprechen.
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Aus
der
DE 42 32 256 A1 und
der
DE 198 04 675
A1 sind Verfahren zum Betreiben einer steer-by-wire-Lenkanlage
bekannt, die nur mit teueren Multiturn-Sensoren für die Erfassung
des Drehwinkels einer Lenkhandhabe und der Erfassung der Stellung
eines Stellglieds durchführbar
sind. Wegen der erforderlichen Redundanz dieser Bauteile ist der daraus
resultierende Kostennachteil gravierend.
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Aus
der
DE 197 44 722
A1 ist eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen
bekannt, die durch das Zusammenwirken eines Winkelsensors mit einem
Meßbereich
von 360° und einem
digitalen Positionssensor mit geringer Auflösung den Drehwinkel eindeutig
bestimmen kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steer-By-Wire-Lenkanlage mit erhöhter Sicherheit
gegen Funktionsausfälle
bei gleichzeitig reduzierten Herstellungskosten bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren nach Anspruch 1.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Fahrerlenkwunsch aus der mehrdeutigen Position der Lenkhandhabe
und der Stellung der gelenkten Räder
ermittelt, so dass anstelle eines Multiturn-Sensors ein einfacher Sensor mit einem
Messbereich von 360° ausreichend
ist. Die Auflösung
des Sensors, mit dem die Stellung der gelenkten Räder erfasst
wird, muss lediglich so hoch sein, dass aus der Stellung der gelenkten
Räder eindeutig
auf die Zahl der vom Lenkrad ausgeführten Umdrehungen geschlossen
werden kann. Aus diesem Grund kann auch der dazu erforderliche Sensor
sehr einfach und kostengünstig
aufgebaut sein. Wegen des Zusammenwirkens der Stellung der gelenkten
Räder und der
Position der Lenkhandhabe können
Fehlfunktionen eines oder beider Sensoren erkannt werden, und es
kann ggf. auf eine Rückfallebene
umgeschaltet werden. Dadurch erhöht
sich die Sicherheit der Steer-By-Wire-Lenkung.
In gleicher Weise kann die Ermittlung des Drehwinkels des Stellglieds
aus der mehrdeutigen Position des Stellglieds und der Stellung der
gelenkten Räder
mit Hilfe eines einfachen 360°-Drehwinkelsensors
und des bereits erwähnten Sensors
zur Erfassung der Stellung der gelenkten Räder erfolgen, der nur eine
geringe Auflösung
aufzuweisen braucht.
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Dadurch,
dass die Erfassung der Position der Lenkhandhabe redundant erfolgt,
dass bei Ausfall einer Erfassungsmöglichkeit der Position der Lenkhandhabe
die jeweils andere zur Berechnung des Fahrerlenkwunsches herangezogen
wird, und dass bei Ausfall der Erfassung der Stellung der gelenkten
Räder der
Fahrerlenkwunsch durch Addition der Positionsänderungen der Lenkhabe berechnet wird,
bleibt die Steer-By-Wire-Lenkanlage auch bei Ausfall eines Sensors,
der zur Erfassung der Position der Lenkhandhabe oder der Stellung
der gelenkten Räder
erforderlich ist, funktionsfähig,
zumindest bis eine Umschaltung auf eine Rückfallebene erfolgt ist.
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Gleiches
gilt auch für
die redundante Erfassung der Position des Stellglieds, so dass auch
der Drehwinkel des Stellglieds sicher und zuverlässig erfasst wird.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch
eine Steer-By-Wire-Lenkanlage mit den Merkmalen des nebengeordneten
Anspruchs 5. Bei dieser Lenkanlage können einfache 360°-Lenkdrehwinkelsensoren zu
Positionserfassung eingesetzt werden, und der Wegsensor braucht
nur eine sehr geringe Auflösung zu
haben. Dadurch werden Kosten gespart und die Sicherheit der Lenkanlage
wird erhöht,
da durch den Vergleich der Messwerte des ersten Lenkdrehwinkelsensors
und des Wegsensors eventuelle Fehlfunktionen erkannt werden können.
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In
weiterer Ergänzung
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellglied ein die Stellung
der gelenkten Räder über ein
Lenkgetriebe insbesondere ein Hydrolenkgetriebe steuernder Elektromotor
ist, so dass auf einfache Weise der Fahrerlenkwunsch in eine dementsprechende
Stellung der gelenkten Räder
umgesetzt werden kann.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfasst der erste Istwert-Sensor
den Drehwinkel des Elektromotors, so dass die Bewegung des Stellglieds
unmittelbar erfasst wird. Außerdem
können auch
ggf. ohnehin vorhandene Positionssensoren im Elektromotor (und in
einem möglicherweise
vorgesehenen Lenkradantriebsmotor) verwandt werden, wenn sie nämlich absolut
statt relativ messen. Dadurch werden weitere Kosten eingespart und
der Verkabelungsaufwand wird verringert.
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In
weiterer Ergänzung
der Erfindung erfasst der zweite Istwert-Sensor den Drehwinkel eines Ritzels
des Lenkgetriebes, so dass aus dem Messwert des zweiten Istwert-Sensors
unmittelbar eine Aussage über
die tatsächliche
Stellung der gelenkten Räder
möglich
ist. Wegen der unterschiedlichen Einbaulage des ersten Istwert-Sensors und des zweiten
Istwert-Sensors wird die Sicherheit der erfindungsgemäßen Steer-By-Wire-Lenkanlage
weiter erhöht
und außerdem
wird eine Plausibilitätskontrolle
der von den Sensoren gemessenen Positionen möglich.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Lenkanlage
schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steer-By-Wire-Lenkanlage
und
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steer-By-Wire-Lenkanlage.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Lenkrad 1 dient als Lenkhandhabe und ist an einer Lenksäule 3 befestigt,
die im Chassis eines nicht dargestellten Fahrzeugs gelagert ist.
Statt des Lenkrads 1 kann auch eine andere Lenkhandhabe,
wie z. B. ein sog. Sidestick, vorgesehen sein, deren Bewegung in
eine Drehbewegung der Lenksäule 3 umgesetzt
wird.
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An
der Lenksäule 3 ist
ein erster Lenkdrehwinkelsensor A sowie ein Lenkradantriebsmotor 5 angeordnet.
Es ist ausreichend, wenn der erste Lenkdrehwinkelsensor A einen
Meßbereich
von 360° hat, obwohl
das Lenkrad 1 von Lenkanschlag zu Lenkanschlag beispielsweise
vier bis fünf
Umdrehungen macht. Der Lenkradantriebsmotor 5 dient dazu, Rückwirkungen
von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder 7 des Fahrzeugs
an das Lenkrad 1 und damit an den nicht dargestellten Fahrer
des Fahrzeugs weiterzumelden. Die vom ersten Lenkdrehwinkelsensor A
ermittelte Position des Lenkrads 1 wird über Signalleitungen 8 an
ein Steuergerät 9 übertragen
und von diesem ausgewertet.
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Das
Lenken der gelenkten Räder 7 erfolgt über ein
Stellglied, das in dem ersten Ausführungsbeispiel als Elektromotor 19 ausgeführt ist.
Der Elektromotor 19 wirkt über ein Lenkgetriebe 16 auf
die Stellung der gelenkten Räder 7.
Gesteuert wird der Elektromotor 19 über Signalleitungen 8 von
einem Steuergerät 9.
Die Erfassung der Position des Elektromotors 19 erfolgt über einen
am Elektromotor 19 angebrachten ersten Istwert-Sensor C.
Der Meßbereich
des ersten Istwert-Sensors C kann etwa 360° betragen. Die Stellung der
gelenkten Räder 7 wird über einen
Wegsensor E erfasst, dessen Auflösung lediglich
so groß sein
muß, dass
eine eindeutige Zuordnung von der Stellung der gelenkten Räder zu der Zahl
der Lenkradumdrehungen möglich
ist.
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Der
Fahrerlenkwunsch wird mit Hilfe des ersten Lenkdrehwinkelsensors
A sowie des Wegsensors E ermittelt. Die Kombination der vom ersten
Lenkdrehwinkelsensor A ermittelten Position des Lenkrads 1 und
der vom Wegsensor E ermittelten Stellung der gelenkten Räder erlaubt
eine eindeutige Bestimmung des Fahrerlenkwunsches.
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In
entsprechender Weise kann aus der Position des Elektromotors 19,
welche von einem z. B. als Drehwinkelsensor mit 360° Meßbereich
ausgeführten
ersten Istwertsensor C erfasst wird, zusammen mit der vom Wegsensor
E gelieferten Stellung der gelenkten Räder der Drehwinkel des Stellglieds 19 eindeutig
bestimmt werden.
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Aus
Sicherheitsgründen
muß die Steer-By-Wire-Lenkanlage
nach dem Ausfall eines der Sensoren A, C oder E abgeschaltet und
auf eine Rückfallebene,
d. h. eine hydraulische oder mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und
Lenkgetriebe 16, umgeschaltet werden.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Lenkanlage
dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel
weist ebenfalls ein Lenkrad 1, eine Lenksäule 3,
einen ersten Lenkdrehwinkelsensor A, einen Lenkradantriebsmotor 5,
gelenkte Räder 7,
Signalleitungen 8, ein Steuergerät 9, ein Lenkgetriebe 16,
einen ersten Istwert-Sensor C und einen Elektromotor 19 auf.
Im Folgenden werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel
erläutert,
und es wird ansonsten auf das zuvor Gesagte verwiesen.
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An
der Lenksäule 3 ist
zusätzlich
ein zweiter Lenkdrehwinkelsensor B angeordnet. Das Lenkgetriebe 16 ist
als Hydro-Getriebe mit einer Pumpe 11, Verbindungsleitungen 13 und
einem hydraulischen Aktor 15 ausgeführt. Gesteuert wird der Aktor 15 über ein
als Steuerventil dienendes Drehstabventil 17. Das Drehstabventil 17 wird
mittelbar über
einen Elektromotor 19 von dem Steuergerät 9 gesteuert. Die
Erfassung der Position des Drehstabventils 17 erfolgt über den
ersten Istwert-Sensor C sowie einen zweiten Istwert-Sensor D. Der
erste Istwert-Sensor C ist am Elektromotor 19 angebracht,
während
der zweite Istwert-Sensor
D an einem Antriebsritzel 21 des Lenkgetriebes 16 angebracht
ist. Selbstverständlich muss
die Übersetzung
zwischen Elektromotor 19 und Drehstabventil 17 einerseits
sowie Drehstabventil 17 und Zahnstange des Lenkgetriebes 16 bei
der Auswertung der von den Istwert-Sensoren C und D gemessenen Werte
berücksichtigt
werden. Das Übersetzungsverhältnis zwischen
Lenkrad 1 und Zahnstange kann auch fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig sein.
Die Stellung des Aktors 15 und damit auch die Stellung
der gelenkten Räder 7 wird über einen Wegsensor
E erfasst.
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Die
Lenkdrehwinkelsensoren A und B sind wegen der besonderen Sicherheitsanforderungen
an eine Lenkanlage ohne festen mechanischen oder hydraulischen Durchtrieb
zwischen Lenkhandhabe 1 und gelenkten Rädern 7 redundant ausgeführt und ermitteln
den Fahrerlenkwunsch nur über
einen Bereich von 360°.
Da beim Lenken mehrere Lenkradumdrehungen zwischen den vollen Radausschlägen notwendig
sind, wird die Stellung des Aktors 15, welche über den
Wegsensor E erfasst wird, herangezogen, um den Fahrerlenkwunsch
eindeutig zu bestimmen. Dadurch kann auf den Einsatz teurer Multiturn-Sensoren mit einem
Messbereich größer 360° im Bereich
der Lenksäule 3 verzichtet
werden.
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Bei
einer Störung
des ersten oder zweiten Lenkdrehwinkelsensors A oder B ist jeweils
der andere Lenkdrehwinkelsensor in der Lage, zusammen mit dem Wegsensor
E den Fahrerlenkwunsch eindeutig zu ermitteln. Bei Ausfall des Wegsensors
E kann der Fahrerlenkwunsch durch Speichern des letzten Messwertes
des Wegsensors E vor dem Ausfall und Aufaddieren der weiteren Messwertänderungen
der Lenkdrehwinkelsensoren A und B ermittelt werden. Somit bleibt
die Lenkanlage selbst bei Ausfall eines Sensors funktionstüchtig. Allerdings
sollte kurze Zeit nach dem Ausfall eines Sensors eine Umschaltung auf
eine hydraulische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und Aktor 15 erfolgen
oder eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und
Lenkgetriebe 16 hergestellt werden.
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Auf ähnliche
Weise wird der Lenkwinkel der Räder 7 mit Hilfe
der Istwert-Sensoren C und D sowie des Wegsensors E ermittelt. Der
Istwert-Sensor C und ein redundanter Istwert-Sensor D messen den Drehwinkel
des Ritzels 21 im Bereich von 360° bzw. einem Vielfachen oder
einem Bruchteil davon, je nach Übersetzung.
Bei der Messung müssen
die Übersetzung
und die Verdrehung des Drehstabs im Drehstabventil 17 berücksichtigt
werden. Der Verdrehwinkel des Drehstabs ist direkt vom anstehenden
Moment abhängig.
Dieses Moment kann vom Elektromotor 19 aufgebracht werden
und kann in diesem Fall aus der Stromaufnahme des Elektromotors 19 ermittelt
werden. Das Moment kann auch durch Stöße von der Fahrbahn auf die
Räder 7 über das Lenkgetriebe 16 auf
den Drehstab übertragen
werden.
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Der
Lenkwinkel der Räder 7 wird
mit den Istwert-Sensoren C, D und dem Wegsensor E in entsprechender
Weise wie der Fahrerlenkwunsch ermittelt. Für den Ausfall eines der Istwert-Sensoren
C und D gilt das bezüglich
der Sensoren A, B und E Gesagte entsprechend. Aus Sicherheitsgründen sollte
die elektronische Steuerung der Lenkanlage auch nach dem Ausfall
eines der Istwert-Sensoren C und D abgeschaltet und auf eine hydraulische
oder mechanische Verbindung zwischen Lenkrad 1 und Aktor 15 bzw.
Lenkgetriebe 16 umgeschaltet werden.
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Durch
die Erfindung ist eine Steer-By-Wire-Lenkanlage geschaffen mit einem
ersten Lenkdrehwinkelsensor A für
den Ausschlag einer Lenkhandhabe, wie z. B. einem Lenkrad 1,
und mit einem Istwert-Sensor D für
den Lenkausschlag der gelenkten Räder 7, wobei mindestens
der erste Lenkdrehwinkelsensor A aus Sicherheitsgründen durch
einen redundanten zweiten Lenkdrehwinkelsensor B ergänzt ist
und zur Vervollständigung
der Funktion mindestens des ersten Lenkdrehwinkelsensors A und des
redundanten zweiten Lenkdrehwinkelsensors B in Winkelbereichen von
mehr als 360° ein
Wegsensor E für
den Istwert des Lenkausschlages eines gelenkten Fahrzeugrades 7 vorgesehen
ist; zusätzlich
ist einelektronisches Steuergerät 9 vorhanden,
das bei Störung
des Wegsensors E dessen zuletzt korrekt gemessenen Wert speichert
und anschließend
den vom ersten Lenkdrehwinkelsensor A gemessenen Winkel durch Aufaddieren
weiterer Messwertänderungen
dieses ersten Lenkdrehwinkelsensors A fortschreibt; dadurch stehen
für die
Steer-By-Wire-Funktion weiterhin vollständige Sollwerte zur Verfügung, und
zwar mindestens bis zum Umschalten der Lenkanlage auf eine mechanische
und/oder hydraulische Rückfallebene.
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Auch
dem ersten Istwert-Sensor C kann ein redundanter zweiter Istwert-Sensor
D zugeordnet sein. Wenn, beispielsweise zur Vereinheitlichung der Bauteile,
auch der zweite Istwert-Sensor D als Winkelsensor ausgebildet ist,
dient der Wegsensor E zweckmäßigerweise
zur Vervollständigung
der Funktion auch des ersten Istwertsensors C und des zugeordneten
redundanten zweiten Istwertsensors D in Winkelbereichen von mehr
als 360°.
Das Steuergerät 9 kann
auch hier bei Störung
des Wegsensors E dessen zuletzt korrekt gemessenen Wert speichern
und anschließend
den von einem der Istwert-Winkelsensoren D, C gemessenen Winkel
durch Aufaddieren weiterer Messwertänderungen wenigstens eines
der Istwert-Winkelsensoren
D, C fortschreiben. Dadurch stehen auch bei Ausfall eines der Sensoren
C, D, E weiterhin vollständige
Istwerte zur Verfügung
und zwar mindestens bis zum Umschalten auf eine Rückfallebene.