DE10103404A1 - Lenksystem für Fahrzeuge, Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems und Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems - Google Patents
Lenksystem für Fahrzeuge, Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems und Verfahren zum Betreiben eines LenksystemsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge mit einer Lenkeinrichtung, die mit wenigstens einem elektronisch kommutierten Elektromotor kuppelbar und von diesem antreibbar ist, wenigstens einem Lenkstellungssensor zum Erfassen von Stellungen der Lenkeinrichtung sowie einem Steuergerät zum Verarbeiten von Signalen des Lenkstellensensors. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist ein Zusammenhang zwischen den Stellungen des Elektromotors und den Stellungen der Lenkeinrichtung im Steuergerät gespeichert. DOLLAR A Verwendung zum Beispiel bei Steer-by-Wire-Lenksystemen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge mit einer
Lenkeinrichtung, die mit wenigstens einem elektronisch kommu
tierten Elektromotor kuppelbar und von diesem antreibbar ist,
wenigstens einem Lenkstellungssensor zum Erfassen von Stellun
gen der Lenkeinrichtung sowie einem Steuergerät zum Verarbeiten
von Signalen des Lenkstellungssensors. Die Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 04 675 A1 ist ein
sogenanntes "Steer-by-Wire"-Lenksystem beschrieben, das redun
dant aufgebaut ist und zwei Lenkmotoren aufweist, die entspre
chend einer Position eines Lenkrads über eine Lenksteuereinheit
angesteuert werden. Ein Hauptlenkmotor ist als bürstenloser E
lektromotor ausgebildet und weist einen Drehwinkel- oder Kommu
tierungssensor auf. Mehrere Spurstangenverschiebungssensoren
dienen zur redundanten Erfassung des tatsächlichen Lenkwinkels
an den Rädern. Die Position eines Lenkrads wird mittels zweier
redundanter Lenkwinkelsensoren erfasst, und ein Drehkraftsensor
dient zum Erfassen einer Lenkdrehkraft. Ein Reaktionskraftmotor
ist mit dem Lenkrad gekoppelt und bewirkt eine Reaktionskraft
beim Einschlagen des Lenkrads. Der erfasste Lenkwinkel und die
erfasste Lenkdrehkraft werden an die Lenksteuereinheit überge
ben, die daraufhin die Lenkmotoren entsprechend ansteuert.
Tritt bei einem Lenkmotor ein Fehler auf, wird der fehlerhafte
Motor abgeschaltet und die Lenkung von dem zweiten Lenkmotor ü
bernommen. Jeweils doppeltes Vorsehen von Spurstangensensoren
und Lenksensoren ermöglicht eine ordnungsgemäße Funktion des
Lenksystems auch dann, wenn jeweils einer der doppelt vorgese
henen Sensoren ausfällt.
Mit der Erfindung soll ein ausfallsicheres Lenksystem verbes
sert werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Lenksystem für Fahrzeuge mit ei
ner Lenkeinrichtung, die mit wenigstens einem elektronisch kom
mutierten Elektromotor kuppelbar und von diesem antreibbar ist,
wenigstens einem Lenkstellungssensor zum Erfassen von Stellun
gen der Lenkeinrichtung sowie einem Steuergerät zum Verarbeiten
von Signalen des Lenkstellungssensors vorgesehen, bei dem ein
Zusammenhang zwischen den Stellungen des Elektromotors und der
Lenkeinrichtung im Steuergerät gespeichert ist. Indem ein Zu
sammenhang zwischen den Stellungen des Elektromotors und der
Lenkeinrichtung im Steuergerät gespeichert ist, kann der Lenk
stellungssensor zur Kommutierung des Elektromotors verwendet
werden. Der Lenkstellungssensor kann dadurch anstelle, als Er
satz oder zur Kontrolle eines Kommutierungssensors, verwendet
werden. Dadurch kann entweder die zum Erreichen eines bestimm
ten Niveaus der Ausfallsicherheit notwendige Anzahl an Sensoren
verringert werden, oder es kann bei gleichbleibender Anzahl von
Sensoren eine erhöhte Ausfallsicherheit erreicht werden. Bei
spielsweise kann bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem bei einem
Handmomentensteller am Lenkrad ein Zusammenhang zwischen den
Stellungen eines Reaktionskraftmotors und den Stellungen eines
Lenkrads im Steuergerät gespeichert sein. Im Falle eines Rad
winkelstellers mit einem Lenkmotor, beispielsweise ein Linear
motor, kann ein Zusammenhang zwischen den Stellungen des Line
armotors und den Stellungen der Spurstangen im Steuergerät ge
speichert sein. Das erfindungsgemäße Lenksystem ist auch bei
Lenkungen mit durchgehender Lenksäule und elektromotorischer
Steuerung oder Unterstützung einsetzbar. Zur Einsparung von
Sensoren können beispielsweise zwei hochauflösende Lenkstel
lungssensoren aber kein separater Kommutierungssensor vorgese
hen sein. Zum Zweck einer erhöhten Ausfallsicherheit kann bei
dem erfindungsgemäßen Lenksystem beispielsweise ein kostengünstigerer,
nicht hochauflösender Sensor anstelle eines hochauflö
senden Sensors eingesetzt werden. Beispielsweise kann zur Ver
besserung der Regelgüte des Elektromotors neben dem Ausgangs
signal eines nicht hochauflösenden Kommutierungssensors das
Ausgangssignal eines hochauflösenden Lenkstellungssensors he
rangezogen werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Kommutierungssensor zum
Erfassen von Stellungen des Elektromotors vorgesehen, und das
Steuergerät ist zum Verarbeiten von Signalen des Kommutierungs
sensors geeignet. Dadurch kann das Steuergerät den Elektromotor
mit Hilfe des Lenkstellungssensors kommutieren und umgekehrt
kann der Kommutierungssensor zur Erfassung der Stellung der
Lenkeinrichtung verwendet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Steuergerät ein Zu
sammenhang zwischen elektrischen Betriebswerten des Elektromo
tors und einem auf die Lenkeinrichtung ausgeübten Lenkmoment im
Steuergerät gespeichert. Beispielsweise kann unter Heranziehung
des vom Elektromotor aufgenommenen Stroms nach Betrag und Phase
auf das vom Elektromotor abgegebene Motormoment geschlossen
werden. Auf diese Weise kann auch bei Ausfall eines Lenkmoment
sensors immer noch eine Aussage über das Lenkmoment getroffen
werden, ein Lenkmomentsensor könnte aber auch eingespart wer
den. Eine sich bei Ausfall eines Lenkmomentsensors und Regelung
des Lenkmoments mit Hilfe des gespeicherten Zusammenhangs zwi
schen Motorstrom und Lenkmoment einstellende erhöhte Momenten
welligkeit kann dazu dienen, einem Fahrer eine haptische Rück
meldung über den Fehlerzustand des Systems zu geben.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Lenkeinrichtung eine
Lenkwelle und der Elektromotor eine über ein Getriebe mit der
Lenkwelle gekoppelte Antriebswelle auf, wobei der Kommutie
rungssensor eine Drehwinkelstellung der Antriebswelle und der
Lenkstellungssensor eine Drehwinkelstellung der Lenkwelle er
fasst. Sind die Antriebswelle und die Lenkwelle über ein Ge
triebe miteinander verbunden, muss die Getriebeübersetzung bei
der Zuordnung der Stellungen des Elektromotors und der Stellun
gen der Lenkeinrichtung berücksichtigt werden.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Lenkeinrichtung und
der Elektromotor eine gemeinsame Antriebswelle auf. Auf diese
Weise kann beispielsweise ein Handmomentensteller mit direktem
Antrieb einer Lenksäule oder ein Radwinkelsteller mit direktem
Antrieb realisiert werden. Durch das Vorsehen einer gemeinsamen
Antriebswelle ergibt sich ein kompakter Aufbau.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Lenkeinrichtung einen
an zwei Enden eingespannten Torsionsstab auf, wobei der Lenk
stellungssensor eine Stellung der Lenkeinrichtung in Bezug auf
einen Kraftfluss durch den Torsionsstab gesehen auf einer Seite
des ersten Endes des Torsionsstabes erfasst und der Kommutie
rungssensor eine Stellung des Elektromotors und/oder der Lenk
einrichtung auf einer Seite des zweiten Endes des Torsionssta
bes erfasst. Eine solche Ausbildung des Lenksystems kann bei
spielsweise bei einem Handmomentensteller eingesetzt werden,
wodurch die Bestimmung eines auf die Lenkeinrichtung ausgeübten
Lenkmoments möglich wird, ohne für die Bestimmung des Lenkmo
ments zwei Lenkstellungssensoren zu erfordern.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Lenkeinrichtung ein
von dem Elektromotor angetriebenes Lenkgetriebe auf und der
Lenkstellungssensor erfasst die Stellung einer Zahnstange des
Lenkgetriebes und/oder einer Spurstange der Lenkeinrichtung.
Auf diese Weise können bei einem Radwinkelsteller zusätzliche
Sensoren eingespart oder die Ausfallsicherheit erhöht werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein
Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems nach einem der
vorstehenden Ansprüche gelöst, bei dem folgende Schritte durch
geführt werden: Einstellen einer ersten Stellung der Lenkein
richtung und Zuordnen der ersten Stellung der Lenkeinrichtung
zu einer ersten Stellung des Elektromotors, Bewegen der Lenk
einrichtung und Erfassen von Stellungen der Lenkeinrichtung bei
gleichzeitigem Erfassen von Stellungen des Elektromotors, Zu
ordnen wenigstens einer zweiten Stellung der Lenkeinrichtung zu
einer zweiten Stellung des Elektromotors und Bestimmen und Ab
speichern des Zusammenhangs zwischen den Stellungen des Elekt
romotors und der Lenkeinrichtung. Mit Hilfe dieses Verfahrens
werden die Stellungen des Elektromotors und die Stellungen der
Lenkeinrichtung einander zugeordnet, so dass bei einer Montage
des Lenksystems keine exakt ausgerichtete Drehstellung des E
lektromotors und der Lenkeinrichtung beachtet werden muss. Dies
vereinfacht zum einen den Zusammenbau eines Lenksystems im Fer
tigungsprozess, zum anderen kann auch nach Reparaturen des
Lenksystems ein Neuabgleich vorgenommen werden. Das erfindungs
gemäße Verfahren kann beispielsweise auch während des Betriebs
des Fahrzeugs durchgeführt werden, beispielsweise um Verschleiß
oder Auswirkungen von leichten Unfällen zu kompensieren.
In Weiterbildung der Erfindung werden zum Erfassen von Stellun
gen des Elektromotors die folgenden Schritte durchgeführt:
Bestromen einzelner Spulen des Elektromotors während des Bewe
gens der Lenkeinrichtung, Erfassen eines in dem Elektromotor
während des Bewegens der Lenkeinrichtung wirkenden Drehmoments
und Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Stellung des
Elektromotors aus den erfassten Drehmomentwerten. Auf diese
Weise können bei bekanntem Aufbau des Elektromotors, insbeson
dere dessen Polpaarzahl, Stellungen des Elektromotors während
des Bewegens der Lenkeinrichtung bestimmt werden, da beim
Bestromen einzelner Spulen das Drehmoment von der Drehstellung
des Rotors abhängt und einen im wesentlichen sinusförmigen Ver
lauf mit Nulldurchgängen hat.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Erfas
sen von Stellungen des Elektromotors die Schritte des Bestro
mens einzelner Spulen des Elektromotors und Anfahrens stabiler
Rotorstellungen des Elektromotors durchgeführt werden. Abhängig
vom Aufbau des Elektromotors ergeben sich mehrere stabile Ro
torstellungen bei Bestromung lediglich einer Spule. Durch
Bestromen lediglich einer Spule kann daher eine definierte Ro
torstellung angefahren werden.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Schritte des Bestimmens
und Abspeicherns eines Zusammenhangs zwischen elektrischen Be
triebswerten des Elektromotors und einem auf die Lenkeinrich
tung aufgebrachten Drehmoment vorgesehen. Durch diese Maßnahmen
kann auch ohne Drehmomentsensor eine Aussage über das Lenkmo
ment gemacht werden. Dadurch kann ein Lenkmomentsensor entweder
ersetzt oder durch Redundanz abgesichert werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein
Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems gelöst, bei dem ins
besondere bei Ausfall des wenigstens einen Kommutierungssensors
bzw. des wenigstens einen Lenkstellungssensors der Kommutie
rungssensor zum Erfassen der Stellung der Lenkeinrichtung bzw.
der Lenkwellensensor zum Erfassen der Stellung des Elektromo
tors verwendet wird. Durch diese Maßnahmen ist zum einen eine
erhöhte Ausfallsicherheit gegeben, da der Lenkstellungssensor
und der Kommutierungssensor sich gegenseitig ersetzen können.
Zum anderen können aber auch Sensoren eingespart werden, da ei
ne Redundanz bezüglich der Sensoren bereits ohne Vorsehen eines
zweiten Lenkstellungssensors bzw. Kommutierungssensors gegeben
ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung im Zusammenhang
mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Lenksystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Lenksystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Lenksystems gemäß einer dritten Ausführungsform und
Fig. 4 den Drehmomentverlauf eines Elektromotors bei Bestro
mung einzelner Spulen.
In der Fig. 1 ist ein sogenanntes Steer-by-Wire-Lenksystem
schematisch dargestellt. Das dargestellte Lenksystem weist ei
nen Handmomentensteller 10 und einen Radwinkelsteller 12 auf,
die mittels einer Lenksäule 14 und einer steuerbaren Kupplung
16 mechanisch verbunden oder getrennt werden können. Eine me
chanische Verbindung des Handmomentenstellers 10 und des Rad
winkelstellers 12 ist lediglich in einem Notfall vorgesehen. In
dem in der Fig. 1 dargestellten Zustand ist die steuerbare
Kupplung 16 geöffnet, und es besteht keine mechanische Verbin
dung zwischen dem Handmomentensteller 10 und dem Radwinkelstel
ler 12.
Der Handmomentensteller 10 weist ein Lenkrad 18 auf, das über
eine Lenkwelle 20 und ein Winkelgetriebe mit einem ersten Reak
tionskraftmotor 22 und einem zweiten Reaktionskraftmotor 24
verbunden ist. Die Reaktionskraftmotoren 22 und 24 sind als
bürstenlose, elektronisch kommutierte Elektromotoren ausgebil
det und mit einem Kommutierungssensor 26 versehen. Eine Dreh
stellung des Lenkrads 18 wird mit Hilfe eines ersten Lenkwin
kelsensors 28 sowie eines zweiten Lenkwinkelsensors 30 erfasst.
Die beiden Lenkwinkelsensoren 28 und 30 sind aus Redundanzgrün
den vorgesehen. Im weiteren Verlauf der Lenkwelle 20 ist ein
Torsionsstab 32 zu erkennen und an den Torsionsstab 32 schließt
sich ein dritter Lenkwinkelsensor 34 an. Der dritte Lenkwinkel
sensor 34 ist für eine Bestimmung des Lenkmoments vorgesehen.
Die Signale des Kommutierungssensors 26, der Lenkstellungssen
soren 28, 30 und 34 werden in einem ersten Steuergerät 36 und
parallel in einem zweiten Steuergerät 38 verarbeitet, das aus
Redundanzgründen vorgesehen ist. Ebenfalls redundant vorgesehen
sind zwei Energieversorgungen 40 und 42.
Der Radwinkelsteller 12 weist einen dritten Lenkmotor 44, einen
vierten Lenkmotor 46 sowie zwei Kommutierungssensoren 48 und 50
auf. Die Lenkmotoren 44 und 46 haben eine gemeinsame Antriebs
welle, die über ein Lenkgetriebe 52 mit einer Zahnstange einer
Spurstange 56 verbunden ist. Dadurch wird eine Drehung der An
triebswelle der Lenkmotoren 44 und 46 in eine lineare Verschie
bung der Spurstange 56 und eine Lenkbewegung von Rädern 58 um
gesetzt. Wegsensoren 53, 54 und 55 erfassen eine Stellung der
Spurstange 56 und geben die erfasste Stellung an die Steuerge
räte 36 und 38 weiter. Die Kommutierungssensoren 48 und 50 sind
ebenfalls mit den Steuergeräten 36 und 38 verbunden.
Ein durch das Lenkrad 18 vorgegebener Lenkwinkel wird mit Hilfe
der Lenkwinkelsensoren 28 und 30 erfasst und an die Steuergerä
te 36 und 38 weitergegeben. Entsprechend der Stellung des Lenk
rads 18 steuern die Steuergeräte 36 und 38 die Lenkmotoren 44
und 46 an und bewirkt dadurch eine, dem am Lenkrad 18 einge
stellten Lenkwinkel entsprechende Stellung der Räder 58.
Eine Bestimmung des mittels des Lenkrads 18 aufgebrachten Lenk
moments, das entgegen dem von den Reaktionskraftmotoren erzeug
ten Drehmoment wirkt, erfolgt durch Bestimmen eines Torsions
winkels des Torsionsstabs 32, der aus den Ausgangssignalen der
Lenkwinkelsensoren 30 und 34 bestimmt wird. Mit Hilfe einer be
kannten Torsionssteifigkeit des Torsionsstabs 32 und dem Torsi
onswinkel kann das in der Lenkwelle 20 wirkende Lenkmoment be
stimmt werden.
In den Steuergeräten 36 und 38 ist jeweils ein Zusammenhang
zwischen dem von dem dritten Lenkwinkelsensor 34 erfassten
Lenkwinkel und einer von dem Kommutierungssensor 26 erfassten
Drehstellung der Reaktionskraftmotoren 22 und 24 abgespeichert.
Darüber hinaus ist in den Steuergeräten 36 und 38 ein Zusammen
hang zwischen dem von einzelnen Spulen der Reaktionskraftmoto
ren 22 und 24 aufgenommenen Strom und den von den Lenkwinkel
sensoren 28, 30 und 34 erfassten Lenkwinkeln sowie dem wie zu
vor erläutert bestimmten Lenkmoment abgelegt.
Dadurch ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, den Handmomen
tensteller 10 zu betreiben. Während die Kommutierung der Elekt
romotoren 22 und 24 im Normalbetrieb durch den Kommutierungs
sensor 26 und die Steuergeräte 36 und 38 erfolgt, wobei die Re
gelgüte mit Hilfe des Signals des hochauflösenden Lenkwinkel
sensors 34 erhöht wird, können die Reaktionskraftmotoren 22 und
24 bei Ausfall des Kommutierungssensors 26 mit Hilfe des Lenk
winkelsensors 34 kommutiert werden. Andererseits können bei
Ausfall des Lenkwinkelsensors 34 die Reaktionskraftmotoren 22
und 24 alleine mit dem Kommutierungssensor 26 kommutiert wer
den. Aufgrund einer geringeren Auflösung des Kommutierungssen
sors 26 im Vergleich zu dem Lenkwinkelsensor 34 stellt sich
dann eine erhöhte Momentenwelligkeit des in der Lenkwelle 20
wirkenden Drehmoments ein. Dadurch erkennt oder spürt ein Fah
rer, dass innerhalb des Handmomentenstellers 10 ein Fehler auf
getreten ist, so dass eine haptische Rückmeldung über den Feh
lerzustand gegeben ist.
Bei Ausfall des dritten Lenkwinkelsensors 34 kann ein in der
Lenkwelle 20 wirkendes Lenkmoments noch dadurch bestimmt wer
den, dass unter Heranziehung des abgespeicherten Zusammenhangs
zwischen dem vom Lenkwinkelsensor 34 erfassten Lenkwinkel und
der vom Kommutierungssensor 26 erfassten Stellung der Reakti
onskraftmotoren 22 und 24 anhand des Signals des Kommutierungs
sensors 26 eine Verdrehung des Torsionsstabs 32 bestimmt wird,
wodurch auch das in der Lenkwelle 20 wirkende Lenkmoment be
stimmt werden kann. Durch die Abspeicherung der Beziehung zwi
schen der Stellung der Lenkwelle 20, nämlich dem vom Lenkwin
kelsensor 34 erfassten Lenkwinkel und der Stellung der Reakti
onskraftmotoren 22 und 24, die vom Kommutierungssensor 26 er
fasst wird, kann dadurch auch bei Ausfall es Lenkwinkelsensors
34 das in der Lenkwelle 20 wirkende Lenkmoment bestimmt werden.
Die niedrige Auflösung des Kommutierungssensor 26 kann durch
den in den Steuergeräten 36 und 38 gespeicherten Zusammenhang
zwischen dem von einzelnen Spulen der Reaktionskraftmotoren 22
und 24 aufgenommenen Motorstrom nach Betrag und Phase und dem
in der Lenkwelle 20 wirkenden Lenkmoment ausgeglichen werden.
Hierdurch kann eine Lenkmomentbestimmung bei Ausfall des Lenk
winkelsensors 34 verbessert werden.
Nach einer Erstmontage des Handmomentenstellers 10 im Werk
oder nach einer Reparatur in der Werkstatt ist die genaue Zu
ordnung des Lenkwinkels der Lenkwelle 20 und der Antriebswelle
der Reaktionskraftmotoren 22 und 24 nicht oder nicht mehr be
kannt. Um darauf verzichten zu können, die Reaktionskraftmoto
ren 22 und 24 und die Lenkwelle 20 stets nur in einer einzigen,
definierten Stellung zusammensetzen zu müssen, ist ein Initia
lisierungsvorgang vorgesehen. Hierzu wird zunächst eine erste
Stellung des Lenkrads 18 und eine zugeordnete Stellung der E
lektromotoren 22 und 24 erfasst. Daraufhin wird das Lenkrad 18
um mindestens eine Umdrehung, vorzugsweise aber im gesamten
Winkelbereich, durchgedreht. Während des Durchdrehens des Lenk
rads 18 werden fortlaufend Stellungen der Lenkwelle 20 durch
die Lenkwinkelsensoren 28, 30 und 34 erfasst, und gleichzeitig
werden mit Hilfe des Kommutierungssensors 26 Stellungen der Re
aktionskraftmotoren 22 und 24 erfasst. Die erfassten Stellungen
des Lenkrads 18 bzw. der Lenkwelle 20 werden in den Steuergerä
ten 36 und 38 den erfassten Stellungen der Elektromotoren 22
und 24 zugeordnet, und ein Zusammenhang zwischen diesen Stel
lungen wird bestimmt und abgespeichert. Durch den abgespeicher
ten Zusammenhang können im Betrieb die Ausgangssignale der
Lenkwinkelsensoren 28, 30 und 34 und die Ausgangssignale des
Kommutierungssensors 26 zueinander in Bezug gebracht werden.
Dadurch ist die Voraussetzung geschaffen, bei Ausfall eines
Lenkwinkelsensors 28, 30 oder 34 den Kommutierungssensor 26 he
ranzuziehen, oder umgekehrt die Reaktionskraftmotoren 22 und 24
bei Ausfall des Kommutierungssensors 26 mittels eines der Lenk
winkelsensoren 28, 30 und 34 zu kommutieren. Dadurch kann die
Ausfallsicherheit des Handmomentenstellers 10 verbessert wer
den, alternativ könnte beispielsweise der Kommutierungssensor
26 oder der Lenkwinkelsensor 34 eingespart werden.
Zur Initialisierung des erfindungsgemäßen Lenksystems können
auch bestimmte, durch den Aufbau der Elektromotoren 22 und 24
vorgegebene Drehstellungen angefahren werden, indem lediglich
eine Spule oder eine Phase der Wicklung der Reaktionskraftmoto
ren 22 bzw. 24 bestromt wird. In Abhängigkeit von der Polpaar
zahl der Motoren 22 bzw. 24 ergeben sich unterschiedlich viele
stabile Rotorstellungen am Motorumfang. Diese stabilen Rotor
stellungen ergeben sich dann, wenn die magnetischen Feldlinien
von der Statorwicklung geradlinig über den Luftspalt zum Rotor
laufen. In diesen Stellungen liegt ein Nulldurchgang des im Mo
tor wirkenden Drehmoments vor. Wird der Rotor aus einer solchen
stabilen Stellung herausbewegt und die Spule weiterhin
bestromt, zieht ein vom Auslenkungswinkel abhängiges Moment den
Rotor in die stabile Stellung zurück. Diese stabilen Stellungen
sind bei bekanntem Aufbau der Motoren 22 und 24 in ihrer Win
kellage genau definiert. Während des Initialisierungsvorgangs
können mehrere stabile Rotorstellungen der Reaktionskraftmoto
ren 22 und 24 angefahren werden, und diese definierten stabilen
Rotorstellungen können dann einem entsprechenden Lenkwinkel der
Lenkwelle 20 bzw. des Lenkrads 18 zugeordnet werden.
Bezüglich des Radwinkelstellers 12 ist zur Initialisierung ein
gleichartiges Verfahren erforderlich. Im Falle des Radwinkel
stellers 12 wird ein Zusammenhang zwischen den Stellungen der
Lenkmotoren 44 und 46, die mittels der Kommutierungssensoren 48
und 50 erfasst werden, und den Stellungen der Spurstange 56,
die durch die Wegsensoren 53, 54 und 55 in zweifach redundanter
Weise erfasst werden, bestimmt und abgespeichert. Dadurch wird
die Ausfallsicherheit des Radwinkelstellers 12 weiter erhöht,
da bei Ausfall eines oder beider Kommutierungssensoren 48, 50
die Elektromotoren 44 und 46 unter Heranziehung eines der Weg
sensoren 53, 54 oder 55 kommutiert werden können. Umgekehrt
können die Kommutierungssensoren 48, 50 die Wegsensoren 53, 54
und 55 ersetzen.
In der Fig. 2 ist schematisch eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Lenksystems dargestellt. Bei dem in der Fig.
2 dargestellten Lenksystem besteht eine mechanische Verbindung
zwischen einem Lenkrad 60 und den gelenkten Rädern 62. Eine von
dem Lenkrad 60 ausgehende Lenkwelle 64 wird direkt von zwei e
lektronisch kommutierten Elektromotoren 66 und 68 angetrieben.
Die Rotoren der Elektromotoren 66 und 68 sind drehfest mit der
Lenkwelle 64 verbunden, so dass eine Getriebestufe entfällt.
Darüber hinaus sind an und für sich bekannte Komponenten, näm
lich eine Lenkhelfpumpe 76, ein Lenkventil 78 sowie ein Lenkge
triebe mit Zahnstange und Ritzel 80 vorgesehen. Das Lenksystem
der Fig. 2 stellt ein sogenanntes "Active Highway-System" dar.
Ein erster Lenkwinkelsensor 70 und ein zweiter Lenkwinkelsensor
72 sind nicht nur für die Kommutierung der Elektromotoren 66
und 68 sondern auch für die Regelung von Lenkwinkelvorgabe und
Lenkmoment vorgesehen. Die Elektromotoren 66 und 68 werden von
redundant vorgesehenen Steuergeräten sowie ebenfalls redundant
vorgesehenen fehlertoleranten Bordnetzen angesteuert, die durch
den Block 74 symbolisiert sind. Indem in den Steuergeräten 74
ein Zusammenhang zwischen den Stellungen der Elektromotoren 66
und 68 und den Stellungen der Lenkwelle 64 gespeichert ist,
können die Elektromotoren 66 und 68 mittels der Lenkwinkelsen
soren 72 und 70 kommutiert werden. Zur Initialisierung des in
der Fig. 2 dargestellten Lenksystems dient ein gleichartiges
Verfahren, wie es zuvor im Zusammenhang mit der Fig. 1 be
schrieben wurde. Bei Normalbetrieb ist der Lenkwinkelsensor 70
dem Elektromotor 66 und der Lenkwinkelsensor 72 dem Elektromo
tor 68 zugeordnet. Die Ansteuerung der beiden Elektromotoren 66
und 68 erfolgt unabhängig voneinander über die getrennten Steu
ergeräte und Bordnetze 74. Bei Ausfall des Lenkwinkelsensors 70
muss die Ansteuerung des Elektromotors 66 nicht entfallen,
vielmehr kann mit Hilfe des abgespeicherten Zusammenhangs zwi
schen den Stellungen der Elektromotoren 66 und 68 und den Stel
lungen der Lenkwelle 64 das Ausgangssignal des Lenkwinkelsen
sors 72 auch zur Kommutierung des Elektromotors 66 herangezogen
werden.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenksystems
ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt. Ein Handmomentensteller
82 weist eine gegenüber dem in der Fig. 1 gezeigten
Handmomentensteller 10 reduzierte Sensorik auf. So wird die
Stellung einer Lenkwelle 84 durch zwei Lenkwinkelsensoren 86
und 88 erfasst, wohingegen im Vergleich zu dem Handmomenten
steller 10 der Fig. 1 ein dritter Lenkwinkelsensor entfallen
ist. Ein in der Lenkwelle 84 wirkendes Lenkmoment wird bei dem
Handmomentensteller 82 mit Hilfe eines Kommutierungssensors 90
bestimmt, aus dessen Ausgangssignal unter Heranziehung des Aus
gangssignals eines der Lenkwinkelsensoren 86 oder 88 eine Ver
drehung eines Torsionsstabs 92 in der Lenkwelle und damit ein
Lenkmoment bestimmt werden kann. Der Kommutierungssensor 90 ist
mit Hallsensoren ausgeführt und besitzt eine geringe Auflösung.
Die auf die Stellung oder den Lenkwinkel der Lenkwelle 84 bezo
gene Auflösung bestimmt sich in Abhängigkeit der Polpaarzahl
der Elektromotoren 94 und 96 und der Getriebeübersetzung eines
Winkelgetriebes 98.
Nach Initialisierung des in der Fig. 3 dargestellten Handmomen
tenstellers 82 gemäß einem zu dem vorstehend beschriebenen Ver
fahren gleichartigen Verfahren kann der Handmomentensteller 82
folgendermaßen betrieben werden.
Im Normalbetrieb erfolgt die Kommutierung der Elektromotoren 94
und 96 mit Hilfe des Kommutierungssensors 90, wobei zur Erhö
hung der Regelgüte das hochaufgelöste Ausgangssignal eines der
Lenkwinkelsensoren 86 oder 88 herangezogen wird.
Bei Ausfall des Kommutierungssensors 90 können die Elektromoto
ren 94 und 96 mit Hilfe des Lenkwinkelsensors 86 oder 88 kommu
tiert werden.
Bei Ausfall eines der Lenkwinkelsensoren 86 oder 88 können die
Elektromotoren 94 und 96 mittels des Kommutierungssensors 90
und des verbleibenden Lenkwinkelsensors kommutiert werden. Bei
Ausfall eines der Sensoren 86, 88 oder 90 kann dem Fahrer eine
haptische Rückmeldung gegeben werden.
Eine weitere Reduzierung der Sensorik kann beispielsweise da
durch erreicht werden, dass anstelle des Kommutierungssensors
90 ein hochauflösender Kommutierungssensor verwendet wird und
dafür der zweite Lenkwinkelsensor 88 entfällt.
Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Radmomentensteller 100 ist
im Unterschied zu dem in der Fig. 1 dargestellten Radmomenten
steller 12 neben einem ersten Lenkgetriebe 102 ein zweites
Lenkgetriebe 104 vorgesehen. Jedes Lenkgetriebe 102, 104 weist
einen Lenkmotor 106, 108 mit zugeordnetem Kommutierungssensor
110, 112 auf. Im übrigen ist der Radwinkelsteller gleich zu dem
Radwinkelsteller 12 der Fig. 1 aufgebaut, so sind ebenfalls
zwei Steuergeräte 114 und zwei Energieversorgungen 116 vorgese
hen, und wird in gleicher Weise betrieben.
In der Darstellung der Fig. 4 ist das in einem bürstenlosen E
lektromotor wirkende Drehmoment mR bei alleiniger Bestromung
einer Spule oder Phase der Drehstromstatorwicklung über dem e
lektrischen Winkel ϕ aufgetragen. Beispielsweise ergeben sich
stabile Rotorstellungen bei alleiniger Bestromung der Phase R
bei den Werten o, π, 2π. . .. Für alleinige Bestromung der Pha
sen S beziehungsweise T ergeben sich um 120° beziehungsweise
240° verschobene Verläufe des Drehmomentes mR.
Claims (13)
1. Lenksystem für Fahrzeuge mit einer Lenkeinrichtung (18,
20, 56; 60, 64; 84), die mit wenigstens einem elektronisch kom
mutierten Elektromotor (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106,
108) kuppelbar und von diesem antreibbar ist, wenigstens einem
Lenkstellungssensor (28, 30, 34, 53, 54, 55; 70, 72; 86, 88)
zum Erfassen von Stellungen der Lenkeinrichtung (18, 20, 56;
60, 64; 84) sowie einem Steuergerät (36, 38; 74; 114) zum Ver
arbeiten von Signalen des Lenkstellungssensors (28, 30, 34, 53,
54, 55; 70, 72; 86, 88),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zusammenhang zwischen den Stellungen des Elektromotors (22,
24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106, 108) und den Stellungen der
Lenkeinrichtung (18, 20, 56; 60, 64; 84) im Steuergerät (36,
38; 74; 114) gespeichert ist.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kommutierungssensor (26, 48, 50; 90 110, 112) zum Erfassen
von Stellungen des Elektromotors (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94,
96, 106, 108 vorgesehen ist und das Steuergerät (36, 38;
74; 114) zum Verarbeiten von Signalen des Kommutierungssensors
(26, 48, 50; 90, 110, 112) geeignet ist.
3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Zusammenhang zwischen elektrischen Betriebswerten des
Elektromotors (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106) und einem
auf die Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 60, 64; 84) ausgeübten
Lenkmoment im Steuergerät (36, 38; 74; 114) gespeichert ist.
4. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung eine Lenkwelle (20;
84) und der Elektromotor (22, 24; 94, 96) eine über ein Getrie
be (98) mit der Lenkwelle (20; 84) gekoppelte Antriebswelle
aufweist, wobei der Kommutierungssensor (26; 90) eine Drehwin
kelstellung der Antriebswelle und der Lenkstellungssensor (28,
30, 34; 86, 88) eine Drehwinkelstellung der Lenkwelle (20; 84)
erfasst.
5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung und der Elektromotor
(66, 68) eine gemeinsame Antriebswelle (64) aufweisen.
6. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung einen an zwei Enden
eingespannten Torsionsstab (32; 92) aufweist, wobei der Lenk
stellungssensor (28, 30; 86, 88) eine Stellung der Lenkeinrich
tung in bezug auf einen Kraftfluss durch den Torsionsstab (32;
92) gesehen auf einer Seite des ersten Endes des Torsionsstabes
(32; 92) erfasst und der Kommutierungssensor (26; 90) eine
Stellung des Elektromotors (22, 24; 94, 96) und/oder der Lenk
einrichtung auf einer Seite des zweiten Endes des Torsionssta
bes (32; 92) erfasst.
7. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung ein von dem Elektromo
tor (44, 46; 106, 108) angetriebenes Lenkgetriebe (52; 102,
104) aufweist und der Lenkstellungssensor (53, 54, 55) die
Stellung einer Zahnstange des Lenkgetriebes (52; 102, 104)
und/oder einer Spurstange (56) der Lenkeinrichtung erfasst.
8. Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems nach einem
der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Einstellen einer ersten Stellung der Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 60, 64; 84) und Zuordnen der ersten Stellung der Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 60, 64; 84) zu einer ersten Stellung des Elektromotors (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106, 108)
- - Bewegen der Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 60, 64; 84) und Erfassen von Stellungen der Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 60, 64; 84) bei gleichzeitigem Erfassen von Stellungen des Elektromotors (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106, 108),
- - Zuordnen wenigstens einer zweiten Stellung der Lenkeinrich tung (18, 20; 56; 60, 64; 84) zu einer zweiten Stellung des Elektromotors (22, 24, 44, 46; 66, 68; 94, 96, 106, 108) und
- - Bestimmen und Abspeichern des Zusammenhangs zwischen den Stellungen des Elektromotors und der Lenkeinrichtung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Erfassen von Stellungen des Elektromotors die Schritte:
- - Bestromen einzelner Spulen des Elektromotors während des Bewegens der Lenkeinrichtung,
- - Erfassen eines von dem Elektromotor während des Bewegens der Lenkeinrichtung abgegebenen Drehmoments,
- - Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Stellung des Elektromotors aus den erfassten Drehmomentwerten durchge führt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass zum Erfassen von Stellungen des Elektromotors die Schritte
des Bestromens einzelner Spulen des Elektromotors und Anfahrens
stabiler Rotorstellungen des Elektromotors durchgeführt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeich
net durch die Schritte des Bestimmens und Abspeicherns eines
Zusammenhangs zwischen elektrischen Betriebswerten des Elektro
motors und einem auf die Lenkeinrichtung aufgebrachten Lenkmo
ment.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass zur Vermeidung von Rückwirkungen oder Rei
bungen die Kupplung (16) zumindest zeitweise geöffnet wird.
13. Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems nach einem der
Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere
bei Ausfall des wenigstens einen Kommutierungssensors (26, 48,
50; 90, 110, 112) beziehungsweise des wenigstens einen Lenk
stellungssensors (28, 30, 34, 53, 54, 55; 86, 88)der Kommutie
rungssensor (26, 48, 50; 90, 110, 112) zum Erfassen der Stel
lung der Lenkeinrichtung (18, 20; 56; 84) beziehungsweise der
Lenkstellungssensor (28, 30, 34, 53, 54, 55; 86, 88) zum Erfas
sen der Stellung des Elektromotors (22, 24, 44, 46; 94, 96,
106, 108) verwendet wird.
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DE2001103404 DE10103404A1 (de) | 2001-01-26 | 2001-01-26 | Lenksystem für Fahrzeuge, Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems und Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems |
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