DE10103404A1 - Lenksystem für Fahrzeuge, Verfahren zum Initialisieren eines Lenksystems und Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems - Google Patents

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 m_R 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 m_R.

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.