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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 7 für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung, die eine Lenkwinkelinformation für weitere Komponenten, beispielsweise ein Fahrassistenzsystem, bereitstellen.
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Elektromechanische Lenkeinrichtungen, bei welchen ein Unterstützungsmoment durch einen elektrischen Servomotor zusätzlich zu einem durch einen Fahrer mittels eines Lenkrads über eine durchgehend mechanische Verbindung vorgegebenes Lenkmoment aufgebracht wird, sind bereits bekannt.
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Bekannt sind auch beispielsweise aus der
DE 19713576 A1 Lenksysteme für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem lenkbaren Rad, einem Stellantrieb und einem Überlagerungsgetriebe, wobei mittels des Überlagerungsgetriebes die durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und die durch den Stellantrieb initiierte Bewegung zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades überlagert wird. Bei dem Stellantrieb handelt es sich üblicherweise um einen lagegeregelten Motor, insbesondere einen Elektromotor. Derartige Lenksysteme detektieren üblicherweise das vom Fahrer über das Lenkrad vorgegebene Lenkmoment mit Hilfe eines eigenständig agierenden Lenkmomentensensors, welcher als Bestandteil des Lenksystems unabhängig vom Servomotor angebracht ist und einem Steuergerät ein Lenkmomentensignal zuführt.
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Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass - insbesondere, wenn die Bereitstellung von zusätzlichen Lenkkomfortfunktionen erwünscht ist - eine zunehmende Anzahl von teuren Einzelsensoren notwendig ist, um ein zufrieden stellendes Funktionieren des elektromechanischen Lenksystems zu gewährleisten. Beispielsweise ist in einem elektromechanischen Lenksystem für das Bereitstellen einer aktiven Rückstellfunktion des Lenkrads üblicherweise das Vorliegen eines Lenkwinkelsignals unerlässlich, welches in der Regel durch einen Lenkwinkelsensor, beispielsweise nach Messung des vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels direkt am Lenkrad, bereitgestellt wird. Der Lenkwinkelsensor ist dabei normalerweise einer von zahlreichen Sensoren des elektromechanischen Lenksystems. Dabei agieren die verschiedenen Sensoren in der Regel unabhängig voneinander, sind separat im Lenksystem angebracht und daher nicht in der Lage, mehrere Funktionen in integrierter Form abzudecken, so dass auf keinen der einzelnen Sensoren verzichtet werden kann, ohne die Funktionalität des Lenksystems zu beeinträchtigen. Mit zunehmender Anzahl von Sensoren, die für die Funktionalität des Lenksystems unerlässlich sind, steigen jedoch auch die Kosten für das gesamte Lenksystem, weswegen in zunehmendem Maße auch Überlegungen über die Wirtschaftlichkeit der Sensorik in den Vordergrund rücken.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2004 054 921 A1 ist eine Vorrichtung für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung bekannt, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind. In mindestens einem Rechenmittel ist ein Unterstützungswinkel und/oder ein Unterstützungsmoment ermittelbar und der Unterstützungswinkel und/oder das Unterstützungsmoment ist durch den Servomotor aufbringbar, welcher als lagegeregelter Stellmotor ausgeführt ist, wobei eine Momenten- und/oder Kraftübertragung zwischen dem Servomotor und dem Lenkmittel sowie auch umgekehrt ermöglicht ist und durch einen Motorlagesensor die Position des Rotors des Servomotors ermittelbar ist, woraus dann ein absoluter Lenkwinkel des elektromechanischen Lenksystems ermittelbar ist. Beschrieben ist ferner ein Verfahren, wie ein absoluter Lenkwinkel mit Hilfe eines Motorlagesensors ermittelbar ist, der als Singelturn-Sensor (Einzelumdrehungs-Sensor) ausgebildet ist und die Motorlage, die auch als Rotorlage bezeichnet wird, nur modulo 2π (360°) bestimmen kann. Allgemein bedeutet die Aussage, dass eine Größe G1 nur modulo eines Werte x (G1 modulo x) bestimmt oder angegeben werden kann, dass bei einer Bestimmung die Größe G1 von einer Größe G2 nicht unterschieden werden kann, die sich von G1 nur um ein ganzzahliges Vielfaches des Werts x unterscheidet, d. h. G1 modulo x = G2 modulo x, wenn gilt G1 - G2 = n·x, mit n ∈ Z
0, wobei Z
0 die Menge der ganzen Zahlen einschließlich der Null ist. Auf Winkel bezogen bedeutet dieses Folgendes: sei G1= 10° und G2= 730°, so können die beiden Größen G1 und G2 mit einem Messsensor, der einen Winkel nur modulo 360° messen kann, nicht unterschieden werden. Beide Messungen liefern den Wert 10°, d. h. 10° modulo 360° = 730° modulo 360° = 10°. Für Winkelgrößen G gilt, wenn x>0 ist: G modulo x= G-n·x mit n ∈ Z
0 und G-x < n·x < G (Diese Definition beinhaltet für G ≥ 0: (-G) modulo x = -(G modulo x) und (-G)=x-G). Der Bereich, in dem der Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden kann, wird als Messbereich bezeichnet und der Winkelbereich des Messbereichs als Sektorwinkelbereich. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden angenommen, dass der Sektorwinkelbereich jeweils Winkel zwischen Null und einem Sektorwinkel φ
S umfasst. Der Lenkwinkel wird errechnet, indem Lagedifferenzen des Rotors ermittelt und kumuliert werden. Überschreitet die kumulierte Lagedifferenz +180° oder unterschreitet sie -180° so wird ein Dekrement-Inkrementzähler dekrementiert oder inkrementiert. Aus dem Wert des Dekrement-Inkrementzählers lässt sich die Umdrehungszahl des Servomotors ermitteln. Gemeinsam mit der aktuellen Motorlage kann bei Kenntnis des mechanischen Übersetzungsverhältnisses des Servomotors zu dem Lenkmittel der Lenkwinkel errechnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehzahlsensor eingesetzt werden, um die Umdrehungen des Motors zu bestimmen.
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Zwar ist bei dieser Vorrichtung gewährleistet, dass die Lenkwinkelinformation mit einem Sensor gewonnen wird, der zur Steuerung des Servomotors ohnehin notwenig ist, so dass ein zusätzlicher Lenkwinkelsensor zum Ermitteln des vorgegebenen Lenkwinkels überflüssig ist und eingespart werden kann. Die Ermittlung des Lenkwinkels erfordert jedoch Messungen der Motorlage in kurzen Abständen, um auch bei schnellen Lenkbewegungen die Umdrehungen des Servomotors korrekt zu erfassen. Im Fahrbetrieb stellt dieses kein Problem dar, da die Ermittlung und Bereitstellung für ein Fahrassistenzsystem ebenfalls in sehr kurzen Zyklen erfolgen muss, um eine Echtzeitfahrzeugbeeinflussung zu gestatten. Auch in dem Betriebszustand, in dem die Zündung des Fahrzeugs abgestellt ist (Klemme 15 offen ist), muss jedoch eine Ermittlung kontinuierlich stattfinden, da auch in diesem Betriebszustand der Lenkwinkel über äußere Einflüsse auf die Lenkung, beispielsweise auf das Lenkmittel, verändert werden kann. Der Motorlagesensor ist zwar jederzeit bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs (Klemme 15 ein) in der Lage, die Motorlage modulo 360° (±180°) anzugeben, die Umdrehungszahl der Motorwelle muss jedoch aus dem Wert des Dekrement-Inkrementzählers ermittelt werden.
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Liegt der Wert des Dekrement-Inkrementzählers nicht aktuell vor, so muss das Lenksystem seine Winkelstellung erst wieder „erlernen“. Hierfür ist in der
DE102004054921A1 ein Sensor an der Lenksäule oder an dem Lenkmittel angeordnet, der eine ausgezeichnete Stellung des Lenkmittels, die vorzugsweise einer Stellung für eine Geradeausfahrt entspricht, detektiert. Da das Lenkmittel, welches meist als Lenkrad ausgestaltet ist, üblicherweise mehr als eine Umdrehung ausführen kann, liefert dieser Referenzsensor auch Signale, wenn das Lenkmittel, ausgehend von der Geradeausstellung, eine volle Umdrehung im positiven oder negativen mathematischen Sinn ausgeführt hat. Diese Stellungen sind für die verwendeten Sensoren nicht von der Stellung unterscheidbar, der einer Geradeausfahrt entspricht. Zur Plausibilisierung werden daher zusätzlich Raddrehzahlinformationen der gelenkten Räder verwendet. Das „Erlernen“ der absoluten Position bzw. des Werts des Dekrement-Inkrementzählers erfolgt somit erst, wenn die Lenkung in die Geradeausstellung bewegt wird oder durch die Stellung hindurch bewegt wird. Bis zu diesem Zeitpunkt kann zwar die Lenkung ohne Einschränkung betätigt werden und auch eine Lenkunterstützung bereitgestellt werden, Komfortfunktionen, die auf den Lenkwinkel angewiesen sind, können jedoch nicht zur Verfügung gestellt werden.
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Ein „Verlust“ des Dekrement-Inkrementzählerwertes erfolgt bei den bekannten Lenksystemen unter anderem immer dann, wenn die Batterie des Fahrzeugs abgeklemmt wird (Verlust der Klemme 30), um beispielsweise ausgetauscht zu werden oder ein Zurücksetzen aller elektronischen Steuergeräte im Fahrzeug zu veranlassen, oder wenn ein Ladezustand der Batterie unter einen Mindestladezustand absinkt.
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Die
DE 198 05 383 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeug-Lenkvorrichtung, bei der ein Ist-Lenkzustand des Lenkmechanismus aus einem Drehwinkelsensor und einem Spurstangenverschiebesensor ermittelt wird.
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Die
DE 38 84 782 T2 beschriebt digitale Geber für die Stellung der Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs.
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Eine zuverlässige Bereitstellung eines Lenkwinkels ist somit nicht in allen Betriebssituationen eines Fahrzeugs gewährleistet. Die Optimierung der Sensorik eines elektromechanischen Servolenksystems stellt somit ein Problem dar, welches bislang von den üblichen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen noch nicht befriedigend gelöst wird. Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine, insbesondere hinsichtlich der Sensorik, verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung zu schaffen, die eine Lenkwinkelinformation zuverlässig in allen oder nahezu allen Betriebssituationen eines Fahrzeugs bereitstellen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass eine Umdrehungsinformation des Rotors des Servomotors, unabhängig von Betriebszuständen, in denen keine Spannungsversorgung des Fahrzeugs über die Batterie bereitstand, bei einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs jederzeit bereitstellbar sein muss. Daher wird eine Vorrichtung für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung vorgeschlagen, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind, in mindestens einem Rechenmittel ein Unterstützungswinkel und/oder ein Unterstützungsmoment ermittelbar ist und der Unterstützungswinkel und/oder das Unterstützungsmoment durch den Servomotor aufbringbar ist, wobei eine Momenten- und/oder Kraftübertragung zwischen dem Servomotor und dem Lenkmittel sowie auch umgekehrt ermöglicht ist und durch einen Motorlagesensor die Position des Rotors des Servomotors ermittelbar ist, wobei mittels des Motorlagesensors die Position des Rotors jederzeit jeweils modulo eines Sektorwinkels φS, der vorzugsweise 360° beträgt, absolut bestimmbar ist, und eine Umdrehungszahlermittlungseinheit vorgesehen ist, mittels der eine Messsektorüberschreitung/-unterschreitung als Sektordrehungszahl des Rotors bezogen auf einen Referenzlenkwinkel oder einen Referenzritzelwinkel jederzeit bereitstellbar ist, so dass aus der Position des Rotors und der Sektordrehungszahl des Rotors dann ein absoluter Lenkwinkel und/oder absoluter Ritzelwinkel des elektromechanischen Lenksystems ermittelbar ist und der absolute Lenkwinkel und/oder absolute Ritzelwinkel über eine Schnittstelle bereitstellbar sind. Ebenso wird ein Verfahren für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung vorgeschlagen, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind und in mindestens einem Rechenmittel ein Unterstützungswinkel und/oder ein Unterstützungsmoment ermittelbar ist und der Unterstützungswinkel und/oder das Unterstützungsmoment durch den Servomotor aufbringbar ist, wobei mittels des Motorlagesensors die Position des Rotors unmittelbar jeweils modulo eines Sektorwinkels φS, der vorzugsweise 360° beträgt, absolut bestimmt wird, und eine Umdrehungszahlermittlungseinheit vorgesehen ist, mittels der eine Messsektorüberschreitung/- unterschreitung als Sektordrehungszahl des Rotors, bezogen auf einen Referenzlenkwinkel oder einen Referenzritzelwinkel, unmittelbar bereitgestellt wird, so dass aus der Position des Rotors und der Sektordrehungszahl des Rotors dann ein absoluter Lenkwinkel und/oder absoluter Ritzelwinkel des elektromechanischen Lenksystems ermittelt wird und der absolute Lenkwinkel und/oder absolute Ritzelwinkel über eine Schnittstelle bereitgestellt wird. Ein Erlernen der Sektordrehungszahl ist nicht mehr erforderlich, ein Lenkwinkel kann bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs jederzeit bereitgestellt werden, so dass der Lenkwinkel oder der Ritzelwinkel anderen Systemen und Komponenten des Fahrzeugs bereitgestellt ist, um beispielsweise Lenkkomfortfunktionen bereitzustellen. Die Sektordrehungszahl ist ein Maß für die Umdrehungen des Servomotors. Der Ritzelwinkel und der Lenkwinkel unterscheiden sich voneinander, wenn eine Torsion der Lenkwelle auftritt, die in der Regel zum Bestimmen des von einem Fahrer ausgeübten Lenkmoments erwünscht ist. Mittels des bestimmten Lenkmoments kann aber auch wiederum auf die Torsion zurück geschlossen werden und so der Lenkwinkel in den Ritzelwinkel umgerechnet werden und umgekehrt.
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Nach einem nicht gefindungsgemäßen ersten Aspekt ist vorgesehen, dass an einem eine Linearbewegung über den gesamten Lenkwinkelbereich ausführenden Bauteil ein eine Absolutposition ermittelnder Linearsensor angeordnet ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die elektromechanische Lenkung eine Zahnstange umfasst, die mit dem Servomotor so gekoppelt ist, dass die Zahnstange mittels des von dem Servomotor aufgebrachten Unterstützungsmoments verschiebbar ist und die Umdrehungszahlermittlungseinheit einen an der Zahnstange oder an einem fest mit der Zahnstange gekoppelten weiteren Bauteil, das eine mit der Linearbewegung der Zahnstange korrelierte lineare Bewegung ausführt, angeordneten Linearsensor zum Ermitteln einer Zahnstangenlage umfasst, wobei jeder Zahnstangenlage eine Sektordrehungszahl eindeutig zugeordnet ist. Bei einer Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann die Sektordrehungszahl somit anhand des Linearsensors ermittelt und bereitgestellt werden. Gemeinsam mit der von dem Motorlagesensor ermittelten Position des Servomotors kann so der Lenkwinkel exakt bestimmt werden. Der Linearsensor muss lediglich eine Auflösung besitzen, die eine eindeutige Zuordnung der Zahnstangenposition zu der Sektordrehungszahl ermöglicht. Beträgt der Sektorwinkelbereich 360°, so muss die Zahnstangenposition eine eindeutige Zuordnung der Umdrehungszahl des Rotors des Servomotors ermöglichen. Der Linearsensor benötigt daher nur eine grobe Auflösung, da die Auflösung der Positionsermittlung nur durch die Auflösung des Motorlagesensors bestimmt ist.
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Bei einer einfach zu realisierenden Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist der Linearsensor als optischer Codeabfragesensor ausgestaltet. An der Zahnstange oder dem hierzu vorzugsweise parallel geführten Bauteil der Lenkung sind Codes angebracht, die voneinander in einem Abstand angeordnet sind, der gleich oder kleiner dem Abstand ist, der von der Zahnstange bzw. dem parallel geführten Bestandteil bei einer Drehung des Servomotors um einen Winkel zurückgelegt wird, der dem Sektorwinkel φS entspricht. Optische Codes weisen den Vorteil auf, dass sie zuverlässig und schnell ausgelesen werden können.
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Eine andere Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt sieht vor, dass der Linearsensor als magnetischer Sensor ausgebildet ist. Hierdurch wird es möglich die Verschiebung der Zahnstange berührungslos zu messen, wenn diese innerhalb des Lenkungssystems eingekapselt angebracht ist. Ein oder mehrere an der Zahnstange angeordnete Magnete können magnetisch von außerhalb einer Ummantelung der Zahnstange erfasst werden und hieraus die Position der Zahnstange und hierüber die Sektordrehungszahl des Servomotors bestimmt werden. Allgemein gilt, dass Linearsensoren sehr zuverlässig arbeitende Sensoren sind, die kostengünstig mit der notwendigen Auflösung herstellbar sind, um eine lineare Auflösung zu erreichen, die einer Sektorumdrehung des Servomotors entspricht.
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Nach einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt umfasst die Umdrehungszahlermittlungseinheit einen, getrennt von dem Motorlagesensor ausgebildeten Sektordrehungssensor, der auch ohne eine Stromversorgung aus einem Bordnetz des Fahrzeugs, d. h. insbesondere auch in einem ausgeschalteten Zustand des Fahrzeugs, bei einer, aufgrund einer äußeren Einwirkung auf die Lenkung, auftretenden Messsektorüberschreitung und/oder Messsektorunterschreitung des Motorlagesensors einen als nichtflüchtigen Speicher ausgebildeten Sektordrehungszähler entsprechend inkrementiert oder dekrementiert. Hierdurch wird erreicht, dass bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs die Sektordrehungszahl sofort aus dem Speicher abrufbar zur Verfügung steht.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn der Sektordrehungssensor einen Wiegandsensor umfasst, in dem zumindest bei einer Messsektorüberschreitung und/oder einer Messsektorunterschreitung des Motorlagesensors ein Strompuls erzeugt wird, dessen Energie ausreicht, eine verbrauchsarme elektronische Schaltung zu speisen, die den als nichtflüchtigen Speicher ausgebildeten Sektordrehungszähler inkrementiert und/oder dekrementiert. Ein Wiegandsensor umfasst einen Wieganddraht. Dieser besteht aus einer besonderen, als Vic-Alloy bezeichneten Legierung. Durch Kaltumformung und anschließendes Tempern wird ein dünner Draht erzeugt. Der Kern des Wieganddrahtes ist aufgrund des besonderen Herstellungsverfahrens weichmagnetisch, während ein äußerer Mantel hartmagnetisch ist. Die Herstellung bedingt weiter, dass die magnetischen Momente in der Achsrichtung des Drahtes orientiert sind. Durch eine Änderung eines äußeren Magnetfelds kann ein Umklappen der magnetischen Momente herbeigeführt werden, was eine schlagartige Flussänderung bewirkt. Diese magnetische Flussänderung kann mittels einer Spule in einen Spannungspuls bzw. einen Strompuls gewandelt werden. Die Änderung des Magnetfelds wird in der Regel durch einen Permanentmagneten bewirkt, der mit dem Rotor des Servomotors verbunden ist. Ein Wiegandsensor kann somit ohne eine äußere Spannungsversorgung aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs betrieben werden. Die Energie des Strompulses kann ausgenutzt werden, um einen Speicherzähler zu inkrementieren oder dekrementieren, der aus nichtflüchtigen Speicherelementen besteht.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wiegandsensor mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, in dem zumindest ein Teil der elektrischen Energie eines der Strompulse des Wiegandsensors speicherbar ist. Vorzugsweise ist der Wiegandsensor mit einem Kondensator verbunden. Da das Umklappen magnetische Flussänderungen mit unterschiedlichen Vorzeichen bewirkt, ist es vorteilhaft, eine Gleichrichtervorrichtung vorzusehen, um die Energie der Strompulse, die aus den unterschiedlichen Umklapprichtungen resultieren, jeweils nutzen und speichern zu können.
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Im Stand der Technik werden heute häufig magnetorestriktive Sensoren verwendet, die in der Sättigung betrieben werden. Ihr Sensorsignal ist dann nur von der Magnetfeldrichtung, jedoch nicht von einer Magnetfeldstärke des mit der Rotorachse verbundenen Permanentmagneten oder eines weiteren Permanentmagneten abhängig. Solche magnetorestriktive Sensoren sind jedoch nicht in eine verbrauchsarme Sensorelektronik integrierbar. Daher sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Motorlagesensor einen Hallsensor umfasst. Mit einem Hallsensor kann auch mit der aus dem Wiegandsensor gewonnen elektrischen Energie die Rotorposition ermittelt werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist somit der Motorlagesensor mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt, so dass die gespeicherte elektrische Energie zum Betreiben des Motorlagesensors verwendbar ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein weiterer, vorzugsweise nichtflüchtiger Rotorwinkelspeicher vorgesehen ist, in dem die ermittelte Rotorposition abspeicherbar ist. So liegt auch die Rotorposition jederzeit abrufbar bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs vor. Ein Messzyklus des Motorlagesensors muss nicht abgewartet werden.
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Um eine Genauigkeit zu steigern und eine Sicherheit und Zuverlässigkeit der Lenkung zu verbessern ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Lenkwinkel und/oder Ritzelwinkel mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen Referenzeinheit plausibilisierbar ist. Hierfür eignen sich die Raddrehimpulse, die von einem ABS-System des Fahrzeugs erfasst werden.
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Die Referenzeinheit kann hierfür so ausgebildet sein, dass Raddrehzahlinformationen zumindest mittels der von der Lenkung lenkbaren Fahrzeugräder vergleichend ausgewertet werden.
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Die Merkmale der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß dem ersten nichterfindunggemäßen Aspekt und nach dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektromechanischen Lenksystems mit Lenkunterstützung;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Lenksystems mit Lenkunterstützung und
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Servomotors mit einem Motorlagesensor und einem Sektordrehungssensor zum Ermitteln des Lenkwinkels und/oder des Lenkritzelwinkels.
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1 zeigt schematisch ein elektromechanisches Lenksystem mit Lenkunterstützung, umfassend ein als Lenkrad ausgebildetes Lenkmittel 1 und einen Servomotor 2, die über ein Lenkgetriebe 3, welches mittels eines Lenkritzels dargestellt ist, und ein Servomotorgetriebe 4, welches mittels eines Antriebsritzel dargestellt ist, mit einer Zahnstange 5 verbunden sind. Die Zahnstange 5 ist über eine nicht dargestellte bekannte Lenkverbindung steuerbar mit ebenfalls nicht dargestellten lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden. Das Lenkmittel 1 ist über eine als Drehstab ausgeführte Lenkwelle 6 und das Lenkgetriebe 3 mit der Zahnstange 5 wirkverbunden. Außerdem sind das Lenkmittel 1 und der Servomotor 2 über die Lenkwelle 6, das Lenkgetriebe 3, die Zahnstange 5 und das Servomotorgetriebe 4 miteinander gegenseitig wirkverbunden. Für eine Lenkunterstützung wird zusätzlich durch den Servomotor 2 ein in einer Recheneinheit 7, welche als Steuergerät ausgeführt ist, ermitteltes Unterstützungsmoment aufgebracht. Das Unterstützungsmoment wird in Abhängigkeit einer Fahrsituation des Fahrzeugs ermittelt. Die Fahrsituation ist durch einen Ritzelwinkel φR des Lenkritzels, eine Ritzelwinkelgeschwindigkeit φR des Lenkritzels, eine Fahrgeschwindigkeit v und ein Lenkdrehmoment Tδ beschreibbar. Durch einen Motorlagesensor 8, der auch als Rotorlagesensor bezeichnet wird, wird die Position eines Rotors des Servomotors ermittelt. Abhängig von einem Motorwinkel φM des Rotors wird ein Motorwinkelsignal generiert, welches dann an die Recheneinheit 7 übermittelt wird. Der Motorlagesensor 8 ist so ausgestaltet, dass sich das Motorwinkelsignal nach einem überstreichen eines Sektorwinkelbereichs wiederholt. Dies bedeutet, dass das Motorwinkelsignal identisch ist, wenn sich der Rotor um den Sektorwinkel φS gedreht hat. Der Sektorwinkel φS beträgt in der Regel 360° kann jedoch auch kleiner sein.
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Benachbart zu der Zahnstange 5 ist ein Linearsensor 9 angeordnet. Der Linearsensor kann als optischer Sensor ausgebildet sein, der an der Zahnstange 5 angebrachte Codes ausliest. Die Codes sind so ausgestaltet, dass eine Position der Zahnstange mit einer Auflösung ermittelbar ist, die feiner oder gleich jenem Abstand ist, um den die Zahnstange 5 bei einer Drehung des Rotors des Servomotors 2 um den Sektorwinkel φS bewegt wird. Eine Drehung des Rotors um den Sektorwinkel φS wird als Sektorumdrehung bezeichnet. In dem Fall, dass der Sektorwinkel φS = 360° entspricht, fällt die Sektorumdrehung mit der physikalischen Umdrehung des Rotors zusammen. Jeder Position der Zahnstange ist somit eindeutig eine absolute Sektordrehungszahl des Rotors des Servomotors 2 zugeordnet. Der Linearsensor erzeugt ein Sektordrehungssignal, welches der Recheneinheit 7 übermittelt wird. Der Linearsensor kann alternativ auch als magnetischer Sensor ausgebildet sein, der die Position der Zahnstange 5 ermittelt. Ferner kann mit der Zahnstange ein anderer Bestandteil des Lenksystems fest verbunden sein, dass gemeinsam mit der Zahnstange eine lineare Bewegung ausführt. Die Codes können auch auf diesem Bestandteil angebracht sein. Ebenso kann ein magnetischer Sensor die Bewegung dieses Bestandteils erfassen. Es muss in jedem Fall sichergestellt sein, dass das Sektordrehungssignal des Linearsensors 9 eine eindeutige Zuordnung der Sektordrehungszahl zulässt. Die Sektordrehungszahl des Rotors ist in der Regel auf eine Referenzposition des Lenkritzels, das heißt den Ritzelwinkel, oder des Lenkmittels 1, das heißt den Lenkwinkel, bezogen. In der Regel wird die Sektordrehungszahl als vorzeichenbehaftete Größe behandelt, wobei die Sektordrehungszahl Null mit der Sektorumdrehung des Rotors des Servomotors 2 zusammenfällt, bei der eine Geradeausfahrt des Fahrzeugs erfolgt. Der Linearsensor 9 kann in dieser Ausführungsform als Umdrehungszahlermittlungseinheit betrachtet werden.
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Von der Recheneinheit 7 wird aus diesem Motorwinkelsignal und dem Sektorumdrehungssignal mit Hilfe eines bekannten konstanten Gesamtübersetzungsverhältnisses Ü des Servomotorgetriebes 4 und des Lenkgetriebes 3 der absolute Ritzelwinkel φR des elektromechanischen Lenksystems ermittelt. Dabei gilt, wenn φM der vom Motorlagesensor 8 gemessene Motorwinkel ist, dass φR = (φM + φS SUZ)/Ü ist, wobei SUZ die Sektordrehungszahl angibt und der Motorwinkel φM vorzugsweise so kalibriert ist, dass bei Geradeausfahrt φM = 0° gilt. Dann gilt bei Geradeausfahrt auch φR = 0°. Die Ritzelwinkelgeschwindigkeit φR wird in der Recheneinheit 4 durch eine Ableitung aus dem Ritzelwinkel φR ermittelt. Die Fahrgeschwindigkeit v wird durch einen Sensor (nicht dargestellt), beispielsweise ein Tachometer, aufgenommen. Das Lenkdrehmoment Tδ wird durch einen Drehmomentsensor 10 erfasst. Alle aufgenommenen Werte der Fahrsituation werden der Recheneinheit 7 zugeführt. In der Recheneinheit 7 wird anhand dieser Daten ein Unterstützungsmoment zur Lenkunterstützung des Fahrers ermittelt. Der absolute Ritzelwinkel φR wird als Ritzelwinkelsignal von der Recheneinheit 7 an ein vorzugsweise nach dem CAN- oder FlexRay-Standard ausgestaltetes Bussystem übermittelt, von wo er systemübergreifend anderen Fahrzeugteilsystemen, beispielsweise einem System zur Regulierung der Fahrzeugstabilität, zur Verfügung bereitgestellt wird.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Lenksystems. Gleiche technische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Die weitere Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 dadurch, dass die Umdrehungszahlermittlungseinheit anstelle des Linearsensors 9 einen Sektordrehungssensor 11 umfasst. Der Sektordrehungssensor 11 ist so ausgestaltet, dass in dem Sektorwinkelbereich, der dem Sektorwinkel φS entspricht, der Motorwinkel φM eindeutig bestimmen kann. Wird der Rotor in einer Drehrichtung so gedreht, dass der Sektorwinkelbereich verlassen wird, so findet eine Messbereichsüberschreitung statt. Wird der Rotor in entgegengesetzter Drehrichtung so gedreht, dass der Sektorwinkelbereich verlassen wird, so findet eine Messbereichsunterschreitung des Motorlagesensors 8 statt. Der Sektordrehungssensor 11 ist so ausgestaltet, dass bei einer Messbereichsüberschreitung und Messbereichsunterschreitung die Sektordrehungszahl inkrementiert bzw. dekrementiert (oder umgekehrt) wird. Der Sektordrehungssensor 11 ist so beschaffen, dass die Sektordrehungszahl auch ohne eine Stromversorgung aus einem Bordnetz des Fahrzeugs zuverlässig erfolgt.
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In 3 ist eine schematische Ausführungsform des Sektordrehungssensors 11 nach 2 und dessen Zusammenwirken mit dem Rotor des Servomotors 2 dargestellt.
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Auf einer Achse 12 des Servomotors 2 sind ein Magnet 13 und ein weiterer Magnet 14 angeordnet. Der Magnet 13 und der weitere Magnet 14 können in anderen Ausführungsformen als ein Magnet ausgebildet sein. Der Motorlagesensor umfasst den Magneten 13 und einen Hallsensor 15. Der Hallsensor 15 wirkt mit dem mit der Achse 12 rotierenden Magneten 13 zusammen, um eine Rotor- oder Motorlage zu ermitteln. Aus einer Hallspannung, die an dem Hallsensor 15 abfällt, wird von einer verbrauchsarmen elektronischen Schaltung 16 der Rotorwinkel ermittelt und in einem vorzugsweise nicht flüchtigen Rotorwinkelspeicher 17 abgelegt. Eine weitere elektronische Schaltung 18, die eine Schnittstelle 19 für einen Datenbus 20 umfasst, ist ebenfalls mit dem Rotorwinkelspeicher verbunden und kann den Rotorwinkelwert auslesen und anderen Komponenten des Fahrzeugs über den Datenbus 20, der vorzugsweise als nach dem CAN-Standard oder dem FlexRay-Standard ausgebildet ist, bereitgestellt werden. Die weitere elektronische Schaltung 18 kann bei anderen Ausführungsformen auch integriert mit der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung 16 ausgeführt sein.
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Die verbrauchsarme elektronische Schaltung 16 ist mit einem elektrischen Energiespeicher 21 gekoppelt. In diesen Energiespeicher 21 wird zumindest ein Teil von elektrischer Energie eingespeichert, die in einer Wiegandspule 22 eines Wiegandsensors 23 erzeugt wird. Die Wiegandspule ist um einen Wieganddraht 24 gewickelt, dessen Magnetisierung sich als Folge eine Magnetfeldänderung aufgrund der Drehung des weiteren Magneten 14 mit dem Rotor des Servomotors 2 um dessen Achse 12 schlagartig ändert. Die schlagartige Änderung des Magnetfelds beruht auf einem Umklappen der magnetischen Momente einzelner Materialphasen des Wieganddrahtes 24, wie oben erläutert ist. Die abrupte Magnetfeldänderung induziert in der Wiegandspule 22 einen elektrischen Strompuls. Die beim Umklappen der magnetischen Momente erzeugten Strompulse sind mit der Bewegung des weiteren Magneten 14 korreliert. Somit werden die Strompulse zum einen verwendet, um Messsektorüberschreitungen und Messsektorunterschreitungen zu detektieren. Die Stromimpulse werden hierfür in der verbraucharmen elektronischen Schaltung 16 ausgewertet, um die Sektordrehungszahl zu bestimmen. Ein als nicht flüchtiger Speicher ausgebildeter Sektordrehungszähler 25 wird verwendet, um Sektorüberschreitungen und Sektorunterschreitungen zu erfassen. Die induzierten Strompulse, die unterschiedliche Stromrichtungen abhängig von der Umklapprichtung aufweisen, werden in einer Gleichrichtereinheit 26 zum andern gleichgerichtet. Der gleichgerichtete Strom wird zumindest teilweise in den elektrischen Energiespeicher 21 eingespeichert, der vorzugsweise als Kondensator ausgebildet ist und zum Betreiben der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung 16 und gegebenenfalls zum Betreiben des Hallsensors 15 verwendet wird.
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3 zeigt nur eine schematische Darstellung. Die einzelnen Bestandteile können räumlich abweichend angeordnet werden. Zum Betreiben des Wiegandsensors können beispielsweise ein oder mehrere parallel zur Achse ausgerichtete Permanentmagneten in einem ring- oder scheibenförmigen Halter anstelle des weiteren Magneten angeordnet sein. Der Wieganddraht des Wiegandsensors ist dann auch achsparallel ausgerichtet. Der Fachmann ist in der Lage, weitere Anordnungen gemäß weiterer Konstruktionsvorgaben für das Lenkungssystem zu wählen. Ferner können der Hallsensor und der Wiegandsensor den Magneten gemeinsam verwenden.
