DE102007048077A1

DE102007048077A1 - Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem und Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit

Info

Publication number: DE102007048077A1
Application number: DE102007048077A
Authority: DE
Inventors: Adriano Zanfei
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09
Also published as: WO2009047134A3; EP2193077B1; WO2009047134A9; WO2009047134A2; US8255102B2; US20100206208A1; EP2193077A2

Abstract

Es wird eine Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem vorgeschlagen, umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECr Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3), bei der die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3) als Elektromotor (8) ausgeführt ist, wobei die mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundene Welle (2) des Steuerruders (3) drehfest mit dem Rotor (7) des Elektromotors (6) und der Stator (8) des Elektromotors (6) drehfest mit dem Gehäuse (5) des Elektromotors (6) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit.
Aus dem Stand der Technik sind Steer-by-wire Systeme bekannt, die auch in der Schiffsteuertechnik eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen werden die über eine Lenkeinheit eingegebene Lenkbefehle von einem Sensor erfasst und über eine Steuereinheit an einen Aktuator weitergeleitet, welcher den Lenkbefehl ausführt. In vorteilhafter Weise besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Steuerruder und dem Ruder bzw. für den Fall eines Kraftfahrzeugs zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
In der Schiffsteuertechnik sind die mit dem Steuerruder verbundenen Lenkeinheiten üblicherweise hydraulisch betätigbar, was in nachteiliger Weise in einer schlechten Dynamik sowie in hohen Wartungskosten resultiert.
Ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem ist beispielsweise aus der US 6,431,928 B1 bekannt. Bei dem bekannten System ist ein elektrischer Motor zum Drehen der gesamten Propeller-Antriebseinheit über eine mechanische Energieübertragungskette vorgesehen, wobei der elektrische Motor von einer Steuereinheit gesteuert wird, welche zum Einen mit der Lenkeinrichtung zum Erhalten einer Lenkbefehlsinformation und zum Anderen mit einem die Lenkstellungsinformation erfassenden Sensor verbunden ist.
Aus der US 7,137,347 B2 ist eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welche eine mechanisch drehbare Lenkeinrichtung, beispielsweise ein Steuerruder, einen Sensor zum Erfassen der Drehbewegung des Steuerruders und einen Stop-Mechanismus zum Blockieren einer weiteren Drehbewegung des Steuerruders nach Steuerbord oder Backbord, wenn das Ruder des Schiffs eine extreme Steuerbord- bzw. Backbord-Position erreicht hat.
Aus der EP 1770008 A2 ist ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welches mindestens zwei Lenkeinheiten umfasst. Hierbei wird das Ruder mittels eines hydraulisch betätigbaren Aktuators anhand der Lenksignale betätigt, die vom derjenigen Lenkeinheit generiert werden, welche die schnellere Bewegung des Ruders fordert. Bei dem bekannten System umfassen die Lenkeinheiten jeweils ein Steuerruder, das mit jeweils einer Steuereinrichtung verbunden ist, die wiederum mit dem Steuernetzwerk verbunden ist.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Lenkeinrichtungen im Falle einer Betätigung bzw. Drehung des Steuerruders in Abhängigkeit von Signalen eines Sensors zur Erfassung der Ruderposition mittels einer Kupplung einen mechanischen Widerstand erzeugen, wobei der Widerstand um so größer ist, je näher sich das Ruder an eine Endposition nähert. Wenn eine Endposition erreicht ist, ist der mechanische Widerstand am Steuerruder derart eingestellt, dass eine weitere Drehbewegung desselben in die gleiche Richtung nicht möglich ist. Dies wird durch eine Kupplung ermöglicht, welche im vollständig geschlossenen Zustand keine Drehbewegung des Steuerruders ermöglicht.
Des Weiteren ist aus der US 6,843195 B2 ein Steuersystem für einen Außenbordmotor bekannt, bei dem der Quotient „realisierter Lenkwinkel/über das Steuerruder eingegebener Lenkwinkel" mit steigender Geschwindigkeit abnimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem anzugeben, welche kompakt aufgebaut und günstig herstellbar ist. Des Weiteren soll die Lenkeinheit eine hohe Dynamik aufweisen. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit angegeben werden, welches die Sicherheit und den Komfort erhöht.
Diese Aufgabe wird für eine Lenkeinheit durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit ist Gegenstand der Patentansprüche 13 und 15. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem vorgeschlagen, welche ein Steuerruder, eine Steuerung und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder umfasst, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder als Elektromotor ausgeführt ist. Hierbei ist die mit dem Steuerruder drehfest verbundene Welle des Steuerruders drehfest mit dem Rotor des Elektromotors und der Stator des Elektromotors drehfest mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden. Gemäß der Erfindung kann der Elektromotor auch verwendet werden, um das Steuerruder auf eine definierte Position oder die Ausgangsposition zurückzustellen.
Des Weiteren ist im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die mit dem Steuerruder drehfest verbundene Welle durch den Rotor geführt ist, wobei vorzugsweise an dem dem Steuerruder abgewandten Ende der Welle zur Erfassung des Drehwinkels des Steuerruders ein Inkrementalgeber angeordnet ist. Zur Steuerung des Elektromotors und zur Übergabe des über die Lenkeinheit eingestellten Lenkwinkels ist eine mit dem Inkrementalgeber und dem Elektromotor verbundene Steuerung vorgesehen, welche über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems ECU verbunden ist.
Vorzugsweise ist der Elektromotor als vektorgeregelter Motor ausgeführt und ermöglicht eine sinusförmige oder trapezförmige Signalumwandlung, wodurch Gleichstrom- oder Wechselstrommotoren eingesetzt werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt. Dies resultiert in einer kompakten Bauform, hohen Drehmomenten bei geringer Drehzahl, hoher Dynamik und minimalem Verdrehspiel. Gemäß der Erfindung ist der Torque-Motor derart ausgelegt, dass er über den Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugt, wodurch die Notwendigkeit des Einbaus von Reduziergetrieben entfällt. Ein derartiger Motor kann in vorteilhafter Weise für die Dauer von 5 Sekunden um 100% überlastet werden; im Vergleich dazu kann ein Hydrauliksystem lediglich um 20% überlastet werden.
Die erfindungsgemäße Lenkeinheit sowie Verfahren zu deren Betreiben werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Lenkeinheit gemäß der Erfindung;
2: Eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkeinheit;
3: Eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Lenkeinheit gemäß der Erfindung;
4: Eine schematisches Ablaufdiagramm, welches den Initialisierungsprozess und das Testen der CAN-Funktionalität veranschaulicht;
5: Ein schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Betriebsmodi der Lenkeinheit;
6: Ein Diagramm, welches den Verlauf einer der Phasen der Motorsteuerung als Funktion der Zeit sowie die Auflösung des Inkrementalgebers darstellt;
7: Ein Diagramm, das die aktuelle Phase des Motors und die invertierte Phase als Funktion der Zeit sowie die entsprechende Bewegung des Steuerruders darstellt; und
8: Ein schematisches Ablaufdiagramm der Motorsteuerung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstands gegen die Lenkbewegung des Fahrers.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkeinheit 1 dargestellt. Sie umfasst ein mit einer Welle 2 drehfest verbundenes Steuerruder 3. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Welle mit dem Steuerruder über eine Schraubenmutter 4 verbunden.
Als Einrichtung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstandes gegen die Lenkbewegung ist ein in einem Gehäuse 5 angeordneter Elektromotor 6 vorgesehen, dessen Rotor 7 bei dem gezeigten Beispiel als Hohlwelle ausgeführt ist, durch die die Welle 2 geführt ist, wobei die Welle 2 drehfest mit dem Rotor 7 verbunden ist. Die Verbindung zwischen Rotor 7 und Welle 2 kann beispielsweise durch Schweißen oder durch Formschluss erfolgen; es ist auch möglich, dass die Verbindung mittels eines geeigneten Profils, beispielsweise eines Keilprofils erzeugt wird. Das Gehäuse 5 des Elektromotors kann aus Aluminium, Stahl oder aus Gusseisen hergestellt sein.
Wie 1 zu entnehmen, ist der Stator 8 des Elektromotors 6 drehfest mit dem Gehäuse 5 verbunden. Des Weiteren ist die Welle 2 mittels Lager gelagert, die vorzugsweise als Schrägkugellager 9 ausgeführt sind. Zur Erfassung des Drehwinkels des Steuerruders ist ein Sensor 10 vorgesehen, der vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgeführt ist, um die Herstellungskosten gering zu halten. Alternativ zur Ausführung als Inkrementalgeber kann der Sensor als Absolutgeber ausgeführt sein.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Sensor 10 an dem dem Steuerruder 3 abgewandten Ende der Welle 2 angeordnet; alternativ kann der Sensor an jeder weiteren geeigneten Stelle angeordnet sein, beispielsweise zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 bzw. dessen Gehäuse 5, wobei im letzteren Fall die Führung der Welle 2 durch den Rotor 7 nicht erforderlich ist, so dass der Rotor 7 nicht als Hohlwelle ausgebildet sein muss. Die Sensorsignale dienen als Eingabegrößen für die Motorsteuerung 11, die vorzugsweise über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems verbunden ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment des Steuerruders 3 und dem Trägheitsmoment des Rotors 7 des Elektromotors vorzugsweise in der Größenordnung 1/2,5.
Gemäß der Erfindung wird vom Elektromotor ein Moment zwischen 0 und 15 Nm erzeugt, welches den mechanischen Widerstand gegen die Lenkbewegung darstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die Gegenstand der 2 ist, kann zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 der Lenkeinheit ein Planetengetriebe 12 angeordnet sein, welches als Reduziergetriebe dient, so dass der Elektromotor 6 kleiner dimensioniert werden kann. In diesem Fall wird in der Motorsteuerung 11 die Übersetzung des Planetengetriebes berücksichtigt, um aus den vom Sensor 10 gelieferten Werten den über das Steuerruder eingestellten Lenkwinkel zu berechnen.
Bei einer derartigen Konstruktion ist gemäß der Erfindung das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment des Steuerruders 3 und dem Trägheitsmoment des Rotors 7 des Elektromotors vorzugsweise in der Größenordnung von 1/2,5·i², wobei i die Übersetzung des Planetengetriebes 12 ist. Daraus ist ersichtlich, dass, um diese Bedingung zu erfüllen das Trägheitsmoment des Rotors 7 geringer sein kann, als bei einer Konstruktion ohne ein zwischengeschaltetes Planetengetriebe.
Gegenstand der 3 ist eine Ausführungsform, bei der zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 ein Kegelradgetriebe 13 angeordnet ist. Dadurch kann zum einen der vorhandene Bauraum optimal genutzt und zum andern durch die Übersetzung des Kegelradgetriebes eine geringere Dimensionierung des Motors ermöglicht werden. Bei dem gezeigten Beispiel ist keine Umrechnung der Werte des Sensors 10 zur Ermittlung des gewünschten Lenkwinkels notwendig, da keine Übersetzungsstufe zwischen Steuerruder und Sensor geschaltet ist.
Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor 6 als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt und derart ausgelegt, dass er über den Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugt.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 4 werden beim Starten des Schiffsteuersystems und optional nach Ermitteln der Geradeaus-Position oder der gewünschten Startposition des Ruders von der Motorsteue rung 11 die Verbindungen zwischen der Motorsteuerung und dem Elektromotor 6 und zwischen der Motorsteuerung und dem Sensor 10 getestet (Schritt A). Wenn beide Verbindungen funktionieren wird der Elektromotor für eine definierte Zeit mit maximalem Strom betrieben, so dass das Steuerruder nicht bewegt werden kann, bis die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) betriebsbereit ist (Schritte C, D); wenn eine der Verbindungen nicht funktioniert wird eine entsprechende Meldung an die ECU geleitet (Schritt B) und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Wenn die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems betriebsbereit ist, wird das CAN getestet (Schritt F). Wenn nach Ablauf einer definierten Zeit die ECU nicht betriebsbereit ist, bleibt der Motor 6 für ein weiteres Zeitintervall, das der definierten Zeit entspricht, unter maximalem Strom, bis die ECU betriebsbereit ist, wobei dieser Vorgang bis zu n Mal wiederholt wird, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist (bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird der Vorgang bis zu vier Mal wiederholt). Wenn nach der letzten Wiederholung des Vorgangs die ECU nicht betriebsbereit ist, wird eine entsprechende Information an die ECU geleitet (Schritt E) und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Wenn die ECU betriebsbereit ist wird das Vorhandensein der CAN-Kommunikation getestet (schritt F), wobei, wenn die CAN-Kommunikation nicht funktioniert eine entsprechende Information an die ECU geleitet wird. Wenn die CAN-Kommunikation betriebsbereit ist (Schritt G) d. h., wenn jedem an das CAN angeschlossenen Gerät eine Adresse zugewiesen ist, wird der Strom am Elektromotor 6 zurückgenommen bzw. reduziert (Schritt H); die Lenkeinheit ist betriebsbereit.
Gemäß der Erfindung wird eine Nicht-Rückstellzone um die Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert, wobei wenn sich der Drehwinkel bzw. die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb dieser Zone befindet, das Steuerruder nicht auf die Null-Position durch Betätigung des Motors zurückgestellt wird; beispielsweise kann diese Zone als Bereich zwischen +90° und –90° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert sein. Bei nicht bestromten Motor bleibt das Steuerruder an der vom Benutzer gewählten Winkelposition.
Des weiteren wird eine Rückstellzone definiert, so dass, wenn sich der Drehwinkel bzw. die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb dieser Zone befindet, das Steuerruder durch den Elektromotor mit konstanter Geschwindigkeit, vorzugsweise 18 Umdrehungen pro Minute, auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird; diese Zone ist vorzugsweise als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und 90% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert, wobei die maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen vorzugsweise beim Starten des Motors ermittelt wird. Gemäß der Erfindung kann die Rückstellfunktion in der Motorsteuerung deaktiviert werden, wobei in diesem Fall das Verhalten der Lenkeinheit dem Verhalten bei einem Drehwinkel innerhalb der Nicht-Rückstellzone entspricht.
Durch die Unterteilung in Zonen und die zonenabhängige beschriebene Steuerung des Elektromotors wird die Sicherheit sowie der Komfort erhöht.
Gemäß der Erfindung sind die Bereiche zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn als Grenzzone bzw. als Bereiche definiert, in denen der Elektromotor derart betrieben wird, dass das Steuerruder nicht oder nur mit erheblichen Kräften, (diese Kräfte sind höher als die Kräfte, die erforderlich sind, um das Steuerruder zu bewegen, wenn sich dessen Winkelposition innerhalb der Rückstellzone befindet) in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann, die vorzugsweise höher werden, je mehr sich die Umdrehungen des Steuerruders an die maximal mögliche Anzahl an Steuerruderumdrehungen nähern, wobei im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass das Steuerruder durch den Elektromotor mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Position innerhalb der Rückstellzone, z. B. 90% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen oder auf eine Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird. Beispielsweise nimmt der Strom in diesem Bereich Werte zwischen 2 A und 7.4 A an. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Strom in den Bereichen zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn konstant und weist einen Maximalwert auf, beispielsweise 7,2 A.
Gemäß weiterer Varianten der Erfindung kann die Definition der Zonen variiert werden, so dass z. B. die Grenzzone bei Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn beginnt, wobei Y einen Wert zwischen 45 und 95 annehmen kann; auch kann die Nicht-Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und –X° um die aktuelle Null – Position des Steuerruders definiert werden, wobei X Werte im Intervall zwischen 1° und 135° annehmen kann.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d. h. der Strom mit dem der Motor betrieben wird) in der Rückstellzone und in der Nicht-Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert vorzugsweise linear steigt, wobei in der Grenzzone, wie bereits erläutert, der Widerstand entweder einen konstanten Maximalwert aufweist oder in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maxi malwert hin steigt. Durch diese Konzeption wird die Sicherheit erhöht, da sehr schnelle Manöver bei hohen Geschwindigkeiten weitgehend vermieden werden.
Für den Fall, dass keine Zonen definiert sind ist ebenfalls vorgesehen, dass der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert vorzugsweise linear steigt.
Vorzugsweise wird eine Geschwindigkeit definiert, unterhalb der der Strom am Elektromotor Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom ansteigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird. Beispielsweise erzeugt der Elektromotor der Lenkeinheit bei einer Geschwindigkeit unterhalb 10 kn kein Moment, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom zwischen 0,7 A und 2 A (vorgegebener Grenzwert) eingestellt wird. Gemäß der Erfindung soll dies einem Moment zwischen 0 und 15 Nm entsprechen. Des Weiteren ist vorgesehen, dass, wenn ein Autopilot eingeschaltet ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt. Beispielsweise kann das Moment 12 Nm betragen, was bei dem in den Beispielen beschriebenen Elektromotor einem Strom von 1,8 A entspricht.
Die oben beschriebene Vorgehensweise wird anhand 5, welche ein schematisches Ablaufdiagramm einer Variante des Verfahrens darstellt, detaillierter veranschaulicht. Zu Beginn werden die Parameter in der Motorsteuerung 11 initialisiert und geprüft, ob die Motorsteuerung betriebsbereit ist. Ist dies der Fall, so wird eine entsprechende Information an die ECU übermittelt und die Steuerung geht in den Speed-Control–Modus über. Hierbei wird geprüft, ob eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, wobei wenn dies der Fall ist, der Strom zum Betrieb des Elektromotors zum Erzeugen des mechanischen Widerstan des maximal den Wert 1,8 A annimmt. Ist keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert und ist die Bootsgeschwindigkeit geringer als 10 Knoten pro Stunde, so ist der maximale Strom Null, andernfalls ist der maximale Strom eine Funktion der Bootsgeschwindigkeit.
Nach Abschluss der Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers ist die weitere Vorgehensweise davon abhängig, in welcher Zone bzw. in welchem Bereich sich das Steuerruder nach der Lenkbetätigung befindet. Wenn sich das Steuerruder innerhalb der Nicht-Rückstellzone (Zone A) befindet, wird der Motor ausgeschaltet, wobei wenn sich das Steuerruder innerhalb der Rückstellzone (Zone B) befindet und die Rückstellfunktion aktiviert ist, bei aktivierter Auto-Pilot-Einrichtung das Steuerruder mit konstanter Geschwindigkeit in die Zone A oder auf die Geradeaus-Position zurückgebracht wird. Ist die Auto-Pilot-Einrichtung nicht aktiviert, so wird der Motor ausgeschaltet. Wenn sich das Steuerruder in einem Bereich zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen befindet, wird der Elektromotor mit einem Strom betrieben, der desto höher ist, je näher sich das Steuerruder an die maximal mögliche Anzahl an Steuerruderumdrehungen befindet, wobei der maximale Strom bei dem in den Beispielen beschriebenen Elektromotor 7,4 A beträgt. Dadurch wird das Steuerruder mit konstanter Geschwindigkeit in die Zone B oder in die Zone A zurückgebracht.
Wie bereits erläutert, wird vorzugsweise als Elektromotor ein als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführter Motor eingesetzt, welcher zur Erzeugung des mechanischen Widerstands wie folgt gesteuert wird.
Die Motorsteuerung 11 weist die gleiche physikalische Auflösung auf, wie der Inkrementalgeber 10, wobei diese Auflösung mit dem Faktor 4 multipliziert wird, um der Diskretisierung hinsichtlich der drei Phasen U, V W Rechnung zu tragen, wie anhand 6 veranschaulicht. In 6 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Verlauf einer der Phasen U, V, W (Winkel θ) der Motorsteuerung als Funktion der Zeit sowie die Auflösung I des Inkrementalgebers darstellt. Ferner ist in der Figur die Auflösung J der Motorsteuerung nach der Diskretisierung dargestellt, die in vorteilhafter Weise um den Faktor 4 höher ist, als die Auflösung des Inkrementalgebers 10. Vorzugsweise wird ein Inkrementalgeber mit einer Auflösung von 2048 Impulsen pro Umdrehung verwendet, so dass die Auflösung in der Motorsteuerung 8192 Impulse pro Umdrehung beträgt.
Wenn der Inkrementalgeber keine Bewegung der Welle und somit des Steuerruders erfasst, bleibt der Rotor in der selben Position, die als Null-Position dient; wenn der Inkrementalgeber eine Drehbewegung des Rotors erfasst, werden gemäß der Erfindung die Phasen des Motors invertiert, so dass der Motor ein Moment entgegen der vom Benutzer durchgeführten Drehbewegung des Steuerruders erzeugt. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung ist die Höhe des vom Motor erzeugten Momentes proportional zur Höhe des vom Benutzer eingeleiteten Momentes bzw. zur dadurch erfolgten Drehung des Steuerruders.
Diese Vorgehensweise wird anhand 7 veranschaulicht, welche im oberen Teil ein Diagramm zeigt, das die aktuelle Phase U, V, W des Motors und die invertierte Phase (Kurve K) als Funktion der Zeit darstellt; die Auflösung des Inkrementalgebers ist, wie in 6 mit I bezeichnet. Im unteren Teil der Figur ist eine schematische Darstellung der Bewegung des Steuerruders jeweils im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gezeigt.
Die Nullposition des Rotors wird erfindungsgemäß nach jeder erfolgter Lenkbewegung neu definiert, wie anhand 8 erläutert, welche ein schematisches Ablaufdiagramm der Motorsteuerung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstands gegen die Lenkbewegung des Fahrers darstellt.
Zu Beginn der Steuerung ist der Elektromotor eingeschaltet und der Rotor wird nicht bewegt, wobei als Nullposition die aktuelle Position des Inkrementalgebers definiert wird, die der absoluten Nullposition, vorzugsweise der Geradaus-Position entspricht (Schritte A, B). Wenn das Drehmoment, das auf den Rotor wirkt größer ist als das Reibmoment und das Massenträgheitsmoment des Rotors (Schritt C) wird ermittelt, ob die dadurch hervorgerufene Drehbewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn ist, wobei der Motor derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt (Schritt D). Nach Beendigung der Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers wird die aktuelle Position des Inkrementalgebers als neue Nullposition definiert (Schritt E) und der Strom nimmt den Wert Null an. Anschließend wird geprüft, ob die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt (Schritt F). Wenn die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, wird der Elektromotor ausgeschaltet; ist dies nicht der Fall, werden die Schritte D und E wiederholt. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Rückkehr in die absolute Nullposition vom Motor kein Moment erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Lenkeinheit kann unabhängig von der Art des mit dem Ruder verbundenen Aktuators in Steer-by-wire Schiffsteuersystemen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Aktuator als hydraulischer oder elektromechanischer Aktuator ausgeführt sein.
Die ECU verarbeitet die Signale der vom Benutzer betätigten Lenkeinheit oder einer Auto-Pilot-Einrichtung und leitet diese an den Lenkaktuator. Hierbei wird der Lenkaktuator entsprechend der Vorgaben der Lenkeinheit und der ECU hinsichtlich des Lenkwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Ruders betrieben. Für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, wird in der Motorsteuerung der Lenkeinheit die Ruderposition kontinuierlich aktualisiert.

1: Lenkeinheit
2: Welle
3: Steuerruder
4: Schraubenmutter
5: Gehäuse
6: Elektromotor
7: Rotor
8: Stator
9: Lager
10: Sensor
11: Steuerung
12: Planetengetriebe
13: Kegelradgetriebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6431928 B1 [0004]
- US 7137347 B2 [0005]
- EP 1770008 A2 [0006]
- US 6843195 B2 [0008]

Claims

Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3) als Elektromotor (8) ausgeführt ist, wobei die mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundene Welle (2) des Steuerruders (3) drehfest mit dem Rotor (7) des Elektromotors (6) und der Stator (8) des Elektromotors (6) drehfest mit dem Gehäuse (5) des Elektromotors (6) verbunden ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) als Hohlwelle ausgeführt ist, durch die die Welle (2) geführt ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) an dem dem Steuerruder (3) abgewandten Ende der Welle (2) angeordnet ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) zwischen dem Steuerruder (3) und dem Elektromotor (6) bzw. dessen Gehäuse (5) angeordnet ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Rotor (7) und der Welle (2) durch Schweißen oder durch Formschluss erfolgt.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Elektromotors (6) aus Aluminium, Stahl oder Gusseisen hergestellt ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) als Inkrementalgeber ausgeführt ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerruder (3) und dem Elektromotor (6) der Lenkeinheit (1) Getriebe angeordnet ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Reduziergetriebe dient.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Planetengetriebe (12) oder als Kegelradgetriebe (13) ausgeführt ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) als vektorgeregelter Motor ausgeführt ist, der eine sinusförmige oder trapezförmige Signalumwandlung ermöglicht.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) als Gleichstrom- oder Wechselstrommotor ausgeführt ist.
Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7) als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und einen Elektromotor (6) als Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, insbesondere einer Lenkeinheit nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot–Einrichtung aktiviert ist, der durch den Elektromotor (6) bei einer Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d. h. der Strom mit dem der Motor (6) betrieben wird) eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot–Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der der Strom am Elektromotor (6) Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders (3) erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom als Funktion der Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und einen Elektromotor (6) als Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, insbesondere einer Lenkeinheit nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (3) (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) eine Nicht-Rückstellzone, eine Rückstellzone und eine Grenzzone definiert werden, wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Nicht-Rückstellzone befindet, das Steuerruder (3) nicht auf die aktuelle Null – Position des Steuerruders durch Betätigung des Motors zurückgestellt wird, wobei wenn sich die Winkelposition des Steuerruders (3) nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Rückstellzone befindet, das Steuerruder (3) durch den Elektromotor (6) mit konstanter Geschwindigkeit auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird und wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders (3) nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Grenzzone befindet, der Elektromotor (6) derart betrieben wird, dass das Steuerruder (3) nicht oder nur mit erheblichen Kräften weiter in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann und mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Winkelposition innerhalb der Rückstellzone oder auf eine definierte Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und X° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert ist, dass die Rückstellzone als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert ist und dass als Grenzzone die Bereiche zwischen Y% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert sind, wobei X Werte zwischen 1 und 135 und Y Werte zwischen 45 und 95 annehmen kann.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot–Einrichtung aktiviert ist, der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d. h. der Strom mit dem der Motor (6) betrieben wird) in der Rückstellzone und in der Nicht-Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot–Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt und wobei in der Grenzzone der Widerstand entweder einen konstanten Maximalwert aufweist oder in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maximalwert hin steigt.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot–Einrichtung aktiviert ist, und sich die Winkelposition des Steuerruders (3) in der Rückstellzone oder in der Nicht-Rückstellzone befindet, eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der der Strom am Elektromotor (6) Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders (3) erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom als Funktion der Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert ansteigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Schiffsteuersystems und optional nach Ermitteln der Geradeaus-Position oder der gewünschten Startposition des Ruders von der Motorsteuerung (11) die Verbindungen zwischen der Motorsteuerung (11) und dem Elektromotor (6) und zwischen der Motorsteuerung (11) und dem Sensor (10) getestet werden, wobei wenn beide Verbindungen funktionieren der Elektromotor (6) für eine definierte Zeit mit maximalem Strom betrieben wird, so dass das Steuerruder (3) nicht bewegt werden kann, bis die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) betriebsbereit ist, wobei wenn eine der Verbindungen nicht funktioniert eine entsprechende Meldung an die ECU geleitet und eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wobei wenn die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems betriebsbereit ist, das CAN getestet wird, wobei wenn nach Ablauf einer definierten Zeit die ECU nicht betriebsbereit ist, der Motor (6) für ein weiteres Zeitintervall, das der definierten Zeit entspricht unter maximalem Strom bleibt, bis die ECU betriebsbereit ist, wobei dieser Vorgang bis zu n Mal wiederholt wird, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist und wobei wenn nach der letzten Wiederholung des Vorgangs die ECU nicht betriebsbereit ist, eine entsprechende Information an die ECU geleitet und eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die ECU betriebsbereit ist, das Vorhandensein der CAN–Kommunikation getestet wird, wobei, wenn die CAN-Kommunikation nicht funktioniert eine entsprechende Information an die ECU geleitet wird und wobei wenn die CAN-Kommunikation betriebsbereit ist die Strom am Elektromotor (6) zurückgenommen bzw. reduziert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch ge kennzeichnet, dass für den Fall, dass der Elektromotor (6) als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt ist, dessen Rotor (7) mit einer mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundenen Welle (2) drehfest verbunden ist und der Sensor (10) als Inkrementalgeber ausgebildet ist, der Rotor (7) in der selben Position bleibt, solange der Inkrementalgeber keine Bewegung der Welle (2) erfasst, wobei, wenn der Inkrementalgeber eine Drehbewegung des Rotors erfasst, die Phasen des Elektromotors (6) invertiert werden, so dass der Motor ein Moment entgegen der vom Benutzer durchgeführten Drehbewegung des Steuerruders (3) erzeugt.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des vom Motor (6) erzeugten Momentes proportional zur Höhe des vom Benutzer eingeleiteten Momentes bzw. zur dadurch erfolgten Drehung des Steuerruders ist.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Steuerung des Elektromotors (6) der Elektromotor eingeschaltet wird, wobei als Nullposition die aktuelle Position des Inkrementalgebers definiert wird, die einer definierten absoluten Nullposition entspricht, wobei wenn das Drehmoment, das durch die Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benutzers auf den Rotor (6) wirkt größer ist als das Reibmoment und das Massenträgheitsmoment des Rotors ermittelt wird, ob die dadurch hervorgerufene Drehbewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn ist, wobei der Motor (6) derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt.
Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung der Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benut zers die aktuelle Position des Inkrementalgebers als neue Nullposition definiert wird und der Strom den Wert Null annimmt, wobei anschließend geprüft wird, ob die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, wobei wenn die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, der Elektromotor ausgeschaltet wird und wenn dies nicht der Fall ist, der Motor eingeschaltet bleibt und derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt.