DE102008038891B4

DE102008038891B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Drehmomentes an einer elektromechanischen Lenkung

Info

Publication number: DE102008038891B4
Application number: DE102008038891.2A
Authority: DE
Inventors: Timo Dobberphul; Carsten Busse; Thomas Unger; Sebastian Kilz; Dr. Schöttler Frank
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: DE102008038891A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) und eine Auswerte- und Steuereinheit (3) zur Aufbereitung der Daten des Drehmomentsensors (2), wobei die Vorrichtung (1) eine Recheneinheit (4) umfasst, wobei der Recheneinheit (4) ein Lenkwinkel φ und ein Rotorwinkel δ eines Servomotors zugeführt werden, aus denen die Recheneinheit (4) ein virtuelles Drehmoment θV berechnet, wobei der Recheneinheit (4) ein Filterglied (5) zugeordnet ist, wobei mittels des Filterglieds (5) ein aufbereitetes virtuelles Drehmomentsignal θV* erzeugt wird, wobei durch die Filterung Totzeiteffekte der Signalübertragung eliminiert werden und/oder Kardanfehler und/oder Hysteresen in einer Lenksäule und/oder mechanische Übertragungseigenschaften eines Drehstabs kompensiert werden, wobei das aufbereitete virtuelle Drehmomentsignal θV* der Auswerte- und Steuereinheit (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) zweikanalig ausgebildet ist und mittels eines Algorithmus für eine 2-aus-3-Entscheidung ein Drehmomentsignal θS für die Ansteuerung eines Servomotors auswählt oder erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Drehmomentes an einer elektromechanischen Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Zur Generierung der Unterstützungskraft bei elektromechanischen Lenkungen wird ein Drehmomentsensor zur Erfassung des Fahrerwunsches verwendet. Der Drehmomentsensor ist meist zweikanalig ausgebildet, was bei einem Auseinanderlaufen der beiden Kanäle immer eine Abschaltung der Lenkunterstützung zur Folge hat, da nicht bestimmt werden kann, welcher Kanal fehlerhaft ist. Danach kann der Fahrer das Fahrzeug nur noch mit reiner Muskelkraft lenken, was bei großen Fahrzeugen mit hohen Vorderachslasten problematisch ist und die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs stark beeinträchtigt. Ein dritter Hardwarekanal, um eine 2-aus-3-Entscheidung durchzuführen, ist jedoch mit Mehrkosten verbunden.
Aus der gattungsbildenen WO 2004/022414 A1 ist eine elektromechanische Lenkung bekannt, umfassend eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Lenkwinkels und eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Rotorwinkels des Servomotors, wobei die elektromechanische Lenkung mit einem virtuellen Drehmomentsensor ausgebildet ist, wobei in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment aus dem Lenkwinkel und dem Rotorwinkel ermittelt wird. Durch den virtuellen Drehmomentsensor ist eine Torsion des Drehstabes und damit das Lenkmoment ermittelbar. Der virtuelle Drehmomentsensor ist als Rückfallebene einsetzbar. Durch die vorhandene Rückfallebene ist die sofortige Systemabschaltung bei einem Ausfall des Drehmomentsensors vermeidbar. Dadurch wird die Sicherheit der elektromechanischen Lenkung weiter heraufgesetzt. Im Fall der Verwendung als Rückfallebene stellt der virtuelle Drehmomentsensor quasi den 2-Kanal dar.
Vorzugsweise ist der virtuelle Drehmomentsensor als Recheneinheit ausgebildet. Durch die Recheneinheit sind Signale der Sensoreinheiten digital verarbeitbar. Dabei können bekannte Verfahren der digitalen Signalverarbeitung wie Filter- und/oder Glättungsverfahren eingesetzt werden. Das Ausgangssignal des Drehmomentsensors steht für eine Weiterverarbeitung digital zur Verfügung. Alternativ ist der virtuelle Drehmomentsensor als analoger Schaltkreis ausgebildet. Analoge Ausgangssignale der Sensoreinheiten können ohne Digitalisierung direkt verarbeitet werden. Für eine Weiterverarbeitung des analog ermittelten Drehmoments kann dieses durch bekannte Verfahren digitalisiert werden.
Das virtuelle Drehmoment ist dabei proportional zu einer Differenz zwischen Lenkwinkel und Rotorwinkel.
Aus der DE 198 37 665 B4 ist eine elektrische Servolenkeinrichtung in einem Kraftfahrzeug bekannt, umfassend einen Elektromotor, einen Lenkwinkelsensor, einen Lenkdrehmomentsensor, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und eine Steuer-/Regeleinheit zum Festlegen eines Motorsteuer-/Motorregelsignals, um den Betrieb des Elektromotors zumindest auf Grundlage des durch den Lenkdrehmomentsensors und der durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor erfassten Fahrzeuggeschwindigkeit zu steuern/regeln. Weiter weist die Servolenkeinrichtung einen Motortreiber zum Betreiben des Elektromotors auf. Dabei umfasst die elektrische Servolenkeinrichtung ferner einen in der Steuer-/Regeleinheit vorgesehenen Lenkdrehmoment-Schätzabschnitt zum Schätzen des Lenkdrehmoments auf Grundlage der durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfassten Fahrzeuggeschwindigkeit und des durch den Lenkwinkelsensor erfassten Lenkwinkels, wobei dann der Elektromotor aufgrund des geschätzten Lenkdrehmoments angesteuert wird, wenn entschieden wird, dass der Lenkdrehmomentsensor eine Fehlfunktion aufweist.
Aus der DE 601 22 036 T2 ist ein Servolenksystem bekannt, umfassend eine Lenkeinheit mit einem mit einer Lenksäule verbundenen Lenkrad, einen Lenkwinkelsensor zur Erfassung einer Winkelstellung der Lenkeinheit, einen Elektromotor, welcher funktional mit besagter Lenkeinheit zur Abgabe eines Lenkhilfsmoments in Eingriff steht, Mittel zur Stellung eines Drehmomentsignals, welches das am Lenkrad angelegte Drehmoment anzeigt, und eine Steuerung zur Erzeugung eines Motorsteuersignals als Funktion des besagten Drehmomentschätzwertes zur Steuerung des Elektromotors. Dabei sind die Mittel zur Stellung des Drehmomentsignals eine Drehmomentschätzschaltung, die derart wirkt, dass diese das am Lenkrad angelegte Drehmoment anhand der Winkelstellung der Lenkeinheit und des Motorsteuersignals schätzt, ohne eine Eingabe von einem Drehmomentsensor zu erhalten.
Aus der DE 10 2007 027 057 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Drehmoments auf einen Lenkungsstrang bekannt, umfassend die Verfahrensschritte:

– Ermitteln von Winkelsignalen durch einen Positionssensor eines Elektromotors, der die Drehbewegung des Lenkungsstranges unterstützt,
– Ermitteln von Mess- und Regelgrößen eines Fahrdynamiksystems und
– Ansteuern der Winkelsignale und der Mess- und Regelgrößen des Fahrdynamiksystems und errechnen des aufgebrachten Drehmoments.

Aus der DE 10 2005 005 084 A1 ist ein elektrisches Fahrzeug-Servolenksystem bekannt, das einen Elektromotor aufweist, der ein Drehmoment auf der Grundlage einer Betätigung eines Lenkrades auf einem Lenkmechanismus überträgt, der eine Lenkwelle und eine Kegelradwelle aufweist. Weiter umfasst das Servolenksystem einen Drehmomentsensor, der einen Drehstab beinhaltet, der eine Lenkkraft des Lenkrades zum Steuern des Elektromotors erfasst. Weiter weist das Servolenksystem eine Anomalie-Erfassungseinrichtung für den Drehmomentsensor auf, eine erste Drehwinkel-Erfassungseinrichtung, die einen Drehwinkel der Lenkwelle erfasst, die mit dem Lenkrad und einem Ende des Drehstabes verbunden ist, und eine zweite Drehwinkel-Erfassungseinrichtung, die einen Drehwinkel der Kegelradwelle erfasst, die mit einem Kegelrad und dem anderen Ende der Drehwelle verbunden ist. Schließlich weist das Servolenksystem eine Einrichtung zum Berechnen eines alternativen Drehmoments auf, das eine alternative Lenkkraft zum Steuern des Elektromotors auf der Grundlage des Lenkwellen-Drehwinkels erfasst, wenn die Anomalie des Drehmomentsensors von der Anomalie-Erfassungseinrichtung erfasst wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung zu schaffen, die eine höhere Verfügbarkeit und geringe Kosten aufweist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung einen zweikanaligen Drehmomentsensor und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Aufbereitung der Daten des zweikanaligen Drehmomentsensors, wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, wobei der Recheneinheit ein Lenkwinkel und ein Rotorwinkel eines Servomotors zugeführt werden, aus denen die Recheneinheit ein virtuelles Drehmoment berechnet, wobei der Recheneinheit ein Filterglied zugeordnet ist, wobei mittels des Filtergliedes ein aufbereitetes virtuelles Drehmomentsignal erzeugt wird, wobei durch die Filterung Totzeiteffekte der Signalübertragung eliminiert werden und/oder Kardanfehler und/oder Hysteresen in einer Lenksäule und/oder mechanische Übertragungseigenschaften eines Drehstabes kompensiert werden, wobei das aufbereitete virtuelle Drehmomentsignal der Auswerte- und Steuereinheit zugeführt wird, das mittels eines Algorithmus für eine 2-aus-3-Entscheidung ein Drehmomentsignal für die Ansteuerung eines Servomotors auswählt oder erzeugt. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln ein vollständiges 2-aus-3-System gebildet mit den bekannten Vorteilen, ohne einen dritten Hardware-Kanal zu benötigen. Dabei sei angemerkt, dass unter Recheneinheit sowohl eine digitale Recheneinheit als auch ein analoger Rechenschaltkreis verstanden wird. Welche Störeinflüsse mittels des Filtergliedes kompensiert werden, hängt auch von der konkreten Ausgestaltung der Lenkung ab, wobei vorzugsweise so viele Störgrößen wie möglich kompensiert werden. Welches Drehmomentsignal weiterverarbeitet wird, hängt von der Ausgestaltung der 2-aus-3-Entscheidung ab. So kann vorgesehen sein, dass der Kanal des zweikanaligen Drehmomentsensors ausgewählt wird, dessen Daten dichter am aufbereiteten virtuellen Drehmoment liegen. Die Umschaltung zwischen zwei Kanälen erfolgt dabei vorzugsweise fahrsituationsabhängig und/oder rampenförmig. Es ist aber auch denkbar, aus den zwei benachbarten Drehmomentsignalen ein neues (beispielsweise gemitteltes) Drehmomentsignal zu generieren. Der zweikanalige Drehmomentsensor kann durch zwei separate Sensoren gebildet werden oder durch einen Sensor, der voneinander unabhängig zweifach das Drehmoment erfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Recheneinheit und/oder das Filterglied in die Auswerte- und Steuereinheit integriert, vorzugsweise bei der Ausbildung der Recheneinheit als digitale Recheneinheit. Ebenso kann das Filterglied in der Recheneinheit integriert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt anhand eines Abgleichs der Daten des Drehmomentsensors mit den aufbereiteten virtuellen Drehmomentsignalen eine Diagnose von Langzeiteffekten im Drehmomentsensor wie beispielsweise Drift oder Hysterese.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen zweikanaligen Drehmomentsensor 2, eine Auswerte- und Steuereinheit 3, eine Recheneinheit 4, ein Filterglied 5 sowie einen Speicher 6. Der zweikanalige Drehmomentsensor 2 erfasst die vorhandenen Drehmomente an einem nicht dargestellten Drehstab. Die beiden voneinander unabhängigen Drehmomente θ₁ und θ₂ werden an die Auswerte- und Steuereinheit 3 übertragen. Parallel hierzu ermittelt die Recheneinheit 4 aus einem Lenkwinkel φ und einem Rotorwinkel δ eines Servomotors ein virtuelles Drehmoment θ_V, wobei θ_V proportional zur Differenz von Lenkwinkel und Rotorwinkel ist. Dieses virtuelle Drehmoment θ_V ist im Regelfall noch stark fehlerbehaftet, so dass es qualitativ nicht mit der Signalgüte des Drehmomentsensors 2 vergleichbar ist. Daher wird das virtuelle Drehmoment θ_V in einem Filterglied 5 aufbereitet, wobei in dem Filterglied Totzeiteffekte der Signalübertragung eliminiert werden. Weiter werden Kardanfehler und Hysteresen in der Lenksäule, falls diese vorhanden sind, und mechanische Übertragungseigenschaften des Drehstabes kompensiert. Das Ergebnis ist ein aufbereitetes virtuelles Drehmoment θ_V*. Dieses aufbereitete virtuelle Drehmoment θ_V* wird dann an die Auswerte- und Steuereinheit 3 übertragen. In der Auswerte- und Steuereinheit 3 ist ein Algorithmus für eine 2-aus-3-Entscheidung implementiert, so dass bei Ausfall eines Kanals des Drehmomentsensors 2 anhand des aufbereiteten virtuellen Drehmoments θ_V* der noch intakte Kanal bestimmbar ist. Der von der Auswerte- und Steuereinheit 3 ausgewählte Kanal oder auch ein aus zwei Kanälen modifiziertes Signal wird dann als Drehmoment θ_S zur Ansteuerung des Servomotors verwendet. Um schlagartige Änderungen des Drehmoments zu verhindern, die den Fahrer überraschen könnten, wird bei einem notwendigen Wechsel des Kanals die Momentenänderung rampenförmig und/oder fahrsituationsabhängig vorgenommen. Anhand des Abgleichs der Signale θ₁, θ₂ mit θ_V* kann darüber hinaus langfristig eine Drift- oder Hystereseänderung in dem Drehmomentsensor 2 festgestellt werden, wozu die Abweichungen historisch in dem Speicher 6 abgelegt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) und eine Auswerte- und Steuereinheit (3) zur Aufbereitung der Daten des Drehmomentsensors (2), wobei die Vorrichtung (1) eine Recheneinheit (4) umfasst, wobei der Recheneinheit (4) ein Lenkwinkel φ und ein Rotorwinkel δ eines Servomotors zugeführt werden, aus denen die Recheneinheit (4) ein virtuelles Drehmoment θ_V berechnet, wobei der Recheneinheit (4) ein Filterglied (5) zugeordnet ist, wobei mittels des Filterglieds (5) ein aufbereitetes virtuelles Drehmomentsignal θ_V* erzeugt wird, wobei durch die Filterung Totzeiteffekte der Signalübertragung eliminiert werden und/oder Kardanfehler und/oder Hysteresen in einer Lenksäule und/oder mechanische Übertragungseigenschaften eines Drehstabs kompensiert werden, wobei das aufbereitete virtuelle Drehmomentsignal θ_V* der Auswerte- und Steuereinheit (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) zweikanalig ausgebildet ist und mittels eines Algorithmus für eine 2-aus-3-Entscheidung ein Drehmomentsignal θ_S für die Ansteuerung eines Servomotors auswählt oder erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) und/oder das Filterglied (5) in die Auswerte- und Steuereinheit (3) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Abgleichs der Daten des Drehmomentsensors (2) mit den aufbereiteten, virtuellen Drehmomentsignalen θ_V* eine Diagnose von Langzeiteffekten im Drehmomentsensor (2) erfolgt.
Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung, mittels eines Drehmomentsensors (2) und einer Auswerte- und Steuereinheit (3) zur Aufbereitung der Daten des Drehmomentsensors (2), wobei einer Recheneinheit (4) ein Lenkwinkel φ und ein Rotorwinkel δ eines Servomotors zugeführt werden, aus denen die Recheneinheit (4) ein virtuelles Drehmoment θ_V berechnet, wobei der Recheneinheit (4) ein Filterglied (5) zugeordnet ist, wobei mittels des Filtergliedes (5) ein aufbereitetes virtuelles Drehmomentsignal θ_V* erzeugt wird, wobei durch die Filterung Totzeiteffekte der Signalübertragung und/oder Kardanfehler und/oder Hysteresen in einer Lenksäule und/oder mechanische Übertragungseigenschaften eines Drehstabes kompensiert werden, wobei das aufbereitete virtuelle Drehmomentsignal θ_V* der Auswerte- und Steuereinheit (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) zweikanalig ausgebildet ist und mittels eines Algorithmus für eine 2-aus-3-Entscheidung ein Drehmomentsignal θ_S für die Ansteuerung eines Servomotors auswählt oder erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) und/oder das Filterglied (5) in die Auswerte- und Steuereinheit (3) integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Abgleichs der Daten des Drehmomentsensors (2) mit den aufbereiteten virtuellen Drehmomentsignalen θ_V* eine Diagnose von Langzeiteffekten im Drehmomentsensor (2) erfolgt.