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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit einer elektromechanischen Lenkung.
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Ausfälle von Sensoreinheiten haben in einem Lenkungssteuergerät häufig dessen Abschalten zur Folge, da in der Regel keine redundanten Sensoreinheiten vorhanden sind. Zusätzliche Sensorik zur Herstellung einer Redundanz ist mit zusätzlichem technischen Aufwand und Kosten verbunden oder ist technisch nicht realisierbar.
Ein weiterer Nachteil ist durch das Abschalten des Lenkungssteuergeräts und damit der Lenkunterstützung gegeben, da eine plötzliche Änderung der Lenkeigenschaften des Fahrzeugs auftritt, was unabhängig vom Willen des Fahrers zu einem abnormalen Lenkverhalten führen kann.
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Aus
DE 102 04 005 B4 ist eine Steuervorrichtung einer Servolenkung zum Steuern eines Motors auf der Grundlage eines berechneten Stromsteuerwerts bekannt, die auf einen Lenkmechanismus eine Lenkhilfskraft aufbringt. Hierbei wird eine Differenz zwischen einem Hauptdrehmomentsignal und eines Subdrehmoments eines zum Messen des Lenkmoments dienenden Drehmomentsensor vorab gespeichert. Die Differenz zwischen dem Hauptdrehmomentsignal und dem Subdrehmomentsignal wird während des Betriebs mit dem vorab gespeicherten Wert verglichen. Der Stromsteuerwert wird zumindest beschränkt, wenn die sich durch den Vergleich ergebende Differenz größer als ein erster vorbestimmter Wert ist und dieser Zustand länger als eine erste vorbestimmte Zeit andauert.
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Eine solche Ausführung des Drehmomentsensors zum Zwecke einer Funktionsüberprüfung ist sowohl aus Kostengründen als auch aufgrund von Bauraumbeschränkungen nachteilig.
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Aus der
DE 10 2004 009 822 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem lenkbaren Rad bekannt, wobei eine durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs initiierte Lenkbewegung und/oder weitere fahrzeugspezifische Parameter als Eingangssignale von einem Steuergerät empfangen werden und daraus ein Steuersignal zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades ermittelt wird. Dabei ist ein Sicherheitsüberwachungsverfahren des Lenksystems durch eine Überwachung der Eingangssignale des Steuergeräts mittels Sicherheitsfunktionen vorgesehen, wobei in einem ersten Schritt die Eingangssignale mit elektronikabhängigen Sicherheitsfunktionen und in einem zweiten Schritt zusätzlich mit anwendungsbezogenen Sicherheitsfunktionen plausibilisiert werden. Dabei wird für wenigstens ein Eingangssignal ein Zustand bestimmt, anhand dessen die Nutzanwendungen des Lenksystems konfiguriert werden. Vorzugsweise überwachen die anwendungsbezogenen Sicherheitsfunktionen die sicherheitsrelevanten Eingangssignale durch ein virtuelles Signal, wobei das virtuelle Signal modellgestützt über andere unabhängige Signale berechnet wird.
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Aus der
DE 102 44 068 A1 ist ein Verfahren zur Drehmomentmessung für eine elektromechanische Lenkung bekannt, umfassend ein Lenkmittel, welches über einen Drehstab mit einem Eingangs- und einem Ausgangswellenteil antriebsmäßig mit einem Lenkmechanismus verbunden ist. Weiter ist ein elektrischer Servomotor zum Antreiben des Lenkmechanismus vorhanden, wobei ein Antrieb durch den Servomotor eine relative Rotationsverschiebung zwischen dem Eingangswellenteil und dem Ausgangswellenteil herbeiführt. Die elektromechanische Lenkung weist eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Lenkwinkels sowie eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Rotorwinkels des Servomotors auf. Zusätzlich ist die elektromechanische Lenkung mit einem virtuellen Drehmomentsensor ausgebildet, wobei in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment aus dem Lenkwinkel und dem Rotorwinkel ermittelt wird.
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Aus der
DE 199 02 939 A1 ist ein Verfahren zum Ersetzen eines fehlerhaften Sensorsignals bekannt, umfassend die folgenden Schritte:
- - Überprüfen eines Sensorsignals auf Richtigkeit und Erkennen eines fehlerhaften Signals,
- - Ermitteln eines Ersatzsignals aus dem Ausgangssignal eines oder mehrerer anderer Sensoren, und
- - Auf die Erkennung hin Verwenden des Ersatzsignals anstelle des fehlerhaften Sensorsignals.
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Dabei weist die Sensorsignalüberprüfung den Vergleich redundanter Signale und/oder die Plausibilitätsüberprüfung und/oder die Überprüfung simulierter Signale auf. Dabei wird bei der Sensorsignalüberprüfung das Sensorsignal als richtig, gestört oder fehlerhaft klassifiziert, wobei nur bei der Klassifikation als fehlerhaft das Ersatzsignal verwendet wird.
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Aus der
DE 10 2006 040 443 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch geregelten Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei welchem mittels einer Lenkhandhabe ein Lenkradwinkel als Maß für einen gewünschten Radlenkwinkel für lenkbare Räder des Kraftfahrzeugs vorgegeben wird, wobei der Lenkradwinkel in den Radlenkwinkel des wenigstens einen lenkbaren Rades des Kraftfahrzeugs umgesetzt wird. Dabei wird zur Realisierung von Nutzanwendungen des Servolenksystems wenigstens eine Messgröße des Servolenksystems verwendet, wobei ein aktueller Wert der wenigstens einen Messgröße mit einem gespeicherten Erfahrungswert der entsprechenden wenigstens einen Messgröße bei einer erkannten aktuellen typischen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs zur Plausibilitätsprüfung und/oder Überwachung verglichen wird.
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Aus der
DE 43 35 700 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Sensors bekannt, wobei bei Vorliegen vorgegebener Betriebszustände ein Messwert erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn ein vom Sensor bereitgestellter Messwert um mehr als einen Toleranzwert von einem Referenzwert abweicht, wobei als Referenzwert ein zu einem früheren Zeitpunkt, bei dem ein entsprechender Betriebszustand vorlag, erfasster und abgespeicherter Messwert verwendet wird.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit einer elektromechanischen Lenkung zu schaffen, welche besonders einfach, ohne die Einführung redundanter Sensoreinheiten, kostengünstig und mit geringen Bauraumanforderungen realisierbar sind.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierbei erfolgt die Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit einer elektromechanischen Lenkung durch mindestens eine Eigendiagnoseeinheit, die einen virtuellen Sensorwert der zu diagnostizierenden Sensoreinheit mittels eines Modells und/oder eines Kennfelds und/oder eines neuronalen Netzes, welches oder welche einen Zusammenhang zwischen dem virtuellen Sensorwert und mindestens einer lenkungseigenen und/oder fahrzeugdynamischen Messgröße herstellt, ermittelt und über einen Vergleich des virtuellen Sensorwerts und des gemessenen Sensorwerts der zu diagnostizierenden Sensoreinheit die Funktionsfähigkeit der Sensoreinheit feststellt. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Eigendiagnoseeinheit in ein Lenkungssteuergerät integriert. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft, dass keine zusätzlichen Sensor- und Steuereinheiten in ein Fahrzeug eingebaut werden müssen. Die Realisierung der Eigendiagnose ist somit kostengünstig und mit keinen zusätzlichen Bauraumanforderungen verknüpft.
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Dabei ist die Sensoreinheit als Lenkmomentsensor ausgebildet und der virtuelle Lenkmomentwert wird mittels einer Kraft- bzw. Momentengleichung einer Lenkzahnstange berechnet, welche mindestens eine Kraft bzw. ein Moment der Gruppe Fahrwegskraft, Reibungskraft, Servomotormoment und Trägheitsmoment der Lenkzahnstange enthält, wobei die Kräfte bzw. Momente über Sensoren gemessen und/oder aus lenkungseigenen und/oder fahrzeugdynamischen Messgrößen mittels parametrisierter Kraft- bzw. Momentmodellgleichungen berechnet und/oder aus Sollwertvorgaben für Kräfte bzw. Momente an der Lenkzahnstange übernommen werden. Hierbei kann das Servomotormoment als das von einem Lenkungssteuergerät berechnete Sollmoment des Servomotors übernommen werden. Weiterhin erfolgt die Bestimmung der Reibungskraft und des Trägheitsmoment der Lenkzahnstange aus dem üblicherweise gemessenen Lenkwinkel und den daraus ableitbaren Größen der Lenkzahnstangenbeschleunigung, der Lenkzahnstangengeschwindigkeit und der Lenkzahnstangenposition. Die Fahrwegskraft kann mit Hilfe eines Sensors für die Querbeschleunigung oder eines Sensors einer Messgröße, aus der sich die Querbeschleunigung ableiten lässt, bestimmt werden. Eine Messgröße zum Ableiten der Querbeschleunigung ist beispielsweise der Gierwinkel. Hierdurch ergibt sich eine einfache Berechnung des virtuellen Lenkmoments.
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In einer Ausführungsform werden die Parameter der parametrisierten Kraft- bzw. Momentmodellgleichungen mittels eines Parameterschätzers aus mindestens den gleichen Eingangsgrößen, die zur Berechnung des virtuellen Lenkmomentwerts genutzt werden, und dem gemessenen Lenkmoment geschätzt und eingestellt. Hiermit ergibt sich vorteilhaft, dass das Modell zur Berechnung des virtuellen Lenkmoments an die aktuelle Fahrzeugsituation, beispielsweise auch während der Fahrt, angepasst werden kann und somit adaptiv ist. Ein adaptives Modell ermöglicht eine der aktuellen Fahrzeugsituation besser angepasste Eigendiagnose.
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In einer weiteren Ausführungsform dient der virtuelle Sensorwert als Rückfallwert für den gemessenen Sensorwert, falls das Eigendiagnoseverfahren eine nicht mehr gegebene Funktionsfähigkeit der Sensoreinheit feststellt. Hiermit wird vorteilhaft sichergestellt, dass ein fehlerhafter Sensorwert nicht zum Ausfall der Servolenkungsfunktion führt. Durch die Verwendung des virtuellen Sensorwerts wird weiterhin eine korrekte Lenkunterstützung garantiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit einer elektromechanischen Lenkung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Fahrzeuglenkungseinheit zur Aufstellung der Kraftgleichung zur Bestimmung eines virtuellen Lenkmoments und
- 3 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren nicht-anspruchsgemäßen Ausführung einer Vorrichtung zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit einer elektromechanischen Lenkung.
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In 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit 2 einer elektromechanischen Lenkung dargestellt. Für das folgende Ausführungsbeispiel sei die Sensoreinheit 2 als Lenkmomentsensor ausgebildet. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei den zu diagnostizierenden Lenkmomentsensor und eine Eigendiagnoseeinheit 3, wobei die Eigendiagnoseeinheit 3 eine Modellberechnungseinheit 4, eine Vergleichseinheit 5 und eine Entscheideeinheit 6 umfasst. Die Vergleichseinheit 5 ist dabei datentechnisch mit dem Lenkmomentsensor, der Modellberechnungseinheit 4 und der Entscheideeinheit 6 verbunden, beispielsweise über ein CAN-Bussystem des Fahrzeugs. Weiterhin ist die Modellberechnungseinheit 4 mit einer Eingabeeinheit 7 verbunden, die einen Sensor 8 zur Bestimmung der Querbeschleunigung ay, einen Sensor 9 zur Bestimmung der Lenkzahnstangenposition x und ein Lenkungssteuergerät 10 umfasst. Im Ausführungsbeispiel berechnet die Modellberechnungseinheit 4 ein virtuelles Lenkmoment LMv auf Basis einer Kraft- bzw. Momentengleichung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeuglenkungseinheit zur Aufstellung der Kraftgleichung zur Bestimmung eines virtuellen Lenkmoments
LMv. Diese umfasst eine Lenkhandhabe
11, beispielsweise ein Lenkrad, über welches der Fahrzeugbediener ein Lenkmoment
LM auf eine Lenkstange
12 aufbringt. Das Lenkmoment
LM wird von dem Lenkmomentsensor gemessen. Das Lenkmoment
LM der Lenkstange
12 wird über eine Getriebeeinheit
13 auf eine Lenkzahnstange
14 übertragen. Zusätzlich wirken an der Lenkzahnstange
14 noch das über eine Getriebeeinheit
15 übersetzte Moment
SM eines Servomotors
16 sowie die Reibungskraft F
Reibung und die Fahrwegskraft F
Fahrweg. Auf Basis der an der Lenkzahnstange
14 angreifenden Kräfte bzw. Momente lässt sich ein virtuelles Lenkmoment
LMv gemäß
berechnen. Hierbei bezeichnet m die Masse und a die Beschleunigung der Lenkzahnstange
14. Der Parameter k1 bezeichnet das Übersetzungsverhältnis der Getriebeeinheit
13, der Parameter k2 bezeichnet das Übersetzungsverhältnis der Getriebeeinheit
15.
Die quantitative Bestimmung der an der Lenkzahnstange
14 angreifenden Kräfte bzw. Momente kann dabei über verschiedene Ansätze erfolgen.
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Beispielsweise erfolgt die Bestimmung der Fahrwegskraft F
Fahrweg über ein parametrisiertes Kraftmodell gemäß
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Hierbei bezeichnet ay die Querbeschleunigung des Fahrzeugs und kr einen Proportionalitätsfaktor der Querbeschleunigung ay. Die Querbeschleunigung ay kann zum Beispiel über einen Querbeschleunigungssensor 8 gemessen werden. Alternativ kann die Querbeschleunigung ay über eine Messgröße bestimmt werden, aus der sich die Querbeschleunigung ay ableiten lässt. Vorzugsweise wird diese Messgröße auch für andere fahrzeugrelevante Steuerprozesse benötigt, sodass die Einführung weiterer Sensoreinheiten nicht notwendig ist. Beispielsweise ist die Messgröße durch den Gierwinkel oder die Gierrate des Fahrzeugs gegeben.
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Die Bestimmung der Reibungskraft F
Reibung erfolgt beispielsweise über ein parametrisiertes Reibungsmodell gemäß
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Hierbei bezeichnet φ den Lenkwinkel und kf einen Proportionalitätsfaktor des Lenkwinkels. Der Lenkwinkel φ kann zum Beispiel über einen Lenkwinkelsensor 9 gemessen werden. Üblicherweise wird der Lenkwinkel φ auch für andere lenkungs- und fahrzeugrelevante Steuerprozesse benötigt, sodass die Einführung einer zusätzlichen Sensoreinheit nicht notwendig ist. Der Lenkwinkel φ ist dabei proportional zur Lenkzahnstangenposition x. Die Lenkwinkelgeschwindigkeit dcp/dt kann durch eine Ableitung des Lenkwinkels φ nach der Zeit erhalten werden, diese ist proportional zur Lenkzahnstangengeschwindigkeit v.
Die Bestimmung des Servomotormoments SM erfolgt beispielsweise über die Sollwertvorgabe des Lenkungssteuergeräts 10. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung des Servomotormoments SM, da die Berechnung des Sollwerts des Servomotors im Normalbetrieb einer elektromechanischen Lenkung bereits durch das Lenkungssteuergerät10 erfolgt.
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Die Beschleunigung a der Lenkzahnstange 14 erfolgt beispielsweise durch eine zweifache Ableitung der Lenkzahnstangenposition x nach der Zeit, wobei die Lenkzahnstangenposition x proportional zum Lenkwinkel φ ist.
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Die Masse m der Lenkzahnstange 14 und die Übersetzungsverhältnisse der Getriebe 13,15 k1 und k2 werden vor dem Betrieb des Fahrzeugs bestimmt.
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Im Fahrzeugbetrieb erfolgt laufend eine Berechnung eines virtuellen Lenkmoments
LMv durch die Modellberechnungseinheit
4. Dieses wird an die Vergleichseinheit
5 übertragen, die gleichzeitig laufend das von dem Lenkmomentsensor gemessene Lenkmoment
LM erhält. Die Vergleichseinheit
5 bestimmt eine Differenz des virtuellen Lenkmoments
LMv und des gemessenen Lenkmoments
LM. Dies kann beispielsweise über den Absolutwert der Differenz von virtuellem Lenkmoment
LMv und gemessenem Lenkmoment
LM gemäß
erfolgen. Das Differenzsignal DeltaLM wird laufend an die Entscheideeinheit
6 übertragen, die auf Basis eines Entscheidekriteriums entscheidet, ob die Funktionsfähigkeit des Lenkmomentsensors (noch) gegeben ist. Das Entscheidekriterium kann beispielsweise der Vergleich mit einem vorab eingestellten Schwellwert sein, wobei die Funktionsfähigkeit des Lenkmomentsensors gegeben ist, falls das Differenzsignal DeltaLM kleiner ist als der vorab eingestellte Schwellwert. Die Funktionsfähigkeit des Lenkmomentsensors ist nicht gegeben, falls das Differenzsignal DeltaLM größer gleich dem vorab eingestellten Schwellwert ist.
Ist die Funktionsfähigkeit des Lenkmomentsensors nicht mehr gegeben, so kann beispielsweise die Entscheideeinheit
6 eine Abschaltung der Lenkunterstützung bestimmen. Alternativ kann die Entscheideeinheit
6 bestimmen, das virtuelle Lenkmoment
LMv als Rückfallwert für das gemessenen Lenkmoment
LM zu verwenden. Damit ist die Funktionsfähigkeit der Lenkunterstützung weiter gewährleistet.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Eigendiagnose mindestens einer zu diagnostizierenden Sensoreinheit 2 einer elektromechanischen Lenkung. Hierbei erfolgt die Bestimmung und Einstellung der Modellparameter der parametrisierten Kraftgleichung zur Bestimmung der Fahrwegskraft kr (Formel 2) und der Modellparameter der parametrisierten Kraftgleichung zur Bestimmung der Reibungskraft kf (Formel 3) mittels eines Parameterschätzers 17. Der Parameterschätzer 17 ist datentechnisch mit der Eingabeeinheit 7, der Sensoreinheit 2 und der Modellberechnungseinheit 4 verbunden.
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Der Parameterschätzer 17 schätzt die Parameter kr und kf aus den gleichen Eingangsgrößen, die von der Modellberechnungseinheit 4 zur Berechnung des virtuellen Lenkmomentwerts LMv genutzt werden, und dem durch den Lenkmomentsensor gemessenen Lenkmoment LM. Die Schätzung und/oder Einstellung der Modellparameter der parametrisierten Kraftgleichung in der Modellberechnungseinheit 4 erfolgt beispielsweise in bestimmten Zeitintervalen, laufend oder bei veränderten Fahrsituationen. Hiermit ergibt sich vorteilhaft, dass das Modell zur Berechnung des virtuellen Lenkmoments LMv an die aktuelle Fahrzeugsituation, beispielsweise auch während der Fahrt, angepasst werden kann und somit adaptiv ist. Ein adaptives Modell ermöglicht eine der aktuellen Fahrzeugsituation besser angepasste Eigendiagnose.
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Die Erfindung wurde anhand des vorgehenden Ausführungsbeispiels für beispielhafte Modelle zur Berechnung des virtuellen Lenkmoments LMv und zur Berechnung der dazu notwendigen Kräfte bzw. Momente erläutert. Selbstverständlich ist die Nutzung anderer Modelle zur Berechnung des virtuellen Lenkmoments LMv und/oder zur Berechnung der dazu notwendigen Kräfte bzw. Momente möglich. Beispielsweise kann für die Berechnung der Fahrwegskraft FFahrweg ein linear Ansatz zweiter Ordnung verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Eigendiagnose
- 2
- Sensoreinheit
- 3
- Eigendiagnoseeinheit
- 4
- Modellberechnungseinheit
- 5
- Vergleichseinheit
- 6
- Entscheideeinheit
- 7
- Eingabeeinheit
- 8
- Sensor
- 9
- Sensor
- 10
- Lenkungssteuergerät
- 11
- Lenkhandhabe
- 12
- Lenkstange
- 13
- Getriebeeinheit
- 14
- Lenkzahnstange
- 15
- Getriebeeinheit
- 16
- Servomotor
- 17
- Parameterschätzer
- LM
- Lenkmoment
- LMv
- virtuelles Lenkmoment
- x
- Lenkzahnstangenposition
- v
- Lenkzahnstangengeschwindigkeit
- a
- Lenkzahnstangenbeschleunigung
- ay
- Querbeschleunigung
- SM
- Sollmoment
- φ
- Lenkwinkel
- (dφ/dt)
- Lenkwinkelgeschwindigkeit