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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung eines Rotorlagewinkels eines Elektromotors, welcher in einem elektrischen Servoantrieb in einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur fortlaufenden Berechnung eines Lenkwinkels in einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektronisches Regel- und/oder Steuergerät sowie eine elektronische Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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In heutigen Kraftfahrzeugen werden zunehmend elektromechanische Servolenkungen eingesetzt. Die Lenkunterstützung des Fahrers erfolgt dabei über einen elektrischen Servoantrieb bzw. einen Elektromotor, welcher elektrische Energie aus dem Fahrzeugbordnetz aufnimmt und diese in mechanischer Form an das Lenkgetriebe abgibt.
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Aus der
DE 100 13 711 A1 ist ein Lenksystem bekannt, das unter anderem einen Servoantrieb zur Momentenunterstützung aufweist. Der Grad der Momentenunterstützung ist bei dem beschriebenen Lenksystem abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Während bei langsamer Fahrzeuggeschwindigkeit die Momentenunterstützung größer ist (z. B. um beim Rangieren des Fahrzeugs das Lenkrad ohne großen Kraftaufwand betätigen zu können), wird die Lenkunterstützung bei höheren Geschwindigkeiten (z. B. um Fahrstabilität bei einer Autobahnfahrt zu erhöhen) gesenkt.
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Aufgrund immer höherer Anforderungen bezüglich der Bordnetzbelastung in Kraftfahrzeugen werden auch die Anforderungen bezüglich des Ruhestroms der elektrischen Systeme in den Kraftfahrzeugen immer bedeutender. Andererseits müssen aufgrund strengerer Sicherheitsanforderungen stets neue Funktionen bereitgestellt werden. Es ist bekannt, zur Ansteuerung von Elektromotoren von elektrischen Servoantrieben in Servolenksystemen den sogenannten Rotorlagewinkel bzw. Rotorwinkel zu berücksichtigen, welcher die Ausrichtung des Rotors eines Elektromotors gegenüber dem Stator des Elektromotors angibt. Es besteht zudem die Möglichkeit, die aktuelle Lenkwinkelinformation im Steuergerät des Servolenksystems bzw. der Servolenkvorrichtung laufend zu berechnen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die Rotorlagesignale auch im deaktivierten Zustand des Servolenksystems, d. h. im Ruhemodus oder Sleep-Modus (Klemme 15 bzw. Zündungsplus ist ausgeschaltet) laufend zu überwachen. Für die Überwachung der Lenkwinkelfunktionalität im Sleep-Modus des Servolenksystems werden sowohl die in dem Regel- und/oder Steuergerät des Servolenksystems vorhandene, in der Regel auf einem System-IC angeordnete, Schnittstelle zu einem Rotorlagesensor als auch der mit dem Steuergerät (ECU/Electronic Control Unit) elektrisch verbundene Rotorlagesensor periodisch mit Strom versorgt, d. h. aktiviert bzw. geweckt. Das Weckintervall sollte so eingestellt werden, dass möglichst keine Lenkwinkeländerung verpasst wird. Erfahrungsgemäß wird dazu eine Periodendauer von etwa 8 ms bis 10 ms benötigt. Dies führt allerdings dazu, dass der Rotorlagesensor und die zu aktivierenden Teile des Steuergeräts bzw. des System-ICs, welche die Lenkwinkelinformation aufbereiten, durchschnittlich einen Ruhestrom von etwa 300 µA im Sleep-Modus benötigen. Heutige Ruhestromanforderungen liegen jedoch bei ≤ 200 µA.
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Die große Herausforderung bei der Bestimmung des periodischen Weckintervalls im Sleep-Modus besteht darin, sicherzustellen, dass keine Zustandsänderung innerhalb der Logik in der Signalverarbeitungsschaltung verpasst wird, auch wenn extreme Bedingungen eintreffen. Bei bekannten Rotorlagesensoren erfolgt eine Zustandsänderung der Logik in der Signalverarbeitungsschaltung z. B. je 45°-Winkeländerung des Elektromotors. Mit Hilfe dieser Zustandsinformation kann die Änderung der Rotorlage des Elektromotors um eine 1/8-Drehung detektiert werden. Es existieren jedoch auch Rotorlagesensoren mit denen Zustandsänderungen innerhalb der Logik je 90°-Winkeländerung des Elektromotors in der Signalverarbeitungsschaltung erfolgen. Die vorstehend erwähnten Extrembedingungen können beispielsweise bei einem schnellstmöglichen Anreißvorgang am Lenkrad durch einen Fahrer vorliegen, wobei die höchste Beschleunigung des Elektromotors aus dem Stillstand heraus entsteht. Entsprechende Untersuchungen ergaben, dass bei schnellstmöglichen Anreißvorgängen am Lenkrad auf verschiedenen Fahrbahnuntergründen der Rotorlagesensor und die zugeordnete Elektronik alle 8 bis 10 ms aufgeweckt werden sollten, um keine Lenkwinkeländerungen zu verpassen. Bei einem ersten Anreißvorgang des Lenkrads auf nassem Asphalt kann z. B. die allererste Zustandsänderung innerhalb der Logik in der Signalverarbeitungsschaltung (beispielsweise eine 45°-Winkeländerung der Rotorposition) in ca. 30 ms erreicht werden, wobei der Elektromotor eine Drehzahländerung von 0 auf etwa 470 U/min erfährt.
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Nachteilig bei einer derartigen Einstellung des Weckzyklus im Bereich von 8 ms bis 10 ms, welche bereits eine Verfünffachung gegenüber einem Standardwert von beispielsweise 50 ms darstellt, ist der dadurch bedingte hohe Ruhestromverbrauch.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem alle Winkeländerungen auch in einem deaktivierten Betriebszustand der Servolenkvorrichtung zuverlässig erfasst werden, wobei gleichzeitig der Ruhestromverbrauch möglichst gering sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung eines Rotorlagewinkels eines Elektromotors, welcher in einem elektrischen Servoantrieb in einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, gelöst, wobei die Position des Rotors der Elektromotors mit wenigstens einem ersten Rotorlagesensor mit niedriger Leistungsaufnahme oder mit dem wenigstens einen ersten Rotorlagesensor mit niedriger Leistungsaufnahme und mit wenigstens einem zweiten Rotorlagesensor überwacht wird, wobei die Messsignale des wenigstens einen ersten Rotorlagesensors und, bei Vorhandensein des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors, die Messsignale des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors von wenigstens einer Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet werden, wobei in einem deaktivierten Betriebszustand der elektronischen Servolenkvorrichtung der wenigstens eine erste Rotorlagesensor permanent aktiviert ist und mit Strom versorgt wird, wobei das Ausgangssignal des wenigstens einen ersten Rotorlagesensors bei einer Detektion einer Änderung des Rotorlagewinkels als Ansteuersignal zu einer wenigstens vorübergehenden Aktivierung der wenigstens einen Signalverarbeitungsschaltung und, bei Vorhandensein des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors, zu einer wenigstens vorübergehenden Aktivierung des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors verwendet wird, um Änderungen des Rotorlagewinkels des Elektromotors fortlaufend zu erfassen und zu verarbeiten.
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Erfindungsgemäß wird die Position des Rotors in einem deaktivierten Betriebszustand der elektronischen Servolenkvorrichtung mit Hilfe des ersten Rotorlagesensors mit niedriger Leistungsaufnahme permanent überwacht. Dieser Sensor wird daher dauernd mit Strom versorgt bzw. ist dauernd aktiv. Er hat jedoch nur einen geringen Stromverbrauch. Wird nun am Lenkrad gedreht und ergibt sich dadurch eine Änderung der Rotorlage so kann diese in vorteilhafter Weise von dem ersten Rotorlagesensor detektiert werden. Die Ausgangssignale des ersten Rotorlagesensors werden dann dazu verwendet, um die Signalverarbeitungsschaltung und einen gegebenenfalls vorhandenen weiteren, insbesondere genaueren Rotorlagesensor eventuell mit einer normalen Leistungsaufnahme sozusagen aufzuwecken. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden von einem ersten Rotorlagesensor mit niedriger Leistungsaufnahme erhaltene Signale im deaktivierten Betriebszustand der elektronischen Servolenkung dazu verwendet, um Anreißvorgänge bzw. schnelle Bewegungen am Lenkrad detektieren zu können, ohne kurze Weckzyklen im Bereich von < 10 ms einstellen zu müssen. Dadurch wird der Ruhestromverbrauch in vorteilhafter Weise reduziert. Unter deaktiviertem Betriebszustand der elektronischen Servolenkvorrichtung soll vorliegend ein Sleep-Modus oder ein Standby-Modus bzw. Ruhezustand, insbesondere bei ausgeschalteter Zündung des Kraftfahrzeugs, verstanden werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der benötigte Ruhestrom erheblich reduziert, wobei der erste Rotorlagesensor etwa 80 µA und die aktiven Schaltungsteile zur Versorgung bzw. Ansteuerung des ersten Rotorlagesensors und die Signalverarbeitungsschaltung etwa 20 µA Ruhestrom benötigen, was zu einer Summe von etwa 100 µA führt. Im Gegensatz zu 300 µA Ruhestromverbrauch bei bekannten Schaltungen ergibt dies eine Verminderung um 200 µA.
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Als der wenigstens eine erste Rotorlagesensor kann eine Anzahl von, insbesondere zwei oder mehr Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen verwendet werden. Derartige Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen haben eine sehr geringe Leistungsaufnahme wodurch der Ruhestrom in vorteilhafter Weise gesenkt werden kann.
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Die Ausgangssignale des wenigstens einen ersten Rotorlagesensors können von wenigstens einem Komparator überwacht werden, dessen Ausgangssignal wiederum zur Aktivierung der Signalverarbeitungsschaltung und, wenn vorhanden, zur Aktivierung des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors verwendet wird. Der Komparator, welcher insbesondere in einem System-IC bzw. System-ASIC (Application Specific Integrated Circuit) eines Regel- und/oder Steuergeräts der elektronischen Servolenkvorrichtung vorhanden sein kann und welcher ebenfalls dauernd mit Strom versorgt ist, überwacht die Sensorsignale auf Änderung.
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Die Signalverarbeitungsschaltung und, wenn vorhanden, der wenigstens eine zweite Rotorlagesensor können deaktiviert werden, wenn für eine bestimmte Zeitspanne keine weitere Änderung des Rotorlagewinkels von dem wenigstens einen ersten Rotorlagesensor erfasst wird.
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Anspruch 5 betrifft ein Verfahren zur fortlaufenden Berechnung eines Lenkwinkels in einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur fortlaufenden Bestimmung des Rotorlagewinkels.
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In Anspruch 6 ist ein elektronisches Regel- und/oder Steuergerät eines Kraftfahrzeugs angegeben.
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Anspruch 8 betrifft eine elektronische Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die elektronische Servolenkvorrichtung kann wenigstens einen zweiten Rotorlagesensor aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung eines Rotorlagewinkels eines Elektromotors bzw. zur fortlaufenden Berechnung eines Lenkwinkels einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise als elektronische Schaltung bzw. als Computerprogramm auf einem Regel- und/oder Steuergerät der elektronischen Servolenkvorrichtung realisiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung; und
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2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ansteuerung eines ersten Rotorlagesensors für einen Elektromotor in einer elektronischen Servolenkvorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt ist.
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In
1 ist eine erfindungsgemäße elektronische Servolenkvorrichtung
1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs stark vereinfacht dargestellt. Die elektronische Servolenkvorrichtung
1 weist eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe
2 auf. Das Lenkrad
2 ist über eine Lenksäule bzw. Gelenkwelle
3 mit einem Lenkgetriebe
4 verbunden. Das Lenkgetriebe
4 dient dazu, einen Drehwinkel der Gelenkwelle
3 in einen Lenkwinkel δ
Fm von lenkbaren Rädern
5a,
5b des Kraftfahrzeugs umzusetzen. Das Lenkgetriebe
4 weist dazu eine Zahnstange
6 und ein Ritzel
7 auf, an welches die Gelenkwelle
3 angreift. Darüber hinaus weist die elektronische Servolenkvorrichtung
1 einen elektrischen Servoantrieb
8 auf, welcher insbesondere der variablen Momentenunterstützung dient. Der elektrische Servoantrieb
8 weist einen Elektromotor
9 zur Realisierung der Momentenunterstützung über ein Riemengetriebe
10 auf. Das Riemengetriebe
10 weist ein Antriebsritzel und eine Riemenscheibe zur Übertragung der Momentenunterstützung über ein Kugelumlaufgetriebe (in
1 nicht dargestellt) auf die Zahnstange
6 der elektronischen Servolenkvorrichtung
1 auf. Des Weiteren ist ein elektronisches Steuergerät
11 als Regel- und/oder Steuergerät zur Ansteuerung und Regelung des Elektromotors
9 vorgesehen. Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer elektronischen Servolenkvorrichtung
1 mit einem Riemengetriebe
10 und einem separaten Kugelumlaufgetriebe zur Übertragung der Unterstützungskraft auf die Zahnstange
6, wie beispielsweise aus der
DE 100 52 275 A1 bekannt, beschrieben. Für weitere elektrische Lenksystemtechnologien mit Momenten- bzw. Lenkunterstützung lassen sich jedoch mit geringfügigen Änderungen gleiche erfindungsgemäße Umsetzungen erzielen. Auch kann der Elektromotor ein Überlagerungswinkelsteller sein, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung um ein Überlagerungslenksystem handelt.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. In 2 ist eine Ansteuerung einer Überwachung der Position eines Rotors 9a des Elektromotors 9 (gestrichelt angedeutet) durch das elektronische Steuergerät 11 vereinfacht dargestellt. Der Elektromotor 9 ist über eine Dreiphasenbrücke bzw. einen Wechselrichter und Motorphasenleitungen mit dem elektrischen Steuergerät 11 verbunden (nicht dargestellt). Das Steuergerät 11 wird über eine Batteriespannung UBatt versorgt. Auf einem System-IC 12 (Integrated Circuit/Integrierte Schaltung) des Steuergeräts 11 ist eine Signalverarbeitungsschaltung 12a vorhanden. Die Position des Rotors 9a des Elektromotors 9 wird mit einer Anzahl von im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 als erste Rotorlagesensoren mit niedriger Leistungsaufnahme überwacht. Die Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 werden über eine, vorzugsweise auf dem System-IC 12 angeordnete, Rotorlagesensorversorgung 14 und eine Leitung 14a permanent mit der Batteriespannung UBatt versorgt.
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Optional kann wenigstens ein zweiter Rotorlagesensor 15 für den Elektromotor 9 vorgesehen sein (in 2 gestrichelt angedeutet), welcher die Lage des Rotors des Elektromotors 9 beispielsweise genauer bestimmen kann. Die Signalverarbeitungsschaltung 12a kann dazu eine Versorgungsleitung 15a und eine Signalleitung 15b zu dem Rotorlagesensor 15 aufweisen.
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Des Weiteren weist der System-IC 12 Komparatorschaltungen bzw. Komparatoren 16 auf, welche jeweils über Signalleitungen 13a mit den jeweiligen Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 verbunden sind. Die Ausgangssignale der Komparatoren 16 können zur Aktivierung bzw. Versorgung der Signalverarbeitungsschaltung 12a verwendet werden. Die Komparatoren 16 werden permanent mit der Batteriespannung UBatt versorgt.
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Die Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 und die Komparatoren 16 bleiben daher auch bei abgeschalteter Servolenkvorrichtung 1 dauerhaft aktiv.
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Auf dem elektronischen Steuergerät 11 kann nun ein erfindungsgemäßes Verfahren zur fortlaufenden Berechnung des Lenkwinkels δFm der elektronischen Servolenkvorrichtung 1 unter Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur fortlaufenden Bestimmung eines Rotorlagewinkels ablaufen.
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Dementsprechend kann auf dem elektronischen Steuergerät 11 auch das erfindungsgemäße Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung des Rotorlagewinkels des Elektromotors 9, welcher in dem elektrischen Servoantrieb 8 in der elektronischen Servolenkvorrichtung 1 des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, ablaufen, wobei die Position des Rotors 9a des Elektromotors 9 mit den Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 oder mit den Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 und mit dem wenigstens einen zweiten Rotorlagesensor 15 überwacht wird, wobei die Messsignale der Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 und, bei Vorhandensein des wenigstens eines zweiten Rotorlagesensors 15, die Messsignale des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors 15 von der Signalverarbeitungsschaltung 12a verarbeitet werden, wobei in einem deaktivierten Betriebszustand der elektronischen Servolenkvorrichtung 1 die Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 permanent aktiviert sind und mit Strom versorgt werden, wobei das Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale der Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 bei einer Detektion einer Änderung des Rotorlagewinkels als Ansteuersignal zu einer wenigstens vorübergehenden Aktivierung der Signalverarbeitungsschaltung 12a und, bei Vorhandensein des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors 15, zu einer wenigstens vorübergehenden Aktivierung des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors 15 verwendet wird bzw. werden, um Änderungen des Rotorlagewinkels des Elektromotors 9 fortlaufend zu erfassen und zu verarbeiten.
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Die Ausgangssignale der Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 können von den Komparatoren 16 überwacht werden, deren Ausgangssignal bzw. Ausgangssignale zur Aktivierung der Signalverarbeitungsschaltung 12a und, wenn vorhanden, zur Aktivierung bzw. Versorgung des wenigstens einen zweiten Rotorlagesensors 15 verwendet wird bzw. werden.
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Die Signalverarbeitungsschaltung 12a und, wenn vorhanden, der wenigstens eine zweite Rotorlagesensor 15 kann deaktiviert werden, wenn für eine bestimmte Zeitspanne keine weitere Änderung des Rotorlagewinkels von den Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen 13 erfasst wird.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann sich im Ruhezustand bzw. im deaktivierten Zustand der elektronischen Servolenkvorrichtung 1 folgende Strombilanz ergeben:
- – System-IC 12 bzw. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ca. 80 µA
- – erster Rotorlagesensor 13 ca. 20 µA, und
- – dementsprechend gesamter Ruhestrom ca. 100 µA.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenkvorrichtung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle/Lenksäule
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a, 5b
- lenkbare Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- elektrischer Servoantrieb
- 9
- Elektromotor
- 9a
- Rotor
- 10
- Riemengetriebe
- 11
- elektronisches Steuergerät
- 12
- System-IC
- 12a
- Signalverarbeitungsschaltung
- 13
- Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen
- 13a
- Signalleitung der Low-Power Hall-Effekt-Sensoreinrichtungen
- 14
- Rotorlagesensorversorgung
- 14a
- Leitung
- 15
- optionaler zweiter Rotorlagesensor
- 15a
- Versorgungsleitung des zweiten Rotorlagesensors
- 15b
- Signalleitung des zweiten Rotorlagesensors
- 16
- Komparatoren
- δFm
- Radlenkwinkel bzw. Lenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10013711 A1 [0003]
- DE 10052275 A1 [0022]
