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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung und eine solche Hilfskraftlenkung.
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Hilfskraftlenkungen, die auch als Servolenkungen bezeichnet werden, dienen dazu, die von dem Fahrer zum Lenken aufzubringende Kraft zu reduzieren. Hierzu wird von einem Servomotor ein Zusatz- bzw. Servomoment aufgebracht. In Betrieb registrieren Sensoren ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment und die Lenkgeschwindigkeit. Diese Informationen werden an ein Steuergerät weitergeleitet, das dann die erforderliche Lenkunterstützung bzw. das Servomoment berechnet und den Servomotor entsprechend ansteuert.
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Der Servomotor überträgt das berechnete Servomoment, bspw. über ein Schnecken- oder Umlaufgetriebe, auf Drehstab und Ritzel und damit auf die Zahnstange. Zu beachten ist, dass der Servomotor auf unterschiedliche Weise eingebaut werden kann. Bei einer achsparallelen Servolenkung wird der Servomotor parallel zur Zahnstange angeordnet. Zu beachten ist, dass mit der Hilfskraftlenkung bei geringem Kraftaufwand eine möglichst direkte Lenkung ermöglicht werden soll.
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Zum ordnungsgemäßen Betrieb einer Hilfskraftlenkung ist es erforderlich, den Lenkwinkel, d. h. den vom Fahrer mit dem Lenkrad eingestellten Lenkwinkel, zu erfassen. Daher werden bei Hilfskraftlenkungen bspw. integrierte Lenkwinkelerfassungen eingesetzt. Bei diesen wird in Abhängigkeit der Lenkradposition bzw. der Zahnstangenposition dem Fahrzeug ein entsprechender Lenkwinkel bereitgestellt. Damit können lenkwinkelabhängige Funktionen im Fahrzeug umgesetzt werden, wie bspw. eine Nachregelung der Leuchten, eine Fahrdynamikregelung bzw. ein ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) usw.
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Weiterhin ist bei Lenksystemen der Einsatz einer integrierten Rotorlagenerfassung bekannt. Dabei wird die Lage des Rotors des Servomotors erfasst, mit dem das Zusatzmoment aufgebracht wird. In Abhängigkeit der Rotorlage wird der Hilfskraftlenkung ein entsprechender Rotorlagenwinkel bereitgestellt. Das Signal, das die Information zur Rotorlage trägt, wird für die Regelung der Lenkunterstützung benötigt.
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Es ist weiterhin ein Lenkwinkelsignal mit einer sogenannten TPO-Eigenschaften (TPO: true power on) bekannt. Als TPO-Signal wird ein Signal bezeichnet, das direkt nach dem Einschalten einen korrekten Wert liefert. Es wird somit ein Lenkwinkelsignal bereitgestellt, das direkt nach dem Einschalten bedingungslos ein korrektes Lenkwinkelsignal bereitstellt. Des weiteren ist die Bereitstellung eines Lenkwinkelsignals, ohne dass eine Stand-by-Versorgung erforderlich ist, bekannt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 033 236 A1 ist ein Lenkwinkelsensor bekannt, der dazu dient, die Winkelstellung einer Lenkwelle in der Lenkradsäule zu detektieren. Dieser Lenkwinkelsensor umfasst zwei Bewegungselemente sowie zwei zugeordnete Sensorelemente, wobei die Bewegungselemente bei Rotation der Lenkwelle unterschiedliche Bewegungswege zurücklegen, so dass sich eine fortlaufend größer werdende Wegverschiebung zwischen den beiden Bewegungselementen ergibt, aus der die absolute Winkelstellung ermittelt wird.
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In der Druckschrift wird eine noniusbasierte Lenkwinkelberechnung beschrieben. Dieses Berechnungsprinzip basiert bspw. auf Messung zweier mit der Lenksäule verbundener Planetenzahnräder als Bewegungselemente. Durch die Wahl unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse in Bezug zur Lenkradsäule kann ein absoluter Lenkwinkel berechnet werden. Dieser Lenkwinkel benötigt außer den beiden Winkelinformationen der Planetenzahnräder keine Zusatzinformation oder Signaländerung. Die Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung eines TPO-Signals sind somit vollständig erfüllt.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Hilfskraftlenkung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung, die einen Servomotor mit einem Rotor umfasst, vorgestellt, bei dem mindestens ein Lenkwinkelsignal, das eine Information zu dem Lenkwinkel trägt, erfasst und zur Bestimmung des Lenkwinkels verwendet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Plausibilisierung des mindestens einen Lenkwinkelsignals mittels eines erfassten Rotorlagesignals, das eine Information zu einer Rotorlage trägt, erfolgt. Dabei erfolgt die Plausibilisierung des mindestens einen Lenkwinkelsignals unmittelbar oder mittelbar über eine Plausibilisierung des berechneten Lenkwinkels oder des mindestens einen erfassten Lenkwinkelsignals.
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In einer Ausführung wird auf Grundlage des erfassten mindestens einen Lenkwinkelsignals ein zugehöriges Rotorlagesignal berechnet, das mit dem erfassten Rotorlagesignal verglichen wird.
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Es können zudem Einflüsse durch mechanische Toleranzen berücksichtigt werden. Diese werden insbesondere beim Vergleich von berechnetem Rotorlagesignal und erfasstem Rotorlagesignal berücksichtigt, indem ein Toleranzbereich mit unterer und oberer Grenze in Betracht gezogen wird.
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Ein als fehlerhaft erkannter Lenkwinkel kann als ungültig markiert werden. Ab einer bestimmten Anzahl, wobei diese Anzahl eins oder größer sein kann, an als ungültig markierter Lenkwinkel können Warnhinweise gegeben und/oder Ersatzreaktionen eingeleitet werden.
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Das mindestens eine Lenkwinkelsignal kann durch Detektieren einer Lenkradposition oder einer Zahnstangenposition erfasst werden. Dies bedeutet, dass ein Sensor am Lenkrad oder an der Zahnstange positioniert ist. Als Sensor kann bspw. ein digitaler Momenten- und Winkelsensor (DMWS-Sensors) verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführung wird eine noniusbasierte Berechnung des Lenkwinkels durchgeführt. Dabei wird ein Lenkwinkelsensor eingesetzt, der dazu dient, die Winkelstellung einer Lenkwelle in der Lenkradsäule zu detektieren. Dieser Lenkwinkelsensor umfasst zwei Bewegungselemente sowie zwei zugeordnete Sensorelemente, wobei die Bewegungselemente bei Rotation der Lenkwelle unterschiedliche Bewegungswege zurücklegen, so dass sich eine fortlaufend größer werdende Wegverschiebung zwischen den beiden Bewegungselementen ergibt, aus der die absolute Winkelstellung ermittelt wird. Es wird somit ein erstes Lenkwinkelsignal und ein zweites Lenkwinkelsignal erfasst. Das Berechnungsprinzip kann bspw. auf Messung zweier mit der Lenksäule verbundener Planetenzahnräder als Bewegungselemente basieren. Durch die Wahl unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse in Bezug zur Lenkradsäule kann ein absoluter Lenkwinkel berechnet werden. Dieser Lenkwinkel benötigt außer den beiden Winkelinformationen der Planetenzahnräder weder weitere Zusatzinformationen noch eine Signaländerung.
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Es wird weiterhin eine Hilfskraftlenkung vorgestellt, die insbesondere zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Hilfskraftlenkung weist einen Servomotor auf, der einen Rotor und typischerweise einen Stator umfasst Es ist eine erste Einheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, mindestens ein Lenkwinkelsignal, das eine Information zu dem Lenkwinkel trägt, zu erfassen und zur Bestimmung des Lenkwinkels zu verwenden. Weiterhin sind ein Sensor zum Erfassen eines Rotorlagesignals des Rotors und eine zweite Einheit zum Plausibilisierung des mindestens einen Lenkwinkelsignals mittels des erfassten Rotorlagesignals, das eine Information zu einer Rotorlage trägt, vorgesehen.
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Als Sensor zum Erfassen des Lenkradwinkelsignals kann ein DMWS-Sensor vorgesehen sein. Außerdem kann eine Einrichtung zur noniusbasierten Berechnung des Lenkwinkels vorgesehen sein.
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Mit dem vorgestellten Verfahren ist eine Lenkwinkelausgabe möglich, die ASIL-D konform gemäß Sicherheitsanforderungen ISO26262 ist. ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ist eine wesentliche Komponente der ISO 26262, die eine Norm für sicherheitsrelevante elektrische bzw. elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen ist. Mit dieser soll die funktionale Sicherheit eines Systems mit elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in Kraftfahrzeugen gewährleistet werden. ASIL unterscheidet zwischen vier verschiedenen Risikostufen, die in dieser Reihenfolge mit "A", "B", "C" und "D" gekennzeichnet sind. Jede Risikostufe stellt ein zehnfach höheres Risikopotential gegenüber der vorherigen Stufe dar. Diese ASIL-Risikostufe, die auch als ASIL-Level bezeichnet wird, wird zu Beginn des Entwicklungsprozesses festgelegt. Hierzu werden die Systemfunktionen analysiert und in Bezug zu möglichen Risiken gestellt. Die durch ASIL bewerteten Risiken werden durch die Wahrscheinlichkeit des Gefahrenpotentials, die Kontrollierbarkeit durch den Fahrer und die Unfallschwere bestimmt.
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Die ASIL-D konforme Lenkwinkelerfassung wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Anforderung auf mehrere Komponenten verteilt wird. Dies wird auch als Dekompensieren bezeichnet.
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Bei dem vorgestellten Verfahren erfolgt eine Überwachung des Lenkwinkelsignals mithilfe des Rotorlagesignals. Auf diese Weise kann das Lenkwinkelsignal plausibilisiert werden. Die vorliegende Lösung soll über ein Verteilen bzw. Dekompensieren auf unterschiedliche Komponenten erreicht werden. Bedingung für ein solches Dekompensieren ist dabei eine hinreichende Unabhängigkeit der verwendeten Signale.
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Zur Überwachung werden also bspw. die Komponente noniusbasiertes Lenkwinkelsignal und die Komponente Rotorlagesignal verwendet. Zu beachten ist, dass die Signalpaare des Lenkwinkelsignals und des Rotorlagesignals über das mechanische Getriebe, in diesem Fall der mechanische Pfad Lenkwinkel, Zahnstange, Antriebsritzel, Schraubrad, Schnecke, eine bestimmte Signalrelation haben. Aus dem Übersetzungsverhältnis ergeben sich bestimmte mögliche Wertepaare. Das Überwachungsprinzip basiert auf einem Vergleich des Wertepaares. Ergeben die Messungen der beiden Signale ein ungültiges Wertepaar, wird der Lenkwinkel bspw. als ungültig markiert.
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Bei der Überwachung ist unter anderem zu berücksichtigen, dass basierend auf dem aktuellen Lenkwinkelsignal aufgrund der mechanischen Übersetzung das zugehörige aktuelle Rotorlagesignal berechnet werden kann. Das berechnete Rotorlagesignal bildet den nominalen Rotorlage-Sollwert für diese Lenkwinkelposition. Je nach mechanischen Toleranzeinflüssen werden auf Grundlage dessen die minimalen und maximalen Grenzen ermittelt. Weiterhin können zur Erhöhung der Robustheit der Überwachung in Abhängigkeit diverser physikalischer Größen die minimalen und maximalen Grenzen variiert werden. In diesem Fall bspw. für das Motormoment oder das Handmoment. Der Hintergrund hierfür ist, dass sich die Elastizität des Getriebes bei kleinen Momenten geringer auswirkt. Daher sind engere minimale und maximale Grenzen machbar.
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Für das vorgestellte Verfahren sind keine Lenkwinkelsensoren, die Anforderungen nach ASIL-D erfüllen, erforderlich, zumal derartige Sensoren derzeit nicht erhältlich sind. Weiterhin sind keine Lenkwinkelsensoren mit redundanter Auslegung notwendig, was zu höheren Kosten führen würde. Außerdem wird kein bezüglich der Hilfskraftlenkung externes Signal zur Lenkwinkel-Plausibilisierung benötigt. Dies könnten Signale zu Raddrehzahlen oder ein externes Lenkwinkelsignal sein. Als extern werden Komponenten und Funktionen bezeichnet, die außerhalb der Lenkung bzw. des Lenksystems, in diesem Fall der Hilfskraftlenkung, sind.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung einer Hilfskraftlenkung
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2 zeigt eine Ausführung eines Lenkgestänges.
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3 zeigt in einem Graphen einen Verlauf eines Rotorlagesignals.
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4 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des beschriebenen Verfahrens.
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In 1 ist eine Ausführung der Hilfskraftlenkung, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Lenkrad 12, eine Lenksäule 14, einen Drehstab 16, ein Ritzel 18, eine Zahnstange 20, ein Lenkgestänge 22 und Räder 24.
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Es ist weiterhin ein Steuergerät 26 dargestellt, das mit einer Sensorik 28 verbunden ist. Mit dieser Sensorik 28 können der Lenkwinkel, das Lenkmoment und die Lenkgeschwindigkeit, die über das Lenkrad 12 eingebracht werden, erfasst werden. Das Steuergerät 26 steuert einen Servomotor 30 an, der wiederum ein Überlagerungsmoment über eine Getriebeeinheit 32 auf das Lenkgestänge 22 überträgt, so dass das vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment überlagert wird. Darüber hinaus ist ein Rotorlagesensor 40 vorgesehen, der erkennt, ob der Rotor sich dreht und welche Lage der Rotor einnimmt.
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2 zeigt eine Ausführung eines Lenkgestänges, das insgesamt mit Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. In diesem Lenkgestänge 50 ist eine Zahnstange 52 und eine Getriebeeinheit 54 integriert. An die Zahnstange 52 greift ein Drehstab 56 über ein Ritzel 58 an. Hierüber wird ein von einem Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment auf die Zahnstange 52 und damit auf das Lenkgestänge 50 übertragen. Zur Erfassung der Winkellage des Drehstabs 56 und somit des vom Fahrer angelegten Lenkwinkels ist ein DMSW-Sensor 60 vorgesehen.
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Über die Getriebeeinheit 54 wird ein von einem Servomotor 62 aufgebrachtes Zusatzmoment ebenfalls auf das Lenkgestänge 50 übertragen. Der Servomotor 62 umfasst einen Rotor und einen Stator. Die Lage des Rotors wird mit einem Rotorlagesensor 64 erfasst.
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Dieser Rotorlagesensor 64 erfasst ein Signal, das eine Information zu einer Lage, insbesondere einer Winkellage, des Rotors trägt.
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Dieses Signal ist in 3 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt einen Graph 70, an dessen Abszisse 72 ein Lenkwinkel [°] und an dessen Ordinate 74 ein Rotorwinkel [°] aufgetragen ist. Eine Kurve 76 zeigt den Verlauf des Rotorwinkelsignals. An der Abszisse 72 ist ein tatsächlicher Sensorwert 78, bspw. des DMSW-Sensors, angezeigt. Eine geschwungene Klammer 80 zeigt einen Toleranzbereich, in dem ein erwarteter Wert für das Rotorwinkelsignal liegen kann. Die Darstellung zeigt hierzu einen Bereich 82 Liegt das erfasste Rotorwinkelsignal außerhalb dieses Bereichs 82, ergibt die Plausibilisierung des bestimmten Lenkwinkels einen ungültigen Lenkwinkel.
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4 zeigt einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens. Bei dieser Ausführung wird der Lenkwinkel mittels eines noniusbasierten Verfahrens mit zwei Bewegungselementen, die jeweils ein Lenkwinkelsignal geben, bestimmt. Das Verfahren basiert auf einer Verteilung bzw. einer Dekomposition, die auf einem ersten Signal 110 eines ersten Bewegungselements 100, einem zweiten Signal 112 eines zweiten Bewegungselements 102 und einem Signal 112 eines Rotorlagesensors 104 beruht. Das erste Bewegungselement 100 gibt das erste Signal 110 aus, das ASIL-B bzw. ASIL-D konform ist. Das zweite Bewegungselement 102 gibt das zweite Signal 112 aus, das ebenso ASIL-B bzw. ASIL-D konform ist. Der Rotorlagesensor 104 gibt ein Rotorlagesignal 114 aus, das ebenfalls ASIL-B bzw. ASIL-D konform ist.
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Aus dem ersten Signal 110 und dem zweiten Signal 112 wird in einer Einheit 116 ein Lenkwinkel berechnet. Dieser Lenkwinkel 118 wird ASIL-B bzw. ASIL-D konform von der Einheit 116 ausgegeben. Es ist weiterhin eine Einheit 120 vorgesehen, die diesen Lenkwinkel 118 anhand des Rotorlagesignals 114 plausibilisiert. Daraus ergibt sich ein ASIL-D konformes Signal 124, das angibt, ob das Lenkwinkelsignal 118 gültig ist oder nicht.
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Die Ausgabe des Lenkwinkels 118 kann ein eindeutiges Absolutsignal über den Messbereich, über eine Lenkradumdrehung, oder über einen Teilbereich einer Lenkradumdrehung sein. Es kann ein TPO-Signal oder ein Nicht-TPO-Signal sein. Weiterhin kann eine Standby-Versorgung erforderlich oder nicht erforderlich sein.
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Die Lenkwinkelerfassung kann auf Grundlage einer 360 °, einer 180 °, einer 120 ° oder einer 90 °-Messung erfolgen. Außerdem kann ein Axialversatz-Getriebe zur Erfassung von ganzen Umdrehungen bzw. Periodizitäten eingesetzt werden.
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Verwendete Lenkwinkelsensorgetriebe können auf zwei Zahnrädern mittels Hyperzikloid-Getriebe, auf zwei Zahnrädern mittels Getriebe mit abweichender Zähnezahl, auf einer 360 °, einer 180 °, einer 120 °, einer 90 °, oder einem Schaltgetriebe zur Erfassung der ganzen Umdrehungen bzw. Periodizitäten basieren.
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Ein DMSW-Signal kann auf Grundlage einer Raddrehzal oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit plausibilisiert werden.
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Grundsätzlich kann zur Erreichung einer ASIL-D-Konformität eine direkte Vererbung der Anforderungen an den Sensorbaustein oder eine redundante Hardwareauslegung vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008033236 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO26262 [0018]
- ISO 26262 [0018]
