DE102014213975B3

DE102014213975B3 - Haptisches Fahrpedal mit Steuergeräteanordnung

Info

Publication number: DE102014213975B3
Application number: DE102014213975.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lang; Burkhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: JP2017522220A; KR20170035896A; WO2016008624A1; EP3169546A1

Abstract

Es wird ein haptisches Fahrpedal (3) mit Steuergeräteanordnung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Es weist einen Pedalhebel (7), einen mit dem Pedalhebel (7) koppelbaren Aktuator (9), einen Positionssensor (19) und ein Fahrpedalsteuergerät (5) auf. Der Pedalhebel (7) ist entlang eines Verfahrwegs (13) verlagerbar. Der Aktuator (9) ist dazu ausgelegt, eine Kraft steuerbar auf den Pedalhebel (7) auszuüben. Der Positionssensor (19) ist dazu ausgelegt, eine Position des Pedalhebels (7) entlang des Verfahrwegs (13) zu erkennen und daraufhin ein Positionssignal auszugeben. Das Fahrpedalsteuergerät (5) ist dazu ausgelegt, den Aktuator (9) derart anzusteuern, dass eine vorbestimmte Kraft auf den Pedalhebel (7) ausgeübt wird. Das Fahrpedal (3) zeichnet sich dadurch aus, dass das Fahrpedalsteuergerät (5) das Positionssignal des Positionssensors (19) abgreift, aber von dem Positionssensor (19) galvanisch getrennt ist. Beispielsweise kann das Positionssignal mittels eines Trennverstärkers (27) abgegriffen werden. Aufgrund der galvanischen Trennungen zwischen dem Positionssensor (19) und dem Fahrpedalsteuergerät (5) können elektrische Beeinflussungen mit einem Motorsteuergerät (29), das direkt elektrisch an den Positionssensor (19) angeschlossen ist, vermieden werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein haptisches Fahrpedal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug mit einem solchen haptischen Fahrpedal.
Hintergrund der Erfindung
In vielen modernen Kraftfahrzeugen wirkt das Fahrpedal, welches verbreitet auch als Gaspedal bezeichnet wird, nicht mehr mechanisch direkt über ein Gestänge oder ähnliches z. B. auf Drosselelemente eines Fahrzeugmotors bzw. auf ein Einspritzsystem des Fahrzeugmotors. Stattdessen wird eine aktuelle Position eines Pedalhebels des Fahrpedals, der von einem Fahrer betätigt wird, über einen oder mehrere Sensoren erfasst und die zugehörige Information an ein Motorsteuergerät übertragen. Um die Position des Pedalhebels zu erfassen können z. B. einfache Potentiometer oder Hallsensoren eingesetzt werden.
DE 699 29 344 T2 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung, mittels derer ein Motor eines Fahrzeugs in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Pedals gesteuert werden kann.
Bei haptischen Fahrpedalen, welche teilweise auch als aktive Fahrpedale bezeichnet werden, kann der Pedalhebel über einen Aktuator gezielt mit einer Kraft beaufschlagt werden. Auf diese Weise können dem Fahrer Signale haptisch übermittelt werden und ihm dadurch beispielsweise eine Rückmeldung über Fahrzeugzustände oder Fahrsituationen gegeben werden. Zum Beispiel kann ein virtueller Druckpunkt am Pedalhebel erzeugt werden, der einem Fahrer signalisieren soll, dass bei einem weiteren Niedertreten des Pedalhebels beispielsweise ein Kraftstoffverbrauch stark ansteigen wird. Auch können beispielsweise durch ein gezielt bewirktes Pulsieren oder Vibrieren des Pedalhebels Gefahrensituationen oder Fahrsituationen, in denen bei geeignetem Verhalten Kraftstoff eingespart werden kann, signalisiert werden.
Um den Aktuator eines haptischen Fahrpedals geeignet ansteuern bzw. regeln zu können, benötigt ein Fahrpedalsteuergerät im Allgemeinen Informationen über die aktuelle Position des Pedalhebels sowie gegebenenfalls Informationen über eine aktuelle Positionierung des Aktuators.
Herkömmlich kann hierzu zusätzlich zu einem Positionssensor, der die aktuelle Position des Pedalhebels erfasst, um ein entsprechendes Signal an ein Motorsteuergerät weiterzugeben, ein weiterer Positionssensor vorgesehen sein, der die aktuelle Position des Pedalhebels erfasst, um sie dem Fahrpedalsteuergerät weiterzugeben. Der weitere Positionssensor steigert dabei sowohl die Kosten als auch den Bauraum des Gesamtsystems.
Alternativ kann das von dem Positionssensor an das Motorsteuergerät weitergegebene Positionssignal durch eine zusätzliche Schnittstelle am Motorsteuergerät abgegriffen werden und an das Fahrpedalsteuergerät weitergeleitet werden. Allerdings ist hierfür ein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand einschließlich geeigneter Schnittstellen notwendig und eine Übertragung des Positionssignals kann teilweise nur wesentlich zeitverzögert erfolgen.
Aus der gattungsgemäßen DE 10 2012 218 283 A1 ist ein aktives Fahrpedal mit einem Pedalstellungssensor bekannt. Der Pedalstellungssensor kann eine Stellung eines Pedalhebels erfassen und in ein Pedalstellunssignal umwandeln. Der Pedalstellunssensor ist dazu ausgeführt, Pedalstellungssignale an eine zentrale Motorsteuerung eines Fahrzeugs zu übertragen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein sicheres und einfach aufgebautes haptisches Fahrpedal bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein haptisches Fahrpedal nach Anspruch 1 bzw. durch eine Steuerungsanordnung nach Anspruch 5.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Fahrpedalsteuergerät kostengünstig und mit wenig Aufwand an Bauelementen und Bauraum mit einem Signal zu versorgen, welches eine aktuelle Position eines Pedalhebels des Fahrpedals wiedergibt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein haptisches Fahrpedal mit einer Steuergeräteanordnung vorgeschlagen, welches einen Pedalhebel, einen mit dem Pedalhebel koppelbaren Aktuator, einen Positionssensor und ein Fahrpedalsteuergerät aufweist. Der Pedalhebel ist entlang eines Verfahrwegs verlagerbar. Der Aktuator ist dazu ausgelegt, eine Kraft steuerbar auf den Pedalhebel auszuüben. Der Positionssensor ist dazu ausgelegt, eine Position des Pedalhebels entlang des Verfahrwegs zu erkennen und daraufhin ein Positionssignal auszugeben. Das Fahrpedalsteuergerät ist dazu ausgelegt, den.
Aktuator derart anzusteuern, dass eine vorbestimmte Kraft auf den Pedalhebel ausgeübt wird. Das haptische Fahrpedal zeichnet sich dadurch aus, dass das Fahrpedalsteuergerät das Positionssignal des Positionssensors abgreift, wobei das Fahrpedalsteuergerät von dem Positionssensor galvanisch getrennt ist.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Wie einleitend angedeutet wird bei herkömmlichen haptischen Fahrpedalen ein Positionssignal, welches die aktuelle Position des Pedalhebels angibt und welches an ein Fahrpedalsteuergerät weitergegeben werden soll, entweder mithilfe eines zusätzlichen Positionssensors erfasst und dem Fahrpedalsteuergerät übermittelt, oder es wird nur ein einziger Positionssensor vorgesehen, dessen Positionssignal zuerst an ein Motorsteuergerät weitergeleitet wird und von dort aus dann über eine ergänzende Schnittstelle und zusätzliche Verkabelung an das Fahrpedalsteuergerät übermittelt wird. Beide Varianten erfordern zusätzlichen baulichen Aufwand. Bei der zweiten Variante können zudem Zeitverzögerungen bei der Weiterleitung des Positionssignals auftreten.
Eine Idee ist nun, das vorzugsweise von einem einzigen Positionssensor erfasste Positionssignal an ein Motorsteuergerät weiterzuleiten und es dabei zusätzlich abzugreifen, um es ergänzend auch an das Fahrpedalsteuergerät zu leiten.
Hierbei wurde erkannt, dass berücksichtigt werden muss, dass das Motorsteuergerät und das Fahrpedalsteuergerät im Allgemeinen unterschiedlichen Randbedingungen unterliegen. Insbesondere können die beiden Steuergeräte auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen. Zum Beispiel ist das Motorsteuergerät in der Regel kaum belastet, sodass es normalerweise im Wesentlichen auf dem Potential der Batterie des Fahrzeugs liegt. Das Fahrpedalsteuergerät hingegen muss üblicherweise den Aktuator des Fahrpedals steuern und dabei erhebliche Leistungen abgeben, sodass das Potential an dem Fahrpedalsteuergerät regelmäßig einem erheblichen Spannungsabfall unterliegt.
Es wurde erkannt, dass diesen unterschiedlichen Randbedingungen dadurch Rechnung getragen werden kann, dass das Fahrpedalsteuergerät mit dem Positionssensor nicht in direktem oder indirektem elektrischem Kontakt steht, sondern von diesem galvanisch getrennt ausgebildet wird.
Unter galvanischer Trennung, teilweise auch als galvanische Entkopplung bezeichnet, wird im Allgemeinen eine elektrische Trennung zweier leitfähiger Gegenstände, beispielsweise zweier Stromkreise, bezeichnet. Sie kann zum Beispiel in messtechnischen Anwendungen und bei der Datenübertragung vorteilhaft sein. Im Fall von Stromkreisen ist es Ladungsträgern nicht möglich, von einem Stromkreis in einen benachbarten anderen zu fließen, da keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen diesen beiden Stromkreisen besteht. Über entsprechende Kopplungsglieder können jedoch zwischen den Stromkreisen elektrische Leistung oder Signale übertragen werden. Da bei galvanisch getrennten Verbindungen elektrische Potentiale voneinander getrennt sind, wird auch von potentialfreien Verbindungen gesprochen.
Dadurch, dass das Fahrpedalsteuergerät das Positionssignal des Positionssensors zwar abgreift, aber von dem Positionssensor galvanisch getrennt ist, kann verhindert werden, dass sich z. B. das mit dem Positionssensor direkt elektrisch verbundene Motorsteuergerät und das hiervon galvanisch getrennt Fahrpedalsteuergerät gegenseitig elektrisch beeinflussen. Außerdem kann bei einem galvanisch getrennten Abgreifen bzw. Einkoppeln von Signalen ein Aufwand für Schnittstellen und Verkabelungen minimiert werden.
Erfindungsgemäß greift das Steuergerät das Positionssignal von dem Positionssensor über einen Trennverstärker ab. Trennverstärker, welche teilweise auch als Isolationsverstärker bezeichnet werden, können dazu eingesetzt werden, um kleinere Spannungs- oder Stromschwankungen zu isolieren, die zum Beispiel auf einem Stromkreis mit anliegender Spannung aufmoduliert sind. Dazu muss eine galvanische Trennung der vorgespannten Leitungskreise von den Verstärkerschaltungen vorherrschen. Diese Trennung kann im einfachsten Fall über eine Doppelspule unter Nutzung eines induktiven Prinzips erfolgen. Dies wird auch als transformatorische Kopplung bezeichnet. Alternativ kann die Trennung über einen Kondensator erfolgen, was auch als kapazitive Kopplung bezeichnet wird. Es werden nur die Spannungsänderungen bzw. Stromschwankungen übertragen, nicht aber die Grundspannung.
Während mit Hilfe des Trennverstärkers somit Positionssignale des Positionssensors aufgrund der damit verbundenen Spannungsänderungen abgegriffen werden können, können der Stromkreis des Positionssensors einerseits und der Stromkreis des Fahrpedalsteuergeräts andererseits voneinander entkoppelt, d. h. galvanisch getrennt, bleiben.
Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, dass das Fahrpedal lediglich einen einzigen Positionssensor zum Erkennen der Position des Pedalhebels aufweist. Das Positionssignal dieses einzigen Positionssensors kann sowohl einem direkt elektrisch angebundenen Motorsteuergerät als auch einem galvanisch getrennt angebundenen Fahrpedalsteuergerät zur Verfügung gestellt werden.
Gegebenenfalls kann das Fahrpedal physikalisch mit zwei identisch wirkenden Positionssensoren ausgestattet sein, um zum Beispiel im Falle eines Defektes eines Positionssensors eine Redundanz bereitstellen zu können, wobei die beiden Positionssensoren jedoch exakt gleichwirkend verschaltet sind und sich bei normalem Betrieb des Fahrpedals wie ein einziger Positionssensor verhalten.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Fahrpedal ferner einen Positionssensor zum Erkennen einer Position des Aktuators auf. Dieser Positionssensor kann in dem Fahrpedal als separates Bauelement vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann dieser Positionssensor unabhängig von dem Positionssensor, der zur Ermittlung der Position des Pedalhebels dient, vorgesehen sein. Er kann mit dem Fahrpedalsteuergerät direkt elektrisch verbunden sein. Signale dieses Positionssensors können dem Fahrpedalsteuergerät angeben, an welcher Position sich der Aktuator aktuell befindet und können somit für eine Regelung des Aktuators verwendet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, welche ein haptisches Fahrpedal gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen sowie ein Motorsteuergerät aufweist. Das Motorsteuergerät ist dabei mit dem Positionssensor des Pedalhebels galvanisch verbunden. Das Fahrpedalsteuergerät kann in vorteilhafter Weise von dem Motorsteuergerät galvanisch getrennt sein, da die Signale des Positionssensors galvanisch getrennt abgegriffen und an das Fahrpedalsteuergerät weitegegeben werden. Das Fahrpedalsteuergerät und das Motorsteuergerät können als separate Baueinheiten vorgesehen sein. Alternativ können beide Steuergeräte auch in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei weder die Zeichnung noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug, welche ein haptisches Fahrpedal mit einem Fahrpedalsteuergerät sowie ein Motorsteuergerät aufweist.
Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Steuerungsanordnung 1 für ein Fahrzeug. Die Steuerungsanordnung 1 umfasst ein haptisches Fahrpedal 3 mit einem Fahrpedalsteuergerät 5, einem Pedalhebel 7 und einem Aktuator 9.
Der Pedalhebel 7 kann von einem Fahrer 11 niedergedrückt und dabei entlang eines Verfahrwegs 13 verlagert werden. Im dargestellten Beispiel verändert sich dabei sein Anstellwinkel β. Der Pedalhebel 7 wird durch eine Feder 15 hin zu einer Ausgangsposition mechanisch vorgespannt. Der aktuelle Anstellwinkel β des Pedalhebels 7 wird an einen Messgeber 17 eines Positionssensors 19 übertragen. Eine Position des Messgebers 17 bzw. ein von diesem angegebener Wert wird von Detektionseinrichtungen 21 des Positionssensors 19 ermittelt und darauf basierend ein Positionssignal generiert. Aus Redundanzgründen werden zwei Detektionseinrichtung 21 vorgesehen. Das Positionssignal wird dann an das Motorsteuergerät 29 geleitet, welches über Leitungen 31 elektrisch mit dem Positionssensor 19 verbunden ist.
Der in dem haptischen Fahrpedal 3 vorgesehene Aktuator 9 ist dazu vorgesehen, eine Kraft steuerbar auf den Pedalhebel 7 auszuüben. Hierzu wird der Aktuator 9 von einem Motor 23 angetrieben. Der Motor 23 wird von dem Fahrpedalsteuergerät 5 gesteuert bzw. geregelt.
Im dargestellten Beispiel ist ein weiterer Positionssensor 25 vorgesehen, der eine Positionierung des Motors 23, insbesondere eine aktuelle Winkelposition desselben, messen kann. Dieser Positionssensor 25 ist elektrisch mit dem Fahrpedalsteuergerät 5 verbunden.
Um den Motor 23 geeignet ansteuern bzw. regeln zu können, benötigt das Fahrpedalsteuergerät 5 in der Regel sowohl eine Information über die aktuelle Position des Pedalhebels 7 als auch eine Information über die aktuelle Positionierung des Aktuators 9. Die Information über die aktuelle Positionierung des Aktuators 9 kann es von dem Positionssensor 25 erhalten. Die Information über die aktuelle Positionierung des Pedalhebels 7 sollte es jedoch nicht direkt elektrisch angebunden von dem Positionssensor 19 erhalten, da dieser elektrisch mit dem Motorsteuergerät 29 gekoppelt ist und eine direkte elektrische Anbindung des Positionssensors 19 an das Fahrpedalsteuergerät 5 zu unerwünschten elektrischen Beeinflussungen zwischen diesen beiden Steuergeräten 5, 29 führen könnte.
Daher wird ein Trennverstärker 27 vorgesehen, mit Hilfe dessen das Positionssignal des Positionssensors 19 galvanisch getrennt abgegriffen werden kann.
Die Ausgestaltung des Trennverstärkers 27 kann, in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des im Fahrpedal verwendeten Positionssensors 21, als digitaler oder analoger Trennverstärker erfolgen. Der Aufbau des Trennverstärkers 27 kann in einem diskreten Aufbau, mit einem integrierten Baustein oder als im Positionssensor 21 integrierte Lösung erfolgen.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen.

Claims

Haptisches Fahrpedal (3) mit Steuergeräteanordnung, aufweisend: einen Pedalhebel (7); einen mit dem Pedalhebel (7) koppelbaren Aktuator (9); einen Positionssensor (19); ein Fahrpedalsteuergerät (5); wobei der Pedalhebel (7) entlang eines Verfahrwegs (13) verlagerbar ist; wobei der Aktuator (9) dazu ausgelegt ist, eine Kraft steuerbar auf den Pedalhebel (7) auszuüben; wobei der Positionssensor (19) dazu ausgelegt ist, eine Position des Pedalhebels (7) entlang des Verfahrwegs (13) zu erkennen und daraufhin ein Positionssignal auszugeben; wobei das Fahrpedalsteuergerät (5) dazu ausgelegt ist, den Aktuator (9) derart anzusteuern, dass eine vorbestimmte Kraft auf den Pedalhebel (7) ausgeübt wird; wobei das Fahrpedalsteuergerät (5) das Positionssignal des Positionssensors (19) abgreift, wobei das Fahrpedalsteuergerät (5) von dem Positionssensor (19) galvanisch getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrpedalsteuergerät (5) das Positionssignal von dem Positionssensor (19) über einen Trennverstärker (27) abgreift.
Haptisches Fahrpedal nach Anspruch 1, welches einen einzigen Positionssensor (19) zum Erkennen der Position des Pedalhebels (7) aufweist.
Haptisches Fahrpedal nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welches ferner einen Positionssensor (25) zum Erkennen einer Positionierung des Aktuators (9) aufweist.
Steuerungsanordnung (1) für ein Fahrzeug, aufweisend: ein haptisches Fahrpedal (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4; ein Motorsteuergerät (29); wobei das Motorsteuergerät (29) mit dem Positionssensor (19) galvanisch verbunden ist, wobei das Fahrpedalsteuergerät (5) von dem Motorsteuergerät (29) galvanisch getrennt ist.