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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines an einer elektromechanischen Lenkung anliegenden Lenkmoments sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Elektrisch angetriebene Systeme zur Lenkunterstützung, also elektromechanische Lenksysteme, ersetzen immer mehr die derzeit noch gebräuchliche Lenkung mit hydraulischer Lenkunterstützung. Dabei überträgt ein Elektromotor, der ein Servomoment erzeugt, mittels eines mechanischen Getriebes seine Leistung auf die Zahnstange. Ausgehend von dem Lenkmoment, das der Fahrer am Lenkrad ausübt, detektiert das System über eine Sensorik die aktuell erforderliche Lenkunterstützung, wertet sie in einer Steuerungselektronik aus und steuert über entsprechende elektronische Signale den das Servomoment erzeugenden Elektromotor an. Eine elektromechanische Lenkung hat gegenüber einer hydraulischen Lenkung den Vorteil, dass die zum Betrieb benötigte Energie nur bedarfsgerecht benötigt wird. Ferner können mit der elektromechanischen Lenkung zusätzliche Funktionalitäten in Fahrerassistenzsystemen ausgeübt werden.
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Das zur Ansteuerung des Elektromotors benötigte Lenkmoment wird von einem in dem elektromechanischen Lenksystem angeordneten Drehmomentsensor bestimmt. Für Drehmomentsensoren kommen üblicherweise nur noch berührungslose, verschleißfreie Sensorprinzipien zum Einsatz, wobei als Lenkmomentsensor ein magnetischer Sensortyp gebräuchlich ist, der eine Eingangswelle, einen Torsionsstab, eine Abtriebswelle und ein magnetisches Element umfasst. Unter einem magnetischen Element wird ein solches verstanden, welches auf einem magnetischen Effekt beruht, also beispielsweise einem magnetoresistiven Effekt oder einem Hall-Effekt. Durch die Lenkbewegung des Fahrers verdreht sich der Torsionsstab des Drehmomentsensors und der Verdrehwinkel des Torsionsstabs gegen den linear steigenden Torsionswiderstand ist ein Maß für das aufgebrachte Lenkmoment und bestimmt die Höhe der Servounterstützung. Dabei ändert sich die Richtung der magnetischen Feldlinien eines Magnetringes, der mit dem einen Torsionsstabende fest verbunden ist, gegenüber einem Sensorchip, der auf dem anderen Torsionsstabende befestigt ist und die Richtungsänderung registriert. Das magnetische Element erzeugt unterschiedliche Signale vorzugsweise in digitaler Form, aus denen das Steuergerät das aufzubringende Unterstützungsmoment berechnet.
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Die Druckschrift
EP 2 669 146 A2 betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Lenksystems, wobei versucht wird die sich im Lauf der Zeit ändernde Reibung im System zu kompensieren. In elektromechanischen Lenksystemen spielt die Systemreibung eine bedeutende Rolle, die die Leistungsfähigkeit und das Lenkgefühl des Lenksystems beeinflussen kann. Während der Systemkalibrierung wird üblicherweise die Systemreibung sorgfältig beachtet, um ein optimales Lenkgefühl zu erreichen. Allerdings ist die Systemreibung über die Lebensdauer eines elektromechanischen Lenksystems nicht konstant, wobei viele Faktoren diese Änderung beeinflussen. Einige der Faktoren haben einen langfristige Wirkung, wie der mechanische Verschleiß und die Degradation der verwendeten Schmierstoffe. Andere Faktoren, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, beeinflussen das System in kurzfristiger Weise. Zur Bestimmung der aktuellen Systemreibung wird eine Lernfunktion konfiguriert um eine Vielzahl von stückweise linearen Funktionskoeffizienten basierend auf gemessenen Daten zu bestimmen. Die Lernfunktion ist weiter dazu ausgelegt eine Hystereseschleife der elektromechanischen Lenkung zu modellieren, um eine mittlere Reibung bestimmen zu können. Zwar kann mit diesem Verfahren die Änderung der Systemreibung bestimmt werden, jedoch wird eine Kompensation der Hysterese des Sensorsystems nicht erreicht.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 038 891 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Drehmoments an einer elektromechanischen Lenkung mit einem zweikanaligen Drehmomentsensor und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Aufbereitung der Daten des zweikanaligen Drehmomentsensors. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit, wobei der Recheneinheit ein Lenkwinkel und ein Rotorwinkel eines Servomotors zugeführt werden, aus denen die Recheneinheit ein virtuelles Drehmoment berechnet. Mittels eines Filtergliedes wird ein aufbereitetes virtuelles Drehmomentsignal erzeugt, wobei durch die Filterung Fehler in der Signalübertragung, Fehler des Kardans, Hysteresen in der Lenksäule und/oder mechanische Übertragungseigenschaften des Torsionsstabes gefiltert werden. Ferner kann ein Abgleich der Daten des Drehmomentsensors mit den aufbereiteten virtuellen Drehmomentsignalen eine Diagnose von Langzeiteffekten in Drehmomentsensoren, wie beispielsweise Drift oder Hysterese erlauben. Nachteilig hierbei ist, dass nur mechanische Fehler durch den Filter eliminiert werden können.
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Die Druckschrift
EP 2 572 963 A2 betrifft eine elektrische Servolenkungsvorrichtung umfassend:
- - einen Detektor, der einen Wert erfasst, der einem Lenkmoment eines Lenkrads entspricht;
- - eine Korrektureinheit, die einen von dem Detektor erfassten Erfassungswert unter Berücksichtigung einer Hysterese zwischen einem tatsächlichen Lenkmoment und dem von dem Detektor erfassten Erfassungswert korrigiert; wobei zur Kompensation der Hysterese zumindest eine Hysteresekennlinie hinterlegt ist, und
- - eine Sollstromberechnungseinheit, die einen Sollstrom berechnet, der zugeführt wird an einen Elektromotor auf der Grundlage eines korrigierten Erfassungswertes, der durch die Korrektureinheit korrigiert wird, wobei die Korrektureinheit eine Korrektur durchführt, indem sie einen Korrekturwert verwendet, der dem von dem Detektor erfassten Erfassungswert entspricht, um die Hysterese in einem Fall, in dem das Lenkmoment klein ist, klein und in einem Fall, in dem das Lenkmoment groß ist, groß zu machen.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 029 056 A1 betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensors einer Lenkeinheit mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellung einer Lenkeinheit mit einer Lenkwelle, an welcher der zu kalibrierende Drehmomentsensor angeordnet ist, und einer mit der Lenkwelle in Wirkverbindung stehenden Lenkung, einer Lenkkraftverstärkereinrichtung mit einer Steuereinheit und einem Motor zur Bereitstellung einer Lenkkraftverstärkung für die Lenkeinheit,
- - Bereitstellung eines Referenz-Drehmoment-Sensors an der Lenkwelle,
- - Beaufschlagen der Lenkwelle mit wenigstens einem durch den Motor erzeugten Kalibrier-Drehmoment und Erfassen entsprechender Drehmomentsignale durch Drehmomentsensor und Referenz-Drehmomentsensor, und
- - Vergleichen der jeweils gemessenen Drehmomentsignale von Drehmomentsensor und Referenz-Drehmomentsensor zum Erhalt wenigstens eines Kalibrierungswertes für den Drehmomentsensor.
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Die Druckschrift
DE 603 09 269 T2 betrifft einen Drehmomentsensor und eine Steuerung einer mit einem Drehmomentsensor versehenen elektrischen Servolenkung
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Die Druckschrift
DE 100 34 135 C1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen Ermittlung des Drehmomentes einer fahrerbetätigten Lenkhandhabe in einem Fahrzeug mit elektrischer Fahrzeuglenkung, wobei zeitweilig geprüft, ob ein torsionsfreier Zustand einer in eine Lenksäule integrierten Wellenanordnung vorliegt. In diesem Fall wird ein mit der Wellenanordnung kraftschlüssig verbundener Elektromotor mit einem vorgebbaren elektrischen Gleichstrom bestromt. Der vorgebbare Gleichstrom wird in ein entsprechendes Drehmoment umgerechnet und lässt sich durch Kenntnis des Torsionsmoduls der Wellenanordnung in einen Torsionswinkel umrechnen. Die Messdaten von an der Wellenanordnung angeordneten Drehwinkelgebern werden erfasst und mit dem zu erwartenden Torsionswinkel rechnerisch verglichen und daraus eine Abweichung zwischen zu erwartendem Messwert der Drehwinkelgeber und durch die Drehwinkelgeber tatsächlich gemessenem Messwert ermittelt. Anhand der Abweichung werden dann die Drehwinkelgeber korrigiert bzw. kompensiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, technisch bedingte Fehler eines gattungsgemäßen Drehmomentsensors für die Messung des Lenkmoments zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des an einer elektromechanischen Lenkung anliegenden Lenkmoments bei einem Lenkvorgang, wobei die elektromechanische Lenkung einen Drehmomentsensor aufweist, der das auf einen in der Lenkung angeordneten Drehstab ausgeübte Lenkmoment nach einem magnetischen Prinzip bestimmt,
- - liegt dem Lenkvorgang ein vorheriger Lenkvorgang mit umgekehrter Lenkrichtung zugrunde,
- - ist zur Kompensation der Hysterese des Drehmomentsensors zumindest eine Hysteresekennlinie hinterlegt,
- - wird das ausgeübte Lenkmoment des vorangegangenen Lenkvorgangs zur Bestimmung einer Korrekturgröße in der hinterlegten Hysteresekennlinie verwendet, und
- - wird das Lenkmoment des aktuellen Lenkvorgangs mittels der Korrekturgröße korrigiert.
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Auf diese Weise kann auf einfache Weise die bauteilbedingte Hysterese des Drehmomentsensors beseitigt werden, indem aus dem Lenkmoment des vorangegangenen Lenkvorgangs mit umgekehrter Lenkrichtung über eine geeignete hinterlegte Hysteresekennlinie ein Korrekturwert ermittelt wird, der zur Korrektur des Lenkmoments des aktuellen Lenkvorgangs verwendet wird.
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Weiter bevorzugt weist die zur Kompensation dienende Hysteresekennlinie die Komponenten mechanische Hysterese und magnetische Hysterese auf, wobei die mechanische Hysterese bei jedem Richtungswechsel voll zu berücksichtigen ist. Mit anderen Worten, für den Anteil der mechanischen Hysterese kann ein fester Wert verwendet werden, da die mechanische Hysterese ein Resultat der Verbindungstechnik zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle und deren Verbindungselement, dem Drehstab, ist. Zudem kann es noch zu einer mechanischen Hysterese aus dem Drehstab selbst kommen. Demgegenüber entsteht die magnetische Hysterese durch das Umklappen der Weißschen Bezirke in magnetflusstreibenden Teilen des Drehmomentsensors und hängt vom vorherigen Lenkmoment ab.
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Weiter bevorzugt sind mehrere Hysteresekennlinien hinterlegt, wobei jede Hysteresekennlinie parametrisch von einem jeweiligen Lenkmoment abhängt. Es wird also für eine Folge vorgegebener Lenkmomente jeweils eine Hysteresekennlinie hinterlegt, sodass als Funktion des Lenkmoment des vorherigen Lenkvorgangs aus der diesem Lenkmoment entsprechenden Hysteresekennlinie eine Korrekturgröße für das Lenkmoment des aktuellen Lenkvorgangs ermittelt. Liegt das Lenkmoment des vorherigen Lenkvorgangs zwischen zwei vorgegebenen Lenkmomenten für die jeweils eine Hysteresekennlinie vorliegt, so wird ein Korrekturwert durch eine Interpolation zwischen den beiden Hysteresekennlinien ermittelt.
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Weiter bevorzugt wird eine einzelne Hysteresekennlinie als Funktion eines jeweiligen Lenkmoment messtechnisch ermittelt. Mit anderen Worten, für ein vorgegebenes Lenkmoment wird der Drehmomentsensor sozusagen zur Ermittlung der Hysteresekennlinie durchgemessen.
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Ferner können die jeweiligen Lenkmomente der mehreren Hysteresekennlinien einen vorgegebenen Abstand im Sinn einer Schrittweite aufweisen, wobei bei einem aktuellen Lenkmoment, welches zwischen zwei Lenkmomenten entsprechender Hysteresekennlinien liegt, eine Interpolation der beiden zugehörigen Hysteresekennlinie erfolgt, wie dies bereits erwähnt wurde.
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Weiter bevorzugt werden die Hysteresekennlinien bauteilspezifisch oder bauteilcharakteristisch bestimmt. Bauteilspezifisch bedeutete dabei das für jeden Drehmomentsensor separat Hysteresekennlinien ermittelt werden, da sich das Verhalten der Drehmomentsensoren produktionsbedingt von Bauteil zu Bauteil unterscheidet. Bauteilcharakteristisch bedeutet, dass das Hystereseverhalten für das Bauteil charakteristisch ist und für alle Bauteile nahezu gleich ist. In diesem Fall genügt die Bestimmung des Hystereseverhaltens anhand einer kleinen Gruppe von Bauteilen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkmoments an einer elektromechanischen Lenkung bei einem Lenkvorgang, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des im vorangegangenen erläuterten Verfahrens geeignet ist, umfasst einen an der elektromechanischen Lenkung angeordneten Drehmomentsensor zur Bestimmung des vom Fahrer ausgeübten Lenkmoments. Dabei weist die Vorrichtung ferner eine Steuerung und einen Speicher auf, wobei die Steuerung das Lenkmomentsignal des Drehmomentsensors mittels der im Speicher abgelegten mindestens einen Hysteresekennlinie korrigiert und aus dem hysteresekorrigierten Lenkmomentsignal ein Steuersignal zum Ansteuern des Elektromotor der elektromechanischen Lenkung erzeugt.
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Ferner werden vorzugsweise die Hysteresekomponenten mechanische Hysterese und magnetische Hysterese kompensiert.
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Durch die erfindungsgemäße Hysteresekompensation mit der vorangegangenen Ermittlung des Hystereseverhaltens, d.h. Ermittlung der Hysteresekennlinien, kann das störende Verhalten innerhalb des Lenksystems herausgerechnet und damit die Störung verhindert werden. Außerdem bietet das Verfahren bzw. die Vorrichtung die Möglichkeit die Leistungsfähigkeit heutiger Sensoren zu verbessern bzw. gegebenenfalls heutige Sensoren durch die Verwendung kostengünstiger Materialien zu vereinfachen und zu verbilligen, ohne die Gesamtleistungsfähigkeit der Drehmomentsensoren zu beeinträchtigen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine elektromechanische Lenkung mit Drehmomentsensor in schematischer Darstellung,
- 2 das magnetische Messprinzip des Drehmomentsensors,
- 3 eine typische Hysterese eines Drehmomentsensors einer elektromechanischen Lenkung, und
- 4 eine Vorrichtung zur Kompensation der Hysterese eines Drehmomentsensors in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine typisches Beispiel einer elektromechanischen Lenkung 1, umfassend ein Lenkrad 2 mit einer Winkelmessung, eine Lenksäule 3 mit einem Kardangelenk 4, einem Lenkgetriebe 5 mit Elektromotor 6 sowie einen Drehmomentsensor 7, der an der Verbindung der Lenksäule 3 mit dem Lenkgetriebe 5 angeordnet ist.
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Der Drehmomentsensor 7 ist in der 1 separat vergrößert dargestellt und umfasst eine Eingangswelle 8, die die vom Fahrer durch die Bewegung des Lenkrades 2 Lenkinformation mittels einer Ausgangswelle 9 auf das Lenkgetriebe 5 überträgt. Die Verbindung zwischen der Eingangswelle 8 und der Ausgangswelle 9 übernimmt ein Drehstab 10. Über dem Drehstab 10 des Drehmomentsensors 7 ist ein magnetoresitiver Sensor 11 angeordnet, der Verdrehung des Drehstabes 10 bestimmt.
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2 zeigt einen magnetischen Sensor 11 im Detail, wobei zur Beschreibung der Wirkungsweise des magnetischen Sensors 11 auch auf die 1 Bezug genommen wird. Der magnetische Sensor 11 umfasst einen Magnetring 12, der beispielsweise mit der Eingangswelle 8 der Lenksäule 3 fest verbunden ist. Zur Messung der Verdrehung des Drehstabes 10 dient ein Winkelsensor 13, der mit der Ausgangswelle 9 fest verbunden ist. Ein Drehen am Lenkrad 1 bewirkt ein Verdrehen des Drehstabes 10 und damit eine Änderung des am Winkelsensor 13 auftretenden Magnetfeldes. Die Änderung des Magnetfeldes kann vom Winkelsensor 13 mittels des magnetischen Effekts, wie beispielsweise einem magnetoresitiven Effekt oder einem Hall-Effekt, nachgewiesen und gemessen werden, wodurch aufgrund des bekannten Torsionswiderstandes des Drehstabs 10 das vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment bestimmt werden kann. Weiterhin ist der Magnetring 12 beidseitig von Leitflussblechen 14, 15 umgeben. Die magnetische Hysterese des magnetischen Sensors 11 wird durch ein Umklappen der Weißschen Bezirke innerhalb von magnetflusstreibenden Teilen des Sensors, insbesondere der Leitflussbleche 14,15, bewirkt.
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3 zeigt ein Beispiel einer Hysteresekurve oder Hysteresekennlinie eines magnetischen Sensors 11, wobei in waagrechte Richtung das tatsächliche Lenkmoment und in vertikaler Richtung das vom Sensor aufgrund seiner Hysterese gemessene Lenkmoment dargestellt sind. Dargestellt ist durch den Nullpunkt gehend die Nominalkennlinie N sowie die beiden Hysteresezweige H1 und H2 sowie die Hysterese H für ein Lenkmoment von 8 Newtonmeter. Die Hysteresekennlinie der 3 ist jedoch nur als Beispiel und Verdeutlichung zu verstehen, da real gemessene Kenlinien nicht die gezeigte Symmetrie aufweisen. Es ist möglich für eine Folge von Lenkmomenten, beginnend beispielsweise bei einem Lenkmoment von 1Nm und endend bei 8Nm, in Schritten vorgegebener Schrittweite von beispielsweise 1Nm die jeweilige Hysteresekennlinie messtechnisch zu bestimmen und im Fahrzeug abzulegen. Übt der Fahrer im vorherigen Lenkvorgang ein Lenkmoment aus, so wird die diesem Lenkmoment entsprechenden Hysteresekennlinie zur Bestimmung des Korrekturwertes für das aktuelle Lenkmoment verwendet. Übt der Fahrer hingegen im vorherigen Lenkvorgang ein Lenkmoment aus, welches zwischen zwei Hysteresekennlinien liegt, so kann der Korrekturwert aus den beiden benachbarten Hysteresekennlinien extrapoliert werden. Weiterhin kann auch die Schrittweite, in welcher Hysteresekennlinie aufgestellt werden, entsprechend den Anforderungen angepasst werden.
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4 zeigt eine Vorrichtung zur Hysteresekompensation eines Lenkmomentsignals. Das von einem Drehmomentsensor 7 erzeugte Lenkmomentsignal wird einer Steuerung 16 zugeführt, die Zugriff auf einen Speicher 17 hat, der wie in Zusammenhang mit 3 beschrieben eine Vielzahl von Hysteresekennlinien aufweist, deren Hilfe das Lenkmoment Signal in der Steuerung 16 korrigiert wird. Aus dem korrigierten Lenkmomentsignal wird in der Steuerung 16 ein Steuersignal zur Ansteuerung des Elektromotors 6 zur Erzeugung eines unterstützenden Lenkmomentes erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanische Lenkung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenksäule
- 4
- Kardangelenk
- 5
- Lenkgetriebe
- 6
- Elektromotor
- 7
- Drehmomentsensor
- 8
- Eingangswelle
- 9
- Ausgangswelle
- 10
- Drehstab
- 11
- magnetischer Sensor
- 12
- Magnetring
- 13
- Winkelsensor
- 14
- Leitflussblech
- 15
- Leitflussblech
- 16
- Steuerung
- 17
- Speicher Hysteresekennlinien
- N
- Nominalkennlinie
- H1
- Hystereszweig
- H2
- Hysteresezweig
- H
- Hysterese
