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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, insbesondere Drehmomentsensor für ein Servolenksystem eines Fahrzeugs, mit mindestens drei Sensoren, die jeweils einen Versorgungsanschluss, einen Masseanschluss und einen Signalausgang aufweisen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Sevolenksystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer derartigen Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Sensorvorrichtungen und Lenksysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere bei Servolenksystemen wird in Abhängigkeit von einem auf ein Lenkrad aufgebrachten Handlenkmoment ein Unterstützungsantrieb zum Erzeugen eines Unterstützungslenkmoments angesteuert. Zum Erfassen des Handlenkmoments ist es dabei bekannt, eine Drehmoment-Sensorvorrichtung dem Lenkrad oder einer damit verbundenen Lenkstange zuzuordnen. Typischerweise wird zum Erfassen des Handlenkmoments der Drehwinkel eines Torsionsstabs des Lenksystems ermittelt, wobei zum Erfassen des Drehwinkels unterschiedliche Arten von Sensorvorrichtungen eingesetzt werden können. Bevorzugt werden berührungslos arbeitende Systeme, die insbesondere auf der Messung von Magnetfeldveränderungen beruhen, eingesetzt. So ist es beispielsweise bekannt, als Sensorvorrichtung einen Drehmomentsensor mit zwei Hall-Elementen vorzusehen, die zum Erfassen eines sich mit dem Torsionsstab mitdrehenden Magnetfeldes ausgebildet/angeordnet sind.
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Fällt bei einem derartigen System eines der Hall-Elemente beziehungsweise einer der Sensoren aus, so wird das Lenksystem aus Sicherheitsgründen abgeschaltet. Ein Weiterfahren mit Lenkunterstützung ist dann mit mehr möglich, wobei ein Weiterbetrieb des Fahrzeugs in der Regel für den Fahrer durch Aufbringen eines erhöhten Handlenkmoments zumindest möglich ist. Um eine Ausfallsicherheit des Lenksystems zu erhöhen, ist schon vorgeschlagen worden, zwei Hall-Dualelemente zu verwenden, die jedoch in der Anschaffung verhältnismäßig teuer sind. Das Einsetzen eines dritten Hall-Elements, um den Ausfall eines anderen Hall-Elements zu kompensieren zu können, ist zwar möglich, wurde bisher jedoch nur dadurch ermöglicht, dass jeder der Sensoren mit einer eigenen Spannungsversorgung verbunden ist, um auch bei einem Spannungsversorgungsfehler den Weiterbetrieb der Lenkunterstützung gewährleisten zu können.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung und ein Servolenksystem zu schaffen, die auf kostengünstige Art und Weise die Ausfallsicherheit erhöhen und gleichzeitig Herstellungs- und Beschaffungsaufwand verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese weist den Vorteil auf, dass weniger Spannungsversorgungsquellen beziehungsweise Spannungsversorgungseinrichtungen als Sensoren vorhanden sind, wodurch Herstellungskosten und Bauraumbedarf reduziert werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einem der drei Sensoren der Versorgungsanschluss mit den Versorgungsanschlüssen von mindestens zwei der anderen Sensoren verbunden ist. Der Versorgungsanschluss des einen Sensors ist somit nur indirekt mit einer Spannungsversorgungeinrichtung, nämlich mit den Spannungsversorgungseinrichtungen, die den zwei anderen Sensoren zugeordnet sind, verbunden. Fällt eine der beiden Spannungsversorgungseinrichtungen aus, wird der eine Sensor durch die Spannungsversorgungseinrichtung beziehungsweise -Quelle des verbleibenden Teilsystems weiter mit Energie versorgt, sodass der Betrieb der Sensorvorrichtung insgesamt aufrechterhalten werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Versorgungsanschluss des einen Sensors durch jeweils eine Diode mit den Versorgungsanschlüssen der zwei anderen Sensoren verbunden ist. Hierdurch wird eine Fehlfunktion in der Sensorvorrichtung bei Ausfall einer der Spannungsquellen sowie eine Fehlfunktion im Normalbetrieb sicher verhindert. Insbesondere sind die Dioden als Sperrdioden ausgebildet, die in Richtung des Versorgungsanschluss des einen Sensors durchlässig sind. Dadurch wird vermieden, dass sich die Spannungsquellen der beiden anderen Sensoren gegenseitig beeinflussen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Masseanschluss des einen Sensors mit zumindest einem Masseanschluss eines anderen der Sensoren verbunden ist. Damit ist auch der Masseanschluss des einen Sensors nur indirekt mit Masse verbunden. Dadurch kann auf eine separate Masseleitung für den einen Sensor verzichtet werden, wodurch Kontaktierungsaufwand und Materialkosten gespart werden können.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Masseanschluss des einen Sensors mit den Masseanschlüssen der mindestens zwei anderen Sensoren verbunden ist. Dadurch wird eine sichere Masseableitung für den einen Sensor gewährleistet, sodass bei Ausfall einer der Sensoren oder einer der Spannungseinrichtungen ein Weiterbetrieb der Sensorvorrichtung gewährleistet ist.
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Bevorzugt ist auch der Masseanschluss des einen Sensors durch jeweils eine Diode mit dem jeweiligen Masseanschluss der zwei anderen Sensoren verbunden, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Insbesondere wirken die Dioden in Richtung des Masseanschluss des einen Sensors sperrend.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalausgänge aller Sensoren mit einer Steuereinheit verbunden sind. Die eine Steuereinheit erfasst die durch die Signalausgänge bereitgestellten Daten und wertet diese zur Bestimmung des Drehwinkels und letztendlich des Handlenkmoments/Drehmoments aus. Liegt kein Fehlerfall vor, so verwendet die Steuereinheit bevorzugt die Daten aller Sensoren zur Bestimmung des Drehwinkels beziehungsweise des Drehmoments. Ist einer der Sensoren oder einer der Spannungsversorgungsquellen/-einrichtungen ausgefallen, so kann die Steuereinheit noch auf Basis der verbleibenden zwei Sensoren den Drehwinkel beziehungsweise das Drehmoment ausreichend genau bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Masseanschluss des einen Sensors direkt mit Masse, beispielsweise durch eine eigene, separate Masseleitung, verbunden ist. Dadurch können die Versorgungsspannung und der Ausgangssignalhub des einen Sensors möglichst groß gehalten werden.
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Alternativ ist es bevorzugt vorgesehen, dass zum Erreichen eines möglichst großen Ausgangssignalhubs dem Signalausgang des einen Sensors ein Spannungsteiler zugeordnet und separat beziehungsweise individuell zum Erhöhen des Ausgangssignalhubs ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass der Masseanschluss des einen Sensors mit einem Masseanschluss einer weiteren Sensorvorrichtung, insbesondere mit dem Masseanschluss eines Sensors, der sich von den drei Sensoren unterscheidet, verbunden. Dadurch wird auf eine sowieso bereits vorhandene, separate Masseleitung zurückgegriffen, wodurch die Ausgangssicherheit der Sensorvorrichtung ebenfalls erhöht wird.
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Das erfindungsgemäße Servolenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Insbesondere ist das Servolenksystem mit einem elektromotorischen Unterstützungsantrieb ausgebildet, wobei eine Steuereinheit vorhanden ist, die in Abhängigkeit von einem mittels der Sensorvorrichtung erfassten, auf eine Lenkhandhabe aufgebrachten Handlenkmoments, den Elektromotor ansteuert.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung und
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2 eine vorteilhafte Ausbildung eines Drehmomentsensors des Lenksystems.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Servolenksystem 1 für zwei lenkbare Räder 2 einer Radachse eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Räder 2 sind durch jeweils eine Radaufhängung 3 verschwenkbar an dem Kraftfahrzeug gelagert. Durch eine jeweilige Gelenkstange 4 ist jedes der Räder außerdem mit einem Lenkgetriebe 5 verbunden. Das Lenkgetriebe 5 weist eine Zahnstange 6 auf, die an ihren beiden Enden mit jeweils einer der Gelenkstangen 4 gekoppelt ist. Mit der Zahnstange 6 steht ein Ritzel 7 in Eingriff, das drehfest mit einer Lenkstange 8 verbunden ist, die außerdem eine Lenkhandhabe 9 in Form eines von einem Fahrer benutzbaren Lenkrads trägt. Sobald der Fahrer ein Handdrehmoment MH auf die Lenkhandhabe 9 ausübt, wie durch einen Doppelpfeil gezeigt, dreht er bei einem ausreichend hohen Handmoment die Lenkstange 8 um einen Winkel α und damit das Ritzel 7, wodurch die Zahnstange 6 des Lenkgetriebes 5 verschoben und die Räder 2 um einen der Übersetzung entsprechenden Lenkwinkel β verschwenkt werden.
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Das Servolenksystem 1 ist als elektromotorisches Servolenksystem 1 ausgebildet und weist dazu einen Elektromotor 10 als Aktuator A auf, dessen Rotor mit der Lenkstange 8 direkt oder indirekt wirkverbunden ist. Der Elektromotor 10 weist eine Leistungselektronik 11 auf, die durch ein Steuergerät 12 zum Betreiben des Elektromotors 10 angesteuert wird. Das Steuergerät 12 erfasst dabei außerdem Daten eines Drehmomentsensors 13, der beispielsweise der Lenkstange 8 zugeordnet ist, um das von dem Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachte Handdrehmoment MH zu erfassen. In Abhängigkeit des erfassten Handdrehmoments MH steuert das Steuergerät 12 den Elektromotor 10 durch die Leistungselektronik 11 dazu an, ein Motordrehmoment MM zu erzeugen, das direkt oder über ein Getriebe auf die Lenkstange 8 übertragen und damit dem Handdrehmoment überlagert wird. Das von dem Steuergerät 12 durchgeführte Verfahren erleichtert damit dem Fahrer das Führen des das Servolenksystem 1 aufweisende Kraftfahrzeugs. Weiterhin erfasst das Steuergerät 12 Ausgangssignale einer Sensoreinrichtung 14 zum Erfassen eines Drehwinkels eines Rotors R des Elektromotors 10, wobei der Drehwinkel zur Ansteuerung und Regelung des Elektromotors 10 genutzt wird.
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Der hier vorgestellte Aufbau des Servolenksystems 1 ist rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich können die Sensoren und auch der Elektromotor an anderer Stelle des Servolenksystems 1 angeordnet sein.
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2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Drehmomentsensors 13 in einer vereinfachten Darstellung. Der Drehmomentsensor 13 weist drei Sensoren 15, 16, 17 auf, die jeweils als Hall-Sensoren ausgebildet sind. Jeder der Sensoren weist ein Versorgungsanschluss V15, V16 und V17, einen Masseanschluss M15, M16, M17 sowie jeweils einen Signalausgang A15, A16, A17 auf. Die Signalausgänge A15, A16, A17 sind jeweils mit einer Steuereinheit 18 verbunden, die in den Drehmomentsensor 13 intergiert oder alternativ durch das Steuergerät 12 gebildet sein kann. In Abhängigkeit von den durch die Signalausgänge bereitgestellten Daten ermittelt die Steuereinheit 18 das aufgebrachte Handlenkmoment MH. Dazu weist der Drehmomentsensor 13 vorteilhafterweise außerdem einen mit der Lenkstange 8 verbundenen Torsionsstab auf, der eine Handlenkmoment-abhängige Verdrehung erlaubt und damit eine durch die Hall-Sensoren 15, 16, 17 erfassbare Drehwinkelstellung in Abhängigkeit des aufgebrachten Handlenkmoments einstellt. Dem Torsionsstab ist dabei beispielsweise ein Geberelement mit wenigstens einem Permanentmagneten zum Erzeugen eines von den Hall-Sensoren 15, 16, 17 erfassbaren Magnetfeldes zugeordnet.
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Die Versorgungsanschlüsse V15 und V17 der Sensoren 15 und 17 sind jeweils einer eigenen Spannungsversorgungsquelle der Steuereinheit 18 verbunden, wie durch die eingezeichneten Linien angedeutet. Ebenso sind die Masseanschlüsse M15 und M17 durch jeweils eine Masseleitung mit der Steuereinheit 18 verbunden.
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Der Versorgungsanschluss V16 des Sensors 16 ist mit den Versorgungsanschlüssen V15 und V17 durch jeweils eine Diode DV verbunden, wobei die Dioden DV in Richtung der Versorgungsanschlüsse V15 und V16 sperrend ausgebildet sind. Der Masseanschluss M16 ist mit den Masseanschlüssen M15 und M17 ebenfalls durch jeweils eine Diode DM verbunden, wobei die Dioden DM jeweils in Richtung des Masseanschluss M16 sperrend ausgebildet sind.
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Der Versorgungsanschluss V16 und der Masseanschluss M16 des Sensors 16 sind somit nur indirekt mit Masse beziehungsweise mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbunden. Dadurch kann eine separate Spannungsversorgungseinrichtung für den Sensor 16 entfallen. Fällt einer der Sensoren 15 bis 17 oder eine der Spannungsversorgungseinrichtungen aus, so ist gewährleistet, dass zumindest zwei der Sensoren 15, 16 und 17 weiterbetrieben und damit die Funktionalität der Sensoreinrichtung 13 und des Lenksystems 10 weiter gewährleistet werden kann. Die vorteilhafte Sensoreinrichtung 13 benötigt somit für die drei Sensoren 15, 16, 17 lediglich zwei insbesondere voneinander unabhängige Spannungsversorgungseinrichtungen, die beispielsweise durch die Steuereinheit 18 zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, hier nicht dargestellt, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Masseanschluss M16 durch eine eigene Masseleitung mit Masse verbunden ist, um die Versorgungsspannung möglichst groß zu halten, und um den Ausgangssignalhub am Signalausgang A16 möglichst groß zu halten. Alternativ kann der Ausgangssignalhub auch durch einen separat ausgelegten Spannungsteiler individuell angepasst werden. Auch ist es denkbar, den Masseanschluss M16 mit der Masseleitung oder dem Masseanschluss eines Sensors zu verbinden, der eine andere Funktion als die Sensoren der Sensoreinrichtung 13 aufweist. So kann beispielsweise der Masseanschluss M16 mit einem Masseanschluss oder einer Masseleitung der Sensoreinrichtung 14 verbunden sein.
