DE102015213304A1

DE102015213304A1 - Elektromechanische Servolenkung

Info

Publication number: DE102015213304A1
Application number: DE102015213304.4A
Authority: DE
Inventors: Gergely Füzes; Attila Zoltán Konfár
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2016-11-03
Also published as: CN107592845A; US10336365B2; US20190263445A1; WO2016173680A1; EP3288815B1; PL3288815T3; ES2738908T3; US20180127023A1; EP3288815A1; CN107592845B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Elektromotor mit einem Stator, der mit zumindest zwei elektrischen Wicklungssätzen bestückt ist, und einem Rotor, der mit Permanentmagneten bestückt ist, der die von einem Fahrer eingebrachte Lenkbewegung unterstützt, wobei eine Hauptsteuereinheit, auf Basis der Lenkbewegung einen Vorgabe-Motorstrom bestimmt, der zur Ausgabe an die elektrischen Wicklungssätze vorgesehen ist, die eine Basissteuerung enthält, und mindestens eine Leistungssteuereinheit, die den aus dem in der Hauptsteuereinheit bestimmten Vorgabe-Motorstrom bereitstellt und in die elektrischen Wicklungssätze einspeist, wobei erfindungsgemäß für jeden der Wicklungssätze zumindest eine Treibersteuerung vorgesehen ist, wobei alle Treibersteuerungen und die Basissteuerung jeweils einen Microcontroller aufweisen und in einer Baugruppe zusammengefasst sind, und ein Power-Treiber vorgesehen ist, der an eine der Treibersteuerungen angeschlossen ist, wobei zumindest zwei Power-Treiber in einer Leistungssteuereinheit angeordnet sind und jeder Power-Treiber als Halbbrücke mit Leistungshalbleiterschaltern aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Servolenkung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Servolenkung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Mit der zunehmenden Weiterentwicklung von elektromechanischen Servolenkungen sind die Ansprüche an die Stabilität und Sicherheit derartiger Servolenkungen stetig gestiegen. Es ist dabei ein wichtiges Bedürfnis, auch bei Ausfall von Sensoren und/oder Teilen der Steuerung oder von Teilen des Elektromotors eine Lenkunterstützungsfunktion aufrecht zu erhalten.
Die DE10053818A1 offenbart eine Lösung, bei der der ein redundanter Servomotor eingesetzt wird, der zwei voneinander unabhängige Wicklungen aufweist, die von zwei voneinander unabhängigen Invertern angesteuert werden, die ihrerseits von einer redundanten Steueranordnung angesteuert werden, so dass im Fehlerfall eine Redundanz gewährleistet ist. Die vorgeschlagene Lösung ist allerdings sehr aufwändig, da zwei unabhängige, voneinander getrennte Steuereinrichtungen erforderlich sind.
Die JP20147784A offenbart ebenfalls eine Lösung, bei der ein Servomotor vorgesehen ist, der zwei voneinander unabhängige Wicklungen aufweist, die von zwei voneinander unabhängigen Invertern angesteuert wird, so dass im Fehlerfall eine Redundanz gewährleistet ist. Auch diese Lösung ist relativ aufwändig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektromechanische Servolenkung bereitzustellen, deren Redundanzverhalten verbessert ist und die im Aufbau möglichst einfach und kostengünstig ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektromechanische Servolenkung gemäß dem Patentanspruch 1, sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Servolenkung nach Anspruch 16. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
Die elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung umfasst

• einen Elektromotor mit einem Stator, der mit zumindest zwei elektrischen Wicklungssätzen bestückt ist, und einem Rotor, der mit Permanentmagneten bestückt ist, der die von einem Fahrer in ein Eingabemittel eingebrachte Lenkbewegung zur Ausübung einer Lenkbewegung des Kraftfahrzeuges unterstützt,
• eine Hauptsteuereinheit, die aus zumindest einem Lenkungsvorgabewert, der die vom Fahrer eingebrachte Lenkbewegung charakterisiert, einen Vorgabe-Motorstrom bestimmt, der zur Ausgabe an die elektrischen Wicklungssätze vorgesehen ist, wobei die Hauptsteuereinheit eine Basissteuerung enthält,
• mindestens eine Leistungssteuereinheit, die den aus dem in der Hauptsteuereinheit bestimmten Vorgabe-Motorstrom bereitstellt und in die elektrischen Wicklungssätze einspeist, wobei für jeden der Wicklungssätze erfindungsgemäß zumindest
• eine Treibersteuerung vorgesehen ist, wobei alle Treibersteuerungen und die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit jeweils einen Microcontroller aufweisen und in einer Baugruppe zusammengefasst sind,
• und ein Power-Treiber vorgesehen ist, der an eine der Treibersteuerungen angeschlossen ist, wobei zumindest zwei Power-Treiber in einer Leistungssteuereinheit angeordnet sind und jeder Power-Treiber als Halbbrücke mit Leistungshalbleiterschaltern aufgebaut ist.

Dadurch kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der gesamten Steuerungseinrichtung dargestellt werden.
Der Elektromotor ist als bürstenloser Gleichstrommotor, auch als BLDC-Motor (brushless DC motor) bezeichnet, ausgebildet. Dieser Motortyp gibt die Möglichkeit einer elektronischen Kommutierung, bei der die einzelnen Wicklungen in Abhängigkeit von der Rotorposition, Motordrehzahl und/oder dem Drehmoment angesteuert und bestromt werden können. Dadurch kann die Motorcharakteristik an die jeweilige Betriebsanforderung optimiert angepasst werden, beispielsweise hinsichtlich des Anlaufverhaltens, des ausgeübten Drehmoments, der Rotationsgeschwindigkeit und dergleichen.
In einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Servolenkung wird die jeweilige Betriebsanforderung für einen vom Fahrer in die Lenkung eingegebenen Lenkbefehl anhand von gemessenen oder vorgegebenen Betriebsparametern ermittelt, beispielsweise der Rotorposition des Elektromotors, welche mit der Winkelposition der Lenkwelle korrespondiert, und des an der Lenkwelle anliegenden Drehmoments, und/oder gegebenenfalls weiteren Parametern. Als Sensoren können ein Drehmomentsensor (torque sensor unit: TSU) und ein Rotorpositionssensor (RPS) vorgesehen sein, die ihre Messwerte als Lenkungsvorgabewert an die Hauptsteuereinheit, insbesondere an die Basissteuerung, übermitteln. Die Hauptsteuereinheit umfasst einen Microcontroller, der nach einem vorgegebenen Algorithmus einen Vorgabe-Motorstrom berechnet, welcher die in die einzelnen Wicklungen einzuspeisenden Ströme angibt. Ein Steuersignal, welches sämtliche Informationen über den Vorgabe-Motorstrom, beispielsweise ein Ziel-Drehmoment des Elektromotors, enthält, wird gemäß der Erfindung von der Basissteuerung der Hauptsteuereinheit jeweils an eine Treibersteuerung übermittelt, die jeweils einem elektrischen Wicklungssatz des Motors zugeordnet ist. Entsprechend sind bei einem Elektromotor mit zwei Wicklungssätzen zwei Treibersteuerungen vorhanden, welche Steuersignale von der Basissteuerung der Hauptsteuerung empfangen.
Die Treibersteuerungen übernehmen die Aufbereitung und Umsetzung der Steuersignale, und steuern ihrerseits Power-Treiber an, welche die von den Treibersteuerungen abgegebenen Schwachstrom-Steuersignalen umsetzen in Motorströme, das sind die in die einzelnen Wicklungen eingespeisten, je nach Bedarfsfall relativ hohen Ströme. Die Leistungssteuerung erfolgt mittels Leistungshalbleiterschaltern, beispielsweise MOS-FETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, englisch: insulatedgate bipolar transistor), die in Halbbrücken geschaltet sind.
Gemäß der Erfindung sind die Treibersteuerungen ebenfalls als intelligente Steuerungen ausgebildet. Damit ist gemeint, dass von der Basissteuerung der Hauptsteuereinheit abgegebene Steuersignale nicht lediglich ausgeführt werden, sondern jede der Treibersteuerungen gemäß einem vorgegebenen Algorithmus eigenständig Steuerungsaufgaben übernehmen kann. Hierzu können die Treibersteuerungen über Steuer- bzw. Kommunikationsleitungen nicht nur mit der Basissteuerung der Hauptsteuereinheit kommunizieren, sondern über eine direkte Steuer- bzw. Kommunikationsleitung Daten direkt miteinander austauschen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die eine erste Treibersteuerung unmittelbar darüber informiert wird, dass eine zweite Treibersteuerung ausgefallen ist, und gemäß einem in der ersten Treibersteuerung installierten Algorithmus eine Ersatz- oder Notfallsteuerung aktiviert wird. Auf diese Weise kann eine zuverlässige, redundante Steuerung erreicht werden.
Zur praktischen Realisierung kann jede der Treibersteuerungen einen Microcontroller umfassen, auf denen Programme installiert sind, welche die Kommunikation und den Datenaustausch mit der Basissteuerung und auch zwischen den Treibersteuerungen steuern. Durch eine entsprechend leistungsfähige Auslegung der Mikrocontroller ist es möglich, dass die Treibersteuerungen einen Ausfall der Basissteuerung oder von Treibersteuerungen auffangen können, d.h. dass sie die Steuerfunktionen der Basissteuerung oder von inaktiven Treibersteuerungen übernehmen können. Erfindungsgemäß ist dies dadurch ermöglicht, dass sowohl die Basissteuerung als auch die Treibersteuerungen jeweils sämtliche Messsignale der Sensoren erhalten, d.h. über Leitungen an die Sensoren angeschlossen sind, und alle Treibersteuerungen jeweils mit der Basissteuerung und untereinander verbunden sind, d.h. Kommunikations- bzw. Steuerleitungen zwischen allen Microcontrollern in der Basissteuerung und allen Treibersteuerungen angeordnet sind. Dadurch wird ein redundantes Steuersystem gebildet.
Mit dem Verfahren zum Betrieb der elektromechanischen Servolenkung, bei der an ein redundantes System umfassend zumindest einen Microcontroller der Basissteuerung und einen Microcontroller der Treibersteuerungen zumindest ein Sensor angeschlossen ist, von dem Messignale an alle Microcontroller abgebbar sind, wobei beim Ausfall eines der Mikrocontroller der oder die verbleibenden Mikrocontroller die Ansteuerung mindestens eines der Power-Treiber übernehmen, wird ein sehr robuster und fehlerunanfälliger Betrieb der elektromechanischen Servolenkung ermöglicht.
Mit Vorteil umfasst das System zur Darstellung des Verfahrens als Sensor einen Rotationspositionssensor des Elektromotors und/oder einen Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensor. Mittels des Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensors können die Winkelposition der Lenkwelle und/oder das vom Fahrer über das Lenkrad in die Lenkwelle eingebrachte Lenkmoment erfasst und als elektrische Messwerte ausgegeben werden, die an die Hauptsteuereinheit beziehungsweise and die Basissteuerung und alle Treibersteuerungen weitergeleitet werden.
Zur Vereinfachung des Aufbaus sind möglichst viele Elemente der elektrischen Steuerung in einer Baueinheit zusammengefasst und bevorzugt sogar auf einer Leiterplatte angeordnet. Dabei werden bevorzugt die Komponenten für die Steuerung, die zur Verarbeitung und Weiterleiten von Signalströmen ausgelegt sind, die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit und/oder die Treibersteuerungen, getrennt von den Komponenten, die zur Darstellung der Leistungsströme, die den Elektromotor in Bewegung versetzen, die Power-Treiber, angeordnet. Dadurch kann für die Hauptsteuereinheit mit der Basissteuerung und den Treibersteuerungen eine kompakte Bauweise dargestellt werden, während für die Power-Treiber eine optimale Kühlung bereitgestellt werden kann.
Bevorzugt weist das System eine einzige Basissteuerung auf. Weiter bevorzugt weist das System eine einzige Hauptsteuereinheit auf.
Mit Vorteil sind zumindest zwei der Power-Treiber auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Dadurch kann zum einen eine kompakte Bauweise verwirklich werden, zum anderen kann durch thermische Kopplung eine unterschiedliche thermische Drift der eingesetzten Halbleiterkomponenten wie der Leistungshalbleiterschalter verhindert bzw. kompensiert werden.
Dabei ist es allerdings besonders zu bevorzugen, alle Power-Treiber auf einer gemeinsamen Leiterplatte anzuordnen. Neben den genannten Vorteilen ist diese Bauform fertigungstechnisch vorteilhaft.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei der Treibersteuerungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind. Dies kommt einem kompakten Aufbau zugute, der sich rationell fertigen und installieren lässt.
Dabei ist es allerdings zu bevorzugen, wenn alle Treibersteuerungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Eine besonders kompakte Bauweise kann erreicht werden, wenn die Treibersteuerungen und die Basissteuerung, möglichst alle, auf einer gemeinsamen Leiterplatte zur Bildung der Hauptsteuereinheit angeordnet sind.
Bevorzugt ist das Eingabemittel zur Eingabe des Lenkungsvorgabewertes ein Steuerrad, das von einem Fahrer, wie im Stand der Technik als Lenkrad bekannt, durch Drehen angesteuert wird. Es ist aber auch denkbar und möglich, einen Joystick oder ein anderes Eingabemittel zu verwenden. Der Einsatz der Erfindung ist auch geeignet für den Fall, dass die elektromechanische Servolenkung als Steer-by-wire-Lenkung ausgelegt ist, bei der das System zwischen dem vom Fahrer betätigten Eingabemittel, beispielsweise dem Steuerrad, und den gelenkten Fahrzeugrädern keine mechanische Verbindung aufweist.
Es ist bevorzugt wenn der Lenkungsvorgabewert ein in das Eingabemittel, bevorzugt das Steuerrad, eingebrachtes Drehmoment ist.
Gerade im Fall einer Steer-by-wire-Anordnung, aber nicht nur dann, ist es auch bevorzugt, als Lenkungsvorgabewert einen in das Eingabemittel, bevorzugt das Steuerrad, eingebrachten Drehwinkel zu definieren.
Mit Vorteil ist die Hauptsteuereinheit, und insbesondere bevorzugt die Basissteuerung, mit einem CAN-Bus verbunden, über den weitere für die Steuerung der elektromechanischen Servolenkung geeignete oder notwendige Signalgrössen an die Hauptsteuereinheit übermittelt werden und/oder Rückkopplungssignale von der Hauptsteuereinheit an weitere Steuereinheiten im Kraftfahrzeug übermittelt werden. Über den CAN-Bus werden im Fahrzeug gemäß einem im Fahrzeugbau weit verbreiteten, standardisierten, seriellen bidirektionalen Datenübertragungsprotokoll Daten zwischen vernetzten Steuergeräten ausgetauscht. Hier sind insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit, das Giermoment oder auch ein gemessener Fahrzeuglenkwinkel als Beispiele zu nennen. Über diesen Weg können eine Vielzahl von Lenkassistenz-Funktionen in das System eingeleitet werden. Als Beispiele können vorgelagerte Funktionen für die Lenkungssteuerung dargestellt werden. Beispielsweise sind hier folgende Funktionen zu nennen: eine Unterstützungsfunktion zum Einparken, insbesondere dem automatischen Einparken; eine Unterstützungsfunktion zum Halten der Fahrspur; eine Funktion zum automatischen Fahren, bei der der Fahrer keine Lenkeingriffe vornimmt; eine fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Unterstützung; eine Darstellung einer Begrenzung des Lenkausschlages; eines eingestellten Betriebsmodus‘; einer Pull-Drift-Kompensation (Ausgleich von Seitenwind, oder quer zur Fahrtrichtung geneigter Straße); einer Kompensation von Trägheitsmomenten im Lenksystem; einer Erkennung, ob der Fahrer das Steuerrad führt oder loslässt; einer Kompensation von Reibungen im Lenksystem und/oder auf der Fahrbahn; ein softwaregesteuerter Schutz von mechanischen Endanschlägen im Lenksystem; eine Darstellung eines Gefühls für den Fahrer, das Fahrzeug im Geradeauslauf zu führen (= center point feeling); eine aktive Rückführung der Räder aus einer eingeschlagenen Position in die Geradeauslaufrichtung, wenn gewünscht; einer aktiven Dämpfung von Schwingungen und Störimpulsen, die vom Fahrwerk, von der Straße oder aus dem Lenksystem aufgebracht werden; eine Kompensation von Drehungleichförmigkeiten aus kardanischen Übertragungen von Lenkbewegungen; eine Verhinderung von Überbelastungen des Kugelgewindetriebs; eine Kompensation einer Hysterese im Lenkverhalten des Lenksystems und dergleichen mehr.
Bevorzugt besitzt der Elektromotor genau zwei Wicklungssätze, die jeweils aus drei Wicklungssträngen U, V, W, auch als Phasenwicklungen bekannt, gebildet sind. Es ist aber auch denkbar und möglich, mehr als zwei Wicklungssätze vorzusehen, die jeweils aus drei einzelnen Wicklungssträngen U, V, W gebildet sind.
Bevorzugt sind die Wicklungssätze immer abwechselnd am Umfang des Stators angeordnet.
Es ist aber auch denkbar und möglich, die Wicklungsstränge der Wicklungssätze jeweils gemeinsam auf gleicher Umfangsposition am Stator anzuordnen.
Weiterhin kann ein Rotorpositionssensor vorgesehen sein, von dem ein der Winkelposition, und/oder der elektrischen Winkelposition des Rotors des Elektromotors oder der Lenkwelle entsprechendes Messsignal an die Hauptsteuereinheit beziehungsweise die Basissteuerung und/oder die Treibersteuerungen abgebbar ist. Bevorzugt kann der Rotorpositionssensor redundant ausgebildet sein, beispielsweise durch doppelt oder mehrfach ausgebildete Sensorelemente, die einen Ausfall eines Sensorelements identisch kompensieren können, oder durch Sensorelemente, die nach unterschiedlichen Messverfahren betrieben werden können, um bei einer Störung eine Ersatz- oder Notfallfunktionalität zur Verfügung stellen zu können
Mit Vorteil ist mindestens ein Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensor vorgesehen, von dem ein dem Drehmoment- und/oder der Winkelposition einer Lenkwelle, die mit dem Steuerrad verbunden ist, entsprechendes Messsignal an die Hauptsteuereinheit beziehungsweise die Basissteuerung und/oder die Treibersteuerungen abgebbar ist. Bevorzugt kann der Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensor redundant ausgebildet sein, beispielsweise durch doppelt oder mehrfach ausgebildete Sensorelemente, die einen Ausfall eines Sensorelements identisch kompensieren können, oder durch Sensorelemente, die nach unterschiedlichen Messverfahren betrieben werden können, um bei einer Störung eine Ersatz- oder Notfallfunktionalität zur Verfügung stellen zu können
Zur Erhöhung der Redundanz sind mit Vorteil die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit mit den Treibersteuerungen und die Treibersteuerungen jeweils über Kommunikationsleitungen miteinander verbunden. Dadurch kann es erreicht werden, dass bei Ausfall einer oder mehrerer der Einheiten, die noch verbleibende Basissteuerung und/oder Treibersteuereinheit die Ansteuerung einer der Wicklungssätze übernehmen kann, so dass eine Unterstützungsfunktion der elektromechanischen Servolenkung noch gewährleistet ist. Entsprechend bilden bevorzugt die Microcontroller der Basissteuerung und der Treibersteuerungen ein redundantes System bezüglich des Ausfalls zumindest eines der Microcontroller. Die auf den Microcontrollern laufenden Programme ermöglichen insbesondere eine Erkennung des Systemzustands, d.h. eine laufende Systemdiagnose, die angibt, ob die Basissteuerung, die Treibersteuerungen und die angeschlossenen Sensoren einwandfrei funktionieren oder ausgefallen sind. In Abhängigkeit vom Diagnoseergebnis wird ein Ersatz- bzw. Notfallbetrieb aktiviert.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den beigefügten Figuren zu entnehmen. Die Figuren veranschaulichen:
1 ein elektromechanisches Servolenkssytem;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;
3 einen Auszug aus 2 zur Veranschaulichung der Ansteuerung der Wicklungsstränge;
4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Lenkungssteuerung;
5 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke eines Power-Treibers;
6 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Anordnung der Wicklungsstränge im Elektromotor;
7 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;
8 ein elektromechanisches Servolenksystem in Steer-by-wire-Ausführung.
In den Beschreibungen der Figuren werden gleichartige oder gleichwirkende Elemente mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 ist eine elektromechanische Servolenkung 1 dargestellt. Die Servolenkung 1 umfasst als Eingabemittel ein Steuerrad 2, in das der nicht dargestellte Fahrer des Kraftfahrzeugs eine Drehung D einbringt, die als Drehmoment T von einem Drehmomentsensor TS den Lenkungsvorgabewert definiert. Die Drehung wird dabei in eine obere Lenkwelle 3 übertragen und in eine Servoeinheit 4 eingeleitet. Die Servoeinheit 4 umfasst einen Elektromotor 5, ein Untersetzungsgetriebe 6 und eine Steuerung 7. Durch die Drehung des Rotors 8 (vgl. 6) gegenüber dem Stator 9 (vgl. 6) wird eine Hilfskraft auf die vom Fahrer eingeprägte Lenkbewegung überlagert und damit der Fahrer bei der Lenkbewegung unterstützt. Die Drehung der oberen Lenkwelle 3 wird über das Getriebe und unterstützt durch die Servoeinheit 4 auf die Ausgangswelle 10 übertragen und über Kardangelenke 11 unter Zwischenschaltung von Zwischenwellen 12a und 12b an das Lenkgetriebe 13 übertragen. Im Lenkgetriebe 13 wird über ein mit der Zwischenwelle 12b drehfest verbundenes Lenkritzel 14 die Drehung in eine Verschiebung der Zahnstange 15 umgesetzt. Durch die Verschiebung der Zahnstange 15 erfolgt eine Verschiebung der Spurstangen 16 und damit eine Verschwenkung der Räder 17 gegenüber der Straße 18.
Das System kann auch als Steer-by-wire System ausgelegt sein, wie dies in 8 veranschaulicht ist. Der Elektromotor 5 ist hier im Beispiel direkt im Lenkgetriebe 13 angeordnet. Ein Feedback-Aktuator 19 vermittelt dem Fahrer das Gefühl, wirklich das Fahrzeug auf der Straße zu führen. Hierzu werden im Feedback-Aktuator 19 entsprechende Gegenmomente gegen die Verdrehung der oberen Lenkwelle 3 aufgebracht. Eine im Sinne der Lenkungswirkung mechanische Verbindung oder Kopplung zwischen der oberen Lenkwelle 3 und dem Lenkgetriebe ist nicht vorhanden. Die Wirkungsweise ist analog der zu in 1 beschriebenen Wirkungsweise, so dass auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
In 2 ist schematisch die Steuerung 7 veranschaulicht. In 3 ist ein Auszug daraus, der die Ansteuerung der Wicklungsstränge U, V, W veranschaulicht, dargestellt. Die Bezeichnung U, V, W für die Wicklungsstränge ist dabei die Verallgemeinerung der Wicklungsstränge U1, V1, W1 des ersten Wicklungssatzes und der Wicklungsstränge U2, V2, W2 des zweiten Wicklungsstranges.
In 5 ist die Halbbrückenschaltung mit den MOSFET-Schaltern 753, die im Power-Treiber 750 enthalten ist, veranschaulicht. Die Steuerung 7 umfasst die Basissteuerung 701 und zwei Treibersteuerungen 702, die auf der gemeinsamen Leiterplatte 703a, zur Bildung der Hauptsteuereinheit 703, angeordnet sind. Die zwei Power-Treiber 750 sind auf der gemeinsamen Leiterplatte 751a, zur Bildung der Leistungssteuereinheit 751, angeordnet. Die Messsignale von dem Drehmomentsensor TS und dem Rotorpositionssensor RPS werden direkt den Treibersteuerungen 702 zugeführt, so dass diese daraus die Treibersignale 711, 712 zur Ansteuerung der Power-Treiber 750 unter Einbezug der Vorgabewerte 713 bestimmen können. Die Bestimmung erfolgt dabei, indem auf Basis des eingebrachten Drehmoments T ein Ziel-Drehmoment TD in der Basissteuerung 701 bestimmt wird. Das Zieldrehmoment TD wird den beiden Treibersteuerungen 702 zugeführt. Auf Basis dieses Zieldrehmoments TD wird unter Zuhilfenahme des elektrischen Winkels R des Elektromotors 5 ein Vorgabestrom id,d; iq,d im mit dem elektrischen Winkel mitdrehendem Koordinatensystem bestimmt. In einer weiteren Koordinatentransformation werden daraus die Vorgabewerte für die Spannungen Ua, Uß im zum Stator 9 feststehenden Koordinatensystem berechnet. Diese Werte werden dann von den jeweiligen Treibersteuerungen 702 an die jeweiligen Power-Treiber 750, die Inverter, weitergeleitet. In den Power-Treibern, werden daraus die Motorströme Iu, Iv, Iw bestimmt, die den jeweiligen Wicklungssträngen U1, V1, W1 und U2, V2, W1, W2 zugeführt werden. Die Bestimmung der Motorströme erfolgt gemäß der bekannten Pulsweitenmodulation (=PWM).
Zur Darstellung der Funktionen sind weiter eine Stromversorgung 801, ein Funk-Entstörfilter 802, eine Zündschalter-Kontrolle 803, und ein System-Basis-Chip 804 vorgesehen.
Über einen Schnittstellenbaustein 807 ist ein CAN-Bus 806 mit der Hauptsteuereinheit 701 elektrisch verbunden, so dass Signale zwischen Kraftfahrzeug und der Hauptsteuereinheit 701 ausgetauscht werden können.
Im Falle, dass ein Power-Treiber 750 defekt ist und/oder eine Treibersteuerung 702 und/oder eine Wicklung unterbrochen ist, kann die Ansteuerung des Motors 5 über die noch verbleibenden Einheiten erfolgen. Eventuell steht dann nicht mehr die volle Leistung zur Verfügung. Die volle Leistung des Motors 5 wird allerdings nur beim Einparken oder bei Rangiervorgängen bei langsamer Fahrt benötigt. In diesen Fällen ist eine reduzierte Lenkunterstützung zwar nachteilig, aber nicht gefährlich. Die gefährlichen Bereiche bei einer Autobahnfahrt oder einer Überlandfahrt auf Landstraßen kann mit einer derartigen Sicherheitsarchitektur gut abgefangen werden. Dabei ist es ohne weiteres denkbar und möglich, den Fahrer über ein Warnlicht und/oder ein Warngeräusch dazu aufzufordern, das Fahrzeug möglichst zeitnah anzuhalten.
In der 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der zusätzlich zu den bereits in 2 erläuterten Komponenten noch ein Reset-Controller 704 vorgesehen ist, der ein Reset des System ermöglicht und auf diese Weise ein vereinfachtes Neustarten ermöglichen kann. Weiters sind durch die Pfeile wechselseitige Signal-Verbindungen dargestellt, die es ermöglichen, dass nur eine einzige Steuereinheit aus der Auswahl der Basissteuerung 701 und der Treibersteuerungen 702 dazu ausgebildet ist, im Fehlerfall anderer Einheiten, die Ansteuerung zumindest eines Power-Treibers 750 zu übernehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht der Reset-Controller 704 den Reset einer einzelnen der Steuereinheiten aus der Auswahl der Basissteuerung 701 und der Treibersteuerungen 702. Dies kann erfolgen, wenn zwei dieser Steuereinheiten einen Reset der verbleibenden Steuereinheit auslösen.
In 6 ist ein Wicklungsschema für die Wicklungsstränge U, V, W mit den einzelnen Wicklungssträngen U1, V1, W1 und U2, V2, W2 veranschaulicht. Am Umfang des Stators 9 verteilt sind immer abwechselnd die Wicklungssätze der Wicklungsstränge angeordnet. In der Figur sind zwei mögliche Varianten für die Anordnung der Permanentmagneten im Rotor 8 mit den Nordpolen N und Südpolen S veranschaulicht.
In 4 ist in einem Blockschema die Einbettung der Steuerung 7 in das System der Steuerung des gesamten Kraftfahrzeugs veranschaulicht. Im Block 1000 ist die übergeordnete Lenkungssteuerung dargestellt, die auf Basis von Sensorsignalen, Vorgabewerten unter anderem einige oder alle der oben genannten Lenkassistenz-Funktionen bereitstellt und über den CAN-Bus 706 in die Steuerung 7 und dort insbesondere in die Basissteuerung 701 einleitet. Zwischen der Basissteuerung 701 und der Treibersteuerung 702, sowie dem Sensor-Block 1200 ist eine spezifische Anpassungs-Ebene 1100 angeordnet, die je nach Anwendung spezifisch ausgebildet ist. Hier erfolgt eine Anpassung von Signal-Werten, beispielsweise den gemessenen Strömen in den Wicklungssträngen oder dem gemessenen Drehmoment oder dem gemessenen elektrischen Winkel, an die Sensorcharakteristika des jeweiligen Kraftfahrzeuges. Gleichzeitig erfolgt hier die Anpassung der Ausgabewerte für die Vorgabewerte 713 an den jeweilig eingesetzten Elektromotor 5. Mit einer ersten Signalrückführung 1201 zur Treibersteuerung 702 wird ein erster Regelkreis zur Regelung der Motorleistung, ein sogenannter Motor Control Loop, gebildet. Mit einer zweiten Signalrückführung 1202 zur übergeordneten Lenkungssteuerung 1000 wird ein zweiter Regelkreis zur übergeordneten Lenkungsregelung, ein sogenannter Steering Control Loop, gebildet. Mit einer dritten Signalrückführung 1203 zur Basissteuerung 701 wird ein dritter Regelkreis zur Lenkungsregelung, ein sogenannter Low Steering Control Loop, gebildet. Auf diese Weise können die oben genannten Lenkassistenz-Funktionen auf den spezifischen Fahrzeugtyp angepasst durchgeführt werden. Durch die Anpassungs-Ebene 1100 können für verschiedene Fahrzeugtypen stets gleiche Basissteuerungen 701 und Treibersteuerungen 702 eingesetzt werden. Die Anpassungs-Ebene kann in Form eines Speicherbausteins, der einen Software-Code enthält und mit definierten Schnittstellen zum Microcontroller in der Basissteuerung 701 und zum Microcontroller in der Treibersteuerung ausgestattet ist, einfach in einen vorbereiteten Steckplatz auf der Leiterplatte 703a der Hauptsteuereinheit 703, auf der die Basissteuerung 701 angeordnet ist, eingesteckt werden. Dadurch kann allein durch das Austauschen des Speicherbausteins die Anpassung erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10053818 A1 [0003]
JP 20147784 A [0004]

Claims

Elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug umfassend • einen Elektromotor mit einem Stator, der mit zumindest zwei elektrischen Wicklungssätzen bestückt ist, und einem Rotor, der mit Permanentmagneten bestückt ist, der die von einem Fahrer in ein Eingabemittel eingebrachte Lenkbewegung zur Ausübung einer Lenkbewegung des Kraftfahrzeuges unterstützt, • eine Hauptsteuereinheit, die aus zumindest einem Lenkungsvorgabewert, der die vom Fahrer eingebrachte Lenkbewegung charakterisiert, einen Vorgabe-Motorstrom bestimmt, der zur Ausgabe an die elektrischen Wicklungssätze vorgesehen ist, wobei die Hauptsteuereinheit eine Basissteuerung enthält, • mindestens eine Leistungssteuereinheit, die den aus dem in der Hauptsteuereinheit bestimmten Vorgabe-Motorstrom bereitstellt und in die elektrischen Wicklungssätze einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der Wicklungssätze zumindest • eine Treibersteuerung vorgesehen ist, wobei alle Treibersteuerungen und die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit jeweils einen Microcontroller aufweisen und in einer Baugruppe zusammengefasst sind, • ein Power-Treiber vorgesehen ist, der an eine der Treibersteuerungen angeschlossen ist, wobei zumindest zwei Power-Treiber in einer Leistungssteuereinheit angeordnet sind und jeder Power-Treiber als Halbbrücke mit Leistungshalbleiterschaltern aufgebaut ist.
Elektromechanische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Power-Treiber auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Power-Treiber auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Treibersteuerungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Treibersteuerungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibersteuerungen und die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkungsvorgabewert ein in das Eingabemittel eingebrachte Drehmoment ist.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkungsvorgabewert ein in das Eingabemittel eingebrachter Drehwinkel ist.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinheit und/oder die Basissteuerung mit einem CAN-Bus verbunden ist, über den weitere für die Steuerung der elektromechanischen Servolenkung geeignete oder notwendige Signalgrössen an die Hauptsteuereinheit übermittelt werden und/oder Rückkopplungssignale von der Hauptsteuereinheit und/oder der Basissteuerung an weitere Steuereinheiten im Kraftfahrzeug übermittelt werden.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehreren Wicklungssätze jeweils aus drei einzelnen Wicklungsträngen U, V, W gebildet sind, wobei die Wicklungssätze immer abwechselnd am Umfang des Stators angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehreren Wicklungssätze jeweils aus drei einzelnen Wicklungsträngen U, V, W gebildet sind, wobei die Wicklungsstränge der Wicklungssätze jeweils gemeinsam auf gleicher Umfangsposition am Stators angeordnet sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotorpositionssensor vorgesehen ist, von dem ein der Winkelposition des Rotors des Elektromotors oder einer Lenkwelle entsprechendes Messsignal an die Hauptsteuereinheit und/oder die Treibersteuerungen abgebbar ist.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensor vorgesehen ist, von dem ein dem Drehmoment- und/oder der Winkelposition einer Lenkwelle entsprechendes Messsignal an die Hauptsteuereinheit und/oder die Basissteuerung und/oder die Treibersteuerungen abgebbar ist.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basissteuerung der Hauptsteuereinheit mit den Treibersteuerungen und die Treibersteuerungen jeweils über Kommunikationsleitungen miteinander verbunden sind.
Elektromechanische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Microcontroller der Basissteuerung der Hauptsteuereinheit und der Treibersteuerungen ein redundantes System bezüglich des Ausfalls zumindest eines der Microcontroller bilden.
Verfahren zum Betrieb einer elektromechanischen Servolenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an ein redundantes System umfassend zumindest einen Microcontroller der Basissteuerung der Hauptsteuereinheit und einen Microcontroller der Treibersteuerungen zumindest ein Sensor angeschlossen ist, von dem Messignale an alle Microcontroller abgebbar sind, wobei beim Ausfall eines der Mikrocontroller der oder die verbleibenden Microcontroller die Ansteuerung mindestens eines der Power-Treiber übernehmen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Rotationspositionssensor des Elektromotors oder der Lenkwelle und/oder einen Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensor umfasst.