-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems sowie ein Lenksystem.
-
Winkelgeber zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors sind allgemein bekannt. Beispielsweise lässt sich mit einer Anzahl von Hall-Sensoren und einem Magnetsensorring ein derartiger Winkelgeber realisieren. Beispielhaft wird auf die
DE 10 2013 109 877 A1 verwiesen.
-
Es ist auch bekannt, dass Elektromotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen unterschiedliche Drehmomente bereitstellen.
-
Mithin könnte die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dahingehend formuliert werden, als dass ein Verfahren und ein Lenksystem derart weiterzubilden sind, sodass auch bei unterschiedlichen Drehzahlen ein möglichst hohes Drehmoment zur Verfügung steht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und ein Lenksystem nach einem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Es wird vorgeschlagen, eine Endstufe mit einem ersten Kommutierungsschema zu betreiben, zu ermitteln, dass eine Drehzahl des Motors betragsmäßig einen vorab bestimmten Schwellwert überschreitet; und die Endstufe mit einem zweiten Kommutierungsschema zu betreiben, sobald die Überschreitung des Schwellwerts ermittelt wurde.
-
Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass der Motor, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet, auch bei erhöhter Drehzahl ein großes Drehmoment in das Lenksystem abgibt. Bei erhöhter Drehzahl verschiebt sich die Phasenlage, was durch den Betrieb des Motors mit dem zweiten Kommutierungsschema kompensiert wird. Insbesondere bei hochdynamischen Fahrsituationen kann das Lenksystem den Lenkwunsch des Fahrzeuglenkers mit einer hohen Lenkkraft unterstützen. Gleichzeitig ist es möglich, hierfür einen kostenoptimierten Motor und Winkelgeber zu verwenden.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Kommutierungsschema im motorischen Betrieb des Motors gegenüber dem ersten Kommutierungsschema voreilt.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren umfasst: Betreiben der Endstufe mit einem dritten Kommutierungsschema, sobald die Überschreitung des vorab bestimmten Schwellwerts durch die Drehzahl ermittelt wurde, wobei das dritte Kommutierungsschema im generatorischen Betrieb des Motors gegenüber dem ersten Kommutierungsschema nacheilt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der vorab bestimmte Schwellwert vorab durch Versuch ermittelt wird und damit eine applizierte Größe ist.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren: Ermitteln eines Ist-Sektors eines Rotors des Motors in Abhängigkeit von einem Sensorwert eines Winkelgebers, Ermitteln eines Soll-Schaltzustands der Endstufe gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Kommutierungsschema in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Sektor, und Betreiben der Endstufe mit dem ermittelten Soll-Schaltzustand.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Winkelgeber an dem Rotor des Motors angeordnet ist.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Motor Teil einer Überlagerungslenkung des Lenksystems ist.
-
Des Weiteren ist ein Computerprogramm vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, die in dieser Beschreibung vorgeschlagenen Verfahrensschritte auszuführen. Das Computerprogramm ist auf einem Speicherelement abgespeichert.
-
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Figur der Zeichnung dargestellt sind. Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Lenksystem in schematischer Form;
- 2 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Ansteuerung eines Motors;
- 3a, 4a, 5a jeweils ein Kommutierungschema;
- 3b, 4b, 5b jeweils eine Zuordnung von Sektoren zu Kommutierungsindizes;
- 6 ein schematisches Ablaufdiagramm; und
- 7 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm.
-
1 zeigt in schematischer Form ein Lenksystem 2, das eine Überlagerungslenkung 4 und eine Hilfskraftlenkung 6 umfasst. Das Lenksystem 2 weist ein Lenkgetriebe 8 auf, das beispielsweise als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildet ist. Das Lenkgetriebe 8 kann ebenso als Kugelumlaufgetriebe beziehungsweise als Kugelmuttergetriebe ausgebildet sein. In dieser Beschreibung wird überwiegend von einer Zahnstangenlenkung ausgegangen, wobei das Lenkgetriebe ein Ritzel 10 und eine Zahnstange 12 umfasst. Das Lenkgetriebe 8 ist über das Ritzel 10 und die Zahnstange 12 auf jeder Fahrzeugseite mit einem Lenkgestänge 14 verbunden, das jeweils mit einem Rad 16 zusammenwirkt. Grundsätzlich stellt das dargestellte Lenksystem 2 eine von einer Vielzahl möglicher Ausführungsformen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen dar. Andere Ausführungsformen können beispielsweise durch andere Lenkgetriebe oder durch eine andere Anordnung der nachfolgend beschriebenen Motoren beziehungsweise Antriebe ausgeführt sein. Ferner können Sensoren in dem Lenksystem angeordnet sein, auf deren Anordnung und Ausführungen an dieser Stelle nicht eingegangen wird.
-
Die Überlagerungslenkung 4 weist ein Steuergerät 20, einen Motor 22 und ein Getriebe 24 auf. Der Motor 22 ist beispielsweise als Gleichstrommotor ausgebildet und wirkt über das Getriebe 24 auf einen Drehstab 26. An einem Rotor des Motors 22 ist ein Winkelgeber 40 angeordnet, der in Abhängigkeit von der Rotorposition Sensorwerte 42 an das Steuergerät 20 übermittelt. Bei dem Winkelgeber 40 handelt es sich beispielsweise um eine Hall-Sensorvorrichtung umfassend einen auf dem Rotor des Motors 22 angeordneten nicht gezeigten Magnetsensorring, dessen Position mittels einer Anzahl von beispielsweise drei im Abstand von 22,5° voneinander angeordneten Hall-Sensoren ermittelt wird. Ein nicht gezeigter Magnetmotorring des Antriebsmotors 22 läuft synchron mit dem Magnetsensorring. Durch die Beabstandung der Hallsensoren von 22,5° ergibt sich eine Auflösung von 7,5°. In Abhängigkeit von den Signalen der Hall-Sensoren im Sinne der Sensorwerte 42 wird im Steuergerät 20 ein Zählerwert ermittelt. Der Zählerwert enthält eine Rohinformation über den tatsächlichen Rotationswinkel des Rotors. Der Zählerwert kann immer dann aktualisiert werden, wenn von dem Winkelgeber 40 neue Sensorwerte 42 vorliegen. Sobald neue Sensorwerte 42 vorliegen, kann ein neuer Zählerwert bestimmt werden. Somit wird beispielsweise zu oder nach einem Zählerwertwechsel-Zeitpunkt ein neuer Zählerwert bestimmt. Mithilfe des Winkelgebers 40 und der Zählerwerte wird eine Drehzahl des Motors 22 ermittelt.
-
An dem Drehstab 26 ist ein Lenkmittel 28, beispielsweise ein Lenkrad, angeordnet. Mittels der Überlagerungslenkung 4 kann der vom Fahrzeugführer aufgebrachte Lenkmittelwinkel in einem Normalbetrieb des Lenksystems 2 hin zum Lenkgetriebe 8 vergrößert oder verkleinert werden. Diese Lenkwinkeldifferenz, die von der Überlagerungslenkung 4 in das Lenkgetriebe 8 eingebracht wird, wird auch als Zusatzlenkwinkel bezeichnet. Selbstverständlich kann anstatt eines Drehstabes 26 auch eine Lenksäule zwischen dem Lenkmittel 28 und der Überlagerungslenkung 4 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform ist der Drehstab zwischen der Überlagerungslenkung 4 und der Hilfskraftlenkung 6 angeordnet.
-
Die Hilfskraftlenkung 6 umfasst ein weiteres Steuergerät 30, einen weiteren Motor 32 und ein weiteres Getriebe 34. Der weitere Motor 32 wirkt über das weitere Getriebe 34 auf die Zahnstange 12. Das Steuergerät 20 weist einen Mikroprozessor 36 auf, der über eine Datenleitung mit einem Speicherelement 37 verbunden ist. Das weitere Steuergerät 30 weist einen weiteren Prozessor 38 auf, der über eine weitere Datenleitung mit einem weiteren Speicherelement 39 verbunden ist. Das weitere Steuergerät 30 ermittelt in Abhängigkeit von zugeführten Größen eine Stellgröße S_30, die sie dem zugeordneten weiteren Motor 32 zuführt. Das Steuergerät 20 ermittelt eine Stellgröße S_20a, die einer Endstufe 44 zugeführt wird, welche dann den Motor 22 mit Stellsignalen S_20b betreibt. Die Steuergeräte 20 und 30 können dazu ausgebildet sein, ein vorgegebenes Soll-Lenkmoment und einen vorgegebenen Soll-Lenkwinkel einzuregeln. Hierbei kann ein weiteres nicht gezeigtes übergeordnetes Steuergerät entsprechende Größen den Steuergeräten 20 und 30 zuführen. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen denkbar, bei denen die Steuergeräte 20 und 30 auf einem einzigen Steuergerät vereint sind. Mithin sind auch Überschneidungen insbesondere hinsichtlich der Steuergerätefunktion bezüglich der Überlagerungslenkung 4 und der Hilfskraftlenkung 6 möglich.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Ansteuerung des Motors 22 mit der Endstufe 44, wobei die Endstufe 44 sechs Leistungsschalter M1, M2, M3, M4, M5, M6 umfasst, um die Phasen U, V und W des Motors 22 anzusteuern. Die Leistungsschalter M1, M2, M3, M4, M5, M6 können beispielsweise Power-Mosfets oder IGBTs sein. Die Endstufe 44 mit den Leistungsschaltern M1, M2, M3, M4, M5, M6 wird von dem Steuergerät 20 angesteuert. Der Motor 22 ist ein bürstenloser und elektronisch kommutierter Gleichstrommotor. Die Leistungsschalter M1, M2, M3, M4, M5, M6 werden derart angesteuert, dass bei unterschiedlichen Drehzahlen unterschiedliche Kommutierungsschemata verwendet werden.
-
3a zeigt ein erstes Kommutierungschema 50 für niedrige Drehzahlen des Motors 22 im generatorischen oder motorischen Betrieb. Das Kommutierungsschema 50 umfasst eine Anzahl von Soll-Schaltzuständen für die Endstufe, insbesondere für die Leistungsschalter der Endstufe. Wird ein bestimmter Ist-Sektor des Rotors, d. h. eine Ist-Position des Rotors, ermittelt, so werden auf Basis des Ist-Sektors die Soll-Schaltzustände der Leistungsschalter ermittelt. Je nach mit dem Winkelgeber ermittelten Ist-Sektor werden zugeordnete Soll-Schaltzustände ermittelt und die Endstufe wird in Abhängigkeit von den Soll-Schaltzuständen so betrieben, dass sich Ist-Schaltzustände der Leistungsschalter einstellen, welche den Soll-Schaltzuständen entsprechen. Die Leistungsschalter werden also in Abhängigkeit von den ermittelten Soll-Schaltzuständen derart betrieben, sodass sich an der jeweiligen Phase U, V, W die gezeigte normierte Spannung y einstellt. Ein Wert von Eins der normierten Spannung entspricht einem Nennwert. Ein Wert von Null der normierten Spannung bedeutet, dass die der jeweilige Low-Side-Leistungsschalter leitend geschaltet ist. Die Werte zwischen Null und Eins entsprechen einem Multiplikationsfaktor für den Nennwert.
-
Der Verlauf der Spannung der Phase V ist im Folgenden beispielhaft erläutert. Zu Beginn des Sektors s1 steigt die normierte Spannung ausgehend von einem Wert von Null auf einen Wert von 0,5 und verweilt dort. Zu Beginn des Sektors s2 steigt die normierte Spannung auf einen Wert von 0,86. Zu Beginn des Sektors s3 steigt die normierte Spannung auf einen Wert von Eins. Zu Beginn des Sektors s4 sinkt die normierte Spannung auf einen Wert von 0,86. Zu Beginn des Sektors s5 steigt die normierte Spannung auf einen Wert von 1. Zu Beginn des Sektors s6 sinkt die normierte Spannung auf einen Wert von 0,86. Zu Beginn des Sektors s7 sinkt die normierte Spannung auf einen Wert von 0,5. Zu Beginn des Sektors s8 sinkt die normierte Spannung auf einen Wert von Null und verweilt dort bis zum nächsten Beginn des Sektors s1.
-
3b zeigt beispielhaft die Zuordnung der Sektoren s0 bis s11 zu Kommutierungsindizes 0 bis 11 gemäß dem ersten Kommutierungschema 50. Einem jeweiligen der Kommutierungsindizes 0 bis 11 sind Soll-Schaltzustände für die Leistungsschalter zugeordnet, wobei diese Zuordnungen über die 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b hinweg gleich ist. Der Kommutierungsindex Null ist dem Sektor s0 zugeordnet. Bei einem rechtsdrehenden Motor 22 werden die Sektoren s0 bis s11 gemäß einer Richtung R in aufsteigender Reihenfolge, d. h. s0, s1, s2, ..., durchlaufen. Bei einem linksdrehenden Motor 22 hingegen ergibt sich eine der Richtung R entgegengesetzte Laufrichtung, d. h. die Sektoren s0 bis s11 werden in absteigender Reihenfolge, also beispielsweise s11, s10, s9, ..., durchlaufen.
-
4a zeigt ein zweites Kommutierungschema 60 für höhere Drehzahlen des Motors 22 im motorischen Betrieb. Im Unterschied zum ersten Kommutierungschema 50 eilt das zweite Kommutierungschema 60 vor.
-
4b zeigt beispielhaft die Zuordnung der Sektoren s0 bis s11 für das zweite Kommutierungsschema 60. Im Vergleich mit dem ersten Kommutierungsschema 50 sind den feststehenden Sektoren s0 bis s11 die Kommutierungsindizes in der Reihenfolge 11 bis 10 zugeordnet. Das Voreilen wird beispielsweise am Kommutierungsindex Null deutlich, der beim zweiten Kommutierungsschema 60 dem Sektor s1 zugeordnet ist. Das Voreilen bedeutet im vorliegenden Beispiel also, dass gegenüber dem ersten Kommutierungsschema die Soll-Schaltzustände mit dem Index N (also beispielsweise Null), einem Sektor mit einem um Eins erhöhten Index, also N+1 (beispielsweise s1) zugeordnet sind.
-
5a zeigt ein drittes Kommutierungsschema 70 für höhere Drehzahlen des Motors 22 im generatorischen Betrieb. Im Unterschied zum ersten Kommutierungsschema 50 eilt das zweite Kommutierungschema 60 vor.
-
5b zeigt beispielhaft die Zuordnung der Sektoren s0 bis s 11 für das dritte Kommutierungsschema 70. Im Vergleich mit dem ersten Kommutierungsschema 50 sind den feststehenden Sektoren s0 bis s11 die Kommutierungsindizes 1 bis Null zugeordnet. Das Nacheilen wird beispielsweise am Kommutierungsindex Null deutlich, der beim dritten Kommutierungsschema 70 dem Sektor s11 zugeordnet ist. Das Nacheilen bedeutet im vorliegenden Beispiel also, dass gegenüber dem ersten Kommutierungsschema die Soll-Schaltzustände mit dem Kommutierungsindex N (also beispielsweise 2), einem Sektor mit einem um Eins verringerten Index N-1 (beispielsweise s1) zugeordnet sind.
-
6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Betreiben des elektronisch kommutierten Motors 22 aus 1. In einem motorischen Betrieb des Motors 22 aus 1 werden folgende Schritte ausgeführt: In einem Schritt 602 wird die Endstufe mit dem ersten Kommutierungsschema 50 betrieben. In einem Schritt 604 wird ermittelt, dass eine Drehzahl des Motors betragsmäßig einen vorab bestimmten Schwellwert überschreitet. In einem Schritt 606 wird die Endstufe mit dem zweiten Kommutierungsschema 60 gemäß den 4a und 4b betrieben, sobald die Überschreitung des vorab bestimmten Schwellwerts durch die Drehzahl ermittelt wurde. Wird in einem Schritt 608 ermittelt, dass die Drehzahl wieder unter den Schwellwert fällt, so wird in den Schritt 602 gewechselt. Zur Entprellung können selbstverständlich auch unterschiedliche Schwellwerte für die Drehzahl in den Schritten 604 und 608 verwendet werden.
-
In einem generatorischen Betrieb des Motors werden folgende Schritte ausgeführt: In dem Schritt 602 wird die Endstufe mit dem ersten Kommutierungsschema 50 betrieben. In dem Schritt 604 wird ermittelt, dass eine Drehzahl des Motors betragsmäßig den vorab bestimmten Schwellwert überschreitet. In dem Schritt 606 wird die Endstufe mit dem dritten Kommutierungsschema 60 gemäß den 5a und 5b betrieben, sobald die Überschreitung des vorab bestimmten Schwellwerts durch die Drehzahl ermittelt wurde. Wird in dem Schritt 608 ermittelt, dass die Drehzahl wieder unter den Schwellwert fällt, so wird in den Schritt 602 gewechselt. Zur Entprellung können selbstverständlich auch unterschiedliche Schwellwerte für die Drehzahl in den Schritten 604 und 608 verwendet werden.
-
Der Betrieb mit einem der ermittelten Kommutierungsschemata in den Schritten 602 und 606 umfasst die folgenden Schritte: Ermitteln des Ist-Sektors des Rotors des Motors in Abhängigkeit von dem Sensorwert des Winkelgebers; Ermitteln des Soll-Schaltzustands der Endstufe gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Kommutierungsschema in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Sektor; und Betreiben der Endstufe mit dem ermittelten Soll-Schaltzustand bzw. den entsprechenden Soll-Schaltzuständen für die Leistungsschalter der Endstufe.
-
7 zeigt ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm. Ein erster Verlauf 750 zeigt, dass das Drehmoment für hohe Drehzahlen beim Betrieb des Motors 22 mit dem ersten Kommutierungsschema 50 abnimmt. Ein zweiter Verlauf 760 zeigt, dass das Drehmoment M für niedrige Drehzahlen n beim Betrieb des Motors 22 mit dem zweiten Kommutierungsschema 60 geringer ist als beim Betrieb des Motors mit dem ersten Kommutierungsschema 50. Für höhere Drehzahlen n bewirkt das zweite Kommutierungsschema 60 eine höhere Drehmomentabgabe als das erste Kommutierungsschema 50. Der Schwellwert ns zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Kommutierungsschema 50, 60 wird für jeden Motortyp appliziert, d.h. der Schwellwert ns wird durch einen jeweiligen Versuch an einem Motor des Motoryps ermittelt. Hochdynamische Lenksituationen gehen mit hohen Drehzahlen einher. Folglich wird durch den Wechsel der Kommutierungsschemata eine hohe Drehmomentabgabe und -aufnahme bereitgestellt, was den Fahrzeuglenker in der hochdynamischen Lenksituation unterstützt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013109877 A1 [0002]
