DE102018132148A1

DE102018132148A1 - Redundantes mechatronisches System

Info

Publication number: DE102018132148A1
Application number: DE102018132148.1A
Authority: DE
Inventors: André Wesenberg; Michael Käßmeyer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18
Also published as: CN111319574B; US11161520B2; US20200189607A1; CN111319574A

Abstract

Redundantes mechatronisches System, wobei das redundante mechatronische System (2) zweikanalig ausgebildet ist und zur Abgabe einer variierenden mechanischen Leistung mit einer mechanischen Anordnung verbunden oder verbindbar ist, wobei beide Kanäle jeweils, eine Energieversorgung (12.1, 12.2) und eine Ansteuerschaltung (11.1, 11.2) enthalten oder beiden Kanälen eine gemeinsame Energieversorgung vorgeschaltet ist und beide Kanäle mittels wenigstens einer Steuereinheit (13) steuerbar sind.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein redundantes mechatronisches System gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems.
Als mechatronisches System wird im allgemeinen die funktionale Integration eines mechanisch-elektrischen Systems angesehen, in dem Sensoren Signale aufnehmen, Prozessoren Informationen verarbeiten und Aktoren eingesetzt werden, um auf ein häufig mechanisches Grundsystem einzuwirken. Ein mechatronisches System verfügt demnach üblicherweise über eine mechanische Grundstruktur. Sensoren, die den Zustand dieser Grundstruktur und der Systemumgebung feststellen, leiten die Signale an eine informationsverarbeitende Einheit weiter. Dort werden die Sensorsignale aufbereitet und nach festgelegten Regeln Stellgrößen erzeugt. Aktoren nutzen diese Stellgrößen, um das Verhalten des mechanischen Grundsystems zu beeinflussen.
Derartige mechatronische Systeme werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt, insbesondere auch bei Kraftfahrzeugen. Hier findet eine Anwendung beispielsweise in Verbindung mit sogenannten Assistenzsystemen und in Verbindung mit elektrisch gesteuerten Gas-, Brems- und Lenksystemen („X-by-Wire“) statt. Bei derartigen Systemen, insbesondere aber im Zuge der jüngeren Entwicklung autonom oder teilautonom fahrender Kraftfahrzeuge stellt sich die Anforderung der Redundanz derartiger mechatronischer Systeme.
In Verbindung mit elektrisch gesteuerten Gas-, Brems- und Lenksystemen („X-by-Wire“) ist in der DE 10 2004 051 078 A1 ein solches redundantes mechatronisches System beschrieben. Aus dieser Publikation ist es bekannt, Gas-, Brems- und Lenksysteme so auszubilden, dass zwei räumlich voneinander getrennte Elektromotoren mit zwei getrennten Steuereinheiten und zwei getrennten Getrieben eingesetzt werden, die parallel das entsprechende Steuerelement des Fahrzeugs ansteuern. Weiter ist vorgesehen, dass bei Ausfall eines der beiden Elektromotoren der andere Elektromotor 100 Prozent von dessen Leistung übernimmt. Dabei kann vorgesehen sein, dass beide Elektromotoren simultan laufen, sodass im Falle eines Funktionsausfalls eines der Servomotoren keine zusätzlichen Zuschaltzeiten benötigt werden, weil der oder die anderen Motoren der Gruppe parallel mitlaufen.
Ein ähnliches redundant aufgebautes mechatronisches System ist auch in der DE10 2008 014 876 A1 und der WO2017158680A1 beschrieben.
Gemeinsam ist den vorstehend angesprochenen redundanten mechatronischen Systemen, dass sie beim Auftreten eines Fehlers in einem Kanal eine Auffanglösung beinhalten, in der Weise, dass sie die gesamte erforderliche Ausgangsleistung des mechatronischen Systems über den anderen Kanal aufbringen. Dies ist aber in den meisten Fehlerfällen nicht erforderlich, weil es sich häufig lediglich um temporär auftretende Überlastungen handelt, wie beispielsweise eine Übertemperatur an einer Komponente des Systems, einen zu hohen Strom in einer elektrischen Komponente des Systems oder ein zu hohes Drehmoment an einer mechanischen Komponente des Systems. In solchen Fällen ist ein Abschalten des betroffenen Kanals und die alleinige Lastübernahme durch den anderen Kanal nicht sinnvoll. Zumal durch das alleine agierende Teilsystem eine Überlastung und damit ein Totalausfall des Systems, zum Beispiel in Folge einer Temperaturüberschreitung wahrscheinlicher wird.
In Verbindung mit einem einkanalig ausgelegten Lenksystem mit Servounterstützung ist es weiter aus der JP2017193197 A bekannt, einen ersten Maximalstrom und einen zweiten kleineren Maximalstrom zum Antrieb der motorischen Komponente im Lenksystem vorzugeben und mittels der Steuereinheit die Temperatur im Lenksystem mittels eines Sensors zu messen. Liegt die Temperatur unter einem vorgegebenen Temperaturbereich wird von der Steuereinheit der erste Maximalstrom als zulässig freigegeben, liegt die Temperatur in dem vorgegebenen Temperaturbereich wird von der Steuereinheit der zweite Maximalstrom als zulässig freigegeben und liegt die Temperatur über dem vorgegebenen Temperaturbereich wird von der Steuereinheit der Strom auf null reduziert, die Servounterstützung also abgeschaltet. Ein solches Lenksystem kann zwar einen großen Teil auftretender Übertemperaturen bewältigen, ohne dass die Servounterstützung komplett abschaltet, dies aber unter Inkaufnahme einer deutlichen Komforteinbuße, weil die Servounterstützung auf ein deutlich spürbar geringeres Niveau zurückfällt. Eine Redundanz hinsichtlich der Servountersützung ist nicht gegeben.
Unter Vermeidung der vorstehend angesprochenen Nachteile des Standes der Technik ist es deshalb Aufgabe der Erfindung, ein zweikanaliges redundantes mechatronisches System anzugeben, das bei temporär auftretenden Überlastungen funktionsfähig bleibt und bei dem die Last zwischen beiden Kanälen des redundanten mechatronischen Systems gemäß ihrem jeweiligen aktuellen Vermögen aufgeteilt wird. Weiter gehört es zur Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen redundanten mechatronischen Systems anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe hinsichtlich des redundanten mechatronischen Systems durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hierzu sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet, ein Verfahren zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems ist in Anspruch 8 und 9 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hierzu sind in dem davon abhängigen Anspruch gekennzeichnet.
Ausgegangen wurde von einem redundanten mechatronischen System, das zweikanalig ausgebildet ist und zum Zwecke der Leistungsversorgung mit einer elektrischen Energieversorgung verbunden oder verbindbar ist und zur Abgabe einer mechanischen Leistung mit einer mechanischen Anordnung verbunden oder verbindbar ist. Unter dem Begriff mechatronisches System wird dabei ein System der eingangs genannten Art verstanden. Derartige mechatronische Systeme sind zum Beispiel bei elektrisch gesteuerten Gas-, Brems- und Lenksystemen gegeben und zwar sowohl bei den Fahrer eines Fahrzeugs unterstützenden Servosystemen, als auch bei autonom oder teilautonom agierenden Systemen eines Fahrzeugs. Bei derartigen Systemen sind in beiden Kanälen jeweils eine oder mehrere Komponenten enthalten und die Leistung eines jeden Kanals ist mittels wenigstens einer Steuereinheit steuerbar. Bei der Steuereinheit handelt es sich wie heute üblich um eine computergestützte Steuerung, die durch Steuerprogramme Steuerungs- und Regelungsabläufe realisiert und zu diesem Zweck mit den Komponenten kommuniziert, indem sie diese mit Steuer- und/ oder Regelsignalen beaufschlagt und deren Zustände abfragt. Bei den Komponenten kann es sich um Energieversorgungen, einfache oder komplexe Ansteuerschaltungen und Aktoren handeln. Die Steuereinheit wirkt auf die in jedem der beiden Kanäle angeordneten Ansteuerschaltungen, derart dass die Ansteuerschaltungen jeweils eine von der Steuereinheit vorgegebene, von der Energieversorgung bezogene elektrische Leistung auf jeweils einen Wicklungssatz des wenigstens einen elektrisch betriebenen Aktors durchschalten. Die Steuereinheit ist dabei mit Anordnungen verbunden, die den Ausfall eines Kanals feststellen. Beide Kanäle des mechatronischen Systems werden im Normalbetrieb parallel betrieben, derart, dass jeder Kanal die Hälfte der aktuell abzugebenden mechanischen Leistung bereitstellt und jeder der beiden Kanäle so ausgebildet ist, dass er wenigstens die maximal erforderliche Leistung zur Erfüllung einer Funktion der mechanischen Anordnung bereitstellen kann.
Es wird vorgeschlagen das mechatronische System so auszubilden, dass mit der Steuereinheit verbundene Anordnungen vorgesehen sind, mittels der Überlastungen in den Kanälen und/ oder den Komponenten der Kanäle und/ oder in der mechanischen Anordnung durch die Steuereinheit feststellbar sind. Bei den Überlastungen kann es sich sowohl um thermische, als auch elektrische, als auch mechanische Überlastungen handeln, die mit Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Kraft-, oder Drehmomentsensoren detektiert werden oder mit Hilfe von Computer-Modellen, die den zeitlichen Verlauf der thermischen-, elektrischen-, oder mechanischen Belastung in einer Steuereinheit nachbilden und so eine Überlastung feststellen. Weiter ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass sie beim Auftreten einer Überlastung dies detektiert und einen Reduzierungsfaktor bestimmt, der der Überlastung entgegenwirkt und diesen anwendet. Der Reduzierungsfaktor ist dabei so bemessen, dass die nach Anwendung des Reduzierungsfaktors verfügbare Systemleistung zur Erfüllung der Funktion ausreicht. Unter Zugrundelegung des Reduzierungsfaktors steuert die Steuereinheit die jeweiligen Kanalleistungen so, dass die jeweilige aktuelle Kanalleistung der Überlastung entgegenwirkt.
Das redundante mechatronische System ist weiter vorteilhaft so ausgebildet, dass es mittels der Steuereinheit beim Auftreten einer Überlastung in einem der beiden Kanäle und/ oder an einer oder mehreren der Komponenten in einem der beiden Kanäle, den Reduzierungsfaktor so festlegt, dass bei dessen Anwendung durch die Steuereinheit die Kanalleistung in dem überlasteten Kanal um einen durch den Reduzierungsfaktor definierten Betrag verringert und in dem nicht überlasteten Kanal um den gleichen Betrag erhöht ist. Der Vorgang kann in einem vorgegebenen Zeitraster zurückgenommen und erneut ausgeführt werden. Insgesamt dauert die kontinuierliche oder alternierende Reduktion der Kanalleistung so lange an, bis die Steuereinheit keine Überlastung mehr detektiert. Durch die beschriebe Ausgestaltung des redundanten mechatronischen Systems wird vorteilhaft erreicht, dass im Falle des Auftretens einer Überlastung in einem der beiden Kanäle der betreffende Kanal geschützt wird, ohne ihn komplett abzuschalten. Im Falle eines thermischen Fehlers, also einer zu hohen Temperatur in einem Kanal bedeutet dies, dass dem betroffenen Kanal durch die Leistungsreduktion die Möglichkeit gegeben wird abzukühlen, während der andere Kanal sich nur moderat erwärmt, weil er innerhalb seiner Spezifikation betrieben wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das redundante mechatronische System mittels der Steuereinheit beim Auftreten einer Überlastung in der mechanischen Anordnung den Reduzierungsfaktor so festlegt, dass bei dessen Anwendung durch die Steuereinheit die Leistung gesteuert durch die Steuereinheit in dem einen Kanal um eine durch den Reduzierungsfaktor definierten Betrag verringert und in dem anderen Kanal um den gleichen Betrag erhöht ist. Dieser Vorgang wird in einem vorgegebenen Zeitraster zurückgenommen und unter Wechsel der Kanäle wiederholt, insgesamt so lange, bis die Steuereinheit keine Überlastung mehr detektiert. Durch diese Vorgehensweise wird ein optimierter thermischer Schutz für die Komponenten der Kanäle und des Aktors erreicht, weil diese alternierend die Möglichkeit zur Abkühlung erhalten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des redundanten mechatronischen Systems ist vorgesehen, dass beim Auftreten einer Überlastung in beiden Kanälen, mittels der Steuereinheit ein Reduzierungsfaktor für jeden Kanal so festlegbar ist, dass bei dessen Anwendung durch die Steuereinheit einerseits die Leistung in beiden Kanälen, gesteuert durch die Steuereinheit, um einen durch den jeweiligen Reduzierungsfaktor bestimmten Betrag verringert ist. Andererseits sind die Reduzierungsfaktoren so bemessen, dass bei deren Anwendung durch die Steuereinheit die aktuell verfügbare Systemleistung, also die Leistung beider Kanäle zusammen, ausreicht um die Funktion auszuführen. Der Vorgang kann in einem vorgegebenen Zeitraster zurückgenommen und erneut ausgeführt werden. Insgesamt dauert die kontinuierliche oder alternierende Reduktion der Kanalleistung so lange an, bis die Steuereinheit keine Überlastung mehr detektiert.
Eine Weiterbildung des redundanten mechatronischen Systems sieht vorteilhaft vor die Kanäle so auszubilden, dass jeder Kanal die maximal erforderliche Leistung zur Erfüllung der Funktion bereitstellen kann und dass beide Kanäle zusammen zusätzlich die Leistung zur Erfüllung einer Zusatzfunktion der mechanischen Anordnung bereitstellen können. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass sie bei Auftreten einer Überlastung die Zusatzfunktion zumindest dann deaktiviert, wenn die durch die Leistungsreduktion insgesamt verfügbare Systemleistung zur Erfüllung der Funktion und der Zusatzfunktion nicht ausreicht. Unter Zusatzfunktion wird dabei verstanden, dass die Funktion auf eine bestimmte komfortable Weise ausgeführt wird. Handelt es sich beispielsweise bei der Funktion um eine Lenkbewegung bei einem Fahrzeug im Stand, so besteht die Zusatzfunktion zum Beispiel darin, die Funktion in einer vorgegebenen kurzen Zeit auszuführen. Das Ausführen der Funktion zusammen mit der Zusatzfunktion erfordert also stets mehr Leistung als die Ausführung der Funktion an sich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des redundanten mechatronischen Systems sieht vor, die Steuereinheit so auszubilden, dass sie den Reduzierungsfaktor in Abhängigkeit von Art und/ oder Grad der aufgetretenen Überlastung bestimmt. Es wird also gewissermaßen eine Kategorisierung der Überlastung eingeführt, wobei die Kategorie der Überlastung die Reaktion des redundanten mechatronischen Systems bestimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das System auf Störungen stets adäquat reagiert.
Da in den meisten Fällen die Leistung, die ein Kanal jeweils bereitstellt, von der Stromhöhe durch die Ansteuerschaltung des Aktors bestimmt ist, wird die Verringerung der Leistung in einem Kanal durch eine Reduktion der Stromstärke zum Antrieb des zugehörigen Aktors und eine Erhöhung der Leistung in einem Kanal durch eine Erhöhung der Stromstärke zum Antrieb des zugehörigen Aktors gesteuert durch die Steuereinheit bewirkt. Bei einer gepulsten Ansteuerung der Aktoren besteht alternativ die Möglichkeit, die Verringerung der Leistung in einem Kanal durch eine Reduktion der Pulsbreite des Stroms zum Antrieb des Aktors und die Erhöhung der Leistung in einem Kanal durch eine Erhöhung der Pulsbreite des Stroms zum Antrieb des Aktors gesteuert durch die Steuereinheit zu bewirken.
Zur optimierten Ausführung der Grundfunktion und gegebenenfalls der Zusatzfunktion ist es vorteilhaft das System so auszubilden, dass die Steuereinheit die Ansteuerschaltungen so steuert, dass beim Umschalten einer Leistung von einem Kanal auf den anderen Kanal, die aktuell erforderliche Leistung zu jedem Zeitpunkt des Umschaltens, also unterbrechungsfrei, zur Verfügung steht. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Umschalten nach Art einer sich überschneidenden symmetrischen Rampenfunktion erfolgt. Hiermit ist gemeint, dass der Strom durch die Ansteuerschaltung des einen Kanals um einen vorgegebenen Betrag rampenförmig abfällt während der Strom in dem anderen Kanal gleichzeitig betragsmäßig gleich rampenförmig ansteigt.
Verwendet werden kann das redundante mechatronische System vorteilhaft als Teil eines die Lenkbewegung des Fahrers unterstützendes Servo-Lenksystems, eines Steer-by-Wire-Systems oder bei einem autonom fahrenden Fahrzeug als Teil des Lenksystems in einem solchen Fahrzeug. Das letztgenannte System führt ohne Lenkeingriffe eines Fahrers Lenkbewegungen durch einen Fahrzeugrechner gesteuert autonom aus. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit das redundante mechatronische System beispielsweise als Servo-Bremssystem, Brake-by-Wire-System, Bremssystem in einem autonom fahrenden Fahrzeug, Servo-Gassystem, elektronisches Gaspedal, Gassystem in einem autonom fahrenden Fahrzeug oder außerhalb der Fahrzeugtechnik auf anderen technischen Gebieten einzusetzen.
Ein Verfahren zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems sieht vorteilhaft vor, dass die Steuereinheit die Anordnungen zur Detektion von Überlastungen in den Kanälen und/ oder in der mechanischen Anordnung zyklisch abfragt. Wie oben erwähnt, kann es sich bei den Anordnungen zur Detektion von Überlastungen gleichermaßen um Sensoren oder um die Belastungssituation nachbildende Computer-Modelle handeln. Tritt eine Überlastung in einem der Kanäle auf, legt die Steuereinheit einen Reduzierungsfaktor für den betroffenen Kanal fest und ermittelt unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors eine Reduzierungsgröße für die aktuelle Kanalleistung des überlasteten Kanals. Ist zum Beispiel Stromhöhe die bestimmende Größe für die Leistung, ist die Reduzierungsgröße eine Größe um die die Stromhöhe zu reduzieren ist. Durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltung mittels der Steuereinheit wird die reduzierte Leistung auf das mit der Ansteuerschaltung verbundene Wicklungssystem des Aktors aufgeschaltet. Bei dem Aktor kann es sich zum Beispiel um einen Doppelmotor handeln, bei dem jeweils ein Wicklungssystem einem Kanal zugeordnet ist. Selbstverständlich sind auch zwei unabhängige Motoren denkbar, die auf einen gemeinsamen Triebstrang wirken und mit diesem zusammen den Aktor bilden. Da durch die Leistungsreduzierung in dem überlasteten Kanal die Systemleistung zur Ausführung der Funktion nicht ausreicht, ermittelt die Steuereinheit unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors eine Erhöhungsgröße für den nicht überlasteten Kanal, wobei die Erhöhungsgröße betragsmäßig der Reduzierungsgröße entspricht und schaltet durch Ansteuern der Ansteuerschaltung die um die Erhöhungsgröße erhöhte Leistung auf das mit der Ansteuerschaltung verbundene Wicklungssystem des Aktors. Die Leistungsreduktion in dem einen Kanal und die Leistungserhöhung in dem anderen Kanal kann kontinuierlich oder in einem Zeitraster sich wiederholend ausgeführt werden und wird dann durch die Steuereinheit beendet, wenn diese keine Überlastung mehr detektiert.
Das Verfahren erlaubt es bei einer kanalbezogenen Überlastung unter Entlastung des überlasteten Kanals die Funktion problemlos auszuführen, ohne den überlasteten Kanal abzuschalten. Dies wirkt sich auch vorteilhaft auf den thermischen Zustand des nicht überlasteten Kanals aus, weil dieser nicht in Vollauslastung an seiner Spezifikationsgrenze betrieben werden muss.
Ein weiterer Verfahrensaspekt zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems sieht vor, dass die Steuereinheit die Anordnungen zur Detektion einer Überlastung in den Kanälen und/ oder in der mechanischen Anordnung zyklisch abfragt. Auch hier gilt wie oben erwähnt, dass es sich bei den Anordnungen zur Detektion von Überlastungen gleichermaßen um Sensoren oder um die Belastungssituation nachbildende Computer-Modelle handeln kann. Detektiert die Steuereinheit eine Überlastung in der mechanischen Anordnung, legt sie für beide Kanäle einen Reduzierungsfaktor fest. Dieser ist für beide Kanäle gleich. Sodann nimmt die Steuereinheit in einem der Kanäle ausgehend von der für die Ausführung der Funktion vorgesehenen Kanalleistung eine Reduzierung der Kanalleistung vor, indem sie aus dem Reduzierungsfaktor eine reduzierte Leistung ermittelt und die reduzierte Leistung durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen auf das mit dieser verbundene Wicklungssystem des Aktors aufschaltet. Gleichzeitig leitet die Steuereinheit aus dem Reduzierungsfaktor eine erhöhte Leistung ab, indem sie, ausgehend von der für die Ausführung der Funktion vorgesehenen Kanalleistung, beispielsweise den Reduzierungsfaktor mit umgekehrtem Vorzeichen anwendet. Sodann schaltet die Steuereinheit die erhöhte Leistung durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen auf das mit dieser verbundene Wicklungssystem des Aktors auf. Innerhalb einer vorgegebenen Zeit nimmt die Steuereinheit die Änderung wieder zurück und führt in einem vorgegebenen Zeitraster die Änderung unter einem Wechsel der Kanäle erneut aus. Der Vorgang wird durch die Steuereinheit so lange wiederholt, wie die Überlastung detektiert wird.
Durch die vorstehenden Verfahren wird vorteilhaft erreicht, dass beim Auftreten einer temporären Überlastung die Kanalauslastung asymmetrisch erfolgt. In der Praxis bedeutet dies, dass das redundante mechatronische System unabhängig von der Art der auftretenden temporären Überlastung in einem thermisch sicheren Bereich betrieben werden kann.
In Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit beim Auftreten einer Überlastung prüft ob nach vorgenommener Leistungsreduktion beide Kanäle zusammen die Leistung für die Funktion und zusätzlich die Leistung zur Erfüllung einer Zusatzfunktion der mechanischen Anordnung bereitstellen können. Um die Ausführbarkeit der Zusatzfunktionen zu ermitteln, vergleicht die Steuereinheit die aktuell benötigte Gesamtsystemleistung der beiden Kanäle des mechatronischen Systems mit der System leistung, die nach der Leistungsreduktion tatsächlich zur Verfügung steht. Wenn die benötigte Gesamtsystemleistung die verfügbare System leistung übersteigt, deaktiviert die Steuereinheit die Zusatzfunktion, andernfalls führt sie die Zusatzfunktion aus. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Zusatzfunktion in vielen Fällen trotz Überlastung eines Kanals oder der mechanischen Anordnung ausgeführt werden kann.
Wenn im Vorstehenden von einem Reduzierungsfaktor die Rede ist, so soll dieser Begriff nicht nur im mathematischen Sinn verstanden werden. Ein Reduzierungsfaktor kann ein Faktor, ein Prozentsatz, ein Betrag oder eine mathematische oder empirische Funktion sein.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, ist das vorgeschlagene redundante mechatronische System in der Lage, sowohl dem Auftreten temporärer Überlastungen, als auch dem vollständigen Ausfall eines Kanals adäquat zu begegnen.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 Ein autonomes Lenksystem mit einem redundanten mechatronischen System als Antrieb in ein Kraftfahrzeug (vereinfachte Teildarstellung)
2 Eine schaubildliche Darstellung einer ersten Funktionsweise des redundanten mechatronischen Systems
3 Eine schaubildliche Darstellung einer zweiten Funktionsweise des redundanten mechatronischen Systems

1 zeigt in vereinfachter Teildarstellung ein autonomes Lenksystem in ein Kraftfahrzeug 1 (Teildarstellung). Dargestellt ist ein redundantes mechatronisches System 2, das über eine Antriebswelle 3 eine Fahrzeuglenkung 4 antreibt. Diese besteht aus einem von der Antriebswelle 3 angetriebenen Ritzel 7 das auf eine Zahnstange 8 wirkt. Die Zahnstange 8 wiederum wirkt auf Spurstangen 5, die an beiden Enden der Zahnstange 8 angelenkt sind. Die Spurstangen 5 sind mit ihrem zweiten Ende an Lenkhebeln der Radaufhängung 17 drehbar befestigt und übertragen die Bewegungen der Zahnstange 8 auf die an der Radaufhängung 17 befestigten gelenkten Räder 6.
Das redundante mechatronische System 2 weist zwei Kanäle auf, wobei der erste Kanal aus einer ersten Energieversorgung 12.1 einer ersten Ansteuerschaltung 11.1 und einem ersten Wicklungssatz 10.1 eines Doppelelektromotors 9 besteht. Der zweite Kanal besteht analog aus einer zweiten Energieversorgung 12.2, einer zweiten Ansteuerschaltung 11.2 und einem zweiten Wicklungssatz 10.2 des Doppelelektromotors 9. Der Doppelelektromotor 9 besitzt nur einen Abtrieb, mit dem er die Antriebswelle 3 antreibt. Gesteuert wird das redundante mechatronische System 2 von einer Steuereinheit 13, die mit der ersten Ansteuerschaltung 11.1 des ersten Kanals und mit der zweiten Ansteuerschaltung 11.2 des zweiten Kanals steuerungstechnisch verbunden ist. Die Steuereinheit 13 ist weiter mit einem externem Fahrzeugrechner 16 verbunden und weist Verbindungen zu Sensoren 14 auf, von denen jeweils einer jeder der Energieversorgungen 12.1, 12.2, jeder der Ansteuerschaltungen 11.1, 11.2 und jeder der Wicklungssätze 10.1, 10.2 des Doppelelektromotors 9 zugeordnet ist und deren Temperatur abgreift, so dass eine thermische Überlastung komponentenbezogen in jedem der beide Kanäle gesondert detektierbar ist. Ein Drehmomentsensor 15 greift einen Messwert für das Drehmoment an der Antriebswelle 3 ab und ist ebenfalls mit der Steuereinheit 13 verbunden. Mittels des Drehmomentsensors 15 ist eine Überlastung in der Lenkung selbst detektierbar. Wie oben ausgeführt ist das redundante mechatronische System 2 so ausgelegt, dass jeder der beiden Kanäle jeweils beim Ausfall des anderen Kanals die Erfüllung der Funktion (im Beispiel die Ausführung einer Lenkbewegung) vollständig übernehmen kann.
Für die weitere Erläuterung der Funktionsweise des redundanten mechatronischen Systems 2 ist zunächst angenommen, dass sich in der ersten Ansteuerschaltung 11.1 eine Temperatur aufgebaut hat, die eine thermische Überlastung darstellt. Die Steuereinheit 13, die während des Betriebs der Anordnung die Sensoren 14, 15 zyklisch abfragt, detektiert diesen Umstand als Überlastung im ersten Kanal.
Die Reaktion auf das Detektieren der Überlastung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der 2 näher erläutert. Hierzu ist in der Darstellung der Leistungsverlauf in den beiden Kanälen gezeigt. Die in 2 obere Darstellung zeigt den Leistungsverlauf P_K1 im ersten Kanal und die in der Zeichnung untere Darstellung den Leistungsverlauf P_K2 im zweiten Kanal, jeweils bezogen auf die Zeit t.
Als Reaktion auf das Detektieren der vorstehend angesprochenen Überlastung zum Zeitpunkt TA legt die Steuereinheit 13 aus der Art (Übertemperatur in der ersten Ansteuerschaltung 11.1) und gegebenenfalls der Höhe der Übertemperatur, wenn eine entsprechende Temperaturmessung vorgesehen ist, einen Reduzierungsfaktor Rf fest, der im Beispiel 40% beträgt. Ausgehend von der zu diesem Zeitpunkt zur Ausführung der Funktion notwendigen Leistung P_N1 reduziert die Steuereinheit 13 diese Leistung P_N1 unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors Rf um die Leistung ΔP auf die reduzierte Leistung P_R1 , indem sie die Stromstärke die über die Ansteuerschaltung 11.1 fließt entsprechend reduziert. Gleichzeitig ermittelt die Steuereinheit unter Anwendung des Reduzierungsfaktors Rf mit umgekehrten Vorzeichen einen Erhöhungsfaktor Ef für den zweiten Kanal und erhöht die zu diesem Zeitpunkt zur Ausführung der Funktion notwendige Leistung P_N2 um die Leistung ΔP auf die erhöhte Leistung P_E2 , indem sie die Stromstärke, mit der die Ansteuerschaltung 11.2 das zweite Wicklungssystem 10.2 beaufschlagt, entsprechend erhöht. Der vorstehend beschriebene Zustand wird so lange aufrechterhalten, bis die Steuereinheit zum Zeitpunkt T_E durch Abfragen des Sensors 14 in der Ansteuerschaltung 11.1 keine erhöhte Temperatur mehr detektiert.
Wie aus 2 ersichtlich wird die aufgrund der thermischen Überlastung der ersten Ansteuerschaltung 11.1 notwendige Leistungsreduktion im ersten Kanal durch die Leistungserhöhung im zweiten Kanal vollständig kompensiert. Die erste Ansteuerschaltung erhält dadurch die Möglichkeit abzukühlen, während die Komponenten im zweiten Kanal sich nur unwesentlich erwärmen, da der zweite Kanal innerhalb seiner Spezifikation betrieben wird.
Ein weiteres Beispiel für die Funktionsweise des redundanten mechatronischen Systems zeigt 3. Hierzu ist auch in diesem Fall in der Darstellung der Leistungsverlauf in den beiden Kanälen gezeigt. Die in 3 obere Darstellung zeigt den Leistungsverlauf P_K12 im ersten Kanal und die in der Zeichnung untere Darstellung den Leistungsverlauf P_K22 im zweiten Kanal, jeweils bezogen auf die Zeit t.
In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Steuereinheit 13 über den Drehmomentsensor 15 zum Zeitpunkt T_A2 ein zu hohes Drehmoment detektiert. Ein zu hohes Drehmoment kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass die gelenkten Räder auf einer eine Lenkbewegung stark hemmenden Unterlage stehen und im Stillstand des Fahrzeugs eine Lenkbewegung ausgeführt wird.
Als Reaktion auf das Detektieren der vorstehend angesprochenen Überlastung zum Zeitpunkt T_A2 legt die Steuereinheit 13 aus der Art der Überlastung (Drehmomentüberschreitung in der Lenkung) einen Reduzierungsfaktor Rf₂ fest, der im Beispiel 50% beträgt. Ausgehend von der zu diesem Zeitpunkt zur Ausführung der Funktion notwendigen Leistung P_N12 reduziert die Steuereinheit 13 diese Leistung P_N12 unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors Rf₂ um die Leistung ΔP₂ auf die reduzierte Leistung P_R12 indem sie die Stromstärke, die über die Ansteuerschaltung 11.1 fließt entsprechend reduziert. Gleichzeitig ermittelt die Steuereinheit unter Anwendung des Reduzierungsfaktors Rf₂ mit umgekehrten Vorzeichen einen Erhöhungsfaktor Ef₂ für den zweiten Kanal und erhöht die zu diesem Zeitpunkt zur Ausführung der Funktion notwendige Leistung P_N22 um die Leistung ΔP₂ auf die erhöhte Leistung P_E22 , indem sie die Stromstärke, mit der die Ansteuerschaltung 11.2 das zweite Wicklungssystem 10.2 beaufschlagt, entsprechend erhöht. Nach Versteichen einer Zeit ΔT nimmt die Steuereinheit 13 die durchgeführten Änderungen zurück und wiederum nach Versteichen einer Zeit ΔT führt die Steuereinheit 13 die Änderungen unter Wechsel der Kanäle erneut aus, so dass jetzt die Leistung P_N12 im ersten Kanal um die Leistung ΔP₂ auf die erhöhte Leistung P_E22 erhöht wird und die Leistung P_N22 im zweiten Kanal um die Leistung ΔP auf die reduzierte Leistung P_R22 reduziert wird. Der vorstehend beschriebene Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Steuereinheit 13 durch Abfragen des Drehmomentsensors 15 zum Zeitpunkt T_E2 kein erhöhtes Drehmoment detektiert.
Abweichend vom vorstehend in Verbindung mit 3 beschriebenen Beispiel kann auch so vorgegangen werden, dass die Steuereinheit 13 den Erhöhungsfaktor Ef₂ größer festsetzt als den Reduzierungsfaktor Rf₂ . Dadurch wird die Systemleistung pulsierend erhöht, so dass ein mögliches Hindernis, das die Lenkbewegung hemmt, überwunden werden kann. Der Erhöhungsfaktor Ef₂ kann dabei maximal so weit erhöht werden, bis die maximale Kanalleistung erreicht wird.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass bei den Beispielen nach 2 und 3 aus Darstellungsgründen die zur Ausführung der Funktion notwendige Leistung P_N1 als Konstant angenommen wurde, dies muss nicht der Fall sein. Es ist vielmehr wahrscheinlich, dass die zur Ausführung der Funktion notwendigen Leistung P_N1 , P_N12 variiert, weil auch die durch den Fahrzeugrechner 16 vorgegebenen Lenkbewegungen situationsabhängig unterschiedlich sind. In diesem Fall variieren natürlich auch die Leistungsreduzierungen -ΔP, -ΔP₂ bzw. Leistungserhöhungen +ΔP, +ΔP₂ .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004051078 A1 [0004]
DE 102008014876 A1 [0005]
WO 2017158680 A1 [0005]
JP 2017193197 A [0007]

Claims

Redundantes mechatronisches System, wobei - das redundante mechatronische System (2) zweikanalig ausgebildet ist und zur Abgabe einer variierenden mechanischen Leistung mit einer mechanischen Anordnung verbunden oder verbindbar ist, - beide Kanäle jeweils eine Energieversorgung (12.1, 12.2) aufweisen oder beiden Kanälen eine gemeinsame Energieversorgung vorgeschaltet ist, - beide Kanäle jeweils eine Ansteuerschaltung (11.1, 11.2) enthalten und mittels wenigstens einer Steuereinheit (13) steuerbar sind, - die Steuereinheit (13) auf die Ansteuerschaltungen (11.1, 11.2) wirkt, derart dass die Ansteuerschaltungen (11.1, 11.2) jeweils eine von der Steuereinheit (13) vorgegebene, von der Energieversorgung (12.1, 12.2) bezogene elektrische Leistung auf jeweils einen Wicklungssatz (10.1, 10.2) wenigstens eines elektrisch betriebenen Aktors durchschalten um die mechanische Leistung zu generieren, - die beiden Kanäle im Normalbetrieb parallel betrieben sind, derart, dass jeder Kanal die Hälfte der aktuell abzugebenden mechanischen Leistung bereitstellt, - jeder der beiden Kanäle so ausgebildet ist, dass er bei Ausfall des jeweils anderen Kanals die maximal erforderliche mechanische Leistung zur Erfüllung einer Funktion der mechanischen Anordnung alleine bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das redundante mechatronische System (2) mit der Steuereinheit (13) verbundene Anordnungen aufweist, mittels der Überlastungen in den Kanälen und/ oder den Komponenten der Kanäle und/ oder in der mechanischen Anordnung durch die Steuereinheit (13) detektierbar sind, - bei detektieren einer Überlastung mittels der Steuereinheit (13) ein die Überlastung entgegenwirkender Reduzierungsfaktor (Rf) festlegbar und mittels der Steuereinheit (13) anwendbar ist, - der Reduzierungsfaktor (Rf) so bemessen ist, dass bei Anwendung des Reduzierungsfaktors (Rf) durch die Steuereinheit (13) die maximal verfügbare Systemleistung beider Kanäle zur Erfüllung der Funktion ausreicht, - die Kanalleistung unter Heranziehen des Reduzierungsfaktors (Rf) als Steuergröße mittels der Steuereinheit (13) so steuerbar ist, dass die jeweilige aktuelle Kanalleistung der Überlastung entgegenwirkt.
Redundantes mechatronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (13) des redundanten mechatronischen Systems (2), beim Auftreten einer Überlastung in einem der beiden Kanäle und/ oder an einer oder mehreren der Komponenten in einem der beiden Kanäle, der Reduzierungsfaktor (Rf) so festlegbar ist, dass bei dessen Anwendung durch die Steuereinheit (13) die Kanalleistung in dem überlasteten Kanal, um einen durch den Reduzierungsfaktor (Rf) definierten Betrag verringert und in dem nicht überlasteten Kanal um den gleichen Betrag erhöht ist.
Redundantes mechatronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (13) des redundanten mechatronischen Systems (2) beim Auftreten einer Überlastung in der mechanischen Anordnung der Reduzierungsfaktor (Rf) so festlegbar ist, dass bei dessen Anwendung durch die Steuereinheit (13) die Leistung gesteuert durch die Steuereinheit (13) zeitlich alternierend in dem einen Kanal verringert und in dem anderen Kanal um den gleichen Betrag erhöht ist.
Redundantes mechatronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten einer Überlastung in beiden Kanälen mittels der Steuereinheit (13) des redundanten mechatronischen Systems (2) für jeden der Kanäle einen Reduzierungsfaktor (Rf) bestimmt und die Reduzierungsfaktoren (Rf) so festlegbar sind, dass bei deren Anwendung durch die Steuereinheit (13) die Leistung in beiden Kanälen, gesteuert durch die Steuereinheit (13), um einen durch den Reduzierungsfaktor (Rf) bestimmten Betrag verringert ist und die aktuell verfügbare Systemleistung beider Kanäle zusammen ausreicht, um die Funktion auszuführen und dass die Leistungsreduzierung durch die Steuereinheit (13) zeitlich alternierend vorgenommen und rückgängig gemacht wird, bis keine Überlastung mehr vorliegt.
Redundantes mechatronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle des redundanten mechatronischen Systems (2) so ausgebildet sind, dass im Normalbetrieb beide Kanäle zusammen zusätzlich die Leistung zur Erfüllung einer Zusatzfunktion der mechanischen Anordnung bereitstellen können und die Steuereinheit (13) so ausgebildet ist, dass sie bei Auftreten einer Überlastung die Zusatzfunktion zumindest dann deaktiviert, wenn die durch den Reduzierungsfaktor (Rf) bestimmte maximale Systemleistung zur Erfüllung der Zusatzfunktion nicht ausreicht.
Redundantes mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) des redundanten mechatronischen Systems den Reduzierungsfaktor (Rf) in Abhängigkeit von der Art und/ oder dem Grad der aufgetretenen Überlastung bestimmt.
Redundantes mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das redundante mechatronische System (2) Teil eines Servo-Lenksystems oder eines Steer-by-Wire-Systems oder Teil eines Lenksystems in einem autonom fahrenden Fahrzeug ist.
Verfahren zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) - die Anordnungen zur Detektion von Überlastungen in den Kanälen und/ oder in der mechanischen Anordnung zyklisch abfragt, - im Falle des Auftretens einer Überlastung in einem der Kanäle einen Reduzierungsfaktor (Rf) festlegt, - unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors (Rf) eine Reduzierungsgröße für die aktuelle Kanalleistung des überlasteten Kanals bestimmt und durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen (11.1) die reduzierte Leistung (P_R1) auf das mit dieser verbundene Wicklungssystem (10.1) des Aktor des überlasteten Kanals aufschaltet, - unter Zuhilfenahme des Reduzierungsfaktors (Rf) eine betragsmäßig der Reduzierungsgröße entsprechende Erhöhungsgröße (Ef) für die aktuelle Kanalleistung des nicht überlasteten Kanals bestimmt und durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen (13) die um die Erhöhungsgröße erhöhte Leistung (P_E2) auf das mit ihr verbundene Wicklungssystem (10.2) des Aktor des nicht überlasteten Kanals aufschaltet, - die Änderung der Kanalleistung solange aufrechterhält, wie die Überlastung detektiert wird.
Verfahren zum Betreiben des redundanten mechatronischen Systems nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) - die Anordnungen zur Detektion von Überlastungen in den Kanälen und/ oder in der mechanischen Anordnung zyklisch abfragt, - im Falle des Auftretens einer Überlastung in der mechanischen Anordnung einen Reduzierungsfaktor (Rf₂) für beide Kanäle festlegt, - für einen der Kanäle ausgehend von der für die Ausführung der Funktion vorgesehenen Leistung des Kanals unter Heranziehung des Reduzierungsfaktors (Rf₂) eine reduzierte Leistung (P_R12) ermittelt und durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen (11.1) in dem einem Kanal die reduzierte Leistung (P_R12) auf das mit der Ansteuerschaltung (11.1) verbundene Wicklungssystem (10.1) des Aktors aufschaltet, - gleichzeitig für den anderen Kanal ausgehend von der für die Ausführung der Funktion vorgesehenen Kanalleistung unter Heranziehung des Reduzierungsfaktors (Rf₂) einen Erhöhungsfaktors (Ef2) und unter dessen Anwendung eine erhöhte Leistung (P_E22) ermittelt und durch entsprechendes Ansteuern der Ansteuerschaltungen (11.2) in dem einen Kanal die erhöhte Leistung (P_E22) auf das mit der Ansteuerschaltung (11.2) verbundene Wicklungssystem (10.2) des Aktors aufschaltet, - innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer (ΔT) die Änderung wieder zurücknimmt, - in einem durch die Zeitdauer (ΔT) vorgegebenen Zeitraster die Kanäle wechselt und die Änderung erneut ausführt. - den Vorgang so lange wiederholt, wie die Überlastung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) beim Auftreten einer Überlastung prüft ob nach vorgenommener Leistungsreduktion beide Kanäle zusammen die Leistung für die Funktion und zusätzlich die Leistung zur Erfüllung einer Zusatzfunktion der mechanischen Anordnung bereitstellen können und die Steuereinrichtung (13) so ausgebildet ist, dass sie die Zusatzfunktion zumindest dann deaktiviert, wenn die durch die Leistungsreduktion insgesamt verfügbare Systemleistung zur Erfüllung der Zusatzfunktion nicht ausreicht.