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Die Erfindung betrifft ein Lenksystem in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems.
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Bei modernen Lenksystemen sind Servo-Mittel zur Unterstützung der Lenkkraft bekannt, wobei die Servo-Mittel als elektrischer Servo-Motor oder als Hydraulik-System ausgebildet sein können. Im Fall von Steer-by-Wire-Systemen und/oder Lenksystemen, die für vollautomatisiertes Fahren ausgelegt sind, müssen mindestens bestimmte Teile des Lenksystems redundant ausgebildet sein.
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Zur Umsetzung der Fahraufgaben sind Regler bekannt, die ein angefordertes Moment regeln oder eine angeforderte Position regeln, wobei die Position beispielsweise die Position einer Zahnstange oder die Stellung der Fahrzeugräder (Lenkwinkel) ist.
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Aus der
DE 100 32 340 A1 ist ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs bekannt, wobei ein Lenkradwinkel erfasst wird, der geschwindigkeitsabhängig modifiziert wird. Weiter wird ein Korrektur-Lenkradwinkel in Abhängigkeit der Fahrdynamik ermittelt, wobei modifizierte Lenkradwinkel und Korrektur-Lenkradwinkel überlagert werden. Dabei wird die Stellung der gelenkten Räder erfasst und eine Winkeldifferenz zwischen Soll-Lenkwinkel und der Stellung der gelenkten Räder ermittelt. Die Stellung der gelenkten Räder wird dann in Abhängigkeit der Winkeldifferenz geregelt, wobei der Korrektur-Lenkradwinkel an der Lenksäule kompensiert wird. Vorzugsweise wird die Stellung der gelenkten Räder durch einen ersten Positionsregler mit PD-Charakteristik oder Kaskadenstruktur oder einen adaptiven ersten Positionsregler geregelt, wobei das Ausgangssignal des ersten Positionsreglers ein von einem Lenkmotor auf das Ritzel des Lenkgetriebes zu übertragendes Soll-Moment ist, wobei das Soll-Moment in einem Soll-Strom angesteuert wird.
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Aus der
DE 102 48 671 A1 ist ein Verfahren zur Regelung einer Größe eines Aktors eines Steer-by-Wire-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei der Aktor mindestens zwei Elektromotoren umfasst, die über ein Getriebe auf eine Lenkhandhabe oder auf zu lenkende Räder des Kraftfahrzeugs wirken. Dabei wird zur Regelung der Aktuatorgröße ein Regler eingesetzt, wobei ein Ausgangssignal des Reglers nach vorgebbaren Kriterien in mehrere Teil-Stellgrößen für die Elektromotoren aufgeteilt wird, wobei ein Istwert der zu regelnden Größe aus mindestens einem Ausgangssignal eines jeden Elektromotors aufbereitet wird. In einer Ausführungsform wird als die zu regelnde Größe eine Position, insbesondere eine Winkelposition, geregelt.
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Aus der
DE 10 2015 009 253 A1 ist ein positionsgeregeltes, elektrohydraulisches Lenksystem für eine Arbeitsmaschine, insbesondere für einen Radlader, bekannt, umfassend wenigstens einen hydraulischen Lenkkreis mit wenigstens einem Lenkhydraulikzylinder sowie wenigstens einem Steuerkreis zur Ansteuerung des wenigstens einen Lenkventils des Lenkkreises. Dabei weist der Steuerungskreis wenigstens eine Regeleinheit, wenigstens eine Steuerung, wenigstens ein Positionsmesssystem zur Ermittlung einer Regelgröße auf, wobei das Positionsmesssystem Mittel zur Erzeugung redundanter Positionsmesssignale umfasst. Weiter ist zwischen dem Positionsmesssystem und Regeleinheit wenigstens ein Kalman-Filter vorgesehen, der einen Schätzwert der Regelgröße für die Positionsregelung ermittelt, wobei das Lenksystem wenigstens einen Fehlererkennungsblock umfasst, der anhand der redundanten Messsignale einen Fehler des Positionsmesssystems erkennt.
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Aus der
DE 103 12 861 A1 ist ein gattungsgemäßes Lenksystem in einem Kraftfahrzeug bekannt, umfassend ein erstes Steuergerät mit einem ersten Positionsregler, ein erstes Servo-Mittel, ein zweites Steuergerät mit einem zweiten Positionsregler, ein zweites Servo-Mittel sowie einen ersten Ist-Positionssensor und einen zweiten Ist-Positionssensor sowie einen Entscheider, wobei der Entscheider derart ausgebildet ist, den ersten Positionsregler und den zweiten Positionsregler zu überwachen, wobei in Abhängigkeit mindestens eines Kriteriums auf den ersten Positionsregler oder auf den zweiten Positionsregler geschaltet wird.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes ausfallsicheres Lenksystem mit Positionsregelung zu schaffen. Ein weiteres technisches Problem besteht in der Zurverfügungstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen Lenksystems.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Lenksystem in einem Kraftfahrzeug umfasst ein erstes Steuergerät mit einem ersten Positionsregler, ein erstes Servo-Mittel, ein zweites Steuergerät mit einem zweiten Positionsregler, ein zweites Servo-Mittel sowie einen ersten Ist-Positionssensor und einen zweiten Ist-Positionssensor sowie einen Entscheider, der derart ausgebildet ist, den ersten Positionsregler und den zweiten Positionsregler zu überwachen, wobei in Abhängigkeit mindestens eines Kriteriums auf den ersten Positionsregler oder auf den zweiten Positionsregler geschaltet wird. Dabei bilden das erste Steuergerät mit dem ersten Positionsregler, das erste Servo-Mittel und der erste Ist-Positionssensor einen ersten Lenkkreis und das zweite Steuergerät mit dem zweiten Positionsregler, das zweite Servo-Mittel und der zweite Ist-Positionssensor einen zweiten Lenkkreis, wobei die beiden Lenkkreise nicht gleichzeitig zugeschaltet sind. Hierdurch wird eine Redundanz geschaffen, wobei die Regelung einfacher ist, als wenn beide Lenkkreise kombiniert zur Anwendung kommen. Vorzugsweise weisen die Elemente des ersten Lenkkreises und die Elemente des zweiten Lenkkreises jeweils eine unabhängige Spannungsversorgung auf. Weiter vorzugsweise weisen die Steuergeräte auch jeweils eine eigene Busverbindung auf, d.h. diese sind an unabhängige Busleitungen angeschlossen. Dabei sei angemerkt, dass einzelne Elemente des ersten und zweiten Lenkkreises auch gemeinsam Elemente nutzen können. So können beispielweise die beiden Steuergeräte in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
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Dabei weist der erste Positionsregler eine höhere Regelgenauigkeit auf als der zweite Positionsregler, wobei der Entscheider derart ausgebildet ist, vom ersten Positionsregler auf den zweiten Positionsregler zu schalten, wenn die Regelabweichung des ersten Positionsreglers größer als die des zweiten Positionsreglers ist. Der Vorteil ist, dass nur ein hochgenauer und komplexer Positionsregler benötigt wird, wohingegen es sich bei dem zweiten Positionsregler um einen ungenauen, aber robusten Positionsregler handelt, bei dem der Sicherheitsnachweis einfach zu erbringen ist. Dabei steht im Normalfall der hochgenaue und komplexe Positionsregler zur Verfügung, sodass ein sehr komfortables Lenkverhalten einstellbar ist, wobei die Regelabweichung vom Entscheider überwacht wird. Solange die Regelabweichung des ersten Positionsreglers noch kleiner als die Regelgenauigkeit des zweiten Positionsreglers ist, kann der erste Positionsregler durchgeschaltet bleiben. Erst wenn die Regelabweichung des ersten Positionsreglers größer ist als die Regelgenauigkeit des zweiten Positionsreglers, wird auf den zweiten Positionsregler umgeschaltet.
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Der zweite Positionsregler ist beispielsweise als P-Regler ausgebildet. Der erste Positionsregler ist beispielsweise ein PD- oder PID-Regler.
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In einer zweiten Ausführungsform sind das erste Servo-Mittel und das zweite Servo-Mittel als Servo-Motoren ausgebildet.
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Hinsichtlich der verfahrensgemäßen Ausbildung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Lenksystems.
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Das Lenksystem 1 weist einen ersten Lenkkreis 10 und einen zweiten Lenkkreis 20 auf. Der erste Lenkkreis 10 weist ein erstes Steuergerät 11 mit einem ersten Positionsregler 12 auf. Des Weiteren weist der erste Lenkkreis 10 einen ersten elektrischen Servo-Motor 13 auf, der mit einer Zahnstange 2 beispielsweise über ein nicht dargestelltes Getriebe verbunden ist. Weiter weist der erste Lenkkreis einen ersten Ist-Positionssensor 14 für die Zahnstange 2 auf. Alternativ kann der Ist-Positionssensor auch einen Lenkwinkel an den Fahrzeugrädern erfassen. Entsprechend weist der zweite Lenkkreis 20 ein zweites Steuergerät 21 mit einem zweiten Positionsregler 22, einen zweiten elektrischen Servo-Motor 23 und einen zweiten Ist-Positionssensor 24 auf. Das Steuergerät 11 des ersten Lenkkreises 10 ist mit einem ersten Bussystem 15 und das Steuergerät 21 des zweiten Lenkkreises 20 ist mit einem zweiten Bussystem 25 verbunden. Der erste Positionsregler 12 und/oder der zweite Positionsregler 22 können dabei in Software, Hardware oder als Kombination aus Hard- und Software implementiert sein. Die Elemente des ersten Lenkkreises 10 weisen eine erste Spannungsversorgung VCC1 und die Elemente des zweiten Lenkkreises weisen eine zweite Spannungsversorgung VCC2 auf, wobei die Verbindungen zwischen den Spannungsversorgungen VCC1, VCC2 und den Elementen aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind. Zwischen dem ersten Steuergerät 11 und dem zweiten Steuergerät 21 ist ein Entscheider 3 angeordnet, der ebenfalls als Hard- oder Software implementiert sein kann.
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Der Entscheider 3 ist vorzugsweise sowohl mit der ersten Spannungsversorgung VCC1 als auch mit der zweiten Spannungsversorgung VCC2 verbunden.
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Der erste Positionsregler 12 weist eine höhere Regelgenauigkeit auf als der zweite Positionsregler 22. Die Regelabweichung des ersten Positionsreglers 12 im Normalbetrieb ist beispielsweise ΔX1 und die Regelabweichung für den zweiten Positionsregler 22 ist beispielsweise ΔX2, wobei im Normalfalls gilt ΔX1 < ΔX2. Die Regelabweichung ΔX ist dabei XSOLL - XIST . Der erste Positionsregler 12 ist beispielsweise ein PID-Regler und der zweite Positionsregler 22 ein robuster P-Regler. Im Normalfall wählt der Entscheider 3 den ersten Positionsregler 12 aus, sodass die Lenkaktionen ausschließlich über den ersten Lenkkreis 10 aufgebracht werden. Dabei überwacht der Entscheider 3 während des Betriebes die Regelabweichung ΔX1 sowie die Verfügbarkeit des zweiten Lenkkreises 20. Bei einem Ausfall des zweiten Lenkkreises 20 wird dann das Fahrzeug beispielsweise kontrolliert in einen sicheren Zustand gebracht, da nur noch ein Lenkkreis 10 einwandfrei arbeitet. Dabei ist in der Figur dargestellt, dass der Entscheider 3 die Sollvorgaben vom Steuergerät 11 erhält. Alternativ kann der Entscheider 3 auch direkt mit den Bussystemen 15, 25 verbunden sein, wobei die Verbindung mit dem Bussystem 25 nicht zwingend ist.
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Erfasst nun der Entscheider 3, dass die Regelabweichung ΔX1 steigt (z.B. aufgrund eines Fehlers im Positionsregler 12), so wird die aktuelle Regelabweichung ΔX1 mit der Regelabweichung ΔX2 verglichen. Solange ΔX1 kleiner ist als ΔX2, bleibt der erste Positionsregler 12 aktiv, da ein Umschalten auf den zweiten Positionsregler 22 keine Verbesserung des Lenkverhaltens bewirken würde. Allerdings können bereits Meldungen an übergeordnete Steuergeräte übermittelt werden, sodass beispielsweise Fahrmanöver angepasst werden. Übersteigt dann die Regelabweichung ΔX1 die Regelabweichung ΔX2 des zweiten Positionsreglers 22, so deaktiviert der Entscheider 3 den ersten Positionsregler 12 sowie den ersten Lenkkreis 10 und schaltet auf den zweiten Lenkkreis 20 mit dem zweiten robusten Positionsregler 22.
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Somit wird eine hohe Ausfallsicherheit mit großer Verfügbarkeit des hochgenauen Positionsreglers 12 erreicht.
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Dabei sei angemerkt, dass die beiden elektrischen Servo-Motoren 13, 23 als Doppelwicklungs-Motor in einem Motor integriert sein können, um so ausfallsichere Teile gemeinsam zu nutzen.
