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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist im Zusammenhang mit elektrischen Fremdkraftlenkanlagen (Steer-by-Wire-Lenksystemen) bekannt, zur Erfassung des Lenkwinkels drei Lenkwinkelsensoren zu verwenden, deren Signale von zwei Auswerteeinheiten ausgewertet werden. Jede der beiden Auswerteeinheiten empfängt die Signale der drei Sensoren, wobei jeweils die Signale zweier der Sensoren zur Bestimmung des Lenkwinkels verwendet werden (Prinzip des „2-aus-3-Votings“).
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Ein durch eine Fahrzeugelektronik implementierter Empfänger empfängt die Ergebnisse der beiden Auswerteeinheiten, wobei der Empfänger Abweichungen der Ergebnisse voneinander erkennt und (zum Beispiel abhängig von mitgesandten Statusinformationen der betreffenden Auswerteeinheit) entweder nur eines der empfangenen Ergebnisse verwendet wird, d. h. ein Betrieb trotz eines Sensorfehlers erfolgt, oder keines der Ergebnisse herangezogen wird, d. h. ein Ausfall der Sensoren erkannt wird. Bei den bekannten Lösungen besteht jedoch z.B. das Risiko, dass ein Fehler einer der Auswerteeinheiten die Funktion anderer Komponenten, beispielsweise der anderen Auswerteeinheit, beeinträchtigt. Zudem besteht die Gefahr der gleichzeitigen Beschädigung mehrerer elektrischer Verbindungen zwischen den Lenkwinkelsensoren und den Auswerteeinheiten („Common-Cause-Fehler“).
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine möglichst zuverlässige Erfassung eines Lenkwinkels zu ermöglichen.
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Dieses Problem wird durch die Bereitstellung der Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach wird eine Sensorvorrichtung für eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, mit
- - mehreren Lenkwinkelsensoren;
- - mindestens einer ersten und einer zweiten Auswerteeinheit zum Auswerten von Signalen der Lenkwinkelsensoren,
- - wobei die erste Auswerteeinheit mit mehreren der Lenkwinkelsensoren oder mit sämtlichen Lenkwinkelsensoren in Verbindung steht, um Signale dieser Lenkwinkelsensoren zu empfangen und auszuwerten;
- - und wobei die zweite Auswerteeinheit mit mindestens einem der Lenkwinkelsensoren in Verbindung steht, um Signale dieses mindestens einen Lenkwinkelsensors zu empfangen und auszuwerten, wobei
- - die erste Auswerteeinheit mit einer größeren Anzahl der Lenkwinkelsensoren als die zweite Auswerteeinheit in Verbindung steht.
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Die zweite Auswerteeinheit dient insbesondere als Reserve-Auswerteeinheit, deren Ausgangssignale (Ergebnisse) bei einem Ausfall der ersten Auswerteeinheit herangezogen werden. Die zweite Auswerteeinheit ist mit weniger Sensoren als die erste Auswerteeinheit verbunden, wodurch die Anzahl und Komplexität der erforderlichen Verbindungen (Kommunikationsverbindungen) zwischen den Lenkwinkelsensoren und den Auswerteeinheiten und damit die Fehleranfälligkeit der Sensorvorrichtung reduziert wird. Durch die reduzierte Anzahl und Komplexität der Verbindungen verringert sich insbesondere das Risiko von Common-Cause-Fehlern.
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Beispielsweise umfasst die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mindestens drei (insbesondere redundante) Lenkwinkelsensoren, wobei die erste Auswerteeinheit mit den drei Lenkwinkelsensoren in Verbindung steht. Möglich ist, dass die zweite Auswerteeinheit nur mit einem der drei Lenkwinkelsensoren in Verbindung steht und entsprechend nur Signale eines der drei Lenkwinkelsensoren empfängt und auswertet.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bildet die erste Auswerteeinheit zusammen mit einigen oder allen der Lenkwinkelsensoren, mit denen sie in Verbindung steht, eine erste Lenkwinkelsensoreinheit oder ist Teil einer solchen ersten Lenkwinkelsensoreinheit. Beispielsweise sind die erste Auswerteeinheit und die Lenkwinkelsensoren zur Bildung der ersten Lenkwinkelsensoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht oder zusammen in einer entsprechenden Aufnahme des Fahrzeugs bzw. einer Fahrzeugkomponente angeordnet. Denkbar ist auch, dass die erste Auswerteeinheit und zumindest einige der Lenkwinkelsensoren auf einer gemeinsamen elektrischen Platine angeordnet sind.
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Analog kann auch die die zweite Auswerteeinheit zusammen mit einigen oder allen der Lenkwinkelsensoren, mit denen sie in Verbindung steht, eine zweite Lenkwinkelsensoreinheit bilden oder einer solchen zweiten Lenkwinkelsensoreinheit zugehören.
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Die erste und die zweite Lenkwinkelsensoreinheit stellen insbesondere redundante Einheiten dar, wobei die erste Lenkwinkelsensoreinheit beispielsweise als Haupteinheit fungiert, während mit der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit eine Ersatzeinheit bereitgestellt wird. Insbesondere führt nur die erste Lenkwinkelsensoreinheit, d. h. die erste Auswerteeinheit, eine Auswertung der Signale (Informationen) mehrerer Lenkwinkelsensoren durch, während die zweite Lenkwinkelsensoreinheit (d.h. die zweite Auswerteeinheit) lediglich Informationen eines einzigen Lenkwinkelsensors auswertet. Beispielsweise erfolgt durch die erste Auswerteeinheit der ersten Lenkwinkelsensoreinheit eine Plausibilisierungsauswertung, wonach zur Bestimmung eines Lenkwinkels Signale nur einiger der mit ihr verbundenen Lenkwinkelsensoren herangezogen werden; zum Beispiel nach Art der oben bereits erwähnten 2-aus-3-Plausibilisierung.
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Durch die Aufteilung in eine Haupt- und eine Reserve-Lenkwinkelsensoreinheit muss also nur noch die erste Auswerteeinheit Signale mehrerer (insbesondere dreier) Sensoren auswerten (insbesondere miteinander vergleichen). Die zweite Auswerteeinheit bzw. die zweite Lenkwinkelsensoreinheit kann hingegen weniger leistungsstark ausgelegt werden.
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Darüber hinaus ist denkbar, dass nur noch ein Lenkwinkelsensor, nämlich der Lenkwinkelsensor der als Reserve-Lenkwinkelsensoreinheit dienenden zweiten Lenkwinkelsensoreinheit, über zwei gegeneinander isolierte und rückwirkungsfreie Ausgänge verfügt. Darüber hinaus könnte auf eine redundante Spannungsversorgung der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit verzichtet werden. Ferner ist denkbar, dass zwischen der ersten und der zweiten Auswerteeinheit nur eine geringfügige Kopplung besteht, nämlich nurmehr über einen einzigen Lenkwinkelsensor, der sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Auswerteeinheit verbunden ist. Dies ermöglicht insbesondere eine räumlich voneinander getrennte Anordnung der Lenkwinkelsensoreinheiten, wodurch insbesondere die Gefahr von Common-Cause-Fehlern reduziert werden kann.
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Die mit der ersten Auswerteeinheit verbundenen (zum Beispiel drei) Lenkwinkelsensoren sind insbesondere so angeordnet und ausgebildet, dass auch bei Ausfall eines dieser Lenkwinkelsensoren aus einer Kombination von Informationen der anderen, nicht ausgefallenen Lenkwinkelsensoren absolute Lenkwinkel, die größer als 360° sind, ermittelbar sind. Insbesondere lassen sich auch mit den Signalen von nur zwei der Sensoren mehrere Umdrehungen des Lenkrades oder der Lenksäule feststellen.
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Beispielsweise ist die erste Lenkwinkelsensoreinheit in oder an einer Lenkhandhabe des Kraftfahrzeugs derart anordenbar, dass sie sich bei einer Bewegung der Lenkhandhabe während der Eingabe eines Lenkwinkels mitbewegt, während die die zweite Lenkwinkelsensoreinheit entfernt von der Lenkhandhabe und fahrzeugfest anordenbar ist. Die zweite Lenkwinkelsensoreinheit bewegt sich bei einer Bewegung der Lenkhandhabe also nicht mit. Bei der Lenkhandhabe handelt es sich insbesondere um ein Lenkrad, das einen zur Eingabe eines Lenkwinkels durch einen Benutzer um eine Lenkradnabe rotierbaren Lenkradkranz aufweist.
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Es ist auch denkbar, dass umgekehrt die zweite Lenkwinkelsensoreinheit in oder an einer Lenkhandhabe des Kraftfahrzeugs derart anordenbar ist, dass sie sich bei einer Bewegung der Lenkhandhabe während der Eingabe eines Lenkwinkels mitbewegt, während die erste Lenkwinkelsensoreinheit entfernt von der Lenkhandhabe und fahrzeugfest (zum Beispiel am oder in einem Armaturenträger des Fahrzeugs) anordenbar ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung dieser Erfindungsvariante sind die erste und die zweite Lenkwinkelsensoreinheit über eine Kontakteinheit miteinander verbunden; beispielsweise umfasst die Kontakteinheit in an sich bekannter Weise ein wickelbares Leiterband. Über die Kontakteinheit ist insbesondere die Auswerteeinheit der ersten Lenkwinkelsensoreinheit mit mindestens einem Lenkwinkelsensor der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit verbunden. Denkbar ist insbesondere, dass über die Kontakteinheit nur eine geringe Zahl elektrische Verbindungen realisiert ist. Zum Beispiel ist, wie oben bereits erwähnt, die Kontakteinheit lediglich eine einzige Verbindung zwischen der Auswerteeinheit der ersten Lenkwinkelsensoreinheit und dem Sensor (oder einem der Sensoren) der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit ausgebildet.
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Des Weiteren können die erste und die zweite Lenkwinkelsensoreinheit (insbesondere die erste und die zweiten Auswerteeinheit) galvanisch voneinander getrennt sein. Denkbar ist, dass dennoch eine Kommunikationsverbindung zwischen den Lenkwinkelsensoreinheiten besteht, zum Beispiel über eine optische und/oder magnetische Kommunikationsverbindung. Möglich ist insbesondere, dass die galvanische Trennung trotz einer Verbindung der ersten und der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit über die oben erwähnte Kontakteinheit besteht; zum Beispiel dadurch, dass zwar eine teilweise elektrische Verbindung von Komponenten der Sensorvorrichtung (z.B. der ersten Auswerteeinheit und einem Lenkwinkelsensor) über ein Wickelband existiert, wobei diese elektrische Verbindung jedoch nicht durchgehend zwischen den Komponenten besteht, sondern zum Teil durch eine optische und/oder magnetische Verbindung ersetzt ist.
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Die erste und/oder die zweite Lenkwinkelsensoreinheit können darüber hinaus jeweils mindestens eine eigene Spannungsversorgung (zum Beispiel eine eigene Spannungsquelle) und/oder eine eigene Kommunikationsschnittstelle (insbesondere zu einem Kommunikationsbus des Fahrzeugs) aufweisen. Denkbar ist auch, dass die erste und/oder die zweite Lenkwinkelsensoreinheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit der Lenkwinkelinformation mehrere, redundante Spannungsversorgungen und/oder Kommunikationsschnittstellen aufweist.
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Möglich ist auch, dass die erste und/oder die zweite Lenkwinkelsensoreinheit einen Energiespeicher (zum Beispiel in Form eines Nachlaufpuffers) zur Spannungsversorgung der jeweiligen Auswerteeinheit und/oder zumindest einiger der jeweiligen Sensoren. Bei dem Energiespeicher handelt es sich zum Beispiel um einen Kondensator oder eine Batterie. Insbesondere kann der Energiespeicher zugeschaltet werden, wenn sämtliche Spannungsversorgung einer Lenkwinkelsensoreinheit gleichzeitig ausfallen. Somit kann zumindest für eine begrenzte Zeit sichergestellt werden, dass ein Lenkwinkelsignal zur Verfügung steht. Möglich ist auch, dass Lenkwinkelsensoreinheiten und der Energiespeicher modular aufgebaut sind und der Energiespeicher somit bedarfsweise hinzugefügt werden kann. Beispielsweise weisen die Lenkwinkelsensoreinheit und der Energiespeicher entsprechende elektrische Schnittstellen auf. Der Energiespeicher wird insbesondere mittels einer Energiequelle (z.B. der Sensorvorrichtung) oder mehrerer, insbesondere redundanter Energiequelle gelanden.
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Möglich ist darüber hinaus, dass die erste Lenkwinkelsensoreinheit mindestens zwei Auswerteeinheiten umfasst, wobei die beiden Auswerteeinheiten jeweils mit mehreren (insbesondere mindestens drei) Lenkwinkelsensoren in Verbindung stehen und deren Signale auswerten. Eine derartige Sensorvorrichtung ist beispielsweise auch bei einem gleichzeitigen Auftreten zweier unabhängiger Fehler zumindest zeitweise noch funktionsfähig.
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Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Fremdkraftlenkanlage mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Fremdkraftlenkanlage.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 100 für eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs umfasst eine erste und eine zweite Lenkwinkelsensoreinheit 10, 20, wobei die erste Lenkwinkelsensoreinheit 10 eine erste Auswerteeinheit 101 und die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 eine zweite Auswerteeinheit 201 umfasst. Die Auswerteeinheiten 101, 201 dienen jeweils zur Auswertung von (elektrischen) Signalen einer Mehrzahl (drei) von Lenkwinkelsensoren 21-23. Mit den Lenkwinkelsensoren 21-23 wird jeweils ein Lenkwinkel, insbesondere eine Lenkstellung eines Lenkrades des Fahrzeuges oder eine Winkelstellung einer Lenksäule, erfasst. Die Lenkwinkelsensoren 21-23 sind insbesondere redundant, d. h. sie dienen zur Erfassung desselben Lenkwinkels. Denkbar ist allerdings, dass die Lenkwinkelsensoren 21-23 zumindest teilweise nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten.
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Zwei der Lenkwinkelsensoren (die Lenkwinkelsensoren 21 und 22) sind zusammen mit der ersten Auswerteeinheit 101 Bestandteil der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10, während der dritte Lenkwinkelsensor 23 zusammen mit der zweiten Auswerteeinheit 201 Bestandteil der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit 20 ist. Die Lenkwinkelsensoreinheiten 10, 20 sind räumlich voneinander getrennt, d. h. in einem Abstand voneinander angeordnet. Genauer ist die erste Lenkwinkelsensoreinheit 10 in oder an einem Lenkrad oder einer sonstigen bewegbaren, insbesondere rotierbaren, Komponente eines Lenksystems des Fahrzeugs angeordnet, während die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 fahrzeugfest montiert ist. Die erste und die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 10, 20 stehen jedoch über eine Kontakteinheit 30, insbesondere über ein elektrisches Wickelband 301 der Kontakteinheit 30, in Kommunikationsverbindung miteinander.
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Über die Kontakteinheit 30 erfolgt insbesondere eine Verbindung 230 des dritten, zur zweiten Lenkwinkelsensoreinheit 20 gehörigen Lenkwinkelsensors 23 mit der ersten Auswerteeinheit 101 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10. Die erste Auswerteeinheit 101 steht somit nicht nur mit den beiden Lenkwinkelsensoren 21, 22, sondern auch mit dem dritten Lenkwinkelsensor 23 in Verbindung, um Signale der drei Lenkwinkelsensoren 21-23 auswerten zu können. Die zweite Auswerteeinheit 201 hingegen steht nur mit dem der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit 20 zugehörigen dritten Sensor 23 in Verbindung und wertet somit nur Signale dieses einen Sensors aus. Die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 stellt insbesondere eine Reserveeinheit dar, wobei die Ergebnisse der zweiten Auswerteeinheit 201 bezüglich eines ermittelten Lenkwinkels insbesondere nur bei einem Ausfall der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 verwendet werden. Als Teil der Reserveeinheit ist die zweite Auswerteeinheit 201 mit weniger Lenkwinkelsensoren als die erste Auswerteeinheit 101 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 verbunden.
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Die beiden Lenkwinkelsensoreinheiten 10, 20 umfassen des Weiteren separate, redundante Spannungsversorgungen 102, 202 zur Spannungsversorgung der jeweiligen Auswerteeinheiten 101, 201 und Lenkwinkelsensoren 21-23. Die Spannungsversorgungen 102, 202 sind jeweils getrennt voneinander mit einem Bordnetz 301, 302 des Fahrzeugs verbunden. Des Weiteren beinhalten die Lenkwinkelsensoreinheiten 10, 20 separate, redundante Kommunikationsschnittstellen 103, 203. Die Kommunikationsschnittstellen 103, 203 der beiden Lenkwinkelsensoreinheiten 10, 20 stehen mit (insbesondere unterschiedlichen) Datenbussen 401, 402 des Fahrzeugs in Verbindung.
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Die Kommunikationsverbindung 230 zwischen der ersten Auswerteeinheit 110 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 101, über die insbesondere Daten oder sonstige elektrische Signale des Sensors 23 zu der ersten Auswerteeinheit 101 übermittelt werden, ist insbesondere so ausgeführt, dass eine galvanische Trennung der beiden Lenkwinkelsensoreinheiten 101, 102 besteht. Beispielsweise ist eine galvanische Verbindung zwischen der ersten Auswerteeinheit 101 und dem Sensor 23 unterbrochen und durch eine (z.B. der Kontakteinheit 30 oder deren Wickelband 301 vor- oder nachgeschaltete) optische und/oder magnetische Kommunikationsstrecke ersetzt.
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2 betrifft eine Abwandlung der 1. Danach ist umgekehrt die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20, d. h. die Reserveeinheit, in oder an einer in oder an einem Lenkrad oder einer sonstigen bewegbaren, insbesondere rotierbaren, Komponente eines Lenksystems des Fahrzeugs angeordnet, während die erste Lenkwinkelsensoreinheit 20, d. h. die Haupteinheit, fahrzeugfest montiert ist.
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In 3 ist eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 gezeigt. Danach umfasst die erste Lenkwinkelsensoreinheit 10 neben der ersten Auswerteeinheit 101 eine weitere, redundante Auswerteeinheit 104 und einen weiteren Lenkwinkelsensor 24. Die beiden Auswerteeinheiten 101, 104 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 sind jeweils mit allen drei Lenkwinkelsensoren 21, 22, 24 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 verbunden und werden somit jeweils die Signale dieser drei Sensoren aus. Die beiden Auswerteeinheiten 101, 104 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 wenden jeweils insbesondere das eingangs bereits erwähnte „2-aus-3-Voting“ an, d.h. es werden die Signale zweier der drei Sensoren 21, 22, 24 verwendet und daraus ein Ergebnis (insbesondere ein Lenkwinkel) ermittelt und ausgegeben (z.B. an eine Fahrzeugelektronik übermittelt).
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Die Auswerteeinheiten 101, 104 der ersten Lenkwinkelsensoreinheit 10 verfügen jeweils über eine eigene Spannungsversorgung 102, 105, die jeweils mit einem der beiden Bordnetze 301, 302 verbunden sind, sowie über eigene Kommunikationsschnittstellen 103, 106 mit jeweils einem Anschluss an den Fahrzeugdatenbus 401 bzw. 402.
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Die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 weist abweichend von der 1 und 2 zwei (redundante) Spannungsversorgungen 202, 204 und zwei Kommunikationsschnittstellen 203, 205 auf. Des Weiteren umfasst die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 einen Energiespeicher 5 (Kondensator oder Batterie), der bei Bedarf zur Spannungsversorgung des Lenkwinkelsensors 23 und/oder der Auswerteeinheit 102 mit diesen Komponenten verbunden werden kann (über Schalter 51-53). Je nach Stellung der Schalter 51-53 erfolgt zudem eine Aufladung des Energiespeichers 5 mittels der Spannungsversorgungen 202, 204. Der Energiespeicher 5 ist jedoch optional. Denkbar ist auch eine modulare Ausführung des Energiespeichers 5 und der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit 20, wobei der Energiespeicher 5 z.B. erst bei Bedarf mit der zweiten Lenkwinkelsensoreinheit 20 verbunden wird.
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Gemäß 3 ist die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 in oder an einem Lenkrad oder einer sonstigen bewegbaren, insbesondere rotierbaren, Komponente eines Lenksystems des Fahrzeugs angeordnet, während die erste Lenkwinkelsensoreinheit 10 fahrzeugfest montiert ist. Es wäre natürlich auch der umgekehrte Fall denkbar, dass die zweite Lenkwinkelsensoreinheit 20 fahrzeugfest und die erste Lenkwinkelsensoreinheit 10 bewegbar angeordnet sind.
