DE102020116898A1

DE102020116898A1 - Elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges sowie Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020116898A1
Application number: DE102020116898.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Reinschke; Tobias Barzen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2022-01-13
Also published as: WO2021259413A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Lenkvorrichtung. Elektrische Lenkvorrichtungen werden neben anderen Vorteilen eingesetzt, um Fahrzeuge gegenüber solchen mit mechanischen Lenkvorrichtungen einfacher im Aufbau zu gestalten oder mit weniger Bauteilen trotzdem eine sichere Lenkverbindung zu realisieren und dem Bediener eine realistische und sichere Rückmeldung für das Lenkverhalten des Fahrzeugs zu vermitteln. Dazu sind verschiedene elektrische Lenkvorrichtungen bekannt, bei denen das sichere Rückmeldeverhalten aufwendig realisiert werden muss. Es wird eine elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges vorgeschlagen, welche mit einer Drehaufnahme und einem der Drehaufnahme zugeordneten Lenkrad sowie einem Elektromotor, welcher zur Abgabe eines Drehmomentes auf das Lenkrad mit diesem wirksam verbunden ist, einem Speicher und einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors ausgestattet ist, wobei eine Übertragungsfunktion mittels einer Vermessung eines Übertragungsverhaltens der Lenkvorrichtung bei einem Betriebszustand des Fahrzeugs und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt wurde und im Speicher zur Ansteuerung des Elektromotors abgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges mit einer Drehaufnahme und einem der Drehaufnahme zugeordneten Lenkrad sowie einem Elektromotor, welcher zur Abgabe eines Drehmomentes auf das Lenkrad mit diesem wirksam verbunden ist, einem Speicher und einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer elektrischen Lenkvorrichtung.
Elektrische Lenkvorrichtungen dienen - unter anderem in Kraftfahrzeugen - dazu, einen Richtungswunsch eines Fahrers entgegenzunehmen und in entsprechende Bewegungen eines oder mehrerer Räder umzusetzen. Gegenüber rein mechanischen Lenkvorrichtungen unterscheidet man bei elektrischen Lenkvorrichtungen zwischen elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen sowie vollständig elektrischen Lenkvorrichtungen, sogenannten „Steer-by-Wire“-Lenkvorrichtungen. Insbesondere diese Steer-by-Wire-Lenkvorrichtungen haben den Vorteil, dass die Bedieneinheit unabhängig von mechanischen Verbindungskomponenten relativ frei innerhalb des Fahrzeuges positioniert werden kann, was neben einer Kostenersparnis bei der Unterscheidung von z.B. rechts- und linksgelenkten Fahrzeugen zudem zu einem verbesserten Unfallverhalten durch Fehlen einer Lenksäule führt. Es sind dazu verschiedene elektrische Lenkvorrichtungen bekannt.
Die US 625041 B1 offenbart eine elektrisch unterstützte Lenkvorrichtung mit einer Lenkeinheit, welche ein Lenkrad und eine Lenksäule sowie einen Elektromotor und einen Drehmomentsensor aufweist, wobei die Übertragungsfunktion für die Ansteuerung des Elektromotors während des laufenden Betriebs der Lenkvorrichtung mittels eines Reglers angepasst wird. Diese Lenkvorrichtung weist den Nachteil auf, dass die Sensordaten für die Rückmeldung an den Fahrer direkt durch dessen Einflussnahme auf das Lenkrad beeinflusst werden und dadurch fehleranfällig sind. Dieser Fehleranfälligkeit muss durch technischen Aufwand begegnet werden.
In Koch: „Untersuchungen zum Lenkgefühl von Steer by Wire Lenksystemen“ (2010 wird das aktuierte Gegenmoment am Lenkrad mit einer Regelschleife erzeugt, die das Soll-Gegenmoment mit einem Messwert des Drehmoments am Lenkrad vergleicht und entsprechend das Soll- und Ist-Moment eines Force-Feedback-Aktuators, welcher ein Aktuator für die mechanische Rückmeldung an den Fahrer ist, stellt. Bei dieser Methode beeinflusst der Messwert des Drehmomentes am Lenkrad direkt das Ist-Moment des Force-Feedback-Aktuators. Ein fehlerhaftes, insbesondere zu hohes Force-Feedback-Moment kann hier zu fatalen Folgen und Kontrollverlust des Fahrers führen, weswegen der Messwert des Drehmoments am Lenkrad eine hohe Integrität (ASIL D) aufweisen muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges mit einer Drehaufnahme und einem der Drehaufnahme zugeordneten Lenkrad sowie einem Elektromotor, welcher zur Abgabe eines Drehmomentes auf das Lenkrad mit diesem wirksam verbunden ist, einem Speicher und einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei eine Übertragungsfunktion mittels einer Vermessung eines Übertragungsverhaltens der Lenkvorrichtung bei einem Betriebszustand des Fahrzeuges und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt wurde und im Speicher zur Ansteuerung des Elektromotors abgelegt ist.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges mit einer Drehaufnahme und einem der Drehaufnahme zugeordneten Lenkrad sowie einem Elektromotor, welcher zur Abgabe eines Drehmomentes auf das Lenkrad mit diesem wirksam verbunden ist, einem Speicher und einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei eine Übertragungsfunktion von einem Soll-Motormoment des Elektromotors zu einem Ist-Drehmoment am Lenkrad mittels einer Vermessung eines Übertragungsverhaltens der Lenkvorrichtung bei einem Betriebszustand des Fahrzeugs und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt wurde und im Speicher zur Ansteuerung des Elektromotors abgelegt ist.
Hierdurch wird es ermöglicht, eine Übertragungsfunktion derart im Speicher abgelegt vorzuhalten, dass eine bestmögliche Rückmeldung für zum Beispiel einen Fahrer des Fahrzeuges gemäß der Charakteristik der Lenkvorrichtung möglich ist. Die Übertragungsfunktion reflektiert dabei bestmöglich die erwünschte Rückmeldungscharakteristik, so dass eine sichere Rückmeldung für z.B. den Fahrer auch ohne verlässliche Sensorsignale wie von z.B. einem Drehmomentsensor am Lenkrad möglich ist.
Neben der Ausfallsicherheit der Lenkvorrichtung bei Ausfall eines Sensorsignals, welches z. B. das Signal eines Drehmomentsensors eines Lenkrades sein kann, ist es zudem möglich den entsprechenden Sensor mit niedrigerem Integritätslevel auszuführen. Ein Sensor mit einem niedrigeren Integritätslevel als ASIL D kann mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Lenkvorrichtung verwendet werden, ohne dass das Sicherheitsniveau der Lenkvorrichtung insgesamt abnimmt.
Folgende Begriffe seien an dieser Stelle erläutert:

Eine „Drehaufnahme“ kann hierbei sowohl eine drehbare Lagerung wie z.B. ein Rillenkugellager, eine Gleitlagerbuchse oder eine vergleichbare Einrichtung sein, um die drehbewegliche jedoch im Wesentlichen raumfeste Aufnahme eines Gegenstandes, nämlich hier eines Lenkrades, zu ermöglichen. Weiterhin kann eine Drehaufnahme auch andere Elemente als nur z.B. eine Lagerung umfassen und weitere Funktionen bereitstellen.

Ein „Lenkrad“ ist jedes Element, das geeignet ist, eine Eingabe eines Bedieners, z.B. eines Fahrers des Fahrzeuges, bezüglich dessen Wunsch für einen Richtungswechsel oder die Beibehaltung einer gefahrenen Richtung entgegenzunehmen. Bevorzugt ist ein solches „Lenkrad“ in Form eines Lenkkranzes im Wesentlichen rund ausgebildet und weist eine Speiche oder mehrere Speichen zur Verbindung des Lenkkranzes mit der Drehaufnahme auf. Denkbare wäre es jedoch auch, dass statt eines Lenkkranzes auch ein anderes Element zur Eingabe wie z.B. ein Steuerrad, eine Form eines Steuerknüppels oder Joysticks Verwendung findet.
Ein „Elektromotor“ ist eine elektromotorische Einheit, welche aus einem elektrischen Eingangssignal wie z.B. einer Spannung und eines Stroms durch Umsetzung der darin enthaltenen Energie eine mechanische Wirkung wie z.B. eine lineare oder polare Bewegung, also eine geradlinige Bewegung oder eine Drehung vollführt oder eine Kraft oder ein Drehmoment auf eine weitere Einrichtung oder ein weiteres Bauteil ausübt.
Ein „Speicher“ kann jedes Medium sein, dass eine Information oder mehrere Informationen aufnehmen, in sich über eine bestimmte Zeitdauer oder auch dauerhaft erhalten und später wieder abgeben kann und damit z.B. einem weiteren Bauteil oder Schaltelement oder einem weiteren System diese Information zur Weiterverarbeitung zugänglich machen kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen elektronischen Halbleiterspeicher handeln, wobei auf diesen mikroelektronischen Speicherstrukturen und/oder integrierte Schaltkreise zur Aufnahme einer Information oder mehrerer Informationen aufgebracht sind. Weiterhin kann der Speicher einen Anschluss oder mehrere Anschlüsse, z.B. elektrische Kontaktierungspunkte, zur Aufnahme und/oder Abgabe der Informationen und zur Aufnahme und/oder Abgabe von Steuerbefehlen aufweisen. Beispielhaft seien hier CMOS-Speicher sowie Solid-State-Speicher genannt, es kann aber auch jeder andere im Sinne dieser Definition geeignete Speicher verwendet sein.
Eine „Steuereinheit“ ist jede Einrichtung, die dazu geeignet ist, Steuerbefehle abzugeben und je nach Ausführungsform auch Informationen von anderen Systemen, Baugruppen oder z.B. Sensoren aufzunehmen, zu verarbeiten und die Steuerbefehle in Abhängigkeit von diesen Informationen, z.B. einem Signal eines Sensors zu beeinflussen. Dabei kann es sich sowohl um eine Steuerung im regelungstechnischen Sinne, also eine Signalabgabe ohne Rückkopplung der damit ausgelösten Konsequenzen als auch eine Regelung im regelungstechnischen Sinne, also eine Signalabgabe in Abhängigkeit von einer Information sowie der Rückkopplung einer der damit ausgelösten Konsequenz (geschlossener Regelkreis) handeln. Eine solche Steuereinheit kann z.B. ein Microcontroller, ein integrierter Schaltkreis oder ein programmierbarer Regelbaustein sein.
Eine „Übertragungsfunktion“ ist jede mathematische Funktion, die geeignet ist, eine Übertragung von Informationen eindeutig zu beschreiben und damit eine eindeutige Zuordnung von bestimmten Eingangsgrößen zu bestimmten Ausgangsgrößen mittels dieser Übertragungsfunktion zuzulassen. Die konkrete Zuordnung der jeweiligen Eingangsgrößen zu den jeweiligen Ausgangsgrößen für einen bestimmten Arbeitsbereich wird im Allgemeinen als „Übertragungsverhalten“ bezeichnet.
Die „Ansteuerung“ bezeichnet die Zuleitung von Informationen, Daten oder z.B. elektrischen Signalen derart, dass eine bestimmte, vorhersehbare und gewünschte Konsequenz im Verhalten der angesteuerten Instanz entsteht.
Die „Vermessung“ bezeichnet die zielgerichtete Ermittlung und Dokumentation von Parametern, Verhaltensweisen oder Abhängigkeiten der Reaktion eines Systems auf unterschiedliche Eingangsgrößen und/oder Betriebszustände. Im Sinne der Erfindung kann diese Vermessung vor allem dann erfolgen, wenn das Fahrzeug noch nicht in Betrieb genommen ist, also bei Herstellung oder z.B. Endabnahme der Lenkvorrichtung während der Fertigung eines Fahrzeuges. Weiterhin ist eine solche Vermessung nach Umbau oder Reparatur der Lenkvorrichtung durchführbar, so dass einer veränderten Lenkvorrichtung mit einem veränderten Übertragungsverhalten Rechnung getragen werden kann. Das so vermessene neue Übertragungsverhalten wird dann in Form der neu vermessenen Übertragungsfunktion im Speicher abgelegt.
Ein „Betriebszustand“ ist ein Zustand der Lenkvorrichtung oder des Fahrzeuges, welcher durch bestimmte Parameter definiert wird, wobei genau ein Betriebszustand durch genau einen bestimmten Satz von Parametern definiert ist.
In einer Ausführungsform sind mehrere Übertragungsfunktionen mittels einer Vermessung jeweils eines Übertragungsverhaltens bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt und im Speicher abgelegt, wobei eine dieser Übertragungsfunktionen zur Ansteuerung des Elektromotors auswählbar ist.
Durch die Vermessung des Übertragungsverhaltens bei unterschiedlichen Betriebszuständen kann eine direkte Korrelation dieses Übertragungsverhaltens zu diesem Betriebszustand ermittelt werden, welche dann eine Zuordnung während der Verwendung der Lenkvorrichtung ermöglicht. Dadurch wird die Rückmeldung an den Bediener derart durchführbar, dass ein komfortables Lenkgefühl für den jeweiligen Betriebszustand entsteht. Ein solcher Betriebszustand kann z.B. das Verhalten der Lenkvorrichtung nach einigen Jahren Alterung wiederspiegeln. Die zugeordnete Übertragungsfunktion ist dann die „aktive“ Übertragungsfunktion, die zur Definition des Übertragungsverhalten verwendet wird.
Damit einer Mehrzahl von Betriebszuständen oder einem einzelnen Betriebszustand ein bestimmtes Verhalten der Lenkvorrichtung zugeordnet werden kann, und dadurch eine Rückmeldung an den Bediener derart durchführbar wird, dass ein komfortables Lenkgefühl für verschiedene Betriebszustände oder sämtliche Betriebszustände entsteht, ist die Übertragungsfunktion oder eine der Übertragungsfunktionen für die Ansteuerung des Elektromotors mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit eines Sensorsignals ausgewählt.
Ein „Sensorsignal“ ist dabei jedes Signal einer Einrichtung oder eines technischen Bauteils, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z.B. Wärmemenge, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Helligkeit, Kraft, Drehmoment, Beschleunigung) in seiner Umgebung qualitativ oder quantitativ als Messgröße erfassen kann („Sensor“). Der Sensor erfasst diese Größe mittels eines physikalischen oder chemischen Effekts und wandelt die jeweils erfasste Größe in ein zumeist elektrisches Signal - das Sensorsignal - um, welches in seiner Ausprägung dann in Korrelation zu der gemessenen Größe steht. Die konkrete Ausprägung der Ausgabe dieser Messgröße für die jeweils abgebildete konkrete physikalische oder chemische Eigenschaft wird als Messwert bezeichnet. Ein solcher Sensor kann also z.B. ein PT100-Temperatursensor, ein Wärmetönungssensor zur Messung von chemischen Stoffen oder ein anderer Sensor sein, der geeignet ist, die jeweils gewünschte Eigenschaft zu messen und zur Verfügung zu stellen. Das Sensorsignal wird dann z.B. in Form einer Spannung ausgegeben.
In einer weiteren Ausführungsform korreliert oder korrelieren eine ausgewählte Übertragungsfunktion, weitere ausgewählte Übertragungsfunktionen oder sämtliche ausgewählte Übertragungsfunktionen mit einem bestimmten Sensorsignal, welches einem bestimmten Betriebszustand der Lenkvorrichtung zugeordnet ist.
Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, einen Betriebszustand, verschiedene Betriebszustände oder sämtliche Betriebszustände mittels eines Sensorsignals auszuwählen und damit dem Bediener für einen Betriebszustand, verschiedene Betriebszustände oder sämtliche Betriebszustände eine Rückmeldung, z.B. in Form eines Fahrgefühls zu vermitteln, welches dem durch den Sensor ermittelten Betriebszustand bestmöglich entspricht.
Um die Ermittlung einer jeweiligen Übertragungsfunktion bestmöglich durchführen und regelungstechnisch definiert abbilden zu können, wird oder werden eine Übertragungsfunktion, mehrere Übertragungsfunktionen durch Messung des Frequenzganges des einen Übertragungsverhaltens oder der mehreren Übertragungsverhalten der Lenkvorrichtung ermittelt.
In einer Ausführungsform wird zur Ansteuerung des Elektromotors eine Übertragungsfunktion vom Soll-Drehmoment am Lenkrad zum Soll-Motormoment des Elektromotors verwendet, die die Übertragungsfunktion vom Soll-Motormoment zum Ist-Drehmoment am Lenkrad im für die Motoransteuerung relevanten Frequenzbereich invertiert oder näherungsweise invertiert.
In einer weiteren Ausführung ist der Sensor ein Temperatursensor und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehmomentsensor, sodass das Sensorsignal mit einer Temperatur und/oder mit einem dynamischen Anregungsverhalten der Lenkvorrichtung korreliert.
Damit kann eine Temperatur, z.B. die Betriebstemperatur der Lenkeinheit und/oder ein dynamisches Verhalten der Lenkeinheit, z.B. nach Alterung derselben, direkt als Auswahlkriterium für die Bestimmung eines Betriebszustandes herangezogen werden und damit eine Abstimmung der Lenkeinheit auf diesen Betriebszustand erfolgen. Die Temperatur mit und ohne Zusammenhang zu einem dynamischen Anregungsverhalten der Lenkeinheit haben sich unter anderen Kriterien als charakteristisch für die Bestimmung eines solchen Betriebszustandes erwiesen.
Ein „Temperatursensor“ kann dabei jedes Element sein, welches eine Temperatur als Messgröße derart verarbeitet, dass ein elektrisches oder anderweitiges eindeutiges Ausgangssignal von diesem erzeugt wird, welches einer weiteren Instanz, z.B. einer Auswerteeinheit oder einer Steuereinheit zur Verarbeitung zugeleitet wird und von dieser Instanz eindeutig zur Bestimmung einer Temperatur genutzt werden kann. Dies kann z.B. ein PT-100-Temperatursensor mit zwei Anschlusskabeln sein.
Ein „Beschleunigungssensor“ kann jeder Sensor sein, der eine lineare oder auch rotatorische Beschleunigung aufnehmen und auswerten sowie in ein elektrisches oder gleichwertiges Ausgangssignal überführen kann und dieses einer weiteren Instanz, z.B. einer Auswerteeinheit oder einer Steuereinheit so zugänglich macht, dass diese Instanz die Information zur Bestimmung einer linearen oder rotatorischen Beschleunigung nutzen kann.
Ein „Drehmomentsensor“ kann dabei jeder Sensor sein, der ein Drehmoment, z.B. das vom Benutzer auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmoment am Lenkrad an diesem oder an einer Lenksäule oder einem anderen Teil der Lenkvorrichtung aufnehmen und in ein elektrisches oder gleichwertiges Ausgangssignal überführen kann und dieses einer weiteren Instanz, z.B. einer Auswerteeinheit oder einer Steuereinheit so zugänglich macht, dass diese Instanz die Information zur Bestimmung des Drehmomentes nutzen kann.
Um eine zeitlich optimierte und zuverlässige Bestimmung einer Übertragungsfunktion oder mehrerer Übertragungsfunktionen des Übertragungsverhaltens durchführen zu können, wird oder werden eine Übertragungsfunktion, weitere Übertragungsfunktionen oder sämtliche Übertragungsfunktionen durch Lösung eines H-unendlich-Optimierungsproblems, insbesondere einer Wichtungsfunktion des ermittelten Übertragungsverhaltens, ermittelt.
In einer zusätzlichen Ausführung erfolgt ein Umschalten von einer Übertragungsfunktion zu einer anderen Übertragungsfunktion ruckfrei.
Ein solches ruckfreies Umschalten ermöglicht es, ein Umschalten zwischen verschiedenen Übertragungsfunktionen so durchzuführen, dass ein Bediener diesen Vorgang nicht oder so wenig wie möglich spüren oder auf andere Weise wahrnehmen kann. Damit ist eine besonders komfortable Ausführung der Lenkvorrichtung darstellbar.
Um das Lenkrad bestmöglich im Fahrzeug aufzunehmen und zusätzlich die Möglichkeit für z.B. die Installation einer Rückfallebene in Form einer mechanischen Lenkverbindung umzusetzen, ist die Drehaufnahme als Lenksäule ausgebildet. Diese Lenksäule kann dabei eine vollständige, teilweise oder sehr kurz ausgeführte Lenksäule sein welche dann als vollständige Lenksäule z.B. eine mechanische Lenkverbindung zu einem oder mehreren Rädern als Rückfallebene für den Ausfall der elektrischen Lenkverbindung bildet. Weiterhin kann die als Lenksäule ausgebildete Drehaufnahme auch zur Adaption von weiteren Sensoren, zur mechanischen Anbindung von Aktuatoren oder vergleichbare Zwecke genutzt werden.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einer Lenkvorrichtung der verschiedenen Ausführungen wie oben genannt. Ein Fahrzeug mit einer solchen Lenkvorrichtung weist alle Vorteile auf, die für die einzelnen Ausführungen genannt wurden und bindet die Lenkvorrichtung so ein, dass ein Bediener mit größtmöglichem Komfort dieses Fahrzeug führen kann.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Handmomentensteuerung einer elektrischen Lenkvorrichtung und
2 eine schematische Darstellung einer Übertragungsstrecke für eine elektrische Lenkvorrichtung.

Eine Handmomentensteuerung 101 kann Teil eines nicht gezeigten Kraftfahrzeuges sein und umfasst ein Lenkrad 103, eine Lenksäule 105 sowie einen Motor 107. Das Lenkrad 103 ist auf der Lenksäule 105 drehfest montiert und so angeordnet, dass beide eine gemeinsame gedachte Drehachse haben. Weiterhin ist der Motor 107 mittels einer Motorwelle 109 und eines Getriebes 111 wirksam mit der Lenksäule 105 verbunden. Der Motor 107 kann damit ein Drehmoment auf das Lenkrad 103 übertragen.
Weiterhin ist ein Drehmomentsensor 113 an der Lenksäule 105 angebracht, um das auf die Lenksäule 105 wirkende Drehmoment zu erfassen sowie ein Winkelsensor 115, um die Winkelposition der Lenksäule 105 und damit auch die Winkelposition des Lenkrades 103 zu erfassen.
Die Einheit aus Lenkrad 103, Lenksäule 105, Motor 107, Motorwelle 109, Getriebe 111, dem Drehmomentsensor 113 und dem Winkelsensor 115 ist damit geeignet, von einem nicht gezeigten Fahrer Richtungseingaben durch die Drehung des Lenkrades 103 entgegenzunehmen und mittels des Motors 107 und dessen oben beschriebene Wirkverbindung zum Lenkrad 103 mittels einem vom Motor 107 abgegebenen Drehmomentes eine Rückmeldung in Form eines beeinflussbaren Lenkwiderstands abzugeben.
Ein Signal, nämlich die Information zur Lenkwinkelstellung 151 vom Winkelsensor 115, wird an einen Lenkwiderstandsgeber 133 sowie an einen Lenkradendschalter 129 geleitet.
Ein Fahrbahnrückmeldungsgeber 135 erhält von einer nicht dargestellten Radstelleinheit ein Signal mit der Information zur Radrückmeldung 137 und wertet daraus die notwendigen simulierten Rückstellmomente für die Handmomentensteuerung 101 aus. Ein entsprechendes Signal wird an einen Lenkmomentpriorisierer 127 weitergeleitet.
Die Signale des Lenkwiderstandsgebers 133 sowie des Fahrbahnrückmeldungsgebers 135 werden im Lenkmomentpriorisierer 127 ausgewertet und daraus eine Information gebildet, die das sich aus Drehwinkel und Fahrbahnrückmeldung ergebende notwendige Gegenmoment am Lenkrad 103 enthält. Diese Information wird einem Zielmomentpriorisierer 125 zugeleitet.
Der Lenkradendschalter 129 erfasst aus den Informationen des Winkelsensors 115 je nach Winkelstellung des Lenkrads 103 die Winkelstellung, an dem das Lenkrad 103 an einen virtuellen oder realen Endanschlag läuft oder laufen würde und gibt diese Information ebenfalls an den Zielmomentpriorisierer 125 weiter.
Ein Radanschlagschalter 131 erhält Signale zur Lenkwinkelrückmeldung 139 sowie zum Ziellenkwinkel der nicht gezeigten Radstelleinheit und bildet aus diesen ein Signal, das die Information zum Erreichen eines maximalen Ausschlags der Radstelleinheit enthält und leitet diese an den Zielmomentpriorisierer 125 weiter.
Der Zielmomentpriorisierer 125 bestimmt aus den Signalen des Lenkmomentpriorisierers 127, des Lenkradendschalters 129 und des Radanschlagschalter 131 ein Lenkradzieldrehmoment 149, welches dann an eine Motordrehmomentsteuerung 123 geleitet wird.
Der Zielmomentpriorisierer 125 sowie der Lenkmomentpriorisierer 127 priorisieren dabei innerhalb einer CAN-Bus-Umgebung die Sequenz einkommender Signalpakete um Überschneidungen und Überschreibungen zu verhindern.
Der Motordrehmomentsteuerung 123 wird außerdem ein Signal mit der Information zum Lenkradmoment 143 zugeleitet sowie ein Motorvorgabedrehmoment 145 von einem Motordrehmomentregler 121. Die Motordrehmomentsteuerung 123 wertet das Motorvorgabedrehmoment 145 und das Lenkradmoment 143 aus und ermittelt daraus ein Motorzieldrehmoment 147, welches an den Motordrehmomentregler 121 geleitet wird. Damit entsteht ein geschlossener Regelkreis zur Regelung des Motorzieldrehmomentes 147.
Der Motordrehmomentregler 121, die Motordrehmomentsteuerung 123, der Zielmomentpriorisierer 125, der Lenkmomentpriorisierer 127, der Lenkradenschalter 129 sowie der Radanschlagschalter 131 sind als Microcontroller 153 gemeinsam ausgeführt und in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) angeordnet.
Das Ausgangssignal des Microcontrollers wird in Form eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) abgegeben und entspricht dem Ansteuerungssignal für den Motor 107. Dieses PWM-Signal wird einer Leistungsansteuerung 119 zugeleitet und durch diese Leistungsansteuerung 119 eine Leistungselektronik 117 für den Motor 107 geregelt, welche die notwendige Leistung für den Motor 107 bereitstellt. Dabei wird in der Übertragungsstrecke aus dem Microcontroller 153, der Leistungsansteuerung 119 und der Leistungselektronik 117 lediglich die notwendige Energie bereitgestellt, um den Motor 107 zu betreiben. Eine Verfälschung des Inhalts des PWM-Signals des Microcontrollers 153 wird bestmöglich vermieden.
Mittels der von der Leistungselektronik 117 bereitgestellten elektrischen Leistung und dem Motor 107 wird dann ein entsprechend der Eingangssignale des Microcontrollers 137, 139, 141 und 143 berechnetes Lenkmoment an das Lenkrad 103 abgegeben. Somit erhält der Fahrer eine Rückmeldung zum jeweiligen Fahrzustand (siehe 1).
Eine Übertragungsstrecke 201 ist ein Bestandteil der Handmomentensteuerung 101. Die Übertragungsstrecke 201 umfasst ein Lenkrad 203, eine Lenksäule 205 sowie einen Motor 207. Das Lenkrad ist auf der Lenksäule 205 drehfest montiert und so angeordnet, dass beide eine gemeinsame gedachte Drehachse haben. Weiterhin ist der Motor 207 mittels einer Motorwelle 209 und eines Getriebes 211 wirksam mit der Lenksäule 205 verbunden. Der Motor 207 kann damit ein Drehmoment auf das Lenkrad 203 übertragen.
Weiterhin ist ein Drehmomentsensor 213 an der Lenksäule 205 angebracht, um das auf die Lenksäule 205 wirkende Drehmoment zu erfassen sowie ein Winkelsensor 215, um den Winkel der Lenksäule 205 und damit des Lenkrades 203 zu erfassen.
Die Einheit aus Lenkrad 203, Lenksäule 205, Motor 207, Motorwelle 209, Getriebe 211, dem Drehmomentsensor 213 und dem Winkelsensor 215 ist damit geeignet, von einem nicht gezeigten Fahrer Richtungseingaben durch die Drehung des Lenkrades 203 entgegenzunehmen und mittels des Motors 207 und dessen oben beschriebene Wirkverbindung zum Lenkrad 203 mittels einem vom Motor 207 abgegebenen Drehmomentes eine Rückmeldung in Form eines beeinflussbaren Lenkwiderstands abzugeben.
Ein Motorzielmoment 247 wird einem Motordrehmomentregler 221 zugeleitet und von diesem in Form eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) abgegeben und entspricht dem Ansteuerungssignal für den Motor 207. Dieses PWM-Signal wird einer Leistungsansteuerung 219 zugeleitet und durch diese Leistungsansteuerung 219 eine Leistungselektronik 217 für den Motor 207 geregelt, welche die notwendige Leistung für den Motor 207 bereitstellt. Dabei wird in der Übertragungsstrecke aus dem Motordrehmomentregler 221, der Leistungsansteuerung 219 und der Leistungselektronik 217 lediglich die notwendige Energie bereitgestellt, um den Motor 207 zu betreiben. Eine Verfälschung des Inhalts des PWM-Signals wird bestmöglich vermieden.
Die Übertragungsstrecke 201 ist in Ihrem Verhalten Abhängig von verschiedenen Parametern wie z.B. der Umgebungstemperatur oder der Art der dynamischen Anregung. Weiterhin ist diese Übertragungsstrecke 201 in Ihrem Verhalten abhängig von der Alterung der Lenkvorrichtung. Der Frequenzgang des Motorzieldrehmoments 247 ist vermessen für eine Gesamtheit von verschiedenen Betriebszuständen wie vorig genannt und zu jedem Frequenzgang ist eine lineare Übertragungsfunktion G, die den gemessenen Frequenzgang hinreichend gut approximiert, ermittelt.
Bei starker Unterscheidung der ermittelten Übertragungsfunktionen G ist eine Auswahl der Übermittelten Übertragungsfunktionen G(s) getroffen, wobei s die komplexe Frequenz darstellt.
Der Amplitudenfrequenzgang des Motorzieldrehmomentes 247 ist ermittelt. Daraus ist eine Wichtungsfunktion W(s) bestimmt, deren Amplitudenfrequenzgang den typischen Amplitudenfreqenzgang des Motorzieldrehmomentes 247 annähert. Die Wichtungsfunktion ||W(jῶ)|| muss dabei für ῶ→∞ gegen Null streben.
Für jede ausgewählte Übertragungsfunktion G(s) ist die näherungsweise inverse Übertragungsfunktion M(s):=(G(s))^(-1) bestimmt durch Lösen des Standard-H-unendlich-Optimierungsproblems. $M (s) : = arg min ‖ W (s) \cdot (M (s) \cdot G (s) - 1) ‖ \infty$
mit der Nebenbedingung, dass M(s) ∈ H∞
Die vorherigen Schritte erfolgen jeweils vor einer Inbetriebnahme der Handmomentensteuerung 101 bzw. der Überragungsstrecke 201. Die so ermittelten Übertragungsfunktionen sind innerhalb einer Motordrehmomentsteuerung 123 abgelegt und werden bei Betrieb der Handmomentensteuerung 101 in Abhängigkeit von der Ermittlung der Betriebsparameter innerhalb des Microcontrolers 153 ausgewählt.
Eine elektrische Lenkvorrichtung ist in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) angeordnet und umfasst die Handmomentensteuerung 101 gemäß der obigen Beschreibung. Ein Fahrer sitzt so im Fahrzeug, dass er das Lenkrad 103, mit den Händen greifen kann und so das Fahrzeug lenkt. Während der Fahrer lenkt erfährt er von der elektrischen Lenkvorrichtung eine Rückmeldung in Form eines Gegendrehmomentes, welches er als einen Lenkwiderstand wahrnimmt. Diese Rückmeldung ist gebildet aus einer Straßenrückmeldung, einer Rückmeldung zu einem möglichen Lenkanschlag, einer Rückmeldung zu einem möglichen Radanschlag und einer Reaktion der elektrischen Lenkvorrichtung auf das Lenkraddrehmoment.
Wird nun während einer Wartung der Lenkvorrichtung eine Veränderung des Übertragungsverhaltens der Handmomentensteuerung 101 in der elektrischen Lenkvorrichtung festgestellt, so kann eine neue Übertragungsfunktion oder eine Mehrzahl von neuen Übertragungsfunktionen innerhalb der Motordrehmementsteuerung 123 gemäß der oben dargelegten Methode vermessen und danach abgelegt werden. Damit ist das Übertragungsverhalten der Lenkvorrichtung dann wieder mit hohem Komfort und hoher Sicherheit hergestellt.
Fällt nun z.B. der Drehmomentsensor 113 aus oder ist mit einer geringen Zuverlässigkeit im Sinne eines geringen Sicherheitsniveaus ausgewählt, so kann die Lenkvorrichtung durch die korrekte Auswahl einer passenden Übertragungsfunktion dennoch sicher betrieben werden.
Bezugszeichenliste

101: Handmomentensteuerung
103: Lenkrad
105: Lenksäule
107: Motor
109: Motorwelle
111: Getriebe
113: Drehmomentsensor
115: Winkelsensor
117: Leistungselektronik
119: Leistungsansteuerung
121: Motordrehmomentregler
123: Motordrehmomentsteuerung
125: Zielmomentpriorisierer
127: Lenkmomentpriorisierer
129: Lenkradendschalter
131: Radanschlagsensor
133: Lenkwiderstandsgeber
135: Fahrbahnrückmeldungsgeber
137: Radrückmeldung
139: Lenkwinkelrückmeldung
141: Ziellenkwinkel
143: Lenkradmoment
145: Motorvorgabedrehmoment
147: Motorzieldrehmoment
149: Lenkradzieldrehmoment
151: Lenkwinkelstellung
153: Microcontroller
201: Übertragungsstrecke
203: Lenkrad
205: Lenksäule
207: Motor
209: Motorwelle
211: Getriebe
213: Drehmomentsensor
215: Winkelsensor
217: Leistungselektronik
219: Leistungsansteuerung
221: Motordrehmomentregler
223: Motordrehmomentsteuerung
247: Motorzieldrehmoment

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

US 625041 B1 [0003]

Claims

Elektrische Lenkvorrichtung zum Steuern eines Fahrzeuges mit einer Drehaufnahme (105, 205) und einem der Drehaufnahme (105, 205) zugeordneten Lenkrad (103, 203) sowie einem Elektromotor (107, 207), welcher zur Abgabe eines Drehmomentes auf das Lenkrad (103, 203) mit diesem wirksam verbunden ist, einem Speicher und einer Steuereinheit (153) zur Ansteuerung des Elektromotors (107, 207), dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragungsfunktion mittels einer Vermessung eines Übertragungsverhaltens der Lenkvorrichtung bei einem Betriebszustand des Fahrzeugs und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt wurde und im Speicher zur Ansteuerung des Elektromotors (107, 207) abgelegt ist.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Übertragungsfunktionen mittels einer Vermessung jeweils eines Übertragungsverhaltens bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs und/oder der Lenkvorrichtung ermittelt und im Speicher abgelegt sind, wobei eine dieser Übertragungsfunktionen zur Ansteuerung des Elektromotors (107, 207) auswählbar ist.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Übertragungsfunktionen für die Ansteuerung des Elektromotors (107, 207) mittels der Steuereinheit (153) in Abhängigkeit eines Sensorsignals eines Sensors ausgewählt ist.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausgewählte Übertragungsfunktion, weitere ausgewählte Übertragungsfunktionen oder sämtliche ausgewählte Übertragungsfunktionen mit einem bestimmten Sensorsignal, welches einem bestimmten Betriebszustand der Lenkvorrichtung zugeordnet ist, korreliert oder korrelieren.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragungsfunktion oder mehrere Übertragungsfunktionen durch die Messung des Frequenzganges des einen Übertragungsverhaltens oder der mehreren Übertragungsverhalten oder aller Übertragungsverhalten der Lenkvorrichtung ermittelt ist oder sind.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperatursensor und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehmomentsensor ist, sodass das Sensorsignal mit einer Temperatur oder mit einem dynamischen Anregungsverhalten der Lenkvorrichtung korreliert.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragungsfunktion, weitere Übertragungsfunktionen oder sämtliche Übertragungsfunktionen durch Lösung eines H-unendlich-Optimierungsproblems ermittelt ist oder sind.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten von einer Übertragungsfunktion zu einer anderen Übertragungsfunktion ruckfrei erfolgt.
Elektrische Lenkvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehaufnahme (105, 205) eine Lenksäule (105, 205) ist.
Fahrzeug mit einer elektrischen Lenkvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9.