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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie einen Lenkungsaktuator für ein Kraftfahrzeug, welcher eine Positionssensorik umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung, welche für die Verwendung in einem Lenkungsaktuator eines Fahrzeugs geeignet ist.
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Die
DE 10 2018 129 119 A1 beschreibt einen für eine Hinterachslenkung konzipierten Fahrwerksaktuator, welcher eine Getriebeanordnung aufweist, die ein Rotativ-Rotativ-Getriebe und ein diesem nachgeschaltetes, zur Umsetzung einer Rotation in eine Linearbewegung vorgesehenes Getriebe, das heißt Rotativ-Linear-Getriebe, umfasst. An einem linear verschiebbaren Element der Getriebeanordnung des bekannten Fahrwerksaktuators sind zwei unabhängig voneinander funktionsfähige Sensoren angeordnet. Zusätzlich ist ein dem Fahrwerksaktuator zuzurechnender Elektromotor mit einem Rotorlagegeber ausgerüstet.
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Ein weiterer Aktuator für eine Hinterradlenkung eines Kraftfahrzeugs ist in der
DE 10 2015 206 678 A1 offenbart. Dieser Aktuator arbeitet mit zwei Drehwinkelsensoren.
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Eine in der
EP 1 245 473 A2 beschriebene Hinterradlenkung verarbeitet Signale verschiedener Sensoren, unter anderem eines Geschwindigkeitssensors, eines Sensors zur Erfassung des Einschlagwinkels der Vorderräder, sowie eines Sensors, der Informationen zur Fahrzeuglage liefert.
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Im Fall einer in der
WO 2009/156738 A1 beschriebenen Hinterradlenkung werden von einer Steuereinheit, die mehrere Aktuatoren ansteuert, unter anderem Signale eines ABS-Sensors sowie eines Türschalters verarbeitet.
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Die
US 6,057,682 A beschreibt eine Sensoranordnung, welche zur Erfassung sowohl einer Winkelausrichtung als auch einer linearen Position einer Welle vorgesehen ist. Die Sensoranordnung nach der
US 6,057,682 A ist für die Verwendung in einem Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs konzipiert.
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Die
US 5,877,568 A beschreibt einen Rotorlagesensor für eine elektrische Maschine. Hierbei ist eine Sensorplatine mit dem Stator der elektrischen Maschine verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte, für eine Fahrzeuglenkung geeignete Sensorik anzugeben, welche sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Funktionssicherheit und apparativem Aufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, sowie durch einen Lenkungsaktuator nach Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit den Vorrichtungen, das heißt der Sensoranordnung und dem Lenkungsaktuator, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt.
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Das Betriebsverfahren umfasst folgende Merkmale:
- - Bereitstellung einer Getriebeanordnung, welche ein Rotativ-Rotativ-Getriebe und ein diesem nachgeschaltetes Rotativ-Linear-Getriebe umfasst, wobei ein Rotativsensor zur Detektion der Winkellage eines Eingangselementes des Rotativ-Rotativ-Getriebes und ein Linearsensor zur Detektion der Lage eines Ausgangselementes des Rotativ-Linear-Getriebes ausgebildet ist,
- - Vergleich zwischen mittels der verschiedenen Sensoren, das heißt des Rotativsensors und des Linearsensors, gewonnenen Messdaten durch Kreuzkorrelation während des Betriebs der Getriebeanordnung.
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Der im Rahmen des Verfahrens durchgeführte Vergleich ermöglicht insbesondere die Korrektur von Messdaten eines Sensors. Eine solche Korrektur kann dazu dienen, eine Verzögerung des einen Signals, das heißt entweder des Signals des Rotativsensors oder des Signals des Linearsensors, in Relation zum Signal des anderen Sensors zu kompensieren. Ebenso ist auf Basis des vorgenommenen Vergleiches zwischen verschiedenen Sensordaten die Möglichkeit gegeben, Datenübertragungsfehler, die einen der Sensoren betreffen, zu eliminieren. Unabhängig vom Anlass und der Art der Korrekturen beziehen sich diese insbesondere auf mit Hilfe des Rotativsensors gewonnene Daten.
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Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Linearsensor mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit als der Rotativsensor korrekte Daten liefert. Zusammenhängend mit der gegebenen Übersetzung der Getriebeanordnung, welche ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Rotativ-Rotativ-Getriebe umfasst, ist die Auflösung des Rotativsensors jedoch in zahlreichen Anwendungsfällen höher als die Auflösung des Linearsensors. Durch die beim Betrieb der Sensoranordnung angewandte Kreuzkorrelation ist es möglich, das Signal des Rotativsensors bei Bedarf derart zu verschieben, dass die hohe Ortsauflösung des Rotativsensors mit der Robustheit und praktisch verzögerungsfreien Funktion des Linearsensors kombiniert wird.
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Bei Verstellvorgängen, die mittels der Sensoranordnung zu verfolgen sind, kann einer Zeitverzögerung eines Signals, insbesondere das Signal des Rotativsensors, ein örtlicher Versatz zugeordnet werden. Sowohl in zeitlicher als auch in örtlicher Hinsicht wird von einem Signaloffset gesprochen. Durch die Kreuzkorrelation wird jegliche Offset-Differenz zwischen dem Rotativsensor und dem Linearsensor erkannt. Im Idealfall stimmt der korrigierte Verlauf der Messdaten des einen Sensors, abgesehen von der Auflösung, mit den Messdaten des anderen Sensors überein, wobei sich die vorgenommenen Vergleiche auf Tabellen stützen können. Statt Signalwerte direkt miteinander zu vergleichen, ist es auch möglich, die Signalwerte zunächst zum Quadrat zu nehmen, womit negative Werte vermieden werden. In jedem Fall variieren die Ergebnisse der Kreuzkorrelation abhängig von der Verzögerung, die zwischen den verschiedenen Sensorsignalen gegeben ist.
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Denkbar sind Konstellationen, in denen beim Betrieb der Sensoranordnung eine plötzliche stufenweise Änderung eines Sensorsignals gegenüber dem anderen Sensorsignal auftritt. Theoretische Ursachen sind zum Beispiel das Überspringen eines Zahns bei einem Zugmittelgetriebe, welches als Rotativ-Rotativ-Getriebe eingesetzt wird, oder eine ausbleibende Detektion einer vollen Umdrehung auf der Eingangsseite des Rotativ-Rotativ-Getriebes. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, bei der Suche nach Verknüpfungen zwischen den verschiedenen Sensorsignalen eines der Sensorsignale in festgelegten Suchschritten zu versetzen, um schnellmöglich die Offset-Differenz zwischen den Signalen zu ermitteln.
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Das Betriebsverfahren spielt seine Vorteile insbesondere in Fällen aus, in denen die Getriebeanordnung alternierend in entgegengesetzte Richtungen verstellt wird, wobei eine Folge aus einer Verstellung in einer ersten Richtung und einer anschließenden Verstellung in die Gegenrichtung einen Verstellzyklus darstellt und Messdaten der verschiedenen Sensoren über mehrere Verstellzyklen hinweg gespeichert werden.
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Ein solcher Betrieb mit einer Vielzahl an Verstellzyklen ist insbesondere bei der Verwendung der Sensoranordnung in einem Lenkungsaktuator gegeben. Die Vielzahl an Verstellzyklen bietet die Basis für ein lernendes System. Im Rahmen eines solchen Systems sind während eines laufenden Verstellzyklus Korrekturen auf Basis einer Auswertung mehrerer vergangener Verstellzyklen mit Mitteln der künstlichen Intelligenz durchführbar.
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Die anmeldungsgemäße Sensoranordnung umfasst allgemein zwei Sensoren, nämlich einen Rotativsensor und einen Linearsensor, wobei der Rotativsensor zur Winkeldetektion eines rotierbaren Maschinenelementes und der Linearsensor zur Positionserkennung eines verschiebbaren Maschinenelementes vorgesehen ist und die beiden Maschinenelemente über eine Getriebeanordnung miteinander wirkverbunden sind. Die beiden Sensoren sind datentechnisch derart miteinander verknüpft, dass mittels der verschiedenen Sensoren über mehrere Verstellzyklen der Maschinenelemente hinweg erfasste Daten miteinander vergleichbar sind und hierbei eine Kreuzkorrelation zwischen den mittels der verschiedenen Sensoren erfassten Daten durchführbar ist.
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Die Funktionsweise der Sensoren kann prinzipiell auf jedem bekanntem Funktionsprinzip beruhen. Beispielsweise handelt es sich bei beiden Sensoren des Lenkungsaktuators um magnetische Sensoren. Ebenso sind zum Beispiel optische Sensoren für die Verwendung in dem Aktuator geeignet.
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Bei dem Rotativsensor kann es sich insbesondere um einen Multiturn-Sensor, das heißt einen Sensor, der eine Winkellage über mehrere Umdrehungen hinweg als Absolutwert erfasst, handeln. Die Funktionalität eines Multiturn-Sensors kann auch durch eine Kombination mehrerer Sensoren, einschließlich inkrementeller Sensoren und Mittel zum Zählen ganzer Umdrehungen, hergestellt werden.
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Bei dem Lenkungsaktuator, der die anmeldungsgemäße Sensoranordnung umfasst, handelt es sich insbesondere um einen Aktuator einer Hinterachslenkung. Ebenso kann der Lenkungsaktuator in einem System zur Lenkung der Vorderräder, insbesondere in einem steer by wire System, zum Einsatz kommen. Eine steer by wire Lenkung zeichnet sich dadurch aus, dass keine mechanische, sondern lediglich eine datentechnische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern existiert. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Lenkung mit mechanischer Zwangskopplung zwischen Lenkrad und Rädern sind bei einer Lenkung, die einen Lenkbefehl lediglich über eine Datenleitung übermittelt, weit weniger Restriktionen hinsichtlich der Nutzung des im Fahrzeug vorhandenen Bauraums zu beachten. Diese gestalterische Freiheit, welche bei einer steer by wire Lenkung gegeben ist, kann unter anderem zur Optimierung des Crashverhaltens genutzt werden. Im vorliegenden Fall ist durch die geschickte Verknüpfung verschiedener Sensoren, nämlich eines Winkel- und eines Lagesensors, eine extrem hohe Zuverlässigkeit einer steer by wire Lenkung bereits mit einer sehr geringen Anzahl an Sensoren erreichbar.
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Als Rotativ-Linear-Getriebe des Lenkungsaktuators sind verschiedenste an sich bekannte Getriebetypen, die eine Rotation in eine lineare Bewegung umsetzen, beispielsweise Kugelgewindetriebe oder Planetenwälzgetriebe, geeignet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 10 2019 103 384 A1 ,
DE 10 2017 124 386 A1 und
DE 10 2019 125 310 A1 hingewiesen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
- 2 in einem Schaubild ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung der Hinterachslenkung nach 1.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Hinterachslenkung eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs umfasst einen Lenkungsaktuator 2, bei welchem es sich um einen elektromechanischen Aktuator handelt. Der Lenkungsaktuator 2 dient der Verschiebung einer allgemein als Maschinenelement bezeichneten Schubstange 3, welche in einem Gehäuse 5 geführt ist und an ihren beiden Enden mit jeweils einem gabelförmigen Anschlusselement 4 verbunden ist, wobei die Anschlusselemente 4 zur gelenkigen Kopplung mit weiteren, nicht dargestellten Fahrwerkselementen und damit zur Änderung des Einschlagwinkels der Hinterräder des Fahrzeugs vorgesehen sind. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion der Hinterachslenkung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Dem Lenkungsaktuator 2 ist eine Getriebeanordnung 7 zuzurechnen, die ein Rotativ-Rotativ-Getriebe 8, im vorliegenden Fall in Form eines Riemengetriebes, und ein diesem nachgeschaltetes Rotativ-Linear-Getriebe 14 umfasst, welches im skizzierten Beispiel als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet ist.
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Die Motorwelle des Elektromotors 6 ist fest verbunden mit einer Riemenscheibe 9 des Getriebes 8. Der über die Riemenscheibe 9 laufende Riemen, welcher ein eingangsseitiges Element des Planetenwälzgetriebes 14 antreibt, ist mit 13 bezeichnet.
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Der Betrieb der Hinterachslenkung 1 erfolgt unter Nutzung einer Sensoranordnung 10, die einen Rotativsensor 11 und einen Linearsensor 12 umfasst. Der Rotativsensor 11 erfasst die Drehung der Motorwelle des Elektromotors 6 und damit auch der Riemenscheibe 9, welche ein eingangsseitiges Maschinenelement des Rotativ-Rotativ-Getriebes 8 darstellt. Im Ausführungsbeispiel befindet sich der Rotativsensor 11 an der der Riemenscheibe 9 abgewandten Stirnseite des Elektromotors 6. Der Rotativsensor 11 ist als Multiturnsensor ausgebildet. Da die Getriebeanordnung 7 ein festes Übersetzungsverhältnis aufweist, lässt der Rotativsensor 11 einen eindeutigen Schluss auf die Position der Schubstange 3 zu. Zusätzlich wird die Position der Schubstange 3 unmittelbar durch den Linearsensor 12 erfasst, welcher sich im vorliegenden Fall zwischen dem Elektromotor 6 und der Schubstange 3 befindet. Insgesamt ist damit eine redundante Erfassung der Position der Schubstange 3 gegeben.
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Hinsichtlich des Betriebes der Sensoranordnung 10 wird im Folgenden auf 2 verwiesen. Im Verfahrensschritt S1 wird eine Sollposition der Schubstange 3 vorgegeben. Im einfachsten Fall könnte diese Anforderung unmittelbar an den Elektromotor 6 weitergegeben werden. Um eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit der mittels des Elektromotors 6 durchgeführten Verstellung zu erreichen, fließen Korrekturen in den Verstellvorgang ein. Die Korrekturen bauen auf Korrelationen auf, welche in den Schritten S2 und S3 vorgenommen werden. Hierbei bezieht sich der Schritt S2 auf Sollwerte, wogegen sich der Schritt S3 auf gemessene Werte, das heißt Signale, die von den verschiedenen Sensoren 11, 12 geliefert werden, bezieht. Konkret erfolgt im Schritt S3 eine Kreuzkorrelation zwischen den aufgenommenen, digitalisierten Signalen des Rotativsensors 11 und den ebenfalls digitalisierten Signalen des Linearsensors 12. Im hypothetischen Fall einer idealen, vollkommen verzögerungsfreien Funktion beider Sensoren 11, 12 läge keine Diskrepanz zwischen den verschiedenen Sensorsignalen vor. Tatsächlich ergibt sich eine solche Diskrepanz schon dadurch, dass die verschiedenen Sensoren 11, 12 Daten mit unterschiedlicher Verzögerung weiterleiten. Die Differenz zwischen den verschiedenen Verzögerungen, das heißt die Offset-Differenz, wird durch die Kreuzkorrelation ermittelt.
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Im Schritt S4 werden die in den Schritten S2 und S3 ermittelten Informationen zusammengeführt, um im Schritt S5 verarbeitet zu werden. Ergebnis ist eine vorzunehmende Korrektur, welche im Schritt S6 mit der Positionsanforderung (Schritt S1) zusammengeführt wird, um letztlich eine korrigierte Ansteuerung des Elektromotors 6 zu bewirken.
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Daten, die bei der Durchführung der Schritte S1 bis S6 angefallen sind, werden über mehrere Verstellzyklen der Hinterachslenkung 1 hinweg gespeichert. Die gespeicherten Daten werden genutzt, um das Verfahren zum Betrieb der Sensoranordnung 10, insbesondere in den Schritten S2 bis S5, laufend zu optimieren, wobei die Optimierung mit Algorithmen erfolgt, die auf künstlicher Intelligenz basieren. Auch eventuelle Fehlfunktionen des Lenkungsaktuators 2 sind auf diese Weise frühzeitig erfassbar. Insgesamt wird mit der Sensoranordnung 10, welche lediglich zwei Sensoren 11, 12 umfasst, ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit erreicht. In nicht dargestellter Weise kann der Lenkungsaktuator 2 datentechnisch mit weiteren Sensoren, die sich an anderen Stellen des Kraftfahrzeugs, insbesondere an der Vorderachslenkung, befinden, verknüpft sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hinterachslenkung
- 2
- Lenkungsaktuator
- 3
- Schubstange, Maschinenelement
- 4
- Anschlusselement
- 5
- Gehäuse
- 6
- Elektromotor
- 7
- Getriebeanordnung
- 8
- Riemengetriebe, Rotativ-Rotativ-Getriebe
- 9
- Riemenscheibe, Maschinenelement
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Rotativsensor
- 12
- Linearsensor
- 13
- Riemen
- 14
- Planetenwälzgewindetrieb, Rotativ-Linear-Getriebe
- S1 ... S6
- Schritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018129119 A1 [0002]
- DE 102015206678 A1 [0003]
- EP 1245473 A2 [0004]
- WO 2009/156738 A1 [0005]
- US 6057682 A [0006]
- US 5877568 A [0007]
- DE 102019103384 A1 [0021]
- DE 102017124386 A1 [0021]
- DE 102019125310 A1 [0021]
