DE102021205125A1

DE102021205125A1 - Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Sensormagneten einer Lenkvorrichtung

Info

Publication number: DE102021205125A1
Application number: DE102021205125.1A
Authority: DE
Inventors: Zsolt Molnar; Viktor Molnar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Sensormagneten (10) einer Lenkvorrichtung, insbesondere während eines Betriebs in einem Fahrzeug, vorgeschlagen, wobei der Sensormagnet (10) an einer um eine Drehachse (12) drehbaren Welle (14) angeordnet ist, und wobei wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten (10) korrelierte Überwachungsgröße (16, 18) aus einem Erfassungssignal (20) einer mit dem Sensormagneten (10) zusammenwirkenden Magnetsensoreinheit (22) extrahiert und auf Änderungen überwacht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Sensormagneten einer Lenkvorrichtung. Zudem betrifft die Erfindung ein Überwachungssystem mit einer Recheneinheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens, eine Lenkvorrichtung mit einem solchen Überwachungssystem sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Lenkvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der EP 2 752 645 B1 und/oder der DE 10 2016 103 518 A1 , sind Verfahren zur Überwachung eines Rotorlagesensors einer Lenkvorrichtung bekannt, wobei der Rotorlagesensor einen an einer Welle angeordneten Sensormagneten und eine mit dem Sensormagneten zusammenwirkende Magnetsensoreinheit umfasst, und wobei zur Überwachung der Magnetsensoreinheit wenigstens ein Erfassungssignal der Magnetsensoreinheit ausgewertet wird. Hierdurch können durch eine Fehlfunktion der Magnetsensoreinheit verursachte Störungen im Erfassungssignal ermittelt und behandelt werden, sodass trotz der Störung ein sicherer Weiterbetrieb der Lenkvorrichtung und folglich des Fahrzeugs möglich ist.
Ein Überwachung eines Zustands des Sensormagneten erfolgt allerdings nicht. Eine Beschädigung des Sensormagneten kann jedoch ebenfalls zu sicherheitskritischen Situationen führen. Beispielsweise kann ein Riss oder ein Bruch des Sensormagneten zu einem abrupten Ausfall einer Lenkunterstützung führen, was für einen Fahrer sehr irritierend sein kann und eine Unfallgefahr erhöht. Im schlimmsten Fall könnte das Erfassungssignal der Magnetsensoreinheit sogar derart beeinflusst werden, dass eine Lenkunterstützung in entgegengesetzter Richtung zu einer Fahrervorgabe aufgebracht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend davon insbesondere darin, eine Lenkvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Betriebssicherheit bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10, 11 und 12 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines, insbesondere mechanischen, Zustands eines Sensormagneten einer Lenkvorrichtung, insbesondere während eines Betriebs in einem Fahrzeug, vorgeschlagen, wobei der Sensormagnet an einer um eine Drehachse drehbaren Welle angeordnet ist, und wobei wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten korrelierte Überwachungsgröße aus einem Erfassungssignal einer mit dem Sensormagneten zusammenwirkenden Magnetsensoreinheit extrahiert und auf Änderungen überwacht wird. Durch Auswertung der wenigstens einen Überwachungsgröße und/oder einer Änderung der wenigstens einen Überwachungsgröße kann vorteilhaft ein Zustand des Sensormagneten bestimmt und/oder eine Zustandsänderung des Sensormagneten ermittelt werden. Die wenigstens eine Überwachungsgröße wird bevorzugt während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs ermittelt und/oder ausgewertet. Ferner kann eine Änderung der wenigstens einen Überwachungsgröße vorliegend insbesondere mit einer Änderung der magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten verknüpft sein, wobei die Änderung der magnetischen Eigenschaft durch eine mechanische Beschädigung des Sensormagneten, insbesondere einen Riss und/oder einen Bruch, beispielsweise aufgrund einer Materialermüdung und/oder einer externen Krafteinwirkung, bewirkt und/oder hervorgerufen sein kann. Grundsätzlich können im vorliegenden Fall auch mehrere Überwachungsgrößen, beispielsweise zumindest zwei Überwachungsgrößen, aus dem Erfassungssignal extrahiert und auf Änderungen überwacht werden. Durch diese Ausgestaltung kann eine Betriebssicherheit erhöht werden, da vorteilhaft einfach und insbesondere ohne Einsatz zusätzlicher Sensoren ein Zustand des Sensormagneten bewertet und/oder kontrolliert werden kann. Zudem kann vorteilhaft eine Effizienz, insbesondere eine Bauraumeffizienz, eine Bauteileeffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden.
Unter einer „Lenkvorrichtung“ soll zumindest ein Teil, beispielsweise eine Unterbaugruppe, eines Lenksystems, insbesondere eines Fahrzeugs und vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, verstanden werden. Die Lenkvorrichtung umfasst dabei zumindest den Sensormagneten und die mit dem Sensormagneten zusammenwirkende Magnetsensoreinheit. Der Sensormagnet ist als Dauermagnet ausgebildet und insbesondere in einem der Magnetsensoreinheit zugewandten, axialen Endbereich der Welle angeordnet, insbesondere befestigt. Der Sensormagnet ist dabei zusammen mit der Welle drehbar um die Drehachse gelagert. Die Magnetsensoreinheit ist dazu vorgesehen, eine magnetische Eigenschaft, beispielsweise ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung, des Sensormagneten, insbesondere bei einer Drehung des Sensormagneten um die Drehachse, zu erfassen und ein damit korreliertes Erfassungssignal bereitzustellen. Dazu umfasst die Magnetsensoreinheit wenigstens ein Sensorelement, welches vorteilhaft als magnetoresistives Sensorelement, insbesondere als GMR-Sensor, als TMR-Sensor oder bevorzugt als AMR-Sensor, ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft umfasst die Magnetsensoreinheit mehrere, insbesondere zumindest zwei und vorzugsweise zumindest vier, Sensorelemente, welche vorteilhaft als magnetoresistive Sensorelemente, insbesondere als GMR-Sensoren, als TMR-Sensoren oder bevorzugt als AMR-Sensoren, ausgebildet sind und welche zu wenigstens zwei Messbrückenschaltungen, insbesondere in Form zweier Halbbrücken oder zweier Vollbrücken, verschaltet sind. In diesem Fall umfasst das Erfassungssignal wenigstens zwei, insbesondere um 90°, zueinander phasenverschobene Teilsignale bzw. Messsignale, insbesondere wenigstens ein Sinussignal und wenigstens ein Kosinussignal. Des Weiteren sind der Sensormagnet und die Magnetsensoreinheit vorzugsweise Teil eines Rotorlagesensors der Lenkvorrichtung, welcher zur Bereitstellung einer Lenkunterstützung verwendet wird. Ferner kann die Lenkvorrichtung einen, vorteilhaft als Synchronmotor und besonders vorteilhaft als permanenterregter Synchronmotor ausgebildeten, Elektromotor umfassen, welcher als Motorwelle die Welle mit dem daran angeordneten Sensormagneten aufweist. Bevorzugt ist der Elektromotor dabei Teil einer elektrischen Hilfskraftlenkung und/oder Servolenkung und insbesondere zur Erzeugung der Lenkunterstützung oder zur Bereitstellung eines Motormoments für die Lenkunterstützung vorgesehen. Besonders bevorzugt wird das Erfassungssignal als Ansteuersignal für den Elektromotor und insbesondere in zumindest einem Betriebszustand zur Erzeugung und/oder Bereitstellung der Lenkunterstützung verwendet.
Darüber hinaus wird wenigstens eine Recheneinheit eingesetzt, welche dazu vorgesehen ist, das Verfahren zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten durchzuführen. Unter einer „Recheneinheit“ soll insbesondere eine elektrische und/oder elektronische Einheit verstanden werden, welche einen Informationseingang, eine Informationsverarbeitung und eine Informationsausgabe aufweist. Vorteilhaft weist die Recheneinheit ferner zumindest einen Prozessor, zumindest einen Betriebsspeicher, zumindest ein Ein- und/oder Ausgabemittel, zumindest ein Betriebsprogramm, zumindest eine Überwachungsroutine, zumindest eine Berechnungsroutine und/oder zumindest eine Auswerteroutine auf. Insbesondere ist die Recheneinheit zumindest dazu vorgesehen, wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten korrelierte Überwachungsgröße aus dem Erfassungssignal der Magnetsensoreinheit zu extrahieren und auf Änderungen zu überwachen. Zudem ist die Recheneinheit vorteilhaft dazu vorgesehen, durch Auswertung der wenigstens einen Überwachungsgröße und/oder einer Änderung der wenigstens einen Überwachungsgröße ein Zustand des Sensormagneten zu bestimmen und/oder eine Zustandsänderung des Sensormagneten zu ermitteln, wodurch der Zustand des Sensormagneten vorteilhaft bewertet und/oder kontrolliert werden kann. Vorzugsweise ist die Recheneinheit dabei Teil eines Überwachungssystems und bevorzugt in ein Steuergerät des Fahrzeugs integriert. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Vorteilhaft wird vorgeschlagen, dass zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten eine Frequenzanalyse verwendet und/oder durchgeführt wird, bei welcher aus dem Erfassungssignal, bevorzugt aus zumindest einem der zwei phasenverschobenen Messsignale, insbesondere dem Sinussignal oder dem Kosinussignal, eine Überwachungsgröße in Form eines Frequenzspektrums erzeugt wird, und wobei eine zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums oder wenigstens einer Harmonischen des Frequenzspektrums, bevorzugt eine 3. Harmonische, überwacht wird. Alternativ oder zusätzlich könnte jedoch auch eine zeitliche Veränderung einer 2. Harmonischen und/oder einer 5. Harmonischen überwacht werden. Das Frequenzspektrum kann dabei mittels einer geeigneten Frequenztransformation, wie beispielsweise einer Fourier-Transformation, vorteilhaft einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) und/oder einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), erzeugt werden. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine vorteilhaft präzise Überwachung erreicht werden.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten eine Radiusdiagnose verwendet und/oder durchgeführt wird, bei welcher aus dem Erfassungssignal, bevorzugt aus zumindest zwei der phasenverschobenen Messsignale, insbesondere dem Sinussignal und dem Kosinussignal, eine Überwachungsgröße in Form eines Signalkreises erzeugt wird, und wobei eine zeitliche Veränderung, insbesondere eine Formänderung und/oder eine Radiusänderung, des Signalkreises überwacht und/oder eine Verschiebung des Signalkreises relativ zu wenigstens einem Referenzkreis, vorteilhaft zu einem inneren Norm- oder Idealkreis und/oder einem äußeren Norm- oder Idealkreis, ausgewertet wird. In diesem Fall wird somit das Sinussignal gegen das Kosinussignal aufgetragen, wodurch aus dem Erfassungssignal ein Signalkreis entsteht. Der innere Norm- oder Idealkreis und der äußere Norm- oder Idealkreis definieren dabei die Radiusgrenzen für den Signalkreis. Hierdurch kann insbesondere ein Auswertealgorithmus vereinfacht und eine benötige Rechenleistung reduziert werden.
Vorteilhaft wird ferner zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der wenigstens einen Überwachungsgröße berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung eines Trends und/oder eines Drifts der Überwachungsgröße können vorteilhaft temporäre Störungen, beispielsweise durch externe elektrische und/oder magnetische Felder, kompensiert werden, wodurch vorteilhaft Fehlalarme im Hinblick auf den Zustand des Sensormagneten reduziert werden können.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße zur Bestimmung des Zustands des Sensormagneten und/oder zur Ermittlung einer Zustandsänderung des Sensormagneten mit einem Schwellwert abgeglichen wird und im Fall, dass die Überwachungsgröße den Schwellwert überschreitet oder unterschreitet eine Reaktion ausgelöst wird, welche beispielsweise ein Erzeugen einer Hinweismeldung, eine Degradation eines Fahrbetriebs und/oder ein Einleiten eines automatischen „Safe-Stopps“ umfassen kann. Hierdurch kann insbesondere eine Betriebssicherheit erhöht und/oder eine Warnfunktionalität bereitgestellt werden.
Im vorliegenden Fall könnte die wenigstens eine Überwachungsgröße zur Bestimmung des Zustands des Sensormagneten und/oder zur Ermittlung einer Zustandsänderung des Sensormagneten mit genau einem Schwellwert abgeglichen werden, wodurch zumindest eine Warnfunktionalität oder ein automatischer „Safe-Stopp“ erreicht werden kann. Bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten mit mehreren Schwellwerten, insbesondere zumindest zwei oder zumindest drei verschiedenen Schwellwerten, abgeglichen wird, wobei jedem der Schwellwerte eine unterschiedliche Reaktion zugeordnet ist, welche bei Überschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Schwellwerts ausgelöst wird. Insbesondere wird die wenigstens eine Überwachungsgröße dabei mit einem ersten Schwellwert abgeglichen und im Fall, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße den ersten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet eine erste Reaktion ausgelöst, welche beispielsweise ein Erzeugen einer Hinweismeldung oder eine Degradation eines Fahrbetriebs umfassen kann. Zudem wird die wenigstens eine Überwachungsgröße nach Überschreiten oder Unterschreiten des ersten Schwellwerts mit einem zweiten Schwellwert abgeglichen und im Fall, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße den zweiten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet eine von der ersten Reaktion zumindest teilweise abweichende zweite Reaktion ausgelöst, welche beispielsweise eine Degradation eines Fahrbetriebs oder ein Einleiten eines automatischen „Safe-Stopps“ umfassen kann. Eine Degradation eines Fahrbetriebs ist in letzterem Fall zumindest dann sinnvoll, sofern bei Überschreiten oder Unterschreiten des ersten Schwellwerts lediglich eine Warnmeldung erzeugt wurde. Grundsätzlich könnte eine Degradation des Fahrbetriebs jedoch auch unterschiedlich stark ausfallen. Alternativ könnte auch jedem der Schwellwerte eine unterschiedliche Hinweismeldung zugeordnet sein, sodass bei Überschreiten oder Unterschreiten eines ersten Schwellwerts eine Warnmeldung, bei Überschreiten oder Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts eine Fehlermeldung und bei Überschreiten oder Unterschreiten eines dritten Schwellwerts eine Gefährdungsmeldung erzeugt wird. Hierdurch kann insbesondere eine besonders hohe Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Anforderungen erreicht werden.
Eine besonders effizientes und/oder benutzerfreundliches Verfahren kann insbesondere erreicht werden, wenn anhand der wenigstens einen Überwachungsgröße eine Restlebensdauer und/oder eine Restnutzungsdauer des Sensormagneten abgeschätzt und/oder prognostiziert wird. Insbesondere kann dazu ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der wenigstens einen Überwachungsgröße überwacht und vorzugsweise mit einem Referenzwert oder mehreren Referenzwerten abgeglichen werden. Informationen über eine ermittelte Restlebensdauer und/oder Restnutzungsdauer des Sensormagneten können dann beispielsweise einem Fahrer oder Besitzer des Fahrzeugs, einem Hersteller des Fahrzeugs oder einer Werkstatt bereitgestellt werden.
Das Verfahren zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten, das Überwachungssystem, die Lenkvorrichtung und das Fahrzeug sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können das Verfahren zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten, das Überwachungssystem, die Lenkvorrichtung und das Fahrzeug zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:

1 ein Teil eines beispielhaften Lenksystems eines Kraftfahrzeugs mit einer Lenkvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
2 ein Sensormagnet, eine mit dem Sensormagneten zusammenwirkende Magnetsensoreinheit und ein Überwachungssystem der Lenkvorrichtung in einer Detaildarstellung,
3 ein Blockschaltbild der Magnetsensoreinheit und des Überwachungssystems aus 2,
4 ein beispielhaftes Schaubild einer zur Überwachung eines Zustands des Sensormagneten verwendeten Frequenzanalyse,
5 ein beispielhaftes Schaubild einer zur Überwachung eines Zustands des Sensormagneten verwendeten Radiusdiagnose und
6 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm mit Hauptverfahrensschritten eines Verfahrens zur Überwachung eines Zustands des Sensormagneten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt zumindest einen Teil eines beispielhaften Lenksystems 56 in einer perspektivischen Darstellung. Das Lenksystem 56 ist im vorliegenden Fall als elektrisch unterstütztes Lenksystem ausgebildet. Das Lenksystem 56 ist beispielhaft als konventionelles Lenksystem ausgebildet und umfasst eine elektrische Hilfskraftlenkung in Form einer Servolenkung. Ferner ist das Lenksystem 56 zu einem Einsatz in einem Fahrzeug (nicht dargestellt), insbesondere einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Das Lenksystem 56 weist in einem eingebauten Zustand eine Wirkverbindung mit Fahrzeugrädern (nicht dargestellt) des Fahrzeugs auf und ist zur Beeinflussung einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorgesehen. Alternativ ist jedoch auch denkbar, ein Lenksystem mit einer elektrischen Überlagerungslenkung und/oder Aktivlenkung auszubilden. Ferner könnte ein Lenksystem als Hydrauliklenkung mit einer hydraulischen Hilfskraftlenkung ausgebildet sein. Zudem könnte ein Lenksystem prinzipiell auch als Steer-by-Wire-Lenksystem ausgebildet sein.
Das Lenksystem 56 umfasst ein beispielhaft als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildetes Lenkgetriebe 58, welches dazu vorgesehen ist, eine Lenkvorgabe in eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder umzusetzen. Dazu umfasst das Lenkgetriebe 58 wenigstens ein, im vorliegenden Fall insbesondere als Zahnstange ausgebildetes, Lenkungsstellelement 60.
Ferner umfasst das Lenksystem 56 zumindest eine Aktuatorbaugruppe 62. Die Aktuatorbaugruppe 62 ist als Lenkaktuator ausgebildet und weist eine Wirkverbindung mit dem Lenkungsstellelement 60 auf. Die Aktuatorbaugruppe 62 ist zur Bereitstellung eines Lenkmoments vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist die Aktuatorbaugruppe 62 dazu vorgesehen, ein Lenkmoment in Form eines Unterstützungsmoments bereitzustellen und zur Lenkunterstützung in das Lenkgetriebe 58 einzubringen.
Die Aktuatorbaugruppe 62 umfasst eine Lenkvorrichtung. Die Lenkvorrichtung umfasst einen an sich bekannten Elektromotor 64. Der Elektromotor 64 ist als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet und zur Erzeugung des Lenkmoments bzw. des Unterstützungsmoments vorgesehen. Der Elektromotor 64 umfasst ein, insbesondere als Außengehäuse ausgebildetes, Motorgehäuse 66, einen in dem Motorgehäuse 66 angeordneten Stator (nicht dargestellt), einen in dem Motorgehäuse 66 angeordneten Rotor (nicht dargestellt) sowie eine in dem Motorgehäuse 66 angeordnete Welle 14 in Form einer Motorwelle (vgl. 2). Die Welle 14 definiert dabei eine Drehachse 12 des Elektromotors 64.
Ferner umfasst die Lenkvorrichtung eine an sich bekannte Steuereinrichtung 68. Die Steuereinrichtung 68 umfasst ein, insbesondere als Außengehäuse ausgebildetes, Elektronikgehäuse 70, welches mit dem Elektromotor 64, insbesondere dem Motorgehäuse 66, gekoppelt ist. Zudem umfasst die Steuereinrichtung 68 eine Ansteuerelektronik 72 zur Ansteuerung des Elektromotors 64. Die Ansteuerelektronik 72 ist in dem Elektronikgehäuse 70, beispielhaft auf einer Leiterplatte 74 der Steuereinrichtung 68, angeordnet und kann beispielsweise eine Steuerlogik (nicht dargestellt) sowie eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) umfassen.
Zudem umfasst die Lenkvorrichtung einen Rotorlagesensor 76 zur Erfassung einer Rotorlage des Elektromotors 64 und insbesondere der Welle 14. Der Rotorlagesensor 76 umfasst einen Sensormagnet 10 und eine mit dem Sensormagnet 10 zusammenwirkende Magnetsensoreinheit 22. Der Sensormagnet 10 ist als Dauermagnet ausgebildet. Der Sensormagnet 10 ist an der Welle 14, und zwar an einem der Magnetsensoreinheit 22 zugewandten, axialen Endbereich der Welle 14 angeordnet. Der Sensormagnet 10 ist dabei drehbar gelagert und zusammen mit der Welle 14 drehbar um die Drehachse 12. Der Sensormagnet 10 ist ferner in dem Motorgehäuse 66 oder vorteilhaft in dem Elektronikgehäuse 70 angeordnet. Des Weiteren ist die Magnetsensoreinheit 22 in dem Elektronikgehäuse 70, beispielhaft auf der Leiterplatte 74, angeordnet. Die Magnetsensoreinheit 22 ist dazu vorgesehen, bei einer Drehung des Sensormagneten 10 um die Drehachse 12 eine magnetische Eigenschaft, beispielsweise ein Magnetfeld und/oder eine Magnetfeldänderung, des Sensormagneten 10 zu erfassen und ein damit korreliertes Erfassungssignal 20 bereitzustellen. Das Erfassungssignal 20 ist als Ansteuersignal für den Elektromotor 64 ausgebildet und wird in zumindest einem Betriebszustand an die Ansteuerelektronik 72 zur Erzeugung und/oder Bereitstellung der Lenkunterstützung weitergeleitet. Vorliegend umfasst die Magnetsensoreinheit 22 ferner mehrere als AMR-Sensoren ausgebildete Sensorelemente 24, 26 (vgl. insbesondere 3). Die Sensorelemente 24, 26 sind zu wenigstens zwei Messbrückenschaltungen, insbesondere in Form zweier Halbbrücken oder zweier Vollbrücken, verschaltet und stellen zwei um 90° zueinander phasenverschobene Teilsignale bzw. Messsignale 28, 30, insbesondere ein Sinussignal und ein Kosinussignal, bereit, welche das Erfassungssignal 20 ausbilden. Bezüglich eines genauen Aufbaus der Magnetsensoreinheit 22 und deren Funktionsweise wird auf die DE 10 2016 103 518 A1 verwiesen, auf deren Offenbarungsgehalt hier explizit Bezug genommen wird. Grundsätzlich könnte ein Sensormagnet auch an einer von einer Motorwelle abweichenden Welle, wie beispielsweise einer Lenkwelle, angeordnet sein. Zudem könnte eine Lenkvorrichtung mehrere Sensormagnete umfassen. Ferner könnte eine Magnetsensoreinheit prinzipiell auch eine andere Anzahl an Sensorelementen umfassen, wie beispielsweise genau ein Sensorelement oder vier Sensorelemente. Zudem könnte ein Sensorelement als TMR-Sensor oder als GMR-Sensor ausgebildet sein.
Eine Beschädigung des Sensormagneten 10, beispielsweise in Form eines Risses oder eines Bruchs, kann zu sicherheitskritischen Situationen führen. Derartige Beschädigungen können aufgrund einer Materialermüdung und/oder einer externen Krafteinwirkung auftreten. Während eines Fahrbetriebs kann eine derartige Beschädigung des Sensormagneten 10 beispielsweise zu einem abrupten Ausfall der Lenkunterstützung führen, was für einen Fahrer sehr irritierend sein kann und eine Unfallgefahr erhöht.
Aus diesem Grund umfasst die Lenkvorrichtung im vorliegenden Fall ferner ein Überwachungssystem 52. Das Überwachungssystem 52 ist in die Steuereinrichtung 68 integriert und in dem Elektronikgehäuse 70, beispielhaft auf der Leiterplatte 74, angeordnet. Das Überwachungssystem 52 weist eine elektrische Verbindung mit der Magnetsensoreinheit 22 auf. Zudem weist das Überwachungssystem 52 eine elektrische Verbindung mit einer Fehlerbehandlungsroutine 78 auf, welche beispielsweise in ein zentrales Steuergerät des Fahrzeugs integriert sein kann. Das Überwachungssystem 52 ist vorliegend zumindest zur Erfassung und Überwachung des Erfassungssignals 20 vorgesehen. Dazu umfasst das Überwachungssystem 52 eine Recheneinheit 54. Die Recheneinheit 54 umfasst zumindest einen Prozessor (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, und zumindest einen Betriebsspeicher (nicht dargestellt). Zudem umfasst die Recheneinheit 54 zumindest ein im Betriebsspeicher hinterlegtes Betriebsprogramm mit zumindest einer Überwachungsroutine, zumindest einer Berechnungsroutine, zumindest einer Auswerteroutine und zumindest einer Fehlerroutine. Alternativ könnte ein Überwachungssystem auch getrennt und/oder separat von einer Steuereinrichtung ausgebildet sein und beispielsweise in ein zentrales Steuergerät des Fahrzeugs integriert werden. Zudem könnte ein Überwachungssystem weitere Bauteile und/oder Baugruppen umfassen, wie beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler, welcher dazu vorgesehen ist, ein, insbesondere analoges, Erfassungssignal in ein digitales Signal für eine Recheneinheit des Überwachungssystems umzuwandeln. Grundsätzlich könnte jedoch auch eine Magnetsensoreinheit dazu vorgesehen sein, ein digitales Erfassungssignal bereitzustellen, sodass auf einen Analog-Digital-Wandler auch verzichtet werden könnte.
Im Folgenden wird nun ein beispielhaftes Verfahren zur Überwachung eines, insbesondere mechanischen, Zustands des Sensormagneten 10 beschrieben. Im vorliegenden Fall ist das Überwachungssystem 52 und zwar insbesondere die Recheneinheit 54 dazu vorgesehen, das Verfahren auszuführen. Dazu weist die Recheneinheit 54 ein Computerprogramm mit entsprechenden Programmcodemitteln auf.
Vorliegend wird zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10 wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten 10 korrelierte Überwachungsgröße 16, 18 während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs aus dem Erfassungssignal 20 extrahiert und auf Änderungen überwacht. Durch Auswertung der Überwachungsgröße 16, 18 und/oder einer Änderung der Überwachungsgröße 16, 18 kann ein Zustand des Sensormagneten 10 bestimmt oder zumindest eine Zustandsänderung des Sensormagneten 10 ermittelt werden. Die Änderung der Überwachungsgröße 16, 18 ist dabei mit einer Änderung der magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten 10 verknüpft, wobei die Änderung der magnetischen Eigenschaft durch eine mechanische Beschädigung des Sensormagneten 10 bewirkt und/oder hervorgerufen sein kann.
Ferner kann anhand der Überwachungsgröße 16, 18 eine Restlebensdauer und/oder eine Restnutzungsdauer des Sensormagneten 10 abgeschätzt und/oder prognostiziert werden. Hierzu kann beispielsweise ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der Überwachungsgröße 16, 18 überwacht und mit einem Referenzwert oder mehreren Referenzwerten abgeglichen werden. Informationen über eine ermittelte Restlebensdauer und/oder Restnutzungsdauer des Sensormagneten 10 können dann beispielsweise einem Fahrer oder Besitzer des Fahrzeugs, einem Hersteller des Fahrzeugs oder einer Werkstatt bereitgestellt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann dabei zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10 eine Frequenzanalyse verwendet und/oder durchgeführt werden. Eine Grafik dieser Überwachungsmethode ist in 4 dargestellt. Eine Ordinatenachse 80 ist als Größenachse ausgebildet, während auf einer Abszissenachse 82 die Ordnungen der Harmonischen dargestellt sind. In diesem Fall wird aus dem Erfassungssignal 20, genauer gesagt aus zumindest einem der zwei phasenverschobenen Messsignale 28, 30, eine Überwachungsgröße 16 in Form eines Frequenzspektrums 32 erzeugt und eine zeitliche Veränderung wenigstens einer Harmonischen 34, 36, 38 des Frequenzspektrums 32 überwacht. Vorliegend wird dabei zumindest eine 3. Harmonische 36 bzw. eine Harmonische dritter Ordnung überwacht, da deren Ausprägung am Größten ist. Alternativ oder zusätzlich könnte jedoch auch eine zeitliche Veränderung einer 2. Harmonischen 34 bzw. einer Harmonischen zweiter Ordnung und/oder einer 5. Harmonischen 38 bzw. einer Harmonischen fünfter Ordnung überwacht werden. Zudem ist denkbar, aus beiden Messsignalen 28, 30 ein entsprechendes Frequenzspektrum zu erstellen und auszuwerten, wodurch eine Plausibilisierung erreicht und eine Betriebssicherheit weiter erhöht werden kann.
Zur Bestimmung des Zustands des Sensormagneten 10 und/oder zur Ermittlung einer Zustandsänderung des Sensormagneten 10 wird die Überwachungsgröße 16 mit einem Schwellwert 46 abgeglichen. Zudem wird ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der Überwachungsgröße 16 berücksichtigt. Im Fall, dass die Überwachungsgröße 16 den Schwellwert 46 überschreitet und ein entsprechender Trend vorliegt, wird eine Reaktion durch Ansteuerung der Fehlerbehandlungsroutine 78 ausgelöst. Im vorliegenden Fall wird in diesem Fall beispielhaft eine Hinweismeldung erzeugt und einem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt. Alternativ könnte jedoch auch eine Degradation eines Fahrbetriebs und/oder ein Einleiten eines automatischen „Safe-Stopps“ erfolgen. Zudem könnten mehrere Schwellwerte definiert werden, wobei jedem der Schwellwerte eine unterschiedliche Reaktion zugeordnet ist. Darüber hinaus könnte auf die Berücksichtigung eines Änderungsverlaufs und/oder eines Änderungstrends auch verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, welcher alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Aspekt angewandt werden kann, kann zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10 eine Radiusdiagnose verwendet und/oder durchgeführt werden. Eine Grafik dieser Überwachungsmethode ist in 5 dargestellt. Eine Ordinatenachse 84 ist dabei als Größenachse ausgebildet und zeigt das als Sinussignal ausgebildete erste Messsignal 28. Eine Abszissenachse 86 ist ebenfalls als Größenachse ausgebildet und zeigt das als Kosinussignal ausgebildete zweite Messsignal 30. In diesem Fall wird aus dem Erfassungssignal 20, genauer gesagt aus den beiden phasenverschobenen Messsignalen 28, 30, eine weitere Überwachungsgröße 18 in Form eines Signalkreises 40, 40' erzeugt und eine zeitliche Veränderung, insbesondere eine Formänderung und/oder eine Radiusänderung, des Signalkreises 40, 40' überwacht. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verschiebung des Signalkreises 40, 40' relativ zu einem ersten Referenzkreis 42, insbesondere einem inneren Norm- oder Idealkreis, und/oder einem zweiten Referenzkreis 44, insbesondere einem äußeren Norm- oder Idealkreis, ausgewertet werden. 5 zeigt die zeitliche Veränderung des Signalkreises 40, 40' durch zwei unterschiedliche Signalkreise 40, 40', wobei ein erster Signalkreis 40 einen Zeitpunkt kennzeichnet, zu welchem der Sensormagnet 10 unbeschädigt ist, und ein zweiter Signalkreis 40' einen Zeitpunkt darstellt, zu welchem der Sensormagnet 10 beschädigt ist. Grundsätzlich könnte natürlich auch eine Verschiebung des Signalkreises 40, 40' relativ zu genau einem Referenzkreis, insbesondere zu einem inneren Norm- oder Idealkreis, einem äußeren Norm- oder Idealkreis oder einem Mittenkreis, welcher mittig zwischen dem inneren Norm- oder Idealkreis und dem äußeren Norm- oder Idealkreis angeordnet ist, ausgewertet werden.
Zur Bestimmung des Zustands des Sensormagneten 10 und/oder zur Ermittlung einer Zustandsänderung des Sensormagneten 10 wird die weitere Überwachungsgröße 18 mit einem weiteren Schwellwert 48, beispielsweise in Form eines maximalen zulässigen Radius, abgeglichen. Zudem wird ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der weiteren Überwachungsgröße 18 berücksichtigt. Im Fall, dass die weitere Überwachungsgröße 18 den weiteren Schwellwert 48 überschreitet und ein entsprechender Trend vorliegt, wird eine Reaktion durch Ansteuerung der Fehlerbehandlungsroutine 78 ausgelöst. Im vorliegenden Fall wird in diesem Fall beispielhaft eine Hinweismeldung erzeugt und einem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt. Alternativ könnte jedoch auch eine Degradation eines Fahrbetriebs und/oder ein Einleiten eines automatischen „Safe-Stopps“ erfolgen. Zudem könnten mehrere weitere Schwellwerte definiert werden, wobei jedem der Schwellwerte eine unterschiedliche Reaktion zugeordnet ist. Darüber hinaus könnte auf die Berücksichtigung eines Änderungsverlaufs und/oder eines Änderungstrends auch verzichtet werden.
6 zeigt abschließend ein beispielhaftes Ablaufdiagramm mit Hauptverfahrensschritten des Verfahrens zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10.
In einem ersten Verfahrensschritt 90 wird das Erfassungssignal 20 durch das Überwachungssystem 52 erfasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt 92 wird zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10 während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten 10 korrelierte Überwachungsgröße 16, 18 aus dem Erfassungssignal 20 extrahiert. Grundsätzlich können natürlich auch mehrere Überwachungsgrößen 16, 18 aus dem Erfassungssignal 20 extrahiert und gegebenenfalls miteinander verknüpft werden.
In einem dritten Verfahrensschritt 94 wird die wenigstens eine Überwachungsgröße 16, 18, beispielsweise mittels einer Frequenzanalyse und/oder einer Radiusdiagnose, auf Änderungen überwacht, wobei durch Auswertung der wenigstens einen Überwachungsgröße 16, 18 und/oder einer Änderung der wenigstens einen Überwachungsgröße 16, 18 ein Zustand des Sensormagneten 10 bestimmt oder zumindest eine Zustandsänderung des Sensormagneten 10 ermittelt werden kann. Zur Bestimmung des Zustands des Sensormagneten 10 und/oder zur Ermittlung einer Zustandsänderung des Sensormagneten 10 wird die wenigstens eine Überwachungsgröße 16, 18 dabei mit wenigstens einem Schwellwert 46, 48 abgeglichen.
In einem vierten Verfahrensschritt 96 erfolgt als Reaktion auf das Überschreiten des Schwellwerts 46, 48 ein Erzeugen einer Hinweismeldung, eine Degradation eines Fahrbetriebs und/oder ein Einleiten eines automatischen „Safe-Stopps“.
Gegebenenfalls kann in diesem Fall zusätzlich ein Änderungsverlauf, beispielsweise in Form eines Drifts, und/oder ein Änderungstrend der Überwachungsgröße 16, 18 berücksichtigt werden.
Das beispielhafte Ablaufdiagramm in 6 soll dabei lediglich beispielhaft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten 10 beschreiben. Insbesondere können einzelne Verfahrensschritte auch variieren oder zusätzliche Verfahrensschritte hinzukommen. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise denkbar, dass zusätzlich anhand der wenigstens einen Überwachungsgröße 16, 18 eine Restlebensdauer und/oder eine Restnutzungsdauer des Sensormagneten 10 abgeschätzt und/oder prognostiziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2752645 B1 [0002]
DE 102016103518 A1 [0002, 0022]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Sensormagneten (10) einer Lenkvorrichtung, insbesondere während eines Betriebs in einem Fahrzeug, wobei der Sensormagnet (10) an einer um eine Drehachse (12) drehbaren Welle (14) angeordnet ist, und wobei wenigstens eine mit einer magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten (10) korrelierte Überwachungsgröße (16, 18) aus einem Erfassungssignal (20) einer mit dem Sensormagneten (10) zusammenwirkenden Magnetsensoreinheit (22) extrahiert und auf Änderungen überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der wenigstens einen Überwachungsgröße (16, 18) mit einer durch eine Beschädigung des Sensormagneten (10) bewirkten Änderung der magnetischen Eigenschaft des Sensormagneten (10) verknüpft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungssignal (20) in zumindest einem Betriebszustand zur Erzeugung und/oder Bereitstellung einer Lenkunterstützung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoreinheit (22) mehrere magnetoresistive Sensorelemente (24, 26) aufweist und das Erfassungssignal (20) wenigstens zwei zueinander phasenverschobene Messsignale (28, 30) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten (10) eine Frequenzanalyse verwendet wird, bei welcher aus dem Erfassungssignal (20) eine Überwachungsgröße (16) in Form eines Frequenzspektrums (32) erzeugt wird, und wobei eine zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums (32) oder wenigstens einer Harmonischen (34, 36, 38) des Frequenzspektrums (32) überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten (10) eine Radiusdiagnose verwendet wird, bei welcher aus dem Erfassungssignal (20) eine Überwachungsgröße (18) in Form eines Signalkreises (40, 40') erzeugt wird, und wobei eine zeitliche Veränderung, insbesondere eine Formänderung, des Signalkreises (40, 40') überwacht und/oder eine Verschiebung des Signalkreises (40, 40') relativ zu wenigstens einem Referenzkreis (42, 44) ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten (10) ein Änderungsverlauf und/oder ein Änderungstrend der wenigstens einen Überwachungsgröße (16, 18) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße (16, 18) zur Überwachung des Zustands des Sensormagneten (10) mit wenigstens einem Schwellwert (46, 48) abgeglichen wird, und im Fall, dass die wenigstens eine Überwachungsgröße (16, 18) den Schwellwert (46, 48) überschreitet oder unterschreitet eine Reaktion ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der wenigstens einen Überwachungsgröße (16, 18) eine Restlebensdauer und/oder eine Restnutzungsdauer des Sensormagneten (10) abgeschätzt und/oder prognostiziert wird.
Überwachungssystem (52) mit einer Recheneinheit (54) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Lenkvorrichtung mit wenigstens einem Sensormagneten (10), welcher an einer um eine Drehachse (12) drehbaren Welle (14) angeordnet ist, mit einer mit dem Sensormagneten (10) zusammenwirkenden Magnetsensoreinheit (22), welche dazu vorgesehen ist, eine magnetische Eigenschaft des Sensormagneten (10) zu erfassen und ein damit korreliertes Erfassungssignal (20) bereitzustellen, und mit einem Überwachungssystem (52) nach Anspruch 10.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Lenkvorrichtung nach Anspruch 11.