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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Steer-by-Wire-Lenksysteme, und insbesondere Maßnahmen zur Bestimmung einer Lenkstellung.
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Technischer Hintergrund
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In Steer-by-Wire-Lenksystemen wird auf die mechanische Verbindung zwischen Lenkungseinheit und Lenkradeinheit verzichtet, so dass keine Lenkzwischenwelle mehr benötigt wird. Eine Lenkradstellung wird dann sensorisch erfasst und über eine Kommunikationsverbindung an die Lenkungseinheit übertragen. Dort wird eine der Lenkradstellung entsprechende Lenkstellung, d.h. z.B. eine Stellung einer Zahnstangenposition bzw. einer Lenkachse, eingestellt. Die Lenkungseinheit umfasst dazu einen Radaktuator, der über ein Getriebe mit der Zahnstange bzw. Lenkachse gekoppelt ist. Durch Ansteuerung des Radaktuators entsprechend der Lenkradstellung kann die Zahnstange translatorisch bewegt werden. Dies führt zu einer Lenkbewegung der mit der Zahnstange gekoppelten gelenkten Räder.
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Die Lenkungseinheit benötigt zur sicheren Einstellung der Lenkstellung die Möglichkeit, die aktuelle Lenkstellung, z.B. in Form der Zahnstangenposition zu bestimmen. Die aktuelle Lenkstellung wird für eine Positionsregelung der Lenkstellung und damit zur Führung des Fahrzeugs benötigt.
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Die Lenkstellung wird üblicherweise mithilfe eines Lenkstellungssensors bestimmt. Ein solcher Lenkstellungssensor befindet sich üblicherweise an einem rotatorisch beweglichen Teil des Lenkgetriebes und ist als Winkelgeber ausgelegt, der eine Winkelstellung des rotatorisch beweglichen Teils detektiert. Da sich der Bewegungsbereich der Zahnstange bzw. der Lenkachse in der Regel über eine Vielzahl von Umdrehungen des rotatorisch beweglichen Teils erstreckt, ist unmittelbar nach einem Start des Lenksystems eine genaue Kenntnis über die Lenkstellung nicht vorhanden.
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Die absolute Lenkstellung kann nach dem Start des Lenksystems in der Regel mithilfe eines Referenzsignalgeber ermittelt werden, der das Erreichen einer Referenzposition signalisiert und eine eindeutige Zahnstangenposition als eine Referenzposition angibt. Diese Referenzposition wird jedoch nur bei einer bestimmten Winkelstellung des Lenkstellungssensors erreicht. Da die bestimmte Winkelstellung bei verschiedenen Lenkstellungen eingenommen wird, ist die absolute Lenkstellung nicht unmittelbar nach dem Start des Lenksystems erkennbar und es muss insbesondere eine Lenkbewegung ausgeführt werden, damit die Referenzposition überlenkt wird, um die absolute Lenkstellung zu bestimmen.
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Der Referenzsignalgeber ist heute üblicherweise nicht in dem Lenkgetriebe integriert, sondern meistens ein Bestandteil des übrigen Fahrzeugsystems. Das nachträgliche Vorsehen eines solchen Referenzsignalgebers in dem Lenkgetriebe ist aufwendig und müsste aus konstruktiven Gründen an einer Lenkwelle angeordnet werden. Der Einbau des Referenzsignalgebers bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem, das keine Lenkwelle aufweist, erfordert jedoch eine Anordnung eines Referenzsignalgebers direkt oder, damit eine rotatorische Messung möglich ist, über ein zusätzliches Ritzel an der Zahnstange. Eine solche Vorgehensweise erfordert jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand.
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Der Lenkaktuator ist in der Regel als elektronisch kommutierte elektrische Maschine ausgebildet, die in der Regel einen Rotorlagesensor aufweist. Der Rotorlagesensor kann jedoch nicht als alleiniger Sensor eingesetzt werden, da dieser üblicherweise ebenfalls als Single-Turn-Sensor ausgelegt ist und seinen Nullpunkt immer an der aktuell vorliegenden Rotorlageposition beim Starten des Fahrzeugs festlegt. Ein Bezug zwischen einer absoluten Lenkstellung und dem durch den Rotorlagesensor gemessenen Rotorlagewinkel ist damit ebenfalls nicht eindeutig festgelegt.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 206 672 A1 betrifft ein Lenkgetriebe für eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Lenkgetriebe eine erste Teilbaugruppe und eine zweite Teilbaugruppe aufweist, wobei die erste Teilbaugruppe eine erste Drehbewegung und die zweite Teilbaugruppe eine zur ersten Drehbewegung gegenläufige zweite Drehbewegung in eine gleichgerichtete Translationsbewegung in eine Richtung zur Verschiebung einer Lenkachse umsetzend ausgebildet sind, wobei die erste Drehbewegung eine Drehbewegung um eine erste Motorachse eines ersten Stellmotors ist, und wobei die zweite Drehbewegung eine Drehbewegung um eine zweite Motorachse eines zweiten Stellmotors ist, und wobei die erste Motorachse von der zweiten Motorachse abweichend angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer absoluten Lenkstellung in einem Steer-by-Wire-Lenksystem zur Verfügung zu stellen, bei der unmittelbar nach dem Starten des Fahrzeugs die korrekte absolute Lenkstellung zur Verfügung steht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Lenkungseinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem gemäß Anspruch 1 sowie ein das Verfahren zum Betreiben einer Lenkungseinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Lenkungseinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem vorgesehen, umfassend:
- - einen Lenkaktuator mit einem elektronisch kommutierten Motor;
- - einen Rotorlagesensor zur Ermittlung des Rotorlagewinkels des elektronisch kommutierten Motors;
- - einen Lenkstellungssensor, der als Winkelsensor ausgebildet ist, um einen Stellwinkel zu einer Lenkstellung einer Lenkungsmechanik zu erfassen;
- - ein Lenkgetriebe, das ausgebildet ist, um den Lenkaktuator mit der Lenkungsmechanik gemäß einer festgelegten mechanischen Kopplung zu koppeln;
- - eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um abhängig von dem Rotorlagewinkel und dem Stellwinkel eine absolute Lenkstellung der Lenkungsmechanik zu ermitteln und das Lenksystem entsprechend der absoluten Lenkstellung zu betreiben, wobei die mechanische Kopplung so gewählt ist, dass zu jeder absoluten Lenkstellung innerhalb der möglichen Lenkstellungen die Kombination des Rotorlagewinkels und des Stellwinkels eindeutig zuordenbar ist.
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Das obige Verfahren sieht die Nutzung von zwei Winkelsensoren, so genannten Single-Turn-Sensoren, ohne absolute Winkelangabe bei mehreren Umdrehungen vor, von denen einer dem Rotorlagesensor des als elektrisch kommutierten Motor ausgebildeten Lenkaktuators entspricht. Der Lenkaktuator ist über das Lenkgetriebe mit einer Lenkungsmechanik, z.B. über einen Kugelgewindetrieb, verbunden, über den die rotatorische Bewegung des Lenkaktuators in eine translatorische Bewegung einer Zahnstange oder einer Lenkachse umgesetzt wird. Aufgrund der mechanischen Kopplung entsprechen Stellwinkel unterschiedlichen Rotorlagewinkeln des Rotorlagesensors.
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Durch die feste Kopplung über das Lenkgetriebe ergeben sich für jede Lenkstellung bzw. Zahnstangenposition zwei sich entsprechende Angaben des Rotorlagesensors und des Lenkstellungssensors. Die mechanische Kopplung des Lenkgetriebes ist so gewählt, dass die Kombinationen beider Signale, des Rotorlagewinkels und des Stellwinkels, eindeutig eine absolute Lenkstellung angeben. Insbesondere kann eine Kombination der separat erfassten Positionssignale eindeutig einer Zahnstangenposition zugeordnet werden. Die Zuordnung des Rotorlagewinkels und des Lenkwinkels zu einer absoluten Lenkstellung kann insbesondere mithilfe einer bereitgestellten Zuordnungstabelle oder Zuordnungsfunktion vorgenommen werden.
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Weiterhin kann die Lenkungsmechanik eine translatorisch bewegliche Zahnstange oder eine translatorisch bewegliche Lenkachse aufweisen, wobei die Lenkbewegung durch einen maximalen Lenkhub begrenzt ist, wobei die mechanische Kopplung so gewählt ist, dass innerhalb des maximalen Lenkhubs die Kombination aus Rotorlagewinkel und Stellwinkel nicht mehrfach für verschiedene Lenkwinkel vorkommen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Rotorlagesensor und/oder der Lenkstellungssensor als Hall-Sensoren ausgebildet sind.
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Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um den elektronisch kommutierten Motor des Lenkaktuators gemäß einem Kommutierungsmuster anzusteuern, das von dem durch den Rotorlagesensor erfassten Rotorlagewinkel abhängt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um den elektronisch kommutierten Motor des Lenkaktuators zum geregelten Anfahren einer Soll-Lenkstellung durch Vorgeben eines Lenkmoments anzusteuern, wobei eine Regelabweichung von der Soll-Lenkstellung und der ermittelten absoluten Lenkstellung abhängt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mechanische Kopplung ein mit dem Lenkaktuator gekoppeltes Riemenrad und einen Kugelgewindetrieb umfasst, der über eine Untersetzung über einen Riemen mit dem Riemenrad verbunden ist und der über eine Übersetzung mit einer Zahnstange gekoppelt ist, um diese bei einer Drehung des Kugelgewindetriebs translatorisch zu bewegen. Die mechanische Kopplung wird hier durch das Zusammenspiel der Untersetzung des Riementriebs und der Übersetzung des Kugelgewindetriebs gewährleistet.
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Weiterhin kann die Untersetzung und die Übersetzung so ausgelegt sein, dass jede Kombination des Rotorlagewinkels und des Stellwinkels über alle Lenkstellungen eines vorgegebenen Lenkhubs eindeutig sind.
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Ferner kann das kleinste gemeinsame Vielfache von Zähnezahlen des Kugelgewindetriebs und des Riemenrads größer sein, als die Zähnezahl des Kugelgewinderads multipliziert mit der Anzahl der für den gesamten Lenkhub erforderliche Umdrehungen des Kugelgewinderads.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkungseinheit für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, wobei die Lenkungseinheit einen Lenkaktuator mit einem elektronisch kommutierten Motor, einen Rotorlagesensor in dem Lenkaktuator zur Ermittlung des Rotorlagewinkels des elektronisch kommutierten Motors, einen Lenkstellungssensor, der als Winkelsensor ausgebildet ist, um einen Stellwinkel zu einer Lenkstellung einer Lenkungsmechanik zu erfassen und ein Lenkgetriebe umfasst, wobei das Lenkgetriebe ausgebildet ist, um den Lenkaktuator mit der Lenkungsmechanik gemäß einer festgelegten mechanischen Kopplung zu koppeln, wobei die mechanische Kopplung so gewählt ist, dass zu jeder absoluten Lenkstellung innerhalb eines vorgegebenen möglichen Lenkhubs die Kombination des Rotorlagewinkels und des Stellwinkels eindeutig zuordenbar ist; mit folgenden Schritten:
- - Ermitteln einer absolute Lenkstellung der Lenkungsmechanik abhängig von dem Rotorlagewinkel und dem Stellwinkel;
- - Betreiben des Lenksystems entsprechend der absoluten Lenkstellung.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems mit einer Lenkradeinheit und einer Lenkungseinheit; und
- 2 eine Querschnittsdarstellung durch das Lenkgetriebe zur Darstellung des Übersetzungsverhältnisses.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steer-by-Wire-Lenksystems 1 mit einer Lenkradeinheit 2 und einer Lenkungseinheit 3. Die Lenkradeinheit 2 umfasst ein Lenkrad 21 als Lenkhandhabe, das über eine Lenkradwelle 22 mit einem Rückkopplungsaktuator 23 gekoppelt ist. Die Lenkradwelle 22 ist mit einem Lenkradpositionssensor 24 versehen, so dass bei Drehen des Lenkrads 21 durch einen Fahrer eine Lenkradposition erfasst wird.
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Die Lenkradposition wird über eine Kommunikationsverbindung an eine Steuereinheit 31 der Lenkungseinheit 3 kommuniziert. Die Lenkungseinheit 3 umfasst weiterhin einen Lenkaktuator 32, der über ein Lenkgetriebe 33 mit einem Kugelgewindetrieb 34 verbunden ist.
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Der Kugelgewindetrieb 34 ist an einer Zahnstange 35 angeordnet und dient dazu, eine rotatorische Bewegung, die auf den Kugelgewindetrieb 34 ausgeübt wird, in eine translatorische Verstellung der Zahnstange 35 umzusetzen. Die Zahnstange 35 ist über eine geeignete Lenkungsmechanik 4 mit gelenkten Rädern 5 verbunden, so dass abhängig von einer Position der Zahnstange 35 ein Lenkwinkel der gelenkten Räder 5 eingestellt wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Lenkaktuator 32 als elektronisch kommutierte elektronische Maschine ausgebildet und über eine Rotorwelle mit einem Riemenrad 36 verbunden. Das Riemenrad 36 ist über einen Zahnriemen 37 mit dem Kugelgewindetrieb 34 verbunden, wobei Riemenrad 36, Zahnriemen 37 und Kugelgewindetrieb 34 Teil des Lenkgetriebes 33 sind.
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Wie in 2 schematisch in einer Querschnittsdarstellung gezeigt, ist die Kopplung zwischen dem Riemenrad 36 und dem Kugelgewindetrieb 34 mit einem Übersetzungsverhältnis ausgebildet, so dass im Sinne einer Untersetzung mehrere Umdrehungen des direkt mit dem Lenkaktuator 32 gekoppelten Riemenrads 36 zu einer Umdrehung des Kugelgewindetriebs 34 führt.
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Der Lenkaktuator 32 ist als elektronisch kommutierte elektrische Maschine, insbesondere als Synchronmaschine, ausgebildet. Zum Betreiben des Lenkaktuators 32 weist dieser einen Rotorlagesensor 39 auf, der als Single-Turn-Positionssensor ausgebildet ist. Der Rotorlagesensor 39 kann beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet sein. Dieser dient in erster Linie dazu, den Rotorlagewinkel R zu detektieren und den Lenkaktuator 32 entsprechend einem von dem Rotorlagewinkel R abhängigen Kommutierungsmuster anzusteuern. Dadurch kann ein Aktuatormoment gezielt eingestellt werden. Das heißt, der Rotorlagesensor 39 entspricht einem Winkelsensor, der lediglich den Rotorlagewinkel R der Rotorwelle erfassen kann, jedoch keine Angabe über eine absolute Winkelverstellung bezüglich einer Referenzposition der Zahnstange 35 angeben kann.
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Der Kugelgewindetrieb 34 ist mit einem Lenkstellungssensor 38 versehen, der vorzugsweise als Winkelsensor (Single-Turn-Sensor) ausgebildet ist, der einen Stellwinkel eines Stellrads des Kugelgewindetriebs 34 messen kann.
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Auch dieser Lenkstellungssensor 38 ist in der Regel als Single-Turn-Sensor d.h. als reiner Winkelsensor, ausgebildet. Dieser weist zudem eine Referenzposition auf, die einem bestimmten Drehwinkel zugeordnet ist. Aufgrund der Übersetzung zwischen der Zahnstange 35 und dem Kugelgewindetrieb 34 kann dessen Referenzposition nicht eindeutig einer Lenkstellung, d.h. einer absoluten Position der Zahnstange 35, zugeordnet werden. Somit kann nach einem Start des Lenksystems 1 die exakte Lenkstellung - auch nach Überlenken der Referenzposition nicht einer Lenkstellung zugeordnet werden. Denn es ist lediglich die Winkelposition (Stellwinkel) des Stellrads des Kugelgewindetriebs 34 nicht jedoch dessen Bezug zur Lenkstellung ermittelbar und ermöglicht somit nicht die Bestimmung einer absoluten Position der Zahnstange 35.
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Es ist nun vorgesehen, dass das Lenkgetriebe ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das im Bewegungsbereich der Zahnstange 35 Kombinationen des Rotorlagewinkels R und des Stellwinkels S des Kugelgewindetriebs 34 bewirkt, die eindeutig einer absoluten Lenkstellung bzw. einer Zahnstangenposition zuzuordnen sind. Dazu ist insbesondere vorgesehen, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Riemenrad 36 und dem Kugelgewindetrieb 34 kein ganzzahliges Verhältnis ist.
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Bei einem beispielhaften Lenksystem weist beispielsweise der Lenkhub der Zahnstange 35 ausgehend von einer Mittenposition +/-90 mm auf. Die Übersetzung des Kugelgewindetriebs 36 auf die Zahnstange 35 kann 7 mm/Umdrehung betragen. Das Übersetzungsverhältnis der Übersetzung zwischen dem Riemenrad und dem Kugelgewindetrieb 36 kann beispielsweise 160 : 47 betragen. Somit kann ein voller Lenkhub bei 87.5 Motorumdrehungen des Lenkaktuators 32 und 25.7 Umdrehungen des Stellrads des Kurbelgewindetriebs erreicht werden.
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Beispielsweise kann ausgehend von einer vorgegebenen Referenzlenkstellung L0 der Zahnstange, bei der sowohl der Rotorlagewinkel R als auch der Stellwinkel S den Wert 0° angeben, die Lenkstellung L (z.B. als Zahnstangenposition) angegeben werden als:
mit V der Übersetzung zwischen dem Kugelgewindetrieb 34 und der Zahnstange in x mm/Umdrehung und nS einer Funktion, die den absoluten Winkel des Kugelgewindetriebs 34 abhängig dem Stellwinkel S, dem Rotorlagewinkel R und dem Übersetzungsverhältnis Ü ausgehend von einer vorgegebenen Referenzlenkstellung angibt.
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Im Detail kann beispielsweise die Lenkstellung L ermittelt werden durch folgenden Pseudocode, bei einem Untersetzungsverhältnis der Untersetzung zwischen dem Riemenrad 36 und dem Kugelgewindetrieb 36 von Z1 : Z2.
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Das Untersetzungsverhältnis Z1/Z2 ergibt aus der erforderlichen Untersetzung, um mit dem Lenkaktuator 32 die notwendigen Kräfte und Geschwindigkeiten an der Zahnstange 35 zu erreichen. Jede Winkelkombination zwischen dem Rotorlagewinkel R des Riemenrads und dem Stellwinkel des Kugelgewindetriebs 34 muss über den gesamten Lenkhub eindeutig sein. Für den Kugelgewindetrieb 34 ist über das Übersetzungsverhältnis Ü bekannt, wie viele Umdrehungen erforderlich sind, um den gesamten Lenkhub abzudecken.
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Das kleinste gemeinsame Vielfache KGV(R, S) der Zähnezahlen des Kugelgewindetriebs 34 und des Riemenrads 36 muss größer, vorzugsweise nur minimal z.B. um 0 -10% des Betrags, sein, als die Zähnezahl des Kugelgewinderads 34 multipliziert mit der Anzahl der für den gesamten Lenkhub erforderliche Umdrehungen des Kugelgewinderads 34. Dadurch wird sichergestellt, dass es für jede mögliche Lenkstellung nur eine eindeutige Kombination von Rotorlagewinkel R und Stellwinkel S gibt. Bei einem nur gering höheren kleinsten gemeinsamen Vielfachen KGV(R, S) wird die Winkelreserve maximiert, um das System möglichst fehlertolerant zu gestalten.
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Anhand des folgenden Pseudocodes wird ersichtlich wie die Berechnung der Lenkstellung L erfolgt.
- % Z1
- Anzahl der Zähne des Kugelgewindetriebes 34
- % Z2
- Anzahl der Zähne des Riemenrads 36 am Lenkaktuator
- % TAB
- Tabelle mit einer Zuordnung der Umdrehungen des Kugelgewindetriebs zu einem Rotorlagewinkel
- % R
- gemessener Rotorlagewinkel
- % S
- gemessener Stellwinkel
- % R0
- Es wird der Rotorlagewinkel bestimmt, der bei einem Winkel von 0° des Kugelgewindetriebs 34 vorliegt
R0 = MOD((R - S * Z1/Z2), 360); MOD (Modulo-Operation)
idxMot=ROUND (R0*(Z2/360))
- %
- Rotorlagewinkel R in Z2 Bereiche unterteilen und die Anzahl der vollständigen Umdrehungen bestimmen, in welchem sich der aktuelle Rotorlagewinkel befindet.
- % cntKGT
- Wert des Umdrehungszählers des Kugelgewindetriebs 34. Dieser Wert wird jetzt anhand einer Tabelle aus dem Motorpositionsindex idxMot bezogen.
cntKGT = TAB[idxMot];
- %
- absoluten Winkel bestimmen
phiKGT_multiTurn = S + cntKGT*360;
- %
- Lenkstellung L bestimmen bei einer Übersetzung V zwischen dem Kugelgewindetrieb 34 und der Zahnstange in x mm/Umdrehung
L = V * phiKGT_multiTurn;
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Basierend auf der Lenkstellung L kann nun in der Steuereinheit 31 eine für die Lenkung relevante Funktion ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Lenkradwinkel in eine Soll-Lenkstellung umgesetzt werden. In der Steuereinheit 31 kann eine Lenkstellungsregelung implementiert sein, die entsprechend einer Regelabweichung ein Stellmoment als Führungsgröße ausgibt, um den Lenkaktuator 32 anzusteuern. Die Regelabweichung kann als Differenz zwischen der Soll-Lenkstellung und der wie oben ermittelten Lenkstellung L bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steer-by-Wire-Lenksystems
- 2
- Lenkradeinheit
- 21
- Lenkrad
- 22
- Lenkradwelle
- 23
- Rückkopplungsaktuator
- 24
- Lenkradpositionssensor
- 3
- Lenkungseinheit
- 31
- Steuereinheit
- 32
- Lenkaktuator
- 33
- Lenkgetriebe
- 34
- Kugelgewindetrieb
- 35
- Zahnstange
- 36
- Riemenrad
- 37
- Zahnriemen
- 38
- Lenkstellungssensor
- 39
- Rotorlagesensor
- 4
- Lenkungsmechanik
- 5
- gelenkte Räder
- S
- Stellwinkel
- R
- Rotorlagewinkel
- V
- Übersetzungsverhältnis
- L
- Lenkstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019206672 A1 [0008]
