DE102021214138A1 - Steer-by-Wire-Lenksystem und Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1), umfassend ein Lenksäulenmodul (2) und ein Lenkgetriebe (3), wobei das Lenksäulenmodul (2) ein Lenkrad (4), eine Lenksäule (5), mindestens einen Sensor (6) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ), einen Aktor (7) zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad (4) und eine Steuereinheit (8) für den Aktor (7) aufweist, wobei das Lenkgetriebe (3) mit einer Zahnstange (16) gekoppelt ist, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eine Zahnstangen-Positionseinheit (9) aufweist, wobei der Zahnstangen-Positionseinheit (9) eine Soll-Zahnstangenposition (Z_soll) und eine Ist-Zahnstangenposition (Z_ist) als Eingangsgrößen aufweist, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit (9) derart ausgebildet ist, die Soll- und Ist-Zahnstangenpositionen zu einer virtuellen Zahnstangen-Position (Z_vir) zu verknüpfen, die als mindestens eine Eingangsgröße der Steuereinheit (8) für den Aktor (7) zugeführt ist, sowie ein zugehöriges Verfahren.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire-Lenksystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems.
• Bei Lenksystemen ohne mechanischen Durchgriff vom Lenkrad auf eine Zahnstange (nachfolgend allgemein als Steer-by-Wire-Lenksystem bezeichnet), wird über einen Aktor ein Gegenmoment an einer Lenkhandhabe (nachfolgend allgemein als Lenkrad bezeichnet) erzeugt, gegen das ein Fahrzeugführer lenken muss. Dabei dient das Gegenmoment auch zur Erzeugung eines aktiven Rücklaufs in eine Neutralstellung, wenn der Kraftfahrzeugführer kein Handmoment mehr aufbringt. Ein Ansatz ist dabei, dass das Gegenmoment in Abhängigkeit von einem Ist-Lenkradwinkel erzeugt wird, der beispielsweise von einem Drehwinkelsensor an einer Lenksäule erfasst wird.
• Aus der DE 10 2015 204 642 A1 ist ein Verfahren zur Rückmeldung an einen Anwender eines motorisch unterstützten Lenksystems für ein Fahrzeug bekannt, wobei ein Signal ermittelt wird, das eine Zahnstangenkraft des Lenksystems ausdrückt. Weiter wird ein Fahrzeugzustand oder ein Fahrzustand ermittelt, wobei das Signal in Abhängigkeit des Zustandes angepasst wird, wobei die haptische Rückmeldung auf Basis des angepassten Signals erfolgt.
• Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Steer-by-Wire-Lenksystem zu schaffen, bei dem die haptische Rückmeldung weiter verbessert wird. Ein weiteres technisches Problem ist, ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das Steer-by-Wire-Lenksystem umfasst ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe, wobei das Lenksäulenmodul ein Lenkrad, eine Lenksäule, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad und eine Steuereinheit für den Aktor aufweist. Der Aktor ist vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet.
• Der Sensor ist vorzugsweise ein Drehwinkelsensor und kann auch redundant ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Drehmomentsensor vorhanden sein. Das Lenkgetriebe ist mit einer Zahnstange gekoppelt. Hierzu ist beispielsweise ein Rotor eines Servomotors über ein Getriebe mit der Zahnstange verbunden. Das Lenksystem weist weiter eine Zahnstangen-Positionseinheit auf, wobei der Zahnstangen-Positionseinheit eine Soll-Zahnstangenposition und eine Ist-Zahnstangenposition als Eingangsgrößen aufweist. Die Soll-Zahnstangenposition wird vorzugsweise aus den Daten des Sensors zur Erfassung des Lenkradwinkels berechnet. Die Ist-Zahnstangenposition wird vorzugsweise aus den Daten eines Rotorlagesensors ermittelt. Die Zahnstangen-Positionseinheit ist derart ausgebildet, die Soll- und Ist-Zahnstangenposition zu einer virtuellen Zahnstangen-Position zu verknüpfen, die als mindestens eine Eingangsgröße der Steuereinheit für den Aktor zugeführt ist. Die Verknüpfung ist beispielsweise eine gewichtete Addition, aber auch andere Formen der Verknüpfung sind denkbar. Der Vorteil ist, dass neben der Soll-Zahnstangenposition auch Einflüsse der Ist-Zahnstangenposition beim haptischen Feedback berücksichtigt werden können. Des Weiteren erlaubt die Zahnstangen-Positionseinheit auch eine einfache Erweiterung, was später noch näher erläutert wird.
• In einer Ausführungsform ist die Zahnstangen-Positionseinheit in eine Steuereinheit des Lenkgetriebes oder in die Steuereinheit des Aktors integriert, sodass keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform sind das Lenkgetriebe und die Zahnstangen-Positionseinheit derart ausgebildet, eine zusätzliche Zahnstangenposition von einem Fahrerassistenz-System zu empfangen. Diese zusätzliche Zahnstangenposition kann sehr einfach in der Zahnstangen-Positionseinheit mit verarbeitet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Verknüpfung der Zahnstangenposition parametriert, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit derart ausgebildet ist, die Parameter der Verknüpfung in Abhängigkeit eines Fahrmodus und/oder einer Fahrsituation und/oder einer Nutzereingabe anzupassen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Verknüpfung eine Addition, wobei den einzelnen Zahnstangenpositionen ein Parameter zugeordnet ist.
• In einer alternativen Ausführungsform ist die Verknüpfung eine Addition der Soll-Zahnstangenposition mit einer parametrierten Differenz von Soll-Zahnstangenposition und Ist-Zahnstangenposition sowie eine Addition der parametrierten zusätzlichen Zahnstangenposition.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit für den Aktor derart ausgebildet, zusätzlich eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Zahnstangenkraft bei der Berechnung des Gegenmoments zu berücksichtigen.
• Das Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe umfasst, wobei das Lenksäulenmodul ein Lenkrad, eine Lenksäule, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad und eine Steuereinheit für den Aktor aufweist, wobei das Lenkgetriebe mit einer Zahnstange gekoppelt ist, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem eine Zahnstangen-Positionseinheit aufweist, umfasst die Verfahrensschritte, dass der Zahnstangen-Positionseinheit eine Soll-Zahnstangenposition und eine Ist-Zahnstangenposition zu einer virtuellen Zahnstangenposition verknüpft, die als mindestens eine Eingangsgröße der Steuereinheit für den Aktor zugeführt wird.
• Hinsichtlich der weiteren verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollumfänglich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Steer-by-Wire-Lenksystems und
• 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Zahnstangen-Positionseinheit.
• In der 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 dargestellt, das ein Lenksäulenmodul 2 und ein Lenkgetriebe 3 aufweist. Das Lenksäulenmodul 2 weist ein Lenkrad 4, eine Lenksäule 5, einen Sensor 6 zur Erfassung eines Lenkradwinkels φ, einen Aktor 7 zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad 4, eine Steuereinheit 8 für den Aktor 7 sowie eine Zahnstangen-Positionseinheit 9 auf. Dabei kann der Sensor 6 auch redundant ausgebildet sein und/oder ein zusätzlicher Drehmomentsensor vorhanden sein. Das Lenkgetriebe 3 weist mindestens eine Steuereinheit 10, zwei Leistungselektroniken 11, 12 sowie zwei Halbmotoren 13, 14 auf, die einen gemeinsamen Rotor 15 antreiben, der über ein nicht dargestelltes Getriebe mit einer Zahnstange 16 verbunden ist. Dem Rotor 15 ist mindestens ein Rotorlagesensor 17 zugeordnet, aus dessen Daten eine Ist-Zahnstangenposition Z_ist ermittelbar ist. Die Daten des Rotorlagesensors 17 werden der Steuereinheit 10 und der Zahnstangen-Positionseinheit 9 zugeführt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Zahnstangen-Positionseinheit 9 ein von der Steuereinheit 10 aufbereitetes Signal erhält, aus dem sich die Ist-Zahnstangenposition Z_ist ergibt. Zur Vereinfachung ist hier dargestellt, dass das Signal von Rotorlagesensor 17 Z_ist ist. Weiter ist dargestellt, dass der Ist-Lenkradwinkel φ einerseits der Steuereinheit 10 und andererseits der Zahnstangen-Positionseinheit 9 zugeführt wird, wobei dem Ist-Lenkradwinkel φ eine Soll-Zahnstangenposition Z_soll zugeordnet ist. Weiter ist ein Fahrerassistenz-System 18 dargestellt, das nicht Bestandteil des Steer-by-Wire-Lenksystems 1 sein muss, das eine zusätzliche Zahnstangenposition Z_zusatz vorgibt. Diese zusätzliche Zahnstangenposition Z_zusatz wird einerseits der Steuereinheit 10 und andererseits der Zahnstangen-Positionseinheit 9 zugeführt. Die Steuereinheit 10 berechnet dann die Summe von Soll-Zahnstangenposition Z_soll und zusätzlicher Zahnstangenposition Z_zusatz und steuert die Leistungselektroniken 11, 12 entsprechend an, um die Summen-Zahnstangenposition einzustellen. Weiter ist dargestellt, dass die Steuereinheit 8 neben dem Ausgangssignal der Zahnstangen-Positionseinheit 9 die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs und eine Zahnstangenkraft Fz (z.B. geschätzt anhand eines Rotordrehmoments) als Eingangsgrößen erhält. Das Ausgangssignal der Zahnstangen-Positionseinheit 9 ist eine virtuelle Zahnstangenposition Z_vir, was noch erläutert wird. Schließlich ist noch dargestellt, dass die Zahnstangen-Positionseinheit 9 ein Steuersignal S erhält, mittels dessen die Parametrierung in der Zahnstangen-Positionseinheit 9 geändert werden kann.
• In der 2 ist die Zahnstangen-Positionseinheit 9 dargestellt, wobei der Soll-Zahnstangenposition Z_soll der Parameter a, der Ist-Zahnstangenposition Z_ist der Parameter 1-a und der zusätzlichen Zahnstangenposition Z_zusatz der Parameter b zugeordnet ist, wobei alle drei parametrierten Zahnstangenpositionen in einem Addierer 19 addiert werden. Dabei können die Parameter a und b mittels des Steuersignals S geändert werden. Das Steuersignal S wird beispielsweise von einem eingestellten Fahrmodus verändert. So kann beispielsweise in einem Komfort-Modus a zu 1 und b zu 0 gesetzt werden, sodass die virtuelle Zahnstangenposition Z_vir der Soll-Zahnstangenposition Z_soll entspricht. Bei einem Sport-Modus hingegen kann a zu 0 und b zu 1 gesetzt werden, sodass sowohl Abweichungen der Positionsregelung an der Zahnstange 16 als auch zusätzliche angeforderte Zahnstangenpositionen von Fahrerassistenz-Systemen haptisch am Lenkrad spürbar sind. Die Parameter können auch in Abhängigkeit von einer Fahrsituation geändert werden, z.B. bei einem plötzlichen Ausweichmanöver, was beispielsweise durch Eingriffe des ESC-Systems und/oder einer Querbeschleunigung und/oder anhand des Lenkradwinkels und/oder der Lenkradwinkelgeschwindigkeit detektiert werden kann. Weiter kann die Parametrierung auch durch eine Nutzereingabe erfolgen. Werden die Parameter während der Fahrt geändert, so erfolgt die Änderung der Parameter a, b vorzugsweise nicht abrupt, sondern mittels einer Übergangsfunktion (z.B. einer Rampen-Funktion).
• Alternativ zu der parametrierten Addition aller Zahnstangenpositionen kann die virtuelle Zahnstangenposition Z_vir auch wie folgt berechnet werden: $$\text{Z\_vir}=\text{Z\_soll}+\text{c}*\left(\text{Z\_soll}-\text{Z\_ist}\right)+\text{b}*\text{Z\_zusatz}$$

  
• Hierdurch kann eine Regelabweichung durch c > 1 auch überbetont werden, um so beispielsweise Einträge von der Straße in das Lenkgetriebe haptisch besonders deutlich am Lenkrad spürbar zu machen. Dabei sei angemerkt, dass c auch kleiner 0 sein kann.
• Bezugszeichenliste

1

Steer-by-Wire-Lenksystem

2

Lenksäulenmodul

3

Lenkgetriebe

4

Lenkrad

5

Lenksäule

6

Sensor

7

Aktor

8

Steuereinheit

9

Zahnstangen-Positionseinheit

10

Steuereinheit

11, 12

Leistungselektroniken

13, 14

Halbmotoren

15

Rotor

16

Zahnstange

17

Rotorlagesensor

18

Fahrerassistenzsystem

19

Addierer

• 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
• DE 102015204642 A1 [0003]

Claims (10)

1. Steer-by-Wire-Lenksystem (1), umfassend ein Lenksäulenmodul (2) und ein Lenkgetriebe (3), wobei das Lenksäulenmodul (2) ein Lenkrad (4), eine Lenksäule (5), mindestens einen Sensor (6) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ), einen Aktor (7) zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad (4) und eine Steuereinheit (8) für den Aktor (7) aufweist, wobei das Lenkgetriebe (3) mit einer Zahnstange (16) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eine Zahnstangen-Positionseinheit (9) aufweist, wobei der Zahnstangen-Positionseinheit (9) eine Soll-Zahnstangenposition (Z_soll) und eine Ist-Zahnstangenposition (Z_ist) als Eingangsgrößen aufweist, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit (9) derart ausgebildet ist, die Soll- und Ist-Zahnstangenpositionen zu einer virtuellen Zahnstangen-Position (Z_vir) zu verknüpfen, die als mindestens eine Eingangsgröße der Steuereinheit (8) für den Aktor (7) zugeführt ist.
2. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangen-Positionseinheit (9) in eine Steuereinheit (10) des Lenkgetriebes (3) oder in die Steuereinheit (8) des Aktors (7) integriert ist.
3. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (3) und die Zahnstangen-Positionseinheit (9) derart ausgebildet sind, eine zusätzliche Zahnstangenposition (Z_zusatz) von einem Fahrerassistenz-System (18) zu empfangen.
4. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der Zahnstangenpositionen parametriert ist, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit (9) derart ausgebildet ist, die Parameter (a, b) der Verknüpfung in Abhängigkeit eines Fahrmodus und/oder einer Fahrsituation und/oder einer Nutzereingabe anzupassen.
5. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung eine Addition ist, wobei den einzelnen Zahnstangenpositionen ein Parameter (a, b) zugeordnet ist.
6. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung eine Addition der Soll-Zahnstangenposition (Z_soll) einer parametrierten Differenz von Soll-Zahnstangenposition (Z_soll) und Ist-Zahnstangenposition (Z_ist) sowie eine Addition der parametrierten zusätzlichen Zahnstangenposition (Z_zusatz) ist.
7. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) für den Aktor (7) derart ausgebildet ist, zusätzlich eine Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und/oder eine Zahnstangenkraft (Fz) bei der Berechnung des Gegenmoments zu berücksichtigen.
8. Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems, wobei das Steer-by-Wire-Lenksystem (1) ein Lenksäulenmodul (2) und ein Lenkgetriebe (3) umfasst, wobei das Lenksäulenmodul (2) ein Lenkrad (4), eine Lenksäule (5), mindestens einen Sensor (6) zur Erfassung eines Lenkradwinkels (φ), einen Aktor (7) zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad (4) und eine Steuereinheit (8) für den Aktor (7) aufweist, wobei das Lenkgetriebe (3) mit einer Zahnstange (16) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eine Zahnstangen-Positionseinheit (9) aufweist, wobei der Zahnstangen-Positionseinheit (9) eine Soll-Zahnstangenposition (Z_soll) und eine Ist-Zahnstangenposition (Z_ist) mindestens als Eingangsgröße zugeführt werden, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit (9) die Soll- und Ist-Zahnstangenpositionen (Z_soll, Z_ist) zu einer virtuellen Zahnstangenposition (Z_vir) verknüpft, die als mindestens eine Eingangsgröße der Steuereinheit (8) für den Aktor (7) zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lenkgetriebe (3) und der Zahnstangen-Positionseinheit (9) eine zusätzliche Zahnstangenposition (Z_zusatz) von einem Fahrerassistenz-System (18) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der Zahnstangenposition parametriert ist, wobei die Zahnstangen-Positionseinheit (9) die Parameter (a, b) der Verknüpfung in Abhängigkeit eines Fahrmodus und/oder einer Fahrsituation und/oder einer Nutzereingabe anpasst.

Images