DE102022102110A1 - Steering unit for a steer-by-wire steering system and method for steering angle detection - Google Patents

Steering unit for a steer-by-wire steering system and method for steering angle detection Download PDF

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Simon Dirauf
Andreas Holtz
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkereinheit 10 für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer von einer Bedienperson um eine Lenkachse AL drehbare Lenkwelle 12, einem eine Motoreinheit 16 und eine Übersetzungsstufe 18 aufweisenden Force-Feedback-Aktuator 14, wobei die Übersetzungsstufe 18 die Motoreinheit 16 mit der Lenkwelle 12 antriebsmäßig verbindet und einer Messanordnung 20 zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels der Lenkwelle 12. Mit der Lenkereinheit 10 ist es über die Messanordnung 10 möglich, insgesamt drei Mal ein Ausgangssignal zu erzeugen und bereitzustellen, das jedes für sich die reale absolute Winkelstellung der Lenkwelle 12 angibt.

Figure DE102022102110A1_0000
The invention relates to a steering unit 10 for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, having a steering shaft 12 which can be rotated about a steering axis A L by an operator, a force feedback actuator 14 having a motor unit 16 and a transmission stage 18, the Transmission stage 18 drivingly connects the motor unit 16 to the steering shaft 12 and a measuring arrangement 20 for detecting the absolute steering angle of the steering shaft 12. With the steering unit 10 it is possible via the measuring arrangement 10 to generate and provide an output signal three times, each for itself indicates the real absolute angular position of the steering shaft 12.
Figure DE102022102110A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkereinheit für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer von einer Bedienperson um eine Lenkachse AL drehbare Lenkwelle und einer Messanordnung zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels der Lenkwelle.The invention relates to a steering unit for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, with a steering shaft that can be rotated by an operator about a steering axis A L and a measuring arrangement for detecting the absolute steering angle of the steering shaft.

Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen wie konventionelle mechanische Lenkungen manuelle Lenkbefehle des Fahrers durch eine Eingabeeinheit entgegen. Dies kann beispielsweise durch eine Drehung eines Lenkrades erfolgen, das über eine Lenkwelle mit einer Lenkereinheit drehfest verbunden. Die Lenkwelle ist nicht notwendigerweise mechanisch über ein Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden, sondern kann mit Drehwinkel- beziehungsweise Drehmomentsensoren der Lenkereinheit zusammenwirken. Diese Sensoren erfassen den eingebrachten Lenkbefehl und geben ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenkungsaktuator weiter, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag des Rades bzw. des Radmoduls stellt.Like conventional mechanical steering systems, steer-by-wire steering systems for motor vehicles accept manual steering commands from the driver via an input unit. This can be done, for example, by rotating a steering wheel, which is connected to a steering unit in a rotationally fixed manner via a steering shaft. The steering shaft is not necessarily mechanically connected to the wheels to be steered via a steering gear, but can interact with angle of rotation or torque sensors of the steering unit. These sensors detect the steering command that is introduced and forward an electrical control signal determined from this to a steering actuator, which sets a corresponding steering angle of the wheel or wheel module by means of an electrical actuator.

Bei herkömmlichen mechanischen Lenksystem ist die maximale Anzahl der Lenkumdrehungen mechanisch festgelegt. Über die bestehende mechanische Verbindung ist festgelegt, dass sich die gelenkten Räder innerhalb definierter Anschläge bewegen und das Lenkrad beidseitige Drehwinkelbegrenzungen aufweist. Gleichzeitig erhält der Fahrer über die mechanische Verbindung zwischen gelenkten Rädern und Lenkrad eine unmittelbare physische Rückmeldung über die äußeren, auf die Räder wirkenden Fahrzustände, beispielsweise Kurvenfahrt, Fahrt in bzw. durch Spurrillen, seitlich abfallende Fahrbahn oder wirksamer Seitenwind. Außerdem besteht über die feste mechanische Verbindung eine eindeutige Zuordnung von Absolutwinkel bzw. - einschlag des Lenkrades zu dem Lenkeinschlag der Räder.With conventional mechanical steering systems, the maximum number of steering turns is mechanically fixed. The existing mechanical connection stipulates that the steered wheels move within defined stops and that the steering wheel has rotation angle limitations on both sides. At the same time, via the mechanical connection between the steered wheels and the steering wheel, the driver receives immediate physical feedback about the external driving conditions affecting the wheels, such as cornering, driving in or through ruts, a sloping roadway or effective crosswinds. In addition, there is a clear assignment of the absolute angle or - deflection of the steering wheel to the steering deflection of the wheels via the fixed mechanical connection.

Bei Steer-by-Wire-Lenksystemen erhält der Fahrer über die Lenkereinheit keine unmittelbare physische Rückmeldung von den gelenkten Rädern an das Lenkrad. Dies betrifft sowohl den Bereich zwischen den beiden maximalen Lenkeinschlägen der Räder als auch den mechanischen Endanschlag der Räder bei maximalem Lenkeinschlag infolge der fehlenden mechanischen Kopplung zwischen den Rädern und dem Lenkrad. Damit die herrschenden Fahrzustände für den Fahrer haptisch wahrnehmbar sind, ist ein Force-Feedback-Aktuator vorgesehen, der ein dem jeweiligen auf die Räder wirkenden Fahrzustand entsprechendes Moment in die Lenkereinheit einkoppelt, und weiterhin ein Drehwinkelbegrenzer für die Lenkereinheit vorgesehen, der den Absolutwinkel bzw. -einschlag der Lenksäule begrenzt. Aus der DE 10 2018 103 963 A1 ist beispielsweise eine mechanische Drehwinkelbegrenzung für ein Steer-by-wire-Lenksystem bekannt.With steer-by-wire steering systems, the driver does not receive direct physical feedback from the steered wheels to the steering wheel via the steering unit. This affects both the area between the two maximum steering angles of the wheels and the mechanical end stop of the wheels at maximum steering angle due to the lack of mechanical coupling between the wheels and the steering wheel. So that the prevailing driving conditions can be perceived haptically by the driver, a force feedback actuator is provided, which couples a torque corresponding to the respective driving condition acting on the wheels into the link unit, and furthermore a rotation angle limiter is provided for the link unit, which limits the absolute angle or -Limited steering column deflection. From the DE 10 2018 103 963 A1 For example, a mechanical angle of rotation limitation for a steer-by-wire steering system is known.

Außerdem ist es bei Steer-by-Wire-Lenksystemen erforderlich, dass über die Lenkereinheit der infolge des Fahrerwunsches anliegende absoluten Lenkwinkel bzw. - einschlag des Lenkrades erfasst, verarbeitet und an den elektrischen Stellantrieb des Rades bzw. des Radmoduls weitergeleitet wird. Für die Erfassung ist eine Messung des absoluten Lenkwinkels des Lenkrads erforderlich, so dass ausgehend von einer Mittelstellung, die sinnvollerweise eine Geradeausstellung bezogen auf eine Fahrrichtung ist, sicher erkannt werden kann, ob sich der Lenkradeinschlag noch innerhalb der ersten vollen Umdrehung, also zwischen 0° und 360°, befindet oder bereits innerhalb der zweiten vollen Umdrehung, also zwischen 360° und 720°, befindet oder ggf. bereits darüber hinaus, falls dies auslegungsseitig so vorgesehen ist. Dies gilt für einen Rechts- als auch einen Linkseinschlag des Lenkrades. Zudem ist es bei der Erfassung des Absolutwinkels neben der reinen Erfassung eines Winkelwertes noch erforderlich, diesen Winkelwert hinreichend genau zu erfassen. Außerdem ist bei Steer-by-Wire-Lenksystemen vor dem Hintergrund des Fehlens einer mechanischen Verbindung zwischen der Lenksäule und den zu lenkenden Rädern eine redundante Signalerfassung erforderlich, so dass zumindest eine eingeschränkte aber nicht sicherheitskritische Lenkfunktion auch noch dann gegeben sein muss, wenn eine Störung bei der Signalerfassung vorliegt. Eine Erfassung des absoluten Lenkwinkels für herkömmliche mechanische Lenksysteme beschreiben beispielsweise die Dokumente DE 100 48 911 C1 oder EP 2 743 662 A1 .In steer-by-wire steering systems, it is also necessary for the steering unit to record the absolute steering angle or deflection of the steering wheel as a result of the driver's request, process it and forward it to the electric actuator of the wheel or wheel module. A measurement of the absolute steering angle of the steering wheel is required for the detection, so that, starting from a central position, which is sensibly a straight-ahead position in relation to a driving direction, it can be reliably detected whether the steering wheel lock is still within the first full rotation, i.e. between 0° and 360°, or is already within the second full rotation, ie between 360° and 720°, or possibly already beyond it, if this is intended in the design. This applies to turning the steering wheel to the right as well as to the left. In addition to simply detecting an angle value, it is also necessary when detecting the absolute angle to detect this angle value with sufficient accuracy. In addition, due to the lack of a mechanical connection between the steering column and the wheels to be steered, steer-by-wire steering systems require redundant signal detection, so that at least a limited but non-safety-critical steering function must still be available even if there is a fault present during signal acquisition. The documents describe, for example, a detection of the absolute steering angle for conventional mechanical steering systems DE 100 48 911 C1 or EP 2 743 662 A1 .

Es besteht demnach ein ständiges Bedürfnis, bei Steer-by-Wire-Lenksystemen die Erfassung des absoluten Lenkwinkels des Lenkrades möglichst einfach und kostengünstig aber dabei dennoch hinreichend genau zu gewährleisten.There is therefore a constant need in steer-by-wire steering systems to ensure that the absolute steering angle of the steering wheel is recorded as simply and inexpensively as possible, but still with sufficient accuracy.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine einfach und kostengünstig ausgestaltete Lenkereinheit für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.It is the object of the invention to indicate measures that enable a simple and inexpensively designed steering unit for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Lenkereinheit für ein Steer-by-wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is achieved by a steering unit for a steer-by-wire steering system with the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which individually or in combination can represent an aspect of the invention .

Eine Ausführungsform betrifft eine Lenkereinheit für ein Steer-by-wire-Lenksystem, mit einer von einer Bedienperson um eine Lenkachse AL drehbare Lenkwelle und einer Messanordnung mit einem ersten und einem zweiten mit der Lenkwelle mechanisch gekoppelten Sensor, die in einem Messbereich jeweils ein Ausgangssignal S1, S2 mit einer Anzahl sich unterscheidender Perioden k1, k2 erzeugen und zumindest mittelbar mit der Lenkwelle mechanischgekoppelten dritten Sensor, der in dem Messbereich ein Ausgangsignal S3 mit einer dritten Anzahl von Perioden k3 erzeugt, wobei sich die Periode k3 des dritten Sensors von der des ersten Sensors und des zweiten Sensors unterscheidet.One embodiment relates to a steering unit for a steer-by-wire steering system, with a A steering shaft that can be rotated by an operator about a steering axis A L and a measuring arrangement with a first and a second sensor mechanically coupled to the steering shaft, which each generate an output signal S 1 , S 2 with a number of different periods k 1 , k 2 in a measuring range and a third sensor mechanically coupled at least indirectly to the steering shaft, which generates an output signal S 3 with a third number of periods k 3 in the measuring range, wherein the period k 3 of the third sensor differs from that of the first sensor and the second sensor.

Die Motoreinheit, die auch als Feedbackmotor bezeichnet werden kann, kann zur Ansteuerung mit einer Steuereinheit daten- und signalmäßig verbunden sein. Der Feedback-Aktuator kann über die Motoreinheit ein Lenkmoment erzeugen und über die Übersetzungsstufe in die Lenkwelle einbringen. Die Übersetzungsstufe kann beispielsweise als Schneckengetriebe ausgeführt sein.The motor unit, which can also be referred to as a feedback motor, can be connected in terms of data and signals to a control unit for activation. The feedback actuator can generate a steering torque via the motor unit and introduce it into the steering shaft via the gear ratio. The transmission stage can be designed, for example, as a worm gear.

Die Lenkwelle kann einen Spindeltrieb zur Begrenzung eines Lenkwinkels um die Lenkachse AL aufweisen. Der Spindeltrieb kann eine mit der Lenkwelle drehfest verbundene Spindel und eine auf ein Gewinde der Spindel aufgeschraubte und bezogen auf die Lenkachse AL drehfest gehaltene Spindelmutter aufweisen, wobei eine Drehung der Spindel der Spindelmutter eine Längsbewegung in Richtung der Lenkachse AL aufprägt. Die auf der Spindel mittelbar oder unmittelbar aufgeschraubte Spindelmutter kann bei einer Relativdrehung der Spindel zur Spindelmutter in axialer Richtung relativ zur Spindel verlagert werden. Wenn eine Bedienperson das mit der Lenkwelle verbundene Lenkrad in eine der beiden Drehrichtung dreht, dreht sich die Lenkwelle und die Spindel ebenfalls in die entsprechende Drehrichtung, wodurch die Spindelmutter in axialer Richtung entlang der Spindel auf einen jeweiligen Endanschlag zu bewegt wird.The steering shaft can have a spindle drive for limiting a steering angle about the steering axis A L . The spindle drive can have a spindle non-rotatably connected to the steering shaft and a spindle nut screwed onto a thread of the spindle and held non-rotatably in relation to the steering axis A L , with rotation of the spindle imparting a longitudinal movement to the spindle nut in the direction of the steering axis A L . The spindle nut screwed directly or indirectly onto the spindle can be displaced in the axial direction relative to the spindle when the spindle rotates relative to the spindle nut. When an operator turns the steering wheel, which is connected to the steering shaft, in one of the two directions of rotation, the steering shaft and the spindle also rotate in the corresponding direction of rotation, as a result of which the spindle nut is moved in the axial direction along the spindle towards a respective end stop.

Die Messanordnung kann daten- und signalmäßig mit einer Steuereinrichtung verbunden sein, wobei die Steuerungseinrichtung Teil einer übergeordneten Steuerung sein kann. Die Sensoren können über jeweilige Verzahnungen mit der Lenkwelle bzw. der Motoreinheit in einer Wirkverbindung stehen. Der Messbereich bezieht sich vorliegend auf den kompletten Lenkbereich der Lenkwelle, d.h. auf die Anzahl der Umdrehungen, die die Lenksäulen ausgehend von einer Mittelstellung in jeder der Drehrichtungen gedreht werden kann. Die Anzahl der Umdrehungen können hier als ein Vielfaches von 2π oder als ein Vielfaches von 360° ausgedrückt sein. Die Sensoren können als Positionssensor oder als Winkelsensor ausgeführt sein. Auf den Einsatz weiterer zusätzlicher Sensoren kann verzichtet werden.In terms of data and signals, the measuring arrangement can be connected to a control device, in which case the control device can be part of a higher-level controller. The sensors can be in an operative connection with the steering shaft or the motor unit via respective toothings. In this case, the measuring range refers to the complete steering range of the steering shaft, i.e. to the number of revolutions that the steering column can be rotated in each of the directions of rotation, starting from a central position. The number of revolutions here can be expressed as a multiple of 2π or as a multiple of 360°. The sensors can be designed as a position sensor or as an angle sensor. The use of further additional sensors can be dispensed with.

Mit der Lenkereinheit ist es über die Messanordnung möglich, die drei Ausgangssignale S1, S2, S3 zu Multiturn-Signalen zu verrechnen. Im Anschluss werden die einzelnen Sensoren angelernt, indem die jeweiligen Multiturn-Positionen abgespeichert werden. Hierüber kann in der Folge mittels Inkrementzählung bzw. Umdrehungszählung für jeden Sensor einen eigener Multiturn-Positionswert ausgegeben. Die angelernten Multiturn-Signale werden fortlaufend verglichen und können zusätzlich über die berechneten Multiturn-Signale plausibilisiert werden. Sollte also das Ausgangssignal eines Sensors nicht mehr zur Verfügung stehen, liegen für die Lenkereinheit dennoch die Ausgangssignale der zwei verbleibenden Sensoren vor, aus denen weiterhin ein Multiturn-Signal bestimmt werden kann. Über die Verrechnung der beiden weiterhin verfügbaren Singleturn-Signale kann fortlaufend eine Plausibilisierung erfolgen. With the control unit, it is possible via the measuring arrangement to calculate the three output signals S 1 , S 2 , S 3 into multiturn signals. The individual sensors are then taught in by storing the respective multiturn positions. A separate multiturn position value can then be output for each sensor using incremental counting or revolution counting. The learned multiturn signals are continuously compared and can also be checked for plausibility using the calculated multiturn signals. So if the output signal of a sensor is no longer available, the output signals of the two remaining sensors are still available for the steering unit, from which a multiturn signal can still be determined. A plausibility check can be carried out continuously by offsetting the two single-turn signals that are still available.

Es kann ein eine Motoreinheit und bevorzugt eine Übersetzungsstufe aufweisender Force-Feedback-Aktuator vorgesehen, wobei die Übersetzungsstufe die Motoreinheit, bevorzugt über die Übersetzungsstufe, mit der Lenkwelle antriebsmäßig verbindet.A force feedback actuator having a motor unit and preferably a transmission stage can be provided, with the transmission stage drivingly connecting the motor unit to the steering shaft, preferably via the transmission stage.

Die beschriebene Lenkereinheit kann mit Einsatz von drei Sensoren auf redundante Weise den absoluten Lenkwinkel der Lenkwelle bereitstellen. Da in der Regel der vorhandene Feedback-Aktuator bereits einen Sensor zur Erfassung einer Winkelstellung beinhaltet, müssen lediglich weitere zwei Sensoren vorgesehen werden, die zweckmäßigerweise im Bereich der Lenkwelle angeordnet werden, an der in der Regel genügend Bauraum vorhanden ist.With the use of three sensors, the steering unit described can provide the absolute steering angle of the steering shaft in a redundant manner. Since the existing feedback actuator usually already contains a sensor for detecting an angular position, only two more sensors have to be provided, which are expediently arranged in the area of the steering shaft, where there is usually enough installation space.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Messanordnung eine Zahnradanordnung mit zwei Zahnrädern aufweist, die mit jeweils unterschiedlichen Übersetzungen in einer mechanischen Wirkverbindung mit einer Verzahnung der Lenkwelle stehen, wobei der erste und der zweite Sensor jeweils einen Drehwinkel der Zahnräder der Zahnradanordnung erfasst und der dritte Sensor einen Drehwinkel einer Rotorwelle der Motoreinheit mit einer gegenüber den Übersetzungen der Zahnradanordnung unterschiedlichen dritten Übersetzung erfasst. Um einen Phasenversatz der Sensorsignale zu erreichen, sind die Übersetzungen der zwei Zahnräder der Zahnradanordnung und der Übersetzungsstufe des Force-Feedback-Aktuators unterschiedlich. Zweckmäßigerweise sind die Übersetzungen derart aufeinander abgestimmt, dass der jeweilige Phasenversatz nicht zu groß wird, so dass infolge des nicht zu großen Phasenversatzes der Messbereich ausreichend groß festgelegt werden kann.In a preferred embodiment, it is provided that the measuring arrangement has a gearwheel arrangement with two gearwheels, which are mechanically operatively connected to a toothing of the steering shaft with different transmission ratios, with the first and the second sensor each detecting an angle of rotation of the gearwheels of the gearwheel arrangement and the third sensor detects an angle of rotation of a rotor shaft of the motor unit with a third translation that differs from the translations of the gearwheel arrangement. In order to achieve a phase shift of the sensor signals, the translations of the two gear wheels of the gear arrangement and the translation stage of the force feedback actuator are different. The translations are expediently matched to one another in such a way that the respective phase offset is not too large, so that the measuring range can be set sufficiently large as a result of the phase offset not being too large.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verzahnung der Lenkwelle durch einen drehfest auf der Lenkwelle gehaltenen Zahnkranz oder durch zwei drehfest auf der Lenkwelle gehaltene Zahnkränze gebildet wird. Bei den zwei auf der Lenkwelle gehaltenen Zahnkränzen, die auch als Zentralräder bezeichnet werden können, können unterschiedliche Zähnezahlen verwendet werden. Der etwa höhere Teile- und Montageaufwand bei der Verwendung von zwei Zahnkränzen auf der Lenkwelle wird kompensiert durch mehr Möglichkeiten bei den Übersetzungskonstellationen zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels der Lenkwelle. Die zwei Zahnkränze der Zentralräder können auch auf einem einzelnen Bauteil zusammengefasst sein, beispielsweise in einem Spritzgussteil.In a preferred embodiment, it is provided that the toothing of the steering shaft is formed by a ring gear held in a rotationally fixed manner on the steering shaft or by two ring gears held in a rotationally fixed manner on the steering shaft. Different numbers of teeth can be used on the two ring gears held on the steering shaft, which can also be referred to as central gears. The slightly higher expenditure on parts and assembly when using two ring gears on the steering shaft is compensated for by more options for the transmission constellations for determining the absolute steering angle of the steering shaft. The two ring gears of the central gears can also be combined on a single component, for example in an injection molded part.

In einer unter Sicherheitsaspekten besonders bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest zwei Bordnetzquellen vorgesehen, wobei die erste Bordnetzquelle mit dem ersten Sensor zur Energieversorgung verbunden ist und die zweite Bordnetzquelle mit dem zweiten und dem dritten Sensor zur Energieversorgung verbunden ist. Die Sensoren werden durch unterschiedliche Bordnetzquellen gespeist für hinreichende Unabhängigkeit.In an embodiment that is particularly preferred from a safety perspective, at least two vehicle electrical system sources are provided, with the first vehicle electrical system source being connected to the first energy supply sensor and the second vehicle electrical system source being connected to the second and third energy supply sensors. The sensors are powered by different on-board power sources for sufficient independence.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln eines absoluten Lenkwinkels einer Lenkwelle in einer Lenkereinheit wie zuvor beschrieben, bei dem aus jeweils zwei der drei Ausgangssignale S1, S2, S3 ein erstes, zweites und drittes Differenzsignal (ΔS1_2, ΔS1_3, ΔS2_3) erzeugt wird und aus jedem Differenzsignal ein absoluter Lenkwinkel der Lenkwelle berechnet wird.The object is also achieved by a method for determining an absolute steering angle of a steering shaft in a steering unit as described above, in which a first, second and third difference signal (ΔS1_2, ΔS1_3, ΔS2_3) is generated from two of the three output signals S1, S2, S3 and an absolute steering angle of the steering shaft is calculated from each differential signal.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden auf Basis der drei Differenzsignale Multiturnsignale bestimmt und zur fortlaufenden Plausibilisierung des absoluten Lenkwinkels kontinuierlich untereinander abgeglichen.In a preferred embodiment of the method, multiturn signals are determined on the basis of the three difference signals and continuously compared with one another for the continuous plausibility check of the absolute steering angle.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem nach Aufstarten des Lenksystems eine initiale Berechnung des absoluten Lenkwinkels erfolgt und anschließend der absolute Lenkwinkel über Inkremente der Ausgangssignale (S1, S2, S3) bestimmt wird.An embodiment of the method is particularly preferred in which, after starting the steering system, the absolute steering angle is initially calculated and the absolute steering angle is then determined via increments of the output signals (S 1 , S 2 , S 3 ).

Bei einem fortlaufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs ist das Verfahren bevorzugt derart ausgebildet, dass eine initiale Berechnung des absoluten Lenkwinkels bei Aufstarten des Lenksystems erfolgt und währenddessen herrschende externe, auf die Lenkereinheit wirkende Momentenbelastungen in die Berechnung eingehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein zuletzt gespeicherter Wert des absoluten Lenkwinkels in die Berechnung eingeht.With continuous operation of the motor vehicle, the method is preferably designed in such a way that the absolute steering angle is initially calculated when the steering system is started up, and during this time prevailing external torque loads acting on the steering unit are included in the calculation. In particular, it can be provided that a last stored value of the absolute steering angle is included in the calculation.

Zudem ist eine Verfahrensausgestaltung bevorzugt, bei der eine Kalibrierung der örtlichen Lage der drei Sensoren zueinander erfolgt, unter Verwendung systemexterner und systeminterner Referenzwerte.In addition, a method configuration is preferred in which the spatial position of the three sensors relative to one another is calibrated using system-external and system-internal reference values.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Lenkereinheit;
  • 2: Ausgangssignale und Perioden einer Messanordnung einer Lenkereinheit nach 1;
  • 3: ein Schaubild der effektiven Übersetzungsverhältnisse und
  • 4: eine abgewandelte Ausführung der Lenkereinheit nach 1.
In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached drawings using preferred exemplary embodiments, it being possible for the features presented below to represent an aspect of the invention both individually and in combination. Show it:
  • 1 1: a schematic representation of a side view of a link unit;
  • 2 : Output signals and periods of a measuring arrangement of a steering unit 1 ;
  • 3 : a graph of effective gear ratios and
  • 4 : a modified version of the handlebar unit 1 .

Die in 1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht mit teilweiser Schnittdarstellung eine Lenkereinheit 10. Die dargestellte Lenkereinheit 10 kann für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Lenkereinheit 10 kann ein mit einer Lenkwelle 12 gekoppeltes, insbesondere drehfest befestigtes Lenkrad 13 aufweisen, das eine Bedienperson für eine Kurvenfahrt aus einer neutralen Mittelstellung, die einer Geradeausfahrt entspricht, verdrehen kann. Die Lenkwelle 12 ist um eine Drehachse AL entsprechend drehbar gelagert. Die Lenkwelle 12 kann mit einem Force-Feedback-Aktuator 14 interagieren, der ein aktives Feedback an den Fahrer bereitstellen kann. Der Feedback-Aktuator 14 ist über eine Übersetzungsstufe 18, die beispielsweise als Schneckengetriebe ausgebildet sein kann, mittelbar antriebsmäßig mit der Lenkwelle 12 verbunden. Feedback-Aktuator 14 kann eine Motoreinheit 16 zur Bereitstellung eines Drehmoments umfassen und gegebenenfalls über eine Übersetzungsstufe 18 mit der Lenkwelle 12 verbunden sein. Über nicht dargestellte Sensorik kann ein Drehmoment oder eine Drehwinkelbeschleunigung der Lenkwelle 12 detektiert werden, um auf Basis dieser detektierten Messwerte der Bedienperson ein aktives Feedback am Lenkrad bereitzustellen.In the 1 12 schematically shows a link unit 10 in a side view with a partial sectional view. The link unit 10 shown can be used for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle. The steering unit 10 can have a steering wheel 13 coupled to a steering shaft 12, in particular fixed in a rotationally fixed manner, which an operator can turn for cornering from a neutral middle position, which corresponds to driving straight ahead. The steering shaft 12 is rotatably mounted about an axis of rotation A L accordingly. The steering shaft 12 can interact with a force feedback actuator 14 that can provide active feedback to the driver. The feedback actuator 14 is indirectly drive-connected to the steering shaft 12 via a transmission step 18, which can be designed, for example, as a worm gear. Feedback actuator 14 can include a motor unit 16 for providing a torque and can optionally be connected to the steering shaft 12 via a transmission step 18 . A torque or an angular acceleration of the steering shaft 12 can be detected via sensors (not shown) in order to provide the operator with active feedback on the steering wheel on the basis of these detected measured values.

Die Lenkereinheit 10 weist eine Messanordnung 20 auf, die vorliegend zumindest drei Sensoren 22, 24, 26 und eine mit diesen über Daten- und Signalleitungen 44 verbundene Datenübertragungs- und Datenauswerteeinheit 21 umfasst. Der erste und der zweite Sensor 22, 24 ist mechanisch mit der Lenkwelle 12 gekoppelt. Vorliegend ist hierzu eine Zahnradanordnung 28 vorgesehen, über die beide Sensoren 22, 24 in einem Wirkzusammenhang mit der Lenkwelle 12 stehen. Die Zahnradanordnung 28 kann derart ausgeführt sein, dass ein Zahnkranz 38 auf der Lenkwelle 12 drehfest angebracht ist. Jedem der Sensoren 22, 24 ist ein jeweiliges Zahnrad 30, 32 zugeordnet. Die Zahnräder 30, 32 stehen in einem Verzahnungseingriff mit dem Zahnkranz 38, so dass eine Drehung der Lenkwelle 12 eine Drehung beider Zahnräder 30, 32 zur Folge hat, wobei die Drehung der Zahnräder 30, 32 über den jeweiligen Sensor 22, 24 erfasst werden kann. Eine Übersetzung i1 zwischen dem Zahnkranz 38 und dem einen Zahnrad 30 ist ungleich einer Übersetzung i2 zwischen dem Zahnkranz 38 und dem anderen Zahnrad 32.The steering unit 10 has a measuring arrangement 20 which in the present case comprises at least three sensors 22 , 24 , 26 and a data transmission and data evaluation unit 21 connected to them via data and signal lines 44 . The first and second sensors 22, 24 are mechanically coupled to the steering shaft 12. This is available a gear arrangement 28 is provided, via which both sensors 22, 24 are in an operative connection with the steering shaft 12. The gear arrangement 28 can be designed in such a way that a ring gear 38 is attached to the steering shaft 12 in a rotationally fixed manner. Each of the sensors 22, 24 is assigned a respective gear wheel 30, 32. The gears 30, 32 are in meshing engagement with the ring gear 38, so that a rotation of the steering shaft 12 results in a rotation of both gears 30, 32, the rotation of the gears 30, 32 being able to be detected via the respective sensor 22, 24 . A translation i 1 between the ring gear 38 and one gear 30 is not equal to a translation i 2 between the ring gear 38 and the other gear 32.

Der dritte Sensor 26 der Messanordnung 20 steht in einem Wirkzusammenhang mit der Motoreinheit 14, insbesondere erfasst der Sensor 26 eine Drehung eine Rotorwelle 26 der Motoreinheit 14. Eine Drehung der Lenkwelle 12 wird über die Übersetzungsstufe 18 auf die Rotorwelle 26 der Motoreinheit 14 übertragen oder, vice versa, ein Antrieb der Motoreinheit 14 wird von der Rotorwelle 26 und die Übersetzungsstufe 18 auf die Lenkwelle 12 übertragen. Eine Übersetzung i3 zwischen der Lenkwelle 12 und der Rotorwelle 26 ist ungleich den Übersetzungen i1 und i2.The third sensor 26 of the measuring arrangement 20 is in an operative connection with the motor unit 14, in particular the sensor 26 detects a rotation of a rotor shaft 26 of the motor unit 14. A rotation of the steering shaft 12 is transmitted via the transmission stage 18 to the rotor shaft 26 of the motor unit 14 or Vice versa, a drive of the motor unit 14 is transmitted from the rotor shaft 26 and the transmission stage 18 to the steering shaft 12. A translation i 3 between the steering shaft 12 and the rotor shaft 26 is not equal to the translations i 1 and i 2 .

Über die Sensoren 22, 24 und 26 wird der absolute Lenkwinkel der Lenkwelle 12 erfasst, wobei durch die Grenzen des absoluten Lenkwinkels der zu erfassende Messbereich M gebildet wird. Wenn also beispielsweise der absolute Lenkwinkel ausgehend von einer Mittelstellung zwei vollständige Umdrehung jeweils nach rechts und links beträgt, dann beträgt der Messbereich M entsprechend 1440°. In einem beispielsweise so gewählten Messbereich M erzeugen die drei Sensoren 22, 24, 26 bei Drehung der Lenkwelle 12 jeweils ein Ausgangssignal S1, S2, S3 mit einer Anzahl sich unterscheidender Perioden k1, k2, k3. Zudem sind in der 1 zwei Bordnetzquellen 40, 42 schematisiert eingezeichnet, wobei die erste Bordnetzquelle 40 den Sensor 22 und die Bordnetzquelle 42 die Sensoren 24 und 26 mit elektrischer Leistung versorgt und dies für alle Ausführung der Lenkereinheit 10 vorgesehen sein kann.The absolute steering angle of the steering shaft 12 is detected by the sensors 22, 24 and 26, the measuring range M to be detected being formed by the limits of the absolute steering angle. If, for example, the absolute steering angle, starting from a central position, is two complete revolutions to the right and left, then the measurement range M is 1440°. In a measuring range M selected in this way, for example, the three sensors 22, 24, 26 each generate an output signal S 1 , S 2 , S 3 with a number of different periods k 1 , k 2 , k 3 when the steering shaft 12 rotates. In addition, in the 1 Two vehicle electrical system sources 40, 42 are shown schematically, the first vehicle electrical system source 40 supplying the sensor 22 and the vehicle electrical system source 42 the sensors 24 and 26 with electrical power and this can be provided for all versions of the steering unit 10.

Die Ausgangssignale S1 und S2 und die entsprechenden Perioden k1 und k2 der Sensoren 22, 24 sind in der 2 schematisch dargestellt. Der Übersicht halber wurde auf eine Darstellung des Ausgangssignals S3 und der Periode k3 des dritten Sensors 26 verzichtet. Eine Periode gibt den Abstand zwischen zwei gleichen, wiederkehrenden Ausgangssignalen an. Hierbei kann der Abstand in einer Zeit angegeben sein oder, wie vorliegend, bezogen auf die Umdrehungsanzahl, d.h. den absoluten Lenkwinkel, der Lenkwelle 12 angegeben sein. Die Übersetzungen i1, i2, i3 sind vorliegend in einer Größenordnung gewählt, dass bei einer vollen Umdrehung der Lenkwelle 12, die beiden Zahnräder 30, 32 und/oder die Rotorwelle 26 der Motoreinheit 14 in etwa fünf Umdrehungen machen. Folglich ist die Periode des Ausgangssignal der jeweiligen Sensors 22, 24, 26 bei ca. 5, wobei als Eingangsbedingung die ungleichen Übersetzungen i1, i2, i3 gelten. In der 2 sind die Perioden k1 und k2 der Sensoren 22, 24 über dem Messbereich M dargestellt, wobei der Messbereich M die bereits beschriebenen 1440° absoluten Lenkwinkel umfasst. Zu erkennen ist, dass die Periode k2 des Sensors 24 größer ist als die Periode k1 des Sensors 22. Infolge dieses Unterschieds stellt sich im Verlauf der Drehung der Lenkwelle 12 ein sich fortlaufend änderndes Differenzsignal ΔS1-2 zwischen den beiden Sensoren 22, 24 ein. Das Differenzsignal ΔS1_2 ergibt sich aus einem Phasen- bzw. Periodenversatz der unterschiedlichen Perioden k1 und k2. Das Differenzsignal ΔS1_2 ist eindeutig für jeden absoluten Lenkwinkel der Lenkwelle 12. Für jeden beispielsweise über die Auswerteeinheit 21 ermitteltes und berechnetes Differenzsignal ΔS1_2 kann genau ein absoluter Lenkwinkel der Lenkwelle 12 bestimmt und ausgegeben werden.The output signals S 1 and S 2 and the corresponding periods k 1 and k 2 of the sensors 22, 24 are in the 2 shown schematically. For the sake of clarity, the output signal S 3 and the period k 3 of the third sensor 26 are not shown. A period specifies the distance between two identical, recurring output signals. The distance can be given in terms of time or, as is the case here, based on the number of revolutions, ie the absolute steering angle, of the steering shaft 12 . The translations i 1 , i 2 , i 3 are presently selected in such a way that with a full rotation of the steering shaft 12, the two gears 30, 32 and/or the rotor shaft 26 of the motor unit 14 make about five rotations. Consequently, the period of the output signal of the respective sensors 22, 24, 26 is approximately 5, with the unequal transmission ratios i1, i2, i3 applying as the input condition. In the 2 the periods k 1 and k 2 of the sensors 22, 24 are shown over the measuring range M, the measuring range M including the 1440° absolute steering angle already described. It can be seen that the period k 2 of the sensor 24 is greater than the period k 1 of the sensor 22. As a result of this difference, as the steering shaft 12 rotates, a continuously changing difference signal ΔS 1-2 arises between the two sensors 22, 24 a. The difference signal ΔS 1_2 results from a phase or period offset of the different periods k 1 and k 2 . The differential signal ΔS 1_2 is unambiguous for each absolute steering angle of the steering shaft 12. For each differential signal ΔS 1_2 determined and calculated via the evaluation unit 21, for example, an absolute steering angle of the steering shaft 12 can be exactly determined and output.

Die 3 zeigt ein Schaubild zur Verdeutlichung des effektiven Übersetzungsverhältnisses zwischen den beiden Zahnrädern 30 und 32, zwischen dem Zahnrad 30 und der Übersetzungsstufe 18 und zwischen dem Zahnrad 32 und der Übersetzungsstufe 18.The 3 shows a diagram to illustrate the effective transmission ratio between the two gears 30 and 32, between the gear 30 and the gear stage 18 and between the gear 32 and the gear stage 18.

Mittels der Lenkereinheit 10 und deren Messanordnung 20 lässt sich ein Verfahren zum Ermitteln eines absoluten Lenkwinkels ausführen. Bei dem Verfahren werden aus jeweils zwei der drei Ausgangssignale S1, S2, S3 ein erstes, zweites und drittes Differenzsignal ΔS1_2, ΔS1_3, ΔS2_3 erzeugt und aus jedem Differenzsignal ein absoluter Lenkwinkel der Lenkwelle berechnet.A method for determining an absolute steering angle can be carried out using the steering unit 10 and its measuring arrangement 20 . In the method, a first, second and third differential signal ΔS 1_2 , ΔS 1_3 , ΔS 2_3 is generated from two of the three output signals S 1 , S 2 , S 3 and an absolute steering angle of the steering shaft is calculated from each differential signal.

Die 4 zeigt in einem Ausschnitt eine im Bereich der Zahnradanordnung 28 abgewandelte Ausführung der Lenkereinheit 10 der 1. Die Zahnradanordnung 28 der 4 umfasst zwei Zahnkränze 381 und 382 auf der Lenkwelle 12, wobei der Zahnkranz 381 mit dem Zahnrad 30 im Eingriff steht und der Zahnkranz 382 mit dem Zahnrad 32 im Eingriff steht. Zudem sind in der 4 zwei Bordnetzquellen 40, 42 schematisiert eingezeichnet, wobei die die ersten Bordnetzquelle 40 den Sensor 22 und die Bordnetz 42 die Sensoren 24 und 26 mit elektrischer Leistung versorgt und dies für alle Ausführung der Lenkereinheit 10 vorgesehen sein kann.The 4 FIG 1 . The gear assembly 28 of 4 comprises two ring gears 38 1 and 38 2 on the steering shaft 12, the ring gear 38 1 meshing with the gear 30 and the ring gear 38 2 meshing with the gear 32. In addition, in the 4 Two vehicle electrical system sources 40, 42 are shown schematically, the first vehicle electrical system source 40 supplying the sensor 22 and the vehicle electrical system 42 the sensors 24 and 26 with electrical power and this can be provided for all versions of the steering unit 10.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Lenkereinheithandlebar unit
1212
Lenkwellesteering shaft
1313
Lenkradsteering wheel
1414
Force-Feedback-AktuatorForce Feedback Actuator
1616
Motoreinheitmotor unit
1818
Übersetzungsstufetranslation stage
2020
Messanordnungmeasuring arrangement
2121
Datenübertragungs- und DatenauswerteeinheitData transmission and data evaluation unit
2222
Sensorsensor
2424
Sensorsensor
2626
Sensorsensor
2828
Zahnradanordnunggear arrangement
3030
Zahnradgear
3232
Zahnradgear
3434
Verzahnunggearing
3636
Rotorwellerotor shaft
3838
Zahnkranzsprocket
4040
Bordnetzquelleon-board power source
4242
Bordnetzquelleon-board power source
4444
Daten- und Signalleitungendata and signal lines

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • EP 2743662 A1 [0005]EP 2743662 A1 [0005]

Claims (10)

Lenkereinheit (10) für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer von einer Bedienperson um eine Lenkachse AL drehbare Lenkwelle (12), einer Messanordnung (20) mit einem ersten und einem zweiten mit der Lenkwelle (12) mechanisch gekoppelten Sensor (22, 24), die in einem Messbereich (M) jeweils ein Ausgangssignal (S1, S2) mit einer Anzahl sich unterscheidender Perioden (k1, k2) erzeugen und mit einem zumindest mittelbar mit der Lenkwelle (12) mechanisch gekoppelten dritten Sensor (26), der in dem Messbereich (M) ein Ausgangsignal (S3) mit einer dritten Anzahl von Perioden (k3) erzeugt, wobei sich die Periode (k3) des dritten Sensors (26) von der Periode (k1, k2) des ersten und zweiten Sensors (22, 24) unterscheidet.Steering unit (10) for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, with a steering shaft (12) that can be rotated about a steering axis A L by an operator, a measuring arrangement (20) with a first and a second with the steering shaft (12) mechanically coupled sensor (22, 24), each of which generates an output signal (S 1 , S 2 ) with a number of differing periods (k 1 , k 2 ) in a measuring range (M) and with an at least indirectly connected to the steering shaft (12) mechanically coupled third sensor (26) which generates an output signal (S 3 ) with a third number of periods (k 3 ) in the measuring range (M), wherein the period (k 3 ) of the third sensor (26) differs from the period (k 1 , k 2 ) of the first and second sensors (22, 24) differs. Lenkereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Motoreinheit (16) und bevorzugt eine Übersetzungsstufe (18) aufweisender Force-Feedback-Aktuator (14) vorgesehen, wobei die Übersetzungsstufe (18) die Motoreinheit (16), bevorzugt über die Übersetzungsstufe (18), mit der Lenkwelle (12) antriebsmäßig verbindet.Steering unit (10) according to claim 1 , characterized in that a force feedback actuator (14) having a motor unit (16) and preferably a transmission stage (18) is provided, the transmission stage (18) driving the motor unit (16), preferably via the transmission stage (18). the steering shaft (12) drivingly connects. Lenkereinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzahnung (34) der Lenkwelle (12) durch einen drehfest auf der Lenkwelle (12) gehaltenen Zahnkranz (38) oder durch zwei drehfest auf der Lenkwelle gehaltene Zahnkränze (38) gebildet wird.Steering unit (10) according to claim 1 or 2 , characterized in that a toothing (34) of the steering shaft (12) is formed by a ring gear (38) held non-rotatably on the steering shaft (12) or by two ring gears (38) held non-rotatably on the steering shaft. Lenkereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Bordnetzquellen (40, 42) vorgesehen sind, wobei die erste Bordnetzquelle (40) mit dem ersten Sensor (22) zur Energieversorgung verbunden ist und die zweite Bordnetzquelle (42) mit dem zweiten und dem dritten Sensor (24, 26) zur Energieversorgung verbunden ist.Steering unit (10) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that at least two vehicle electrical system sources (40, 42) are provided, the first vehicle electrical system source (40) being connected to the first sensor (22) for supplying energy and the second vehicle electrical system source (42) being connected to the second and third sensors (24 , 26) is connected to the power supply. Verfahren zum Ermitteln eines absoluten Lenkwinkels einer Lenkwelle in einer Lenkereinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem aus jeweils zwei der drei Ausgangssignale (S1, S2, S3) ein erstes, zweites und drittes Differenzsignal (ΔS1_2, ΔS1_3, ΔS2_3) erzeugt wird und aus jedem Differenzsignal ein absoluter Lenkwinkel der Lenkwelle (12) bestimmt wird.Method for determining an absolute steering angle of a steering shaft in a steering unit according to one of the preceding claims, in which a first, second and third differential signal ( ΔS 1_2 , ΔS 1_3 , ΔS 2_3 ) is generated and an absolute steering angle of the steering shaft (12) is determined from each differential signal. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem auf Basis der drei Differenzsignale Multiturnsignale bestimmt werden und zur fortlaufenden Plausibilisierung des absoluten Lenkwinkels kontinuierlich untereinander abgeglichen werden.procedure after claim 5 , in which multi-turn signals are determined on the basis of the three difference signals and are continuously compared with one another for the continuous plausibility check of the absolute steering angle. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem nach Aufstarten des Lenksystems eine initiale Berechnung des absoluten Lenkwinkels erfolgt und anschließend der absolute Lenkwinkel über Inkremente der Ausgangssignale (S1, S2, S3) bestimmt wird.procedure after claim 5 or 6 , in which, after starting the steering system, an initial calculation of the absolute steering angle takes place and then the absolute steering angle is determined via increments of the output signals (S 1 , S 2 , S 3 ). Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine initiale Berechnung des absoluten Lenkwinkels bei einer Aufstarten des Lenksystems erfolgt und währenddessen herrschende externe, auf die Lenkereinheit (10) wirkende Momentenbelastungen in die Berechnung eingehen.procedure after claim 7 , in which an initial calculation of the absolute steering angle takes place when the steering system is started up and during which external torque loads acting on the steering unit (10) are included in the calculation. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein zuletzt gespeicherter Wert des absoluten Lenkwinkels in die Berechnung eingehen.procedure after claim 8 , in which a last stored value of the absolute steering angle is included in the calculation. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem eine Kalibrierung der örtlichen Lage der drei Sensoren (22, 24, 26) zueinander erfolgt, unter Verwendung systemexterner und systeminterner Referenzwerte.Procedure according to one of Claims 5 until 9 , in which the spatial position of the three sensors (22, 24, 26) is calibrated relative to one another, using system-external and system-internal reference values.
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