DE102023204888A1 - Steer-by-Wire-System zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung schlägt ein Steer-by-Wire-System (100) vor, das mindestens einen Lenkradaktuator zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule umfasst. Das Lenkrad betätigt den Lenkradaktuator über einen bürstenlosen Gleichstrommotor (M3). Der Lenkradaktuator verstellt die Lenksäule in einer Neigungsrichtung mittels eines ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und in einer Teleskoprichtung mittels eines zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2). M1 und M2 sind dazu ausgelegt, über zwei getrennte H-Brücken (101, 102) mit einem gemeinsamen Arm von Schaltern (106) zu arbeiten. M3 ist für den Betrieb mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) ausgelegt, von denen eine dreiphasige H-Brücke (105) das Schalternetzwerk von M1 und M3 ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Steer-by-Wire-System zur Bedienung eines Lenkrads und einer Lenksäule unter Verwendung gemeinsamer Hardware.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Mit Steer-by-Wire-Systemen wird eine neue Ära in der Automobiltechnik eingeleitet. Ein Steer-by-Wire-System zielt darauf ab, die physische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern eines Fahrzeugs zu beseitigen, indem elektrisch gesteuerte Motoren verwendet werden, um die Richtung der Räder zu ändern und dem Fahrer eine Rückmeldung zu geben. Steer-by-Wire-Systeme haben den Vorteil, dass sie das Fahrverhalten und die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs verbessern und innovative Einbaumöglichkeiten und Designs zur Verfügung stellen. Steer-by-Wire-Systeme bestehen aus zwei Elementen: einem Lenkradaktuator, der in der Lenksäule innerhalb oder in der Nähe der Fahrerkabine montiert ist, und einem Zahnstangenaktuator, der an der Zahnstange montiert ist und die Bewegung der Vorderräder steuert. Der Lenkradaktuator erfasst die Eingaben des Fahrers am Lenkrad und gibt sie an den Zahnstangenaktuator weiter und umgekehrt. Der Lenkradaktuator verfügt auch über Funktionen, die als Lenksäulenverstellung bekannt sind. Die Lenksäulenverstellung dient dazu, die Position der Lenksäule elektrisch an den Komfort des Fahrers anzupassen.
  • Die Lenksäulenverstellung umfasst eine Neigungs- und Teleskopbewegung der Lenksäule. Die Neigungsbewegung der Lenksäule wird durch einen Radialmotor angetrieben, der durch eine H-Brücke gesteuert wird, und die Teleskopbewegung der Lenksäule wird durch einen Axialmotor angetrieben, der durch eine weitere H-Brücke gesteuert wird. Sowohl der Radial- als auch der Axialmotor sind bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Der Lenkradaktuator steuert das Lenkrad mittels eines Lenkradmotors an, bei dem es sich um einen sechsphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor handelt. Der Lenkradaktuator und die Lenksäulenverstellung sind in einer einzelnen Einheit untergebracht. Dies erhöht die Gesamtgröße der Lenkradbetätigungseinheit. Daher besteht die Notwendigkeit, die Größe zu reduzieren, indem die Leistungselektronik für andere Funktionen gemultiplext wird, sodass die Gesamtzahl der leistungselektronischen Komponenten und Treiberstufen reduziert werden kann, was wiederum die Gesamtgröße und die Kosten senkt.
  • Die Patentanmeldung DE102017217581 A1 mit dem Titel „Verfahren zum Betrieb einer Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung und Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung“ offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung mit mindestens einem Lenkstellglied, mindestens einem Aktuator zum Verstellen des Lenkaktuatorelements in einer axialen Richtung und mindestens einem Rotorpositionssensor, der ein mit der Rotorposition des Servomotors korreliertes Rotorpositionssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Position des Lenkaktuatorelements in axialer Richtung in mindestens einem Betriebszustand anhand des Rotorpositionssignals bestimmt wird. Die Lenkradbetätigungseinheit weist eine hohe Gesamtgröße aus, was den Platzbedarf der Lenksäule erhöht.
  • Kurzbeschreibung der begleitenden Zeichnungen
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden begleitenden Zeichnungen beschrieben:
    • 1 zeigt die Hardware-Architektur eines Lenkradaktuators in einem Steer-by-Wire-System (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule.
    • 2 zeigt die herkömmliche Hardware-Architektur (200) eines Lenkradaktuators in einem Steer-by-Wire-System zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule.
    • 3 zeigt eine Tabelle (300) mit den Schaltzuständen von Trennschaltern zum Verbinden jedes Motors und zum Trennen des anderen Motors.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die folgenden Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur verständlicheren Beschreibung der technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung, sollen aber den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
  • Vor der detaillierten Beschreibung der Erfindung ist es wichtig, einige Aspekte der offenbarten Erfindung zu verstehen. Ein Schalter ist im Grunde ein elektronischer Schalter, der eine binäre elektronische Vorrichtung ist, die eine elektrische Schaltung aktivieren kann. Ein Schalternetzwerk ist eine Anordnung von miteinander verbundenen Schaltern, die zusammen arbeiten, um eine elektrische Vorrichtung anzusteuern. Eine H-Brücke ist ein Schalternetzwerk, das wie der Buchstabe H aussieht. Eine H-Brücke wird verwendet, um eine Last, z. B. einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor, in beide Richtungen anzusteuern und den Stromfluss zu einer Last zu steuern. Trennschalter sind binäre elektronische Schalter, die eine elektrische Schaltung schalten und dadurch eine andere elektrische Schaltung trennen können und umgekehrt. Ein Treiber ist eine Komponente, die zur Steuerung einer anderen Schaltung oder einer anderen Komponente, z. B. eines Hochleistungstransistors, von Schrittmotoren und vielen anderen, verwendet wird. Jeder der Schalter in der vorliegenden Ausführungsform wird durch Treiber gesteuert, wobei die Treiber in zentraler Kommunikation mit einem Mikroprozessor stehen.
  • 1 zeigt die Hardware-Architektur eines Lenkradaktuators in einem Steer-by-Wire-System (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule. Die Hardware-Architektur (100) umfasst einen ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotor (M1) zum Bedienen der Lenksäule in Neigungsrichtung, einen zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotor (M2) zum Bedienen der Lenksäule in Teleskoprichtung und einen bürstenlosen Gleichstrommotor (M3) zum Bedienen des Lenkrads. Die Hardware-Architektur (100) umfasst ferner ein Schalternetzwerk und Treiber, die durch eine Batteriequelle gespeist werden. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) und der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) dazu ausgelegt sind, über separate H-Brücken mit einem gemeinsamen Schalterarm (106) zu arbeiten. Der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) ist dazu ausgelegt, mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) zu arbeiten, von denen eine dreiphasige H-Brücke (105) das Schalternetzwerk des ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und des zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) ist.
  • Ein Fachmann würde das Vorhandensein von drei dedizierten Schalternetzwerken für den Betrieb des ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1), des zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) und des dritten bürstenlosen Gleichstrommotors (M3), wie in 2 dargestellt, erkennen. 2 zeigt die herkömmliche Hardware-Architektur (200) eines Lenkradaktuators in einem Steer-by-Wire-System zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule. Der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) für die Neigungsverstellung der Lenksäule, allgemein auch Radialmotor genannt, ist dazu ausgelegt, über eine dedizierte H-Brücke (201) zu arbeiten, die aus den Schaltern SW1, SW2, SW3 und SW4 gebildet wird. Ebenso ist der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) für die Teleskopverstellung der Lenksäule, allgemein auch Axialmotor genannt, dazu ausgelegt, über eine zweite dedizierte H-Brücke (202) zu arbeiten, die aus den Schaltern SW5, SW6, SW7 und SW8 gebildet wird. Der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) zum Bedienen des Lenkrads ist dazu ausgelegt, über zwei dreiphasige H-Brücken (203) zu arbeiten, wobei die Last auf den Motor M3 gleichmäßig auf die beiden dreiphasigen H-Brücken (203) verteilt wird, die auf der Oberseite und der Unterseite des Motors M3 angeordnet sind. Die obere dreiphasige H-Brücke (204) wird durch die Schalter SW9, SW10, SW11, SW12, SW13, SW14, SW15, SW16 und SW17 gebildet. Die untere dreiphasige H-Brücke (205) wird durch die Schalter SW18, SW19, SW20, SW21, SW22, SW23, SW24, 30 SW25 und SW26 gebildet.
  • Diese separaten H-Brücken in der herkömmlichen Technik erhöhen die Größe der Lenkradaktuatoreinheit. Die Lenksäule ist jedoch ein begrenzter Bereich und weist viele Platzeinschränkungen auf. Daher konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf Techniken zur Größenreduzierung durch Multiplexen der Leistungselektronik, sodass die Gesamtzahl der leistungselektronischen Komponenten und Treiberstufen reduziert werden kann, was wiederum die Gesamtgröße und die Kosten senkt.
  • Die Hardware-Architektur (100) der vorliegenden Erfindung ist wie in 1 beschrieben und zeichnet sich durch den ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotor (M1) und den zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotor (M2) aus, die dazu ausgelegt sind, über separate H-Brücken mit einem gemeinsamen Arm von Schaltern (106) zu arbeiten. Der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) ist dazu ausgelegt, mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) zu arbeiten, von denen eine dreiphasige H-Brücke (105) das Schalternetzwerk des ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und des zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) ist.
  • Das in den vorhergehenden Abschnitten definierte Schalternetzwerk ist die Konfiguration der Schalter für den Betrieb der drei Motoren. Beispielsweise ist der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) für die Neigungsverstellung der Lenksäule, allgemein auch Radialmotor genannt, dazu ausgelegt, über das Netzwerk der Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 zu arbeiten, die eine erste H-Brücke (101) bilden. Ebenso ist der bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) für die Teleskopverstellung der Lenksäule, allgemein auch Axialmotor genannt, dazu ausgelegt, über das Netzwerk der Schalter SW3, SW4, SW5 und SW6 zu arbeiten, die eine zweite H-Brücke (102) bilden. Der Arm der Schalter (106) SW3 und SW4 wird zwischen der ersten (101) und der zweiten (102) H-Brücke geteilt. Dies reduziert die Neigungs- und Teleskopverstelleinheit der Lenkradbetätigungseinheit im Vergleich zum Stand der Technik.
  • Jeder der Schalter wird durch Treiber gesteuert, die in zentraler Kommunikation mit einem Mikroprozessor stehen. Der Schalter SW1 wird durch den Treiber „G1_DRVR“ gesteuert, wobei „DRVR“ der Treiber ist, der den Schalter steuert.
  • Ebenso werden die Schalter SW2, SW3, SW4,...SWn durch G2_DRVR, G3_DRVR, G4_DRVR....Gn_DRVR gesteuert.
  • Der erste Bürstenmotor (M1) und der zweite Bürstenmotor (M2) sind dazu ausgelegt, im Zeitmultiplexverfahren zu arbeiten. Zeitmultiplexen ist ein Verfahren zum Senden und Empfangen unabhängiger Signale über einen gemeinsamen Signalweg mithilfe von synchronisierten Schaltern, sodass jedes Signal auf der Leitung nur einen Bruchteil der Zeit in einem abwechselnden Muster erscheint. Das bedeutet, dass die beiden Bürstenmotoren M1 und M2 nicht gleichzeitig arbeiten können. Dies wird mittels der Trennschalter SW7, SW8, SW9 und SW10 erreicht. Wenn die Schalter SW7 und SW8 eingeschaltet und die Schalter SW9 und SW10 ausgeschaltet sind, ist die erste H-Brücke (101) aktiv, wodurch der erste Bürstenmotor (M1) arbeitet. Wenn die Schalter SW9 und SW10 eingeschaltet und die Schalter SW7 und SW8 ausgeschaltet sind, wird die zweite H-Brücke (102) aktiv, wodurch der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) arbeitet.
  • Ein Fachmann wird erkennen, dass der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) entweder mit zwei dreiphasigen H-Brücken oder mit einer dreiphasigen H-Brücke arbeiten kann. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) arbeitet, wird die Last auf den Motor gleichmäßig auf die beiden dreiphasigen H-Brücken (103) verteilt. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor mit einer dreiphasigen H-Brücke (104) arbeitet, wird die Last des Motors vollständig durch die untere dreiphasige H-Brücke (104) angesteuert. In einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren M1 und M2 nicht in Betrieb sind, arbeitet der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103), von denen eine dreiphasige H-Brücke (105) das Schalternetzwerk des ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und des zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) ist. Die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 und SW6 bilden die gemeinsame obere dreiphasige H-Brücke (105), und die Schalter SW14, SW15, SW16, SW17, SW18 und SW18 bilden die untere dreiphasige H-Brücke (104).
  • In der anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der einer der beiden bürstenbehafteten Gleichstrommotoren in Betrieb ist, arbeitet der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) mit der unteren dreiphasigen H-Brücke (104), die durch die Schalter SW14, SW15, SW16, SW17, SW18, SW19, SW20, SW21 und SW22 gebildet wird. Die duale Betriebsart des bürstenlosen Gleichstrommotors (M3) wird durch die Trennschalter S11, S12 und S13 erreicht. Trennschalter sind binäre elektronische Schalter, die eine elektrische Schaltung schalten und dadurch eine andere elektrische Schaltung trennen können und umgekehrt.
  • 2 zeigt eine Tabelle (300) mit den Schaltzuständen von Trennschaltern zum Verbinden jedes Motors und zum Trennen des anderen Motors. Wenn die Trennschalter SW7 und SW8 eingeschaltet sind und der Rest der Trennschalter ausgeschaltet ist, bilden die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 eine H-Brücke (101), wodurch der bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) in Betrieb ist. Wenn die Trennschalter SW9 und SW10 eingeschaltet sind und der Rest der Trennschalter ausgeschaltet ist, bilden die Schalter SW3, SW4, SW5 und SW6 eine zweite H-Brücke (102), wodurch der bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) in Betrieb ist. Da der Arm der Schalter (106) SW3 und SW4 durch beide Bürstenmotoren gemeinsam genutzt wird, kann immer nur ein Bürstenmotor gleichzeitig arbeiten. Wenn sich einer der beiden Bürstenmotoren im Betriebszustand befindet, sind die Trennschalter SW11, SW12 und SW13 ausgeschaltet, wodurch der bürstenlose Gleichstrommotor in einer dreiphasigen H-Brücke (104) in Betrieb ist, die durch die Schalter SW14, SW15, SW16, SW17, SW18 und SW18 gebildet wird. Wenn die beiden Bürstenmotoren nicht in Betrieb sind, sind die Schalter SW11, SW12 und SW13 eingeschaltet, wodurch der bürstenlose Gleichstrommotor in zwei dreiphasigen H-Brücken (103) in Betrieb ist. Die dreiphasige H-Brücke (105), die gebildet wird, wenn die Schalter SW11, SW12 und SW13 eingeschaltet sind, wird durch die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 und SW6 gebildet.
  • In der Ausführungsform der Erfindung, bei der der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) in Betrieb ist, wird die Last gleichmäßig auf die beiden dreiphasigen H-Brücken (103) verteilt. Bei der anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) mit einer dreiphasigen H-Brücke (104) in Betrieb ist, wird die Last des Motors vollständig durch die untere dreiphasige H-Brücke (104) angesteuert.
  • Diese Idee, eine gemeinsame Hardware und Zeitmultiplexen für eine Lenkradbetätigungseinheit zu verwenden, beseitigt das Problem des herkömmlichen Standes der Technik, bei dem die Lenkradbetätigungseinheit sehr groß ist, wodurch die Größe der Lenksäule zunimmt. Die vorliegende Offenbarung beseitigt dieses Problem durch eine gemeinsame Hardware-Architektur (100), die Zeitmultiplexen verwendet und dadurch die Kosten für die Lenkradbetätigungseinheit senkt.
  • Es versteht sich, dass die in der obigen detaillierten Beschreibung erläuterten Ausführungsformen lediglich illustrativen Charakter haben und nicht den Schutzbereich dieser Erfindung einschränken. Beliebige Abwandlungen eines Steer-by-Wire-Systems (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule sind denkbar und Teil der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung wird nur durch die Ansprüche begrenzt.
  • 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 102017217581 A1 [0004]

Claims (4)

  1. Steer-by-Wire-System (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule, wobei das Steer-by-Wire-System (100) mindestens einen Lenkradaktuator umfasst, wobei das Lenkrad den Lenkradaktuator mittels eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M3) bedient, der Lenkradaktuator die Lenksäule in einer Neigungsrichtung mittels eines ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und in einer Teleskoprichtung mittels eines zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) verstellt, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (M3), der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) und der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) dazu ausgelegt sind, über ein Schalternetzwerk zu arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) und der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) dazu ausgelegt sind, über zwei separate H-Brücken mit einem gemeinsamen Arm von Schaltern (106) zu arbeiten; der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) dazu ausgelegt ist, mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) zu arbeiten, von denen eine dreiphasige H-Brücke (105) das Schalternetzwerk des ersten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M1) und des zweiten bürstenbehafteten Gleichstrommotors (M2) ist.
  2. Steer-by-Wire-System (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule gemäß Anspruch 1, wobei der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) und der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) durch Zeitmultiplexen arbeiten.
  3. Steer-by-Wire-System (100) zur Bedienung von Lenkrad und Lenksäule gemäß Anspruch 1, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) dazu ausgelegt ist, mit zwei dreiphasigen H-Brücken (103) zu arbeiten, wenn sowohl der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) als auch der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) sich nicht im Betriebszustand befinden.
  4. Steer-by-Wire-System (100) zur Betätigung von Lenkrad und Lenksäule gemäß Anspruch 1, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (M3) dazu ausgelegt ist, mit einer dreiphasigen H-Brücke (104) zu arbeiten, wenn sich entweder der erste bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M1) oder der zweite bürstenbehaftete Gleichstrommotor (M2) im Betriebszustand befindet.
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DE102017217581A1 (de) 2017-10-04 2019-04-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung und Steer-by-Wire-Lenkvorrichtung

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