EP2212190A2 - Lenkaktuator für ein steer-by-wire schiffsteuersystem und verfahren zum betreiben des lenkaktuators - Google Patents

Lenkaktuator für ein steer-by-wire schiffsteuersystem und verfahren zum betreiben des lenkaktuators

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EP2212190A2
EP2212190A2 EP08804775A EP08804775A EP2212190A2 EP 2212190 A2 EP2212190 A2 EP 2212190A2 EP 08804775 A EP08804775 A EP 08804775A EP 08804775 A EP08804775 A EP 08804775A EP 2212190 A2 EP2212190 A2 EP 2212190A2
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EP
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steering actuator
electric motor
control system
rudder
steer
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Adriano Zanfei
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ZF Friedrichshafen AG
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    • B63H25/08—Steering gear
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    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/36—Rudder-position indicators

Definitions

  • the present invention relates to a steering actuator for a steer-by-wire ship control system according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to methods for operating the steering actuator.
  • steer-by-wire systems which are also used in the ship control technology.
  • the steering commands input via a steering unit are detected by a sensor and relayed via a control unit to a steering actuator which executes the steering command.
  • a steering actuator which executes the steering command.
  • steer-by-wire ship control systems are known in which the steering actuator is designed as an electromechanical actuator in the form of a ball screw spindle; In this case, a rotational movement of an electric motor is converted into a translatory movement for actuating the rudder of the ball screw.
  • a steer-by-wire ship control system is known for example from US 6,431, 928 B1.
  • an electric motor for rotating the entire propeller drive unit via a mechanical power transmission chain is provided, wherein the electric motor is controlled by a control unit, which on the one hand with the steering means for obtaining a steering command information and on the other with a steering position information detecting sensor is connected.
  • a steer-by-wire ship control system which comprises at least two steering units.
  • the rudder is actuated by means of a hydraulically actuated actuator based on the steering signals generated by that steering unit, which requires the faster movement of the rudder.
  • the steering units each comprise a rudder, which is connected to a respective control device, which in turn is connected to the control network.
  • the present invention has for its object to provide a steering actuator for a steer-by-wire ship control system, which is compact and inexpensive to produce. Furthermore, the steering actuator should be largely self-locking and have high dynamics. In addition, a method for operating the steering actuator should be specified.
  • a steering actuator for a steer-by-wire ship control system which is designed as a linear electromechanical actuator, comprising an electric motor which is designed as a vector-controlled brushless motor.
  • the design of the electric motor as a vector-controlled brushless motor enables a sinusoidal or trapezoidal signal conversion, whereby DC or AC motors can be used. Furthermore, due to the vector control, the motor power can be doubled for about 5 seconds, which corresponds to an overload of 100%. In addition, the dynamics are optimized because the vector control allows very high accelerations compared to a conventional electric motor.
  • the steering actuator is designed as an electric motor driven spindle gear, which connected to the tiller or with a suitable component of the rudder device via a hinge threaded spindle having an external thread which engages in the internal thread of a driven by the electric motor nut.
  • the threaded spindle can be drilled hollow and have an internal thread, in which engages the external thread of a screw driven by the electric motor.
  • the nut is formed by the rotor of the electric motor.
  • the rotor facing away from the end of the Bowden cable by means of an adapter device with the rotatably connected to the rudder shaft rotatably connected, so that actuation of the Bowden cable is possible by operating the rudder.
  • a controller for controlling the steering actuator, which is connected via the CAN bus to the electronic control unit of the ship control system ECU; for determining the angular position of the rudder an angle sensor is provided, which is preferably designed as an incremental encoder and detects the rotation of the rotor of the electric motor or the threaded spindle.
  • the ECU processes the signals from the user-operated steering unit or an auto-pilot device and sends them to the steering actuator.
  • the steering actuator is operated according to the specifications of the steering unit and the ECU with respect to the steering angle and the rotational speed of the rudder.
  • a steering actuator two rudders, for which purpose the spindle is connected via an intermediate member with two rudder spiders. It is also possible according to the invention to provide a steering actuator for each rudder so that the rudders are independent can be operated from each other by means of the commands of the ECU. This can be z. B. be advantageous for performing complex maneuvers.
  • Figure 1 A schematic sectional view of a preferred embodiment of a steering actuator according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a steering actuator according to the invention.
  • Figure 3 A schematic sectional view of another embodiment of a steering actuator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a steering actuator 1 according to the invention.
  • the steering actuator 1 is designed as a linear electromechanical actuator and includes an electric motor 2, which is designed as a vector-controlled brushless motor.
  • the steering actuator 1 is designed as an electric motor driven spindle gear, which is connected to the tiller 3 via a hinge device 4, which is preferably designed as a ball joint threaded spindle 5 has an external thread 6, which in the internal thread 7 one of the Electric motor 2 driven nut 8 engages.
  • the nut 8 is formed by the rotor 9 of the electric motor 2; in the figure, the stator fixed to the housing and designed as a permanent magnet is designated by 10.
  • the active connection between the outer and inner threads and the multiple contact points between the two components has the advantage that high torques can be transmitted in a compact design and high acceleration and rotational speed values.
  • the actuator according to the invention allows up to 7000 rpm; in an actuator with a conventional ball screw up to 2500 U / min are possible.
  • the number of contact points between the two components spindle and nut or screw corresponds to the number of turns of the nut or the screw. Preferably, the number of turns is greater than four.
  • a conventional ball screw has only two contact points.
  • a controller 1 1 is provided, which is connected via the CAN bus to the electronic control unit of the ship control system ECU.
  • an associated with the controller 1 1 angle sensor 12 is provided, which is preferably designed as an incremental encoder and detects the angular position of the rotor 9 of the electric motor 2 or the threaded spindle 5.
  • the sensor 12 on the rudder 13 side facing the electric motor.
  • the electric motor 2, the spindle gear and the sensor 12 are in FIG a housing 14 which is connected to the hull 15.
  • a Bowden cable 16 is optionally provided in each embodiment, which is detachably connectable at the end remote from the rudder 13 of the steering actuator 1 with the nut or with the rotor 9 of the electric motor 2, so that the Threaded spindle 5 can be moved by turning the Bowdenraitsi 6 by means of a crank 17.
  • an opening 18 is provided on the housing 14, which may preferably be closed in the unused state.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a steering actuator according to the invention.
  • the threaded spindle 5 is hollow bored and has an internal thread 21, in which the external thread 20 engages a driven by the rotor 9 of the electric motor 2 screw 22; in the example shown, a planetary gear 19 is also arranged in the power flow direction between the rotor 9 of the electric motor 2 and the screw 22, which is designed as a reduction gear, whereby the electric motor 2 can be made smaller.
  • 19 torsional vibrations and bending moments are partially absorbed by the housing 23 of the planetary gear.
  • the electric motor 2 is arranged outside the housing 14 of the steering actuator 1, wherein the torque from the rotor of the electric motor to the nut 8 (see FIG. 1) or the screw 22 or the planetary gear 19 (see FIG ) is transmitted by means of a spur gear or a belt drive 24.
  • the sensor 12 for detecting the angular position of the rudder is advantageously designed as an incremental encoder, resulting in low cost. Since an incremental encoder does not provide absolute values, the zero position (straight ahead position) must be determined each time the ship control system is started and the rudder is brought into this position.
  • the zero position is determined by operating the electric motor at a predetermined constant speed in one direction at the start of the ship control system until the end position corresponding to this steering direction has been reached, wherein the sensor value for this position is stored in the controller 11 becomes.
  • the electric motor 2 of the steering actuator is operated at a predetermined speed in the opposite direction until the second end position of the rudder has been reached, using the second end position corresponding sensor value to determine the zero position based on the number of increments between both end positions (corresponds to half of the increment difference) and to bring the rudder into this position by appropriate actuation of the electric motor.
  • this is taken into account when determining the zero position based on the increments of the end positions.
  • the determination of the end positions can preferably take place in that when the current required by the motor exceeds a predetermined threshold, the end position is detected. This increases the current required by the constant-speed motor to overcome the "obstacle".
  • the connection between the incremental encoder and the controller works and if the CAN is ready for operation. If this is not the case, the rudder is blocked and an error message is issued.
  • the functionality of the CAN is checked during the operation of the ship control system at predetermined intervals, for which purpose a defined signal is sent from the electronic control unit of the ship control system ECU to the controller 1 1 of the electric motor. If this signal is received error-free by the controller within a predetermined time interval, the steering actuator is continued to operate, the signal is not or erroneously received by the controller 1 1 brought the rudder to the zero position and held in this position, with an error message is issued ,
  • the ECU of the ship control system ECU is again requested by the controller 1 1 to transmit the signal, which can be repeated n times ( n is a given natural number that can take values between 2 and 50). If, after the n-th repetition, the signal has not been received within the predetermined time interval or faulty, the rudder is brought to the zero position and held in this position by the controller 1 1, wherein an error message is issued.

Abstract

Es wird ein als linearer elektromechanischer Aktuator ausgeführter Lenkaktuator (1) für ein Schiffsteuersystem vorgeschlagen, umfassend einen Elektromotor (2), eine über den CAN-Bus mit der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11) und einen mit der Steuerung (11) verbundenen Winkelsensor (12) zur Ermittlung der Winkelposition des Ruders (13), wobei der Elektromotor (2) als vektorgeregelter bürstenloser Motor ausgeführt ist.

Description

Lenkaktuator für ein Steer-bv-wire Schiffsteuersystem und Verfahren zum
Betreiben des Lenkaktuators
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Betreiben des Lenkaktuators.
Aus dem Stand der Technik sind Steer-by-wire Systeme bekannt, die auch in der Schiffsteuertechnik eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen werden die über eine Lenkeinheit eingegebene Lenkbefehle von einem Sensor erfasst und über eine Steuereinheit an einen Lenkaktuator weitergeleitet, welcher den Lenkbefehl ausführt. In vorteilhafter Weise besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Steuerruder und dem Ruder bzw. für den Fall eines Kraftfahrzeugs zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
In der Schiffsteuertechnik sind die mit dem Ruder verbundenen Lenkeinheiten üblicherweise hydraulisch betätigbar, was in nachteiliger Weise in einer schlechten Dynamik sowie in hohen Wartungskosten resultiert. Des Weiteren sind Steer-by-wire Schiffsteuersysteme bekannt, bei denen der Lenkaktuator als elektromechanischer Aktuator in Form einer Kugelgewindespindel ausgeführt ist; hierbei wird von der Kugelgewindespindel eine Drehbewegung des eines Elektromotors in eine translatorische Bewegung zur Betätigung des Ruders umgewandelt.
Durch die Verwendung einer von einem Elektromotor angetriebenen Kugelgewindespindel als Lenkaktuator entsteht der Nachteil, dass die Verstellgeschwindigkeit und die Dynamik des Aktuators gering ist; des weiteren sind Ku- gelgewindespindel insbesondere bei hohen wirkenden Kräften nicht selbsthemmend.
Ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem ist beispielsweise aus der US 6,431 ,928 B1 bekannt. Bei dem bekannten System ist ein elektrischer Motor zum Drehen der gesamten Propeller-Antriebseinheit über eine mechanische Energieübertragungskette vorgesehen, wobei der elektrische Motor von einer Steuereinheit gesteuert wird, welche zum Einen mit der Lenkeinrichtung zum Erhalten einer Lenkbefehlsinformation und zum Anderen mit einem die Lenk- stellungsinformation erfassenden Sensor verbunden ist.
Aus der EP 1770008 A2 ist ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welches mindestens zwei Lenkeinheiten umfasst. Hierbei wird das Ruder mittels eines hydraulisch betätigbaren Aktuators anhand der Lenksignale betätigt, die vom derjenigen Lenkeinheit generiert werden, welche die schnellere Bewegung des Ruders fordert. Bei dem bekannten System umfassen die Lenkeinheiten jeweils ein Steuerruder, das mit jeweils einer Steuereinrichtung verbunden ist, die wiederum mit dem Steuernetzwerk verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lenkaktu- ator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem anzugeben, welcher kompakt aufgebaut und günstig herstellbar ist. Des Weiteren soll der Lenkaktuator weitgehend selbsthemmend sein und eine hohe Dynamik aufweisen. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben des Lenkaktuators angegeben werden.
Diese Aufgabe wird für einen Lenkaktuator durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben des Lenkaktuators ist Gegenstand des Patentanspruchs 15 und des Patentanspruchs 17. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor. Demnach wird ein Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem vorgeschlagen, welcher als linearer elektromechanischer Aktuator ausgeführt ist, umfassend einen Elektromotor, welcher als vektorgeregelter bürstenloser Motor ausgeführt ist.
Durch die Ausführung des Elektromotors als vektorgeregelter bürstenloser Motor wird eine sinusförmige oder trapezförmige Signalumwandlung ermöglicht, wodurch Gleichstrom- oder Wechselstrommotoren eingesetzt werden können. Des weiteren kann aufgrund der Vektorregelung die Motorleistung für ca. 5 Sekunden verdoppelt werden, was einer Überlastung von 100% entspricht. Außerdem wird die Dynamik optimiert, da die Vektorregelung sehr hohe Beschleunigungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Elektromotor ermöglicht.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lenkaktuator als elektromotorisch angetriebenes Spindelgetriebe ausgeführt, dessen mit der Ruderpinne oder mit einem geeigneten Bauteil der Rudereinrichtung über eine Gelenkeinrichtung verbundene Gewindespindel ein Außengewinde aufweist, welches in das Innengewinde einer von dem Elektromotor angetriebenen Schraubenmutter eingreift.
Alternativ dazu kann die Gewindespindel hohl gebohrt sein und ein Innengewinde aufweisen, in welches das Außengewinde einer vom Elektromotor angetriebenen Schraube eingreift.
Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schraubenmutter durch den Rotor des Elektromotors gebildet.
Durch die erfindungsgemäße Realisierung der Umwandlung der Rotationsbewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel mittels der Zusammenwirkung eines Innengewindes mit einem Au- ßengewinde wird in vorteilhafter Weise die gewünschte Selbsthemmung erzielt, so dass der Elektromotor bei nicht betätigtem Steuerruder einen sehr geringen Stromverbrauch aufweist.
Um die Manövrierfähigkeit bei Ausfall des Elektromotors zu ermöglichen, wird zudem vorgeschlagen, an dem der Gewindespindel abgewandten Ende des Lenkaktuators an der Schraubenmutter bzw. am Rotor des Elektromotors ein Ende eines Bowdenkabels lösbar zu fixieren, so dass die Gewindespindel durch Betätigen (Drehen) des Bowdenkabels mittels einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise mittels einer Kurbel bewegt werden kann.
In vorteilhafter Weise kann das dem Rotor abgewandte Ende des Bowdenkabels mittels einer Adaptereinrichtung mit der mit dem Steuerruder drehfest verbundenen Welle drehfest verbunden werden, so dass eine Betätigung des Bowdenkabels durch Betätigung des Steuerruders möglich ist.
Gemäß der Erfindung ist zur Steuerung des Lenkaktuators eine Steuerung vorgesehen, welche über den CAN-Bus mit der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU verbunden ist; zur Ermittlung der Winkelposition des Ruders ist ein Winkelsensor vorgesehen, der vorzugsweise als Inkre- mentalgeber ausgeführt ist und die Drehung des Rotors des Elektromotors oder der Gewindespindel erfasst. Die ECU verarbeitet die Signale der vom Benutzer betätigten Lenkeinheit oder einer Auto-Pilot-Einrichtung und leitet diese an den Lenkaktuator. Hierbei wird der Lenkaktuator entsprechend der Vorgaben der Lenkeinheit und der ECU hinsichtlich des Lenkwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Ruders betrieben.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, mit einem Lenkaktuator zwei Ruder zu betätigen, wobei zu diesem Zweck die Spindel über ein Zwischenbauteil mit beiden Ruderpinnen verbunden ist. Es ist gemäß der Erfindung auch möglich, für jedes Ruder einen Lenkaktuator vorzusehen, so dass die Ruder unabhängig voneinander anhand der Befehle der ECU betätigt werden können. Dies kann z. B. zur Durchführung von komplexen Manövern vorteilhaft sein.
Der erfindungsgemäße Lenkaktuator sowie Verfahren zu dessen Betreiben werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Lenkaktuators gemäß der Erfindung;
Figur 2: Eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators; und
Figur 3: Eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators.
In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators 1 dargestellt. Der Lenkaktuator 1 ist als linearer elektromechani- scher Aktuator ausgeführt und umfasst einen Elektromotor 2, welcher als vektorgeregelter bürstenloser Motor ausgeführt ist.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Lenkaktuator 1 als elektromotorisch angetriebenes Spindelgetriebe ausgeführt, dessen mit der Ruderpinne 3 über eine Gelenkeinrichtung 4, die vorzugsweise als Kugelgelenkeinrichtung ausgeführt ist, verbundene Gewindespindel 5 ein Außengewinde 6 aufweist, welches in das Innengewinde 7 einer von dem Elektromotor 2 angetriebenen Schraubenmutter 8 eingreift. Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist die Schraubenmutter 8 durch den Rotor 9 des Elektromotors 2 gebildet; in der Figur ist der gehäusefest angeordnete und als Permanentmagnet ausgeführte Stator mit 10 bezeichnet. Durch die Wirkverbindung zwischen dem Außen- und dem Innengewinde und die mehreren Kontaktpunkte zwischen den beiden Bauteilen entsteht der Vorteil, dass hohe Momente bei kompakter Bauweise und hohen Beschleuni- gungs- und Drehzahlwerten übertragen werden können. Beispielsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Aktuator bis zu 7000 U/Min ermöglicht; bei einem Aktuator mit einer herkömmlichen Kugelgewindespindel sind bis zu 2500 U/Min möglich. Die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den beiden Bauteilen Spindel und Schraubenmutter bzw. Schraube (siehe Figur 2) entspricht der Anzahl der Windungen der Schraubenmutter bzw. der Schraube. Vorzugsweise ist die Anzahl der Windungen größer als vier. Im Vergleich dazu weist eine herkömmliche Kugelgewindespindel lediglich zwei Kontaktpunkte auf.
Zur Steuerung des Lenkaktuators 1 ist eine Steuerung 1 1 vorgesehen, welche über den CAN-Bus mit der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU verbunden ist. Zudem ist zur Ermittlung der Winkelposition des Ruders ein mit der Steuerung 1 1 verbundener Winkelsensor 12 vorgesehen, der vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgeführt ist und die Winkelposition des Rotors 9 des Elektromotors 2 oder der Gewindespindel 5 erfasst.
Wie in Figur 1 angedeutet, ist bei dem gezeigten Beispiel die Gewindespindel 5 in Richtung auf das dem Ruder 13 abgewandte Ende des Gehäuses 14 durch den Rotor 9, d. h. durch die Schraubenmutter 8, geführt, was eine Anordnung des Sensor 12 an der dem Ruder 13 abgewandten Seite des Elektromotors ermöglicht, wobei in diesem Fall, der Inkrementalgeber derart dimensioniert ist, dass die Erfassung der Winkelposition der Spindel unabhängig von deren axialen Verschiebung gewährleistet ist.
Es ist aber auch möglich, den Sensor 12 an der dem Ruder 13 zugewandten Seite des Elektromotors anzuordnen. Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel sind der Elektromotor 2, das Spindelgetriebe und der Sensor 12 in einem Gehäuse 14 angeordnet, welches mit dem Schiffskörper 15 verbunden ist.
Um die Manövrierfähigkeit bei Ausfall des Elektromotors zu ermöglichen, ist optional bei jeder Ausführungsform ein Bowdenkabel 16 vorgesehen, welches an dem dem Ruder 13 abgewandten Ende des Lenkaktuators 1 mit der Schraubenmutter bzw. mit dem Rotor 9 des Elektromotors 2 lösbar verbindbar ist, so dass die Gewindespindel 5 durch Drehen des Bowdenkabelsi 6 mittels einer Kurbel 17 bewegt werden kann. Um die Verbindung des Bowdenkabels 16 mit dem Rotor 9 zu ermöglichen, ist am Gehäuse 14 eine Öffnung 18 vorgesehen, die vorzugsweise im nicht benutzten Zustand verschlossen werden kann.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators gezeigt. Der Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 2 besteht darin, dass die Gewindespindel 5 hohl gebohrt ausgeführt ist und ein Innengewinde 21 aufweist, in welches das Außengewinde 20 einer vom Rotor 9 des Elektromotors 2 angetriebenen Schraube 22 eingreift; bei dem gezeigten Beispiel ist zudem in Kraftflussrichtung zwischen dem Rotor 9 des Elektromotors 2 und der Schraube 22 ein Planetengetriebe 19 angeordnet, welches als Reduziergetriebe ausgeführt ist, wodurch der Elektromotor 2 kleiner dimensioniert werden kann. In vorteilhafter Weise werden durch das Gehäuse 23 des Planetengetriebes 19 Torsionsschwingungen und Biegemomente teilweise absorbiert.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel ist der Elektromotor 2 außerhalb des Gehäuses 14 des Lenkaktuators 1 angeordnet, wobei das Moment vom Rotor des Elektromotors auf die Schraubenmutter 8 (siehe Figur 1 ) bzw. die Schraube 22 bzw. das Planetengetriebe 19 (siehe Figur 2) mittels einer Stirnradstufe oder eines Riementriebs 24 übertragen wird. Der Sensor 12 zur Erfassung der Winkelposition des Ruders ist in vorteilhafter Weise als Inkrementalgeber ausgeführt, was in niedrigen Kosten resultiert. Da ein Inkrementalgeber keine Absolutwerte liefert, muss bei jedem Start des Schiffsteuersystems die Nullposition (Geradeausposition) ermittelt werden und das Ruder in diese Position gebracht werden.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Nullposition dadurch, dass beim Start des Schiffsteuersystems der Elektromotor mit einer vorgegebenen konstanten Drehzahl in eine Richtung betrieben wird, bis die dieser Lenkrichtung entsprechende Endposition erreicht worden ist, wobei der Sensorwert für diese Position in der Steuerung 1 1 gespeichert wird.
Anschließend wird der Elektromotor 2 des Lenkaktuators mit einer vorgegebenen Drehzahl in die entgegengesetzte Richtung betrieben, bis die zweite Endposition des Ruders erreicht worden ist, wobei der der zweiten Endposition entsprechende Sensorwert verwendet wird, um anhand der Anzahl der Inkremente zwischen beiden Endpositionen die Nullposition zu ermitteln (entspricht der Hälfte der Inkrementendifferenz) und durch entsprechende Betätigung des Elektromotors das Ruder in diese Position zu bringen. Für den Fall, dass die beiden Endpositionen nicht den gleichen Winkelabstand um die Nullposition aufweisen, wird dies bei der Ermittlung der Nullposition anhand der Inkremente der Endpositionen berücksichtigt.
Die Ermittlung der Endpositionen kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass, wenn der vom Motor benötigte Strom einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, die Endposition erkannt wird. Hierbei wird der vom mit konstanter Drehzahl betriebenen Motor benötigte Strom erhöht, um das „Hindernis" zu überwinden.
Gemäß der Erfindung wird vor der Ermittlung der Nullposition optional geprüft, ob die Verbindung zwischen dem Inkrementalgeber und der Steuerung funktioniert und ob das CAN betriebsbereit ist. Ist das nicht der Fall wird das Ruder blockiert und eine Fehlermeldung wird ausgegeben.
Zudem wird während des Betriebs des Schiffsteuersystems in vorgegebenen Zeitabständen die Funktionalität des CAN geprüft, wobei zu diesem Zweck von der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU an die Steuerung 1 1 des Elektromotors ein definiertes Signal gesendet wird. Wenn dieses Signal von der Steuerung innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls fehlerfrei empfangen wird, wird der Lenkaktuator weiter betrieben, wird das Signal nicht oder fehlerbehaftet empfangen wird von der Steuerung 1 1 das Ruder auf die Nullposition gebracht und in dieser Position gehalten, wobei eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Gemäß einer Variante des Verfahrens wird, wenn das Signal nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls oder fehlerbehaftet empfangen worden ist, die elektronische Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU von der Steuerung 1 1 erneut aufgefordert wird, das Signal zu übermitteln, wobei dies bis n Mal wiederholt werden kann (n ist eine vorgegebene natürliche Zahl, die Werte zwischen 2 und 50 annehmen kann). Wenn nach der n-ten Wiederholung das Signal nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls oder fehlerbehaftet empfangen worden ist, wird von der Steuerung 1 1 das Ruder auf die Nullposition gebracht und in dieser Position gehalten, wobei eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Bezuqszeichen
Lenkaktuator
Elektromotor
Ruderpinne
Gelenkeinrichtung
Gewindespindel
Außengewinde
Innengewinde
Schraubenmutter
Rotor
Stator
Steuerung
Sensor
Ruder
Gehäuse
Schiffskörper
Bowdenkabel
Kurbel
Öffnung
Planetengetriebe
Außengewinde
Innengewinde
Schraube
Gehäuse
Riementrieb

Claims

Patentansprüche
1. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, ausgeführt als linearer elektromechanischer Aktuator, umfassend einen Elektromotor (2), eine über den CAN-Bus mit der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11 ) und einen mit der Steuerung (11 ) verbundenen Winkelsensor (12) zur Ermittlung der Winkelposition des Ruders
(13), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als vektorgeregelter bürstenloser Motor ausgeführt ist.
2. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als Gleichstrom- oder Wechselstrommotor ausgeführt ist.
3. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als elektromotorisch angetriebenes Spindelgetriebe ausgeführt ist, dessen mit der Ruderpinne (3) oder mit einem geeigneten Bauteil der Rudereinrichtung über eine Gelenkeinrichtung (4) verbundene Gewindespindel (5) ein Außengewinde (6) aufweist, welches in das Innengewinde (7) einer von dem Elektromotor (2) angetriebenen Schraubenmutter (8) eingreift.
4. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenmutter (8) durch den Rotor (9) des Elektromotors gebildet ist.
5. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als elektromotorisch angetriebenes Spindelgetriebe ausgeführt ist, dessen mit der Ruderpinne (3) über eine Gelenkeinrichtung (4) verbundene Gewindespindel (5) hohlgebohrt ausgeführt ist und ein Innengewinde (21) aufweist, in welches das Außengewinde (20) einer vom Rotor (9) des Elektromotors (2) angetriebenen Schraube (22) eingreift.
6. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Kraftflussrichtung zwischen dem Rotor (9) des Elektromotors (2) und der Schraube (22) ein Planetengetriebe (19) angeordnet ist, welches als Reduziergetriebe ausgeführt ist.
7. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2), das Spindelgetriebe und der Sensor (12) in einem Gehäuse (14) angeordnet sind, welches mit dem Schiffskörper (15) verbunden ist.
8. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) außerhalb des Gehäuses (14) des Lenkaktuators (1) angeordnet ist, wobei das Moment vom Rotor (9) des Elektromotors (2) auf die Schraubenmutter (8) bzw. die Schraube (22) bzw. das Planetengetriebe (19) mittels einer Stirnradstufe oder eines Riementriebs (24) übertragen wird.
9. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (12) als Inkrementalgeber ausgeführt ist, der die Winkelposition des Rotors (9) des Elektromotors (2) oder der Gewindespindel (5) erfasst.
10. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Gewindespindel (5) ein Außengewinde (6) aufweist, welches in das Innengewinde (7) einer von dem Elektromotor (2) angetriebenen Schraubenmutter (8) oder des Rotors (9) eingreift, die Gewindespindel (5) in Richtung auf das dem Ruder (13) abgewandte Ende des Gehäuses (14) durch den Rotor (9) bzw. durch die Schraubenmutter (8) geführt ist, wobei der Inkrementalgeber (12) an der dem Ruder (13) abgewandten Seite des Elektromotors (2) angeordnet ist und wobei der Inkrementalgeber (12) derart dimensioniert ist, dass die Erfassung der Winkelposition der Spindel (5) unabhängig von deren axialen Verschiebung gewährleistet ist.
11. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Inkrementalgeber (12) an der dem Ruder (13) zugewandten Seite des Elektromotors (2) angeordnet ist.
12. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bowdenkabel (16) vorgesehen ist, welches an dem dem Ruder (13) abgewandten Ende des Lenkaktuators (1) mit dem Rotor (9) des Elektromotors (2) lösbar verbindbar ist, so dass die Gewindespindel (5) durch Drehen des Bowdenka- bels (16) bewegt werden kann, wobei am Gehäuse (14) eine Öffnung (18) vorgesehen ist, um die Verbindung des Bowdenkabels (16) mit dem Rotor (9) zu ermöglichen.
13. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bowdenkabel (16) mittels einer Kurbel (17) betätigbar ist.
14. Lenkaktuator für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Rotor abgewandte Ende des Bowdenkabels (16) mittels einer Adaptereinrichtung mit der mit dem Steuerruder drehfest verbundenen Welle drehfest verbindbar ist, so dass eine Betätigung des Bowdenkabels (16) durch Betätigung des Steuerruders möglich ist.
15. Verfahren zum Betreiben eines Lenkaktuators nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgegebenen Zeitabständen die Funktionalität des CAN geprüft wird, wobei zu diesem Zweck von der elektronischen Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU an die Steuerung (11 ) ein definiertes Signal gesendet wird, wobei, wenn dieses Signal von der Steuerung (11) innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls fehlerfrei empfangen wird, der Lenkaktuator weiter betrieben wird, wobei, wenn das Signal nicht oder fehlerbehaftet empfangen wird von der Steuerung (11) das Ruder (13) auf die Nullposition gebracht und in dieser Position gehalten wird, wobei eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
16. Verfahren zum Betreiben eines Lenkaktuators nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Signal nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls oder fehlerbehaftet empfangen worden ist, die elektronische Steuereinheit des Schiffsteuersystems ECU von der Steuerung (11) erneut auffordert, das Signal zu übermitteln, wobei dies bis n Mal wiederholt werden kann, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist, die Werte zwischen 2 und 50 annehmen kann, und wobei wenn nach der n-ten Wiederholung das Signal nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls oder fehlerbehaftet empfangen worden ist, von der Steuerung (11) das Ruder auf die Nullposition gebracht und in dieser Position gehalten wird, wobei eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
17. Verfahren zum Betreiben eines Lenkaktuators nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Winkelsensor (12) als Inkrementalgeber ausgeführt ist, beim Start des Schiffsteuersystems die Nullposition (Geradeausposition) ermittelt wird, wobei die Ermittlung der Nullposition dadurch erfolgt, dass der Elektromotor (2) mit einer vorgegebenen Drehzahl in eine Richtung betrieben wird, bis die dieser Lenkrichtung entsprechende Endposition erreicht worden ist, wobei der Sensorwert für diese Position in der Steuerung (11 ) gespeichert wird, wobei anschließend der Elektromotor (2) mit einer vorgegebenen Drehzahl in die entgegengesetzte Richtung betrieben wird, bis die zweite Endposition des Ruders (13) erreicht worden ist, wobei der der zweiten Endposition entsprechende Sensorwert verwendet wird, um anhand der Anzahl der Inkremente zwischen beiden Endpositionen die Nullposition (Geradeausposition) zu ermitteln und durch entsprechende Betätigung des Elektromotors (2) das Ruder (13) in diese Position zu bringen.
18. Verfahren zum Betreiben eines Lenkaktuators nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Endpositionen dadurch erfolgt, dass, wenn der vom Elektromotor (2) benötigte Strom einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, die Endposition erkannt wird.
19. Verfahren zum Betreiben eines Lenkaktuators nach Anspruch 17 o- der 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ermittlung der Nullposition geprüft wird, ob die Verbindung zwischen dem Inkrementalgeber (12) und der Steuerung (11) funktioniert und ob das CAN betriebsbereit ist, wobei, wenn dies nicht der Fall ist das Ruder (13) blockiert und eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
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