WO2004022414A1 - Vorrichtung und verfahren zur drehmomentmessung für eine elektromechanische lenkung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur drehmomentmessung für eine elektromechanische lenkung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for torque measurement for a vehicle with electromechanical steering.
  • a torque sensor is an elementary part of the electromechanical steering system, since it is not possible to operate the steering system without determining the steering torque.
  • the torque sensor is therefore often redundant and / or coupled to a safety device which detects a failure immediately and causes an immediate system shutdown.
  • a torque sensor for electromechanical steering comprising a steering means, which is connected to a steering mechanism in terms of drive via a torsion bar with an input and an output shaft part, and an electric servo motor for driving the steering mechanism, a drive by the servo motor brings about a relative rotational displacement between the input shaft part and the output shaft part, known, the torque sensor providing at least two independent signals and the signals being checked for correctness by a comparison.
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device and a method for torque measurement for a vehicle with electromechanical steering, which are inexpensive and can be implemented with little space requirements.
  • the electromechanical steering comprises a sensor unit for detecting a steering angle and a sensor unit for detecting a rotor angle of the servo motor and is designed with a virtual torque sensor, a steering torque being determined from the steering angle and the rotor angle in the virtual torque sensor. Due to the virtual torque sensor there is a torsion of the torsion bar and thus the steering torque can be determined.
  • the virtual torque sensor can be used as a fallback level. Due to the existing fallback level, the immediate system shutdown can be avoided in the event of a torque sensor failure. This further increases the safety of the electromechanical steering. It is also conceivable to generally dispense with the use of a mechanical torque sensor and to determine the torque exclusively using the virtual torque sensor. A high resolution of the steering angle sensor and / or the rotor angle sensor is necessary for this.
  • the virtual torque sensor is designed as a computing unit. Signals from the sensor units can be processed digitally by the computing unit. Known digital signal processing methods such as filtering and / or smoothing methods can be used. The output signal of the torque sensor is digitally available for further processing.
  • the virtual torque sensor is designed as an analog circuit. Analog output signals from the sensor units can be processed directly without digitization. For further processing of the torque determined analogously, it can be digitized by known methods.
  • the sensor unit for detecting the rotor angle is designed as an optical or magnetostrictive encoder.
  • the rotor angle is determined directly on the servo motor.
  • the sensor unit for detecting the steering angle is integrated in the steering means.
  • the steering request made, for example, by a driver through a steering wheel can thereby be measured precisely since long transmission paths are avoided.
  • mount the sensor at a different location which is more suitable for reasons of space.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an electromechanical steering system with steering assistance.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an electromechanical steering system with steering support, comprising a steering means 1 designed as a steering wheel and a servo motor 2, which are connected to a rack 3 via gears 11, 21.
  • the rack 3 is controllably connected via a known steering connection, not shown, to steerable wheels of a vehicle, also not shown.
  • the steering means 1 is operatively connected to an input shaft part 101 of a torsion bar 10.
  • An output shaft part 102 of the torsion bar 10 is operatively connected to the rack 3 via the gear 11.
  • an assist torque determined in a computing unit 4 is additionally applied by the servo motor 2.
  • the torsion moment of the torsion bar 10 can be measured by a known torque sensor 51.
  • a rotor angle of the servo motor and a steering angle are recorded by sensors 52, 53 and the applied torque is determined therefrom in a virtual torque sensor 54, the torque being proportional to a difference between the steering angle and the rotor angle.
  • the virtual torque sensor 54 can be implemented as a digital computing unit and / or by means of an analog circuit.
  • the virtual torque sensor 54 serves as a fallback level in the event of a failure of the torque sensor 51.
  • a driving situation of the vehicle can be described by driving speed v, steering angle ⁇ , steering angle speed ⁇ ° and steering torque ⁇ ⁇ .
  • the driving speed v is determined by a sensor 55, for example a speedometer.
  • the steering angle speed ⁇ ° is determined by a sensor 56.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmomentmessung für eine elektromechanische Lenkung, umfassend ein Lenkmittel, welches über einen Drehstab mit einem Eingangs- (101) und einem Ausgangswellenteil (102) antriebsmässig mit einem Lenkmechanismus verbunden ist, und einen elektrischen Servomotor zum Antreiben des Lenkmechanismus, wobei ein Antrieb durch den Servomotor eine relative Rotationsverschiebung zwischen dem Eingangswellenteil (101) und dem Ausgangswellenteil (102) herbeiführt, eine Sensoreinheit (53) zur Erfassung eines Lenkwinkels (8), eine Sensoreinheit (52) zur Erfassung eines Rotorwinkels des Servomotors (2) und einen virtuellen Drehmomentsensor (54), wobei in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment (τδ) aus dem Lenkwinkel (δ) und dem Rotorwinkel ermittelt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Drehmomentmessung für eine elektromechanische Lenkung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmomentmessung für ein Fahrzeug mit elektromechanischer Lenkung.
Ein Drehmomentsensor ist ein elementarer Bestandteil der elektromechanischen Lenkung, da ohne Ermittlung des Lenkmoments ein unterstützter Betrieb der Lenkung nicht möglich ist. Der Drehmomentsensor ist daher häufig redundant ausgeführt und/oder mit einer Sicherheitsvorrichtung gekoppelt, welche einen Ausfall sofort erkennt und eine sofortige Systemabschaltung bewirkt.
Aus der DE 69218405 T2 ist ein Drehmomentsensor für eine elektromechanische Lenkung, umfassend ein Lenkmittel, welches über einen Drehstab mit einem Eingangs- und einem Ausgangswellenteil antriebsmäßig mit einem Lenkmechanismus verbunden ist, und einen elektrischen Servomotor zum Antreiben des Lenkmechanismus, wobei ein Antrieb durch den Servomotor eine relative Rotationsverschiebung zwischen dem Eingangswellenteil und dem Ausgangswellenteil herbeiführt, bekannt, wobei der Drehmomentsensor mindestens zwei unabhängige Signale liefert und die Signale durch einen Vergleich auf Richtigkeit überprüft werden.
Eine redundante Ausführung ist sowohl aus Kostengründen als auch aufgrund von Bauraumbeschränkungen unerwünscht.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmomentmessung für ein Fahrzeug mit elektromechanischer Lenkung zu schaffen, welche kostensgünstig und mit geringen Bauraumanforderungen realisierbar sind.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die elektromechanische Lenkung umfaßt eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Lenkwinkels und eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Rotorwinkels des Servomotors und ist mit einem virtuellen Drehmomentsensor ausgebildet, wobei in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment aus dem Lenkwinkel und dem Rotorwinkel ermittelt wird. Durch den virtuellen Drehmomentsensor ist eine Torsion des Drehstabes und damit das Lenkmoment ermittelbar. Der virtuelle Drehmomentsensor ist als Rückfallebene einsetzbar. Durch die vorhandene Rückfallebene ist die sofortige Systemabschaltung bei einem Ausfall des Drehmomentsensors vermeidbar. Dadurch wird die Sicherheit der elektromechanischen Lenkung weiter heraufgesetzt. Denkbar ist es auch, auf den Einsatz eines mechanischen Drehmomentsensors generell zu verzichten und das Drehmoment ausschließlich durch den virtuellen Drehmomentsensor zu ermitteln. Hierfür ist eine hohe Auflösung des Lenkwinkelsensors und/oder des Rotorwinkelsensors notwendig.
In einer weiteren Ausführungsform ist der virtuelle Drehmomentsensor als Recheneinheit ausgebildet. Durch die Recheneinheit sind Signale der Sensoreinheiten digital verarbeitbar. Dabei können bekannte Verfahren der digitalen Signalverarbeitung wie Filter- und/oder Glättungsverfahren eingesetzt werden. Das Ausgangssignal des Drehmomentsensors steht für eine Weiterverarbeitung digital zur Verfügung.
In einer anderen Ausführungsform ist der virtuelle Drehmomentsensor als analoger Schaltkreis ausgebildet. Analoge Ausgangssignale der Sensoreinheiten können ohne Digitalisierung direkt verarbeitet werden. Für eine Weiterverarbeitung des analog ermittelten Drehmoments kann dieses durch bekannte Verfahren digitalisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit zur Erfassung des Rotorwinkels als optischer oder magnetostriktiver Encoder ausgebildet. Der Rotorwinkel wird dabei direkt am Servomotor ermittelt. Daneben ist es auch denkbar, den Winkel nach der Übersetzung durch eine Getriebeeinheit zu ermitteln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit zur Erfassung des Lenkwinkels in dem Lenkmittel integriert. Der beispielsweise von einem Fahrer durch ein Lenkrad aufgebrachte Lenkwunsch ist dadurch präzise meßbar, da lange Übertragungswege vermieden werden. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an einer anderen Stelle anzubringen, welche aus Bauraumgründen geeigneter ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer elektromechanischen Lenkung mit Lenkunterstützung. Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektromechanischen Lenkung mit Lenkunterstützung, umfassend ein als Lenkrad ausgebildetes Lenkmittel 1 und einen Servomotor 2, die über Getriebe 1 1 , 21 mit einer Zahnstange 3 verbunden sind. Die Zahnstange 3 ist über eine nicht dargestellte bekannte Lenkverbindung steuerbar mit ebenfalls nicht dargestellten lenkbaren Rädern eines Fahrzeugs verbunden. Das Lenkmittel 1 ist mit einem Eingangswellenteil 101 eines Drehstabs 10 wirkverbunden. Ein Ausgangswellenteil 102 des Drehstabs 10 ist über das Getriebe 11 mit der Zahnstange 3 wirkverbunden. Für eine Lenkunterstützung wird zusätzlich durch den Servomotor 2 ein in einer Recheneinheit 4 ermitteltes Unterstützungsmoment aufgebracht. Eine zusätzliche Bewegung der Zahnstange 3 durch den Servomotor 2 führt zu einer Rotationsbewegung des Ausgangswellenteils 102 relativ zu dem Eingangswellenteil 101 und somit zu einem Torsionsmoment an dem Drehstab 10. Das Torsionsmoment des Drehstabs 10 ist durch einen bekannten Drehmomentsensor 51 meßbar. Zusätzlich werden erfindungsgemäß ein Rotorwinkel des Servomotors und ein Lenkwinkel durch Sensoren 52, 53 aufgenommen und daraus in einem virtuellen Drehmomentsensor 54 das anliegende Drehmoment ermittelt, wobei das Drehmoment proportional zu einer Differenz zwischen Lenkwinkel und Rotorwinkel ist. Der virtuelle Drehmomentsensor 54 ist als digitale Recheneinheit und/oder durch einen analogen Schaltkreis realisierbar. Der virtuelle Drehmomentsensor 54 dient als Rückfallebene bei Ausfall des Drehmomentsensors 51. Er kann wie dargestellt als einzelner Baustein ausgebildet sein oder in der Recheneinheit 4 integriert werden. Eine Fahrsituation des Fahrzeugs ist durch Fahrgeschwindigkeit v, Lenkwinkel δ, Lenkwinkelgeschwindigkeit δ° und Lenkmoment τδ beschreibbar. Die Fahrgeschwindigkeit v wird durch einen Sensor 55, beispielsweise ein Tachometer, ermittelt. Die Lenkwinkelgeschwindigkeit δ° wird durch einen Sensor 56 ermittelt. Es ist jedoch auch denkbar, die Lenkwinkelgeschwindigkeit δ° durch eine Ableitung aus dem Lenkwinkel δ zu ermitteln. Alle aufgenommenen Werte der Fahrsituation werden der Recheneinheit 4 zugeführt. In der Recheneinheit 4 wird anhand dieser Daten ein Unterstützungsmoment ermittelt, welches dem Servomotor 2 zugeführt wird.

Claims

P AT E N TA N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Drehmomentmessung für eine elektromechanische Lenkung, umfassend ein Lenkmittel (1), welches über einen Drehstab mit einem Eingangs- (101) und einem Ausgangswellenteil (102) antriebsmäßig mit einem Lenkmechanismus verbunden ist, und einen elektrischen Servomotor (2) zum Antreiben des Lenkmechanismus, wobei ein Antrieb durch den Servomotor (2) eine relative Rotationsverschiebung zwischen dem Eingangswellenteil (101) und dem Ausgangswellenteil (102) herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Lenkung eine Sensoreinheit (53) zur Erfassung eines
Lenkwinkels (δ) sowie eine Sensoreinheit (52) zur Erfassung eines Rotorwinkels des Servomotors (2) umfaßt und mit einem virtuellen Drehmomentsensor (54) ausgebildet ist, und in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment (τδ) aus dem Lenkwinkel
(δ) und dem Rotorwinkel ermittelbar ist.
2 . Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Drehmomentsensor (54) als Recheneinheit ausgebildet ist.
3 . Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Drehmomentsensor (54) als analoger Schaltkreis ausgebildet ist.
4 . Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (52) zur Erfassung des Rotorwinkels als optischer oder magnetostriktiver Encoder ausgebildet ist.
5 . Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (53) zur Erfassung des Lenkwinkels (δ) in dem Lenkmittel (1 ) integriert ist.
6. Verfahren zur Drehmomentmessung für eine elektromechanische Lenkung, umfassend ein Lenkmittel (1), welches über einen Drehstab (10) mit einem Eingangs- (101 ) und einem Ausgangswellenteil (102) antriebsmäßig mit einem Lenkmechanismus verbunden ist, und einen elektrischen Servomotor (2) zum Antreiben des Lenkmechanismus, wobei ein Antrieb durch den Servomotor (2) eine relative Rotationsverschiebung zwischen dem Eingangswellenteil (101 ) und dem Ausgangswellenteil (102) herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Lenkung eine Sensoreinheit (53) zur Erfassung eines
Lenkwinkels (δ), eine Sensoreinheit (52) zur Erfassung eines Rotorwinkels des
Servomotors (2) umfaßt und mit einen virtuellen Drehmomentsensor (54) ausgebildet, und in dem virtuellen Drehmomentsensor ein Lenkmoment (τδ) aus dem Lenkwinkel
(δ) und dem Rotorwinkel ermittelt wird.
7 . Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Drehmomentsensor (54) als Recheneinheit ausgebildet ist, durch welche Sensorsignaie digital verarbeitet werden.
8 . Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Drehmomentsensor (54) als analoger Schaltkreis ausgebildet ist, durch welche Sensorsignale analog verarbeitet werden.
9 . Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (52) zur Erfassung des Rotorwinkels als optischer oder magnetostriktiver Encoder ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (53) zur Erfassung des Lenkwinkels (δ) in dem Lenkmittel (1) integriert ist.
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