WO2024104725A1 - Aktuator, verfahren zum betreiben eines aktuators, steuereinrichtung sowie steer-by-wire-lenkung - Google Patents

Aktuator, verfahren zum betreiben eines aktuators, steuereinrichtung sowie steer-by-wire-lenkung Download PDF

Info

Publication number
WO2024104725A1
WO2024104725A1 PCT/EP2023/079420 EP2023079420W WO2024104725A1 WO 2024104725 A1 WO2024104725 A1 WO 2024104725A1 EP 2023079420 W EP2023079420 W EP 2023079420W WO 2024104725 A1 WO2024104725 A1 WO 2024104725A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
designed
actuator
switches
supply voltage
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/079420
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Weigt
Christoph Juritsch
Johannes Lampe
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Publication of WO2024104725A1 publication Critical patent/WO2024104725A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0487—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures detecting motor faults

Definitions

  • Actuator method for operating an actuator, control device and steer-by-wire steering
  • the present invention relates to an actuator, a method for operating an actuator of a steering device and a steering device according to the preambles of the independent patent claims.
  • a steering system is known in which, in the event of a fault with actuator failure, the driven spindle drive is braked primarily via a self-locking mechanism in the spindle drive's motion thread, thus bringing the steering into a safe state. Additionally or alternatively, there is the option of short-circuiting the windings of an electric motor to generate a braking torque.
  • the braking torque generated by the self-locking mechanism of the spindle drive is taken into account here.
  • a corresponding approach to a braking torque generated by a short circuit in a steering system is described in DE 198 119 92 A1.
  • the present invention provides an improved actuator for a steering device with a circuit arrangement, an improved method for operating an actuator for a steering device and a steering device according to the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the subclaims and the following description.
  • a circuit arrangement is created that can bring about reliable and rapid braking of an electric machine of an actuator of a steering device, in particular a steer-by-wire steering system.
  • safe and rapid braking of the actuator of the steering device in particular in the event of a fault, enables the steering device to be operated with higher dynamics and travel speed. This leads to an increase in the system dynamics of the steering device.
  • the efficiency of the steering device increases particularly in connection with the use of spindle drives with a high degree of efficiency, since when using a spindle drive with a lower or non-existent Self-locking in the spindle drive means that less drive power is required to adjust the steering angle of the wheels using the steering device.
  • a drive with a smaller installation space requirement can be used than with a spindle drive that is designed to brake and hold a steering device with self-locking or a lock.
  • the approach described can reduce the run-out distances of the spindle drive of the actuator until the steering device comes to a standstill, especially in the event of a fault, and a high dynamic range of an actuator is enabled.
  • the degree of self-locking can be reduced, so that a very efficient steering device can be created.
  • the run-out path of the spindle drive results from the switching off or faulty failure of the supply current to the standstill of the drive or the electrical machine, in particular an electric motor.
  • the spindle nut continues to rotate after the supply current has dropped and, as a result, the spindle or steering rod is also displaced a little further in translation.
  • the invention makes it possible to reduce or minimize the run-out of the spindle drive so that the axial displacement of the steering rod or spindle is completed more quickly.
  • the spindle of the spindle drive is used as a steering rod in the steering device, which, coupled with the wheel carriers or wheels, enables the wheel steering angle to be changed.
  • An actuator for a steer-by-wire steering system or a rear-axle steering system for a motor vehicle comprises an electric machine and a circuit arrangement for operating the electric machine.
  • the circuit arrangement has a bridge circuit unit, a control device and a short-circuit device.
  • the bridge circuit unit has a plurality of switches.
  • the bridge circuit unit has a first phase line, which is connected to a supply voltage connection by means of a first switch and to a ground potential connection by means of a second switch.
  • the bridge circuit unit also has a second phase line, which is connected to the supply voltage connection by means of a third switch and to a ground potential connection by means of a fourth switch. is connected to the ground potential connection.
  • the bridge circuit unit has a third phase line, which is connected to the supply voltage connection by means of a fifth switch and to the ground potential connection by means of a sixth switch.
  • the control device is designed to provide switching signals for switching the switches to control inputs of the switches of the bridge circuit unit in order to convert a supply voltage applied between the supply voltage connection and the ground potential connection into an alternating voltage applied to the phase lines.
  • the short-circuit device comprises an energy store and a switching device.
  • the switching device is designed to connect the energy store to control inputs of at least three of the switches in response to at least one error signal in order to short-circuit the phase lines to brake the electrical machine.
  • the circuit arrangement can also be referred to as a power converter and can be designed to convert a direct current into an alternating current in order to drive an electrical machine.
  • the electrical machine can be an electric motor, for example.
  • the circuit arrangement can be used to convert alternating current into direct current when the electrical machine is operated in generator mode.
  • the bridge circuit unit can be designed as a known B6 bridge, which can have, for example, three half-bridges and a total of six switches. Three of the switches can be designed as low-side switches and the other three switches as high-side switches. More precisely, the second switch, the fourth switch and the sixth switch can be designed as low-side switches and the first, third and fifth switches as high-side switches.
  • the switches can be designed as transistors, for example as bipolar transistors or unipolar transistors. Each of the transistors can comprise a control input and a first switching input and a second switching input, wherein a current flow between the switching inputs can be controlled via a signal applied to the control input.
  • the energy storage device can be designed as a capacitor to store electrical energy. In the event of a fault, the energy storage device can be discharged to the switches of the bridge circuit unit, thereby closing the switches This enables rapid braking of the electric machine and thus of the actuator, and thus of the rear axle steering, to a safe state, regardless of the supply voltage and the status of the control device, which can be designed as a microcontroller, for example.
  • the approach presented here can therefore be understood as a rear axle steering system with an emergency braking function. This eliminates the need to limit the system dynamics, which would be necessary without the invention, and yet safety targets for the system's run-out distances in the event of a fault can still be met.
  • the actuator's run-out distance should be as short as possible.
  • the short-circuit device can have a logic device.
  • the logic device can be designed to cause a closing signal for closing the switching device using the at least one error signal.
  • the logic device can be designed as a logic circuit, for example.
  • the linking device can have a first input for receiving the error signal in the form of a reset signal provided by the control device for resetting the circuit arrangement. Additionally or alternatively, the linking device can have a second input for receiving the error signal in the form of a Safety shutdown signal for safely switching off the circuit arrangement. Additionally or alternatively, the linking device can have a third input for receiving the error signal in the form of a switch-off signal provided via an external interface of the circuit arrangement for switching off the circuit arrangement, as well as an output for outputting the closing signal. In this way, different sources of error can be protected by transferring the electrical machine to a safe state.
  • the logic device can be designed as an OR gate.
  • the OR gate can be provided inexpensively and does not require any additional programming.
  • the energy storage device can be designed as a capacitor. Such capacitors are tried and tested components in the field of circuit arrangements and can reliably store electrical charge.
  • the switches can be designed as transistors.
  • the transistors can advantageously control electrical voltages and currents and switch them reliably.
  • the switching device can be designed to connect the energy storage device to control inputs of the second switch, the fourth switch and the sixth switch in response to the error signal.
  • the switching device can be designed to connect the energy storage device to control inputs of the first switch, the third switch and the fifth switch in response to the error signal.
  • the charge of the energy storage device can thus advantageously be discharged to the second, fourth and sixth switches or to the first, third and fifth switches in order to either short-circuit the phase lines via ground or the supply line. This can bring about reliable braking of the electrical machine.
  • a first connection of the energy storage device can be connected to the supply voltage connection and the switching device.
  • a second connection of the energy storage device can be connected to the ground potential connection.
  • the Energy storage can therefore advantageously absorb and store energy from the supply voltage connection.
  • the short-circuit device can have a diode that can be arranged between the supply voltage connection and the first connection of the energy storage device.
  • the diode can be designed to prevent the energy storage device from being discharged via the supply voltage connection. This ensures that the energy storage device can permanently provide charge in order to be able to discharge this charge to switches of the bridge circuit unit when required in order to be able to reliably short-circuit the electrical machine.
  • the short-circuit device can have a further diode, which can be arranged between the switching device and the control inputs of at least three switches. This can prevent charge from flowing from the switches back to the energy storage device.
  • the actuator can comprise a spindle drive consisting of a spindle nut and a steering rod designed as a threaded spindle, wherein the electric machine is coupled to the spindle nut in order to cause a rotary movement of the spindle nut, wherein the rotary movement of the spindle nut causes a linear displacement of the steering rod.
  • the spindle nut is in engagement with its internal thread with the external thread of the spindle secured against rotation and these form a movement thread. Due to the approach described, the spindle drive can be designed with high efficiency and low self-locking. Due to the low self-locking, an electric motor with lower power can be used, which requires less installation space.
  • the spindle nut can, for example, be mounted in a housing of the actuator in a rear axle steering system and can be driven by the electric machine in the form of an electric motor, indirectly by means of an intermediate gear or directly.
  • the motion thread ultimately moves the spindle along its longitudinal axis in a translational manner and without rotation of the spindle.
  • a more efficient motion thread can be selected than, for example, a trapezoidal thread, which causes a high level of self-locking.
  • the approach described advantageously enables a spindle drive with lower self-locking than is known, for example in connection with rear-axle steering.
  • the self-locking depends mainly on the thread pitch.
  • Lower "mechanical" self-locking means that the previous braking torque is reduced in the event of a power failure.
  • the short-circuit device mentioned above can be used as a special circuit arrangement with an additional circuit part and a power storage device. In the event of a fault, current is thus available to cause a short circuit using the control inputs of the switches, for example the gates of the transistors used, which enables braking until the drive of the steer-by-wire steering or rear-axle steering comes to a standstill.
  • a method for operating one of the above-mentioned embodiments of an actuator of a steering device with a special circuit arrangement comprises a reading step and a connecting step.
  • the reading step the error signal is read in.
  • the connecting step the energy storage device is connected to the control inputs of at least three of the switches in order to short-circuit the phase lines in order to brake the electric machine.
  • a control device also referred to as a control unit
  • the control unit can have an interface that can be designed as hardware and/or software.
  • the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the control unit.
  • the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • An ASIC is an application-specific integrated circuit (ASIC), which is an electronic circuit implemented as an integrated circuit.
  • the invention relates to a steering device, in particular a steer-by-wire steering system for a motor vehicle with at least one embodiment of an actuator described herein.
  • an electrical current required to operate the electrical machine can be provided and thus a safe braking of the electrical machine can be ensured, especially in the event of a fault.
  • the invention relates to a motor vehicle with an embodiment of a steering device mentioned herein with an embodiment of an actuator mentioned herein.
  • Fig. 1 is a representation of a vehicle axle for an embodiment of a steering device of a motor vehicle
  • Fig. 2 is a block diagram of an embodiment of a circuit arrangement for an actuator of a steering device for a motor vehicle
  • Fig. 3 is a flow chart of an embodiment of a method for operating an actuator of a steering device
  • Fig. 4 is a schematic representation of an actuator with a spindle drive
  • Fig. 5 is a schematic representation of an embodiment of an actuator of a motor vehicle.
  • Fig. 1 shows a representation of a vehicle axle 1 for an embodiment of a schematically illustrated motor vehicle 100.
  • the vehicle axle 1 is shown here as a rear axle with a subframe 2, which is attached to a vehicle body or forms this and is connected to the body of a motor vehicle 100.
  • the approach presented here is not limited to a rear axle.
  • Two wheels 5 and 6 are each articulated to the subframe 2 by means of control arms 3.
  • the control arms 3 are part of the wheel suspension for the wheels 5, 6.
  • An actuator 10 of a steer-by-wire steering 12 is arranged on the subframe 2.
  • the actuator 10 is attached to the subframe 2 with its housing 21.
  • the actuator 10 has a continuous steering rod 27 as a central actuator, which is guided through the housing 21 of the actuator 10.
  • An electric machine 22, which can also be referred to as a drive motor, is arranged axially parallel to the steering rod 27.
  • Tie rods 23 are articulated at the ends of the steering rod 27, which are each articulated with the end facing away from the actuator 10 to the wheel carrier (not shown) of the wheels 5 and 6. It is obvious that an axial displacement, i.e. a displacement of the steering rod 27 along the longitudinal axis in one direction or the other, changes the wheel steering angles 8, 9 of the wheels 5, 6 because the tie rods 23 represent a forced connection between the wheel 5, 6 or wheel carrier and the steering rod 27 of the actuator 10. In order to steer the wheels 5, 6, they are articulated to the subframe 2 so that they can rotate about their vertical axis. In other words, the actuator 10 is a device which enables the steering 12 to be operated.
  • the electric machine 22 is coupled to a circuit arrangement 105.
  • the circuit arrangement 105 is designed to provide a current required to operate the electric machine 22 and thus the rear axle steering.
  • Switches of the circuit arrangement 105 are also used to cause a short-circuit of the electric machine 22, for example in response to a fault, in order to thus cause a rapid and safe braking of the electric machine 22, and thus of the actuator of the rear axle steering of the motor vehicle 100.
  • a spindle drive with a high degree of efficiency can be used for the rear axle steering instead of a spindle drive with a motion thread with a self-locking mechanism, which also increases the efficiency of the actuator of the rear axle steering.
  • a type of "artificial self-locking" can also be used, which can be implemented using a high cogging torque motor. The resulting brake holds the actuator in position when the drive is at a standstill, so that the steering angle cannot or may not change or only change very slightly within permitted tolerances when the drive is de-energized, for example due to a fault.
  • the run-out of the electrical machine 22, for example the high cogging torque motor, can also be shortened using the brake.
  • a short circuit in the electric machine 22 of the rear axle steering a safe and quick stop of the rear axle steering is possible in the event of a fault and to increase the system dynamics in normal operation and, in particular, an option for using spindle drives with high efficiency and thus lower self-locking is possible.
  • Fig. 2 shows a block diagram of an embodiment of a circuit arrangement 105 for an actuator or a steering device for a motor vehicle.
  • the circuit arrangement 105 is used to operate an electric machine 22, which can be used only as an example for a steer-by-wire steering or for a rear axle steering for a vehicle.
  • the Circuit arrangement 105 is arranged, for example, adjacent to the electric machine 22 or as part of it and has a bridge circuit unit 200 and a control device 202 and additionally a short-circuit device 230.
  • the bridge circuit unit 200 is also referred to as a phase bridge or bridge.
  • the short-circuit device 230 has an energy storage device 250 and a switching device 248.
  • the short-circuit device 230 comprises a diode 246, a further diode 244 and/or a linking device 242.
  • the bridge circuit unit 200 is designed, for example, as a B6 bridge and has, for example, six switches 206, 208, 210, 212, 214, 216.
  • the second switch 208, the fourth switch 212 and the sixth switch 216 are designed as low-side switches and the first switch 206, the third switch 210 and the fifth switch 214 are designed as high-side switches.
  • the first switch 206 is connected, for example, between a supply voltage connection 240 and a first tapping point 218.
  • the second switch 208 is connected between the first tapping point 218 and a ground potential connection 238.
  • the first switch 206 and the second switch 208 thus form a first half-bridge 224, which forms a current flow from the supply voltage connection 240 via the first switch 206, the first tapping point 218 and the second switch 208 to the ground potential connection 238.
  • the third switch 210 is, for example, connected between the supply voltage connection 240 and a second tapping point 220.
  • the fourth switch 212 is connected between the second tapping point 220 and the ground potential connection 238.
  • the third switch 210 and the fourth switch 212 thus form a second half-bridge 226, which forms a current flow from the supply voltage connection 240 via the third switch 210, the second tapping point 220 and the fourth switch 212 to the ground potential connection 238.
  • the fifth switch 214 is connected, for example, between the supply voltage connection 240 and a third tapping point 222.
  • the sixth switch 216 is connected between the third tapping point 222 and the ground potential connection 238.
  • the fifth switch 214 and the sixth switch 216 thus form a third half-bridge 228, which forms a current flow from the supply voltage connection 240 via the fifth switch 214, the third tapping point 222 and the sixth switch 216 to the ground potential connection 238.
  • the second half-bridge 226 is arranged, for example, between the first half-bridge 224 and the third half-bridge 228.
  • the electrical machine 22 is designed as a three-phase electrical machine 22.
  • the first tapping point 218 is electrically conductively connected to a first connection of the electrical machine 22 via a first phase line 232.
  • the second tapping point 220 is electrically conductively connected to a second connection of the electrical machine 22 via a second phase line 234.
  • the third tapping point 222 is electrically conductively connected to a third connection of the electrical machine 22 via a third phase line 236.
  • phase lines 232, 234, 236 are switchably connected to the supply voltage connection 240 and the ground potential connection 238 and by appropriately controlling the switches 206, 208, 210, 212, 214, 216 of the bridge circuit unit 200, a direct voltage present between the supply voltage connection 240 and the ground potential connection 238 can be converted into an alternating voltage required to operate the electrical machine 22.
  • the electrical machine 22 can provide a requested torque.
  • the supply voltage connection 240 is connected, for example, to a positive pole of a power supply, e.g. a battery, and can be used to feed in direct current, IDC for short.
  • the energy storage device 250 is designed, for example, as a capacitor. According to one embodiment, the energy storage device 250 has a first connection 252 and a second connection 254. The first connection 252 is connected, for example, to the supply voltage connection 240 and the switching device 248. The second connection 254 is connected to a further ground potential connection 204. In this way, the energy storage device 250 can be charged via the supply voltage connection 240.
  • the diode 246 is arranged between the supply voltage connection 240 and the first connection 252 of the energy storage device 250.
  • the diode 246 is designed, for example, to prevent a backflow of charge in the direction of the supply voltage connection 240.
  • the diode 246 is arranged in the forward direction to the energy storage device 250.
  • the further diode 244 is arranged, for example, between the switching device 248 and control inputs of the switches 208, 212, 216.
  • the further diode 244 is thus arranged in the forward direction to the control inputs.
  • the control inputs of all switches 206, 208, 210, 212, 214, 216 are connected to the control device 202, which is shown in Fig. 2 only as an example for the second switch 208.
  • the control device 202 is thus designed to provide switching signals 274 for switching the switches 206, 208, 210, 212, 214, 216 to the control inputs of the switches 206, 208, 210, 212, 214, 216.
  • the direct current that is present between the supply voltage connection 240 and the Ground potential connection 238 is converted into an alternating current.
  • the alternating current is applied to the phase lines 232, 234, 236.
  • the control device 202 is designed to provide at least one error signal to the logic device 242.
  • the error signal can be designed as a reset signal 256 and/or as a safety shutdown signal 258.
  • the control device 202 provides the reset signal 256 to the logic device 242.
  • the reset signal 256 will, for example, respond to a resetting of the circuit arrangement 105, a so-called reset.
  • the control device 202 provides the safety shutdown signal 258 to the logic device 242.
  • the safety shutdown signal 258 is provided, for example, in order to cause the control device 202 to safely switch off the circuit arrangement 105.
  • a switch-off signal 260 is provided from an external interface 262 of the circuit arrangement 105 to the logic device 242.
  • the switch-off signal 260 is provided by a unit arranged externally to the circuit arrangement 105 in order to switch off the circuit arrangement 105 and to brake the electric machine 22.
  • the linking device 242 has a first input 264, a second input 266 and/or a third input 268 for receiving the signals 256, 258, 260.
  • the linking device 242 receives the reset signal 256 via the first input 264, the safety shutdown signal 258 via the second input 266 and/or the switch-off signal 260 via the third input 268.
  • the signals 256, 258, 260 can advantageously be linked in such a way that the presence of one of the signals 256, 258, 260 leads to the closing of the switching device 248.
  • a closing signal 270 for closing the switching device 248 is generated in the linking device 242 according to an embodiment.
  • the linking device 242 has an output 272 for outputting the closing signal 270.
  • the closing signal 270 is output, for example, to the switching device 248 in order to cause the switching device 248 to close.
  • the linking device 242 is designed as a logic circuit, for example as an OR gate.
  • Closing the switching device 248 causes the energy storage device 250 to be connected to control inputs of the switches 208, 212, 216, here the low-side switch, whereby a connection to the control input of the second switch 208 is shown here only as an example.
  • a connection to control inputs of the switches 206, 210, 214, i.e. the high-side switch is possible.
  • the switching device 248 is arranged for this purpose, for example, between the energy storage device 250 and the control inputs of the corresponding switches 206, 208, 210, 212, 214, 216.
  • the electrical energy stored in the energy storage device 250 can be used to switch the switches 208, 212, 216, here to close the switches 208, 212, 216. This leads to a short circuit of the phase lines 232, 234, 236, which slows down the electrical machine.
  • an additional circuit part is used for the approach presented here, which has the energy storage device 250, which can also be referred to as a capacitor or storage device.
  • the energy storage device 250 In the operational state of the circuit arrangement 105, the energy storage device 250 is charged to 12 volts from an on-board network, for example, and is protected against discharging via the diode 246.
  • This energy storage device 250 is connected to the switches 208, 212, 216, which can also be referred to as low side gates, via a switching device 248, which is designed as a transistor, for example.
  • the switching device 248 discharges the charge of the energy storage device 250 to the control terminals of the switches 208, 212, 216, which can also be referred to as low side gates.
  • these switches 208, 212, 216 become conductive and close the electrical machine 22, which is also referred to as Motor, in short, which leads to a significant braking torque.
  • the switches 208, 212, 216 of the bridge circuit unit 200 are only supplied with charge once via the switching device 248 according to one embodiment and this charge also flows away again relatively quickly, the bridge circuit unit 200 remains conductive for only a few seconds. However, this is already sufficient for complete braking, for example of the drive of the rear axle steering.
  • the signal for triggering the switching device 248 is also connected to an enable pin of the control device 202, which can also be referred to as a motor bridge driver, in order to completely deactivate it during the emergency braking process or to avoid negative interactions.
  • a reset pin of the control device 202 which can also be referred to as pC, can be used.
  • the reset pin is used to output the reset signal 256, for example.
  • An output of a watchdog can be used accordingly.
  • An I/O of the control device 202 can signal an error.
  • the I/O can also be referred to as safety-off and outputs the safety shutdown signal 258, for example.
  • a low voltage at the supply voltage connection 240 which in motor vehicles can also be referred to as "terminal 30", or a break in the supply voltage connection 240 can also be used to control the switching device 248.
  • this is not read out separately, since the control device 202 goes into reset when the supply voltage is lost and therefore the reset pin of the control device 202 is sufficient as a trigger.
  • an external signal from an external interface 262 is used, which is provided, for example, by a higher-level control unit.
  • this signal for example the switch-off signal 260, is also read in by the control device 202 or this signal sends the control device 202 into reset.
  • the steering device here for example the rear axle steering, has in the Typically, there is a separate control unit on the rear axle steering actuator itself, which is used, for example, to provide the switch-off signal 260.
  • Fig. 2 shows the energy storage device 250, which is discharged to the switches 208, 212, 216 of the bridge circuit unit 200 in the event of a fault. This makes it possible to quickly brake the electric machine 22, and thus, for example, to transfer the steering device, such as the rear axle steering, to a safe state, regardless of the supply voltage and the status of the control device 202.
  • a “watchdog” is a function for detecting failures in a digital system, e.g. in control applications. When a possible malfunction is detected, this status is signaled to other components according to a defined system agreement (e.g. switching to a redundant system), a suitable jump instruction or reset is initiated to automatically correct the failure, or a safe shutdown is initiated.
  • Fig. 3 shows a flow chart of an embodiment of a method 300 for operating an actuator with a circuit arrangement for a steering device, as previously described for Fig. 2.
  • the method 300 comprises a step 305 of reading in and a step 310 of connecting.
  • step 305 of reading an error signal is read in.
  • step 310 of connecting the energy storage device is connected to the control inputs of at least three of the switches, for example to control inputs of the second, fourth and sixth switches. This causes the phase lines to be short-circuited in order to brake the electrical machine.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of the actuator 10 shown in Fig. 1.
  • the actuator 10 has a housing 21 on which the electric machine 22 is arranged parallel to the axis.
  • a spindle drive 20 consisting of a spindle nut 25 and the threaded spindle 27g. Handlebar, arranged.
  • the spindle nut 25 is mounted in a stationary and rotatable manner with respect to the housing 21 by means of a roller bearing 29.
  • the threaded spindle 27g is guided through the spindle nut 25 and arranged coaxially to it.
  • a pulley 30 is arranged on the spindle nut 25 in a rotationally fixed manner.
  • the electrical machine 22 which can also be referred to as an electric motor, has a drive pinion 32.
  • a drive belt 34 in the form of a toothed belt wraps around both the drive pinion 32 and the pulley 30, so that when the electrical machine 22 rotates, the spindle nut 25 is set in rotation about the longitudinal axis a without slipping.
  • the drive pinion 32, pulley 30 and the drive belt 34 form an intermediate gear.
  • a linear displacement of the threaded spindle 27g takes place in one direction or the other along the longitudinal axis a depending on the direction of rotation of the electric motor.
  • a circuit arrangement 105 is arranged adjacent to the electrical machine 22, as described in Figure 2. With the aid of the circuit arrangement 105, it is possible to cause the electrical machine 22 to brake.
  • Fig. 5 shows an actuator 601 of a rear axle steering for a motor vehicle with a housing 620 which is attached to the vehicle.
  • a spindle drive 630 is arranged within the housing 620, which has an axially displaceable but non-rotatable spindle 640 with an external thread and a spindle nut 650 with a split internal thread which can be driven in the direction of rotation.
  • the engaged threaded parts form a movement thread for the axial displacement of the Spindle 640 opposite the housing 620 or the spindle nut 650.
  • the spindle nut 650 can be driven in the direction of rotation by an electric motor 22 via a traction drive or belt 660 and is rotatably supported in the housing 620 via a roller bearing 680 and fixed in the axial direction.
  • the spindle 640 is connected at both ends to bearing sleeves 690, 610, also called screw-on pins, which are guided on the housing side and which in turn are connected to pivot pins 611, 612 arranged outside the housing 620.
  • the pivot pins 611, 612 are in turn connected either directly to a wheel carrier or indirectly to the wheel carrier by means of a linkage or a tie rod.
  • the actuator 601 is designed as a so-called central actuator, which means that it is arranged centrally, e.g. in the middle of the vehicle between the wheels of an axle, and simultaneously acts on the steering of both rear wheels.
  • the stationary spindle nut 650 is rotated in the actuator housing by an electric motor drive.
  • the spindle nut 650 By rotating the spindle nut 650, which engages with its internal thread with the external thread of the spindle 640, the spindle 640 is translationally displaced in one direction or the other.
  • a trapezoidal thread is used so that when the spindle nut 650 is not driven, the spindle drive remains stationary in the moving thread due to the self-locking. Even if loads, such as lateral forces of the wheels, act directly or indirectly on the spindle 640, there is no change in the wheel steering angle without dynamic influences.
  • Dynamic influences are movements within the chassis which are transmitted to the chassis and thus also to the actuator 601 when driving, e.g. due to uneven road surfaces. This can lead to slight displacements when the vehicle is moving but the actuator 601 or the electric machine 22 is de-energized or has failed.
  • a circuit arrangement 105 is arranged adjacent to the electric machine 22, as shown in Fig. 2. With the aid of the circuit arrangement 105, it is possible to cause the electric machine 22 to brake. Reference symbols

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Abstract

Ein Aktuator mit einer elektrischen Maschine (22) und einer Schaltungsanordnung (105) zum Betreiben der elektrischen Maschine (22) für eine Lenkvorrichtung, insbesondere eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Fahrzeug weist eine Brückenschaltungseinheit (200), eine Steuereinrichtung (202) und eine Kurzschlusseinrichtung (230) auf. Die Steuereinrichtung (202) ist ausgebildet, um Schaltsignale (274) zum Schalten von Schaltern (206, 208, 210, 212, 214, 216) der Brückenschaltungseinheit (200) bereitzustellen, um eine zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss (240) und einem Massepotentialanschluss (238) anliegende Versorgungsspannung in eine an Phasenleitungen (232, 234, 236) anliegende Wechselspannung zu wandeln. Die Kurzschlusseinrichtung (230) umfasst einen Energiespeicher (250) und eine Schalteinrichtung (248). Die Schalteinrichtung (248) ist ausgebildet, um den Energiespeicher (250) ansprechend auf zumindest ein Fehlersignal mit Steuerein- gängen zumindest dreien der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) zu verbinden, um ein Kurzschließen der Phasenleitungen (232, 234, 236) zum Abbremsen der elektrischen Maschine (22) zu bewirken.

Description

ZF Friedrichshafen AG Friedrichshafen
Aktuator, Verfahren zum Betreiben eines Aktuators, Steuereinrichtung sowie Steer- by-wire-Lenkung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator, ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators einer Lenkvorrichtung sowie eine Lenkvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Es ist ein Lenksystem bekannt, bei dem im Fehlerfall mit Ausfall des Aktuators der angetriebene Spindelantrieb primär über eine Selbsthemmung im Bewegungsgewinde des Spindelantriebs gebremst und damit die Lenkung in einen sicheren Zustand gebracht werden kann. Zusätzlich oder alternativ gibt es die Möglichkeit, die Wicklungen eines Elektromotors kurzzuschließen, um ein Bremsmoment zu erzeugen. Hierbei wird das durch die Selbsthemmung des Spindelantriebs erzeugte Bremsmoment berücksichtigt. Ein entsprechender Ansatz bzgl. eines mittels Kurzschluss erzeugten Bremsmomentes bei einem Lenksystem wird in der DE 198 119 92 A1 beschrieben.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Aktuator für eine Lenkvorrichtung mit einer Schaltungsanordnung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Aktuators für eine Lenkvorrichtung sowie eine Lenkvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass eine Schaltungsanordnung geschaffen wird, die ein zuverlässiges und schnelles Abbremsen einer elektrischen Maschine eines Aktuators einer Lenkvorrichtung, insbesondere einer Steer-by-wire-Lenkung, bewirken kann. Vorteilhafterweise ermöglicht ein sicheres und schnelles Abbremsen des Aktuators der Lenkvorrichtung, insbesondere im Fehlerfall, dass die Lenkvorrichtung mit einer höheren Dynamik und Verfahrgeschwindigkeit betrieben werden kann. Dieses führt zur Erhöhung der Systemdynamik der Lenkvorrichtung. Speziell im Zusammenhang bei der Nutzung von Spindelantrieben mit hohem Wirkungsgrad erhöht sich die Effizienz der Lenkvorrichtung, da bei Nutzung eines Spindelantriebes mit einer geringeren oder nicht vorhandenen Selbsthemmung in dem Spindelantrieb weniger Antriebsleistung zum Verstellen der Radlenkwinkel der Räder mittels der Lenkvorrichtung benötigt wird. Dadurch kann ein Antrieb mit geringerem Bauraumbedarf verwendet werden als bei einem Spindelantrieb, welcher zwecks Bremsen und Halten einer Lenkvorrichtung mit Selbsthemmung oder einer Sperre ausgelegt ist. Durch den beschriebenen Ansatz können Auslaufwege des Spindelantriebs des Aktuators bis zum Stillstand der Lenkvorrichtung, insbesondere im Fehlerfall, reduziert werden und es wird eine hohe Dynamik eines Stellers ermöglicht. Speziell beim Einsatz einer elektrischen Maschine mit hohem Rastmoment (englisch High Cogging Torque Motor) kann der Grad der Selbsthemmung reduziert werden, so dass eine sehr effiziente Lenkvorrichtung geschaffen werden kann.
Der Auslaufweg des Spindelantriebs ergibt sich vom Abschalten bzw. fehlerbehafteten Ausfall des Versorgungsstroms bis zum Stillstand Antriebs bzw. der elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors. Mit anderen Worten dreht die Spindelmutter sich nach dem Fall des Versorgungstroms noch weiter und dadurch bedingt wird auch die Spindel bzw. Lenkstange noch ein Stück weit translatorisch verlagert. Durch die Erfindung kann der Auslauf des Spindelantriebs reduziert bzw. minimiert werden, so dass die axiale Verlagerung der Lenkstange bzw. Spindel schneller beendet wird. Die Spindel des Spindelantriebs wird bei der Lenkvorrichtung als Lenkstange genutzt, welche gekoppelt mit den Radträgern bzw. Rädern eine Änderung der Radlenkwinkel ermöglicht.
Ein Aktuator für eine Steer-by-wire-Lenkung oder eine Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der elektrischen Maschine. Die Schaltungsanordnung weist eine Brückenschaltungseinheit, eine Steuereinrichtung und eine Kurzschlusseinrichtung auf. Die Brückenschaltungseinheit weist eine Mehrzahl von Schaltern auf. Dabei weist die Brückenschaltungseinheit eine erste Phasenleitung auf, die mittels eines ersten Schalters mit einem Versorgungsspannungsanschluss und mittels eines zweiten Schalters mit einem Massepotentialanschluss verbunden ist. Ferner weist die Brückenschaltungseinheit eine zweite Phasenleitung auf, die mittels eines dritten Schalters mit dem Versorgungsspannungsanschluss und mittels eines vierten Schalters mit dem Massepotentialanschluss verbunden ist. Außerdem weist die Brückenschaltungseinheit eine dritte Phasenleitung auf, die mittels eines fünften Schalters mit dem Versorgungsspannungsanschluss und mittels eines sechsten Schalters mit dem Massepotentialanschluss verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, um Schaltsignale zum Schalten der Schalter an Steuereingänge der Schalter der Brückenschaltungseinheit bereitzustellen, um eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Massepotentialanschluss anliegende Versorgungsspannung in eine an den Phasenleitungen anliegende Wechselspannung zu wandeln. Die Kurzschlusseinrichtung umfasst einen Energiespeicher und eine Schalteinrichtung. Die Schalteinrichtung ist ausgebildet, um den Energiespeicher ansprechend auf zumindest ein Fehlersignal mit Steuereingängen zumindest drei der Schalter zu verbinden, um ein Kurzschließen der Phasenleitungen zum Abbremsen der elektrischen Maschine zu bewirken.
Die Schaltungsanordnung kann auch als Stromrichter bezeichnet werden und ausgebildet sein, um einen Gleichstrom in einen Wechselstrom zu wandeln, um eine elektrische Maschine anzutreiben. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln. Umgekehrt kann die Schaltungsanordnung verwendet werden, um Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln, wenn die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird. Die Brückenschaltungseinheit kann als eine bekannte B6-Brücke ausgebildet sein, die beispielsweise drei Halbbrücken und insgesamt sechs Schalter aufweisen kann. Drei der Schalter können als Low-Side-Schalter ausgebildet sein und die anderen drei Schalter als High-Side- Schalter. Genauer gesagt kann der zweite Schalter, der vierte Schalter und der sechste Schalter als Low-Side-Schalter ausgebildet sein und der erste, dritte und fünfte Schalter als High-Side-Schalter. Die Schalter können als Transistoren ausgebildet sein, beispielsweise als bipolare Transistoren oder unipolare Transistoren. Jeder der Transistor kann einen Steuereingang und einen ersten Schalteingang und einen zweiten Schalteingang umfassen, wobei ein Stromfluss zwischen den Schalteingängen über ein an dem Steuereingang anliegendes Signal gesteuert werden kann. Der Energiespeicher kann zum Speichern elektrischer Energie als ein Kondensator ausgebildet sein. Der Energiespeicher kann im Fehlerfall auf die Schalter der Brückenschaltungseinheit entladen werden, wodurch die Schalter geschlossen werden können. Dadurch kann unabhängig von der Versorgungsspannung und vom Status der Steuereinrichtung, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, ein schnelles Abbremsen der elektrischen Maschine und somit des Aktuators, und damit beispielsweise der Hinterachslenkung in den sicheren Zustand ermöglicht werden. Ein sicheres und schnelles Abbremsen im Fehlerfall kann zur Erhöhung der o.g. Systemdynamik führen. Ferner kann mit dem hier vorgestellten Ansatz speziell im Zusammenhang mit einer Hinterachslenkung eine Möglichkeit zur Nutzung von Spindelantrieben mit einem hohen Wirkungsgrad geschaffen werden, beispielsweise für Spindelantriebe mit einem Kugelumlauf, wie sie bspw. bei einer Vorderachslenkung eingesetzt werden. Ein hoher Wirkungsgrad liegt hier vor, wenn eine Selbsthemmung in dem Bewegungsgewinde des Spindelantriebs nur gering ist oder die Steigung in dem Bewegungsgewinde derart gewählt ist, dass keine Selbsthemmung vorliegt. Beim Ausfall des Aktuators kehren die gelenkten Räder ohne Selbsthemmung nämlich aufgrund der beabsichtigten Vorspureinstellung der Räder in Geradeausstellung zurück.
Der hier vorgestellte Ansatz kann somit als eine Hinterachslenkung mit einer Notbremsfunktion verstanden werden. Dabei kann ein Begrenzen der Systemdynamik entfallen, welche ohne die Erfindung notwendig ist, und trotzdem können Sicherheitsziele für Auslaufwege des Systems im Fehlerfall eingehalten werden. Zu bevorzugen ist ein möglichst kurzer Auslaufweg des Aktuators.
Die Kurzschlusseinrichtung kann eine Verknüpfungseinrichtung aufweisen. Die Verknüpfungseinrichtung kann ausgebildet sein, um unter Verwendung des zumindest einen Fehlersignals ein Schließsignal zum Schließen der Schalteinrichtung zu bewirken. Die Verknüpfungseinrichtung kann beispielsweise als eine Logikschaltung ausgebildet sein.
Die Verknüpfungseinrichtung kann einen ersten Eingang zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines von der Steuereinrichtung bereitgestellten Rücksetzsignals zum Rücksetzen der Schaltungsanordnung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Verknüpfungseinrichtung einen zweiten Eingang zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines von der Steuereinrichtung bereitgestellten Sicherheitsabschaltsignals zum sicheren Abschalten der Schaltungsanordnung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Verknüpfungseinrichtung einen dritten Eingang zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines über eine externe Schnittstelle der Schaltungsanordnung bereitgestellten Ausschaltsignals zum Ausschalten der Schaltungsanordnung sowie einen Ausgang zum Ausgeben des Schließsignals aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Fehlerquellen durch ein Überführen der elektrischen Maschine in einen sicheren Zustand abgesichert werden.
Die Verknüpfungseinrichtung kann als ein Oder-Gatter ausgebildet sein. Das Oder- Gatter kann kostengünstig bereitgestellt werden und benötigt keine zusätzliche Programmierung.
Der Energiespeicher kann als ein Kondensator ausgebildet sein. Entsprechende Kondensatoren stellen im Bereich von Schaltungsanordnungen erprobte Bauteile dar und können zuverlässig elektrische Ladung speichern.
Die Schalter können als Transistoren ausgebildet sein. Die Transistoren können elektrische Spannungen und Ströme vorteilhaft steuern und zuverlässig schalten.
Die Schalteinrichtung kann ausgebildet sein, um den Energiespeicher ansprechend auf das Fehlersignal mit Steuereingängen des zweiten Schalters, des vierten Schalters und des sechsten Schalters zu verbinden. Alternativ kann die Schalteinrichtung ausgebildet sein, um den Energiespeicher ansprechend auf das Fehlersignal mit Steuereingängen des ersten Schalters, des dritten Schalters und des fünften Schalters zu verbinden. Somit kann vorteilhafterweise die Ladung des Energiespeichers auf den zweiten, vierten und sechsten Schalter oder auf den ersten, dritten und fünften Schalter entladen werden, um entweder ein Kurzschließen der Phasenleitungen über Masse oder die Versorgungsleitung zu bewirken. Dadurch kann ein zuverlässiges Abbremsen der elektrischen Maschine bewirkt werden.
Ein erster Anschluss des Energiespeichers kann mit dem Versorgungsspannungsanschluss und der Schalteinrichtung verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des Energiespeichers kann mit dem Massepotentialanschluss verbunden sein. Der Energiespeicher kann somit vorteilhaft Energie von dem Versorgungsspannungsanschluss aufnehmen und speichern.
Die Kurzschlusseinrichtung kann eine Diode aufweisen, die zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem ersten Anschluss des Energiespeichers angeordnet sein kann. Die Diode kann ausgebildet sein, um ein Entladen des Energiespeichers über den Versorgungsspannungsanschluss zu verhindern. Somit kann sichergestellt werden, dass der Energiespeicher dauerhaft Ladung zur Verfügung stellen kann, um diese Ladung bei Bedarf auf Schalter der Brückenschaltungseinheit entladen zu können, um ein zuverlässiges Kurzschließen der elektrischen Maschine bewirken zu können.
Die Kurzschlusseinrichtung kann eine weitere Diode aufweisen, die zwischen der Schalteinrichtung und den Steuereingängen zumindest von drei Schaltern angeordnet sein kann. Somit kann verhindert werden, dass Ladung von den Schaltern zurück zu dem Energiespeicher fließen kann.
Der Aktuator kann einen Spindelantrieb, bestehend aus einer Spindelmutter und einer als Gewindespindel ausgeführten Lenkstange umfassen, wobei die elektrische Maschine mit der Spindelmutter gekoppelt ist, um eine Drehbewegung der Spindelmutter zu bewirken, wobei die Drehbewegung der Spindelmutter eine lineare Verlagerung der Lenkstange bewirkt. Die Spindelmutter ist dabei mit ihrem Innengewinde mit dem Außengewinde der gegen Verdrehen gesicherten Spindel in Eingriff und diese bilden ein Bewegungsgewinde. Aufgrund des beschriebenen Ansatzes kann der Spindelantrieb mit hohem Wirkungsgrad und geringer Selbsthemmung ausgeführt sein. Durch die geringe Selbsthemmung kann ein Elektromotor mit geringerer Leistung verwendet werden, welche weniger Bauraum benötigt.
Die Spindelmutter kann beispielsweise bei einer Hinterachslenkung in einem Gehäuse des Aktuators ortsfest gelagert und mittels der elektrischen Maschine in Form eines E-Motors mittelbar mittels Zwischenschaltung eines Getriebes oder unmittelbar drehbar angetrieben sein. Durch das Bewegungsgewinde wird die Spindel letztlich entlang ihrer Längsachse translatorisch und ohne Drehung der Spindel verlagert. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, kann ein Bewegungsgewinde höherer Effizienz gewählt werden als beispielsweise ein Trapezgewinde, welches eine hohe Selbsthemmung bewirkt. Vorteilhafterweise ermöglicht der beschriebene Ansatz beispielsweise im Zusammenhang mit einer Hinterachslenkung einen Spindelantrieb mit geringerer Selbsthemmung als bekannt einzusetzen. Die Selbsthemmung hängt dabei hauptsächlich von der Gewindesteigung ab. Geringere „mechanische“ Selbsthemmung hat zur Folge, dass sich das bisherige Bremsmoment bei Ausfall des Stroms reduziert. Um dennoch ein sicheres und schnelles Abbremsen auch bei geringer mechanischer Selbsthemmung im Fehlerfall sicherzustellen, kann die bereits genannte Kurzschlusseinrichtung als spezielle Schaltungsanordnung mit zusätzlichem Schaltungsteil und einem Stromspeicher eingesetzt werden. Somit steht im Fehlerfall Strom zur Verfügung, um mittels der Steuereingänge der Schalter, also beispielsweise der Gates verwendeter Transistoren, einen Kurzschluss zu verursachen, der ein Abbremsen bis zum Stillstand des Antriebs der Steer-by-wire-Lenkung bzw. Hinterachslenkung ermöglicht.
Ein Verfahren zum Betreiben einer der oben genannten Ausführungsformen eines Aktuators einer Lenkvorrichtung mit spezieller Schaltungsanordnung umfasst einen Schritt des Einlesens und einen Schritt des Verbindens. Im Schritt des Einlesens wird das Fehlersignal eingelesen. Im Schritt des Verbindens wird der Energiespeicher mit den Steuereingängen zumindest drei der Schalter verbunden, um das Kurzschließen der Phasenleitungen zum Abbremsen der elektrischen Maschine zu bewirken. Mittels des Verfahrens können die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes vorteilhaft realisiert werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zum Betreiben des vorgenannten Verfahrens. Unter einer Steuereinrichtung, auch als Steuergerät bezeichnet, kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer-, Schalt- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Bei einem ASIC handelt es sich um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch: application-specific integrated circuit, ASIC), welche eine elektronische Schaltung darstellt, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.
Daneben betrifft die Erfindung eine Lenkvorrichtung, insbesondere eine Steer-by- wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Ausführungsform eines hierin beschriebenen Aktuators.
Unter Verwendung der Schaltungsanordnung kann ein zum Betreiben der elektrischen Maschine erforderlicher elektrischer Strom bereitgestellt werden und somit ein sicheres Abbremsen der elektrischen Maschine, speziell im Fehlerfall gewährleistet werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform einer hierin genannten Lenkvorrichtung mit einer Ausführungsform eines hier genannten Aktuators.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer Fahrzeugachse für ein Ausführungsbeispiel einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung für einen Aktuator einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Aktuators einer Lenkvorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem Spindelantrieb; Fig. 5 eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators eines Kraftfahrzeugs.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente zum Teil gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Fahrzeugachse 1 für ein Ausführungsbeispiel eines schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs 100.
Die Fahrzeugachse 1 ist hier als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2 dargestellt, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges 100 verbunden ist. Der hier vorgestellte Ansatz ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Jeweils zwei Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3 an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Die Lenker 3 sind Teil der Radaufhängung für die Räder 5, 6. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer Steer-by- wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 21 an dem Hilfsrahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung als ein zentraler Aktuator eine durchgehende Lenkstange 27 auf, welche durch das Gehäuse 21 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Eine elektrische Maschine 22, die auch als Antriebsmotor bezeichnet werden kann, ist achsparallel zur Lenkstange 27 angeordnet. An den Enden der Lenkstange 27 sind Spurstangen 23 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit dem nicht dargestellten Radträger der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 27 entlang der Längsachse in die eine oder andere Richtung eine Veränderung der Radlenkwinkel 8, 9 der Räder 5, 6 erfolgt, weil die Spurstangen 23 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger und der Lenkstange 27 des Aktuators 10 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 ermöglicht. Die elektrische Maschine 22 ist mit einer Schaltungsanordnung 105 gekoppelt. Die Schaltungsanordnung 105 ist ausgebildet, um einen zum Betreiben der elektrischen Maschine 22 und somit der Hinterachslenkung erforderlichen Strom bereitzustellen.
Schalter der Schaltungsanordnung 105 werden zudem verwendet, um beispielsweise ansprechend auf einen Fehlerfall ein Kurzschließen der elektrischen Maschine 22 zu bewirken, um somit ein schnelles und sicheres Abbremsen der elektrischen Maschine 22, und somit des Aktuators der Hinterachslenkung des Kraftfahrzeugs 100, zu bewirken.
Aufgrund des beschriebenen Ansatzes kann für die Hinterachslenkung anstelle eines Spindelantriebs mit einem Bewegungsgewinde mit einer Selbsthemmung ein Spindelantrieb mit einem hohen Wirkungsgrad eingesetzt werden, wodurch sich auch der Wirkungsgrad des Aktuators der Hinterachslenkung erhöht. Wenn ein Bewegungsgewinde mit hohem Wirkungsgrad bzw. mit zumindest geringer oder reduzierter Selbsthemmung eingesetzt wird, kann zusätzlich eine Art „künstliche Selbsthemmung“ eingesetzt werden, welche mittels eines High Cogging Torque Motors umgesetzt werden kann. Die sich hieraus ergebende Bremse hält den Aktuator bei Stillstand des Antriebs in Position, so dass sich der Lenkwinkel bei einem stromlosen Antrieb, beispielsweise aufgrund eines Fehlers, nicht oder nur in erlaubten Toleranzen sehr gering ändern kann bzw. darf. Der Auslauf der elektrischen Maschine 22, beispielsweise des High Cogging Torque Motors, kann mittels der Bremse ebenfalls verkürzt werden. Durch einen Einsatz eines Kurzschlusses bei der elektrischen Maschine 22 der Hinterachslenkung wird ein sicherer und schneller Stillstand der Hinterachslenkung im Fehlerfall und zur Erhöhung der Systemdynamik im Normalbetrieb und speziell eine Möglichkeit zur Nutzung von Spindelantrieben mit hohem Wirkungsgrad und bedingt dadurch geringerer Selbsthemmung möglich.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 105 für einen Aktuator bzw. eine Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Die Schaltungsanordnung 105 wird verwendet, um eine elektrischen Maschine 22 zu betreiben, die lediglich beispielhaft für eine Steer-by-wire-Lenkung bzw. für eine Hinterachslenkung für ein Fahrzeug eingesetzt werden kann. Dazu ist die Schaltungsanordnung 105 beispielsweise benachbart zu der elektrischen Maschine 22 oder als Teil dieser angeordnet und weist eine Brückenschaltungseinheit 200 sowie eine Steuereinrichtung 202 und zusätzlich eine Kurzschlusseinrichtung 230 auf. Die Brückenschaltungseinheit 200 wird auch als Phasenbrücke oder Brücke bezeichnet. Die Kurzschlusseinrichtung 230 weist einen Energiespeicher 250 und eine Schalteinrichtung 248 auf. Optional umfasst die Kurzschlusseinrichtung 230 eine Diode 246, eine weitere Diode 244 und/oder eine Verknüpfungseinrichtung 242. Die elektrische Maschine 22 bildet zusammen mit der Schaltungsanordnung 105 eine Antriebseinheit des Aktuators für die Lenkvorrichtung des Kraftfahrzeugs.
Die Brückenschaltungseinheit 200 ist beispielsweise als eine B6-Brücke ausgebildet und weist beispielhaft sechs Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 auf. Dabei sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der zweite Schalter 208, der vierte Schalter 212 und der sechste Schalter 216 als Low-Side-Schalter ausgebildet und der erste Schalter 206, der dritte Schalter 210 und der fünfte Schalter 214 als High-Side-Schalter ausgebildet.
Der erste Schalter 206 ist beispielsweise zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss 240 und einem ersten Abgriffspunkt 218 geschaltet. Der zweite Schalter 208 ist zwischen dem ersten Abgriffspunkt 218 und einem Massepotentialanschluss 238 geschaltet. Der erste Schalter 206 und der zweite Schalter 208 bilden somit eine erste Halbbrücke 224, die einen Stromfluss vom Versorgungsspannungsanschluss 240 über den ersten Schalter 206, den ersten Abgriffspunkt 218 und den zweiten Schalter 208 zu dem Massepotentialanschluss 238 bildet.
Der dritte Schalter 210 ist beispielsweise zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und einem zweiten Abgriffspunkt 220 geschaltet. Der vierte Schalter 212 ist zwischen dem zweiten Abgriffspunkt 220 und dem Massepotentialanschluss 238 geschaltet. Der dritte Schalter 210 und der vierte Schalter 212 bilden somit eine zweite Halbbrücke 226, die einen Stromfluss vom Versorgungsspannungsanschluss 240 über den dritten Schalter 210, den zweiten Abgriffspunkt 220 und den vierten Schalter 212 zu dem Massepotentialanschluss 238 bildet. Der fünfte Schalter 214 ist beispielsweise zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und einem dritten Abgriffspunkt 222 geschaltet. Der sechste Schalter 216 ist zwischen dem dritten Abgriffspunkt 222 und dem Massepotentialan- schluss 238 geschaltet. Der fünfte Schalter 214 und der sechste Schalter 216 bilden somit eine dritte Halbbrücke 228, die einen Stromfluss vom Versorgungsspannungsanschluss 240 über den fünften Schalter 214, den dritten Abgriffspunkt 222 und den sechsten Schalter 216 zu dem Massepotentialanschluss 238 bildet. Die zweite Halbbrücke 226 ist beispielsweise zwischen der ersten Halbbrücke 224 und der dritten Halbbrücke 228 angeordnet.
Beispielhaft ist die elektrische Maschine 22 als eine dreiphasige elektrische Maschine 22 ausgeführt. In diesem Fall ist der erste Abgriffspunkt 218 über eine erste Phasenleitung 232 elektrisch leitfähig mit einem ersten Anschluss der elektrischen Maschine 22 verbunden. Der zweite Abgriffspunkt 220 ist über eine zweite Phasenleitung 234 elektrisch leitfähig mit einem zweiten Anschluss der elektrischen Maschine 22 verbunden. Der dritte Abgriffspunkt 222 ist über eine dritte Phasenleitung 236 elektrisch leitfähig mit einem dritten Anschluss der elektrischen Maschine 22 verbunden. Somit sind die Phasenleitungen 232, 234, 236 schaltbar mit dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und dem Massepotentialanschluss 238 verbunden und es kann durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 der Brückenschaltungseinheit 200 eine Umwandlung einer zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und dem Massepotentialanschluss 238 anliegenden Gleichspannung in eine zum Betreiben der elektrischen Maschine 22 erforderliche Wechselspannung erfolgen. Durch eine geeignete Ausformung der Wechselspannung kann von der elektrischen Maschine 22 ein angefordertes Drehmoment bereitgestellt werden.
Der Versorgungsspannungsanschluss 240 ist im betriebsbereiten Zustand der Schaltungsanordnung 105 beispielsweise mit einem Pluspol einer Stromversorgung, z.B. einer Batterie verbunden und kann zum Einspeisen von Gleichstrom, kurz IDC verwendet werden. Der Energiespeicher 250 ist beispielsweise als ein Kondensator ausgebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Energiespeicher 250 einen ersten Anschluss 252 und einen zweiten Anschluss 254 auf. Der erste Anschluss 252 ist beispielsweise mit dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und der Schalteinrichtung 248 verbunden. Der zweite Anschluss 254 ist mit einem weiteren Massepotenti- alanschluss 204 verbunden. Auf diese Weise kann der Energiespeicher 250 über den Versorgungsspannungsanschluss 240 geladen werden. Über die Schalteinrichtung 248 ist der Energiespeicher 250 schaltbar mit Steuereingängen der Schalter 208, 212, 216 verbunden, wobei in Fig. 2 stellvertretend nur die Verbindung zu dem zweiten Schalter 208 gezeigt ist. Alternativ ist der Energiespeicher 250 über die Schalteinrichtung 248 schaltbar mit Steuereingängen der Schalter 206, 210, 214 verbunden. Die Schalteinrichtung 248 wird unter Verwendung eines Schließsignals 270 angesteuert, das unter Verwendung der vorgeschalteten Verknüpfungseinrichtung 242 oder direkt von der Steuereinrichtung 202 oder einer externen Einheit bereitgestellt werden kann.
Die Diode 246 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und dem ersten Anschluss 252 des Energiespeichers 250 angeordnet. Die Diode 246 ist beispielsweise ausgebildet, um einen Rückfluss von Ladung in Richtung Versorgungsspannungsanschluss 240 zu verhindern. Dazu ist die Diode 246 in Durchlassrichtung zum Energiespeicher 250 angeordnet.
Die weitere Diode 244 ist beispielsweise zwischen der Schalteinrichtung 248 und Steuereingängen der Schalter 208, 212, 216 angeordnet. Die weitere Diode 244 ist somit in Durchlassrichtung zu den Steuereingängen angeordnet.
Die Steuereingänge aller Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 sind mit der Steuereinrichtung 202 verbunden, was in Fig. 2 nur beispielhaft für den zweiten Schalter 208 dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 202 ist somit ausgebildet, um Schaltsignale 274 zum Schalten der Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 an die Steuereingänge der Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 bereitzustellen. Dadurch wird der Gleichstrom, der zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 240 und dem Massepotentialanschluss 238 anliegt, in einen Wechselstrom umgewandelt. Der Wechselstrom liegt dabei an den Phasenleitungen 232, 234, 236 an.
Optional ist die Steuereinrichtung 202 ausgebildet, um zumindest ein Fehlersignal an die Verknüpfungseinrichtung 242 bereitzustellen. Das Fehlersignal kann als ein Rücksetzsignal 256 und/oder als ein Sicherheitsabschaltsignal 258 ausgebildet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt die Steuereinrichtung 202 das Rücksetzsignal 256 an die Verknüpfungseinrichtung 242 bereit. Das Rücksetzsignal 256 wird beispielsweise ansprechen auf ein Rücksetzen der Schaltungsanordnung 105, einem sogenannten Reset. Zusätzlich oder alternativ stellt die Steuereinrichtung 202 das Sicherheitsabschaltsignal 258 an die Verknüpfungseinrichtung 242 bereit. Das Sicherheitsabschaltsignal 258 wird beispielsweise bereitgestellt, um seitens der Steuereinrichtung 202 ein sicheres Abschalten der Schaltungsanordnung 105 zu bewirken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich oder alternativ ein Ausschaltsignal 260 von einer externen Schnittstelle 262 der Schaltungsanordnung 105 an die Verknüpfungseinrichtung 242 bereitgestellt. Das Ausschaltsignal 260 wird von einer extern zu der Schaltungsanordnung 105 angeordneten Einheit bereitgestellt, um ein Ausschalten der Schaltungsanordnung 105 und ein Abbremsen der elektrischen Maschine 22 zu bewirken.
Die Verknüpfungseinrichtung 242 weist zum Empfangen der Signale 256, 258, 260 einen ersten Eingang 264, einen zweiten Eingang 266 und/oder einen dritten Eingang 268 auf. Beispielsweise empfängt die Verknüpfungseinrichtung 242 das Rücksetzsignal 256 über den ersten Eingang 264, das Sicherheitsabschaltsignal 258 über den zweiten Eingang 266 und/oder das Ausschaltsignal 260 über den dritten Eingang 268. Vorteilhafterweise können die Signale 256, 258, 260 so verknüpft werden, dass das Anliegen eines der Signale 256, 258, 260 zum Schließen der Schalteinrichtung 248 führt.
Unter Verwendung von zumindest einem der Signale 256, 258, 260 wird in der Verknüpfungseinrichtung 242 gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Schließsignal 270 zum Schließen der Schalteinrichtung 248 generiert. Die Verknüpfungseinrichtung 242 weist dazu einen Ausgang 272 zum Ausgeben des Schließsignals 270 auf. Das Schließsignal 270 wird beispielsweise an die Schalteinrichtung 248 ausgegeben, um ein Schließen der Schalteinrichtung 248 zu bewirken. Dazu ist die Verknüpfungseinrichtung 242 als eine Logikschaltung, beispielsweise als ein Oder-Gatter, ausgeführt.
Das Schließen der Schalteinrichtung 248 bewirkt ein Verbinden des Energiespeichers 250 mit Steuereingängen der Schalter 208, 212, 216, hier der Low-Side-Schal- ter, wobei hier lediglich beispielhaft eine Verbindung mit dem Steuereingang des zweiten Schalters 208 dargestellt ist. Alternativ ist eine Verbindung mit Steuereingängen der Schalter 206, 210, 214, also der High-Side-Schalter, möglich. Die Schalteinrichtung 248 ist dazu beispielhaft zwischen dem Energiespeicher 250 und den Steuereingängen der entsprechenden Schalter 206, 208, 210, 212, 214, 216 angeordnet.
Wenn der Energiespeicher 250 mit den Steuereingängen der Schalter 208, 212, 216 verbunden ist, kann die in dem Energiespeicher 250 gespeicherte elektrische Energie zum Schalten der Schalter 208, 212, 216, hier zu einem Schließen der Schalter 208, 212, 216, verwendet werden. Dies führt zu einem Kurzschluss der Phasenleitungen 232, 234, 236, wodurch die elektrische Maschine abgebremst wird.
In anderen Worten ausgedrückt wird für den hier vorgestellten Ansatz ein zusätzliches Schaltungsteil eingesetzt, das den Energiespeicher 250 aufweist, der auch als Kondensator oder Speicher bezeichnet werden kann. Der Energiespeicher 250 ist im betriebsbereiten Zustand der Schaltungsanordnung 105 beispielsweise auf 12 Volt aus einem Bordnetz geladen und über die Diode 246 gegen Entladen gesichert.
Dieser Energiespeicher 250 ist über eine Schalteinrichtung 248, die beispielsweise als Transistor ausgeführt ist, mit den Schaltern 208, 212, 216, die auch als Low Side Gates bezeichnet werden können, verbunden. Eine Verbindung mit den Schaltern 206, 210, 214, die auch als High Side Gates bezeichnet werden können, ist ebenfalls möglich. Im Fehlerfall entlädt die Schalteinrichtung 248 die Ladung des Energiespeichers 250 auf die Steueranschlüsse der Schalter 208, 212, 216, die auch als Low Side Gates bezeichnet werden können. Dadurch werden diese Schalter 208, 212, 216 leitend und schließen die elektrische Maschine 22, die auch als Motor bezeichnet werden kann, kurz, was zu einem deutlichen Bremsmoment führt. Da den Schaltern 208, 212, 216 der Brückenschaltungseinheit 200 gemäß einem Ausführungsfall über die Schalteinrichtung 248 nur einmalig Ladung zugeführt wird und diese auch relativ schnell wieder abfließt, bleibt die Brückenschaltungseinheit 200 nur wenige Sekunden leitfähig. Dies ist aber bereits zum vollständigen Abbremsen, beispielsweise des Antriebs der Hinterachslenkung, ausreichend.
Optional ist das Signal zum Auslösen der Schalteinrichtung 248 auch mit einem enable-Pin der Steuereinrichtung 202, die auch als Motorbrückentreiber bezeichnet werden kann, verbunden, um diese während des Notbremsvorgangs vollständig zu deaktivieren bzw. negative Wechselwirkungen zu vermeiden.
Beispielhaft sind im Folgenden mögliche Auslöser genannt, die für sich alleine oder in Kombination zum Schließen der Schalteinrichtung 248, also zum Generieren oder Bereitstellen des Fehler anzeigenden Schließsignals 270 genutzt werden können. Zum einen kann ein Resetpin der Steuereinrichtung 202, die auch als pC bezeichnet werden kann, verwendet werden. Über den Resetpin wird beispielsweise das Rücksetzsignal 256 ausgegeben. Entsprechend kann ein Ausgang eines Watchdogs verwendet werden. Ein I/O der Steuereinrichtung 202 kann einen Fehlerfall signalisieren. Der I/O kann auch als Safety-Off bezeichnet werden und gibt beispielsweise das Sicherheitsabschaltsignal 258 aus. Eine niedrige Spannung an dem Versorgungsspannungsanschluss 240, der bei Kraftfahrzeugen auch als „Klemme 30“ bezeichnet werden kann, oder ein Abriss des Versorgungsspannungsanschlusses 240 kann ebenfalls zum Ansteuern der Schalteinrichtung 248 verwendet werden. Dies wird gemäß einem Ausführungsbeispiel nicht extra ausgelesen, da die Steuereinrichtung 202 bei einem Verlust der Versorgungspannung in den Reset geht und daher der Resetpin der Steuereinrichtung 202 als Auslöser ausreichend ist. Zusätzlich oder alternativ wird ein externes Signal von einer externen Schnittstelle 262 verwendet, das beispielsweise von einem übergeordneten Steuergerät bereitgestellt wird. Optional wird dieses Signal, beispielsweise das Ausschaltsignal 260, auch von der Steuereinrichtung 202 eingelesen bzw. schickt dieses Signal die Steuereinrichtung 202 in den Reset. Die Lenkvorrichtung, hier beispielhaft die Hinterachslenkung, weist in der Regel ein eigenes Steuergerät auf dem Aktuator der Hinterachslenkung selbst auf, das beispielsweise zum Bereitstellen des Ausschaltsignal 260 verwendet wird.
Kurz zusammengefasst zeigt Fig. 2 den Energiespeicher 250, der im Fehlerfall auf die Schalter 208, 212, 216 der Brückenschaltungseinheit 200 entladen wird. Dadurch ist unabhängig von der Versorgungsspannung und vom Status der Steuereinrichtung 202 ein schnelles Abbremsen der elektrischen Maschine 22 und somit beispielsweise ein Überführen der Lenkvorrichtung, wie bspw. der Hinterachslenkung, in einen sicheren Zustand möglich.
Als „Watchdog“ wird eine Funktion zur Ausfallerkennung eines digitalen Systems bezeichnet, z.B. in Steuerungsanwendungen. Bei Erkennung einer möglichen Fehlfunktion wird dieser Zustand gemäß einer festgelegten Systemvereinbarung an andere Komponenten signalisiert (z. B. Umschalten auf ein redundantes System), eine geeignete Sprunganweisung bzw. ein Reset zur selbsttätigen Behebung des Ausfalls eingeleitet, oder es wird ein sicheres Abschalten veranlasst.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Betreiben eines Aktuators mit einer Schaltungsanordnung für eine Lenkvorrichtung, wie zuvor zu Fig. 2 beschrieben. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Einlesens und einen Schritt 310 des Verbindens.
Im Schritt 305 des Einlesens wird ein Fehlersignal eingelesen. Im Schritt 310 des Verbindens wird der Energiespeicher mit den Steuereingängen zumindest drei der Schalter verbunden, beispielsweise mit Steuereingängen des zweiten, vierten und sechsten Schalters. Somit wird das Kurzschließen der Phasenleitungen zum Abbremsen der elektrischen Maschine bewirkt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist ein Gehäuse 21 auf, an dem achsparallel die elektrische Maschine 22 angeordnet ist. In dem Gehäuse 21 ist ein Spindelantrieb 20, bestehend aus einer Spindelmutter 25 und der als Gewindespindel 27g ausgeführten Lenkstange, angeordnet. Die Spindelmutter 25 ist gegenüber dem Gehäuse 21 mit einem Wälzlager 29 ortsfest und drehbar gelagert. Durch die Spindelmutter 25 hindurchgeführt und koaxial zu dieser angeordnet ist die Gewindespindel 27g. Auf der von dem Wälzlager 29 abgewandten Seite der Spindelmutter 25 ist ein Riemenrad 30 drehfest auf der Spindelmutter 25 angeordnet. Die elektrische Maschine 22, die auch als Elektromotor bezeichnet werden kann, weist ein Antriebsritzel 32 auf. Ein Antriebsriemen 34 in Form eines Zahnriemens umschlingt sowohl das Antriebsritzel 32 als auch das Riemenrad 30, so dass bei Drehbewegung der elektrischen Maschine 22 die Spindelmutter 25 schlupffrei in Drehbewegung um die Längsachse a versetzt wird. Antriebsritzel 32, Riemenrad 30 und der Antriebsriemen 34 bilden ein Zwischengetriebe. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter 25 erfolgt eine lineare Verlagerung der Gewindespindel 27g in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse a in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors. Bei einer im Wesentlichen axial auf die Gewindespindel 27g einwirkenden Kraft Fext will sich die Spindelmutter 25 verdrehen, so dass aufgrund der Kraft Fext ein Drehmoment bewirkt wird. Daher wird sich die elektrische Maschine 22 ebenfalls mitdrehen und es kann zu einer axialen Verlagerung der Gewindespindel 27g in Rücktriebsrichtung kommen, wenn keine erfindungsgemäßen Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Dieses ist insbesondere im Fehlerfall unerwünscht, zum Beispiel wenn der Aktuator stromlos ist und dieser Zustand zu einer unkontrollierten Radlenkwinkeländerung führen kann, wenn ausgehend von den Rädern bzw. Radträgern eine Seitenkraft bzw. Querkraft auf die Gewindespindel wirkt.
Benachbart zu der elektrischen Maschine 22 ist eine Schaltungsanordnung 105 angeordnet, wie in Figur 2 beschrieben. Mithilfe der Schaltungsanordnung 105 ist es möglich, ein Abbremsen der elektrischen Maschine 22 zu bewirken.
Fig. 5 zeigt einen Aktuator 601 einer Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse 620, welches fahrzeugseitig befestigt ist. Innerhalb des Gehäuses 620 ist ein Spindelantrieb 630 angeordnet, welcher eine axial verschiebbare, aber nicht drehbare Spindel 640 mit einem Außengewinde und eine in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter 650 mit einem geteilten Innengewinde aufweist. Die in Eingriff befindlichen Gewindeteile bilden ein Bewegungsgewinde zur axialen Verlagerung der Spindel 640 gegenüber dem Gehäuse 620 bzw. der Spindelmutter 650. Die Spindelmutter 650 ist über einen Zugmitteltrieb bzw. Riemen 660 von einem Elektromotor 22 in Drehrichtung antreibbar und über ein Wälzlager 680 drehbar im Gehäuse 620 abgestützt sowie in axialer Richtung fixiert. Die Spindel 640 ist an beiden Enden mit gehäuseseitig geführten Lagerhülsen 690, 610, auch Aufschraubzapfen genannt, verbunden, die ihrerseits mit außerhalb des Gehäuses 620 angeordneten Gelenkzapfen 611 , 612 verbunden sind. Die Gelenkzapfen 611 , 612 wiederum sind entweder unmittelbar mit einem Radträger oder mittelbar mittels eines Gestänges oder einer Spurstange mit dem Radträger verbunden. Der Aktuator 601 ist als so genannter Zentralsteller ausgebildet, das heißt dieser ist zentral, z.B. mittig im Fahrzeug zwischen den Rädern einer Achse angeordnet und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung beider Hinterräder.
Bei der Hinterachslenkung wird durch elektromotorischen Antrieb die ortsfestgelagerte Spindelmutter 650 in dem Aktuatorgehäuse gedreht. Durch die Drehung der Spindelmutter 650, welche mit ihrem Innengewinde mit dem Außengewinde der Spindel 640 in Eingriff ist, wird die Spindel 640 translatorisch in die eine oder andere Richtung verlagert. Es wird dabei ein Trapezgewinde verwendet, sodass bei nicht angetriebener Spindelmutter 650 der Spindeltrieb aufgrund der Selbsthemmung im Bewegungsgewinde stehen bleibt. Auch wenn Lasten, beispielsweise Seitenkräfte der Räder auf die Spindel 640 mittelbar oder unmittelbar wirken, kommt es ohne dynamische Einflüsse nicht zu einer Änderung der Radlenkwinkel. Dynamische Einflüsse sind Bewegungen innerhalb des Fahrwerks, welche beim Fahren z.B. aufgrund von Fahrbahnunebenheiten ins Fahrwerk und somit auch auf den Aktuator 601 übertragen werden. Dadurch kann es zu geringen Verlagerungen kommen, wenn das Fahrzeug fährt, der Aktuator 601 bzw. die elektrische Maschine 22 jedoch stromlos geschaltet oder ausgefallen ist.
Benachbart zu der elektrischen Maschine 22 ist eine Schaltungsanordnung 105 angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Mithilfe der Schaltungsanordnung 105 ist es möglich, ein Abbremsen der elektrischen Maschine 22 zu bewirken. Bezugszeichen
Fahrzeugachse
Hilfsrahmen
Lenker erstes Rad zweites Rad erster Radlenkwinkel zweiter Radlenkwinkel
Aktuator
Lenkung
Spindelantrieb
Gehäuse elektrische Maschine
Spurstange
Spindelmutter
Lenkstange g Gewindespindel
Wälzlager
Riemenrad
Antriebsritzel
Antriebsriemen 0 Kraftfahrzeug 5 Schaltungsanordnung 0 Brückenschaltungseinheit 2 Steuereinrichtung 4 weiterer Massepotentialanschluss 6 erster Schalter 8 zweiter Schalter 0 dritter Schalter 2 vierter Schalter fünfter Schalter sechster Schalter erster Abgriffspunkt zweiter Abgriffspunkt dritter Abgriffspunkt erste Halbbrücke zweite Halbbrücke dritte Halbbrücke Kurzschlusseinrichtung erste Phasenleitung zweite Phasenleitung dritte Phasenleitung Massepotentialanschluss
Versorgungsspannungsanschluss Verknüpfungseinrichtung weitere Diode
Diode Schalteinrichtung Energiespeicher erster Anschluss zweiter Anschluss Rücksetzsignal Sicherheitsabschaltsignal Ausschaltsignal externe Schnittstelle erster Eingang zweiter Eingang dritter Eingang Schließsignal Ausgang Schaltsignal
Verfahren 05 Schritt des Einlesens 10 Schritt des Verbindens 01 Aktuator 10 Lagerhülse 11 Gelenkzapfen 12 Gelenkzapfen 20 Gehäuse 30 Spindelantrieb 40 Spindel 50 Spindelmutter 60 Riemen 80 Wälzlager 90 Lagerhülse 01 Aktuator 02 Gehäuse 03 Gelenkgabel 04 Gelenkgabel 05 Spindel 05a Bewegungsgewinde 06 Spindelmutter 06a Innengewinde 08 Befestigungsende 09 Befestigungsende
710 Lagerzapfen
711 Lagerzapfen
712 Gleitlager
713 Gleitlager
714 Schraubbolzen
715 Schraubbolzen
Fext Kraft a Längsachse
IDC Gleichstrom

Claims

Patentansprüche
1 . Aktuator umfassend eine elektrische Maschine (22) und eine Schaltungsanordnung (105) zum Betreiben der elektrischen Maschine (22) für eine Lenkvorrichtung, insbesondere eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (100), wobei die Schaltungsanordnung (105) die folgenden Merkmale aufweist: eine Brückenschaltungseinheit (200), die eine Mehrzahl von Schaltern (206, 208, 210, 212, 214, 216) aufweist, wobei die Brückenschaltungseinheit (200) eine erste Phasenleitung (232) aufweist, die mittels eines ersten Schalters (206) mit einem Versorgungsspannungsanschluss (240) und mittels eines zweiten Schalters (208) mit einem Massepotentialanschluss (238) verbunden ist, wobei die Brückenschaltungseinheit (200) eine zweite Phasenleitung (234) aufweist, die mittels eines dritten Schalters (210) mit dem Versorgungsspannungsanschluss (240) und mittels eines vierten Schalters (212) mit dem Massepotentialanschluss (238) verbunden ist, wobei die Brückenschaltungseinheit (200) eine dritte Phasenleitung (236) aufweist, die mittels eines fünften Schalters (214) mit dem Versorgungsspannungsanschluss (240) und mittels eines sechsten Schalters (216) mit dem Massepotentialanschluss (238) verbunden ist; eine Steuereinrichtung (202), die ausgebildet ist, um Schaltsignale (274) zum Schalten der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) an Steuereingänge der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) der Brückenschaltungseinheit (200) bereitzustellen, um eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss (240) und dem Massepotentialanschluss (238) anliegende Versorgungsspannung in eine an den Phasenleitungen (232, 234, 236) anliegende Wechselspannung zu wandeln; und eine Kurzschlusseinrichtung (230), die einen Energiespeicher (250) und eine Schalteinrichtung (248) umfasst, wobei die Schalteinrichtung (248) ausgebildet ist, um den Energiespeicher (250) ansprechend auf zumindest ein Fehlersignal mit Steuereingängen zumindest dreien der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) zu verbinden, um ein Kurzschließen der Phasenleitungen (232, 234, 236) zum Abbremsen der elektrischen Maschine (22) zu bewirken.
2. Aktuator gemäß Anspruch 1 , wobei die Kurzschlusseinrichtung (230) eine Verknüpfungseinrichtung (242) aufweist, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des zumindest einen Fehlersignals ein Schließsignal (270) zum Schließen der Schalteinrichtung (248) zu bewirken.
3. Aktuator gemäß Anspruch 2, wobei die Verknüpfungseinrichtung (242) einen ersten Eingang (264) zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines von der Steuereinrichtung (202) bereitgestellten Rücksetzsignals (256) zum Rücksetzen der Schaltungsanordnung (105) und/oder einen zweiten Eingang (266) zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines von der Steuereinrichtung bereitgestellten Sicherheitsabschaltsignals (258) zum sicheren Abschalten der Schaltungsanordnung (105) und/oder einen dritten Eingang (268) zum Empfangen des Fehlersignals in Form eines über eine externe Schnittstelle (262) der Schaltungsanordnung (105) bereitgestellten Ausschaltsignals (260) zum Ausschalten der Schaltungsanordnung (105) sowie einen Ausgang (272) zum Ausgeben des Schließsignals (270) aufweist.
4. Aktuator gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Verknüpfungseinrichtung (242) als ein Oder-Gatter ausgebildet ist.
5. Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Energiespeicher (250) als ein Kondensator ausgebildet ist.
6. Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) als Transistoren ausgebildet sind.
7. Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (248) ausgebildet ist, um den Energiespeicher (250) ansprechend auf das Fehlersignal mit Steuereingängen des zweiten Schalters (208), des vierten Schalters (212) und des sechsten Schalters (216) zu verbinden oder ausgebildet ist, um den Energiespeicher (250) ansprechend auf das Fehlersignal mit Steuereingängen des ersten Schalters (206), des dritten Schalters (210) und des fünften Schalters (214) zu verbinden.
8. Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein erster Anschluss (252) des Energiespeichers (250) mit dem Versorgungsspannungsanschluss (240) und der Schalteinrichtung (248) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss (254) des Energiespeichers (250) mit dem Massepotentialanschluss (204) verbunden ist.
9. Aktuator gemäß Anspruch 8, wobei die Kurzschlusseinrichtung (230) eine Diode (246) aufweist, die zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss (240) und dem ersten Anschluss (252) des Energiespeichers (250) angeordnet ist und ausgebildet ist, um ein Entladen des Energiespeichers (250) über den Versorgungsspannungsanschluss (240) zu verhindern.
10. Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kurzschlusseinrichtung (230) eine weitere Diode (244) aufweist, die zwischen der Schalteinrichtung (248) und den Steuereingängen der zumindest dreien der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216) angeordnet ist.
11 . Aktuator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Spindelantrieb (20), bestehend aus einer Spindelmutter (25) und einer als Gewindespindel ausgeführten Lenkstange (27), wobei die elektrische Maschine (22) mit der Spindelmutter (25) gekoppelt ist, um eine Drehbewegung der Spindelmutter (25) zu bewirken, wobei die Drehbewegung der Spindelmutter (25) eine lineare Verlagerung der Lenkstange (27) bewirkt.
12. Verfahren (300) zum Betreiben eines Aktuators gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte umfasst:
Einlesen (305) des Fehlersignals; und
Verbinden (310) des Energiespeichers (250) mit den Steuereingängen zumindest dreien der Schalter (206, 208, 210, 212, 214, 216), um das Kurzschließen der Phasenleitungen (232, 234, 236) zum Abbremsen der elektrischen Maschine (22) zu bewirken.
13. Steuereinrichtung zum Betreiben eines Verfahrens nach Anspruch 12.
14. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (100) mit wenigstens einem Aktuator, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
PCT/EP2023/079420 2022-11-16 2023-10-23 Aktuator, verfahren zum betreiben eines aktuators, steuereinrichtung sowie steer-by-wire-lenkung WO2024104725A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022212163.5A DE102022212163A1 (de) 2022-11-16 2022-11-16 Aktuator, Verfahren zum Betreiben eines Aktuators, Steuereinrichtung sowie Steer-by-wire-Lenkung
DE102022212163.5 2022-11-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024104725A1 true WO2024104725A1 (de) 2024-05-23

Family

ID=88511278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/079420 WO2024104725A1 (de) 2022-11-16 2023-10-23 Aktuator, verfahren zum betreiben eines aktuators, steuereinrichtung sowie steer-by-wire-lenkung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022212163A1 (de)
WO (1) WO2024104725A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19811992A1 (de) 1998-03-19 1999-09-30 Bosch Gmbh Robert Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors sowie Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
DE102010035798A1 (de) * 2009-09-17 2011-03-24 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Elektromechanischer Stellantrieb
DE102010051474A1 (de) * 2010-11-15 2011-12-15 Magna Powertrain Ag & Co Kg Steuereinheit für einen Elektromotor eines Wankstabilisators
EP3531551A1 (de) * 2018-02-27 2019-08-28 KNORR-BREMSE Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Vorrichtung und verfahren zur reduzierung der kupplungseingriffsgeschwindigkeit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19811992A1 (de) 1998-03-19 1999-09-30 Bosch Gmbh Robert Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors sowie Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
DE102010035798A1 (de) * 2009-09-17 2011-03-24 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Elektromechanischer Stellantrieb
DE102010051474A1 (de) * 2010-11-15 2011-12-15 Magna Powertrain Ag & Co Kg Steuereinheit für einen Elektromotor eines Wankstabilisators
EP3531551A1 (de) * 2018-02-27 2019-08-28 KNORR-BREMSE Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Vorrichtung und verfahren zur reduzierung der kupplungseingriffsgeschwindigkeit

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022212163A1 (de) 2024-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010033440B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Sicherheitsabschaltung einer elektromechanischen Servolenkung
DE102006052423B4 (de) Servolenkungsvorrichtung
EP2608996B1 (de) Sicherheitsschaltung für einen elektromotor einer elektromechanischen lenkung
DE19834870A1 (de) Fehlertoleranter elektromechanischer steer-by-wire-Lenksteller
WO2001072571A2 (de) Fahrzeuglenkung und achslenkmodul für eine fahrzeuglenkung
DE102012112912A1 (de) Leistungszuführungssystem für Fahrzeuge
WO2014067773A2 (de) Vorrichtung zum assistierenden oder automatischen führen eines kraftfahrzeuges
DE112020001736T5 (de) Motorsteuersystem und verfahren zum selektiven kurzschliessen von motorwicklungen
EP2285641B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum betrieb einer technischen einrichtung, mit einer elektrischen antriebsmaschine
DE112020005598T5 (de) Motorantriebssystem
WO2020200616A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer lenkung eines kraftfahrzeugs sowie steuergerät und lenkung
DE102013108258A1 (de) Antriebssystem für einen Fahrzeuganhängerrangierantrieb
DE102015222352A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Maschine
WO2018162248A1 (de) Stromversorgungseinheit für ein nutzfahrzeug und verfahren zum betreiben einer stromversorgungseinheit für ein nutzfahrzeug
DE102004003725A1 (de) Steer-By-Wire-Baugruppe und Verfahren zur Betätigung der Räder eines Kraftfahrzeuges
DE102020206478A1 (de) Steuervorrichtung für einen Stromrichter, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes
DE102007055849A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Dämpfung einer Hinterachslenkung
WO2024104725A1 (de) Aktuator, verfahren zum betreiben eines aktuators, steuereinrichtung sowie steer-by-wire-lenkung
DE112017001952T5 (de) Fahrzeugkinetiksteuersystem für ein Hinterrad eines Fahrzeugs
DE102019101811A1 (de) System und Verfahren zum sicheren Betrieb eines Feedback-Aktuators
DE10159704A1 (de) Fahrzeuglenkung und Betätigungsmotor einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung
DE102007000594A1 (de) Aktivlenkungssystem mit Bremsvorrichtung III
WO2009015973A1 (de) Elektrisches bremssystem
WO1990003910A1 (de) Einrichtung zum lenken der hinterräder von fahrzeugen mit lenkbaren vorder- und hinterrädern
DE102022212164A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrischer Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung, Steuereinrichtung sowie Steer-by-wire-Lenkung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23793862

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1