CN111278712B - 用于为转向***提供转向支持的机电式转向驱动*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的转向***(1)的转向驱动***(15)，包括：‑用于控制具有测试线路(111)的转向驱动马达(11)的第一绕组回路(11a)的第一控制器(110)，所述测试线路构造为提供限定的、交替的、尤其是周期性的测试信号(T)；‑用于控制所述转向驱动马达(11)的第二绕组回路(11b)的第二控制器(120)，其中，所述第二控制器(120)的测试信号接收线路(121)构造用于接收所述测试信号(T)，其中，所述第二控制器(120)构造用于根据测试信号(T)的存在或不存在来控制所述转向驱动马达(11)。

Description

用于为转向***提供转向支持的机电式转向驱动***
技术领域
本发明涉及转向***，尤其是具有机电式转向驱动器的转向***以及用于提高机电式转向驱动***的失灵安全性(或容错率、可靠性，即Ausfallsicherheit)的措施。
背景技术
常规机动车中的转向***通常具有机电式转向支持，其在转向时通过转向干预来支持驾驶员。为此，这种转向***具有转向驱动器，该转向驱动器在相应的控制时将转向支持力或转向支持力矩引入到转向***中并且支持转向运动或者甚至自动地实施转向运动。
机动车中的转向***的功能在极大程度上对安全性是关键的，因为尤其是在较高的车辆速度时，转向运动与转向干预预定的极小偏差已经可能导致不期望的车辆行为，这可能危害乘客和/或机动车。
机电式转向***的迄今的安全构思设置了，在识别出故障的情况下切断转向支持并且驾驶员在没有机电式转向支持的情况下继续进行机动车的转向。然而，如果在这种转向***中要实现自主行驶功能，则需要提高的安全性要求。
不能由此认定为(或基于如下出发，即davon ausgegangen)，机动车的转向能够直接在出现故障之后由驾驶员接管，因为所述驾驶员分心或者可能睡觉。因此，转向***必须确保，尽管存在转向***的部件的功能故障或失灵，仍在一定的时间内继续实施自主行驶功能并且相应地使机动车转向。
通常，为了提高失灵安全性，转向***的部件冗余地实施，使得在故障中继续提供有效的子***，通过该子***可以提供至少一个减小的机电的转向支持力。然而，转向***的部件的数量又提高了失灵概率，从而值得期望的是，以转向***的尽可能少的部件数量提供提高的失灵安全性。
从文献DE 10 2012 101 006 A1 已知一种具有两个子***的机电式伺服转向器，所述子***各自具有传感器、功率电子单元和致动器单元，以提供伺服转向器的冗余。控制电子器控制冗余实施的子***。
由文献DE 10 2015 116 937 A1 描述了一种用于运行具有助力转向的机动车的转向***的方法。所述助力转向包括多个执行器路径，所述执行器路径用于引入总支持力矩。在每个执行器路径中确定总支持力矩和用于每个执行器路径的部分支持扭矩。每个执行器路径从作为主(或主控，即Master)激活的执行器路径获取其相关联的部分支持力矩。
由文献DE 10 2015 107 504 A1 已知一种冗余设计的转向***。该转向***包括具有第一传感器、第一模拟/数字转换器和第一控制单元的第一子机以及具有第二传感器、第二模拟/数字转换器和第二控制单元的第二子机。在第一传感器与第二模拟/数字转换器之间或者在第一模拟/数字转换器与第二控制单元之间或者在第一控制单元与第二控制单元之间设置有通信通道。由此，即使当相应的子***遇到故障情况时，也能够使用子***的用于转向的功能性的部分。因此，转向***可以设计成冗余的，其方式是，转向***的各个元件也可以与不同子***的部分通信。
本发明的目的是提供一种用于具有机电式转向驱动器的转向***的具有高失灵安全性的容错的转向驱动***。
发明内容
该目的通过下文描述的用于机动车的转向***的转向驱动***以及通过下文描述的转向***来解决。
所有在说明书中对于转向驱动***所述的进一步的特征和作用还关于转向***、其运行方法适用，且反之亦然。
根据第一方面，提供了一种用于机动车的转向***的转向驱动***，包括：
-用于控制具有测试线路的转向驱动马达的第一绕组回路的第一控制器，其中该测试线路构造为提供限定的、交替的、尤其是周期性的测试信号；
-用于控制转向驱动马达的第二绕组回路的第二控制器，其中，第二控制器的测试信号接收线路构造成用于接收测试信号，其中，第二控制器构造用于根据测试信号来控制转向驱动马达。
尤其地，第二控制器此外可以构造用于根据所限定的测试信号的存在或不存在来控制第二绕组回路。
上述方法的想法在于，如此扩展迄今为止的、构造用于提供转向支持和另外的转向功能的转向驱动***，使得所述转向驱动***可用于自主行驶功能。因为自主行驶功能要求所使用的转向驱动***的高度的失灵安全性，所以为此必需提供转向驱动***的部件的冗余，从而即使在转向驱动***的部件中的一个的失灵时也保证转向***的运行。
此外，可以设置用于获取转子位置的位置传感器，其中第一控制器和第二控制器与位置传感器连接，以各自接收位置信息，其中第一控制器和第二控制器构造用于根据所测定的位置信息、尤其通过提供与转子位置有关的换向模型来实施对各自的绕组回路的控制。相应地，转向驱动器设置为电子换向驱动器并且尤其可以以同步机(或同步电机，即Synchronmaschine)的形式构造。转向驱动器具有电分离的绕组回路用于提供冗余，所述绕组回路具有相绕组，所述相绕组各自作用于尤其共同的永磁激励的转子，以驱动所述转子。这些绕组回路各自通过控制器中的一个来激励。
根据一种实施方式，位置传感器可以具有初级回路和次级回路，通过该初级回路借助控制信号将磁场施加到与转向驱动器的转子连接的软磁元件中，该次级回路具有至少一个磁场传感器单元，其中，第一控制器构造成提供用于位置传感器的初级回路的控制信号，并且其中，第一控制器和第二控制器与至少一个磁场传感器单元连接，以获取位置信息。
此外，可以提供带有与用于位置传感器的初级回路的控制信号的频率或相位对应的频率和/或相位的测试信号，从而转子位置的获取在第二控制器中基于控制信号的频率或相位来进行。
可以设置，第一控制器和第二控制器构造成基于各自预定的调节参量来进行各自绕组回路的控制。
在正常运行情况下，第一控制器和第二控制器为了同步控制转向驱动器的绕组回路而基于外部的调节力矩预定(调节参量)和由位置传感器提供的位置信息工作，所述位置信息说明了转子的转子位置。
位置传感器被主动地实施并且具有初级回路，以将限定的磁场耦入到安装在转子处的软磁元件中。耦入的磁场借助于位于次级回路中的磁场传感器(GMR传感器、霍尔传感器)获取，使得所述磁场传感器能够获取与位置相关的磁场并且提供位置信息。在控制器中的仅一个控制器可以控制初级回路期间，所有控制器与次级回路连接，从而用于控制绕组回路的位置信息在正常运行情况下提供给控制器中每个控制器。
对于故障反馈来说必要的是，第一控制器和第二控制器各自获得关于相应另一个控制器是否按规定工作的信息。对此设置，第一控制器提供测试信号，该测试信号由第二控制器接收。仅当第一控制器按规定工作时，才在第一控制器中生成测试信号。测试信号以限定的方式提供并且连续地变化，从而第二控制器在存在测试信号时可以识别出，第一控制器在按规定工作。如果测试信号失灵，即如果测试信号没有改变或者没有以所限定的方式被接收或以不同于限定的方式的方式被接收，则由此第二控制器识别出在第一控制器中存在故障。
相反，第一控制器通过转向驱动器处的通过第一控制器调节的调节力矩和由转子位置传感器测得的角速度的合理性检验识别出，第二控制器没有按规定工作。
尤其第二控制器可以具有测量单元，以获取关于第二绕组回路的相线(Phasensträngen)的电气参量并且实施转子位置的无传感器的测定，以提供相应的位置信息。无传感器的位置获取(例如反EMF法(或反电动势法，即Back-EMF-Verfahren))，是由现有技术已知的并且通过评估相绕组中的感应电压来实现位置获取。因此，第二控制器可以借助于所涉及的绕组回路的相电压中的一个或多个的电压测量来确定转子位置。由于无传感器的控制(或闭环控制，即Regelung)，可以在触觉(或手感，即Haptik)和性能上预期到限制，其中，这些限制如此地设计成，使得可以确保在自主行驶运行中的安全的功能。
如果第一控制器失灵，那么第二控制器通过所限定的测试信号消失来识别出这一点。因为第一控制器控制位置传感器的初级回路，所以在第一控制器没有按规定工作时不会预期位置传感器的初级回路主动地(或有源地，即aktiv)运行。因此，在通过第二控制器识别出第一控制器的失灵之后，在第二控制器中发生到无传感器的转子位置获取的运行方式切换，基于该运行方式继续运行转向驱动***。
以这种方式可以实现具有高失灵安全性的转向驱动***，其中，在常规的转向支持驱动器方面，对于用于实现足够的冗余的部件和功能而言仅需要很小的附加耗费。
此外，第二控制器可以构造成，根据测试信号的存在或不存在来基于由位置传感器获取的位置信息或基于通过转子位置的无传感器的测定所确定的位置信息来实施第二绕组回路的控制。
尤其是该测试线路可以构造成，当用于位置传感器的控制信号通过第一控制器提供时提供测试信号，并且当用于位置传感器的控制信号未通过第一控制器提供时不提供测试信号。以这种方式可以借助测试信号给第二控制器提供这样的信息，该信息说明经由位置传感器所获取的位置信息是否有效。
此外，第一控制器可以构造用于确定第二控制器的故障功能，其方式是，将通过相应的调节参量预定的扭矩相对于转向驱动马达的转速的走向检验合理性。故障功能的相互识别是必要的，由此在识别出控制器中一个控制器中的故障时，相应另一个控制器可以通知外部***，尤其机动车的自主行驶功能，从而冗余不再通过第二ECU提供。然后结束或者说阻止自主的行驶功能，使得自主的行驶功能不能激活。
根据另一方面，设置了一种用于运行上述转向驱动***的方法，具有以下步骤：
-通过第一控制器提供限定的、交替的、尤其是周期性的测试信号；
-通过第二控制器接收测试信号；和
-通过第二控制器根据所述限定的测试信号来控制转向驱动马达。
附图说明
下面借助于附图详细阐释实施形式。其中：
图1示出了具有机电式转向驱动***的转向***的示意图；
图2示出了根据一实施形式的转向驱动***的示意图；和
图3示出了用于说明用于运行图2的转向驱动***的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出机动车的转向***1的示意图。转向***1包括转向柱2，该转向柱与方向盘(或转向轮，即Lenkrad)3连接，使得由驾驶员施加到方向盘3上的转向运动作为手动力矩(或人工力矩，即Handmoment)作用到转向柱2上。转向柱2将手动力矩传递到小齿轮4上，该小齿轮与齿条5联接，从而在转向柱2转动时，齿条5直线地运动。
齿条5布置在机动车的两个转向车轮6之间。车轮6被这样地保持，使得它们在转向条5直线运动时绕摆动轴摆动。
转向柱2或齿条5另外与转向驱动器7联接，以提供转向干预（Lenkeingriff）。转向干预可以与作用在转向柱2上的转向干预力矩或作用到齿条5上的转向干预力相对应。在图1所示的当前实施例中，转向驱动器7作用到齿条5上。
此外，设置有转向控制***10，该转向控制***构造用于控制转向***1并且用于实现转向干预预定LV。借助于转向柱2处的扭矩传感器8可以确定经由方向盘3施加到转向柱2上的手动力矩并且将相应的手动力矩数据(或手动力矩说明，即Handmomentangabe)HM传送到转向控制***10处。相应地，转向柱2可设有转向角传感器9，该转向角传感器获取转向柱2的旋转角度并且将相应的转向角数据LW提供到转向控制***10处。代替或附加于转向角传感器9可设置有位置角传感器（Lagewinkelsensor），其确定转向驱动器7的转向支持马达的精确转子位置。
转向控制***10实现大量的转向功能，所述转向功能经由控制转向驱动器7干预到转向***1和转向过程中。这种转向功能可以尤其包括车道反馈优化、拉滑补偿(Schiefziehkompensation)、抱死识别、在过度控制/控制不足时转向感的匹配、齿条力相关的转向支持、支持力控制和优化的主动复位等。此外，转向控制***10可构造成例如从自主行驶功能接收转向干预预定LV并相应地将计算算法转化为转向干预参量AS用于控制转向***1的转向驱动器7。
转向驱动器7通过图2的转向驱动***15构成。图2示出具有高失灵安全性的转向驱动***15的更详细的示意图。转向驱动***15具有转向驱动马达11。转向驱动马达11构造为电子换向的电机并且具有两个绕组回路11a、11b，所述两个绕组回路彼此独立地被通电，以各自提供部分驱动力矩。两个绕组回路11a、11b布置在共同的定子中并且作用到共同的转子上，从而通过绕组回路11a、11b各自形成了子机(或子电机，即Teilmaschine)。在所示的实施例中，绕组回路11a、11b中的每个绕组回路具有三个相，所述相具有相应相绕组12，所述相绕组12以适当的方式通过由转向控制***10施加相电压来通电。
为此，转向控制***10包括第一控制器110，该第一控制器根据换向模式为第一绕组回路11a提供相电压。该换向模式根据传感器方式获取的转子位置来提供。此外，转向控制器10包括第二控制器120，该第二控制器根据换向模式为第二绕组回路11b提供相电压。该换向模型同样可以根据传感器方式获取的转子位置来提供。
转子位置借助于位置传感器13来确定。位置传感器13具有初级回路，该初级回路包括电磁线圈(或励磁线圈、磁线圈，即Magnetspule)13a。该电磁线圈13a通过控制信号通电，以在转向驱动马达11的转子轴14处的各向异性地构造的软磁元件中施加具有预定的特性的限定的传感器磁场。借助于包括磁场传感器单元13b的次级回路，现在可以获取通过软磁元件设置的传感器磁场的空间定向并且提供相应的测量信号，该所述磁场传感器单元13b位置固定地围绕软磁元件布置在转子轴14处。磁场传感器单元13b可以包括一个或多个磁场传感器，例如GMR传感器、霍尔传感器等。在多个磁场传感器的情况下，它们可以相对于彼此旋转，以除了转子位置之外还获得旋转方向信息。通过评估所获取的测量信号可以以本身已知的方式推导出转子位置。
第二控制器120同样与位置传感器13的磁场传感器单元13b的次级回路连接并且执行对磁场传感器单元13b的测量信号的相应评估，以获取转子位置。附加地，第二控制器120具有测量单元122、尤其电压测量单元，以测量第二绕组回路11b的相线上的相电压并且根据本身已知的方法在不使用位置传感器的情况下执行转子位置的测定。为此，常见的方法评估相线中的感应电压的交零(或过零点，即Nulldurchgängen)的时间点，例如在反EMF方法中。
由调节参量块130对两个控制器110、120预定第一调节参量和第二调节参量K1、K2，所述调节参量预定用于通过相应的子机来提供的部分扭矩。相应的调节参量K1、K2在控制器110、120中相应于换向模式转换成用于施加到相应的绕组回路11a、11b的相线上的相电压并且相应地运行所述子机。调节参量块130接收外部的预定(或预定值、默认值，即Vorgabe)，例如自主的行驶功能的预定以及将所述预定划分到用于部分扭矩的预定。
第一控制器和第二控制器110、120经由测试导线16连接，经由测试导线由第一控制器110提供测试信号T到第二控制器120处。测试信号T由在第一控制器110中的测试线路111以限定的方式提供并且可以是连续地以固定的时间间隔变化的、尤其是周期性的触发信号。测试线路111构造成以合适的且本身已知的方式来检验第一控制器110的功能性(通过测试控制器功能中的一个或多个)，并且只要确定了按规定的功能，就输出测试信号T。
第二控制器120具有测试信号接收线路121，该测试信号接收线路121与测试导线16连接并且可以接收测试信号T。以这种方式，第二控制器120可通过确定测试信号T的存在或不存在来确定第一控制器110是否按规定工作。
由第一控制器110用于控制位置传感器13的初级回路所产生的控制信号能够作为具有一频率的交变信号来提供。为了评估在第二控制器中的磁场传感器单元13b的测量信号，测试信号T可以对应于控制信号的频率被调制，使得可以借助测试信号T来评估磁场传感器单元13b的测量信号。该频率也可以以其他方式从第一控制器110传输到第二控制器120。
为了提供失灵安全性，在控制器110、120中实施如通过图3的流程图详细阐述的方法。
在步骤S1中，通过第二控制单元120检验，是否测试信号T附存(或存在，即anliegt)并且对应于测试信号T的所期望的走向。如果确定，测试信号T附存(备选地为"是")，则第二控制单元120可以认定，第一控制器110按规定起作用并且可以相应地信赖于位置传感器13的磁场传感器单元13b的测量信号的数据。
相应地，在步骤S2中，为了提供通过第一调节参量K1所要求的扭矩，第二绕组回路11b的换向可以通过第二控制器120进行。为此，转子位置通过位置传感器13的测量信号的评估来确定并且确定用于确定当前待施加的换向模型。然后以步骤S4继续该方法。
如果在步骤S1中确定，测试信号T不再由第一控制器110提供(备选地为"否")，则推断出在第一控制器110中的故障功能。如果确定第一控制器110的功能故障，那么在步骤S3中切换第二控制器120中的运行方式并且不再考虑位置传感器13的测量信号。取而代之地，激活无传感器的位置获取，其基于第二绕组回路11b的相电压来估计转子位置，以如此通过第二控制器120根据换向模式保证按规定的控制。通过转向驱动马达11的第二绕组回路11b的无传感器的运行，可以在触觉和性能上预期到限制，因为无传感器的运行尤其是在低转速的情况下仅能非常不精确地实现。然而，在第一控制器110中出现故障之后，应该仅在直至由驾驶员接管转向或者直至机动车停止状态的短的持续时间内确保转向***1的继续运行，从而可以容忍功能性的限制。然后，以步骤S5继续该方法并且将紧急运行发信号至自主行驶功能处。
在步骤S4中，第一控制器110检查基于调节参量K1通过第一绕组回路11a施加的马达电流，并且根据角速度对其检验合理性，即推导获取的转子位置。如果在此确定，转向驱动马达11没有在角速度的可预期的公差带之内运动，则第一控制器110可以由此确定第二控制器120没有按规定工作并且不负责提供第二部分驱动力矩。如果确定了这一点(备选地为"是")，则在步骤S5中实现紧急运行的信号发出(或信号化，即Signalisieren)至自主行驶功能处，通过其可要求驾驶员例如接管转向或将在自主行驶中的机动车安全地引入停止状态。
否则(备选地为"否")，在控制器110、120中的一个中没有识别到故障并且在步骤S6中通过第一控制器120进行第一绕组回路11a的换向以用于提供由第一调节参量K1所要求的扭矩。
可以设置，第一控制器110在第二控制器120失灵时提高第一子机11a的对应于调节参量K1的待提供的部分扭矩。类似地可以设置，第二控制器120在第一控制器110失灵时提高第二子机11b的对应于调节参量K2的待提供的部分扭矩。提高可以短时间地进行，直至自主行驶功能被关闭，也就是说，驾驶员已经接管转向或者车辆处于停止状态。在这个时间期间，可以允许第一子机的临时过载。
子机的控制器110、120和绕组回路11a、11b如此构造，使得通过绕组回路11a、11b对应于调节参量K1、K2而待提供的调节力矩足够大，以在至少一个预先确定的持续时间上维持自主的行驶运行。尤其是部分驱动力矩可以各自对应于一半的总驱动力矩。
在其它构造中可以设置，将转向驱动***15构造成具有多于两个控制器，以增加冗余。
参考符号列表
1 转向***
2 转向柱
3 方向盘
4 小齿轮
5 齿条
6 转向车轮
7 转向驱动器
8 扭矩传感器
9 转向角传感器
10 转向控制***
110、120 控制器
111 测试线路
121 测试信号接收线路
122 测量单元
11 转向驱动马达
11a，11b 绕组回路
12 相绕组
13 位置传感器
13a 电磁线圈
13b 磁场传感器单元
14 转子轴
15 转向驱动***
16 测试导线
AS 转向干预参量
LV 转向干预预定
HM 手动力矩数据。

Claims (13)

1.一种用于机动车的转向***(1)的转向驱动***(15)，包括：
-用于控制具有测试线路(111)的转向驱动马达(11)的第一绕组回路(11a)的第一控制器(110)，所述测试线路构造为提供限定的、交替的测试信号(T)；
-用于控制所述转向驱动马达(11)的第二绕组回路(11b)的第二控制器(120)，其中，所述第二控制器(120)的测试信号接收线路(121)构造用于接收所述测试信号(T)，其中，所述第二控制器(120)构造用于根据所述限定的测试信号(T)来控制所述转向驱动马达(11)，
其中设置有用于获取转子位置的位置传感器(13)，其中，所述第一控制器和所述第二控制器(110,120)与所述位置传感器(13)连接，以便各自接收位置信息，其中，所述第一控制器和所述第二控制器(110,120)构造成根据所测定的位置信息来实施各自的绕组回路(11a,11b)的控制，且其中所述位置传感器(13)具有初级回路和次级回路，通过所述初级回路借助控制信号将磁场施加到与所述转向驱动马达(11)的转子连接的软磁元件中，所述次级回路具有至少一个磁场传感器单元(13b)，其中，所述第一控制器(110)构造成，提供用于所述位置传感器(13)的初级回路的控制信号，并且其中，所述第一控制器和所述第二控制器(110,120)与所述至少一个磁场传感器单元(13b)连接，以获取所述位置信息。
2.根据权利要求1所述的转向驱动***(15)，其中，所述第二控制器(120)另外构造成用于根据所述限定的测试信号(T)的存在或不存在来控制所述第二绕组回路(11b)。
3.根据权利要求1或2所述的转向驱动***(15)，其中，所述第二控制器(120)具有测量单元(122)，以获取关于所述第二绕组回路(11b)的相线的电气参量并且实施所述转子位置的无传感器的测定，以提供相应的位置信息。
4.根据权利要求3所述的转向驱动***(15)，其中，所述第二控制器(120)另外构造成，根据所述限定的测试信号(T)的存在或不存在分别基于由所述位置传感器(13)获取的位置信息或基于通过所述转子位置的无传感器的测定所确定的位置信息来实施所述第二绕组回路(11b)的控制。
5.根据权利要求1或2所述的转向驱动***(15)，其中，所述测试线路(111)构造成，当用于所述位置传感器(13)的控制信号通过所述第一控制器(110)提供时提供所述测试信号(T)，并且当用于位置传感器(13)的控制信号未通过所述第一控制器(110)提供时不提供所述测试信号(T)。
6.根据权利要求1所述的转向驱动***(15)，其中，提供带有与用于所述位置传感器(13)的初级回路的控制信号的频率或相位对应的频率和/或相位的周期性的测试信号(T)，从而在所述第二控制器(120)中基于所述控制信号的频率或相位来进行所述转子位置的获取。
7.根据权利要求1或2所述的转向驱动***(15)，其中，所述第一控制器和所述第二控制器(110,120)构造成，基于各自预定的调节参量(K1,K2)来进行各自绕组回路(11a,11b)的控制。
8.根据权利要求7所述的转向驱动***(15)，其中，所述第一控制器(110)构造成确定所述第二控制器(120)的故障功能，其方式为，将通过相应的调节参量(K1)预定的扭矩相对于所述转向驱动马达(11)的转速的走向来检验合理性。
9.根据权利要求1所述的转向驱动***(15)，其中，所述测试信号(T)是周期性的。
10.根据权利要求1所述的转向驱动***(15)，其中，所述第一控制器和所述第二控制器(110,120)构造成根据所测定的位置信息通过提供与转子位置有关的换向模型来实施各自的绕组回路(11a,11b)的控制。
11.一种用于机动车的转向***(1)，其具有根据上述权利要求中任一项所述的转向驱动***(15)。
12.一种用于运行根据权利要求1至10中任一项所述的转向驱动***(15)的方法，具有以下步骤：
-通过所述第一控制器(110)提供限定的、交替的测试信号(T)；
-通过所述第二控制器(120)接收所述测试信号(T)；和
-通过所述第二控制器(120)根据所述限定的测试信号(T)来控制所述转向驱动马达(11)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述测试信号(T)是周期性的。
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