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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge
mit elektromechanischer Lenkung, die eine Lenkwinkelinformation
für weitere
Komponenten, beispielsweise ein Fahrassistenzsystem, bereitstellen.
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Elektromechanische
Lenkeinrichtungen, bei welchen ein Unterstützungsmoment durch einen elektrischen
Servomotor zusätzlich
zu einem durch einen Fahrer mittels eines Lenkrads über eine
durchgehend mechanische Verbindung vorgegebenes Lenkmoment aufgebracht
wird, sind bereits bekannt.
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Bekannt
sind auch beispielsweise aus der
DE 19713576 A1 Lenksysteme für ein Kraftfahrzeug mit
mindestens einem lenkbaren Rad, einem Stellantrieb und einem Überlagerungsgetriebe,
wobei mittels des Überlagerungsgetriebes
die durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung und die durch den Stellantrieb
initiierte Bewegung zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren
Rades überlagert
wird. Bei dem Stellantrieb handelt es sich üblicherweise um einen lagegeregelten
Motor, insbesondere einen Elektromotor. Derartige Lenksysteme detektieren üblicherweise
das vom Fahrer über
das Lenkrad vorgegebene Lenkmoment mit Hilfe eines eigenständig agierenden
Lenkmomentensensors, welcher als Bestandteil des Lenksystems unabhängig vom
Servomotor angebracht ist und einem Steuergerät ein Lenkmomentensignal zuführt.
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Ein
Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass – insbesondere,
wenn die Bereitstellung von zusätzlichen
Lenkkomfortfunktionen erwünscht ist – eine zunehmende
Anzahl von teuren Einzelsensoren notwendig ist, um ein zufrieden
stellendes Funktionieren des elektromechanischen Lenksystems zu
gewährleisten.
Beispielsweise ist in einem elektromechanischen Lenksystem für das Bereitstellen
einer aktiven. Rückstellfunktion
des Lenkrads üblicherweise
das Vorliegen eines Lenkwinkelsignals unerlässlich, welches in der Regel
durch einen Lenkwinkelsensor, beispielsweise nach Messung des vom Fahrer
vorgegebenen Lenkwinkels direkt am Lenkrad, bereitgestellt wird.
Der Lenkwinkelsensor ist dabei normalerweise einer von zahlreichen
Sensoren des elektromechanischen Lenksystems. Dabei agieren die
verschiedenen Sensoren in der Regel unabhängig voneinander, sind separat
im Lenksystem angebracht und daher nicht in der Lage, mehrere Funktionen
in integrierter Form abzudecken, so dass auf keinen der einzelnen
Sensoren verzichtet werden kann, ohne die Funktionalität des Lenksystems
zu beeinträchtigen.
Mit zunehmender Anzahl von Sensoren, die für die Funktionalität des Lenksystems
unerlässlich
sind, steigen jedoch auch die Kosten für das gesamte Lenksystem, weswegen
in zunehmendem Maße
auch Überlegungen über die
Wirtschaftlichkeit der Sensorik in den Vordergrund rücken.
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Aus
DE102004054921A1 ist
eine Vorrichtung für
eine Lenkunterstützung
für Fahrzeuge
mit elektromechanischer Lenkung bekannt, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl
mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch
mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind. In
mindestens einem Rechenmittel ist ein Unterstützungswinkel und/oder ein Unterstützungsmoment
ermittelbar und der Unterstützungswinkel und/oder
das Unterstützungsmoment
ist durch den Servomotor aufbringbar, welcher als lagegeregelter Stellmotor
ausgeführt
ist, wobei eine Momenten- und/oder Kraftübertragung zwischen dem Servomotor
und dem Lenkmittel sowie auch umgekehrt ermöglicht ist und durch einen
Motorlagesensor die Position des Rotors des Servomotors ermittelbar
ist, woraus dann ein absoluter Lenkwinkel des elektromechanischen
Lenksystems ermittelbar ist. Beschrieben ist ferner ein Verfahren,
wie ein absoluter Lenkwinkel mit Hilfe eines Motorlagesensors ermittelbar ist,
der als Singelturn-Sensor (Einzelumdrehungs-Sensor) ausgebildet
ist und die Motorlage, die auch als Rotorlage bezeichnet wird, nur
modulo 2π (360°) bestimmen
kann. Allgemein bedeutet die Aussage, dass eine Größe G1 nur
modulo eines Werte x(G1 modulo x) bestimmt oder angegeben werden kann,
dass bei einer Bestimmung die Größe G1 von einer
Größe G2 nicht
unterschieden werden kann, die sich von G1 nur um ein ganzzahliges
Vielfaches des Werts x unterscheidet, d. h. G1 modulo x = G2 modulo
x, wenn gilt G1 – G2
= n·x,
mit n ∊ Z
0, wobei Z
0 die
Menge der ganzen Zahlen einschließlich der Null ist. Auf Winkel
bezogen bedeutet dieses Folgendes: sei G1 = 10° und G2 = 730°, so können die
beiden Größen G1 und
G2 mit einem Messsensor, der einen Winkel nur modulo 360° messen kann,
nicht unterschieden werden. Beide Messungen liefern den Wert 10°, d. h. 10° modulo 360° = 730° modulo 360° = 10°. Für Winkelgrößen G gilt,
wenn x > 0 ist:
G
modulo x = G – n·x mit
n ∊ Z
0 und G – x < n·x < G (Diese Definition beinhaltet für G ≥ 0: (–G) modulo
x = –(G
modulo x) und (–G)
= x – G).
Der Bereich, in dem der Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden kann,
wird als Messbereich bezeichnet und der Winkelbereich des Messbereichs
als Sektorwinkelbereich. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird
im Folgenden angenommen, dass der Sektorwinkelbereich jeweils Winkel
zwischen Null und einem Sektorwinkel φ
S umfasst.
Der Lenkwinkel wird errechnet, indem Lagedifferenzen des Rotors
ermittelt und kumuliert werden. Überschreitet
die kumulierte Lagedifferenz +180° oder
unterschreitet sie –180° so wird
ein Dekrement-Inkrementzähler
dekrementiert oder inkrementiert. Aus dem Wert des Dekrement-Inkrementzählers lässt sich
die Umdrehungszahl des Servomotors ermitteln. Gemeinsam mit der
aktuellen Motorlage kann bei Kenntnis des mechanischen Übersetzungsverhältnisses
des Servomotors zu dem Lenkmittel der Lenkwinkel errechnet werden.
Alternativ oder zusätzlich
kann ein Drehzahlsensor eingesetzt werden, um die Umdrehungen des
Motors zu bestimmen.
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Zwar
ist bei dieser Vorrichtung gewährleistet, dass
die Lenkwinkelinformation mit einem Sensor gewonnen wird, der zur
Steuerung des Servomotors ohnehin notwenig ist, so dass ein zusätzlicher
Lenkwinkelsensor zum Ermittelndes vorgegebenen Lenkwinkels überflüssig ist
und eingespart werden kann. Die Ermittlung des Lenkwinkels erfordert
jedoch Messungen der Motorlage in kurzen Abständen, um auch bei schnellen
Lenkbewegungen die Umdrehungen des Servomotors korrekt zu erfassen.
Im Fahrbetrieb stellt dieses kein Problem dar, da die Ermittlung und
Bereitstellung für
ein Fahrassistenzsystem ebenfalls in sehr kurzen Zyklen erfolgen
muss, um eine Echtzeitfahrzeugbeeinflussung zu gestatten. Auch in dem
Betriebszustand, in dem die Zündung
des Fahrzeugs abgestellt ist (Klemme 15 offen ist), muss jedoch
eine Ermittlung kontinuierlich stattfinden, da auch in diesem Betriebszustand
der Lenkwinkel über äußere Einflüsse auf
die Lenkung, beispielsweise auf das Lenkmittel, verändert werden
kann. Der Motorlagesensor ist zwar jederzeit bei Inbetriebnahme
des Fahrzeugs (Klemme 15 ein) in der Lage, die Motorlage modulo
360° (±180°) anzugeben,
die Umdrehungszahl der Motorwelle muss jedoch aus dem Wert des Dekrement-Inkrementzählers ermittelt
werden.
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Liegt
der Wert des Dekrement-Inkrementzählers nicht aktuell vor, so
muss das Lenksystem seine Winkelstellung erst wieder „erlernen". Hierfür ist in
der
DE102004054921A1 ein
Sensor an der Lenksäule
oder an dem Lenkmittel angeordnet, der eine ausgezeichnete Stellung
des Lenkmittels, die vorzugsweise einer Stellung für eine Geradeausfahrt entspricht,
detektiert. Da das Lenkmittel, welches meist als Lenkrad ausgestaltet
ist, üblicherweise mehr
als eine Umdrehung ausführen
kann, liefert dieser Referenzsensor auch Signale, wenn das Lenkmittel,
ausgehend von der Geradeausstellung, eine volle Umdrehung im positiven
oder negativen mathematischen Sinn ausgeführt hat. Diese Stellungen sind
für die
verwendeten Sensoren nicht von der Stellung unterscheidbar, der
einer Geradeausfahrt entspricht. Zur Plausibilisierung werden daher
zusätzlich Raddrehzahlinformationen
der gelenkten Räder
verwendet. Das „Erlernen” der absoluten
Position bzw. des Werts des Dekrement-Inkrementzählers erfolgt somit erst, wenn
die Lenkung in die Geradeausstellung bewegt wird oder durch die
Stellung hindurch bewegt wird. Bis zu diesem Zeitpunkt kann zwar
die Lenkung ohne Einschränkung
betätigt
werden und auch eine Lenkunterstützung
bereitgestellt werden, Komfortfunktionen, die auf den Lenkwinkel
angewiesen sind, können
jedoch nicht zur Verfügung
gestellt werden.
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Ein „Verlust" des Dekrement-Inkrementzählerwertes
erfolgt bei den bekannten Lenksystemen unter anderem immer dann,
wenn die Batterie des Fahrzeugs abgeklemmt wird (Verlust der Klemme 30),
um beispielsweise ausgetauscht zu werden oder ein Zurücksetzen
aller elektronischen Steuergeräte im
Fahrzeug zu veranlassen, oder wenn ein Ladezustand der Batterie
unter einen Mindestladezustand absinkt.
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Eine
zuverlässige
Bereitstellung eines Lenkwinkels ist somit nicht in allen Betriebssituationen
eines Fahrzeugs gewährleistet.
Die Optimierung der Sensorik eines elektromechanischen Servolenksystems
stellt somit ein Problem dar, welches bislang von den üblichen
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen
noch nicht befriedigend gelöst
wird. Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde,
eine, insbesondere hinsichtlich der Sensorik, verbesserte Vorrichtung und
ein verbessertes Verfahren zur Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer
Lenkung zu schaffen, die eine Lenkwinkelinformation zuverlässig in
allen oder nahezu allen Betriebssituationen eines Fahrzeugs bereitstellen.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
mit den Merkmalen der Ansprüche
1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass eine Umdrehungsinformation
des Rotors des Servomotors, unabhängig von Betriebszuständen, in
denen keine Spannungsversorgung des Fahrzeugs über die Batterie bereitstand,
bei einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs jederzeit bereitstellbar sein
muss. Daher wird eine Vorrichtung für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge
mit elektromechanischer Lenkung vorgeschlagen, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl
mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch
mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind, in mindestens
einem Rechenmittel ein Unterstützungswinkel
und/oder ein Unterstützungsmoment
ermittelbar ist und der Unterstützungswinkel
und/oder das Unterstützungsmoment
durch den Servomotor aufbringbar ist, wobei eine Momenten- und/oder
Kraftübertragung
zwischen dem Servomotor und dem Lenkmittel sowie auch umgekehrt
ermöglicht
ist und durch einen Motorlagesensor die Position des Rotors des
Servomotors ermittelbar ist, wobei mittels des Motorlagesensors
die Position des Rotors jederzeit jeweils modulo eines Sektorwinkels φS, der vorzugsweise 360° beträgt, absolut bestimmbar ist,
und eine Umdrehungszahlermittlungseinheit vorgesehen ist, mittels
der eine Messsektorüberschreitung/-unterschreitung
als Sektordrehungszahl des Rotors bezogen auf einen Referenzlenkwinkel
oder einen Referenzritzelwinkel jederzeit bereitstellbar ist, so
dass aus der Position des Rotors und der Sektordrehungszahl des
Rotors dann ein absoluter Lenkwinkel und/oder absoluter Ritzelwinkel
des elektromechanischen Lenksystems ermittelbar ist und der absolute Lenkwinkel
und/oder absolute Ritzelwinkel über
eine Schnittstelle bereitstellbar sind. Ebenso wird ein Verfahren
für eine
Lenkunterstützung
für Fahrzeuge
mit elektromechanischer Lenkung vorgeschlagen, wobei lenkbare Fahrzeugräder sowohl
mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch
mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind und
in mindestens einem Rechenmittel ein Unterstützungswinkel und/oder ein Unterstützungsmoment
ermittelbar ist und der Unterstützungswinkel und/oder
das Unterstützungsmoment
durch den Servomotor aufbringbar ist, wobei mittels des Motorlagesensors
die Position des Rotors unmittelbar jeweils modulo eines Sektorwinkels φS, der vorzugsweise 360° beträgt, absolut bestimmt wird,
und eine Umdrehungszahlermittlungseinheit vorgesehen ist, mittels der
eine Messsektorüberschreitung/-unterschreitung als
Sektordrehungszahl des Rotors, bezogen auf einen Referenzlenkwinkel
oder einen Referenzritzelwinkel, unmittelbar bereitgestellt wird,
so dass aus der Position des Rotors und der Sektordrehungszahl des
Rotors dann ein absoluter Lenkwinkel und/oder absoluter Ritzelwinkel
des elektromechanischen Lenksystems ermittelt wird und der absolute
Lenkwinkel und/oder absolute Ritzelwinkel über eine Schnittstelle bereitgestellt
wird. Ein Erlernen der Sektordrehungszahl ist nicht mehr erforderlich,
ein Lenkwinkel kann bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs jederzeit bereitgestellt
werden, so dass der Lenkwinkel oder der Ritzelwinkel anderen Systemen
und Komponenten des Fahrzeugs bereitgestellt ist, um beispielsweise
Lenkkomfortfunktionen bereitzustellen. Die Sektordrehungszahl ist
ein Maß für die Umdrehungen
des Servomotors. Der Ritzelwinkel und der Lenkwinkel unterscheiden
sich voneinander, wenn eine Torsinn der Lenkwelle auftritt, die
in der Regel zum Bestimmen des von einem Fahrer ausgeübten Lenkmoments
erwünscht
ist. Mittels des bestimmten Lenkmoments kann aber auch wiederum
auf die Torsinn zurück
geschlossen werden und so der Lenkwinkel in den Ritzelwinkel umgerechnet
werden und umgekehrt.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass an einem eine Linearbewegung über den
gesamten Lenkwinkelbereich ausführenden Bauteil
ein eine Absolutposition ermittelnder Linearsensor angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die elektromechanische
Lenkung eine Zahnstange umfasst, die mit dem Servomotor so gekoppelt
ist, dass die Zahnstange mittels des von dem Servomotor aufgebrachten
Unterstützungsmoments
verschiebbar ist und die Umdrehungszahlermittlungseinheit einen
an der Zahnstange oder an einem fest mit der Zahnstange gekoppelten
weiteren Bauteil, das eine mit der Linearbewegung der Zahnstange korrelierte
lineare Bewegung ausführt,
angeordneten Linearsensor zum Ermitteln einer Zahnstangenlage umfasst,
wobei jeder Zahnstangenlage eine Sektordrehungszahl eindeutig zugeordnet
ist. Bei einer Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann die Sektordrehungszahl
somit anhand des Linearsensors ermittelt und bereitgestellt werden.
Gemeinsam mit der von dem Motorlagesensor ermittelten Position des Servomotors
kann so der Lenkwinkel exakt bestimmt werden. Der Linearsensor muss
lediglich eine Auflösung
besitzen, die eine eindeutige Zuordnung der Zahnstangenposition
zu der Sektordrehungszahl ermöglicht.
Beträgt
der Sektorwinkelbereich 360°,
so muss die Zahnstangenposition eine eindeutige Zuordnung der Umdrehungszahl
des Rotors des Servomotors ermöglichen.
Der Linearsensor benötigt
daher nur eine grobe Auflösung,
da die Auflösung
der Positionsermittlung nur durch die Auflösung des Motorlagesensors bestimmt
ist.
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Bei
einer einfach zu realisierenden Ausführungsform der Erfindung ist
der Linearsensor als optischer Codeabfragesensor ausgestaltet. An
der Zahnstange oder dem hierzu vorzugsweise parallel geführten Bauteil
der Lenkung sind Codes angebracht, die voneinander in einem Abstand
angeordnet sind, der gleich oder kleiner dem Abstand ist, der von
der Zahnstange bzw. dem parallel geführten Bestandteil bei einer
Drehung des Servomotors um einen Winkel zurückgelegt wird, der dem Sektorwinkel φS entspricht. Optische Codes weisen den Vorteil
auf, dass sie zuverlässig
und schnell ausgelesen werden können.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass der Linearsensor als magnetischer Sensor
ausgebildet ist. Hierdurch wird es möglich die Verschiebung der
Zahnstange berührungslos
zu messen, wenn diese innerhalb des Lenkungssystems eingekapselt
angebracht ist. Ein oder mehrere an der Zahnstange angeordnete Magnete
können magnetisch
von außerhalb
einer Ummantelung der Zahnstange erfasst werden und hieraus die
Position der Zahnstange und hierüber
die Sektordrehungszahl des Servomotors bestimmt werden. Allgemein gilt,
dass Linearsensoren sehr zuverlässig
arbeitende Sensoren sind, die kostengünstig mit der notwendigen Auflösung herstellbar
sind, um eine lineare Auflösung
zu erreichen, die einer Sektorumdrehung des Servomotors entspricht.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst die Umdrehungszahlermittlungseinheit
einen, getrennt von dem Motorlagesensor ausgebildeten Sektordrehungssensor,
der auch ohne eine Stromversorgung aus einem Bordnetz des Fahrzeugs,
d. h. insbesondere auch in einem ausgeschalteten Zustand des Fahrzeugs,
bei einer, aufgrund einer äußeren Einwirkung
auf die Lenkung, auftretenden Messsektorüberschreitung und/oder Messsektorunterschreitung
des Motorlagesensors einen als nichtflüchtigen Speicher ausgebildeten
Sektordrehungszähler
entsprechend inkrementiert oder dekrementiert. Hierdurch wird erreicht,
dass bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs die Sektordrehungszahl sofort
aus dem Speicher abrufbar zur Verfügung steht.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung erhält man,
wenn der Sektordrehungssensor einen Wiegandsensor umfasst, in dem
zumindest bei einer Messsektorüberschreitung
und/oder einer Messsektorunterschreitung des Motorlagesensors ein
Strompuls erzeugt wird, dessen Energie ausreicht, eine verbrauchsarme
elektronische Schaltung zu speisen, die den als nichtflüchtigen
Speicher ausgebildeten Sektordrehungszähler inkrementiert und/oder
dekrementiert. Ein Wiegandsensor umfasst einen Wieganddraht. Dieser
besteht aus einer besonderen, als Vic-Allog bezeichneten Legierung. Durch
Kaltumformung und anschließendes
Tempern wird ein dünner
Draht erzeugt. Der Kern des Wieganddrahtes ist aufgrund des besonderen
Herstellungsverfahrens weichmagnetisch, während ein äußerer Mantel hartmagnetisch
ist. Die Herstellung bedingt weiter, dass die magnetischen Momente
in der Achsrichtung des Drahtes orientiert sind. Durch eine Änderung
eines äußeren Magnetfelds
kann ein Umklappen der magnetischen Momente herbeigeführt werden,
was eine schlagartige Flussänderung
bewirkt. Diese magnetische Flussänderung
kann mittels einer Spule in einen Spannungspuls bzw. einen Strompuls
gewandelt werden. Die Änderung
des Magnetfelds wird in der Regel durch einen Permanentmagneten
bewirkt, der mit dem Rotor des Servomotors verbunden ist. Ein Wiegandsensor
kann somit ohne eine äußere Spannungsversorgung
aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs betrieben werden. Die Energie
des Strompulses kann ausgenutzt werden, um einen Speicherzähler zu
inkrementieren oder dekrementieren, der aus nichtflüchtigen
Speicherelementen besteht.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wiegandsensor
mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, in dem zumindest
ein Teil der elektrischen Energie eines der Strompulse des Wiegandsensors
speicherbar ist. Vorzugsweise ist der Wiegandsensor mit einem Kondensator
verbunden. Da das Umklappen magnetische Flussänderungen mit unterschiedlichen
Vorzeichen bewirkt, ist es vorteilhaft, eine Gleichrichtervorrichtung
vorzusehen, um die Energie der Strompulse, die aus den unterschiedlichen
Umklapprichtungen resultieren, jeweils nutzen und speichern zu können.
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Im
Stand der Technik werden heute häufig magnetorestriktive
Sensoren verwendet, die in der Sättigung
betrieben werden. Ihr Sensorsignal ist dann nur von der Magnetfeldrichtung,
jedoch nicht von einer Magnetfeldstärke des mit der Rotorachse verbundenen
Permanentmagneten oder eines weiteren Permanentmagneten abhängig. Solche
magnetorestriktive Sensoren sind jedoch nicht in eine verbrauchsarme
Sensorelektronik integrierbar. Daher sieht eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vor, dass der Motorlagesensor einen Hallsensor umfasst.
Mit einem Hallsensor kann auch mit der aus dem Wiegandsensor gewonnen
elektrischen Energie die Rotorposition ermittelt werden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist somit der Motorlagesensor mit dem elektrischen
Energiespeicher gekoppelt, so dass die gespeicherte elektrische
Energie zum Betreiben des Motorlagesensors verwendbar ist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein weiterer,
vorzugsweise nichtflüchtiger
Rotorwinkelspeicher vorgesehen ist, in dem die ermittelte Rotorposition
abspeicherbar ist. So liegt auch die Rotorposition jederzeit abrufbar
bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs vor. Ein Messzyklus des
Motorlagesensors muss nicht abgewartet werden.
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Um
eine Genauigkeit zu steigern und eine Sicherheit und Zuverlässigkeit
der Lenkung zu verbessern ist vorzugsweise vorgesehen, dass der
Lenkwinkel und/oder Ritzelwinkel mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen
Referenzeinheit plausibilisierbar ist. Hierfür eignen sich die Rasdrehimpulse,
die von einem ABS-System des Fahrzeugs erfasst werden.
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Die
Referenzeinheit kann hierfür
so ausgebildet sein, dass Raddrehzahlinformationen zumindest der
der mittels der Lenkung lenkbaren Fahrzeugräder vergleichend ausgewertet
werden.
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Die
Merkmale der Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In der
zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektromechanischen
Lenksystems mit Lenkunterstützung;
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2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen
Lenksystems mit Lenkunterstützung
und
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Servomotors
mit einem Motorlagesensor und einem Sektordrehungssensor zum Ermitteln
des Lenkwinkels und/oder des Lenkritzelwinkels.
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1 zeigt
schematisch ein elektromechanisches Lenksystem mit Lenkunterstützung, umfassend
ein als Lenkrad ausgebildetes Lenkmittel 1 und einen Servomotor 2,
die über
ein Lenkgetriebe 3, welches mittels eines Lenkritzels dargestellt
ist, und ein Servomotorgetriebe 4, welches mittels eines
Antriebsritzel dargestellt ist, mit einer Zahnstange 5 verbunden
sind. Die Zahnstange 5 ist über eine nicht dargestellte
bekannte Lenkverbindung steuerbar mit ebenfalls nicht dargestellten
lenkbaren Rädern
eines Fahrzeugs verbunden. Das Lenkmittel 1 ist über eine als
Drehstab ausgeführte
Lenkwelle 6 und das Lenkgetriebe 3 mit der Zahnstange 5 wirkverbunden.
Außerdem
sind das Lenkmittel 1 und der Servomotor 2 über die
Lenkwelle 6, das Lenkgetriebe 3, die Zahnstange 5 und
das Servomotorgetriebe 4 miteinander gegenseitig wirkverbunden.
Für eine
Lenkunterstützung
wird zusätzlich
durch den Servomotor 2 ein in einer Recheneinheit 7,
welche als Steuergerät
ausgeführt
ist, ermitteltes Unterstützungsmoment
aufgebracht. Das Unterstützungsmoment
wird in Abhängigkeit
einer Fahrsituation des Fahrzeugs ermittelt. Die Fahrsituation ist
durch einen Ritzelwinkel φR des Lenkritzels, eine Ritzelwinkelgeschwindigkeit φR des Lenkritzels, eine Fahrgeschwindigkeit
v und ein Lenkdrehmoment Tδ beschreibbar. Durch einen
Motorlagesensor 8, der auch als Rotorlagesensor bezeichnet
wird, wird die Position eines Rotors des Servomotors ermittelt.
Abhängig
von einem Motorwinkel φM des Rotors wird ein Motorwinkelsignal generiert, welches
dann an die Recheneinheit 7 übermittelt wird. Der Motorlagesensor 8 ist
so ausgestaltet, dass sich das Motorwinkelsignal nach einem überstreichen
eines Sektorwinkelbereichs wiederholt. Dies bedeutet, dass das Motorwinkelsignal
identisch ist, wenn sich der Rotor um den Sektorwinkel φS gedreht hat. Der Sektorwinkel φS beträgt
in der Regel 360° kann
jedoch auch kleiner sein.
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Benachbart
zu der Zahnstange 5 ist ein Linearsensor 9 angeordnet.
Der Linearsensor kann als optischer Sensor ausgebildet sein, der
an der Zahnstange 5 angebrachte Codes ausliest. Die Codes sind
so ausgestaltet, dass eine Position der Zahnstange mit einer Auflösung ermittelbar
ist, die feiner oder gleich jenem Abstand ist, um den die Zahnstange 5 bei
einer Drehung des Rotors des Servomotors 2 um den Sektorwinkel φS bewegt wird. Eine Drehung des Rotors um
den Sektorwinkel φS wird als Sektorumdrehung bezeichnet. In
dem Fall, dass der Sektorwinkel φS = 360° entspricht,
fällt die
Sektorumdrehung mit der physikalischen Umdrehung des Rotors zusammen.
Jeder Position der Zahnstange ist somit eindeutig eine absolute
Sektordrehungszahl des Rotors des Servomotors 2 zugeordnet.
Der Linearsensor erzeugt ein Sektordrehungssignal, welches der Recheneinheit 7 übermittelt
wird. Der Linearsensor kann alternativ auch als magnetischer Sensor
ausgebildet sein, der die Position der Zahnstange 5 ermittelt.
Ferner kann mit der Zahnstange ein anderer Bestandteil des Lenksystems
fest verbunden sein, dass gemeinsam mit der Zahnstange eine lineare
Bewegung ausführt.
Die Codes können
auch auf diesem Bestandteil angebracht sein. Ebenso kann ein magnetischer
Sensor die Bewegung dieses Bestandteils erfassen. Es muss in jedem
Fall sichergestellt sein, dass das Sektordrehungssignal des Linearsensors 9 eine
eindeutige Zuordnung der Sektordrehungszahl zulässt. Die Sektordrehungszahl
des Rotors ist in der Regel auf eine Referenzposition des Lenkritzels,
das heißt
den Ritzelwinkel, oder des Lenkmittels 1, das heißt den Lenkwinkel,
bezogen. In der Regel wird die Sektordrehungszahl als vorzeichenbehaftete
Größe behandelt,
wobei die Sektordrehungszahl Null mit der Sektorumdrehung des Rotors
des Servomotors 2 zusammenfällt, bei der eine Geradeausfahrt
des Fahrzeugs erfolgt. Der Linearsensor 9 kann in dieser Ausführungsform
als Umdrehungszahlermittlungseinheit betrachtet werden.
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Von
der Recheneinheit 7 wird aus diesem Motorwinkelsignal und
dem Sektorumdrehungssignal mit Hilfe eines bekannten konstanten
Gesamtübersetzungsverhältnisses Ü des Servomotorgetriebes 4 und
des Lenkgetriebes 3 der absolute Ritzelwinkel φR des elektromechanischen Lenksystems ermittelt.
Dabei gilt, wenn φM der vom Motorlagesensor 8 gemessene
Motorwinkel ist, dass φR = (φM + φS SUZ)/Ü ist, wobei
SUZ die Sektordrehungszahl angibt und der Motorwinkel φM vorzugsweise so kalibriert ist, dass bei
Geradeausfahrt φM = 0° gilt.
Dann gilt bei Geradeausfahrt auch φR =
0°. Die
Ritzelwinkelgeschwindigkeit φR wird in der Recheneinheit 4 durch
eine Ableitung aus dem Ritzelwinkel φR ermittelt.
Die Fahrgeschwindigkeit v wird durch einen Sensor (nicht dargestellt),
beispielsweise ein Tachometer, aufgenommen. Das Lenkdrehmoment Tδ wird
durch einen Drehmomentsensor 10 erfasst. Alle aufgenommenen Werte
der Fahrsituation werden der Recheneinheit 7 zugeführt. In
der Recheneinheit 7 wird anhand dieser Daten ein Unterstützungsmoment
zur Lenkunterstützung
des Fahrers ermittelt. Der absolute Ritzelwinkel φR wird als Ritzelwinkelsignal von der Recheneinheit 7 an
ein vorzugsweise nach dem CAN- oder FlexRay-Standard ausgestaltetes Bussystem übermittelt, von
wo er systemübergreifend
anderen Fahrzeugteilsystemen, beispielsweise einem System zur Regulierung
der Fahrzeugstabilität,
zur Verfügung
bereitgestellt wird.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Lenksystems. Gleiche technische Merkmale sind mit identischen
Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Die weitere Ausführungsform
nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 dadurch,
dass die Umdrehungszahlermittlungseinheit anstelle des Linearsensors 9 einen
Sektordrehungssensor 11 umfasst. Der Sektordrehungssensor 11 ist
so ausgestaltet, dass in dem Sektorwinkelbereich, der dem Sektorwinkel
(φS entspricht, der Motorwinkel φM eindeutig bestimmen kann. Wird der Rotor
in einer Drehrichtung so gedreht, dass der Sektorwinkelbereich verlassen
wird, so findet eine Messbereichsüberschreitung statt. Wird der
Rotor in entgegengesetzter Drehrichtung so gedreht, dass der Sektorwinkelbereich verlassen
wird, so findet eine Messbereichsunterschreitung des Motorlagesensors 8 statt.
Der Sektordrehungssensor 11 ist so ausgestaltet, dass bei
einer Messbereichsüberschreitung
und Messbereichsunterschreitung die Sektordrehungszahl inkrementiert bzw.
dekrementiert (oder umgekehrt) wird. Der Sektordrehungssensor 11 ist
so beschaffen, dass die Sektordrehungszahl auch ohne eine Stromversorgung
aus einem Bordnetz des Fahrzeugs zuverlässig erfolgt.
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In 3 ist
eine schematische Ausführungsform
des Sektordrehungssensors 11 nach 2 und dessen
Zusammenwirken mit dem Rotor des Servomotors 2 dargestellt.
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Auf
einer Achse 12 des Servomotors 2 sind ein Magnet 13 und
ein weiterer Magnet 14 angeordnet. Der Magnet 13 und
der weitere Magnet 14 können
in anderen Ausführungsformen
als ein Magnet ausgebildet sein. Der Motorlagesensor umfasst den Magneten 13 und
einen Hallsensor 15. Der Hallsensor 15 wirkt mit
dem mit der Achse 12 rotierenden Magneten 13 zusammen,
um eine Rotor- oder Motorlage zu ermitteln. Aus einer Hallspannung,
die an dem Hallsensor 15 abfällt, wird von einer verbrauchsarmen
elektronischen Schaltung 16 der Rotorwinkel ermittelt und
in einem vorzugsweise nicht flüchtigen Rotorwinkelspeicher 17 abgelegt.
Eine weitere elektronische Schaltung 18, die eine Schnittstelle 19 für einen
Datenbus 20 umfasst, ist ebenfalls mit dem Rotorwinkelspeicher
verbunden und kann den Rotorwinkelwert auslesen und anderen Komponenten
des Fahrzeugs über
den Datenbus 20, der vorzugsweise als nach dem CAN-Standard
oder dem FlexRay-Standard ausgebildet ist, bereitgestellt werden. Die
weitere elektronische Schaltung 18 kann bei anderen Ausführungsformen
auch integriert mit der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung 16 ausgeführt sein.
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Die
verbrauchsarme elektronische Schaltung 16 ist mit einem
elektrischen Energiespeicher 21 gekoppelt. In diesen Energiespeicher 21 wird
zumindest ein Teil von elektrischer Energie eingespeichert, die
in einer Wiegandspule 22 eines Wiegandsensors 23 erzeugt
wird. Die Wiegandspule ist um einen Wieganddraht 24 gewickelt,
dessen Magnetisierung sich als Folge eine Magnetfeldänderung
aufgrund der Drehung des weiteren Magneten 14 mit dem Rotor des
Servomotors 2 um dessen Achse 12 schlagartig ändert. Die
schlagartige Änderung
des Magnetfelds beruht auf einem Umklappen der magnetischen Momente
einzelner Materialphasen des Wieganddrahtes 24, wie oben
erläutert
ist. Die abrupte Magnetfeldänderung
induziert in der Wiegandspule 22 einen elektrischen Strompuls.
Die beim Umklappen der magnetischen Momente erzeugten Strompulse
sind mit der Bewegung des weiteren Magneten 14 korreliert. Somit
werden die Strompulse zum einen verwendet, um Messsektorüberschreitungen
und Messsektorunterschreitungen zu detektieren. Die Stromimpulse werden
hierfür
in der verbraucharmen elektronischen Schaltung 16 ausgewertet,
um die Sektordrehungszahl zu bestimmen. Ein als nicht flüchtiger
Speicher ausgebildeter Sektordrehungszähler 25 wird verwendet,
um. Sektorüberschreitungen
und Sektorunterschreitungen zu erfassen. Die induzierten Strompulse,
die unterschiedliche Stromrichtungen abhängig von der Umklapprichtung
aufweisen, werden in einer Gleichrichtereinheit 26 zum
andern gleichgerichtet. Der gleichgerichtete Strom wird zumindest
teilweise in den elektrischen Energiespeicher 21 eingespeichert,
der vorzugsweise als Kondensator ausgebildet ist und zum Betreiben
der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung 16 und gegebenenfalls
zum Betreiben des Hallsensors 15 verwendet wird.
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3 zeigt
nur eine schematische Darstellung. Die einzelnen Bestandteile können räumlich abweichend
angeordnet werden. Zum Betreiben des Wiegandsensors können beispielsweise
ein oder mehrere parallel zur Achse ausgerichtete Permanentmagneten
in einem ring- oder scheibenförmigen Halter
anstelle des weiteren Magneten angeordnet sein. Der Wieganddraht
des Wiegandsensors ist dann auch achsparallel ausgerichtet. Der
Fachmann ist in der Lage, weitere Anordnungen gemäß weiterer Konstruktionsvorgaben
für das
Lenkungssystem zu wählen.
Ferner können
der Hallsensor und der Wiegandsensor den Magneten gemeinsam verwenden.