DE102007052099A1

DE102007052099A1 - Elektrische Servolenkungsanordnungen

Info

Publication number: DE102007052099A1
Application number: DE102007052099A
Authority: DE
Inventors: Russell Wilson-Jones
Original assignee: TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: GB2443525B; GB2443525A; GB0720926D0; GB0621613D0; DE102007052099B4

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelstellungssensors für ein elektrisches Servolenkungssystem des Typs, bei dem ein Elektromotor ein Hilfsdrehmoment an einen Abschnitt eines Lenkungsmechanismus anlegt und zumindest ein Winkelstellungssensor vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal mit einer Mehrzahl diskreter Ausgangszustände erzeugt, wobei sich das Ausgangssignal zwischen den Zuständen als eine Funktion der Winkelstellung entweder des Lenkungsmechanismus oder des Rotors des Elektromotors ändert. Das Verfahren umfasst die Schritte des Detektierens der Übergänge zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und ein Modifizieren eines Zählwertes daraus, der ein Maß für die Winkelstellung des Sensors angibt. Der zumindest eine Sensor wird mit einer Frequenz alternierend eingeschaltet und ausgeschaltet, die niedriger als die maximal erwartete Frequenz der Übergänge zwischen den Zuständen des Sensorausgangssignals ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei elektrischen Servolenkungssystemen für Fahrzeuge der Art, bei denen ein Elektromotor über ein Getriebe mit einer Lenkungsanordnung betriebsfähig verbunden ist, um ein Hilfsdrehmoment an die Lenkungsanordnung anzulegen, und insbesondere eine Vorrichtung zum Bestimmen der Winkelstellung eines Abschnitts einer Lenkungsanordnung.
Es ist wohlbekannt, elektrische Servolenkungssysteme (EPAS: Electric Power Assisted Steering) der angegebenen Art bereitzustellen. Die Lenkungsanordnung umfasst typischerweise ein Handrad, das mit einer Lenkwelle verbunden ist, die mit einem Straßenrad oder mehreren Straßenrädern über eine Lenkzahnstange betriebsfähig verbunden ist, obwohl allgemein viele unterschiedliche Anordnungen verwendet werden. Einige EPAS-Systeme verwenden bürstenlose Elektromotoren, in denen der Elektromotor mit einem Motorpositionssensor versehen ist, um den zeitlichen Ablauf des Schaltens oder der Kommutation der Wicklungen des Motors zu steuern. Der Motorpositionssensor umfasst typischerweise einen Schalter vom elektromagnetischen Typ oder Schalter, die ihren Zustand ändern, wenn ein an dem Rotor vorgesehener Magnet den Sensor passiert. Alternativ kann eine magnetische Scheibe an der Rotorwelle angebracht sein, und der Sensor kann eine Bewegung der Magnete auf der Scheibe detektieren.
Aus unserem früheren europäischen Patent EP 1 020 344 B1 ist ein EPAS-System bekannt, bei dem eine Motorpositionssensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, ein die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors anzeigendes Ausgangssignal zu erzeugen. Es ist eine Zähleinrichtung vorhanden, die dazu ausgebildet ist, die Übergänge im Ausgangssignal der Motorpositionssensoreinrichtung zu zählen, um ein Zählsignal zu erzeugen, das die Winkelstellung des Rotors relativ zu einer willkürlichen Nullposition angibt, und eine Lenkungspositionserfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet, zumindest ein Positionsindexsignal zu erzeugen, das eine bekannte Winkelstellung eines Abschnitts der Lenkungsanordnung anzeigt. Indem das Indexsignal überwacht wird, setzt schließlich eine Rücksetzeinrichtung das von der Zähleinrichtung erzeugte Zählsignal zurück, wenn sich der Abschnitt der Lenkungsanordnung in der bekannten Winkelstellung befindet.
In der Anordnung gemäß EP 1 020 344 B1 wird vorgeschlagen, dass die Sensoren mit einer Rate abgetastet werden, die die maximale erwartete Änderungsrate der Sensorausgangssignale übersteigt, was bedeutet, dass sie lediglich eingeschaltet werden, um Ablesungen vorzunehmen, und dazwischen ausgeschaltet werden. In der Praxis wird die minimale Rate durch die maximale Elektromotorgeschwindigkeit und Drehrate der Lenksäule bestimmt, was eine hohe Abtastfrequenz erfordert. Diese wird typischerweise für die meisten praktisch verfügbaren Lenkungssysteme zumindest 1000 Hz betragen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelstellungssensors für ein elektrisches Servolenkungssystem der Art bereit, bei der ein Elektromotor ein Hilfsdrehmoment an einen Abschnitt eines Lenkungsmechanismus anlegt, und es ist zumindest ein Winkelstellungssensor vorgesehen, der ein Ausgangssignal mit einer Mehrzahl diskreter Ausgangszustände aufweist, wobei sich das Ausgangssignal zwischen den Zuständen als eine Funktion der Winkelstellung entweder des Lenkungsmechanismus oder des Rotors des Elektromotors ändert, wobei Übergänge zwischen dem Ausgangssignal des Sensors detektiert werden und verwendet werden, um einen Zählwert zu modifizieren, der ein Maß der Winkelstellung des Sensors gibt, und bei dem der zumindest eine Sensor mit einer Frequenz alternierend eingeschaltet und ausgeschaltet wird, die niedriger als die maximal erwartete Frequenz der Übergänge zwischen den Zuständen des Sensorausgangssignals ist.
Das Alternieren zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand wird "Blitzen" genannt. Mit ausgeschaltet ist das Schalten in einen Zustand ohne oder mit einer minimalen Leistungsaufnahme gemeint, bei dem das Ausgangssignal des Sensors nicht gelesen wird. Mit eingeschaltet ist gemeint, dass sich der Sensor in einem Zustand befindet, in dem das Ausgangssignal gelesen wird. Die Strategie kann daher das periodische Einschalten der Sensoren zu allen Zeitpunkten und das Abtasten des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung umfassen, wenn diese eingeschaltet ist. Die Sensoren können dann zwischen Abtastungen ausgeschaltet werden und zu diesem Zeitpunkt nicht abgetastet werden. Dies minimiert verglichen mit einem kontinuierlichen Betrieb der Sensoren die durchschnittliche Stromaufnahme. Es ermöglicht auch, dass der Zähler die Lenkwellenposition nachverfolgt, sogar wenn das Lenkungssystem durch Ausschalten der Fahrzeugzündung ansonsten ausgeschaltet ist, ohne die Fahrzeugbatterie übermäßig zu entleeren. Es kann ein Speicher vorgesehen sein, um den abgetasteten Wert zu speichern.
Der Sensor kann einen Hall-Effekt-Sensor oder eine Mehrzahl von Hall-Effekt-Sensoren aufweisen und mit sich im ausgeschalteten Zustand befindend ist gemeint, dass er/sie nicht ausreichend mit Strom versorgt werden, um zu funktionieren. Höchst bevorzugt werden drei Hall-Effekt-Sensoren vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass ein Ausgangssignal mit 3 Bit bereitgestellt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem gelehrt wird, dass das Abtasten mit dem zweifachen der maximalen Änderung des Ausgangssignals der Sensoren durchgeführt werden muss, um sicherzustellen, dass kein Übergang übersehen wird, tastet die vorliegende Erfindung die Sensoren bewusst mit einer niedrigeren Rate als der Maximalrate ab. Dies kann in einigen Fällen eine beträchtliche Einsparung des von den Sensoren aufgenommenen Stroms bereitstellen.
Die Strategie kann das Abtasten der Sensoren mit einer Rate, die niedriger ist als die maximale Änderungsrate des Sensorausgangssignals, wenn sich das Fahrzeug, in das das Lenkungssystem eingebaut ist, in einem ersten Zustand befindet, und das Abtasten der Sensoren mit einer höheren Rate umfassen, wenn es sich in einem zweiten Zustand befindet. Mit bestimmen, ob sich das Fahrzeug im ersten Zustand oder im zweiten Zustand befindet, ist in diesem Zusammenhang das Bestimmen gemeint, ob der Antriebsmotor des Fahrzeuges läuft oder nicht, ob sich das Fahrzeug bewegt, ob sich die Lenkung bewegt, ob der Elektromotor arbeitet oder ob sich jemand im Fahrzeug befindet oder nicht. Durch Abtasten mit einer zweiten höheren Rate, wenn der Zustand des Fahrzeuges anzeigt, dass sich die Lenkung bewegen kann, oder wenn bekannt ist, dass sich die Lenkung bewegt, ist es möglich, sicherzustellen, dass keine Übergänge im Ausgangssignal übersehen werden. Das Abtasten kann mit der ersten niedrigeren Rate durchgeführt werden, falls sich das Fahrzeug, der Elektromotor, die Lenkung oder der Antriebsmotor nicht bewegen, was eine Einsparung des aufgenommenen Stroms bewirkt.
Die erste niedrigere Rate kann als eine Funktion der maximal erwarteten oder zugelassenen Beschleunigungsrate der Sensoren ausgewählt werden, wenn die Lenksäule gedreht wird. Wird angenommen, dass das Lenken vor einem Beschleunigen aus einem Ruhezustand heraus beginnt, kann die Abtastfrequenz gleich oder größer dem Zeitraum gewählt werden, den das Ausgangssignal der Sensoren braucht, um sich unter maximaler Beschleunigung aus dem Ruhezustand von einem Zustand zu einem anderen zu bewegen. Dies ist auch eine Funktion der Anzahl von Änderungen des Ausgangssignals des Sensors pro Umdrehung der Lenksäule sowie eine Funktion jeglicher Übersetzung zwischen dem Lenkungsmechanismus oder dem Elektromotor und den Sensoren.
Abhängig von der maximalen Winkelbeschleunigung des Lenkungsmechanismus und der körperlichen Ausgestaltung des Lenkungssystems kann die niedrige Rate typischerweise so ausgewählt werden, dass sie sich zwischen 50 und 200 Hz befindet, was wesentlich niedriger ist als die Rate, die zum Nachverfolgen der Bewegung der Lenkung bei ihrer Maximalgeschwindigkeit erforderlich ist.
Die zweite, höhere Rate, mit der die Sensoren abgetastet werden, wenn das Fahrzeug fährt, kann zumindest gleich der maximal erwarteten Änderungsrate des Sensorausgangssignals sein. Diese ist typischerweise vorbestimmt und wird von der Lenkungsgeometrie und davon abhängen, ob eine Übersetzung zwischen der Lenkung und den Sensoren vorhanden ist. Es kann tatsächlich ein kontinuierliches Einschalten im hohen Zustand sein, d. h., es wird, wenn der zweite Zustand eintritt, überhaupt nicht "geblitzt".
Die höhere Rate kann niedriger als die maximal erwartete Änderungsrate des Sensorausgangssignals sein. Um in diesem Fall sicherzustellen, dass keine Sensorzustandsänderungen übersehen werden, kann in dem Fall, bei dem mehr als ein Sensor vorgesehen ist, was zusammen ein kombiniertes Ausgangssignal oder ein Signal erzeugt, das durch mehr als zwei Zustände verläuft, die Strategie ein Auswählen von Zuständen aufweisen, so dass ein zweifacher Übergang des Zustandes des Ausgangssignals zwischen Abtastungen identifiziert werden kann und die Anzahl demgemäß um zwei geändert werden kann.
Indem Vorkehrungen getroffen werden, um zweifache Änderungen des Zustandes zu detektieren, kann die Abtastfrequenz ohne Leistungsverlust halbiert werden.
Um eine solche zweifache Änderung zu erfassen, kann die Strategie ein Identifizieren des Zustandes des Ausgangssignals der Sensoren während eines Abtastens, ein Vergleichen dieses Zustandes mit dem vorangegangenen Zustand und ein Identifizieren aus diesem Vergleich umfassen, ob die Änderung einer einzigen Zustandsänderung oder einer mehrfachen Zustandsänderung entspricht.
Die Erfindung könnte sich natürlich auf dreifache oder vierfache Zustandsänderungen erstrecken. In diesem Fall könnte die Abtastfrequenz weiter reduziert werden. Dies würde selbstverständlich lediglich dort zweckmäßig sein, wo das Sensorausgangssig nal zumindest durch dementsprechend viele Zustände verlaufen kann und wo jede einzelne, zweifache oder dreifache, etc. Änderung in jede Richtung ein eindeutiges Paar von gegenwärtigen und vorangegangenen Zuständen ergibt.
Mit Zählen von Übergängen ist beispielsweise das Inkrementieren des Zählsignals gemeint, wenn das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung den Zustand ändert, was einer Drehung in eine Richtung entspricht, und das Dekrementieren des Zählsignals, wenn eine Zustandsänderung auftritt, die einer Drehung in die entgegengesetzte Richtung entspricht.
Der Sensor kann die Winkelstellung des Rotors des Elektromotors oder die Winkelstellung des Lenkungsmechanismus bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Servolenkungssystem bereit, mit einer Lenkwelle und einem Elektromotor, der mit dem Lenkungsmechanismus zum Anlegen eines Hilfsdrehmoments an den Lenkungsmechanismus verbunden ist, wobei der Rotor des Elektromotors und die Lenkwelle eine maximal erwartete Drehrate aufweisen,
einem Winkelstellungssensor, der entweder an der Lenkwelle oder dem Rotor des Elektromotors angebracht ist, um die Winkelstellung der Lenkwelle oder des Elektromotors zu messen, wobei der Winkelstellungssensor dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einer Mehrzahl diskreter Ausgangszustände zu erzeugen, und wobei sich das Ausgangssignal zwischen den Zuständen als eine Funktion der Winkelstellung des Rotors des Elektromotors ändert,
einer Sensortreiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den zumindest einen Sensor mit einer Frequenz einzuschalten und auszuschalten, die niedriger ist als die Frequenz der Übergänge zwischen den Zuständen des Sensorausgangssignals bei der maximal erwarteten Drehzahl,
einer Verarbeitungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Zustand des Ausgangssignals des Sensors zu bestimmen, wenn er eingeschaltet ist, und diesen Zustand mit dem zuvor detektierten Zustand zu vergleichen, um zu bestimmen, ob sich der Zustand geändert hat, und
einem Zähler, der einen Zählerwert festhält, der ein Maß der Rotorposition angibt, wobei der Zähler den Zählwert modifiziert, falls eine Änderung des Zustandes des Sensors detektiert wurde.
Vorzugsweise umfasst der Winkelstellungssensor einen Motorpositionssensor. Er kann ein oder mehrere einen elektromagnetischen Effekt erfassende Element(e) aufweisen, die dazu ausgebildet sind, die Position eines oder mehrerer Rotormagneten oder bezüglich des Rotors des Elektromotors feststehender Magneten zu detektieren. Sie können Hall-Effekt-Sensoren aufweisen.
Die Sensortreiberschaltung kann den Sensor mit einer ersten Frequenz einschalten und ausschalten, wenn sie sich in einem ersten Betriebszustand befindet, und mit einer zweiten Frequenz, wenn sie sich in einem zweiten Betriebszustand befindet.
Die Sensortreiberschaltung kann im ersten Zustand arbeiten, wenn sich die Lenkwelle nicht dreht. Die Verarbeitungseinrichtung kann ein Flag aktivieren, falls der gegenwärtige Zustand des Sensorausgangssignals der gleiche wie der vorangegangene Zustand ist, was keine Bewegung anzeigt. Das Flag kann deaktiviert werden, falls sich die Zustände unterscheiden. Natürlich könnte das Gegenteil angewendet werden und das Flag könnte deaktiviert werden, um keine Bewegung anzuzeigen. Der Zustand der Sensortreiberschaltung kann durch dieses Flag bestimmt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Anordnung umfasst der Motor einen bürstenlosen Permanentmagnetmotor und die Magneteffektsensoren detektierten die Position der Rotormagnete. Natürlich können alternativ andere Sensortypen verwendet werden.
Das Ausgangssignal vom Motorpositionssensor kann zusätzlich zum Erzeugen des Zählsignals vorteilhaft dazu verwendet werden, die Zeitsteuerung oder die Kommutation der Wicklungen des Rotors des Elektromotors zu steuern. Die Sensoreinrichtung kann einen oder mehrere Hall-Effekt-Sensor(en) umfassen. Vorzugsweise umfasst sie drei Hall-Effekt-Sensoren, die dazu ausgebildet sind, ein Ausgangssignal mit 3 Bit zu erzeugen.
Der Zähler kann einen Zähler mit 16 Bit umfassen, obwohl kleinere oder größere Zähler verwendet werden können. Sie können binäre Zähler sein.
Der Elektromotor kann einen 3-Phasen-Elektromotor aufweisen, der durch drei elektrische Zyklen pro mechanischer Umdrehung läuft. Es können drei Hall-Effekt-Sensoren vorgesehen sein, was ein Ausgangssignal ergibt, das durch sechs unterschiedliche Zustände verläuft. Der Elektromotor kann über ein Getriebe, das ein Übersetzungsverhältnis von 21:1 haben kann, von der Lenkwelle übersetzt sein. Die maximale Drehzahl der Lenkung kann mit etwa drei Umdrehungen pro Sekunde angenommen werden (was ein Maß des Schnellstmöglichen ist, mit dem ein Fahrer das Lenkrad drehen könnte). Dies würde eine maximale Änderungsrate des Aus gangszustandes der Sensoren von etwa 3 × 6 × 21 × 3 Umdrehungen/Sekunde ergeben, was 1134 Zählereignissen pro Sekunde gleichkommt. Alternativ könnte die Maximaldrehzahl der Lenkwelle mit 8 sec.^–1 angenommen werden. Dies würde eine maximale Änderungsrate des Ausgangssignals der Sensorzustände von etwa 8 × 6 × 21 × 3 sec.^–1 ergeben, was 3204 Zählereignissen pro Sekunde gleichkommt. Das Maximum kann auch zwischen diesen Werten liegen.
In der Anordnung der vorliegenden Erfindung kann eine Abtast- oder Blitzfrequenz für den niedrigen Zustand von 50 Hz bis 200 Hz (in Abhängigkeit von der Lenkungsmechanismusgeometrie und der maximalen Beschleunigungsrate) verwendet werden, während zugleich sichergestellt ist, dass die Abtastrate die Änderungsrate des Ausgangssignals überschreitet, wenn die Säule sich aus einem Ruhezustand zu drehen beginnt.
Wo ein zweifacher Übergang detektiert werden kann, kann diese niedrige Rate auf 25 Hz bis 100 Hz halbiert werden.
Es wird jetzt lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkungssystems ist;
2 die Anordnung von drei Hall-Effekt-Sensoren um einen sechspoligen Rotor eines bürstenlosen, im System von 1 eingebauten Elektromotors und die Abfolge der Ausrichtung der Magneten bezüglich der Sensoren zeigt, während sich der Rotor dreht;
3(a) einen Satz repräsentativer Ausgangssignale der Hall-Effekt-Sensoren zeigt, die kombiniert werden können (b), um einen einzigen Satz von sechs 3-Bit-Werten pro 360° elektrischer Drehung des Rotors zu erzeugen;
4 die möglichen Zustandsänderungen der Hall-Sensoren zeigt, umfassend sowohl eine einfache als auch eine zweifache Zustandsänderung, die zu einer zweifachen Änderung des Zählwertes führt;
5 ein Flussdiagramm ist, das das Verfahren zum Anlegen unterschiedlicher Betriebsmodi an die Sensortreiberschaltung zeigt; und
6 eine Darstellung der Sensortreiberschaltung ist, die verwendet wird, um die Sensoren abzutasten und die Sensorausgangssignalswerte zu lesen.
Das in 1 gezeigte System umfasst eine Lenkwelle 1, die an einem Ende betriebsfähig mit einem Lenkrad 2 und an ihrem entgegengesetzten Ende über ein Zahnstangen-Ritzet-Getriebe 5, 6 mit einem Paar von Straßenrädern 3, 4 verbunden ist.
Um dem Fahrer ein Hilfsdrehmoment bereitzustellen, umfasst das System ferner einen Elektromotor 7, der über ein Untersetzungsgetriebe 8 mit einer Übersetzung von 21:1 mit der Lenkwelle 1 verbunden ist. Der Elektromotor 7 umfasst einen dreiphasigen bürstenlosen Permanentmagnetmotor, und eine Sensoreinrichtung 9, die drei Hall-Effekt-Sensoren A, B, C aufweist, ist um den Elektromotor 7 herum angeordnet, um den elektrischen Winkel des Rotors durch Messen der Position der Rotormagnete 10 zu detektieren. Dies ist in 2 gezeigt.
Der Elektromotor hat drei elektrische Zyklen pro mechanischer Umdrehung und ist über ein Getriebe mit einer Übersetzung von 21:1 mit der Lenksäule verbunden. Natürlich können Motoren mit vier oder fünf oder mehr elektrischen Zyklen pro mechanischer Umdrehung verwendet werden, so wie unterschiedliche Getriebeübersetzungen verwendet werden können.
Wie in 3(a) gezeigt ist, erzeugt jeder der Sensoren A, B, C ein Ausgangssignal, das abhängig davon, ob sich ein Nordpol eines Rotormagnets oder ein Südpol eines Rotormagnets innerhalb des Detektionsbereichs eines entsprechenden Sensors befindet, entweder 0 oder nicht 0 ist. Durch ein geeignetes Beabstanden der Sensoren kann ein inkrementelles Ausgangssignal mit sechs 3-Bit-Werten erzeugt werden, wie in 3(b) gezeigt ist. Es ist wichtig, dass das Sensorausgangssignal ein Maß des elektrischen Winkels und nicht des absoluten mechanischen Winkels ist. Die Ausgangssingnalsequenz des Sensors wird sich daher alle 120° einer mechanischen Bewegung wiederholen.
Das Ausgangssignal von allen drei Hall-Effekt-Sensoren wird einer ersten Verarbeitungsstufe zugeführt. Wann immer ein Hall-Effekt-Sensor den Zustand ändert, er zeugt die erste Verarbeitungsstufe entweder ein Aufwärtszählsignal oder ein Abwärtszählsignal.
Ein Aufwärtszählsignal wird immer dann erzeugt, wenn der Übergang des Hall-Effekt-Zustandes eine Bewegung des Motorrotors in einer ersten Richtung anzeigt. Das Abwärtszählsignal wird immer dann erzeugt, wenn der Übergang eine Bewegung des Motorrotors in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung anzeigt. Beispielsweise kann die erste Richtung Übergängen des Hall-Sensor-Ausgangssignals von S1-S2, S2-S3, S3-S4, S4-S5, S5-S6, S6-S1 entsprechen. Die zweite Richtung kann den Übergängen S1-S6, S6-S5, S5-S4, ... S2-S1 etc. entsprechen. Dies ist in dem Zustandsdiagramm der 4 der begleitenden Zeichnungen gezeigt.
Das Ausgangssignal der ersten Verarbeitungsstufe wird an einen 16-Bit-Zähler weitergeleitet. Falls ein Aufwärtszählsignal empfangen wird, wird der im Zähler gehaltene Zählwert um 1 inkrementiert. Falls ein Abwärtszählsignal erhalten wird, wird der im Zähler gespeicherte Wert um 1 dekrementiert.
Bei diesem Beispiel beträgt die maximale Änderungsrate des Ausgangssignals der Sensoren und folglich die maximale Zählrate bei einer Geschwindigkeit des Lenkrades von 3 Umdrehungen/Sekunde 3 × 21 × 3 = 189e sec.^–1, was 1134 Zähleignissen pro Sekunde entspricht.
Der Wert im Zähler wird kalibriert oder anderweitig auf 0 gesetzt, wenn die Lenkwelle sich in der Position für eine Geradeausfahrt befindet. Bei einem kontinuierlichen Drehen des Rades in eine Richtung wird der im Zähler gehaltene Wert in Schritten bis zu dem Zeitpunkt erhöht, zu dem die Lenkwelle in der entgegengesetzten Richtung zur Position für eine Geradeausfahrt zurückkehrt. Der Zähler zählt in einer Lenkrichtung aufwärts und in der anderen abwärts. Am Punkt für eine Geradeausfahrt wird der Zähler zurückgesetzt. Folglich werden jegliche Zählfehler kontinuierlich zurückgesetzt, während das Lenkrad über die Position für eine Geradeausfahrt bewegt wird.
Ein Problem kann auftreten, falls der Zähler nicht aktualisiert wird, wenn das Lenkungssystem ausgeschaltet wird. Beispielsweise kann das elektrische Servolenkungssystem in einen nicht betriebsfähigen Zustand gebracht werden, wenn die Fahrzeugzündung ausgeschaltet wird. Dies kann absichtlich gemacht werden, um ein Entleeren der Batterie aufgrund eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden, wenn der Antriebsmotor nicht läuft. In einem solchen Fall kann es jedoch immer noch möglich sein, das Lenkrad zu drehen. Der im Zähler gehaltene Wert würde nicht aktualisiert werden (weil die Stromversorgung abgeschaltet ist) und würde beim erneuten Starten ein fehlerhaftes Positionssignal bereitstellen.
Um dieses Problem zu überwinden, müssen die Hall-Effekt-Sensoren immer noch abgefragt werden, wenn das System ansonsten ausgeschaltet ist, beispielsweise wenn der Antriebsmotor nicht läuft.
Eine von der Sensortreiberschaltung verwendete Strategie zum Versorgen der Sensoren, wenn der Antriebsmotor nicht läuft, ist im Flussdiagramm von 5 dargestellt. Die Sensoren werden "geblitzt", womit ihr wiederholtes Einschalten für einen kurzen Zeitraum zwischen anschließenden Zeiträumen gemeint ist, in denen sie ausgeschaltet sind. Dies ermöglicht, dass während der Einschaltzeit eine Positionsauslesung gemacht wird und der Zähler aktualisiert wird. Die Sensoren sind folglich zwischen Auslesungen ausgeschaltet.
Es verstand sich bisher, dass es essenziell ist, dass die Abtastfrequenz des Sensorausgangssignals zumindest die maximale Änderungsrate des Sensorausgangssignals überschreiten sollte. Durch die physikalische Beschränkung der maximalen Drehzahl des Motors wird eine Grenze gebildet. Dies würde sicherstellen, dass keine Abtastwerte übersehen werden.
Bei der Strategie der vorliegenden Ausführungsform wird die Bewegung des Rotors des Elektromotors detektiert und falls sie anzeigt, dass sich der Elektromotor nicht dreht, wird der Abtastzustand in einen ersten Zustand gesetzt, der als Niedrigdrehzahlmodus 200 bezeichnet wird. In diesem Zustand wird angenommen, dass das Fahrzeug sich nicht bewegt, weil sich die Lenkung auch nicht bewegt. Der Abtastmodus wird von der Sensortreiberschaltung abgefragt, und falls sie sich im Niedrigdrehzahlmodus 200 befindet, werden die Sensoren mit einer relativ niedrigen Rate von beispielsweise 100 Hz abgefragt. Die Detektion, ob sich der Rotor bewegt, wird durchgeführt, indem eine Änderung des Hall-Sensor-Zustandes jedes Mal, wenn die Sensoren abgetastet werden, überwacht wird. Falls er sich nicht geändert hat, wird angenommen, dass er sich nicht bewegt hat.
Dieser Wert von 100 Hz wird hergeleitet, indem angenommen wird, dass sich die Lenkung anfänglich nicht bewegt. Anschließend wird angenommen, dass eine konstante Winkelbeschleunigung des Rotors des Elektromotors eine Änderung des Winkels als d = ½ a t² ergibt, wobei a die Beschleunigung und t der Zeitraum ist, seit dem die Beschleunigung angelegt wurde. Anschließend muss die Periode des Abtastmodus so ausgewählt werden, dass sichergestellt ist, dass eine Änderung des Hall-Sensor-Zustandes bei der maximalen Winkelbeschleunigung immer detektiert wird. Indem beispielsweise d auf die Winkeldistanz zwischen benachbarten Hall-Zuständen gesetzt wird, kann die Gleichung umgeformt werden, um das maximale Zeitintervall zwischen Abtastimpulsen für ein adäquates Maß an Motorbeschleunigung zu berechnen. Folglich wird die Abtastrate für die niedrige Drehzahl vom Übersetzungsverhältnis des Lenkungsmechanismus, der maximalen Winkelbeschleunigung des Motorrotors, der Anzahl von Hall-Zuständen pro Motorumdrehung und dem anfänglichen Offset des Motorrotors von einer den Hall-Sensorzustand ändernden Winkelstellung abhängen.
Während dieser Niedrigdrehzahlmodus 200 aktiv ist, wird die Position des Motorrotors kontinuierlich überprüft. Falls detektiert wird, dass sich der Rotor dreht, dann wird der Abtastmodus in einen zweiten, unterschiedlichen Zustand geschaltet, der mit Hochdrehzahlmodus 210 bezeichnet wird. In diesem Modus können die Sensoren kontinuierlich eingeschaltet sein, oder sie können mit einer höheren Rate abgetastet werden. Dies deshalb, weil in diesem Modus angenommen werden kann, dass sich die Lenkung mit einer höheren Rate bewegen könnte, als mit der niedrigen Abtastrate überwacht werden kann, da sie aus einer Nichtstillstands-Drehzahl beschleunigt werden könnte, und die Abtastung schneller sein muss, um sicherzustellen, dass keine Zustandsänderungen übersehen werden.
Falls das Abtasten im Hochgeschwindigkeitsmodus 210 verwendet wird, kann es so gewählt sein, dass es höher als die maximale Übergangsrate ist. Beispielsweise kann ein Wert von 2400 Hz ausgewählt werden.
Das Abtasten der Sensoren wird, wie in 6 gezeigt ist, durch einen Oszillator erreicht. Dieser wird von einer 12 Volt Fahrzeugbatterie über einen Regler 103 für 5 Volt mit Strom versorgt. Dieser versorgt auch die Hall-Effekt-Sensoren über den Schalter 110, einen Speicher 104, der das Ausgangssignal der Sensoren abtastet und hält, eine Dekodierlogik 105 und einen Übergangszähler 106, der das Ausgangssignal der Hall-Effekt-Sensoren verarbeitet. Das Ausgangssignal des Zählers wird an einen Mikroprozessor 107 übergeben, der den Zählwert in einen Winkel 108 umsetzt. Der Mikroprozessor kann bewirken, dass der Zähler durch Senden eines Rücksetzsignals auf 0 oder einen beliebigen anderen Wert zurückgesetzt wird. Dadurch kann der Zähler initialisiert werden, wenn das System kalibriert wird oder wenn der Lenkwinkel wieder erfasst wird, nachdem die Fahrzeugbatterie getrennt wurde.
Als ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal ist ein Batterietrennspeicher 109 vorgesehen, der detektiert, falls die Fahrzeugbatterie getrennt wurde oder entleert wurde, wenn das System ausgeschaltet ist. Der Speicher 109 aktiviert ein Fehler-Flag, wenn der Strom getrennt wird. Ein anderer Speicher innerhalb der Dekodierlogik 105 aktiviert ein Fehler-Flag, falls ein ungültiger Übergang zwischen den Hall-Zuständen detektiert wird; solche Übergänge sind in 4 gezeigt. Beim Einschalten werden diese Flags vom Mikroprozessor 107 abgefragt. Falls irgendein Flag aktiviert ist, kann der im Zähler gehaltene Wert als fehlerhaft behandelt werden. Eine alternative Einrichtung kann anschließend verwendet werden, um die Geradeausfahrtposition zu bestimmen, woraufhin der Zähler zurückgesetzt und das Fehler-Flag gelöscht werden kann.
Der Anmelder hat erkannt, dass die verwendete Abtastfrequenz unter der Voraussetzung, dass eine zweifache Änderung des Ausgangssignals der Sensoren zwischen Abtastungen (zwischen Zeiträumen, in denen der Sensor eingeschaltet ist) detektiert werden kann, noch weiter reduziert werden kann. Falls dies möglich ist, kann die Rate halbiert werden.
Die zum Detektieren von Sensorzustandsänderungen verwendete Dekodierlogik muss dafür modifiziert werden, um zu ermöglichen, dass eine zweifache Änderung des Zustandes zwischen Abtastungen detektiert wird. Wenn diese detektiert wird, wird der Zählerwert um 2 erhöht oder verringert. Dies ermöglicht, dass die hohe Abtastrate (oder die normale Abtastrate, falls lediglich eine einzige Rate verwendet wird) um die Hälfte reduziert wird, während die gleiche Leistungsfähigkeit wie bei einer Strategie erhalten bleibt, bei der jeder einzelne Übergang gezählt werden muss. Dies ist im Zustandsdiagramm von 6 gezeigt. Wie man sehen kann, führt eine beliebige zweifache Änderung des Zustandes zu einem eindeutigen Wertepaar, das identifiziert und zum Ändern des Zählwertes verwendet werden kann. Diese Eindeutigkeit wird durch eine sorgfältige Auswahl der Ausgangssignale der Sensoren für jeden Zustand erreicht.
Wo die zweifache Zählung verwendet wird, kann eine niedrige Abtastrate, beispielsweise 40 Hz, verwendet werden.
Bei einer weiteren Verfeinerung, die auch in 5 gezeigt ist, ist ein Zeitgeber vorgesehen, der ausgelöst wird, wenn eine Bewegung detektiert wird, und der den Zeitpunkt anzeigt, zu dem die Strategie aus dem Niedrigdrehzahlmodus in den Hochdrehzahlmodus geschaltet wird. Wenn der Zeitgeber einen vordefinierten Wert er reicht, vielleicht 30 Sekunden oder eine Minute, wird der Modus zurück in den Niedrigdrehzahlmodus geschaltet. Die Absicht besteht hier darin, das System so viel wie möglich in den Niedrigdrehzahlmodus zu bringen, um den aufgenommen Strom zu minimieren.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Winkelstellungssensors für ein elektrisches Servolenkungssystem des Typs, bei dem ein Elektromotor ein Hilfsdrehmoment auf einen Abschnitt eines Lenkungsmechanismus aufbringt und bei dem zumindest ein Winkelstellungssensor vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal mit einer Mehrzahl diskreter Ausgangszustände erzeugt, wobei sich das Ausgangssignal zwischen den Zuständen als eine Funktion der Winkelstellung entweder des Lenkungsmechanismus oder des Rotors des Elektromotors ändert, wobei Übergänge zwischen dem Ausgangssignal des Sensors detektiert und verwendet werden, um einen Zählerwert zu modifizieren, der ein Maß der Winkelstellung des Sensors gibt, und bei dem zumindest ein Sensor alternierend mit einer Frequenz eingeschaltet und ausgeschaltet wird, die niedriger ist als die maximal erwartete Frequenz der Übergänge zwischen Zuständen des Sensorausgangssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Abtasten des zumindest einen Sensors mit einer Rate niedriger als die maximale Änderungsrate des Sensorausgangssignals, wenn sich das Fahrzeug, in das das Lenkungssystem eingebaut ist, in einem ersten Zustand befindet, und das Abtasten des zumindest einen Sensors mit einer höheren Rate umfasst, wenn es sich in einem zweiten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, das das Bestimmen aufweist, ob sich das Fahrzeug im ersten Zustand oder im zweiten Zustand befindet, indem bestimmt wird, ob der Antriebsmotor des Fahrzeuges läuft oder nicht, ob sich das Fahrzeug bewegt, ob sich die Lenkung bewegt, ob der Elektromotor arbeitet oder ob sich Insassen im Fahrzeug befinden oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Abtasten mit einer ersten, niedrigeren Rate durchgeführt wird, falls das Fahrzeug, der Elektromotor, die Lenkung oder der Antriebsmotor sich nicht bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die erste, niedrigere Rate als eine Funktion der maximal erwarteten oder zulässigen Beschleunigungsrate der Sensoren ausgewählt wird, wenn die Lenksäule so gedreht wird, dass die Lenkung vor einem Beschleunigen aus dem Stillstand star tet, wobei die Abtastfrequenz gleich oder größer dem Zeitraum ist, den das Ausgangssignal der Sensoren braucht, um sich unter maximaler Beschleunigung aus dem Stillstand von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die niedrige Rate zwischen 50 und 200 Hz beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die zweite, höhere Rate zumindest gleich der maximal erwarteten Änderungsrate des Sensorausgangssignals ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehr als ein Sensor vorgesehen ist, die zusammen ein kombiniertes Ausgangssignal oder ein Signal erzeugen, das durch mehr als zwei Zustände verläuft, wobei die Strategie das Auswählen von Zuständen derart aufweist, dass ein zweifacher Übergang des Zustandes des Ausgangssignals zwischen Abtastungen identifiziert werden kann und der Zählwert demgemäß um zwei geändert wird.
Elektrisches Servolenkungssystem mit einer Lenkwelle und einem Elektromotor, der mit dem Lenkungsmechanismus zum Anlegen eines Hilfsdrehmoments an den Lenkungsmechanismus verbunden ist, wobei der Rotor des Elektromotors und die Lenkwelle eine maximal erwartete Drehrate aufweisen, einem Winkelstellungssensor, der entweder an der Lenkwelle oder dem Rotor des Elektromotors so angebracht ist, dass er die Winkelstellung der Lenkwelle oder des Elektromotors misst, wobei der Winkelstellungssensor dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einer Mehrzahl diskreter Ausgangszustände zu erzeugen, und wobei sich das Ausgangssignal zwischen den Zuständen als eine Funktion der Winkelstellung des Rotors des Elektromotors ändert, einer Sensortreiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, alternierend den zumindest einen Sensor mit einer Frequenz einzuschalten und auszuschalten, die niedriger als die Frequenz der Übergänge zwischen den Zuständen des Sensorausgangssignals bei der maximal erwarteten Drehzahl ist, einer Verarbeitungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Zustand des Ausgangssignals des Sensors zu bestimmen, wenn er eingeschaltet ist und diesen mit dem zuvor detektierten Zustand zu vergleichen, um zu bestimmen, ob sich der Zustand geändert hat, und einem Zähler, der einen Zählwert festhält, der ein Maß der Rotorposition angibt, wobei der Zähler den Zählwert modifiziert, falls eine Änderung des Zustandes des Sensors detektiert wurde.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 9, bei dem der Winkelstellungssensor einen Elektromotorpositionssensor aufweist.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Sensor ein oder mehrere einen elektromagnetischen Effekt erfassende Element(e) aufweist, die die Position eines oder mehrerer Rotormagnete oder Magnete, die bezüglich des Rotors des Elektromotors festgelegt sind, zu detektieren vermögen.
Elektrisches Servolenkungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Sensortreiberschaltung den Sensor mit einer ersten Frequenz einschaltet und ausschaltet, wenn sie sich im ersten Betriebszustand befindet, und mit einer zweiten unterschiedlichen Frequenz, wenn sie sich in einem zweiten Betriebszustand befindet.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 12, bei dem die Sensortreiberschaltung im ersten Zustand arbeitet, wenn die Lenkwelle sich nicht dreht.
Elektrisches Servolenkungssystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem die Abtastfrequenz für den niedrigen Zustand zwischen 50 und 200 Hz beträgt.
Elektrisches Servolenkungssystem, bei dem der Prozessor dazu ausgebildet ist, eine zweifache Änderung des Zustandes des Sensorausgangssignals zu detektieren, und der Zähler dazu ausgebildet ist, den Zählwert um 2 zu inkrementieren oder dekrementieren, wenn eine solche Änderung detektiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Winkelstellungssensors für ein elektrisches Servolenkungssystem, wie es im Wesentlichen hierin unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben ist und dort dargestellt ist.
Elektrisches Servolenkungssystem im Wesentlichen so, wie es hierin unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben ist und dort dargestellt ist.