DE102012101006A1 - Electromechanical power steering apparatus for motor car, has electrically driven actuator whose executing units are connected with power electronic units - Google Patents

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Abstract

The apparatus (200) has an electronic sensor (211) with a control electronic (215), a power electronic (220) and an electrically driven actuator (230). The power electronic is provided with two power electronics units (220A,220B). The electrically driven actuator has executing units (230A,230B) that are connected with the power electronic units. The power electronic units are provided with power output stage FET drivers (221,222) and amplifiers (223,224). An independent claim is included for a control device.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Servolenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektromechanische Servolenkung, die für einen Notlaufbetrieb geeignet ist. The invention relates to an electromechanical power steering system according to the preamble of claim 1. In particular, the invention relates to an electromechanical power steering, which is suitable for emergency operation.

Bei den Lenksystemen für Kraftfahrzeuge und dergleichen, ist es erforderlich, dass bei Fehlfunktion und insbesondere bei Ausfall einzelner Komponenten die Gesamtfunktion des Lenksystems zumindest soweit erhalten bleibt, dass ein Notlaufbetrieb durchgeführt werden kann. Im Bereich der Automobilelektronik sind an sich verschiedene Fehlerbehandlungs-Methoden bekannt und werden z.B. in dem Fachbuch „Automobilelektronik“ von Konrad Reif, 3. Aufl., erschienen im Vieweg + Teubner Verlag , behandelt. Dort werden in Kapitel 10.6 verschiedene Fehlerbehandlungs-Methoden genannt. Demnach unterscheidet man zwischen verschiedenen Klassen von sicherheitsrelevanten Systemen, die sich hinsichtlich des Grades der Reduzierung des Funktionsumfanges unterscheiden. Bei einem sogenannten „Fail-Safe-System“ wird im Fehlerfall ein definierter sicherer Zustand eingenommen. In diesem sicheren Zustand verharrt das System dann solange, bis es von Außen wieder in Gang gesetzt wird (z.B. durch Reset). Ein sogenanntes „Fail-Silent-System“ verhält sich nach einem Fehler passiv und beeinflusst keine weiteren Komponenten. Solange sich das System in diesem passiven Zustand befindet, reagiert es nicht auf Signale von Außen und erfüllt seine normale Funktion nicht mehr. Beispielsweise kann ein ABS-Bremssystem im Fehlerfalle abgeschaltet werden, so dass im Notlaufbetrieb nur die „normale“ Bremsfunktion ohne ABS zur Verfügung steht. Dabei muss sichergestellt werden, dass das Abschalten keine kritischen Systemzustände hervorruft. Bei einem sogenannten „Fail-Reduced-System“ bleibt nach einem Ausfall eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit erhalten. So besitzen beispielsweise Automatikgetriebe oft einen mechanischen Notlauf (3. Gang). Ein sogenanntes „Fail-Operational-System“ erfüllt auch im Fehlerfall seine Funktion ohne Einschränkung der Funktionalität. Dies ist insbesondere dort erforderlich, wo weder mechanische noch hydraulische Rückfallebenen existieren. In the steering systems for motor vehicles and the like, it is necessary that in case of malfunction and especially in case of failure of individual components, the overall function of the steering system remains at least as far as that an emergency operation can be performed. In the field of automotive electronics, various error-handling methods are known per se and are described, for example, in the textbook "Automobilelektronik" by Konrad Reif, 3rd edition, published by Vieweg + Teubner Verlag , treated. There, various error handling methods are mentioned in Chapter 10.6. Accordingly, a distinction is made between different classes of safety-relevant systems, which differ in terms of the degree of reduction of the functional scope. In a so-called "fail-safe system", a defined safe state is assumed in the event of an error. In this safe state, the system then remains until it is restarted from the outside (eg by reset). A so-called "fail-silent system" behaves passively after an error and does not affect any other components. As long as the system is in this passive state, it will not respond to external signals and will no longer perform its normal function. For example, an ABS brake system can be switched off in the event of an error, so that only the "normal" braking function without ABS is available in emergency operation. It must be ensured that the shutdown does not cause critical system conditions. In a so-called "fail-reduced system" a limited functionality remains after a failure. For example, automatic transmissions often have a mechanical emergency (3rd gear). A so-called "Fail-Operational-System" also fulfills its function in the event of a fault without any restriction of the functionality. This is particularly necessary where neither mechanical nor hydraulic fallback levels exist.

Bei elektromechanischen Lenksystemen ist es wünschenswert, zumindest ein Fail-Silent-System bereitzustellen, welches das Lenksystem bei einem erkannten, sicherheitsrelevanten Fehler in den passiven definierten Zustand schaltet, welcher für den Benutzer bzw. Fahrer beherrschbar ist. Bezug genommen wird hierzu auf das Ausfall- bzw. Abschaltverhalten heute gängiger hydraulischer Servolenksysteme. Mit zunehmender Verbreitung elektromechanischer Lenksysteme auch in Fahrzeugklassen, die höhere Vorderachslasten und somit höhere Zahnstangenkräfte aufweisen, wird das Abschaltverhalten eines solchen Fail-Silent-Systems besonders relevant. In electromechanical steering systems, it is desirable to provide at least one fail-silent system, which switches the steering system in the event of a recognized, safety-relevant fault in the passive defined state, which is manageable for the user or driver. Reference is made here to the failure or shutdown of today common hydraulic power steering systems. With the proliferation of electromechanical steering systems even in vehicle classes that have higher front axle loads and thus higher rack forces, the turn-off behavior of such a fail-silent system becomes particularly relevant.

Die DE 103 28 707 A1 befasst sich u.a. mit sog. Steer-by-Wire-Lenkungen, d.h. Lenkungen, die keine mechanische Rückfallebene aufweisen. Zur Erhöhung des Sicherheitsverhaltens wird dort vorgeschlagen, eine bestimmte Fail-Silent-System bzw. -Struktur einzusetzen. Dabei handelt es sich um einen Fail-Silent-Datenbus mit zwischen jeweils zwei oder mehreren Busknoten ablaufender Datenkommunikation auf zwei parallelen Datenleitungen. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die den Bus des einen Bustreibers nur für die den Busknoten zustehende Zeit steuert. The DE 103 28 707 A1 deals with so-called steer-by-wire steering, ie steering systems that have no mechanical fallback level. To increase the security behavior is proposed there to use a particular fail-silent system or structure. This is a fail-silent data bus with two or more bus nodes running data communication on two parallel data lines. Furthermore, a control device is provided which controls the bus of a bus driver only for the time allocated to the bus node.

Die DE 102 39 846 A1 , welche sich allgemein mit Fail-Silent-Systemen befasst, beschreibt ein Fail-Silent-Steuergerät mit zwei Steuereinheiten, bei dem die Bustreiber jeweils nur an eine Datenübertragungseinheit angeschlossen sind, wobei die Dateneingangsleitungen mit den Dateneingängen beider Datenübertragungseinheiten verbunden sind. Dieses Fail-Silent-Steuergerät dient beispielsweise zur Ansteuerung eines beliebigen Aktuators. The DE 102 39 846 A1 , which is generally concerned with fail-silent systems, describes a fail-silent controller with two control units, wherein the bus drivers are each connected to only one data transmission unit, wherein the data input lines are connected to the data inputs of both data transmission units. This fail-silent controller is used, for example, to control any actuator.

Aus der EP 1 177 609 ist ein Fail-Safe-System bekannt, das zur sicheren Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors dient. From the EP 1 177 609 is a fail-safe system known, which serves for the safe control of a brushless DC motor.

Wie oben dargelegt wurde, ist es bekannt, Lenkungen und somit auch elektromechanische Servolenkungen für einen Notlaufbetrieb zu verbessern, indem dort Fail-Silent-Systeme eingesetzt werden. Jedoch beziehen sich die bekannten Fail-Silent-Systeme nur auf die Überwachung einzelner Komponenten, wie z.B. Steuergerät, nicht aber auf das gesamte Lenksystem. Daher ist es wünschenswert, eine elektromechanische Servolenkung vorzuschlagen, die geeignet ist für den Notlaufbetrieb, wobei sicherheitskritische Fehlerüberwachung in Bezug auf möglichst alle Lenksystem-Komponenten angewendet werden kann, so dass sich das Sicherheitsverhalten der gesamten Servolenkung deutlich verbessert wird. Insbesondere soll eine Lösung für Servolenkungen vorgeschlagen werden, die zwar eine mechanische Rückfallebene aufweisen, die aber mit einer Zusatzfunktion ausgestattet sein soll, um das Problem zu vermeidet, dass der Fahrer bei einem plötzlichen Ausfall der Servounterstützung überrascht oder sogar überfordert reagiert und es zu kritischen Fahrzuständen kommt. As stated above, it is known to improve steering systems and thus also electromechanical power steering systems for run-flat operation by employing fail-silent systems there. However, the known fail-silent systems relate only to the monitoring of individual components, e.g. Control unit, but not on the entire steering system. Therefore, it is desirable to propose an electromechanical power steering suitable for runflat operation, wherein safety-critical fault monitoring can be applied to as much as possible of all steering system components, so that the safety performance of the entire power steering is significantly improved. In particular, a solution for power steering is proposed, although having a mechanical fallback level, but should be equipped with an additional function to avoid the problem that the driver in a sudden failure of the power assistance surprised or even overwhelmed and reacts to critical driving conditions comes.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektromechanische Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The object is achieved by an electromechanical power steering with the features of claim 1.

Demnach wird eine elektromechanische Servolenkung vorgeschlagen, die für einen Notlaufbetrieb geeignet ist und eine elektronische Sensorik, eine damit verbundene Steuerungs-Elektronik, mindestens eine damit verbundene Leistungs-Elektronik und mindestens einen damit verbundenen elektrisch angetriebenen Aktuator aufweist. Die Leistungs-Elektronik weist mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Leistungs-Elektronik-Einheiten auf und der elektrisch angetriebene Aktuator weist mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Akutator-Einheiten auf, von denen jede mit einer der zwei Leistungs-Elektronik-Einheiten verbunden ist. Die jeweilige Leistungs-Elektronik-Einheit kann z.B. eine Treiberstufe, insbesondere FET-Treiberstufe, umfassen und/oder kann z.B. eine Leistungsendstufe, insbesondere FET-Leistungsendstufe, umfassen. Der elektrisch angetriebene Aktuator ist vorzugsweise ein Elektromotor, wobei die jeweilige Akutator-Einheit eine oder mehrere Motorwicklungen des Elektromotors umfasst. Accordingly, an electromechanical power steering is proposed, which is suitable for emergency operation and an electronic sensors, an associated control electronics, at least one connected power electronics and at least one electrically driven actuator connected thereto. The power electronics have at least two power electronics units performing the same function, and the electrically powered actuator has at least two same function performing actuator units, each of which is connected to one of the two power electronics units. The respective power electronics unit may include, for example, a driver stage, in particular FET driver stage, and / or may include, for example, a power amplifier, in particular FET power amplifier. The electrically driven actuator is preferably an electric motor, wherein the respective Akutator unit comprises one or more motor windings of the electric motor.

Die Erfindung stellt demnach eine elektromechanische Lenkung bereit, die in ihrem Leistungsteil (Leistungselektronik und Aktuatorik) eine mindestens zweifach ausgelegte Struktur aufweist. Dazu sind mit mindestens zwei Leistungsendstufen und/oder mindestens zwei Motorwicklungen vorgesehen, so dass im Notfall die Lenkung nicht gänzlich ausfällt, sondern in Form eines Notlaufbetriebs weiter funktioniert. Dabei sind die zwei- oder mehrfach vorgesehene Elemente bzw. Einheit, wie z.B. die Leistungsendstufen nicht jeweils zu 100% auf das zu erwartende Leistungsniveau ausgelegt, sondern nur anteilig z.B. auf jeweils 50%. Dadurch wirken im fehlerfreien Betrieb z.B. zwei Leistungsendstufen mit jeweils 50%, so dass ein Normalbetrieb vollkommen ausreichend durchgeführt werden kann. Im Fehlerfall und somit bei Ausfall einer Leistungsendstufe stehen dann zwar nur 50% der Leistung zur Verfügung. Dies reicht aber für den Notlaufbetrieb vollkommen aus. Dies gilt insbesondere auch für Lenkung, die keinem X-by-wire System entsprechen, sondern in der Regel auch noch eine mechanische Rückfallebene aufweisen. Diese anteilige Konzeption kann zwar keine volle Redundanz zur Verfügung stellen, ist aber sehr kostengünstig und platzsparend realisierbar und leistet einen ausreichenden Notlaufbetrieb, bei dem allenfalls etwas Komfort eingebüßt werden muss. The invention accordingly provides an electromechanical steering system which has an at least two-fold structure in its power section (power electronics and actuators). These are provided with at least two power amplifiers and / or at least two motor windings, so that in an emergency, the steering does not fail entirely, but continues to function in the form of an emergency operation. In this case, the two or more provided elements or unit, such. the power output stages are not designed in each case to 100% to the expected level of performance, but only proportionally, for example. to 50% each. As a result, in error-free operation, e.g. two output stages each with 50%, so that a normal operation can be carried out completely sufficient. In case of failure and thus failure of a power amplifier, then only 50% of the power available. However, this is completely sufficient for emergency operation. This is especially true for steering, which do not correspond to an X-by-wire system, but usually also have a mechanical fallback level. Although this proportionate conception can not provide full redundancy, it is very cost-effective and space-saving feasible and provides sufficient emergency operation, in which at best some comfort must be lost.

Vorzugsweise ist die Sensorik auch mit mindestens zwei elektronischen Sensor-Elementen ausgestattet, die mit der Steuerungs-Elektronik verbunden sind, um über die Leistungs-Elektronik den damit verbundenen elektrischen Aktuator (insbesondere Elektromotor) anzusteuern. Dabei wird jede Aktuator-Einheit (z.B. erster Wicklungssatz und zweiter Wicklungssatz) abhängig von dem jeweiligen Sensor-Element gesteuert. Eine in Steuerungs-Elektronik vorgesehene Fehler-Auswertungs-Einheit überwacht die Funktionen der Sensor-, Antriebs- bzw. Leistungselektronik- und/oder Aktuator-Elemente auf Fehler, um ggf. fehlerhafte Funktionen zu deaktivieren. Preferably, the sensor system is also equipped with at least two electronic sensor elements which are connected to the control electronics in order to control the associated electrical actuator (in particular electric motor) via the power electronics. At this time, each actuator unit (e.g., first coil set and second coil set) is controlled depending on the respective sensor element. An error evaluation unit provided in control electronics monitors the functions of the sensor, drive or power electronics and / or actuator elements for errors in order to deactivate faulty functions if necessary.

Demnach weist die Servolenkung eine mehrfach redundante Struktur hinsichtlich der Sensorik, der Antriebssteuerung und der Aktuatoren auf, so dass sich insgesamt ein sehr fehlerresistentes Servolenkungssystem ergibt. Insbesondere wird eine zwei- oder mehrkanalige Fail-Silent-Struktur vorgeschlagen, die insgesamt ein 100%-tiges Leistungsvermögen im Vergleich zu einer herkömmlichen Lenkung aufweist, bei der aber jeder Kanal nur einen entsprechenden Bruchteil (z.B. 50% bei 2 Kanälen) des Leistungsvermögens aufweisen muss. Wenn dann ein Kanal ausfallen sollte, ist/sind der/die übrige(n) Kanale/Kanäle noch uneingeschränkt funktionstüchtig und die Durchführung eines Notlaufbetrieb ist sichergestellt. Bei der hier vorgeschlagenen Lenkung ist es für den Notfall vollkommen ausreichend, wenn z.B. 50% des Leistungsvermögens zur Verfügung steht. Allenfalls sind kleinere Einschränkungen sind wegen der reduzierten Gesamtperformance (hinsichtlich der Servounterstützung) bei Lenkbewegungen hinzunehmen, die während des Stillstandes des Fahrzeugs oder bei sehr geringer Geschwindigkeit (Schrittgeschwindigkeit) durchgeführt werden. Die hier vorgeschlagenen Fail-Silent-Strukturen bewirken, dass bei Ausfall eines Kanals die volle Diagnosefähigkeit des jeweiligen Kanals erhalten bleibt und somit ein Fehler in diesem Kanal detektiert werden kann. Erst in diesem Fall muss dann dieser Kanal abgeschaltet werden. Bis dahin stehen alle Kanäle uneingeschränkt zur Verfügung; d.h. es gibt keine zeitliche Einschränkung für den Notlaufbetrieb. Accordingly, the power steering on a multi-redundant structure with respect to the sensors, the drive control and the actuators, so that the overall result is a very fault-resistant power steering system. In particular, a two- or multi-channel fail-silent structure is proposed which has a total of 100% performance compared to a conventional steering, but in which each channel has only a corresponding fraction (eg 50% for 2 channels) of performance got to. If then one channel should fail, the remaining channel (s) is still fully functional and the execution of an emergency operation is ensured. In the case of the steering system proposed here, it is perfectly adequate for an emergency when e.g. 50% of the capacity is available. At most, minor constraints are due to the reduced overall performance (in terms of power assistance) associated with steering movements performed during vehicle standstill or at very low speed (walking speed). The fail-silent structures proposed here have the effect that, if one channel fails, the full diagnostic capability of the respective channel is maintained and thus an error in this channel can be detected. Only in this case then this channel must be turned off. Until then, all channels are fully available; i.e. There is no time limit for the emergency operation.

Die vorliegende Erfindung schlägt also vor, im Leistungsteil einer elektromechanischen Servolenkung die Leistungsendstufe (FET-Treiber / Endstufe) und die Akturator-Einheit (insbesondere Motorwicklung) zumindest doppelt auszuführen. Vorzugsweise kann dann auch die Sensorik mit mindestens zwei Rotorlagesensoren (MR-Sensoren) ausgestattet sein, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Leistungsteil, das 100% der zu erwartenden Leistung bzw. Performance leisten muss, brauchen die bei der Erfindung vorgesehenen Komponenten, insbesondere die Leistungs-Elektronik-Einheiten, nur jeweils einen Anteil (z.B. 50%) der Performance zu liefern. Im fehlerfreien Betrieb der Lenkung (Normalfall) wirken alle Komponenten gleichzeitig und leisten somit insgesamt 100% der erwarteten Performance. Wenn ein Fehler auftritt (Notfall) und eine Komponente oder ein Kanal abgeschaltet werden muss, so steht dennoch ausreichend Leistung bzw. Performance (z.B. 50%) zur Verfügung, um das Fahrzeug im Rahmen eines Notlaufbetriebs noch sicher weiter betreiben zu können. Der einhergehende teilweise Komfortverlust bei der Servounterstützung ist hinnehmbar, da der Vorteil einer kompakten und kostengünstigen Bauweise diesen Teilverlust mehr als kompensiert. Bei herkömmlichen Fail-Safe-Systemen ist die Struktur derart, dass doppelt oder sogar mehrfach die 100%-tige Performance installiert werden muss. The present invention therefore proposes, in the power section of an electromechanical power steering, to execute the power output stage (FET driver / final stage) and the clocking unit (in particular motor winding) at least twice. Preferably, then, the sensor can be equipped with at least two rotor position sensors (MR sensors), but this is not absolutely necessary. In comparison to a conventional power unit, which must perform 100% of the expected performance or performance, the components provided in the invention, in particular the power electronics units, only need to supply a proportion (eg 50%) of the performance. In error-free operation of the steering (normal case) all components act simultaneously and thus make a total of 100% of the expected performance. If an error occurs (emergency) and a component or a channel has to be switched off, sufficient power or performance (eg 50%) is still available to be able to safely continue to operate the vehicle as part of an emergency operation. The concomitant partial loss of comfort in power assistance is acceptable because of the advantage of a compact and low cost construction more than compensates for this partial loss. In conventional fail-safe systems, the structure is such that twice or even several times the 100% performance must be installed.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Sensor-, Antriebs- und Aktuator-Elemente in einer ersten Fail-Silent-Struktur angeordnet sind, die aus N parallel aufgebauten Schaltungs-Strängen besteht, wobei N ≥ 2 ist, und wobei jeder Schaltungs-Strang jeweils ein Sensor-Element, eine Leistungs-Elektronik-Einheit und eine Aktuator-Einheit aufweist, und wobei zwei Fehler-Auswertungs-Einheiten vorgesehen sind, von denen eine erste Einheit mit den Sensor-Elementen verbunden ist und eine zweite Einheit mit den Leistungs-Elektronik-Einheiten verbunden ist, wobei jede Fehler-Auswertungs-Einheit eine Entscheidungsstufe aufweist, die für eine (N – 1)-von-N-Entscheidung geeignet ist. Beispielsweise wird eine Struktur mit N = 3 parallel aufgebauten Strängen (Reihenschaltung der jeweiligen Elemente und Einheiten) angeordnet, wobei eine erste Folge der Auswertungs-Einheit mit den drei Sensor-Elementen verbunden ist und deren Fehlerverhalten überwacht und eine zweite Auswertungs-Einheit mit den drei Leistungs-Elektronik-Einheiten verbunden ist und deren Fehlerverhalten überwacht. Dadurch dass in jeder Auswertungs-Einheit eine 2-aus-3-Entscheidungsstufe vorgesehen ist, wird sogar bei gleichzeitigem Ausfall eines Sensor-Elementes und einer Leistungs-Elektronik-Einheit dafür Sorge getragen, dass zumindest immer eines der jeweiligen Elemente bzw. Einheiten betriebsbereit ist und somit eine funktionsfähige Reihe (neuer funktionaler Strang) gebildet werden kann. Accordingly, it is advantageous if the sensor, drive and actuator elements are arranged in a first fail-silent structure consisting of N parallel circuit strands, where N≥2, and where each circuit strand respectively a sensor element, a power electronics unit and an actuator unit, and wherein two error evaluation units are provided, of which a first unit is connected to the sensor elements and a second unit with the power electronics Units, each error evaluation unit having a decision stage suitable for an (N-1) -n-N decision. For example, a structure with N = 3 parallel strands (series connection of the respective elements and units) is arranged, wherein a first sequence of the evaluation unit is connected to the three sensor elements and monitors their fault behavior and a second evaluation unit with the three Power electronics units is connected and monitors their fault behavior. Since a 2-out-of-3 decision stage is provided in each evaluation unit, even if one sensor element and one power electronics unit fail simultaneously, at least one of the respective elements or units is always ready for operation and thus a functional series (new functional strand) can be formed.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird vorteilhafter Weise eine Fail-Silent-Struktur dadurch realisiert, dass zwei parallel aufgebaute Fail-Safe-Reihenschaltungen angeordnet sind, welche jeweils aus einem Sensor-Element, einer Leistungs-Elektronik-Einheit und einem Aktuator-Element bestehen, wobei für jedes der Elemente jeweils eine Fehler-Auswertungs-Einheit vorgesehen ist. Somit kann durch Kombination von zwei Fail-Safe-Reihenschaltungen eine Fail-Silent-Struktur realisiert werden. In another exemplary embodiment, a fail-silent structure is advantageously realized in that two fail-safe series circuits arranged in parallel are arranged, each consisting of a sensor element, a power electronics unit and an actuator element, wherein an error evaluation unit is provided for each of the elements. Thus, a fail-silent structure can be realized by combining two fail-safe series circuits.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechen die sensorgesteuerten Leistungs-Elektronik-Einheiten mehreren Treiberstufen und/oder Leistungsendstufen, die den Aktuator-Elementen vorgeschaltet sind. Beispielsweise handelt es sich dabei um FET-Treiber-Schaltungen, die von einem Mikro-Controller angesteuert werden, der auch die Fehlerauswertung der Sensoren und gegebenenfalls weiterer Elemente durchführt. Bei den Leistungsendstufen handelt es sich vorzugsweise um FET-Leistungsendstufen, die Versorgungsströme für die Wicklungen eines Elektromotors liefern. In diesem Zusammenhang stellen die Aktuator-Elemente vorzugsweise einzelne Motorwicklungen des Elektromotors dar. Der Mikro-Controller, der mit den Sensor-Elementen verbunden ist und von diesen Sensorsignale empfängt, führt also die Fehler-Auswertung durch; die Fehler-Auswertungs-Einheit ist also in dem Mikro-Controller implementiert. In a further embodiment, the sensor-controlled power electronics units correspond to a plurality of driver stages and / or power output stages, which are connected upstream of the actuator elements. For example, these are FET driver circuits, which are controlled by a micro-controller, which also performs the error evaluation of the sensors and possibly other elements. The power output stages are preferably FET power output stages, which supply supply currents for the windings of an electric motor. In this context, the actuator elements preferably represent individual motor windings of the electric motor. The microcontroller, which is connected to the sensor elements and receives from these sensor signals, thus carries out the error evaluation; the error evaluation unit is thus implemented in the microcontroller.

Der Mikro-Controller wiederum spricht die Leistungs-Elektronik-Einheiten, insbesondere die FET-Treiberstufen, an, mit welchen er verbunden ist. Insgesamt ergibt sich dadurch eine fehlerresistente Struktur, die ausgehend von einer redundanten Sensorik über eine redundante Leistungselektronik bis hin zu einer redundanten Motorkonstruktion reicht. Damit umfasst die fehlerresistente Gesamtstruktur quasi alle wesentlichen Bauteile der Servolenkung, die störanfällig sind und ausfallen können. Der zentrale Mikro-Controller kann ebenfalls störresistent ausgelegt werden, indem darin redundante Auswerteinheiten implementiert sind. The microcontroller in turn addresses the power electronics units, in particular the FET driver stages, to which it is connected. Overall, this results in a fault-resistant structure that extends from a redundant sensor via a redundant power electronics up to a redundant motor design. Thus, the fault-resistant structure comprises virtually all the essential components of the power steering, which are prone to failure and can fail. The central micro-controller can also be designed to be resistant to interference by redundant evaluation units are implemented therein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, die folgendes schematisch darstellen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings which show schematically:

1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer herkömmlichen Servolenkung mit Sensor-gesteuerter Leistungs-Elektronik und Aktuatorik; 1 shows a block diagram of the structure of a conventional power steering with sensor-controlled power electronics and actuators;

2 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer Servolenkung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 shows a block diagram of the structure of a power steering according to a first embodiment of the invention;

3 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer Servolenkung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 3 shows a block diagram of the structure of a power steering system according to a second embodiment of the invention; and

4 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer Servolenkung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 4 shows a block diagram of the structure of a power steering system according to a third embodiment of the invention;

Bevor die Ausführungsbeispiele nach 2 bis 4 im Detail beschrieben werden, soll zunächst auf die 1 Bezug genommen werden, die sich auf den Aufbau einer üblichen Servolenkung nach dem Stand der Technik bezieht. Before the embodiments after 2 to 4 to be described in detail, should first on the 1 Referring to the structure of a conventional power steering according to the prior art.

Die 1 zeigt die Gesamtanordnung einer solchen bekannten Servolenkung mit den zwei Sensor-Einheiten 111 und 112, die als magneto-resistive Sensoren ausgestaltet sind. Diese Sensoren werden auch kurz MR-Sensoren genannt (hier auch mit MR1 und MR2 bezeichnet) und erfassen den Lenkwinkel (Sinus- und Cosinus-Komponente) für eine nachgeschaltete Steuerungs-Elektronik 115, die eine Leistungs-Elektronik 120 für eine Aktuatorik 130 bzw. elektromotorischer Antriebseinheit ansteuert, die einen Elektromotor M umfasst. Die MR-Sensoren 111 und 112 liefern ihre Signale an die Steuerungs-Elektronik 115, die einen Mikroprozessor bzw. Mikro-Controller µP aufweist. Die Leistungs-Elektronik 120 umfasst eine FET-Treiberstufe 121 sowie eine nachgeschaltete FET-Leistungsendstufe 123, welche schließlich die Antriebsströme für die einzelnen Wicklungen W1, W2 und W3 des anzutreibenden Elektromotors M liefert. Somit kann der Wicklungssatz des Motors M als eine Aktuator-Einheit 130 bzw. Aktuatorik angesehen werden, die von einer vorgeschalteten elektrischen Leistungs-Elektronik-Einheit 120 Sensor-gesteuert betrieben wird. Der davor geschaltete Mikro-Controller 115 hat im Wesentlichen die Funktion, die Sensorsignale auszuwerten und Steuersignale für die Aktuatorik 130 zu liefern, wobei die Steuersignale zuvor in der elektrischen Leistungs-Einheit 120 verstärkt werden. Für den Notfall, dass die Leistungs-Einheit 120 oder gar die Aktuatorik 130 ausfallen sollte, ist eine (nicht-darstellte) mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkung vorgesehen, die üblicherweise aus einer durchgehenden Lenksäule mit Ritzel und Zahnstange besteht und somit eine mechanische Rückfallebene bildet. Eine elektronische Rückfallebene ist dort nicht zu finden. The 1 shows the overall arrangement of such a known power steering with the two sensor units 111 and 112 , which are designed as magneto-resistive sensors. These sensors are also called MR sensors for short (also referred to here as MR1 and MR2) and record the steering angle (sine and cosine component) for downstream control electronics 115 who have a power electronics 120 for one actuators 130 or electromotive drive unit which comprises an electric motor M. The MR sensors 111 and 112 deliver their signals to the control electronics 115 which has a microprocessor or microcontroller μP. The power electronics 120 includes a FET driver stage 121 and a downstream FET power amplifier 123 , which finally supplies the drive currents for the individual windings W1, W2 and W3 of the electric motor M to be driven. Thus, the winding set of the motor M as an actuator unit 130 or actuators are considered by an upstream electrical power electronics unit 120 Sensor-controlled is operated. The previously connected micro-controller 115 has essentially the function to evaluate the sensor signals and control signals for the actuator 130 to deliver, with the control signals previously in the electric power unit 120 be strengthened. In case of emergency, that's the performance unit 120 or even the actuators 130 should fail, a (not-shown) mechanical connection between the steering wheel and steering is provided, which usually consists of a continuous steering column with pinion and rack and thus forms a mechanical fallback level. An electronic fallback level can not be found there.

Die aus dem Stand der Technik bekannte und in 1 dargestellte elektromechanische Servolenkung ist zwar mit zwei elektronischen Sensor-Elementen ausgestattet. Diese dienen aber der Erfassung der Sinus- und Cosinus-Komponenten und sind weniger als redundante Elemente zu verstehen, die für einen Notlaufbetrieb ausgelegt wären. Die Steuerungs- und Leistungs-Elektronik und Aktuatorik und sind ebenfalls nicht für einen Notfallbetrieb ausgelegt. Wünschenswert wäre es aber, eine elektrische Servolenkung zu haben, die für einen Notlaufbetrieb geeignet und so konstruiert ist, dass möglichst alle fehlerbehafteten Komponenten für einen Notfallbetrieb ausgelegt sind, wobei deren Funktionen diese möglichst auch überwacht und ausgewertet werden können, um für den Notlaufbetrieb die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems im Sinne einer Fail-Silent-Struktur sicherzustellen. Those known from the prior art and in 1 Although shown electromechanical power steering is equipped with two electronic sensor elements. However, these serve to detect the sine and cosine components and are less to be understood as redundant elements that would be designed for emergency operation. The control and power electronics and actuators and are also not designed for emergency operation. It would be desirable but to have an electric power steering, which is suitable for emergency operation and designed so that as far as possible all faulty components are designed for emergency operation, their functions they can also be monitored and evaluated if possible, in order for the emergency operation, the functionality of the overall system to ensure a fail-silent structure.

Die nachfolgend beschriebenen 2 bis 4 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche die eingangs genannten Aufgaben erzielen. The following 2 to 4 show advantageous embodiments of the invention, which achieve the objects mentioned above.

Die 2 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine Servolenkung 200 in ihrem Gesamtaufbau, wobei die 2 eine blockschaltmäßige und funktionsbezogene schematische Darstellung wiedergibt. Die Servolenkung 200 enthält insbesondere zwei Sensor-Elemente bzw. Sensoreinheiten 211 und 212, die vergleichbar zu der in 1 gezeigten Sensorik ausgeführt sind und somit eine gewisse redundante Sensorik darstellen. Die Sensoreinheiten bzw. -elemente 211 und 212 sind als magneto-resistive Widerstände (MR-Sensoren) aufgebaut und reagieren auf die Position eines Signalgebers 240, um somit den Drehwinkel und ebenfalls das Drehmoment an einer Lenksäule zu erfassen. Die Sensoren 211 und 212 geben ihrerseits Signale ab an einen Mikro-Controller 215, der diese auswertet und auf Fehlerhaftigkeit hin diagnostiziert. Insofern entspricht der Aufbau der Sensorik im Wesentlichen der bekannten (anhand der 1) gezeigten Struktur. The 2 shows as a first embodiment, a power steering 200 in their overall structure, the 2 represents a block diagram and function-related schematic representation. The power steering 200 contains in particular two sensor elements or sensor units 211 and 212 comparable to the one in 1 shown sensors are executed and thus represent a certain redundant sensors. The sensor units or elements 211 and 212 are designed as magnetoresistive resistors (MR sensors) and react to the position of a signal generator 240 so as to detect the angle of rotation and also the torque on a steering column. The sensors 211 and 212 in turn send signals to a micro-controller 215 who evaluates it and diagnoses it for flaws. In this respect, the structure of the sensor essentially corresponds to the known (based on the 1 ) shown structure.

Dem Mikro-Controller 215 ist nun eine zweistrangige Steuer- und Antriebsstruktur nachgeschaltet, wobei jeder Strang im Wesentlichen aus einer FET-Treiberstufe 221 bzw. 222 und einer nachgeschalteten FET-Leistungsendstufe 223 bzw. 224 besteht. Die Ansteuerung dieser Leistungselektronik erfolgt vom Mikro-Controller 215 aus in Abhängigkeit von den gemessenen Sensorsignalen und insbesondere in Abhängigkeit von erkannten Funktionsfehlern. Somit kann beispielsweise, wenn eines der Sensor-Elemente ausfällt, auf den anderen Sensor umgeschaltet werden und gleichzeitig kann auch bei Ausfall einer Leistungselektronik auf den jeweils noch intakten Strang umgeschaltet werden. Wird beispielsweise eine Fehlerfunktion der Treiberschaltung 221 erkannt, so kann beispielsweise der untere Strang bestehend aus der Treiberschaltung 220 und der Leistungsendstufe 224 aktiviert werden; der obere Strang kann jedoch inaktiv geschaltet werden. Des Weiteren ist auch eine Redundanz auf der Aktuatorenseite, nämlich im Motor 230 vorgesehen, in dem ein erster Wicklungssatz bestehend aus den Motorwicklungen 221, 222 und 233 von dem oberen Leistungsstrang aus angesteuert wird und indem ein anderer Wicklungssatz, bestehend aus Wicklungen 234, 235 und 236 von dem unteren Leistungsstrang angesteuert wird. Somit können auch Fehlerfunktionen in den einzelnen Motorwicklungen bzw. Aktuator-Elementen verarbeitet werden, um jedenfalls einen sicheren Notlaufbetrieb im Sinne von Fail-Silent-Prinzip zu erreichen. The micro-controller 215 Now a two-tier control and drive structure is followed, each strand essentially from a FET driver stage 221 respectively. 222 and a downstream FET power amplifier 223 respectively. 224 consists. The control of this power electronics is done by the micro-controller 215 from as a function of the measured sensor signals and in particular as a function of detected functional errors. Thus, for example, if one of the sensor elements fails, be switched to the other sensor and at the same time can be switched even in case of failure of a power electronics on the still intact strand. For example, an error function of the driver circuit 221 detected, for example, the lower strand consisting of the driver circuit 220 and the power output stage 224 to be activated; however, the upper strand can be switched inactive. Furthermore, there is also redundancy on the actuator side, namely in the engine 230 provided in which a first winding set consisting of the motor windings 221 . 222 and 233 from the upper power train and by another winding set consisting of windings 234 . 235 and 236 is driven by the lower power line. Thus, error functions in the individual motor windings or actuator elements can be processed in order to achieve a safe emergency operation in the sense of fail-silent principle anyway.

Wenn also ein Kanal bzw. ein Strang ganz oder teilweise ausfällt, so bleibt der andere Kanal weiterhin funktionsfähig. Da jeder Kanal etwa 50% der erforderlichen Leistung bzw. Performance liefern kann, bleibt im Notfall immer noch eine 50% Performance, die für einen sicheren Notlaufbetrieb vollkommen ausreichend ist. So if a channel or a strand fails completely or partially, the other channel remains functional. Since each channel can deliver about 50% of the required performance, 50% performance still remains in an emergency, which is perfectly adequate for safe runflat operation.

In 3 ist schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel in Gestalt einer Servolenkung 300 dargestellt, die eine dreizügige parallele Struktur aufweist, bei der jeweils Sensor-Elemente, Antriebs-Elemente und Aktuator-Elemente hintereinandergeschaltet sind. In einem ersten Strang sind ein oder zwei Sensoren 310 in Reihe geschaltet mit einem als Antriebs-Element ausgebildeten Controller 320 und einem nachfolgenden Aktuator 330. In einen zweiten Strang, der quasi einen ersten redundanten Strang darstellt, sind gleichartige bzw. typengleiche Sensoren 311, Controller 321, Aktuatoren 321 in Reihe geschaltet. Schließlich ist noch ein dritter redundanter Strang vorgesehen, der ebenfalls typengleiche Sensoren 312, Controller 322 und Aktuatoren 322 aufweist. Bei den Sensor-Elementen 310 bis 312 kann es sich entweder lediglich um einen Sensor oder aber auch um eine Anordnung mehrerer Sensoren handeln. Beispielsweise handelt es sich um jeweils zwei magneto-resistive Widerstände (sog. MR-Sensoren), die orthogonal zueinander angeordnet sind und entsprechende Sinus- bzw. Cosinus-Sensorsignale liefern. Als Antriebs-Elemente sind hier Controller mit integrierten Leistungsbauteilen bzw. Leistungs-Elektronik-Einheiten, insbesondere FET-Treiberstufen und/oder FET-Leistungsendstufen, vorgesehen, die die erforderlichen Antriebsströme für das jeweilige Aktuator-Element liefern, welches hier jeweils eine Motorwicklung darstellt. In 3 schematically is a second embodiment in the form of a power steering 300 shown, which has a three-part parallel structure in which each sensor elements, drive elements and actuator elements are connected in series. In a first strand are one or two sensors 310 connected in series with a controller designed as a drive element 320 and a subsequent actuator 330 , In a second strand, which is quasi a first redundant strand, are the same or same type of sensors 311 , Controller 321 , Actuators 321 connected in series. Finally, a third redundant strand is provided, the same type of sensors 312 , Controller 322 and actuators 322 having. At the sensor elements 310 to 312 It can either be just a sensor or even an arrangement of several sensors. For example, there are in each case two magneto-resistive resistors (so-called MR sensors), which are arranged orthogonal to one another and supply corresponding sine or cosine sensor signals. The drive elements here are controllers with integrated power components or power electronics units, in particular FET driver stages and / or FET power output stages, which supply the required drive currents for the respective actuator element, which in each case represents a motor winding.

Weiterhin ist eine erste Fehler-Auswertungs-Einheit 315 vorgesehen, die den Sensor-Elementen 310 bis 312 nachgeschaltet ist und ist eine zweite Fehler-Auswertungs-Einheit 325 vorgesehen, die den Antriebs-Elementen 320 bis 322 nachgeschaltet ist. Die erste Fehler-Auswertungs-Einheit 315 überwacht die von den Sensor-Elementen abgegebenen Signale bzw. deren Funktionen und trifft bei auftretendem Fehler eine 2-aus-3-Entscheidung. Die zweite Fehler-Auswertungs-Einheit 325 überwacht die Signale von den Antriebs-Elementen bzw. deren Funktion und trifft bei einem auftretenden Fehler ebenfalls eine 2-aus-3-Entscheidung. Die jeweils in den Einheiten 315 und 325 durchgeführte 2-aus-3-Entscheideung dient zum Vergleich der drei parallelen Funktionskanälen (Stränge). Solange die Ergebnisse der drei Kanäle gleich sind, ist das System fehlerlos. Tritt jedoch ein Fehler auf, liefert ein Kanal ein abweichendes Ergebnis. Die Einheit 315 bzw. 325 schaltet dann diesen Kanal ab. Dies bedeutet: Wenn beispielsweise das Sensor-Element 310 und gleichzeitig eines der Antriebs-Elemente ausfällt, beispielsweise der Controller 321, so kann sichergestellt werden, dass zumindest eine Reihenschaltung bestehend aus Sensor, Controller und Aktuator voll funktionsfähig bleibt. Beispielsweise wird dann der Sensor 311 mit dem Controller 320 verbunden und nachfolgend wird der Aktuator 330 angesteuert. Dieses wird durch den Schalter S1 symbolisiert. Alternativ kann auch in dem besagten Fehlerfall der Sensor 312 mit dem Controller 320 und dem Aktuator 321 oder auch 322 zusammenarbeiten, was durch die Schalter S2 oder S3 dargestellt wird. Hierdurch ergibt sich ein ausfallsicheres redundantes System. Furthermore, a first error evaluation unit 315 provided the sensor elements 310 to 312 is downstream and is a second error evaluation unit 325 provided the drive elements 320 to 322 is downstream. The first error evaluation unit 315 monitors the signals emitted by the sensor elements or their functions and makes a 2-out-of-3 decision if an error occurs. The second error evaluation unit 325 monitors the signals from the drive elements or their function and also makes a 2-out-of-3 decision if an error occurs. The respectively in the units 315 and 325 performed 2-out-of-3 decision serves to compare the three parallel function channels (strands). As long as the results of the three channels are the same, the system is flawless. However, if an error occurs, a channel will give a different result. The unit 315 respectively. 325 then switches off this channel. This means: If, for example, the sensor element 310 and at the same time one of the drive elements fails, such as the controller 321 , it can be ensured that at least one series circuit consisting of sensor, controller and actuator remains fully functional. For example, then the sensor 311 with the controller 320 connected and subsequently becomes the actuator 330 driven. This is symbolized by the switch S1. Alternatively, in the said error case, the sensor 312 with the controller 320 and the actuator 321 or 322 work together, which is represented by the switch S2 or S3. This results in a fail-safe redundant system.

Mit anderen Worten: Die in 3 gezeigte System-Architektur beruht darauf, dass mehrere (hier 3) Funktionskanäle vorhanden sind, wobei ein 2 aus 3 Entscheider die Ergebnisse der 3 Kanäle vergleicht. Solange die Ergebnisse gleich sind, arbeitet das Gesamtsystem fehlerfrei. Tritt ein Fehler auf, so liefert der betroffene Kanal ein abweichendes Ergebnis. Dies erkennt der Entscheider und schaltet den fehlerhaften Kanal ab. Dennoch bleibt das System funktionsfähig, da immerhin noch zwei Kanäle fehlerfrei sind. Legt man die Kanäle so aus, dass jeder 33% der Gesamtleistung liefern kann, so stünden dann noch 2/3 der Gesamtleistung zur Verfügung. Würde man die Kanäle so auslegen, dass jeder sogar 50% der Gesamtleistung liefern kann, so stünden dann noch 100% der Gesamtleistung zur Verfügung. Erst wenn ein weiterer Kanal fehlerhaft werden sollte, kann der Entscheider nicht mehr feststellen, welcher Kanal fehlerfrei ist und muss dann das Gesamtsystem abschalten. In other words: The in 3 The system architecture shown is based on having multiple (here 3) function channels, with a 2 out of 3 decision makers comparing the results of the 3 channels. As long as the results are the same, the whole system works flawlessly. If an error occurs, the affected channel delivers a different result. The decision maker recognizes this and switches off the faulty channel. Nevertheless, the system remains functional, because at least two channels are free of errors. If one puts the channels in such a way that everyone can supply 33% of the total output, then still 2/3 of the total achievement would be available. If one were to design the channels in such a way that everyone can deliver even 50% of the total output, then still 100% of the total output would be available. Only when another channel should become faulty, the decision maker can no longer determine which channel is error-free and then has to switch off the entire system.

Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form einer Servolenkung 400, die eine zweisträngige Struktur mit folgendem Aufbau aufweist: The 4 shows a further embodiment in the form of a power steering 400 , which has a two-stranded structure with the following structure:

In einem ersten Strang gibt es eine Reihenschaltung bestehend aus Sensor-Elementen 410, Controller 420 und Aktuator-Element 430, wobei jedes der Elemente 410 bis 430 mit einer Auswertungs-Einheit 415, 425 oder 435 (in Software- und/oder Hardware realisiert) ausgestattet ist. Zusätzlich dazu gibt es quasi spiegelbildlich eine redundante Anordnung bestehend ebenfalls aus Sensoren 410*, Controllern 420* und Aktuator 430*. Auch diese Elemente weisen jeweils eine Auswertungs-Einheit 415*, 425* bzw. 435* auf. Durch eine logische bzw. physikalische Verdrahtung der Auswertungs-Einheiten und Ansteuerung von entsprechenden Schaltelementen S bzw. S* (in Software- und/oder Hardware realisiert) kann ebenfalls im Fall eines Fehlers eine Absicherung im Sinne einer Fail-Silent-Struktur erreicht werden. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch besonders aus, dass diese Fail-Silent-Struktur durch die Kombination von zwei Fail-Safe-Systemen realisiert werden kann. Diese Struktur basiert also im Wesentlichen auf zwei unabhängigen Kanälen (Strängen), welche jeweils für sich alleine diagnostiziert und auf Fehler hin überwacht werden. Tritt ein Fehler auf, so wird der betroffene Kanal abgeschaltet und der fehlerfreie Kanal kann unabhängig davon weiter arbeiten. In a first strand there is a series connection consisting of sensor elements 410 , Controller 420 and actuator element 430 where each of the elements 410 to 430 with an evaluation unit 415 . 425 or 435 (realized in software and / or hardware). In addition, there is a mirror image of a redundant arrangement consisting of sensors 410 * , Controllers 420 * and actuator 430 * , These elements also each have an evaluation unit 415 * . 425 * respectively. 435 * on. By a logical or physical wiring of the evaluation units and control of corresponding switching elements S and S * (realized in software and / or hardware) can also be achieved in the case of an error hedging in terms of a fail-silent structure. This in 4 embodiment shown is characterized by the fact that this fail-silent structure can be realized by the combination of two fail-safe systems. This structure is thus essentially based on two independent channels (strands), which are each diagnosed on their own and monitored for errors. If an error occurs, the affected channel is switched off and the error-free channel can continue to work independently.

Mit anderen Worten: Die in 4 gezeigte System-Architektur beruht auf 2 unabhängigen Funktionskanälen, welche jeweils für sich genommen vollständig diagnostiziert und auf Fehler hin überwacht werden können. Wird in einem Kanal ein Fehler erkannt, so schaltet sich dieser Kanal ab; der andere Kanal kann unabhängig davon weiter betrieben werden. Erst wenn auch dieser Kanal einen Fehler aufweisen sollte, schaltet sich auch dieser Kanal ab, was bedeutet, dass das Gesamtsystem abgeschaltet wird. In other words: The in 4 The system architecture shown is based on 2 independent function channels, which can be completely diagnosed and monitored for faults. If an error is detected in a channel, this channel switches itself off; the other channel can continue to operate independently. Only if this channel should also have an error, this channel also turns off, which means that the entire system is turned off.

Insgesamt werden also verschiedene Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Servolenkung vorgeschlagen, die jeweils ein Aufbau im Sinne eines Fail-Silent-Systems aufweist, bei dem beispielsweise eine zwei-kanalige Struktur (s. 2 und 4) oder eine dreikanalige Struktur (s. 3) zum Einsatz kommt. Diese Strukturen werden partiell auch zum Beispiel durch redundante Drehmomenten-Sensorik realisiert und für die Aufrechterhaltung einer Notunterstützung im Fehlerfall mit parallelen Endstufen-Strukturen zusammengeschaltet. Die Endstufen-Strukturen bestehen vorzugsweise aus parallelen getrennt angeordneten Treiberbausteinen und getrennten B6-Brücken, die dann zusätzlich noch mit getrennten Motorwicklungen innerhalb eines Elektromotors kombiniert werden (Mehrphasen-Asynchronmaschine oder Mehrphasen-PSM (Permanent erregte Synchron-Maschine), wie dies beispielsweise in 2 dargestellt ist. Es ergibt sich zwar ein gewisser Mehraufwand im Motor bzgl. der Kontaktierung und der Wickelkopf-Verschaltung, jedoch wird die Motorgrundstruktur nicht davon berührt. Die Zuverlässigkeitskriterien bzgl. mechanischer Ausfallwahrscheinlichkeit und Ausführung der Wicklung gilt in demselben Maße wie für andere verwendete Motorkonzepte. Der gewisse Mehraufwand in den Leistungsendstufen (beispielsweise 12 statt 6 Transistoren) für eine mehrphasige B6-Brücke (hier beispielsweise dreiphasige Brücke) kann wiederum durch den Wegfall eines elektronischen Sternpunktrelais (3 Transistoren) zumindest teilweise kompensiert werden. Ebenfalls kann die Ansteuerung eines SPR (Single-Phase-Regulator bzw. Einzelphasensteuerung) den zusätzlichen Aufwand von Brückentreibern teilweise kompensieren. Overall, therefore, various embodiments are proposed for a power steering according to the invention, each having a structure in the sense of a fail-silent system, in which, for example, a two-channel structure (s. 2 and 4 ) or a three-channel structure (s. 3 ) is used. These structures are partially realized for example by redundant torque sensors and interconnected to maintain emergency support in case of failure with parallel power amplifier structures. The output stage structures preferably consist of parallel, separately arranged driver components and separate B6 bridges, which are then additionally combined with separate motor windings within an electric motor (polyphase asynchronous machine or polyphase PSM (permanent-magnet synchronous machine), as described, for example, in US Pat 2 is shown. Although there is a certain additional effort in the motor with respect to the contacting and the winding head interconnection, however, the basic engine structure is not affected. The reliability criteria with regard to mechanical failure probability and execution of the winding apply to the same extent as for other motor concepts used. The certain additional effort in the output stages (for example, 12 instead of 6 transistors) for a multiphase B6 bridge (here, for example, three-phase bridge) can in turn be at least partially compensated by the omission of an electronic star point relay (3 transistors). Likewise, the control of an SPR (single-phase regulator or single-phase control) can partially compensate for the additional expense of bridge drivers.

Wie oben beschrieben wurde, kann auch der Rechnerkern selbst bzw. Mikro-Controller oder Mikroprozessor als Fail-Silent-System ausgelegt werden und mit Notlaufeigenschaften ausgerüstet werden, um somit an die redundanten Eingangs- bzw. Ausgangsstrukturen angekoppelt zu werden. Alle Maßnahmen sind auch singulär oder in Kombination anwendbar, wobei vorzugsweise darauf abgestellt werden sollte, welche Ausfallmechanismen im Einsatzfall zu berücksichtigen sind. Weiterhin kann unterstützend für alle erforderlichen Notlaufkonzepte eine redundante Energieversorgung vorgesehen werden oder können zumindest Zwischenpuffer vorgesehen werden, die einen temporären Notlaufbetrieb ermöglichen. As has been described above, the computer core itself or microcontroller or microprocessor can also be designed as a fail-silent system and be equipped with emergency running features so as to be coupled to the redundant input or output structures. All measures are also applicable singularly or in combination, whereby preferably it should be focused on which failure mechanisms are to be considered in the application. Furthermore, a redundant power supply can be provided to support all necessary emergency running concepts, or at least intermediate buffers can be provided which enable a temporary emergency operation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

200200
Servolenkung (Fail-Silent-Struktur) mit:  Power steering (fail-silent structure) with:
211, 212 211, 212
Sensorik umfassend zwei Sensor-Elemente (MR-Sensoren); Sensor system comprising two sensor elements (MR sensors);
215 215
Steuerungs-Elektronik (hier ausgebildet als Mikro-Controller einschließlich Auswertungs-Einheit) Control electronics (designed here as micro-controller including evaluation unit)
220 220
Leistungs-Elektronik in zwei Einheiten 220A, 220B mit Leistungs-Elektronik-Elementen: Power electronics in two units 220A . 220B with power electronics elements:
221, 222 221, 222
FET-Treiberstufen  FET driver stages
223, 224223, 224
FET-Leistungsendstufen  FET power amplifiers
230 230
elektrisch angetriebener Aktuator (Motor) bzw. Aktuatorik in zwei Einheiten 230A, 230B mit Aktuator-Elementen: electrically driven actuator (motor) or actuator in two units 230A . 230B with actuator elements:
211–236 211-236
Motorwicklungen (doppelter Satz) Motor windings (double set)
240 240
Signalgeber an Lenksäule Signal transmitter on steering column
250 250
Motorwelle (wirkt auf Servogetriebe, Zahnstangen-Ritzel) Motor shaft (acts on servo gearbox, rack pinion)
300300
Servolenkung (Fail-Silent-Struktur, drei-zügig, Stränge A–C) mit:  Power steering (fail-silent structure, three-speed, strands A-C) with:
310–312 310-312
Sensor-Elementen; Sensor elements;
320–322 320-322
Leistungs-Elektronik-Elementen (z.B. Controller für Aktuatoren) Power electronics elements (e.g., actuator controllers)
330–332 330-332
Aktuator-Elementen (z.B. Motorwicklungen) Actuator elements (e.g., motor windings)
315, 325 315, 325
kaskadierten Auswerte-Einheiten einschließlich Entscheidungsstufen (2-aus-3-Entscheider) cascaded evaluation units including decision stages (2 out of 3 decision makers)
S1–S3 S1-S3
Schaltern (Software und/oder Hardware) Switches (software and / or hardware)
400400
Servolenkung (Fail-Silent-Struktur aus paralleler Reihenschaltung von zwei Fail-Safe-Strukturen) mit: Power steering (fail-silent structure of parallel series connection of two fail-safe structures) with:
410, 410* 410, 410 *
Sensor-Elementen; Sensor elements;
420, 420* 420, 420 *
Leistungs-Elektronik-Elementen (z.B. Controller für Aktuatoren) Power electronics elements (e.g., actuator controllers)
430, 430* 430, 430 *
Aktuator-Elementen (z.B. Motorwicklungen) Actuator elements (e.g., motor windings)
415–435, 415*–435*415-435, 415 * -435 *
Auswertungs-Einheiten (für Fehler-Diagnose)  Evaluation units (for error diagnosis)
S, S* S, S *
Schaltern (Software und/oder Hardware) Switches (software and / or hardware)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Elektromechanische Servolenkung (200), die für einen Notlaufbetrieb geeignet ist, mit einer elektronischen Sensorik (211, 212), mit einer damit verbundenen Steuerungs-Elektronik (215), mit mindestens einer damit verbundenen Leistungs-Elektronik (220) und mit mindestens einem damit verbundenen elektrisch angetriebenen Aktuator (230), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Elektronik (220) mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A, 220B) aufweist, und dass der elektrisch angetriebene Aktuator (230) mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Akutator-Einheiten (230A, 230B) aufweist, von denen jede mit einer der zwei Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A, 220B) verbunden ist. Electromechanical power steering ( 200 ), which is suitable for emergency operation, with an electronic sensor system ( 211 . 212 ), with an associated control electronics ( 215 ), with at least one associated power electronics ( 220 ) and at least one electrically driven actuator ( 230 ), characterized in that the power electronics ( 220 ) at least two power electronics units carrying the same function ( 220A . 220B ), and that the electrically driven actuator ( 230 ) at least two perform the same function Akutator units ( 230A . 230B ), each of which is connected to one of the two power electronic units ( 220A . 220B ) connected is. Elektromechanische Servolenkung (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Leistungs-Elektronik-Einheit (220A) eine Treiberstufe, insbesondere FET-Treiberstufe (221), und/oder eine Leistungsendstufe, insbesondere FET-Leistungsendstufe (223) umfasst. Electromechanical power steering ( 200 ) according to claim 1, characterized in that each of the power electronics unit ( 220A ) a driver stage, in particular FET driver stage ( 221 ), and / or a power output stage, in particular FET power output stage ( 223 ). Elektromechanische Servolenkung (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch angetriebene Aktuator (230) ein Elektromotor ist und dass jede Akutator-Einheit (230A) eine oder mehrere Motorwicklungen (231, 232, 233) des Elektromotors umfasst. Electromechanical power steering ( 200 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the electrically driven actuator ( 230 ) is an electric motor and that each Akutator unit ( 230A ) one or more motor windings ( 231 . 232 . 233 ) of the electric motor. Elektromechanische Servolenkung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (215) die Funktionen der Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A, 220B) auf Fehler hin überwacht und einzelne davon im Fall einer Fehlfunktion deaktiviert. Electromechanical power steering ( 200 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control electronics ( 215 ) the functions of the power electronics units ( 220A . 220B ) is monitored for errors and some of them deactivated in the event of a malfunction. Elektromechanische Servolenkung (200; 300; 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkung N (N ≥ 2) Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A/B; 320–322; 420/420*) und k × N (k ≥ 1) Akutator-Einheiten (230A/B; 330–332; 430/430*) aufweist, wobei die Leistungs-Elektronik-Einheiten und Akutator-Einheiten zu einer Struktur mit N parallelen Strängen verschaltet sind, die jeweils eine sensorgesteuerte elektrisch angetriebene Aktuator-Funktion ausüben. Electromechanical power steering ( 200 ; 300 ; 400 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power steering N (N ≥ 2) power electronics units ( 220A / B; 320 - 322 ; 420 / 420 * ) and k × N (k ≥ 1) Akutator units ( 230A / B; 330 - 332 ; 430 / 430 * ), wherein the power electronics units and actuator units are interconnected into a structure of N parallel strings, each having a sensor controlled electrically driven actuator function. Elektromechanische Servolenkung (200; 300; 400) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang so dimensioniert ist, dass seine durch die jeweilige Aktuator-Funktion erbrachte Aktuator-Leistung einem Teil, insbesondere dem N-ten Teil, der für die Servolenkung im Normalbetrieb benötigten gesamten Aktuator-Leistung entspricht. Electromechanical power steering ( 200 ; 300 ; 400 ) according to claim 5, characterized in that each strand is dimensioned such that its actuator power provided by the respective actuator function corresponds to a part, in particular the Nth part, of the total actuator power required for the power steering in normal operation. Elektromechanische Servolenkung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkung (300) mehrere Sensor-Elemente (310–312) aufweist, dass die Sensor-Elemente (310–312), die Leistungs-Elektronik-Einheiten (320–322) und Aktuator-Einheiten (330–332) in einer ersten Fail-Silent-Struktur bestehend aus N (N > 2) parallel aufgebauten Strängen angeordnet sind, die jeweils aus einem Sensor-Element, einer Leistungs-Elektronik-Einheit und einer Aktuator-Einheit bestehen, und dass innerhalb der Steuerungselektronik zwei Fehler-Auswertungs-Einheiten (115, 125) vorgesehen sind, von denen eine erste mit den Sensor-Elementen (310–312), verbunden ist und eine zweite mit den Leistungs-Elektronik-Einheiten (320–322) verbunden ist, wobei jede Fehler-Auswertungs-Einheit als eine (N – 1)-von-N-Entscheidungs-Stufe ausgebildet ist. Electromechanical power steering ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power steering ( 300 ) several sensor elements ( 310 - 312 ) that the sensor elements ( 310 - 312 ), the power electronics units ( 320 - 322 ) and actuator units ( 330 - 332 ) are arranged in a first fail-silent structure consisting of N (N> 2) parallel strands, each consisting of a sensor element, a power electronics unit and an actuator unit, and that within the control electronics two Error evaluation units ( 115 . 125 ), of which a first with the sensor elements ( 310 - 312 ), and a second one with the power electronics units ( 320 - 322 ), each error evaluation unit being implemented as an (N-1) -n-N decision stage. Elektromechanische Servolenkung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkung (400) mehrere Sensor-Elemente (410, 410*) aufweist, dass die Sensor-Elemente (410, 410*), die Leistungs-Elektronik-Einheiten (420, 420*) und die Aktuator-Einheiten (430, 430*) in einer zweiten Fail-Silent-Struktur bestehend aus zwei parallel aufgebauten Fail-Safe-Reihenschaltungen angeordnet sind, die jeweils aus einem Sensor-Element, einer Leistungs-Elektronik-Einheit und einer Aktuator-Einheit bestehen, und dass für jedes Sensor-Element, für jede Leistungs-Elektronik-Einheit und für jede Aktuator-Einheit jeweils eine Fehler- Auswertungs-Einheit (215, 215*; 225, 225*, 235, 235*) vorgesehen ist. Electromechanical power steering ( 400 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the power steering ( 400 ) several sensor elements ( 410 . 410 * ) that the sensor elements ( 410 . 410 * ), the power electronics units ( 420 . 420 * ) and the actuator units ( 430 . 430 * ) are arranged in a second fail-silent structure consisting of two parallel-constructed fail-safe series circuits, each consisting of a sensor element, a power electronics unit and an actuator unit, and that for each sensor element , for each power electronics unit and for each actuator unit one fault evaluation unit each ( 215 . 215 * ; 225 . 225 * . 235 . 235 * ) is provided. Elektromechanische Servolenkung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik, insbesondere die mindestens eine Fehler-Auswertungs-Einheit, in einem Mikro-Controller (215) implementiert ist, der mit den Sensor-Elementen (211, 222) verbunden ist und von diesen Sensorsignale empfängt. Electromechanical power steering ( 200 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control electronics, in particular the at least one error evaluation unit, in a micro-controller ( 215 ) implemented with the sensor elements ( 211 . 222 ) and receives from these sensor signals. Elektromechanische Servolenkung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikro-Controller (215) mit den Leistungs-Elektronik-Einheiten, insbesondere mit den Treiberstufen (221, 222), verbunden ist und diese ansteuert. Electromechanical power steering ( 200 ) according to claim 9, characterized in that the microcontroller ( 215 ) with the power electronics units, in particular with the driver stages ( 221 . 222 ), is connected and these drives. Steuergerät für eine elektromechanische Servolenkung (200), die für einen Notlaufbetrieb geeignet ist, wobei das Steuergerät eine Steuerungselektronik (215), eine damit verbundene Steuerungs-Elektronik (215) und mindestens eine damit verbundene Leistungs-Elektronik (220) aufweist, die mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Aktuator (230) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Elektronik (220) mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A, 220B) aufweist, und dass der elektrisch angetriebene Aktuator (230) mindestens zwei dieselbe Funktion ausführende Akutator-Einheiten (230A, 230B) aufweist, von denen jede mit einer der zwei Leistungs-Elektronik-Einheiten (220A, 220B) verbunden ist. Control unit for an electromechanical power steering ( 200 ), which is suitable for emergency operation, wherein the control device has an electronic control system ( 215 ), an associated control electronics ( 215 ) and at least one associated power electronics ( 220 ) having at least one electrically driven actuator ( 230 ), characterized in that the power electronics ( 220 ) at least two power electronics units carrying the same function ( 220A . 220B ), and that the electrically driven actuator ( 230 ) perform at least two of the same function Units ( 230A . 230B ), each of which is connected to one of the two power electronic units ( 220A . 220B ) connected is.
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