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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkanordnung mit einem Gehäuse, einer Lenkbefehlseinrichtung und einem Winkeldetektor, der einen elektrischen Motor mit Motorwindungen und einer Motorsteuereinrichtung aufweist, wobei der Rotor des Motors in Wirkverbindung mit der Lenkbefehlseinrichtung ist und als Generator betrieben werden kann.
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Eine derartige Lenkanordnung ist aus
EP 1 075 412 B1 bekannt. Wenn die Lenkbefehlseinrichtung betätigt wird, wird der Motor als Generator betrieben und erzeugt eine Spannung, die proportional zu einer Geschwindigkeit des Rotors des Motors ist und eine Information über die Richtung enthält. Dieses Signal kann dann integriert werden, um eine Winkelposition anzugeben. Die Integration eines Geschwindigkeitssignals, um eine Position anzugeben, ist nicht eine absolute Bezugsgröße. Das bedeutet, dass die Position driften kann, selbst wenn der Winkel nicht physikalisch bewegt wird.
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In einer Lenkanordnung ist es sehr wichtig, eine absolute Position zu haben.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Erfindung ist, eine Information über den absoluten Winkel der Lenkbefehlseinrichtung auf einfache Weise zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Motorsteuereinrichtung ein Winkelsignal von magnetischen Eigenschaften des elektrischen Motors ableitet.
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Ein Weg, wie man eine Winkelinformation, d.h. eine Information über die Winkelposition des Rotors des Motors, erhalten kann, ist in
US 6 448 725 B1 beschrieben. In der Lenkanordnung nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Motor jedoch verwendet, ohne ihn zu aktivieren, d.h. ohne ihn anzutreiben. Der Motor wird verwendet, um eine Sensorausgabe zu geben anstelle der Verwendung eines Signals, um den Motor zu steuern, wie in
US 6 448 725 B1 . Das Sensorausgangssignal kann auch außerhalb des Sensors verwendet werden. Es kann beispielsweise auf einem CAN-Bus auf einem Fahrzeug gesendet werden, der durch die Lenkanordnung zu lenken ist und kann für andere Zwecke auf dem jeweiligen Fahrzeug verwendet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden die magnetischen Eigenschaften durch Spannungs- und/oder Strommessung hergeleitet. Dies kann die Wellenform der Spannung und/oder des Stromes sein, die durch den Motor während einer Rotation erzeugt wird, die durch eine Bewegung der Lenkbefehlseinrichtung bewirkt wird. Es ist auch möglich, elektrische Energie dem Motor zuzuführen ohne oder mit seiner Aktivierung, d.h. ohne ihn zu drehen oder mit Erzeugung einer Rückkopplungskraft, und die Reaktion der Versorgungsspannung und/oder des Stroms auf die erzeugte Spannung und/oder den Strom zu messen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Motorsteuereinrichtung einen Antriebsmodus auf, in dem der elektrische Motor mit elektrischer Energie versorgt wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Motor zu verwenden, um eine Kraftrückkopplung auf die Lenkbefehlseinrichtung zu erzeugen. Wenn man eine Kraftrückkopplung haben möchte, dann wird die Winkelposition der Lenkbefehlseinrichtung umsonst erhalten, ohne die Notwendigkeit eines getrennten Sensors.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Motor ein Multipol-Motor. Dies hat den Vorteil, dass die Auflösung des Signals, das die Winkelposition der Lenkbefehlseinrichtung darstellt, vergrößert wird. Je mehr Pole verfügbar sind, desto besser ist die Auflösung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung hat der elektrische Motor mindestens zwölf Pol-Paare. Dies erlaubt eine Auflösung von 30° pro Pol-Paar. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der elektrische Motor achtzehn Pol-Paare auf.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der elektrische Motor mindestens zwei Gruppen von Motorwicklungen auf und die Motorsteuereinrichtung weist eine entsprechende Anzahl von Motorsteuerungen auf. Auf diese Weise ist es möglich, die Lenkanordnung funktional sicher zu machen, durch Aufsplitten der Motorwicklungen in mindestens zwei unabhängige Motorsteuerungen. Dies gibt eine volle Redundanz auf der Positionserfassung und, wenn eine Kraftrückkopplung verwendet wird, eine halbe Leistungs-Redundanz auf der Kraftrückkopplung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Winkelsensor zusätzlich zu dem Winkeldetektor vorgesehen, wobei der Winkelsensor einen Lenkwinkel erfasst, der durch die Lenkbefehlseinrichtung gegeben ist. Der Winkelsensor und der Winkeldetektor führen praktisch dieselbe Funktion aus, d.h. sie erfassen den Lenkwinkel, der durch die Lenkbefehlseinrichtung gegeben ist. Der Lenkwinkel wird zu einer Drehposition des Rotors des Motors übertragen, die der Winkeldetektor erfasst oder detektiert werden kann. Weiterhin ist es möglich, den Lenkwinkel der Lenkbefehlseinrichtung direkt an der Lenkbefehlseinrichtung zu erfassen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Winkelsensor radial innerhalb der Motorwicklungen angeordnet. Deswegen benötigt der Winkelsensor nicht viel zusätzlichen Raum, wenn überhaupt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Winkelsensor eine Übertrager/Empfänger-Anordnung auf, die an dem Gehäuse fixiert ist, und eine Zielanordnung, die an der Lenkbefehlseinrichtung drehbefestigt ist und eine passive Reaktionsanordnung aufweist. Dies bedeutet, dass nur passive Teile an dem bewegbaren Teil der Lenkbefehlseinrichtung befestigt sind und beispielsweise rotieren, wenn die Lenkbefehlseinrichtung betätigt wird. Es ist beispielsweise möglich, eine Übertrager/Empfänger-Anordnung zu verwenden, die ein elektrisches Feld mit einer hohen Frequenz erzeugt, um eine Resonanzreaktion in dem Ziel zu produzieren. Wenn das Ziel in Resonanz erregt ist, erzeugt es ein Gegenfeld, das durch den Empfänger der Übertrager/Empfänger-Anordnung empfangen werden kann. Das empfangene Signal kann in einen Sinusteil und einen Kosinusteil aufgeteilt werden. Aus diesen beiden Teilen des Signals ist es möglich, einen Winkel einer Lenkbefehlseinrichtung zu erfassen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Lenkbefehlseinrichtung ein Rad auf, das einen Rand und eine Welle aufweist, wobei der Rand mit dem Motor zusammenwirkt und die Welle mit dem Winkelsensor zusammenwirkt. Auf diese Weise ist es möglich, die Information über den absoluten Winkel des Lenkhandrades von zwei unterschiedlichen Positionen aus auf dem Rad zu erfassen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). In einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist die Information über die Winkelposition des Rotors notwendig, um den Betrieb des Motors zu steuern. Diese Information kann nun verwendet werden, um einen befohlenen Lenkwinkel auszugeben, d.h. den Winkel, der durch die Lenkbefehlseinrichtung gegeben ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, worin:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Lenkbefehlseinrichtung zeigt und
- 2 eine perspektivische Ansicht von Teilen der Lenkbefehlseinrichtung von der Unterseite zeigt.
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1 zeigt schematisch eine Lenkbefehlseinrichtung 1, die Teil einer Lenkanordnung ist. Die Lenkbefehlseinrichtung 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform in Form eines Lenkhandrades, genauer gesagt in Form eines Mini-Lenkhandrades 2. Das Mini-Lenkhandrad 2 weist eine Welle 3 auf, die drehbar in einem Gehäuse 4 gelagert ist. Weiterhin weist das Mini-Lenkhandrad 2 einen Rand 5 auf, der sich parallel zu der Welle 3 erstreckt.
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Innerhalb des Randes ist ein Stator 6 eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) 11 angeordnet. Der Stator 6 ist ebenfalls in dem Gehäuse 4 montiert und ist deswegen stationär. Der Stator 6 weist eine Anzahl von Statorwicklungen 7 auf. Zwei Statorwicklungen 7 bilden zusammen ein Pol-Paar. Wie man in 2 sehen kann, weist der bürstenlose Gleichstrommotor 18 Pol-Paare entsprechend 36 Motorwicklungen auf.
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Der Rand 5 trägt eine entsprechende Anzahl von Permanentmagneten 8.
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Das Gehäuse ist auf einer Armstütze 9 eines Fahrzeugs montiert, das durch die Lenkanordnung zu steuern ist.
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In einer nicht dargestellten Weise sind die Wicklungen 7 des Stators 6 mit einer Motorsteuereinrichtung verbunden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Motorsteuereinrichtung zwei Motorsteuerungen auf, wobei jede Motorsteuerung mit einer Hälfte der Wicklungen 7 verbunden ist, d.h. einer Hälfte der Pol-Paare des Motors.
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Wenn das Mini-Lenkhandrad
2 relativ zu dem Gehäuse
4 gedreht wird, wird ein Strom in jeder Wicklung
7 induziert. Wenn, wie in der vorliegenden Ausführungsform, die Anzahl der Pol-Paare ein Vielfaches von drei ist, können ein Drei-Phasen-Strom und eine entsprechende Drei-Phasen-Spannung erzeugt werden, wobei der Versatz zwischen den Phasen 120° elektrisch ist. Es ist deswegen möglich, eine Information über die Winkelposition des Lenkhandrades
2 relativ zu dem Gehäuse
4 herzuleiten durch Vergleichen der jeweiligen ausgegebenen Signale miteinander. Ein Weg, um dieses Ergebnis zu erzielen, ist in
US 6 448 725 B1 offenbart. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Motor jedoch nicht aktiviert, d.h. er wird nicht durch die Motorsteuereinrichtung gesteuert, um zu rotieren, sondern die Motorsteuereinrichtung wertet lediglich die Spannungen und/oder Ströme aus, die durch eine Rotation des Mini-Lenkhandrades
2 relativ zu dem Gehäuse
4 induziert werden.
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Mit anderen Worten, durch Messung von Spannung und/oder Strom, die in den Wicklungen induziert werden, ist es möglich, die magnetischen Eigenschaften des elektrischen Motors zu erfassen und die Winkelpositionsinformation von den magnetischen Eigenschaften herzuleiten.
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In einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist eine Information über die Position des Rotors relativ zu dem Stator notwendig für eine korrekte Steuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors. Im vorliegenden Fall kann diese Information verwendet werden, um eine Information über den gewünschten Lenkwinkel zu bekommen, d.h. über die Winkelposition des Mini-Lenkhandrades 2 relativ zu dem Gehäuse 4.
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Die beiden Motorsteuerungen machen die Lenkbefehlseinrichtung 1 funktional sicher, da sie volle Redundanz auf der Positionserfassung geben.
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Weiterhin kann die Motorsteuereinrichtung betrieben werden, um dem Motor elektrische Energie zuzuführen. Wenn elektrische Energie dem Motor zugeführt wird, kann eine Kraftrückkopplung erzeugt werden, um einem Fahrer des Fahrzeugs zu signalisieren, dass äußere Kräfte auf die gelenkten Räder wirken. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor für diesen Zweck verwendet wird, wird die Winkelinformation umsonst erhalten.
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Zusätzlich zu dem Motor, der als Winkeldetektor wirkt, ist ein Winkelsensor 10 vorgesehen. Der Winkelsensor 10 ist mit der Welle 3 des Mini-Lenkhandrads 2 verbunden und erfasst einen Lenkwinkel, der durch das Mini-Lenkhandrad 2 gegeben ist.
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Wie man in 1 sehen kann, ist der Winkelsensor 10 radial innerhalb der Motorwindungen angeordnet und in der vorliegenden Ausführungsform radial innerhalb des Stators 6.
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In einer nicht gezeigten Weise weist der Winkelsensor
10 ein Ziel auf, das mit der Welle
3 des Mini-Lenkhandrades
2 verbunden ist. Ein Teil des Winkelsensors, der mit dem Gehäuse
4 verbunden ist, weist eine Übertrager/Empfänger-Anordnung auf, die mindestens eine Erregerspule als Übertragereinrichtung und ein Paar Empfangsspulen als Empfangseinrichtung aufweist. Für weitere Einzelheiten wird auf
US 5 625 238 verwiesen, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Dementsprechend ist das Ziel eine passive Reaktionsanordnung, die keine aktiven Teile hat. Wenn die Erregerspule mit einer Spannung einer hohen Frequenz, z.B. 2 MHz versorgt wird, erzeugt sie ein elektrisches Feld, das einen Strom in der Spule des Ziels erzeugt. Dieser Strom erzeugt ein Gegenfeld, das durch die Empfangsspulen erfasst wird.
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Wie oben erwähnt, weist die Motorsteuereinrichtung zwei Motorsteuerungen auf. Dies bedeutet, dass die Einrichtung funktional sicher gemacht ist durch Aufspalten der Wicklungen 7 in zwei unabhängige Motorsteuerungen. Dies gibt volle Redundanz für die Positionserfassung und halbe Leistungsredundanz auf die Kraftrückkopplung.
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Wenn der Motor 11 zwei Gruppen von Motorwicklungen 7, die mit zwei getrennten Motorsteuerungen verbunden ist, aufweist, kann ein extra Winkelsensor 10 weggelassen werden.
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Das beschriebene Prinzip kann auch in Verbindung mit Steuerknüppeln und normalen Lenkhandrädern verwendet werden. Wenn ein Mini-Lenkhandrad 2 verwendet wird, ist eine bevorzugte Ausführungsform des Motors 11 ein flacher Pfannkuchenmotor mit vielen Polen. Ein Steuerknüppel wird typischerweise einen längeren Motor mit kleinerem Durchmesser erfordern und ein herkömmliches Lenkhandrad mit einem großen Durchmesser kann zusammen mit einem Motor mit vielen Polen verwendet werden.
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In einem Mini-Lenkhandrad 2 gibt es typischerweise 16, 24, 30, 36 oder 42 Pole. In einem Steuerknüppel ist es bevorzugt, 6, 12, 18 oder 24 Pole zu verwenden und in einem Lenkhandrad ist es bevorzugt, 36, 42, 48, 54, 60, 66 oder 72 Pole zu verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1075412 B1 [0002]
- US 6448725 B1 [0006, 0023]
- US 5625238 [0030]
