DE102021212470A1 - Steer-by-wire steering system for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Eine Steer-by-wire-Lenkung (1) für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Zahnstange (2), einen Elektromotor (3), ein Getriebe (4) zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (3) in eine Translationsbewegung der Zahnstange (2), und eine erste Sensoreinrichtung (5), die an dem Elektromotor (3) angeordnet und dazu konfiguriert ist, die Drehwinkellage eines Rotors (3a) des Elektromotors (3) zu erfassen, wobei zusätzlich eine Funktion zur Zählung der Umdrehungen des Rotors (3a) vorgesehen ist. Das Getriebe (4) weist eine Getriebestufe mit einem ganzzahligen Untersetzungsverhältnis auf. Ein Getriebeeingangsglied (4a) der Getriebestufe dreht mit der Drehzahl des Rotors (3a). Eine zweite Sensoreinrichtung (6) ist an einem Getriebeausgangsglied (4b) besagter Getriebestufe angeordnet, welche nach einem Sensorprinzip arbeitet, das ohne Zusatzenergie in der Lage ist, aus einer Relativbewegung ein Signal zu generieren. Die zweite Sensoreinrichtung (6) weist Indexmarken (6a) in einer dem Untersetzungsverhältnis entsprechenden Anzahl, welche in Umfangsrichtung an dem Getriebeausgangsglied (4b) gleichbeabstandet voneinander angeordnet sind, sowie mindestens eine stationär angeordnete Sensiereinheit (6b) zum Erfassen des Passierens einer Indexmarke (6a) auf.A steer-by-wire steering system (1) for a motor vehicle comprises a rack (2), an electric motor (3), a gear (4) for converting a rotary movement of the electric motor (3) into a translational movement of the rack (2), and a first sensor device (5) which is arranged on the electric motor (3) and configured to detect the angular position of a rotor (3a) of the electric motor (3), a function for counting the revolutions of the rotor (3a) also being provided is. The gear (4) has a gear stage with an integer reduction ratio. A gear input element (4a) of the gear stage rotates at the speed of the rotor (3a). A second sensor device (6) is arranged on a gear output element (4b) of said gear stage, which works according to a sensor principle that is able to generate a signal from a relative movement without additional energy. The second sensor device (6) has index marks (6a) in a number corresponding to the reduction ratio, which are arranged at the same distance from one another in the circumferential direction on the transmission output member (4b), as well as at least one stationarily arranged sensor unit (6b) for detecting the passage of an index mark (6a) on.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Zahnstange, einen Elektromotor, ein Getriebe zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung der Zahnstange, und eine erste Sensoreinrichtung, die an dem Elektromotor angeordnet und dazu konfiguriert ist, die Drehwinkellage eines Rotors des Elektromotors zu erfassen, wobei zusätzlich eine Funktion zur Zählung der Umdrehungen des Rotors vorgesehen ist.The invention relates to a steer-by-wire steering system for a motor vehicle, comprising a rack, an electric motor, a gear for converting a rotary movement of the electric motor into a translational movement of the rack, and a first sensor device which is arranged on the electric motor and to is configured to detect the angular position of a rotor of the electric motor, a function for counting the revolutions of the rotor being additionally provided.
Eine derartige Steer-by-wire-Lenkung ist aus
Bisweilen kann es im Bereich der Drehmomentübertragung vom Elektromotor zur Zahnstange zu Störungen kommen.Sometimes there can be disruptions in the area of torque transmission from the electric motor to the rack.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Zuverlässigkeit der Ermittlung der Position der Zahnstange zu verbessern.The object of the present invention is to improve the reliability of the determination of the position of the toothed rack.
Diese Aufgabe wird durch eine Steer-by-wire-Lenkung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Getriebe eine Getriebestufe mit einem ganzzahligen Untersetzungsverhältnis aufweist, wobei ein Getriebeeingangsglied der Getriebestufe mit der Drehzahl des Rotors dreht und eine zweite Sensoreinrichtung an einem Getriebeausgangsglied besagter Getriebestufe angeordnet ist, welche nach einem Sensorprinzip arbeitet, das ohne Zusatzenergie in der Lage ist, aus einer Relativbewegung ein Signal zu generieren, und wobei die zweite Sensoreinrichtung Indexmarken in einer dem Untersetzungsverhältnis entsprechenden Anzahl, welche in Umfangsrichtung an dem Getriebeausgangsglied gleichbeabstandet voneinander angeordnet sind, sowie mindestens eine stationär angeordnete Sensiereinheit zum Erfassen des Passierens einer Indexmarke aufweist.This object is achieved by a steer-by-wire system according to
Durch die Verwendung von zwei separaten Sensoreinrichtungen, nämlich einer ersten Sensoreinrichtung an der Getriebeeingangsseite und einer zweiten Sensoreinrichtung am Getriebeausgangsglied einer mit dem Rotor gekoppelten Getriebestufe lassen sich etwaige Fehlerquellen bei der Ermittlung der Position der Zahnstange ausschalten.By using two separate sensor devices, namely a first sensor device on the transmission input side and a second sensor device on the transmission output member of a gear stage coupled to the rotor, any sources of error in determining the position of the rack can be eliminated.
Insbesondere ist es möglich, die Lage des Getriebeausgangsglieds in Bezug auf den Rotor des Elektromotors zu verifizieren. Hierdurch können im Unterschied zu
Ferner ist es hierdurch ohne großen Aufwand möglich, über die Kombination der beiden Sensoreinrichtungen in seltenen Szenarien auftretende Bewegungen der Zahnstange im ausgeschalteten Zustand der Lenkung zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen bei der Ermittlung der Position der Zahnstange zu berücksichtigen.Furthermore, this makes it possible without great effort to use the combination of the two sensor devices to detect movements of the rack that occur in rare scenarios when the steering is switched off and to take suitable measures into account when determining the position of the rack.
Grundsätzlich wäre es möglich, Indexmarken an entsprechenden Positionen der Zahnstange vorzusehen. Da jedoch die Anzahl der Motorumdrehungen für einen vollen Zahnstangenhub sehr groß ist, würden in einem solche Fall eine sehr große Anzahl von Indexmarken benötigt, die zudem sehr genau platziert werden müssten. Es ist daher besser, die Indexmarken am Getriebeausgangsglied vorzusehen, worunter vorliegend ausdrücklich auch alle drehfest mit diesem verbundenen Teile verstanden werden.In principle, it would be possible to provide index marks at corresponding positions on the toothed rack. However, since the number of engine revolutions for a full rack stroke is very large, a very large number of index marks would be required in such a case, which would also have to be placed very precisely. It is therefore better to provide the index marks on the transmission output member, which in the present case expressly includes all parts connected to it in a rotationally fixed manner.
Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject matter of further patent claims.
So können die Lagen der Indexmarken am Getriebeausgangsglied auf eine definierte Drehwinkellage des Rotors abgestimmt sein, welche dadurch als Referenzlage des Rotors betrachtet werden kann. Jeder Durchlauf des Rotors durch die Referenzlage führt dann dazu, dass eine Indexmarke eine Sensiereinheit passiert. Fallen Referenzlage und das Passieren der Sensiereinheit auseinander, ist davon auszugehen, dass sich die Lage des Getriebeausgangsglieds zur ursprünglichen Lage des Rotors verschoben hat, so dass diesbezügliche Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, um die Genauigkeit der Positionierung der Zahnstange aufrecht zu erhalten.In this way, the positions of the index marks on the transmission output element can be matched to a defined rotational angle position of the rotor, which is then regarded as the reference position of the rotor can. Each passage of the rotor through the reference position then causes an index mark to pass a sensing unit. If the reference position and the passage of the sensing unit differ, it can be assumed that the position of the transmission output member has shifted from the original position of the rotor, so that corrective measures can be taken in this regard in order to maintain the accuracy of the positioning of the rack.
In einer bevorzugten Ausführungsart weist die zweite Sensoreinrichtung genau eine Sensiereinheit zum Erfassen des Passierens einer Indexmarke auf, wodurch der apparative Aufwand sehr gering gehalten werden kann. Insbesondere lässt sich hiermit das Auftreten eines Zuordnungsfehlers durch einen veränderten Getriebeeingriff sehr zuverlässig erkennen. Auch eine Erkennung von Bewegungen der Zahnstange im ausgeschalteten Zustand der Lenkung ist möglich. Mangels Richtungsinformation muss anschließend jedoch eine neue Referenzierung der Position der Zahnstange in Bezug auf die erste Sensoreinrichtung vorgenommen werden.In a preferred embodiment, the second sensor device has exactly one sensor unit for detecting the passage of an index mark, as a result of which the expenditure on equipment can be kept very low. In particular, the occurrence of an assignment error due to a changed transmission intervention can be detected very reliably in this way. Movements of the steering rack can also be detected when the steering is switched off. In the absence of directional information, however, the position of the toothed rack in relation to the first sensor device must then be referenced again.
In Abwandlung hiervon ist es möglich, die zweite Sensoreinrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten Sensiereinheiten zum Erfassen des Passierens einer Indexmarke auszugestalten. In Verbindung mit einer mit den Sensiereinheiten verbundenen Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Reihenfolge des Passierens einer Indexmarke kann zusätzlich eine Richtungsinformation gewonnen werden, welche eine Anlernroutine für ein erneutes Referenzieren der Rotorlage obsolet macht. Allerdings führt dies zu einem etwas erhöhten Aufwand auf Seiten der zweiten Sensoreinrichtung, da nunmehr zwei Sensiereinheiten sowie eine Auswerteeinrichtung erforderlich sind.As a modification of this, it is possible to design the second sensor device with two sensor units arranged next to one another for detecting the passage of an index mark. In conjunction with an evaluation device connected to the sensing units for detecting the order in which an index mark is passed, direction information can also be obtained, which makes a training routine for renewed referencing of the rotor position obsolete. However, this leads to somewhat increased effort on the part of the second sensor device, since two sensor units and one evaluation device are now required.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung weist die erste Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehwinkellage des Rotors einen Singleturn-Drehgeber mit Absolutwert-Messwertausgabe auf. Durch softwaretechnische Auswertung der Nulldurchgänge ist es zudem möglich, die Anzahl der Umdrehungen des Rotors zu erfassen. According to a further special embodiment of the invention, the first sensor device for detecting the rotational angle position of the rotor has a single-turn rotary encoder with absolute-value measured value output. Through software evaluation of the zero crossings, it is also possible to record the number of revolutions of the rotor.
Alternativ kann letzteres jedoch auch wie in
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die zweite Sensoreinrichtung ein Multiturn-Drehgeber mit Inkrementalwert-Messwertausgabe. Bei einer Umdrehung des Getriebeausgangsglieds werden entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes mehrere elektrische Impulse durch den Vorbeilauf der Indexmarken an der bzw. den Sensiereinheiten generiert. Das Zählen von Umdrehungen kann hierbei entweder auf den Rotor bezogen oder auf das Getriebeausgangsglied bezogen erfolgen. Eine Umrechnung ergibt sich ohne weiteres mittels des Untersetzungsverhältnisses der Getriebestufe.According to a further special embodiment of the invention, the second sensor device is a multiturn rotary encoder with incremental measured value output. When the transmission output element rotates, several electrical pulses are generated by the index marks passing by the sensor unit(s) in accordance with the transmission ratio of the transmission. The counting of revolutions can either be related to the rotor or related to the transmission output element. A conversion can easily be made using the reduction ratio of the gear stage.
Vorzugsweise weist die zweite Sensoreinrichtung den Wiegand-Effekt als Sensorprinzip auf. Hierdurch können autark, das heißt ohne Zufuhr von Fremdenergie, Sensorsignale allein aus dem Passieren der Indexmarken an den Sensiereinheiten generiert werden. Dadurch ist es möglich, Veränderungen der Position der Zahnstange auch dann zu erfassen, wenn die Lenkung nicht bestromt wird.The second sensor device preferably has the Wiegand effect as the sensor principle. As a result, sensor signals can be generated autonomously, ie without the supply of external energy, solely from passing the index marks on the sensing units. This makes it possible to detect changes in the position of the rack even when the steering is not energized.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die Getriebestufe eine Zahnriemenstufe mit einem eingangsseitigen Riemenrad und einem ausgangsseitigen Riemenrad. Die Indexmarken sind in einem solchen Fall am ausgangsseitigen Riemenrad oder auch an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter, sofern vorhanden, befestigt. Hierdurch lassen sich die Indexmarken ohne merklichen Platzbedarf gut in der Lenkung unterbringen.According to a further preferred embodiment of the invention, the gear stage is a toothed belt stage with a belt wheel on the input side and a belt wheel on the output side. In such a case, the index marks are fastened to the belt wheel on the output side or to a ball screw nut coupled to it, if present. As a result, the index markers can be easily accommodated in the steering without any noticeable space requirement.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen und derart konfiguriert, um auf Grundlage von Signalen der ersten und zweiten Sensoreinrichtung eine Referenzposition der erfassten Drehwinkellage des Rotors in Bezug auf die Lagen der Indexmarken abzugleichen. Bei Übereinstimmung zwischen der Referenzposition und der Lage einer Indexmarke wird die Lenkung für intakt befunden. Bei einer Abweichung wird eine Fehlfunktion diagnostiziert. Die Referenzposition des Rotors kann beispielsweise auf eine 0°-Lage des Rotors bzw. des die Drehwinkellage erfassenden Sensors bezogen sein. Jedoch kann grundsätzlich auch jede andere Winkelstellung als Referenzposition herangezogen werden. Für den Abgleich entscheidend ist, dass der Vorbeilauf einer Indexmarke an der Sensiereinheit stets in der gleichen Referenzposition des Rotors erfolgt.According to a further preferred embodiment of the invention, a control device is also provided and configured in such a way to adjust a reference position of the detected angular position of the rotor in relation to the positions of the index marks on the basis of signals from the first and second sensor devices. If the reference position matches the position of an index mark, the steering is considered to be intact. If there is a deviation, a malfunction is diagnosed. The reference position of the rotor can be related, for example, to a 0° position of the rotor or of the sensor that detects the position of the angle of rotation. However, in principle any other angular position can also be used as a reference position. It is crucial for the adjustment that an index mark always runs past the sensor unit in the same reference position of the rotor.
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinrichtung ferner derart konfiguriert sein, dass auf Grundlage von Signalen der ersten Sensoreinrichtung mittels der erfassten Drehwinkellage des Rotors sowie mittels der gezählten Umdrehungen des Rotors unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes die Position der Zahnstange bestimmt und bei Inaktivierung der Lenkung abgespeichert wird. Bei einem Neustart der Lenkung kann mithilfe eines Zählerstands der zweiten Sensoreinrichtung eine Zählerstandsveränderung seit der Inaktivierung der Lenkung erkannt und für den Startwert der Position der Zahnstange berücksichtigt werden. Bei gleichbleibendem Zählerstand der zweiten Sensoreinrichtung kann angenommen werden, dass während des ausgeschalteten Zustands der Lenkung der Rotor nicht so weit gedreht wurde, dass dessen Referenzposition überschritten wurde, d.h. sich der Zählerstand der ersten Sensoreinrichtung nicht geändert hat. In einem solchen Fall kann dementsprechend die abgespeicherte Position der Zahnstange als Startwert verwendet werden. Bei abweichendem Zählerstand der zweiten Sensoreinrichtung wird hingegen geschlossen, dass die Bestimmung der Position der Zahnstange aufgrund der Signale der ersten Sensoreinrichtung nicht mehr korrekt ist, so dass eine Korrekturmaßnahme für den Startwert erfolgen kann.Alternatively or additionally, the control device can also be configured in such a way that, based on signals from the first sensor device, the position of the rack is determined by means of the detected rotational angle position of the rotor and by means of the counted revolutions of the rotor, taking into account the transmission ratio of the transmission, and is stored when the steering is deactivated . When the steering is restarted a change in the counter reading since the deactivation of the steering can be detected using a counter reading of the second sensor device and taken into account for the starting value of the position of the steering rack. If the counter reading of the second sensor device remains the same, it can be assumed that the rotor was not turned so far during the switched-off state of the steering that its reference position was exceeded, ie the counter reading of the first sensor device has not changed. In such a case, the stored position of the toothed rack can be used as the starting value. If the counter reading of the second sensor device deviates, however, it is concluded that the determination of the position of the toothed rack based on the signals from the first sensor device is no longer correct, so that a corrective measure can be taken for the starting value.
Alternativ kann bei einem Neustart der Lenkung auch geprüft werden, ob der Zählerstand der gezählten Umdrehungen der ersten Sensoreinrichtung dem Zählerstand der Umdrehungen der zweiten Sensoreinrichtung entspricht, wobei gegebenenfalls die Zahl der Indeximpulse der zweiten Sensoreinrichtung auf die Rotorseite umgerechnet wird. Im Fall gleicher Zählerstände wird die abgespeicherte Position der Zahnstange als Startwert verwendet. Im Fall abweichender Zählerstände erfolgt wiederum eine Korrekturmaßnahme für den Startwert.Alternatively, when the steering is restarted, it can also be checked whether the counter reading of the counted revolutions of the first sensor device corresponds to the counter reading of the revolutions of the second sensor device, with the number of index pulses of the second sensor device being converted to the rotor side if necessary. If the counts are the same, the saved position of the toothed rack is used as the start value. In the case of deviating counter readings, a corrective action is taken for the start value.
Als Korrekturmaßnahme für den Startwert der Position der Zahnstange kann beispielsweise ein neuer Startwert aus dem Zählerstand der Umdrehungen der zweiten Sensoreinrichtung und der erfassten Drehwinkellage des Rotors generiert werden.As a corrective measure for the starting value of the position of the toothed rack, a new starting value can be generated from the counter reading of the revolutions of the second sensor device and the detected angular position of the rotor.
Als Korrekturmaßnahme kann ferner durch die Steuereinrichtung eine Anlernroutine veranlasst werden, bei welcher der gesamte Zahnstangenhub von Endanschlag zu Endanschlag durchfahren wird, wobei der Zählerstand der Umdrehungen des Rotors der ersten Sensoreinrichtungen im ersten Endanschlag zurückgesetzt wird und bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen im zweiten Endanschlag die Routine als gültig durchlaufen, andernfalls als ungültig bewertet wird. Im ungültigen Fall kann die Anlernroutine erneut durchgeführt werden. Wird auch hier die Sollzahl an Umdrehungen für den vollen Zahnstangenhub nicht erreicht, kann eine Fehlermeldung generiert werden. Denkbar ist ferner, die Anzahl der Umdrehungen bereits im ersten Endanschlag auf einen Referenzwert zurückzusetzen und ohne weiteres Fahren in den zweiten Endanschlag mit dieser zurückgesetzten Position weiterzuarbeiten.As a corrective measure, the control device can also initiate a training routine, in which the entire toothed rack stroke is traversed from end stop to end stop, with the count of the revolutions of the rotor of the first sensor devices being reset in the first end stop and when a predetermined number of revolutions is reached in the second end stop pass the routine as valid, otherwise evaluate as invalid. In the invalid case, the teach-in routine can be carried out again. If the target number of revolutions for the full rack stroke is not reached here either, an error message can be generated. It is also conceivable to reset the number of revolutions to a reference value already in the first end stop and to continue working with this reset position without moving further to the second end stop.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine räumliche Ansicht einer Steer-by-wire-Lenkung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung -
2 eine Stirnansicht der Getriebestufe der Steer-by-wire-Lenkung gemäß 1 , -
3 eine schematische Ansicht der Drehwinkellage des Rotors des Elektromotors, -
4 eine schematische Darstellung der zweiten Sensoreinrichtung am Getriebeausgangsglied, und in -
5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten zweiten Sensoreinrichtung am Getriebeausgangsglied.
-
1 a spatial view of a steer-by-wire steering according to an embodiment of the invention -
2 according to an end view of the gear stage of the steer-by-wire steering 1 , -
3 a schematic view of the angular position of the rotor of the electric motor, -
4 a schematic representation of the second sensor device on the transmission output member, and in -
5 a schematic representation of a modified second sensor device on the transmission output member.
Steer-by-Wire Lenkungen für den Großserieneinsatz im Automobilebereich, insbesondere für Personenkraftwagen und leichte Nutzfahrzeuge, verfügen über keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe. Aus diesem Grunde ist die Zuordnung zwischen einem Lenkradwinkel des Lenkrads und der Position einer Zahnstange des Lenkgetriebes nicht fest, sondern kann sich im Laufe des Betriebes eines Kraftfahrzeugs ändern.Steer-by-wire steering systems for mass production in the automotive sector, especially for passenger cars and light commercial vehicles, do not have a mechanical connection between the steering wheel and the steering gear. For this reason, the association between a steering wheel angle of the steering wheel and the position of a rack of the steering gear is not fixed, but can change over the course of operation of a motor vehicle.
Die Bestimmung der aktuellen Position der Zahnstange mit Hilfe des Lenkradwinkels ist folglich bei einer Steer-by-Wire Lenkungen im Vergleich zu einer herkömmlichen Lenkung mit mechanischem Durchgriff nicht mehr möglich.Determining the current position of the rack with the help of the steering wheel angle is therefore no longer possible with steer-by-wire steering compared to conventional steering with mechanical penetration.
Kommt es im Bereich der Drehmomentübertragung vom Elektromotor zur Zahnstange zu Störungen, ist keine eindeutige Bestimmung der Zahnstangenposition über die Rotorlageinformation möglich, da, wie bereits erwähnt, eine Korrektur mittels des Lenkradwinkels ausscheidet. Gleiches gilt für Fälle, bei denen eine Bewegung der Lenkung im ausgeschalteten Zustand zum Verlust der Kenntnis über die korrekte Zahnstangenposition führt.If there are disturbances in the area of torque transmission from the electric motor to the steering rack, it is not possible to determine the position of the steering rack clearly using the rotor position information, since, as already mentioned, a correction using the steering wheel angle is ruled out. The same applies to cases in which a movement of the steering when it is switched off leads to the loss of knowledge of the correct rack position.
Nachfolgend werden Lösungen aufgezeigt, welche es gestatten, die Position der Zahnstange mittels Rotorlageinformationen gleichwohl zuverlässig zu bestimmen und zu verifizieren.Solutions are shown below that allow the position of the toothed rack to be reliably determined and verified using rotor position information.
Die Lenkung 1 umfasst zunächst eine Zahnstange 2, welche in an sich bekannter Weise mit den Rädern eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, um an diesen einen Lenkbefehl zur Wirkung zu bringen.The
Weiterhin umfasst die Lenkung 1 einen Elektromotor 3 sowie ferner ein Getriebe 4 zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors 3 in eine Translationsbewegung der Zahnstange 2.Furthermore, the
Das Getriebe 4 weist mindestens eine Getriebestufe mit einem Getriebeeingangsglied 4a und einem Getriebeausgangsglied 4b auf.The
Das Getriebeeingangsglied 4a ist mit einem Rotor 3a des Elektromotors 3 drehfest verbunden, so dass dieses entsprechend mit der Drehzahl des Elektromotors 3 dreht.The
Das Getriebeausgangsglied 4b ist ebenfalls eine drehende Komponente und vorliegend über eine weitere Getriebestufe, beispielsweise einen Kugelgewindetrieb 7, mit der Zahnstange 2 gekoppelt.The
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft die Zahnstange 2 parallel zur Drehachse des Elektromotors 3 angeordnet. Zudem ist wiederum rein beispielhaft die Getriebestufe als Zahnriemenstufe ausgebildet. Dementsprechend sind das Getriebeeingangsglied 4a und das Getriebeausgangsglied 4b jeweils als Zahnriemenräder ausgeführt, welche über einen Zahnriemen 4c antriebsmäßig miteinander gekoppelt sind.In the exemplary embodiment shown, the
Das im Folgenden erläuterte erfindungsgemäße Konzept lässt sich jedoch gleichermaßen auch auf andere Anordnungskonfigurationen anwenden, bei welchen die Zahnstange 2 und die Drehachse des Elektromotors 3 nicht notwendigerweise parallel zueinander verlaufen. Zudem kann anstelle einer Zahnriemenstufe auch eine andere Getriebeform, beispielsweise eine Zahnradstufe oder dergleichen zum Einsatz kommen.However, the concept according to the invention explained below can also be applied to other arrangement configurations in which the
Die Getriebestufe mit dem Getriebeeingangsglied 4a und dem Getriebeausgangsglied 4b weist ganzzahliges Untersetzungsverhältnis auf. Als Untersetzungsverhältnis i wird vorliegend das Verhältnis der Drehzahl des Getriebeeingangsglieds 4a zu der Drehzahl des Getriebeausgangsglieds 4b verstanden. Bei dem in
Weiterhin umfasst die Lenkung 1 eine erste Sensoreinrichtung 5, die getriebeeingangsseitig beispielsweise an dem Elektromotor 3 angeordnet ist oder auch an dem Getriebeeingangsglied 4a angeordnet sein kann. Die erste Sensoreinrichtung 5 ist dazu konfiguriert, die Drehwinkellage des Rotors 3a des Elektromotors 3 zu erfassen. Insbesondere wird hierbei die Drehwinkellage in einem Winkelbereich von 0° bis 360° erfasst, wie dies in
Die erste Sensoreinrichtung 5 kann hierzu beispielsweise einen Singleturn-Drehgeber mit Absolutwert-Messwertausgabe aufweisen. Dieser liefert ein Messsignal, welches für eine bestimmte Winkelstellung zwischen 0° bis 360° charakteristisch ist, für Winkel größer 360° jedoch keine individuellen Werte zu liefern vermag, sondern dann wieder bei 0° beginnt.For this purpose, the first sensor device 5 can have, for example, a single-turn rotary encoder with an absolute-value measured-value output. This delivers a measurement signal which is characteristic of a specific angular position between 0° and 360°, but cannot deliver any individual values for angles greater than 360°, but then starts again at 0°.
Durch Beobachtung der 0°-Durchgänge ist es jedoch möglich, die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 3a ebenfalls zu erfassen. Hierzu kann eine entsprechende Zähleinrichtung, beispielsweise softwaretechnisch in einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung oder aber auch im entsprechenden Drehgeber, vorgesehen sein, welche je nach Drehrichtung den Zählerstand der Umdrehungen des Rotors 3a des Elektromotors 3 erhöht oder erniedrigt.However, by observing the 0° crossings, it is possible to grasp the number of revolutions of the
Alternativ kann die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 3a auch mittels eines zusätzlichen Drehgebers erfasst werden, wie dies beispielsweise in
Sind die Anzahl der Umdrehungen des Rotors 3a in Bezug auf eine Referenzposition, beispielsweise ein Geradausstellung oder Mittelstellung der Zahnstange 2 oder auch einen Endanschlag der Zahnstange 2 sowie ferner die Drehwinkellage des Rotors 3a auf Grundlage der Signale der ersten Sensoreinrichtung 5 bekannt, kann hieraus die Position der Zahnstange 2 unter Berücksichtigung des Untersetzungsverhältnisses des Getriebes 4 bestimmt werden.If the number of revolutions of the
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Ermittlung der Position der Zahnstange 2 ist vorliegend eine zweite Sensoreinrichtung 6 vorgesehen.In order to improve the reliability of the determination of the position of the
Diese zweite Sensoreinrichtung 6 ist an dem Getriebeausgangsglied 4b besagter Getriebestufe angeordnet. Sie kann beispielsweise als Multiturn-Drehgeber mit Inkrementalwert-Messwertausgabe ausgeführt sein. Ein solcher Multiturn-Drehgeber mit Inkrementalwert-Messwertausgabe kann auch als Multiindexsensor bezeichnet werden.This
Die zweite Sensoreinrichtung 6 arbeitet nach einem Sensorprinzip, das ohne Zusatzenergie in der Lage ist, aus einer Relativbewegung ein Signal zu generieren. Ein Beispiel hierfür sind, ohne Beschränkung hierauf, sogenannte Wiegand-Sensoren. Eine plötzliche Änderung der Magnetisierung verursacht in einer nahen Sensiereinheit einen Spannungsimpuls, dessen Größe und Form nicht davon abhängt, wie schnell sich das äußere Magnetfeld ändert. Jedoch sind auch andere Sensorprinzipien einsetzbar, welche ohne äußere Stromversorgung auskommen.The
Der Multiturn-Drehgeber kann ohne eine Drehrichtungserkennung ausgeführt sein, wodurch ein sehr einfacher und kostengünstiger Drehgeber verwendet werden kann.The multiturn rotary encoder can be designed without detection of the direction of rotation, which means that a very simple and inexpensive rotary encoder can be used.
Die zweite Sensoreinrichtung 6 umfasst vorliegend Indexmarken 6a, beispielsweise in Form von Permanentmagneten, in einer dem Untersetzungsverhältnis i entsprechenden Anzahl.In the present case, the
Diese Indexmarken 6a sind, wie in
Insbesondere können die Indexmarken 6a an dem ausgangsseitigen Zahnriemenrad oder der einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebs 7 befestigt sein.In particular, the index marks 6a can be attached to the output-side toothed belt wheel or to a ball screw nut of the
Die zweite Sensoreinrichtung 6 umfasst ferner mindestens eine stationär angeordnete Sensiereinheit 6b, im Fall des Beispiels von
Die Lagen der Indexmarken 6a sind auf eine definierte Drehwinkellage des Rotors 3a abgestimmt.The positions of the index marks 6a are matched to a defined angular position of the
Bei jedem Vorbeilauf einer Indexmarke 6a an der Sensiereinheit 6b wird ein elektrischer Impuls erzeugt, der in einer geeigneten Zähleinrichtung erfasst wird.Each time an
Dieser Impuls der zweiten Sensoreinrichtung 6 entsteht immer bei der gleichen definierten Drehwinkellage des Rotors 3a. Als definierte Drehwinkellage oder Referenzposition der Drehwinkellage kann beispielsweise die 0°-Lage des Rotors 3a verwendet werden. Jedoch kann prinzipiell jede beliebige Winkelstellung als Referenzposition der Drehwinkellage herhalten.This pulse of the
Kommt es zwischen dem Impuls der zweiten Sensoreinrichtung 6 und der Referenzposition zu einer Abweichung, kann dies als Anzeichen dafür gewertet werden, dass im Getriebeeingriff eine Störung aufgetreten ist, beispielsweise indem bei einem Zahnriementrieb der Zahnriemen 4c einen Zahn an einer Zahnriemenscheibe übersprungen hat oder bei einer Zahnradstufe beispielsweise aufgrund einer Erschütterung ein Zahn übersprungen wurde.If there is a deviation between the pulse of the
Dies kann durch einen Abgleich der Signale der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 5 und 6 in einer Steuereinrichtung in Bezug auf die Referenzposition der erfassten Drehwinkellage des Rotors 3a in Bezug auf die Lagen der Indexmarken 6a erfolgen. Bei Übereinstimmung zwischen der Referenzposition und Lage einer Indexmarke 6a wird die Lenkung 1 für intakt befunden und bei einer Abweichung eine Fehlfunktion diagnostiziert. Wird ein entsprechender Zuordnungsfehler festgestellt, kann dies bei der Ansteuerung der Lenkung 1 softwaretechnisch berücksichtigt werden, so dass ein sich ansonsten einstellender Zuordnungsfehler zwischen der Lage des Rotors 3a und der Zahnstange 2 kompensiert werden kann.This can be done by comparing the signals of the first and
Im eingeschalteten Zustand der Lenkung 1 kann die Position der Zahnstange 2 mittels der Rotorlageinformation aus der ersten Sensoreinrichtung 1 sowie der Funktion zur Umdrehungszählung ermittelt werden. Die zweite Sensoreinrichtung 6 dient zur Fehlererkennung am Getriebe 4 in Form eines Riemensprungs oder dergleichen. Vor dem Ausschalten der Lenkung 1 wird die letzte Zahnstangenposition gespeichert, so dass diese beim nächsten Einschalten wieder verfügbar ist.When the
Im ausgeschalteten Zustand der Lenkung 1 kann ferner mittels der zweiten Sensoreinrichtung 6, welcher zur Funktionsausführung keine Stromversorgung benötigt, eine etwaige Bewegung der Zahnstange 2 erkannt werden, wenn sich der Zählerstand der zweiten Sensoreinrichtung 6 ändert. Dadurch kann bei jedem Systemstart sichergestellt werden, ob die zuletzt gespeicherte Zahnstangenposition, welche auf den Informationen der ersten Sensoreinrichtung 5 beruht, noch korrekt ist. Falls dies nicht zutrifft, kann über eine Anlernroutine die Position der Zahnstange 2 neu bestimmt werden.When the
Die vorstehend erläuterte separate Anordnung der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 5 und 6 ermöglicht es, eine relevante Zahnstangenbewegung zu erkennen. Eine relevante Zahnstangenbewegung bedeutet vorliegend, dass durch diese Bewegung die erste Sensoreinrichtung 5 bzw. der entsprechende Drehgeber seine Referenzlage, z.B. seinen Nullpunkt passiert hat. Im ausgeschalteten Zustand ist die Umdrehungszählung der ersten Sensoreinrichtung 5 nicht aktiv, wodurch die Information der Position der Zahnstange 2 bei dieser Bewegung verloren gehen kann. Um dies gleichwohl erkennen zu können, weist die zweite Sensoreinrichtung 6 abhängig von der ganzzahligen Untersetzung i der Getriebestufe 4a/4b eine gleiche Anzahl i von Indexmarken 6a auf.The separate arrangement of the first and
Bei einer Untersetzung der Getriebestufe 4a/4b von beispielsweise i=3 weist die zweite Sensoreinrichtung somit drei Indexmarken 6a auf. Bei jeder vollen Umdrehung des Rotors 3a des Elektromotors 3 wird somit eine Indexmarke 6a passiert bzw. sensiert. Die Indexmarken 6a sind entsprechend ausgerichtet bzw. die Rotorlageposition mit einem Offset versehen, so dass bei einer Drehwinkellage des Rotors 3a von 0° jedes Mal ein Indexmarkierung sensiert wird.With a reduction of the
Während des Betriebs mit eingeschalteter Lenkung 1 wird mittels der Rotorlageinformation sowie der Umdrehungszählung des Rotors 3a und der Getriebeübersetzungen die Zahnstangenposition ermittelt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß
Die Umdrehungszählung erfolgt im bestromten Zustand mit Hilfe der ersten Sensoreinrichtung 5. Durch Erfassung der Rotorlage kann eine Umdrehungsinformation ermittelt werden, in dem der gemessene Winkel integriert wird. Im stromlosen Zustand ist dies jedoch nicht mehr möglich. Die Funktion der Umdrehungszählung wird dann von der zweiten Sensoreinrichtung 6, beispielsweise einem Multiturn-Drehgeber übernommen. Der Multiturn-Drehgeber kann auf Funktion überprüft werden, indem seine Umdrehungen mit der Umdrehungszählung mittels der ersten Sensoreinrichtung 5 verglichen werden.The revolutions are counted in the energized state with the aid of the first sensor device 5. By detecting the rotor position, revolution information can be determined by integrating the measured angle. However, this is no longer possible in the de-energized state. The function of counting the revolutions is then taken over by the
Um eine Störung am Getriebe 4 wie einen Zahnriemensprung zu erkennen, wird, wie bereits oben erwähnt, die Information aus der zweiten Sensoreinrichtung 6 verwendet. Im fehlerfreien Zustand wird eine Indexmarkierung zu einer festvorgegeben Drehwinkellage des Rotors 3a sensiert. Beispielsweise jedes Mal, wenn die 0°-Lage des Rotors 3a passiert wird. Tritt eine Indexmarkensensierung zu einer anderen Drehwinkellage des Rotors 3a auf, so liegt eine Störung vor.As already mentioned above, the information from the
Der letzte Wert der Umdrehungszählung der ersten Sensoreinrichtung 5, welcher zum Ende des Betriebs der Lenkung 1 vorlag, wird gespeichert und beim nächsten Starten des Systems wieder verwendet. Geschieht außerhalb des Betriebs keine Zahnstangenbewegung, welche zum mindestens einmaligen Überqueren der 0°-Lage des Rotors 3a bzw. der ersten Sensoreinrichtung 5 führt, so wird der alte Zählerstand als korrekt angesehen und kann beim Neustart der Lenkung 1 zum Bestimmen der Zahnstangenposition verwendet werden. Geschieht jedoch eine Zahnstangenbewegung außerhalb des Betriebs, welche zum mindestens einmaligen Überqueren der 0°-Lage des Rotors 3a bzw. der ersten Sensoreinrichtung 5 führt, so ist der alte Wert des Umdrehungszählung der ersten Sensoreinrichtung 5 nicht mehr korrekt. Die Verwendung der abgespeicherten Zahnstangenposition würde in diesem Fall zu einem Fehler führen. Das Verlieren der Zahnstangenposition wird mithilfe der zweiten Sensoreinrichtung 6 erkannt. Dies geschieht mittels eines zweiten Zählerstands, welcher jedes Mal hochzählt, wenn eine Indexmarkierung 6a passiert wurde. Da die zweite Sensoreinrichtung 6 vorzugsweise auf dem Prinzip eines Wiegand-Sensors beruht, ist dies auch außerhalb des Betriebs, also ohne Stromversorgung des Lenkgetriebes möglich. Bei verloren gegangener Information der Zahnstangenposition erfolgt eine Korrekturmaßnahme.The last value of the number of revolutions of the first sensor device 5, which was present at the end of the operation of the
Zur Rückgewinnung des Zählerstands der Umdrehungen in der ersten Sensoreinrichtung 6 bestehen verschiedene Möglichkeiten.There are various options for recovering the count of the revolutions in the
Es ist beispielsweise möglich, als Korrekturmaßnahme für den Startwert der Position der Zahnstange einen neuer Startwert aus dem Zählerstand der Umdrehungen der zweiten Sensoreinrichtung 6 und der erfassten Drehwinkellage des Rotors 3a zu generieren. Dies setzt allerdings voraus, dass in der zweiten Sensoreinrichtung festgestellt werden kann, in welcher Richtung die Zahnstangenbewegung erfolgt ist, d.h. in welcher Richtung die Indexmarken 6a der zweiten Sensoreinrichtung gedreht wurden, um den Zählerstand der ersten Sensoreinrichtung entsprechend zu erhöhen oder zu erniedrigen.It is possible, for example, as a corrective measure for the starting value of the position of the toothed rack, to generate a new starting value from the counter reading of the revolutions of the
Ist eine solche Drehrichtungserkennung nicht möglich, weil ein sehr einfacher Aufbau der zweiten Sensoreinrichtung 6 bevorzugt wird, kann durch die Steuereinrichtung als Korrekturmaßnahme eine Anlernroutine veranlasst werden, bei welcher die Zahnstange 2 in einen Endanschlag gefahren wird. Dabei wird der Zählerstand der Umdrehungen des Rotors 3a der ersten Sensoreinrichtung 1 im ersten Endanschlag zurückgesetzt.If such a direction of rotation detection is not possible because a very simple structure of the
Optional kann in der Anlernroutine ferner der gesamte Zahnstangenhub von Endanschlag zu Endanschlag durchfahren werden. Bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen im zweiten Endanschlag wird die Routine als gültig durchlaufen angesehen, andernfalls als ungültig bewertet. Hierdurch wird der Zuverlässigkeitsgrad der Bestimmung der Position der Zahnstange 2 weiter erhöht.Optionally, the entire toothed rack stroke from end stop to end stop can be traversed in the teach-in routine. When a specified number of revolutions is reached in the second end stop, the routine is considered to have been validly completed, otherwise it is evaluated as invalid. As a result, the degree of reliability in determining the position of the
Die Anlernroutine kann automatisiert bei einem Start des Fahrzeugs durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Fahrer zu entsprechenden Lenkbewegungen zu veranlassen, wodurch zusätzlich eine Synchronisation mit der Lenkradposition erhalten wird.The learning routine can be carried out automatically when the vehicle is started. However, it is also possible to cause the driver to make appropriate steering movements, which also results in synchronization with the steering wheel position.
Auf die Anlernroutine kann gegebenenfalls verzichtet werden, wenn die zweite Sensoreinrichtung 6 zusätzlich eine Richtungsinformation liefert. Ein Beispiel hierfür ist in
Bei Initialisierung der zweiten Sensoreinrichtung 6 in
Mit dem Zählerstand der zweiten Sensoreinrichtung 6 kann somit der Zählerstand der ersten Sensoreinrichtung 5 verifiziert und gegebenenfalls korrigiert werden.With the counter reading of the
In der Steuereinrichtung kann dementsprechend beispielsweise eine Routine wie folgt implementiert sein. Auf Grundlage von Signalen der ersten Sensoreinrichtung 5 wird mittels der erfassten Drehwinkellage des Rotors 3a sowie mittels der gezählten Umdrehungen des Rotors 3a unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 4 die Position der Zahnstange 2. bestimmt und bei Inaktivierung der Lenkung 1 abspeichert. Bei einem Neustart der Lenkung 1 wird geprüft, ob der Zählerstand der gezählten Umdrehungen des Rotors 3a dem Zählerstand der Umdrehungen der zweiten Sensoreinrichtung 6 entspricht, wobei vorliegend angenommen wird, dass dieser entsprechend auf die Rotorumdrehungen umgerechnet ist. Im Fall gleicher Zählerstände wird die abgespeicherte Position der Zahnstange 2 als Startwert beibehalten. Im Fall abweichender Zählerstände erfolgt eine Korrekturmaßnahme für den Startwert wie oben beschrieben, beispielsweise durch Korrektur mit den gezählten Umdrehungen der zweiten Sensoreinrichtung 6 oder gegebenenfalls auch mittels der beschriebenen Anlernroutine.Accordingly, for example, a routine as follows can be implemented in the control device. On the basis of signals from the first sensor device 5, the position of the
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und weiterer Abwandlungen näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel und die Abwandlungen dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.The invention was explained in more detail above using an exemplary embodiment and further modifications. The embodiment and the modifications serve to prove the operability of the invention. Individual technical features that have been explained above in the context of other individual features can also be implemented independently of these and in combination with other individual features, even if this is not expressly described, as long as this is technically possible. The invention is therefore expressly not limited to the specifically described exemplary embodiments and modifications, but includes all configurations defined by the patent claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lenkungsteering
- 22
- Zahnstangerack
- 33
- Elektromotorelectric motor
- 3a3a
- Rotorrotor
- 44
- Getriebetransmission
- 4a4a
- GetriebeeingangsgliedTransmission input member
- 4b4b
- Getriebeausgangsgliedtransmission output member
- 55
- erste Sensoreinrichtungfirst sensor device
- 66
- zweite Sensoreinrichtungsecond sensor device
- 6a6a
- Indexmarkeindex mark
- 6b6b
- Sensiereinheitsensing unit
- 6c6c
- Auswerteeinrichtungevaluation device
- 77
- Kugelgewindetriebball screw
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018213112 A1 [0002, 0007, 0015, 0041]DE 102018213112 A1 [0002, 0007, 0015, 0041]
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DE102021212470.4A DE102021212470A1 (en) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | Steer-by-wire steering system for a motor vehicle |
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DE102021212470.4A DE102021212470A1 (en) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | Steer-by-wire steering system for a motor vehicle |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20220348250A1 (en) * | 2019-06-20 | 2022-11-03 | Mando Corporation | Steer-by-wire type steering apparatus |
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-
2021
- 2021-11-05 DE DE102021212470.4A patent/DE102021212470A1/en active Pending
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