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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Ermitteln des Drehwinkels einer Welle aus dem Winkel-Signal
eines ersten Winkelsensors und dem Winkel-Signal eines zweiten Winkelsensors,
wobei der erste Winkelsensor und der zweite Winkelsensor starr mit
der Welle gekoppelt sind, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen
erstem Winkelsensor und Welle einerseits und das Übersetzungsverhältnis zwischen
zweitem Winkelsensor und Welle andererseits voneinander verschieden
sind, und mit einem mit der Welle über einen Drehstab gekoppelten
Ritzelwinkelsensor.
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Solche Anordnungen werden bspw. bei Steer-by-Wire-Lenkanlagen
als Lenkaktuator oder Lenkradaktuator mit zwei redundant ausgeführten Elektromotoren
eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Einsatzgebiet
beschränkt.
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Um die Herstellungskosten der Winkelsensoren
zu minimieren, setzt man in der Regel sog. Single-Turn-Sensoren
ein, die einen Messbereich von 0° bis
360° haben.
Wenn dieser Sensor um einen Winkel > 360° gedreht
wird, beginnt er wieder bei 0° Dies bedeutet,
dass bspw. das Ausgangssignal eines solchen Winkelsensors bei einer
Drehung um 180° genau
gleich ist wie bei einer Drehung um 540°. Da in Kraftfahrzeugen üblicherweise
die Lenksäule
von Anschlag zu Anschlag um vier Umdrehungen, entsprechend 1.440°, gedreht
wird, ist es notwendig, eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels
der Lenksäule
vornehmen zu können.
Dies geschieht nach dem sog. Nonius-Verfahren, indem man aus den
Signalen des ersten Winkelsensors und des zweiten Winkelsensors,
die sich wegen der unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse
voneinander unterscheiden, sowie des Signals des mit der Welle gekoppelten
Ritzelwinkelsensors den Drehwinkel der Lenksäule ermittelt.
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Die Ermittlung des Drehwinkels der
Lenksäule
wird u. a. dadurch erschwert, dass der erste Winkelsensor und der
zweite Winkelsensor ihre Signale nicht immer gleichzeitig an ein
Steuergerät
oder eine Auswerteeinheit schicken und in der Regel die Taktfrequenz,
mit der der erste Winkelsensor, der zweite Winkelsensor, der Ritzelwinkelsensor
und das Steuergerät
betrieben werden, nicht gleich ist. Deshalb können die von erstem Winkelsensor,
zweitem Winkelsensor und Ritzelwinkelsensor beim Steuergerät vorliegenden
Signale nicht unmittelbar zu einer eindeutigen Bestimmung des Drehwinkels
der Lenksäule
direkt herangezogen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es jedoch möglich,
die Signale des ersten Winkelsensors, des zweiten Winkelsensors
und des Ritzelwinkelsensors trotz der genannten Schwierigkeiten
eindeutig und auf einfache Weise auszuwerten, so dass die Ermittlung
des Drehwinkels der Lenksäule
auch bei unterschiedlichen Taktfrequenzen und/oder zeitlichen Verschiebungen
zwischen dem Eingang der von den genannten Sensoren eingehenden
Signale erfolgen kann.
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Dieses Verfahren basiert auf den
drei im Folgenden aufgeführten
Verfahrensschritten:
- Berechnen einer ersten virtuellen Zwischengröße (φαS)
nach der Formel φαS =
(n + 1∙δV
A
1 + n∙δV
A
2 + 25∙k∙360°)/312
mit:
δV
A
1: Winkel-Signal
des ersten Winkelsensors
δV
A
2:
Winkel-Signal des zweiten Winkelsensors
k: Konstante; bei vier
Lenkradumdrehungen von Lenkanschlag zu Lenkanschlag, entsprechend 1440°, gilt für k:
k
= (4∙φαS – 5∙δV
A
1
2)/360°.
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– Berechnen einer zweiten virtuellen
Zwischengröße (φges) nach
der Formel φges = (m∙φαS +
m + 1∙δRi1 + 9∙k∙360°)/40
mit:
m:
Konstante
δRi1: Winkel-Signal des Ritzelwinkelsensors
k:
Konstante
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Ermitteln der Zahl der Umdrehungen
(n) und Addieren des Winkel-Signals (δV
A
1) eines ersten
Winkelsensors zu dem Produkt aus der Zahl der Umdrehungen (n) und
360°.
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Vorteile der
Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchzuführen, benötigt nur
eine geringe Rechenleistung und ermöglicht trotz unterschiedlicher
Taktfrequenzen, mit denen die genannten Sensoren abgetastet werden
und/oder zeitlichen Verschiebungen zwischen dem Eingang der Signale
eine eindeutige und zuverlässige
Bestimmung des Drehwinkels der Lenksäule. Dabei ist das Verfahren
robust gegenüber Störungen und
stellt nur geringe Anforderungen an die hardware.
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Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass die Zahl der Umdrehungen der Welle der Lenksäule durch
eine ganzzahlige Division der zweiten virtuellen Zwischengröße durch
360° erfolgt
und der Divisionsrest verloren geht. Dadurch hat man auf einfache Weise
die Zahl der Umdrehungen der Welle, die zur eindeutigen Ermittlung
des Drehwinkels der Lenksäule
erforderlich ist, bestimmt .
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Alternativ kann die Zahl der Umdrehungen der
Lenksäule
auch nach folgendem Verfahren ermittelt werden:
– Bilden
einer Differenz (ΔδV
A
1) eines Winkel-Signals (δV
A
1(t)) des ersten
Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals (δV
A
1(t – 1)) des
ersten Winkelsensors zum Zeitpunkt t – 1,
– Erhöhen der Zahl (n) der Umdrehungen
der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) > 180° ist,
– Erniedrigen
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) < –180° ist
oder
– Beibehalten
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn der Betrag der Differenz (☐ΔδV
A
1☐) ≤ 180° ist.
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Dieses Verfahren erlaubt es fortlaufend
die Zahl der Umdrehungen der Lenksäule zu aktualisieren. Dabei
wird der Effekt ausgenützt,
dass der Fahrer eines Fahrzeuges in dem Zeitraum zwischen zwei Abtastungen
des ersten Winkelsensors die Lenksäule des Fahrzeugs nicht so
schnell drehen kann, dass sich das Ausgangssignal des ersten Winkelsensors oder
des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t von dem Winkel-Signal
zum Zeitpunkt t – 1
um mehr als 90° bis
maximal 120° unterscheidet.
Deshalb ist es möglich,
mit Sicherheit sagen zu können,
dass wenn die Differenz eines Winkel-Signals des ersten Winkelsensors
oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals
des ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt
t – 1 > 180° ist, die
Lenksäule
eine Umdrehung weitergedreht wurde. In gleicher Weise kann man deshalb
sagen, dass die Zahl der Umdrehungen der Welle um 1 erniedrigt werden
kann, wenn die o. g. Differenz kleiner als –180° ist. In diesem Fall muss die
Zahl der Umdrehungen der Lenksäule
um 1 erniedrigt werden. In allen anderen Fällen, wenn nämlich der
Betrag der o. g. Differenz ≤ 180° ist, kann
die Zahl der Umdrehungen der Lenksäule gleich bleiben. Wenn nun
zu der Zahl der Umdrehungen der Lenksäule multipliziert mit 360° noch der
aktuell ermittelte Winkel des Ritzelwinkelsensors addiert wird,
ist die Ermittlung des Drehwinkels der Lenksäule eindeutig erfolgt.
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Zur weiteren Vereinfachung dieses
Verfahrens kann auch die Differenz eines Winkel-Signals des ersten
Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt t und
eines Winkel-Signals des
ersten Winkelsensors oder des zweiten Winkelsensors zum Zeitpunkt
t – 1
mittels einer Division durch 360 normiert werden und die normierte
Differenz gerundet werden. Das Ergebnis dieser Rundung kann –1, 0 oder
+1 betragen. Dieses Ergebnis wird zur aktuellen Zahl der Umdrehungen
der Welle bzw. der Lenksäule
addiert.
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Es hat sich in praktischen Versuchen
als vorteilhaft herausgestellt, wenn zur Initialisierung der Zahl
der Umdrehungen der Welle das zuerst genannte Verfahren, welches
auf einer ganzzahligen Division der zweiten virtuellen Zwischengröße basiert, durchgeführt wird
und nach erfolgter Initialisierung das Verfahren angewandt wird,
welches auf der Basis der Differenz eines Winkel-Signals zum Zeitpunkt t
und t – 1
aufbaut.
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Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung des Drehwinkels eines Lenkgetriebes einer Fahrzeuglenkung,
insbesondere einer Steer-by-Wire-Lenkung, oder eines Lenkradaktuators
einer Steer-by-Wire-Lenkung eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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- 1 eine
schematische Darstellung einer Steer-by-Wire-Lenkung,
- 2 eine schematische
Darstellung eines Lenkaktuators,
- 3 ein Blockschaltbild
der Regelung des Lenkaktuators und
- 4 eine Darstellung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Berechnung der ersten und zweiten virtuellen Zwischengröße.
- 5 zeigt die Weiterverarbeitung
der zweiten virtuellen Zwischengröße und
- 6 zeigt ausschnittsweise
den Verlauf der berechneten Größen in Abhängigkeit
des Drehwinkels der Lenksäule.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Steer-by-Wire-Lenkanlage
mit einem Hydro-Servolenkgetriebe.
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Ein Lenkrad 1 dient als
Lenkhandhabe und ist an einer Lenksäule 3 befestigt, die
im Chassis eines nicht dargestellten Fahrzeugs gelagert ist. An
der Lenksäule 3 ist
ein Lenkradaktuator 5 angeordnet.
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Die in 1 nicht
dargestellten gelenkten Räder
werden über
eine Spurstange 9 verstellt. Betätigt wird die Spurstange 9 in
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 über ein an sich bekanntes Hydro-Servolenkgetriebe 11.
Das Hydro- Servolenkgetriebe 11 weist
eine in 1 nicht dargestellte
Zahnstange auf, die auf die Spurstangen 9 wirkt, und welche
von einem Ritzel 13 angetrieben wird. Oberhalb des Ritzels 13 und
drehfest mit diesem verbunden ist ein Drehstabventil mit einem Drehstab 15 zur
Steuerung der Servounterstützung
des Hydro-Servolenkgetriebes 11 angeordnet.
Das Drehstabventil steuert den Förderstrom
einer Servopumpe 17 in einen parallel zu der Zahnstange
angeordneten doppelt wirkenden Arbeitszylinder 19.
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Im Unterschied zu konventionellen
Lenkanlagen wird das Hydro-Servolenkgetriebe 11 nach 1 im Steer-by-Wire-Betrieb,
wie er in 1 dargestellt
ist, von einem Lenkaktuator 21 und nicht direkt von der
Lenksäule 3 betätigt. In 1 ist eine Kupplung 23 der
Lenksäule 3 im
geöffneten
Zustand dargestellt. Bei geöffneter
Kupplung 23 besteht keine mechanische Verbindung zwischen
Lenkrad 1 über die
Lenksäule 3 zum
Hydro-Servolenkgetriebe 11. Damit besteht auch keine mechanische
Verbindung vom Lenkrad 1 zu den nicht dargestellten gelenkten Rädern.
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Der Lenkaktuator 21 wird
von einem nicht dargestellten Steuergerät so angesteuert, dass er den
Fahrerlenkwunsch, der sich durch Drehen des Lenkrads 1 ausdrückt, in
eine Lenkbewegung der gelenkten Räder umsetzt. Dazu ist es einerseits
erforderlich, dass sowohl der Drehwinkel des drehfest mit dem Lenkrad 1 verbundenen
Teils der Lenksäule 3 als
auch die Stellung der Spurstange 9 bzw. der Drehwinkel
des Ritzels 13 eindeutig erfasst werden. Dies geschieht
bei den Steer-by-Wire-Lenkanlagen nach dem Stand der Technik durch
Winkelsensoren.
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Der Lenkaktuator 21 besteht
im wesentlichen aus einem ersten Elektromotor 27 und einem zweiten
Elektromotor 29. An der Motorwelle des ersten Elektromotors 27 und
des zweiten Elektromotors 29 ist je ein Ritzel 35 und 37 ausgebildet.
Die Ritzel 35 und 37 sind in Eingriff mit einem
Getrieberad 39, welches drehfest mit dem dem Ritzel 13 gegenüberliegenden
Ende des Drehstabs 15 verbunden ist. Über den Drehstab 15 wird
jede Drehbewegung des Getriebrads 39 auf das Ritzel 13 übertragen.
Der Drehstab 15 übernimmt
somit bei diesem Ausführungsbeispiel
die Funktion der Abtriebswelle. Das Ritzel 13 wiederum
ist, wie bereits erwähnt,
mit einer nicht dargestellten Zahnstange im Eingriff.
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Der erste Elektromotor 27 weist
einen ersten Winkelsensor 41 auf. Der zweite Elektromotor 29 weist
einen zweiten Winkelsensor 43 auf. Der erste und zweite
Winkelsensor 41 und 43 sind als sog. Single-Turn-Sensoren
ausgeführt,
d. h. sie können
die Drehposition der Motorwellen von erstem und zweitem Elektromotor 27 und 29 lediglich
in einem Winkelbereich zwischen 0° und
360° eindeutig
angeben. Mehrere Umdrehungen des ersten und zweiten Elektromotors 27 und 29 können vom
ersten Winkelsensor 41 und vom zweiten Winkelsensor 43 nicht
unterschieden werden.
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Deshalb weichen die Zähnezahl
des Ritzels 35 und die Zähnezahl des Ritzels 37 voneinander
ab, so dass Drehwinkel > 360° des Getrieberads 39 und damit
auch des Drehstabs 15 bzw. des Ritzels 13 eindeutig
aus den Signalen des ersten Winkelsensors 41, des zweiten
Winkelsensors 43 und eines am Ritzel 13 angeordneten
Ritzelwinkelsensor 45 ermittelt werden können.
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Aus diesem Grund kann bei Verwendung
eines Lenkaktuators 21 durch die erfindungsgemäße Auswertung
der Signale von erstem und zweitem Winkelsensor 41 und 43 sowie
Ritzelwinkelsensor 45 auf den Einsatz eines teuren Multi-Turn-Sensors
im Bereich des Drehstabventils 15, des Ritzels 13 oder, falls
der Aktuator als Lenkhandhabenaktuator eingesetzt wird, der Lenksäule 3 verzichtet
werden.
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Ein Steuergerät 47 empfängt über gestrichelt dargestellte
Signalleitungen die Signale der drei genannten Sensoren. Das Signal
des ersten Winkelsensors 41 wird mit δV
A
1 bezeichnet, das
Signal des zweiten Winkelsensors 43 mit δV
A
2 bezeichnet und das
Signal des Ritzelwinkelsensors 45 wird mit δRi1 bezeichnet.
Ausgehend von diesen Informationen kann das Steuergerät 47 den
Winkel der Lenksäule 3 eindeutig
ermitteln und bei Bedarf den ersten Elektromotor 27 und
den zweiten Elektromotor 29 so ansteuern, dass der Drehwinkel
des Drehstabs 15 einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Die Ansteuerung des ersten Elektromotors 27 und des zweiten
Elektromotors 29 ist in 1 nicht
dargestellt. Die Ansteuerung dieser Motoren kann außerdem in
Abhängigkeit von
anderen Parametern, hier summarisch mit 49 bezeichnet, erfolgen.
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In 2 ist
der Lenkaktuator 21 schematisch dargestellt. Aus dieser
Darstellung wird deutlich, dass das Getrieberad 39, welches
drehfest mit der Lenksäule 3 (nicht
dargestellt) einerseits und mit dem Drehstab 15 andererseits
verbunden ist, von einem ersten Ritzel 35 und einem zweiten
Ritzel 37 angetrieben wird. Der erste Elektromotor 27 sowie
der erste Winkelsensor 41 sind in 2 nicht dargestellt. Das Gleiche gilt
für den
zweiten Elektromotor 29 und den zweiten Winkelsensor 43 (siehe 1). Es ist jedoch so, dass
der erste Winkelsensor 41 den Drehwinkel des nicht dargestellten
ersten Elektromotors 27 bzw. des ersten Ritzels 35 misst.
Gleiches gilt in entsprechender Weise für den zweiten Winkelsensor 43.
In der 2 sind beispielhaft
ein Winkel 6vai am ersten Ritzel 35 eingetragen. Dieser
Winkel δV
A
1 wird vom
ersten Winkelsensor 41 (nicht dargestellt) erfasst. Der
zweite Winkelsensor 43 (nicht dargestellt) erfasst in entsprechender
Weise einen Drehwinkel δV
A
2 des
zweiten Ritzels 37. Wegen der starren Kopplung zwischen
erstem Ritzel 35 sowie zweitem Ritzel 37 mit dem
Getrieberad 39 kann aus den Drehwinkeln δV
A
1 und δV
A
2 ein Drehwinkel δV
A
12 am Getrieberad 39 berechnet
werden.
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Die Zähnezahl Z2 des
zweiten Ritzels 37 ist gleich p. Die Zähnezahl Z1 des
ersten Ritzels 35 ist um 1 gegenüber der Zähnezahl des zweiten Ritzels erhöht (Z1 = Z2 + 1). Die
Zähnezahl
Z3 des Getrieberads 39 ist gleich
m. Wegen der unterschiedlichen Zähnezahlen
von erstem Ritzel 35, zweitem Ritzel 37 und Getrieberad 39 sind
die Winkel δV
A
1, δV
A
2 sowie δV
A
1
2 voneinander
verschieden. Diese Unterschiede werden ausgenutzt, um trotz der
Verwendung von Single-Turn-Sensoren am ersten Ritzel 35 und
am zweiten Ritzel 37 den Drehwinkel der Lenksäule bzw. des
Drehstabs 15 eindeutig zu bestimmen.
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Der Winkel δV
A
1
2 wird
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 nicht direkt am Getrieberad 39 erfasst,
sondern durch den Ritzelwinkelsensor 45 am Ritzel 13 (nicht
dargestellt; siehe dazu 1)
erfasst. Der vom Ritzelwinkelsensor 45 erfasste Winkel
wird in 2 und nachfolgend
mit δRi1 bezeichnet. Wegen der Fähigkeit
des Drehstabs 15 unter Belastung zu tordieren, entspricht
der Winkel δRi1 nicht genau dem Winkel δV
A
12. Da es für eine genaue
Regelung der Stellung der gelenkten Räder des Fahrzeugs auf die Position
des Ritzels 13 bzw. der Zahnstange, welche die Spurstange 9 betätigt (siehe 1) ankommt, ist es sinnvoll,
den Drehwinkel δRi1 des Ritzels 13 direkt zu erfassen.
Die durch die Torsion des Drehstabs 15 verursachten Unterschiede
zwischen dem Ritzelwinkel δRi1 und dem Drehwinkel δV
A
12 des Getrieberads 39 werden
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren egalisiert
bzw. eliminiert.
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Im Folgenden werden die oben eingeführten Bezeichnungen
für die
verschiedenen Signale der Winkelsensoren 41, 43 und 45 beibehalten.
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In 3 ist
das Regelungskonzept des Lenkaktuators 21 als Blockschaltbild
vereinfacht dargestellt. Die Eingangsgröße dieses Regelkreises ist
ein vom Lenkrad 1 auf die Lenksäule 3 übertragener Fahrerlenkwunsch δLR.
Die Eingangsgröße δLR ist
das Winkel-Signal eines in 1 nicht
dargestellten Lenkradwinkelsensors und wird einer Winkelaufbereitung 53 und
einer Additionsstelle 51 zugeführt. Dort wird eine Ausgangsgröße δV
A
2 des Regelkreises mit
negativem Vorzeichen zu der Eingangsgröße δLR addiert.
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Ausgangsgröße eines Robust Position Controllers
RPC, der mit der Größe δLR – δV
A
2 beaufschlagt wird,
ist eine Spannung US
Q im
rotorfesten Koordinatensystem. Diese Spannung USQ kann
beim Auftreten von Dauerschwingungen ggf. mit einem Friction Force
Compensator FFC beeinflusst werden. Die Summe der vom Robust Position
Controller RPC und vom Friction Force Controller FFC ausgegebenen Spannungen
wird in einem Constraint Torque Controller CTC als Eingangsgröße verwendet.
Der Constraint Torque Controller CTC verteilt die Spannung von der
Momentenregelung auf eine Raumzeigermodulation RZM. Diese ermittelt
die Schaltzeiten zur Ansteuerung des Lenkaktuatos 21 in
einem Umrichter (nicht dargestellt). Hierzu werden neben den Spannungen
noch das Winkel-Signal δV
A
1 des
ersten Winkelsensors 41 und das Winkel-Signal δV
A
2 des zweiten Winkelsensors 43 verwandt.
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Mit den Ausgangsgrößen der
Raumzeigermodulation RZM wird der Lenkaktuator 21 angesteuert.
Die infolge der Ansteuerung des Lenkaktuators 21 entstehenden
Winkel-Signale δV
A
1, δV
A
2 und δRi1 werden über einen
CAN-Bus eingelesen und an die Winkelaufbereitung 53 übermittelt.
Aus diesen einzelnen Single-Turn-Winkel-Signalen wird mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens
der Ist-Wert des Leitrads 39 berechnet. Der Ist-Wert δV
A
1 des Leitrads 39 kann
zwischen –720° und +720°, entsprechend vier
vollen Lenkradumdrehungen, liegen. Damit kann die absolute Lage
des Lenkradaktuators 21 eindeutig bestimmt werden.
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Da die aus dem an sich bekannten
Nonius-Prinzip berechnete Winkelinformation sehr störungsempfindlich
und deshalb für
die Positionsregelung, vor allem im Bereich von Steer-by-Wire-Lenkungen, nicht
zuverlässig
genug ist, müssen
die o. g. Winkel-Signale nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufbereitet werden.
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Grundsätzlich erlaubt das Nonius-Prinzip
die Bestimmung eines Drehwinkels an einem Zahnrad durch Winkelmessung
an zwei kleineren Zahnrädern mit
unterschiedlicher Zähnezahl.
Diese Voraussetzung ist bei dem Lenkaktuator 21 gegeben
(siehe 2). Die Winkelsensoren 41 und 43 erzeugen
jeder ein Winkel-Signal
in einem Bereich von –180° bis +180°, entsprechend
einer Umdrehung des ersten Ritzels 35 bzw. des zweiten
Ritzels 37. Im gewählten Anwendungsbeispiel
einer Steer-by-Wire-Lenkanlage
werden die Zähnezahlen
Z1, Z2 und Z3 des ersten Ritzels 35, des zweiten
Ritzels 37 und des Getrieberads 39 so gewählt, dass
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
in zwei Berechnungsstufen ein Absolutwinkel von 0° bis 1.440° eindeutig
ermittelt werden kann. Die Torsion des Drehstabs 15 (siehe 1 und 2) ist zur Vereinfachung in der Beschreibung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht berücksichtigt worden.
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Anhand der 4 wird deutlich, dass aus den gemessenen
Eingangsgrößen δV
A
1, δV
A
2 in eines ersten
Berechnungsstufe eine erste virtuelle Zwischengröße φαS nach
der folgenden Formel berechnet wird: φαS =
(n + 1∙δV
A
1 + n∙δV
A
2 + 25∙k∙360°)/312.
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Mit Hilfe dieser ersten virtuellen
Zwischengröße φαS und
dem Ritzelwinkel δRi1 wird in einer zweiten Berechnungsstufe
eine zweite virtuelle Zwischengröße φges nach
der folgenden Formel berechnet: φges =
mφαS +
m + 1∙δRi1 +
9∙k∙360°)/40.
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Das weitere Vorgehen zur Bestimmung
des Ist-Werts δV
A
1 des
Leitrads 39 aus den genannten Eingangsgrößen wird
anhand der 5 erläutert. Wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
erstmals durchgeführt
wird, ist zunächst
eine Initialisierung eines Zählers 55 erforderlich.
Der Zähler 55 hat
die Aufgabe, die Zahl n der Umdrehungen der Lenksäule zu bestimmen.
Wie bereits erwähnt,
wird davon ausgegangen, dass die beispielhaft vorgestellte Steer-by-Wire-Lenkung
mit vier Umdrehungen der Lenksäule
von Anschlag zu Anschlag gedreht werden kann. Dies bedeutet, dass
die Zahl n zwischen 1 und 4 liegen kann. Die Mittellage der Lenkung
liegt demzufolge am Ende der zweiten und vor dem Anfang der dritten
Umdrehung.
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Zur Initialisierung des Zählers 55 wird
die zweite virtuelle Zwischengröße φges auf die Zahl der Umdrehungen normiert,
indem eine ganzzahlige Division der zweiten virtuellen Zwischengröße durch 360° erfolgt.
Der Divisionsrest geht verloren. Mit dieser Größe n, nachfolgend als Zahl
der Umdrehungen der Lenksäule
bezeichnet, wird der Zähler 55 initialisiert.
In 5 ist dieser Betriebszustand
dargestellt. Anschließend
wird die Zahl n mit 360° multipliziert und
das Winkel-Signal δV
A
1 des
ersten Winkelsensors 41 addiert. Das Ergebnis ist der gewünschte Ist-Wert δV
A
1
2 des
Leitrads 39, bzw. des Ritzels 13.
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Sobald die Initialisierung des Zählers 55 stattgefunden
hat, wird ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der Zahl n der
Umdrehungen der Lenksäule
eingesetzt. Dieses Verfahren benutzt das Winkel-Signal δV
A
1 des ersten Winkelsensors 1 und
subtrahiert von diesem Signal eine Größe, die durch eine Division
des Winkel-Signals δV
A
1 mit
einer Größe Z gebildet
wird. Die Größe Z ist
gleich der Zähnezahl
z1 des ersten Ritzels 35.
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Anschließend wird in einer Sprungerkennung Δ das Winkel-Signal δV
A
1 durch 360° geteilt
und anschließend
gerundet. Daraus ergibt sich ebenfalls die Zahl n der Umdrehungen
der Lenksäule.
Bei der Sprungerkennung Δ wird
der Effekt ausgenutzt, dass das Lenkrad 1 vom Fahrer nur
mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht werden kann. Diese
Drehgeschwindigkeit ist so gering, dass zwischen zwei Abtastungen
des ersten Winkelsensors 41 die Differenz des Winkel-Signals δV
A
1 des ersten Winkelsensors 41 nicht
größer als
90° sein
kann. Deshalb wird folgendes Verfahren in der Sprungerkennung Δ durchgeführt:
– Bilden
einer Differenz (ΔδV
A
1) eines Winkel-Signals (δV
A
1(t)) des ersten
Winkelsensors zum Zeitpunkt t und eines Winkel-Signals (δV
A
1(t – 1))des
ersten Winkelsensors zum Zeitpunkt t – 1,
– Erhöhen der Zahl (n) der Umdrehungen
der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) > 180° ist,
– Erniedrigen
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn die Differenz (ΔδV
A
1) < –180° ist oder
– Beibehalten
der Zahl (n) der Umdrehungen der Welle, wenn der Betrag der Differenz
(|ΔδV
A
1|) < 180° ist.
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Bei diesem Verfahren der Sprungerkennung ist
somit ein Sicherheitsfaktor von 2 vorhanden.
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Alternativ kann auch die Differenz
AδV
A
1 mittels einer
Division durch 360 normiert werden und diese normierte Differenz ΔδV
A
1,norm gerundet
werden. Das Ergebnis der Rundung wird zur Zahl n der Umdrehungen
der Welle addiert. Diese alternative Ermittlung der Zahl n wird
vom Zähler 55 nach
erfolgter Initialisierung angewandt. In 5 ist dies durch eine gestrichelte Linie
zwischen den. Eingang des Zählers 55 und
dessen Ausgang dargestellt. Das weitere Verfahren erfolgt in gleicher
Weise wie oben beschrieben.
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In 6 ist
der Verlauf der zuvor beschriebenen Größen in Diagrammform dargestellt.
Aus ihnen kann man die zuvor beschriebenen Zusammenhänge ablesen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt mit Hilfe
von einfachen Single-Turn-Winkelsensoren eine störungsunempfindliche Ermittlung
des Drehwinkels einer Welle durchzuführen, auch wenn die verschiedenen
Winkelsensoren 41, 43 und 45 mit unterschiedlichen
Abtastraten zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgetastet werden.
Dadurch ist es möglich,
einfache Bauteile einzusetzen, ohne Abstriche bei der Sicherheit
der Drehwinkelermittlung eingehen zu müssen. Auch die Taktfrequenz
des Steuergeräts 47 (siehe 1), in welches die Ermittlung
des Drehwinkels δV
A
12 nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
integriert sein kann, kann verschieden von der Abtastrate der genannten
Winkelsensoren sein.