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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an elektrischen Servolenksystemen.
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In einem typischen elektrischen Servolenksystem ist ein Elektromotor, wie etwa ein Dreiphasen-DC-Elektromotor, mit einem Teil des Lenkmechanismus, typischerweise mit der Lenkwelle, die das Lenkrad des Fahrzeugs mit den Straßenrädern verbindet, verbunden. Ein Sensor, wie etwa ein Drehmomentsensor, erzeugt ein Signal, das das Drehmoment angibt, das durch den Fahrer am Lenkrad angelegt wird, und dieses Signal wird in einen Mikroprozessor eingespeist, der ein Steuersignal für den Motor erzeugt. Der Mikroprozessor erzeugt Steuersignale für den Motor, die das Drehmoment oder den Strom angeben, das bzw. der vom Motor benötigt wird, als eine Funktion des am Lenkrad angelegten Drehmoments. Diese Steuersignale werden im Mikroprozessor in Spannungswellenform für jede Phase des Motors umgewandelt und diese werden im Gegenzug vom Mikroprozessor zu einem Motorbrückentreiber übertragen.
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Der Motorbrückentreiber wandelt die Steuersignale, die typischerweise Spannungswellenform mit niedrigem Pegel sind, in Spannungsantriebssignale mit höherem Pegel um, die an den jeweiligen Phasen einer Motorbrücke angelegt werden. Eine typische Brücke umfasst einen Satz von Schaltern, die Strom von einer Versorgung an die Phasen des Motors als eine Funktion der Spannungsantriebssignale mit hohem Pegel, die von der Brückentreiberschaltung an den Schaltern angelegt werden, selektiv anlegen. Durch das Steuern der Schalter kann der Strom im Motor relativ zu der Motorrotorposition gesteuert werden, was ermöglicht, dass das durch den Motor erzeugte Drehmoment gesteuert wird. Dadurch wird veranlasst, dass der Motor im Gebrauch ein Unterstützungsdrehmoment am Lenksystem anlegt, das dem Fahrer beim Drehen des Lenkrades hilft oder unterstützt. Da dieses Drehmoment den Ausgang des Drehmomentsensors beeinflusst, bildet dies eine Art von Regelung, die eine genaue Steuerung des zu erzielenden Motordrehmoments ermöglicht.
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Der Drehmomentsensor umfasst typischerweise einen Torsionsstab und zwei Winkelpositionssensoren, von denen einer ein Ausgangssignal bereitstellt, das die Winkelposition des Lenksystems an einer Seite des Torsionsstabs repräsentiert, und das andere ein Ausgangssignal bereitstellt, das die Winkelposition des Lenksystems an der anderen Seite des Torsionsstabs repräsentiert. Wenn kein Drehmoment angelegt wird, sind die beiden Ausgangssignale ausgerichtet, aber wenn ein Drehmoment angelegt wird, bewirken die Torsionsstabverdrehungen, dass sich die beiden Winkelpositionssensoren aus der Ausrichtung herausbewegen. Diese relative Änderung in den Ausgangssignalen liefert die Messung des benötigten Drehmoments.
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Um einen zusätzlichen Sicherheitsspielraum im Fall eines Fehlers bereitzustellen, ist es bekannt, einen Doppelkanal-Drehmomentsensor zu verwenden, der zwei Kanäle von Informationen erzeugt, die jeweils eine jeweilige Drehmomentmessung bereitstellen. Im Gebrauch wird das durch jeden Kanal angegebene Drehmoment gegen das andere geprüft, und falls sie übereinstimmen, kann angenommen werden, dass der Drehmomentwert zuverlässig ist. Falls sie nicht übereinstimmen, können ein oder beide Kanäle fehlerbehaftet sein und ein Fehler-Flag kann erstellt werden. Wenn dies geschieht, wird das Unterstützungsdrehmoment typischerweise nicht durch den Motor angelegt.
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Obwohl Doppelkanal-Drehmomentsensoren eine erhöhte Sicherheit geben, ist es nicht möglich, damit fortzufahren, ein Unterstützungsdrehmoment sicher anzulegen, falls ein Kanal fehlerbehaftet ist, selbst wenn der andere nicht fehlerbehaftet ist, teilweise da es möglicherweise nicht möglich ist, festzustellen, welcher Kanal fehlerbehaftet ist und welcher zuverlässig ist, falls beide Signale unterschiedlich sind, aber innerhalb eines Normalbereichs liegen, da jedes Signal gleichermaßen plausibel ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine elektrische Servolenkvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst: eine obere Säulenwelle, die im Gebrauch funktionsfähig mit einem Lenkrad des Fahrzeugs verbunden ist, eine untere Säulenwelle, die im Gebrauch funktionsfähig mit den Straßenrädern des Fahrzeugs verbunden ist, einen Torsionsstab, der die obere Säulenwelle und die untere Säulenwelle miteinander verbindet, einen Elektromotor, der mit der unteren Säulenwelle der Drehmomentsensorbaugruppe verbunden ist, sodass eine Änderung in der Winkelposition des Motors eine entsprechende Änderung in der Winkelposition der Ausgangswelle erzeugt und die relativen Winkelpositionen durch eine durch den Torsionsstab geführte Torsion unbeeinflusst sind, ein erstes Drehmomentsignalerzeugungsmittel, das ein erstes Drehmomentsignal basierend auf einer Winkelablenkung des Torsionsstabs erzeugt, und ein zweites Drehmomentsignalerzeugungsmittel, das ein zweites Drehmomentsignal basierend auf einer Winkelablenkung des Torsionsstabs erzeugt, wobei die Vorrichtung ferner eine Fehlerbestimmungsschaltung beinhaltet, die im Gebrauch zwei Fehlersignale erzeugt, die jeweils die Gültigkeit eines jeweiligen Drehmomentsignals angeben, und zusätzlich Folgendes beinhaltet: einen Drehmomentplausibilitätsschätzer, der im Gebrauch zwei Plausibilitätssignale erzeugt, die jeweils die Plausibilität eines jeweiligen der beiden Drehmomentsignale angeben, einen Drehmomentkanalselektor, der den Wert der beiden Fehlersignale und der beiden Plausibilitätssignale feststellt und basierend auf dem Wert dieser Signale auswählt, welche, wenn überhaupt, der Drehmomentsignale bei der Erzeugung eines Steuersignals für den Motor zu verwenden sind, und eine Motorsteuerschaltung, die das Steuersignal in Abhängigkeit von den Werten des ausgewählten Drehmomentsignals oder der ausgewählten Drehmomentsignale erzeugt.
Die Motorsteuerschaltung kann dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal mit einem Wert zu erzeugen, der von einem Durchschnitt des ersten und zweiten Drehmomentsignals abhängt, falls sowohl das erste als auch zweite Drehmomentsignal durch den Drehmomentkanalselektor, der feststellt, dass sie miteinander konsistent sind, ausgewählt werden.
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Die Motorsteuerschaltung kann auch dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal mit einem Wert zu erzeugen, der vom Wert des ersten Drehmomentsignals abhängt, falls das erste und zweite Steuersignal nicht miteinander konsistent sind und nur das erste Steuersignal als plausibel festgestellt wird.
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Die Motorsteuerschaltung kann dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal mit einem Wert zu erzeugen, der vom Wert des zweiten Drehmomentsignals abhängt, falls das erste und zweite Steuersignal nicht miteinander konsistent sind und nur das zweite Steuersignal plausibel ist.
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Schließlich kann die Motorsteuerschaltung dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal mit einem Wert von null oder, der einen Fehler angibt, zu erzeugen, falls der Drehmomentkanalselektor feststellt, dass das erste und zweite Drehmomentsignal weder miteinander konsistent noch plausibel sind.
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Die Fehlerbestimmungsschaltung für den ersten Kanal kann angeben, dass das Drehmomentausgangssignal fehlerhaft ist, wenn detektiert wird, dass der Wert des Drehmomentausgangssignals entweder nicht vorhanden ist oder außerhalb eines vorbestimmten Bereichs erwarteter Werte liegt. Gleichermaßen kann die Fehlerbestimmungsschaltung für den zweiten Kanal angeben, dass das Drehmomentausgangssignal fehlerhaft ist, wenn detektiert wird, dass der Wert des Drehmomentausgangssignals vom zweiten Kanal entweder nicht vorhanden ist oder außerhalb eines Bereichs erwarteter Werte liegt.
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Der Kanalselektor kann im Gebrauch nur dann einen Kanal auswählen, wenn die Plausibilität des Kanals als plausibel festgestellt wird und es keinen Drehmomentkanalfehler für diesen Kanal gibt.
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Der Plausibilitätsschätzer für jedes Drehmomentsignalerzeugungsmittel kann bestimmen, dass ein Drehmomentsignal plausibel ist, indem er ein oder mehrere zusätzliche Signale feststellt, die von einem Teil des Drehmomentsensors oder von einem oder mehreren zusätzlichen Sensoren, die einen Teil des Lenksystems überwachen, erhalten werden.
Bei einer Anordnung kann die Vorrichtung ein Sekundärmittel zum Bestimmen des Drehmoments beinhalten, das von den beiden Drehmomentkanälen unabhängig oder teilweise unabhängig ist, und der Plausibilitätsschätzer kann dazu eingerichtet sein, die Plausibilität eines Drehmomentsignals durch Vergleichen des Drehmomentsignals mit dem Drehmoment, das durch das Sekundärmittel geschätzt wird, zu bestimmen.
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Die Vorrichtung kann zusätzlich ein Überprüfungsdiagnoseerzeugungsmittel beinhalten, das ein Überprüfungssignal erzeugt, das eine jegliche Differenz zwischen den beiden Drehmomentwerten angibt, wobei der Drehmomentkanalselektor zusätzlich den Ausgang des Überprüfungsdiagnosekanals feststellt, wenn er auswählt, welches, wenn überhaupt, der Drehmomentsignale zur Verwendung durch die Motorsteuerung auszuwählen ist.
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Das Überprüfungsdiagnoseerzeugungsmittel kann ein Überprüfungssignal erzeugen, das einen Überprüfungsfehler angibt, wenn festgestellt wird, dass sich die Drehmomentsignale, die von den beiden Drehmomentsignalerzeugungsmitteln ausgegeben werden, um mehr als eine vorbestimmte Menge unterscheiden (was angibt, das ein Drehmomentkanal jetzt abweicht).
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Ein Motorpositionssensor kann auch bereitgestellt sein, wobei der Motorpositionssensor dazu ausgelegt ist, ein Motorpositionssignal auszugeben, das die Position des Elektromotors angibt, wobei das Motorpositionssignal durch die Plausibilitätsschaltung verwendet wird, um die Plausibilität des ersten und zweiten Drehmomentsignals zu bestimmen. Der Motorpositionssensor kann aufgrund seiner direkten Korrelation mit der Position der Lenksäule verwendet werden, um die Drehmomentsignale zu verifizieren.
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Die Vorrichtung kann ein erstes Säulenwinkelerzeugungsmittel beinhalten, das im Gebrauch ein erstes Winkelpositionssignal erzeugt, das die Winkelposition der oberen Säulenwelle angibt, und kann ein zweites Säulenwinkelerzeugungsmittel beinhalten, das im Gebrauch ein zweites Winkelpositionssignal erzeugt, das die Winkelposition der oberen Säulenwelle angibt.
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Das erste und zweite Drehmomentsignalerzeugungsmittel können einen Komparatorschaltkreis umfassen, der die jeweiligen Drehmomentsignale aus einem Vergleich der Winkelposition der beiden Enden des Torsionsstabs erzeugt, wie jeweils durch das erste und zweite Winkelpositionserfassungsmittel angegeben.
Die Vorrichtung kann die Integrität des ersten und zweiten Säulenwinkelerzeugungsmittels prüfen, und nur, falls diese Prüfung bestanden wird, kann das assoziierte Drehmomentsignal als plausibel angegeben werden.
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Jedes der sekundären Drehmomentsignalerzeugungsmittel, wenn bereitgestellt, kann eine Schätzung des Drehmoments basierend auf der Motorposition und der Winkelposition der oberen Welle vom ersten bzw. zweiten Winkelpositionssensor erzeugen, um die Winkelablenkung des Torsionsstabs zu bestimmen.
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Die Vorrichtung kann ferner ein grobes Winkelerfassungsmittel umfassen, das dazu ausgelegt ist, ein grobes Winkelsignal zu erzeugen, wobei das grobe Winkelsignal mit sowohl dem ersten Winkelpositionssignal als auch dem zweiten Winkelpositionssignal kombiniert wird, um ein erstes absolutes Winkelpositionssignal bzw. ein zweites absolutes Winkelpositionssignal zu erzeugen, wobei das erste und zweite absolute Winkelpositionssignal durch die Plausibilitätsschaltung verwendet werden, um die Plausibilität des ersten und zweiten Drehmomentsignals zu bestimmen.
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Die Drehmomentkanalplausibilität kann daher bestätigt werden, wenn beide der folgenden Diagnosen bestanden werden:
- • Sekundäre (virtuelle) Drehmomentdiagnose (Torsionsstabablenkung, wie durch den oberen Säulenwinkel gemessen, und Motorwinkelsignal ist mit dem Drehmoment, das durch den Drehmomentkanal gemessen wird, ausgerichtet)
- • Winkelüberprüfungsdiagnose (feine und grobe Winkelkomponenten des oberen Säulenwinkels sind zueinander ausgerichtet, was das Nichtvorhandensein eines Drehmoments/Feinwinkelkanal-Gleichtaktfehlers bestätigt)
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Die Plausibilitätsschaltung kann dazu ausgelegt sein, zu bestimmen, dass das erste und zweite Drehmomentsignal plausibel sind, falls ein entsprechender erster oder zweiter virtueller Drehmomentfehler und ein entsprechender erster oder zweiter Winkelfehler innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen.
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Das Aufweisen eines vorbestimmten zulässigen Bereichs für die Fehlersignale gewährleistet, dass etwas Sensordrift oder -toleranz gestattet ist, während gewährleistet wird, dass die Signale weiterhin für den gewünschten Zweck genau genug sind.
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Die Verarbeitungsmittel können dazu ausgebildet sein, den ersten und zweiten virtuellen Drehmomentfehler aus dem ersten Winkelpositionssignal und dem Motorwinkelsignal bzw. dem zweiten Winkelpositionssignal und dem Motorwinkelsignal zu berechnen.
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Des Weiteren können die Verarbeitungsmittel dazu ausgebildet sein, den ersten und zweiten Winkelfehler aus dem ersten Winkelpositionssignal und dem groben Winkelsignal bzw. dem zweiten Winkelpositionssignal und dem Motorwinkelsignal zu berechnen.
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Die erste und zweite Drehmomentsignalerzeugungsschaltung können jeweils eine separate Leistungsversorgung, einen separaten Kabelbaum und/oder eine separate Kommunikationsschnittstelle aufweisen. Durch das Bereitstellen einer derartigen Anordnung wird verhindert, dass ein Ausfall eines einzigen der Leistungsversorgung, des Kabelbaums oder der Kommunikationsschnittstelle zu einem Nichtvorhandensein oder Fehler oder beidem der Drehmomentsignale führt.
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Die von den Sensoren ausgegebenen Signal können unter Verwendung eines SENT(Single Edge Nibble Transmission)-Protokolls zu einer Signalverarbeitungsschaltung übertragen werden, die die Plausibilität und den Fehler in den Signalen bestimmt und auswählt, welches Drehmomentsignal oder welche Drehmomentsignale zu der Motorsteuerung zu übergeben sind. SENT liefert eine ausreichend hohe Anzahl von Kommunikationskanälen, um vollständig separate Kanäle für alle erforderlichen Signale bereitzustellen. Somit können der erste und zweite Drehmomentkanal und die Signale, die zum Bestimmen der Plausibilität dieser Signale verwendet werden, separat genug gehalten werden, um einen Ausfall eines Satzes zu gestatten, während die Ausgabe von Steuersignalen zum Elektromotor weiterhin ermöglicht wird.
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Jetzt wird nur beispielhaft eine Ausführungsform eines Lenksystems, das Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung einbezieht, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
- 1 ist eine allgemeine Ansicht eines Teils eines elektrischen Servolenksystems, das innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung fällt;
- 2 ist ein Blockdiagramm der Schlüsselteile einer elektrischen Schaltung des Systems von 1;
- 3 stellt die Schlüsselkomponenten eines kombinierten Drehmoment- und Winkelpositionssensors dar, der im System von 1 verwendet wird;
- 4 ist eine allgemeine Ansicht der mechanischen Anordnung des Sensors von 3;
- 5 stellt eine Anordnung der Erfassungselektronik des Sensors von 4 ausführlicher dar;
- 6(a) bis (b) stellen die Variation in den Ausgangssignalen des Sensors von 3 dar;
- 7 ist ein schematisches Diagramm der durch das Verarbeitungsmittel verwendeten Logik, gemäß der Erfindung.
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Wie in 1 dargestellt, befindet sich ein elektrisches Servolenksystem 1 in einer Lenkvorrichtung zwischen dem Lenkrad und den Straßenrädern. Das System umfasst einen Elektromotor 2, der eine Ausgangswelle 3 aufweist, die durch ein Getriebe 4, das gewöhnlich ein Schneckengetriebe umfasst, das mit einem Zahnrad zusammenarbeitet, mit einer unteren Lenksäulenwelle verbunden wird. Die untere Säulenwelle ist indirekt über eine Zahnstange oder eine andere Verbindung mit den Straßenrädern des Fahrzeugs verbunden. Eine obere Säulenwelle stützt das Lenkrad und ein Drehmomentsensor 6 verbindet die obere Säulenwelle mit der unteren Säulenwelle. Der Drehmomentsensor umfasst einen Torsionsstab, der die obere und untere Säulenwelle verbindet und so konstruiert ist, dass er sich als Reaktion auf ein Drehmoment, das über den Torsionsstab angelegt wird, wenn der Fahrer das Lenkrad dreht, um eine bekannte Menge verdreht. Die maximale Verdrehung wird durch die Bereitstellung von Anschlägen an der oberen und unteren Säulenwelle zu ±5 Grad beschränkt.
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Der Drehmomentsensor detektiert die Verdrehung des Torsionsstabs und wandelt diese in mindestens ein Drehmomentsignal um, obwohl er, wie ersichtlich werden wird, zwei Drehmomentsignalkanäle erzeugt, wobei diese Drehmomentsignale in eine Motorsteuerschaltung in Form eines Mikrocontrollers 7 einer Motorantriebssteuerung, die innerhalb eines Mikroprozessorchips bereitgestellt ist, eingespeist werden. Die Steuerung erzeugt Motorphasenspannungen, die an die Schalter einer mit jeder Phase des Motors assoziierten Motorbrücke angelegt werden, um zu bewirken, dass der Motor ein Drehmoment erzeugt, das den Fahrer unterstützt. Dies ist gewöhnlich proportional zu dem gemessenen Drehmoment, sodass, während der Fahrer ein höheres Drehmoment anlegt, der Motor eine höhere Menge an Unterstützung bereitstellt, um dabei zu helfen, das Lenkrad zu drehen.
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Wie in 2 dargestellt, umfasst die Steuerung eine Mikroprozessor 8, der ein ausgewähltes Drehmomentsignal oder ausgewählte Drehmomentsignale und ein Maß des Stroms i, der im Motor fließt (entweder in jeder Phase oder der Gesamtstrom in den oder aus dem Motor), empfängt. Sie empfängt auch ein Maß der Motorrotorposition von einem Motorrotor-Winkelpositionssensor, der mit dem Motor verbunden ist, oder sie berechnet dieses intern aus den Stromsignalen. Die Rotorposition zusammen mit dem Strom ermöglicht der Steuerung, das angelegte Drehmoment zu bestimmen. Das Maß des Drehmoments von den Drehmomentsensoren wird durch die Steuerung verwendet, um zu bestimmen, welches Drehmoment sie vom Motor anfordern soll. Dies ist wiederum gut in der Technik bekannt und viele unterschiedliche Steuerstrategien und Motorphasenspannungswellenformen zum Erzielen des erforderlichen Drehmoments sind in der Technik vorgeschlagen worden. Bei der unten beschriebenen Ausführungsform wird der Wert des durch den Fahrer angelegten Drehmoments, der durch die Steuerung verwendet wird, vorsichtig durch Feststellen des Drehmomentsignals, das durch zwei Drehmomentkanäle erzeugt wird, und auch von Signalen, die angeben, ob ein oder beide Werte fehlerhaft sind, unplausibel sind oder sich im Wert unterscheiden, ausgewählt.
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Der Ausgang des Mikroprozessors 8 wird typischerweise einen Satz von Motorphasenspannungswellenformen sein, typischerweise PWM-Wellenformen, die die Phasenspannungen repräsentieren, die durch die Steuerung zum Erzielen des gewünschten Motorstroms und damit des Motordrehmoments benötigt werden. Diese sind Signale mit niedrigem Pegel und werden von der Steuerung zu den Eingängen einer Motorbrückenschaltung 9 eingespeist. Die Funktion der Motorbrückenschaltung 9 besteht darin, die Signale mit niedrigem Pegel in Antriebsignale mit höherem Pegel für die Schalter einer Motorbrücke 10 umzuwandeln. Beispielsweise wird mit einem Dreiphasenmotor jede Phase über einen High-Schalter mit der positiven Versorgung und über einen Low-Schalter mit Masse verbunden, wobei nur eine von diesen gemäß dem Muster, das durch die PWM-Schaltwellenformen definiert wird, zu einer jeglichen gegebenen Zeit verbunden sein wird.
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3 stellt eine beispielhafte Drehmomentsensorbaugruppe ausführlicher dar und die 4 und 5 stellen noch weitere Einzelheiten von Teilen des Sensors dar. In der allgemeinsten Form kann der Drehmomentsensor eine beliebige Anordnung sein, die zwei Drehmomentkanäle erzeugt, die jeweils ein entsprechendes Signal der oberen Säulenposition aufweisen. Idealerweise sollten diese beiden Drehmomentkanäle und auch das Signal der oberen Säulenposition voneinander unabhängig sein.
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Bei diesem Beispiel ist ein Sensor ausgewählt worden, der einen kombinierten Zweikanal-Drehmoment- und Zweikanal-Obere-Säule-Positionssensor mit insgesamt fünf Sensoren 11, 12, 13, 14 und 15 aufweist, die in einer einzigen integrierten Einheit mit einer gemeinsamen Vorverarbeitungseinheit kombiniert sind, die die Sensorausgangssignale aus internen Rohsignalen von den Sensoren erzeugt. Drei der Sensoren befinden sich an einer oberen Säulenwelle 5a und zwei an einer unteren Säulenwelle 5b, wobei die beiden Wellen durch einen Torsionsstab 18 verbunden sind, der sich verdreht, wenn ein Drehmoment über die Welle 5 angelegt wird.
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Die fünf Sensoren umfassen:
- • zwei Feinwinkel-Winkelpositionssensoren 13, 14 der oberen Säule, die am oberen Säulenwellenende des Torsionsstabs angebracht sind und jeweils ein unabhängiges Winkelpositionssignal (Kanal-1-Signal und Kanal-2-Signal) erzeugen, die zusammen einen Teil eines Erfassungsmittels der oberen Säule bilden;
- • zwei Feinwinkel-Winkelpositionssensoren 11, 12 der unteren Säule, die am unteren Säulenwellenende des Torsionsstabs am nächstgelegenen zum Motor angebracht sind und jeweils ein unabhängiges Winkelpositionssignal (Kanal-1- und Kanal-2-Signal) erzeugen, die zusammen ein Erfassungsmittel der unteren Säule bilden; und
- • einen sekundären Positionssensor 15 der oberen Säule, der ein Winkelpositionssignal mit grober Auflösung erzeugt und als ein weiterer Teil des Erfassungsmittels der oberen Säule angesehen werden kann.
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Ein Prozessor 17 verwendet ein Subtraktionsprinzip zum Detektieren einer Verdrehung im Torsionsstab, indem er die Position der unteren Säulenwelle von der der oberen Säulenwelle (oder umgekehrt) subtrahiert, um einen Winkelablenkwert für den Torsionsstab zu bestimmen. Dies wird zweimal durchgeführt, einmal für das obere und untere Kanal-1-Signal und erneut für das obere und untere Kanal-2-Signal, um zwei unabhängige Drehmomentmessungen oder Drehmomentkanäle zu ergeben.
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Der Torsionsstab 18 ist so konstruiert, dass er sich durch maximal ±5 Grad um eine Mittenposition als Reaktion auf ein maximal erwartetes Drehmoment in jede Richtung verdreht, wie oben beschrieben. Sobald dieser Bereich erreicht worden ist, wird eine weitere Verdrehung durch den Eingriff der Anschläge an der oberen und unteren Säulenwelle verhindert, was den Torsionsstab vor Schaden schützt und eine solide Verbindung ergibt, falls der Torsionsstab jemals versagen sollte.
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Jedes der Winkelpositionserfassungsmittel beinhaltet einen jeweiligen Metallrotor 19, 20, der eine flache Metallscheibe mit mehreren gleichmäßig beabstandeten radialen Armen aufweist, die eine ringförmige Bahn mit Ausschnitten 19a bilden, die sich um die Scheibe herum erstrecken. Es gibt daher insgesamt zwei Scheiben, eine an der unteren Säulenwelle und eine an der oberen Säulenwelle. Die relevanten Teile einer beispielhaften Sensorbaugruppe sind in den 4 und 5 der Zeichnungen dargestellt.
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Die Winkelbreite jedes Ausschnitts ist gleich dem Winkelabstand zwischen jedem Ausschnitt. Der Abstand der Ausschnitte des unteren Säulenwellenrotors beträgt 40 Grad und der des oberen beträgt 20 Grad. In dem beispielhaften Rotor und Stator von 5 wird der Winkel durch den Abstand zwischen den radialen Armen der Spulen festgelegt und dies wird sich für die oberen und unteren Sensoren unterscheiden. Sie unterscheiden sich, da die physischen Beschränkungen bei der Herstellung der speziellen Sensorbaugruppe in gewisser Hinsicht für diese beschriebene Ausführungsform einzigartig sind. In der Tat würde bevorzugt werden, dass sie beide 40 Grad oder mehr in der Periodizität betragen würden.
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Jeder Rotor 19, 20 arbeitet mit einem Statorstützteil 21 zusammen, das eine Leiterplatte (PCB: Printed Circuit Board) umfasst, um zwei Winkelpositionssensoren zu bilden. Die Platine 21 trägt die aktiven Teile der Erfassungsmittel, die zwei Erregerspulen und zwei Sätze von Empfängerspulen umfassen, wobei eine Erregerspule und ein Satz von Empfängerspulen jeden der beiden Sensoren bilden. Die Erregerspule jedes Sensors bildet einen Teil einer LC-Schaltung und erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Feld induziert einen Strom im Metallrotor und der Rotor erzeugt im Gegenzug sein eigenes Magnetfeld, das zu den jeweiligen Empfängerspulen dieses Sensors auf der PCB zurückgekoppelt wird. Die induzierten Spannungen in jedem der drei Empfänger variiert gemäß der Rotorposition und die Vorverarbeitungseinheit der Sensorbaugruppe wandelt die drei Signale in ein Ausgangssignal für den Sensor um, das linear mit der Rotorposition variiert. Während der Rotor rotiert, wird jedes der Winkelpositionssignale linear mit einer Periodizität von 40 Grad für den unteren Rotor und 20 Grad für den oberen Rotor variieren. Die Ausgangssignale wiederholen sich daher viele Male während einer vollständigen Umdrehung der oberen Säulenwelle und liefern somit selbst keine Indikation der absoluten Position der Welle über den vollen Bewegungsbereich der oberen Säulenwelle, der typischerweise zwischen 3 und 4 Drehungen von Anschlag zu Anschlag des Lenkrades ist.
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6(a) und (b) stellen dar, wie das Ausgangssignal aus den Ausgangssignalen des oberen und unteren Sensors über eine volle Rotation der Lenksäule variiert, falls kein Drehmoment angelegt wird. Wie gesehen werden kann, variiert jedes linear über 20 oder 40 Grad, bevor es sich wiederholt. Falls ein Drehmoment angelegt wird, wird die relative Phase dieser Rampensignale variieren, und dies wird zum Bestimmen des Drehmoments verwendet. Die maximale Verdrehung des Torsionsstabs ist wesentlich geringer als 20 Grad, somit wird es immer eine eindeutige Phasenänderung zwischen den Rampen geben, die detektiert werden kann. Diese Form von differenzieller Messung über zwei Sensoren ist in der Technik wohl bekannt und wird somit hier nicht weiter erläutert.
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Damit die Signale eine Indikation der absoluten Position der Welle sowie der Verdrehung des Torsionsstabs bereitstellen können, ist ein sekundärer Sensor bereitgestellt. Der sekundäre Sensor ist über ein Zahnrad mit der oberen Säulenwelle verbunden. Dies kann in 3 gesehen werden. Dieser Sensor 15 weist eine viel niedrigere Periodizität als sowohl der obere als auch der untere Säulensensor auf und gibt in diesem Beispiel ein linear variierendes Signal aus, das sich alle 296 Grad der Drehung der oberen Welle wiederholt. Dies ist in 6(c) dargestellt. Er umfasst einen einzelnen Magneten mit einem Nord- und Südpol, der an einem einzigen Hall-Effekt-Sensor vorbei rotiert, was eine rampenartige Wellenform ergibt, die durch einen Zyklus über die 296 Grad variiert. Das Signal ist ein „grobes“ Signal, da es für ein gegebenes Level von Bits im digitalen Signal alle Werte von 0 bis 296 abdecken muss. Im Vergleich ist es für den 20-Grad-Sensor ein „feines“ Signal, da die Bits im digitalen Signal einen kleinen Bereich von Winkeln abdecken müssen, z. B. mehr als 10-mal die Winkelauflösung für eine gegebene Anzahl von Bits im digitalen Signal.
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Um die absolute Säulenposition zu erhalten, kann der Prozessor den Wert des Ausgangssignals des sekundären Sensors, das sich alle 296 Grad wiederholt, mit dem des 20-Grad- oder 40-Grad-Sensors verarbeiten. Bei diesem Beispiel verarbeitet er es mit einer modifizierten Form des Kanal-1-Signals vom unteren Säulensensor, das modifiziert wird, um den Effekt der Verdrehung des Torsionsstabs zu entfernen, um ein „virtuelles Positionssignal der oberen Säule“ zu bilden, das sich alle 40 Grad der Drehung wiederholt. Dieser Vergleich ermöglicht, dass ein eindeutiges Winkelpositionssignal für die obere Säule erzeugt wird, das sich alle 1480 Grad wiederholt (da dies der Rotationswinkel vor dem Koppeln von Werten des sekundären Sensors und des virtuellen Signals der oberen Säule ist).
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Das Kanal-1-Drehmomentsignal T1 und die Winkelpositionssignale (oberes und unteres), als die erste Sensorschaltung 22 bezeichnet, und das Kanal-2-Drehmomentsignal T2 und die Winkelpositionssignale (oberes und unteres), als die zweite Sensorschaltung 24 bezeichnet, werden als Eingänge in eine Verarbeitungsschaltung 19, in 2 und ausführlicher in 7 dargestellt, verwendet, die ein ausgewähltes Drehmomentsignal oder ausgewählte Drehmomentsignale ausgibt, die in die Motorsteuerung 8 eingespeist werden. Die Funktion und Konstruktion der Verarbeitungsschaltung wird jetzt erläutert.
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In einem ersten Teil der Schaltung wird sowohl das Kanal-1- als auch -2-Drehmomentsignal in eine Bereichsprüf(Fehlerprüf)-Schaltung 26 und in eine Überprüfungsschaltung 28 eingegeben. Die Bereichsprüfschaltung 26 prüft, dass jedes Drehmomentsignal innerhalb des erlaubbaren Bereichs von Werten liegt. Falls eines außerhalb dieses Bereichs liegt und daher als unzuverlässig angesehen wird, wird ein Fehlersignal, das mit dem unzuverlässigen Drehmomentsignal in Beziehung steht, zu einer Drehmomentselektordiagnoseschaltung 30 ausgegeben. Die Überprüfungsschaltung 28 vergleicht die beiden Drehmomentsignale aus den beiden Kanälen. Falls sich das Kanal-1-Drehmomentsignal T1 und das Kanal-2-Drehmomentsignal T2 um mehr als eine vorbestimmte Menge unterscheiden, dann wird ein Signal, das einen Fehler in einem der Drehmomentsignale angibt, zu der Drehmomentselektordiagnoseschaltung 30 ausgegeben. Die Überprüfungsschaltung 28 ist jedoch alleine nicht in der Lage, anzugeben, welches Drehmomentsignal, wenn überhaupt, fehlerhaft ist.
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Um zu bestimmen, ob die Ausgänge der ersten und zweiten Sensorschaltung 22, 24 plausibel sind, werden sie jeweils einer weiteren Verarbeitung in Form einer Plausibilitätsschaltung 40 unterzogen. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Plausibilitätsschaltung 40 eine virtuelle Drehmomentdiagnoseschaltung 42 und eine Winkeldiagnoseschaltung 44 für jeden Drehmomentkanal.
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Zuerst im Hinblick auf jede virtuelle Drehmomentdiagnoseschaltung nehmen diese ein Signal der oberen Säulenposition und ein Motorpositionssignal als Eingänge an. Das Motorpositionssignal wird durch einen Motorpositionssensor erzeugt, aus dem eine absolute Position des Motors festgestellt wird. Eine vollständige Beschreibung der Arbeitsweise des Motorpositionssensors und der Erzeugung eines virtuellen Drehmomentsignals kann in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung
WO 2015/198037 des Anmelders aufgefunden werden.
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Kurz gesagt, kann durch das Kombinieren des Motorpositionssignals mit einem Signal der oberen Säulenposition ein zweites (virtuelles) Drehmomentsignal auf dieselbe Weise, wie sowohl das Kanal-1- als auch das Kanal-2-Drehmomentsignal erzeugt werden, jedoch unter Verwendung des Motorpositionssignals anstelle des Signals der unteren Säulenposition, da die Motorposition eine Indikation der Winkelposition des unteren Endes des Torsionsstabs angeben wird, erzeugt werden. Ein virtuelles Drehmomentsignal wird daher erzeugt, das entweder dem Kanal 1 oder dem Kanal 2 entspricht, in Abhängigkeit davon, welches Signal der oberen Säulenposition verwendet wird.
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Ein Winkelfehlersignal wird auch für jeden Kanal erzeugt, um anzugeben, ob die von den Winkelpositionssensoren ausgegebenen Winkelsignale fehlerhaft sind.
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Jedes virtuelle Drehmomentsignal wird dann mit seinem jeweiligen Drehmomentsignal und einem jeweiligen bestimmten virtuellen Drehmomentfehlersignal verglichen. Die virtuellen Drehmomentfehlersignale, die aus den Vergleichen der virtuellen Drehmomentsignale und der Drehmomentsignale, die durch die virtuellen Drehmomentdiagnoseschaltungen 42 erzeugt werden, und der Winkelfehlersignale, die durch die Winkeldiagnoseschaltungen 44 erzeugt werden, erhalten werden, werden dann verarbeitet. Falls diese Fehlersignale innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen, dann wird die Plausibilitätsschaltung 40 ausgeben, dass der Drehmomentsignalwert für den jeweiligen Kanal plausibel ist, wobei dieser Ausgang in die Drehmomentselektordiagnoseschaltung 30 eingespeist wird. Falls irgendwelche der Fehlersignale größer als eine vorbestimmte zulässige Menge sind, dann wird die Plausibilitätsschaltung 40 angeben, dass die jeweiligen Drehmomentsignale nicht plausibel sind.
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Die Drehmomentselektordiagnoseschaltung 30 stellt die Signale fest, die von der Bereichsprüfschaltung 26, der Komparatorschaltung 28 und der Plausibilitätsschaltung 40 empfangen werden, und bestimmt aus diesen Signalen einen Drehmomentmodus, der durch einen Drehmomentselektor 42 ausgewählt werden sollte. Der Drehmomentselektor empfängt dann das Kanal-1- und Kanal-2 Drehmomentsignal zur Verarbeitung zusammen mit dem ausgewählten Drehmomentmodus und gibt ein Steuersignal 44 zum Elektromotor 2 aus, das das erforderliche Drehmoment angibt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Drehmomentselektor
42 in der Lage, in vier unterschiedlichen Modi zu arbeiten, in Abhängigkeit vom Ausgang der Drehmomentselektordiagnoseschaltung
30, wie in der folgenden Tabelle dargelegt:
| Drehmomentselektormodus | Drehmomentselektorsignal | Drehmomentselektorfehler angegeben | Bedingungen |
| Beide Kanäle ausgewählt | Durchschnitt von Drehmoment 1 und Drehmoment 2 | Nein | (T1 und T2 beide vorhanden und im Bereich) |
| | UND |
| | ((Tl und T2 konsistent)ODER(T1 und T2 plausibel)) |
| Kanal 1 ausgewählt | Drehmoment 1 | Nein | (T1 vorhanden und im Bereich) |
| | | UND |
| | | (T1 plausibel) |
| Kanal 2 ausgewählt | Drehmoment 2 | Nein | (T2 vorhanden und im Bereich) UND |
| | | (T2 plausibel) |
| Kein Kanal ausgewählt | 0Nm | Ja | Keine der Aussagen trifft zu |
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Falls sowohl das Kanal-1- als auch das Kanal-2-Drehmomentsignal als vorhanden und im Bereich befindlich bestimmt werden, dann ist der Drehmomentselektor 42 dazu ausgelegt, ein Steuersignal auszugeben, das das durchschnittliche Drehmoment der beiden Drehmomentsignale angibt. Durchschnittlich bedeutet, dass das Steuersignal der Mittelwert der beiden Signale sein sollte.
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Falls das Kanal-1- und Kanal-2-Drehmomentsignal nicht miteinander konsistent sind, verwendet die Drehmomentselektordiagnoseschaltung 30 den Ausgang der Plausibilitätsschaltung 40, um zu bestimmen, welches der Signale plausibel und daher zuverlässig ist. Sie kann auch den Ausgang der Bereichsprüfschaltung 26 für diesen Zweck nutzen. Falls nur das Kanal-1-Drehmomentsignal plausibel ist, dann wird der Drehmomentselektor 42 angewiesen werden, ein Steuersignal 44 auszugeben, das das Kanal-1-Drehmomentsignal angibt, oder, falls nur das Kanal-2-Drehmomentsignal plausibel ist, dann wird der Drehmomentselektor 42 angewiesen werden, ein Steuersignal 44 auszugeben, das das Kanal-2-Drehmomentsignal angibt. Falls das Kanal-1- und Kanal-2-Drehmomentsignal weder miteinander konsistent noch plausibel sind, dann wird der Drehmomentselektor 42 ein Steuersignal ausgeben, das ein Drehmoment von null angibt. Somit wird dem Servolenksystem keine Unterstützung bereitgestellt.
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Wie gesehen werden kann, wird dem Servolenksystem nur dann, wenn Komponentensignale von sowohl der ersten als auch zweiten Sensorschaltung 22, 24 als fehlerhaft angesehen werden, kein Unterstützungsdrehmoment bereitgestellt. Aufgrund dessen ist das System der vorliegenden Erfindung in der Lage, ein Unterstützungsdrehmoment bei einer viel größeren Anzahl von möglichen Ausfallszenarien bereitzustellen als Systeme des Stands der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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