DE19834868A1 - Lenkradsteller für die Steer-by-Wire-Anwendung in Kraftfahrzeugen - Google Patents
Lenkradsteller für die Steer-by-Wire-Anwendung in KraftfahrzeugenInfo
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Lenkradsteller für die steer-by-wire-Anwendung in Kraftfahrzeugen, mit einem an einer Lenkradwelle (2) angreifenden und diese mit einem Stellmoment beaufschlagenden elektrischen Stellmotor (6a, 6b) und wenigstens einem den Lenkradwinkel (d) erfassenden ersten Winkelsensor (4), wobei der Stellmotor (6a, 6b) und der Winkelsensor (4) funktionell mit einer Stellbefehle für den Stellmotor erzeugenden Regel-/Steuereinheit (7a, 7b) verbunden sind, der dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein zweiter den Lenkradwinkel erfassender Winkelsensor vorgesehen ist und daß eine erste und zweite Stelleinheit (I, II) aus jeweils einem elektrischen Stellmotor (6a, 6b) und jeweils einer diesen über eine Leistungselektronik regelnden/steuernden, als Prozeßrechner ausgebildeten Steuereinheit (7a, 7b) gebildet sind; jede Steuereinheit (7a, 7b) und die Winkelsensoren (4, 22) sind untereinander und mit einem übergeordneten Fahrzeugrechner durch einen Datenbus (3) verbunden, und jede Steuereinheit hat außerdem einen Eingang zur Eingabe von der Ständerspannung und dem Ständerstrom des zugeordneten Stellmotors entsprechenden Signalen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Lenkradsteller für die
steer-by-wire-Anwendung in Kraftfahrzeugen, mit einem an
einer Lenkradwelle angreifenden und diese mit einem
Stellmoment beaufschlagenden elektrischen Stellmotor und
wenigstens einem den Lenkradwinkel erfassenden ersten
Winkelsensor, wobei der Stellmotor und der Winkelsensor
funktionell mit einer Stellbefehle für den Stellmotor
erzeugenden Regel/Steuereinheit verbunden sind.
Ein derartiger Lenkradsteller ist aus der DE 195 40 956 C1
bekannt. Dieser bekannte Lenkradsteller setzt, wenn die
mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und der
gelenkten Achse aufgetrennt ist, der vom Fahrer am Lenkrad
aufgebrachten Kraft einen steuerbaren Betätigungswiderstand
entgegen. Besonders bei steer-by-wire-Anwendungen, bei
denen keine mechanische Verbindung mehr zwischen Lenkrad
und der gelenkten Achse vorhanden ist, ist eine
fehlertolerante Auslegung eines dafür geeigneten
Lenkradstellers wichtig.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen für die steer-by-wire-
Anwendung in Kraftfahrzeugen geeigneten, fehlertoleranten
Lenkradsteller zu ermöglichen, der auch beim Auftreten
eines Fehlers ein geeignet gestaltetes Gegenmoment beim
Einlenken des Fahrers am Lenkrad des steer-by-wire
gelenkten Fahrzeugs aufbringen und den Lenkradwinkel sicher
messen kann.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Lenkradsteller
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein zweiter
den Lenkradwinkel erfassender Winkelsensor vorgesehen ist
und daß eine erste und zweite Stelleinheit aus jeweils
einem elektrischen Stellmotor und jeweils einer diesen über
eine Leistungselektronik regelnden/steuernden, als
Prozeßrechner ausgebildeten Steuereinheit gebildet sind;
jede Steuereinheit und die Winkelsensoren sind
untereinander und mit einem übergeordneten Fahrzeugrechner
durch einen Datenbus verbunden, und jede Steuereinheit
weist außerdem einen Eingang auf zur Eingabe von der
Ständerspannung und dem Ständerstrom des zugeordneten
Stellmotors entsprechenden Signalen.
Zur Ausbildung eines fehlertoleranten Lenkradstellers die
beiden Stelleinheiten so eingerichtet sind, daß im
Normalbetrieb immer nur eine Stelleinheit mit dem ihr
zugeordneten Stellmotor die Stellaufgabe erfüllt und die
andere Stelleinheit über den ihr zugeordneten Stellmotor
die Drehbewegung mißt, und im Fehlerfall, wenn nur eine
Stelleinheit ausfällt, die Stellaufgabe von der jeweils
intakten Stelleinheit ausgeführt wird, und wenn beide
Stelleinheiten ausfallen, das Lenkrad noch drehbar ist und
wenigstens einer der Winkelsensoren den Lenkradwinkel
erfassen und ein entsprechendes Signal über das Bussystem
ausgeben kann.
Durch die doppelte Auslegung der miteinander in
Wirkverbindung stehenden Stelleinheiten mit der jeweils
zugehörigen intelligenten Steuereinheit sowie dadurch, daß
jede Steuereinheit die Ständerspannung und die
Ständerstromstärke des von ihr geregelten/angesteuerten
Stellmotors zurücklesen kann, ist erreicht, daß im
Normalbetrieb eine der Stelleinheiten die Stellaufgabe
ausführt und die andere Stelleinheit die Drehbewegung mißt,
und, wenn eine Stelleinheit ausfällt, kann die Stellaufgabe
von der jeweils intakten Stelleinheit ausgeführt werden.
Wenn dagegen beide Stelleinheiten ausfallen, ist das
Lenkrad immer noch drehbar und wenigstens einer der
Winkelsensoren, die den Lenkradwinkel erfassen und an den
übergeordneten Fahrzeugrechner über den Datenbus ein
entsprechendes Signal aussenden.
Im Normalbetrieb lesen beide Steuereinheiten ständig
Information über den Fahrzustand oder Kommandos vom
übergeordneten Fahrzeugrechner über den Datenbus ein.
Die Stelleinheiten sind weiterhin so eingerichtet, daß die
jeweils aktive, bei Auslenkung des Lenkrads aus der Null-
Lage dem vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübten Moment ein
adäquates Gegenmoment entgegensetzen kann. Dieses
Gegenmoment wird so erzeugt, daß die jeweils aktive
Steuereinheit aus der gemessenen Winkelposition des
Lenkrads, aus Kommandos vom Fahrzeugrechner und aus der vom
zugehörigen Stellmotor zurückgelesenen Ständer-Ist-Spannung
oder der Ist-Stromstärke eine Ständer-Soll-Spannung oder
-Soll-Stromstärke berechnet.
Bevorzugt ist die Charakteristik des Gegenmoments derart,
daß in einem bestimmten Winkelbereich des Lenkrads um seine
Null-Lage bei Verdrehung in beiden Richtungen die vom
Fahrer aufzubringende Lenkkraft mit steigendem
Lenkradwinkel annähernd linear wächst und außerhalb dieses
Winkelbereichs ein konstantes Gegenmoment erzeugt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung ist vorgesehen, daß eine den
maximal einschlagbaren Lenkradwinkel oder die Anzahl der
Umdrehung des Lenkrads begrenzende Einrichtung direkt an
der Lenkradwelle angreift. Diese Begrenzungseinrichtung
wirkt bevorzugt mit mechanischen Mitteln begrenzend auf die
Lenkradwelle ein.
In der Begrenzungseinrichtung kann ein weiterer
Winkelsensor dadurch gebildet sein, daß eine die
Winkelverdrehung des Lenkrads in eine lineare Bewegung
umsetzende Einrichtung in Form eines Wegesensors vorgesehen
ist, welcher z. B. magnetisch, elektrisch oder
optoelektronisch den Lenkradwinkel in ein lineares
Wegesignal umsetzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
nachstehend anhand der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Lenkradstellers darstellenden
Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt blockschaltbildartig ein Ausführungsbeispiel
des Systemaufbaus des erfindungsgemäßen Lenkradstellers;
Fig. 2 zeigt graphisch die Charakteristik des dem vom
Fahrer auf das Lenkrad ausgeübten Handmoment durch den
erfindungsgemäßen Lenkradsteller entgegengesetzten
Gegenmoments zwischen zwei maximalen Auslenkungswinkeln
+dmax und -dmax des Lenkrads; und
Fig. 3 zeigt schematisch ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten
Begrenzungseinheit zur Begrenzung der Anzahl der Lenkrad
umdrehungen bzw. des Lenkradwinkels.
Der erfindungsgemäße Lenkradsteller greift an einer von
einem Lenkrad 1 ausgehenden Lenkradwelle 2 an. Weiterhin
greift an der Lenkradwelle 2 eine Begrenzungseinrichtung 5
zur Begrenzung der Anzahl der Lenkradumdrehungen an. Der
Lenkradsteller besteht aus zwei miteinander durch die
Lenkradwelle 2 sowie einen Datenbus 3 verbundenen im
wesentlichen gleichartigen Stelleinheiten I, II, die
jeweils einen elektrischen Stellmotor 6a, 6b und eine mit
einem Prozeßrechner versehene Regel/Steuereinheit 7a, 7b
sowie elektrische Verbindungen 8a, 8b, 9a, 9b, 12a, 12b
aufweisen.
Die Welle 2 geht direkt durch die Rotoren der Stellmotoren
6a und 6b. Ein auf der Welle 2 befestigter erster
Winkelsensor 4 sendet seinen Meßwert über eine elektrische
Verbindungsleitung C an den hier nicht weiter
spezifizierten Datenbus 3.
Jede Regel/Steuereinheit 7a, 7b hat außer dem Prozeßrechner
auch eine Leistungselektronik und die Aufgabe, aus den
Sensorwerten und den vom übergeordneten Fahrzeugrechner
kommenden Kommandos, die Strang- oder Ständerspannungen der
elektrischen Stellmotoren 6a, 6b zu berechnen und über die
Leistungselektronik dem Stellmotor 6a, 6b einzuspeisen, um
diesen zum Drehen anzuregen. Dazu liest die
Regel/Steuereinheit 7a, 7b die notwendigen Werte vom
Datenbus 3 jeweils über die Verbindungsleitungen 9a, 9b und
die Leitungselektronik schaltet die Steuerspannung über die
elektrischen Verbindungen 8a, 8b.
Außerdem liest jede Regel/Steuereinheit 7a, 7b über die
elektrischen Verbindungsleitungen 12a, 12b Ständer-Ist-
Spannungen oder Ist-Stromstärken zurück und kann so den
hier zugeordneten elektrischen Stellmotor 6a, 6b über eine
geschlossene Regelschleife regeln.
Diese Verbindungen 12a, 12b ermöglichen außerdem, daß die
gerade nicht aktive Steuereinheit 7a oder 7b von dem ihr
zugeordneten Stellmotor durch das Rücklesen von dessen Ist-
Ständerspannung oder -Stromstärke die Drehbewegung der
Lenkradwelle 2 feststellen kann, und diese bildet dadurch
einen zweiten Winkelsensor.
Im Normalbetrieb, d. h. wenn kein Fehler auftritt, sind
beide Stelleinheiten I, und II intakt. In diesem Fall
arbeitet immer nur eine Stelleinheit I oder II, d. h. einer
der elektrischen Stellmotoren 6a oder 6b bringt das
Stellmoment auf die Lenkradwelle 2 auf, und der andere
Stellmotor 6b oder 6a dient zum Messen der Drehbewegung.
Bei einem Fehler in einer der Stelleinheiten I oder II,
z. B. in der Leistungselektronik, wird der betroffene
Stellmotor 6a, 6b nicht mehr angesteuert, und von da ab
ausschließlich der andere Stellmotor der noch
funktionierenden Stelleinheit I, II. Dabei läßt sich aber
immer noch die Drehzahl bzw. der am Lenkrad eingestellte
Drehwinkel durch den Stellmotor der fehlerbehafteten
Stelleinheit erfassen, wenn deren Steuereinheit, d. h. der
Prozeßrechner und der elektrische Stellmotor
funktionstüchtig sind. Damit steht außer dem Winkelsensor 4
ein weiterer Winkelsensor zur Erfassung der Drehbewegung
des Lenkrads zur Verfügung.
Wie weiter unten anhand der Fig. 3 erläutert werden wird,
steht in der Begrenzungseinheit 5 ein dritter Winkelsensor
bereit, um die Drehbewegung des Lenkrads zu erfassen. Alle
drei Winkelsensoren arbeiten mit drei unterschiedlichen
physikalischen Prinzipien und sind somit diversitär
redundant.
Das Konzept für die Winkelsensoren, wie auch für den
Stellantrieb des Lenkrades, ist fehlertolerant, da bei den
Winkelsensoren zwei und beim Antrieb eine ausgefallene
Einheit toleriert wird. Wenn nämlich ein Stellantrieb,
bestehend aus elektrischem Stellmotor, Leistungselektronik
und Steuereinheit ganz ausfällt, steht das Lenkrad dennoch
mit der vollen Funktion zur Verfügung, da in diesem Fall
die andere Stelleinheit die Stellaufgabe erfüllt. Wenn dann
noch die zweite Stelleinheit ausfällt, läßt sich das
Lenkrad zwar noch drehen, beim Lenken wird dem Fahrer
jedoch kein Moment mehr entgegengesetzt und eine Null-Lage
des Lenkrads fühlt der Fahrer auch nicht. Dies ist der Fall
der reduzierten Verfügbarkeit oder des sog. "limp-home".
Fig. 2 zeigt graphisch eine Charakteristik eines von der
jeweils aktiven Stelleinheit I oder II erzeugten
Gegenmoments, das der von den Fahrerhänden auf das Lenkrad
aufgebrachten Kraft entgegengesetzt ist. Beim Auslenken des
Lenkrads durch den Fahrer aus der Null-Lage wird dem Fahrer
ein Gegenmoment entgegengebracht, dessen Verlauf gem. Fig.
2 ähnlich dem von herkömmlichen Servolenkungen ist. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Steuereinheit 7a oder 7b aus
den über den Datenbus 3 erhaltenen Positionswerten des
Lenkrades, Kommandos vom Fahrzeugrechner usw. und aus den
vom zugeordneten elektrischen Stellmotor über die
Verbindungsleitung 12a bzw. 12b zurückgelesenen Ständer-
Ist-Spannungen oder Ständer-Ist-Stromstärken, Ständer-
Sollspannungen oder Sollstromstärken berechnet, derart, daß
ein der Lenkbewegung adäquates oder entsprechendes
Gegenmoment erzeugt wird.
Mit den elektrischen Stellmotoren 6a, 6b wird, geregelt und
gesteuert von der jeweiligen Steuereinheit 7a oder 7b das
in Fig. 2 erzeugte Gegenmoment derart erzeugt, daß in einem
bestimmten Bereich um die Null-Lage zwischen -dLR,gr und
+dLR,gr ein sog. Grabeneffekt am Lenkrad fühlbar ist. Dabei
steigt die vom Fahrer aufzubringende Lenkkraft linear mit
steigendem Lenkradwinkel dLR an, und außerhalb des Bereichs
zwischen -dLR,gr und +dLR,gr um den Nullpunkt liegt ein
konstantes Gegenmoment ML, max an. Bei heutigen
Servolenkungen beträgt dieses Gegenmoment ca. 5 Nm.
Auf diese Weise hat der Fahrer das Gefühl, hinter seinem
Lenkrad befinde sich eine ganz normale Lenkung und ist
nicht irritiert, wenn er ein anderes Auto mit herkömmlicher
Lenkanlage, ohne steer-by-wire-Lenkung, fährt.
Ist das vom Fahrer aufgebrachte Lenkradmoment kleiner als
das Moment gemäß Fig. 2, kann die jeweilige Stelleinheit I
oder II das Lenkrad selbständig in die Null-Lage
zurückdrehen.
Wie schon erwähnt, ist die Lenkbewegung in der Größe des
maximalen Drehwinkels oder in der Anzahl der
Lenkradumdrehungen begrenzt. Dazu dient die
Begrenzungseinrichtung 5 gemäß Fig. 1, deren Details anhand
der Fig. 3 näher beschrieben werden.
Die mechanisch an der Lenkradwelle 2 angreifende
Begrenzungseinrichtung 5 ist in Fig. 3 schematisch und im
Schnitt dargestellt. Ein Schlitten 21 fährt, angeregt durch
die Drehbewegung der Lenkradwelle 2, axial auf der Welle 2
entlang (Pfeil 23) und stößt bei einer wohldefinierten
Anzahl von Lenkradumdrehungen oder einem maximalen
Drehwinkel des Lenkrads auf die festen Begrenzungen 20a,
20b. Der Schlitten 21 und die Lenkradwelle 2 weisen an
ihren Berührungsflächen Verzahnungen 25 derart auf, daß
eine Drehung der Welle 2 eine axiale Verschiebung des
Schlittens 21 verursacht. Außerdem ist zwischen den
Begrenzungen 20a, 20b, wie bereits erwähnt, ein Wegsensor
22 angebracht, der z. B. magnetisch, elektrisch oder
optoelektronisch die lineare Bewegung des Schlittens 21
erfaßt und den Meßwert über die elektrische Verbindung 11
an den Datenbus 3 weitergibt. Dieser Wegesensor 22 stellt
somit, wie erwähnt, einen dritten Winkelsensor dar.
Claims (11)
1. Lenkradsteller für die steer-by-wire-Anwendung in
Kraftfahrzeugen, mit einem an einer Lenkradwelle (2)
angreifenden und diese mit einem Stellmoment
beaufschlagenden elektrischen Stellmotor (6a, 6b) und
wenigstens einem den Lenkradwinkel (dLR) erfassenden ersten
Winkelsensor (4), wobei der Stellmotor (6a, 6b) und der
Winkelsensor (4) funktionell mit einer Stellbefehle für den
Stellmotor erzeugenden Regel/Steuereinheit (7a, 7b)
verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. wenigstens ein zweiter den Lenkradwinkel erfassender Winkelsensor vorgesehen ist und daß eine erste und zweite Stelleinheit (I, II) aus jeweils einem elektrischen Stellmotor (6a, 6b) und jeweils einer diesen über eine Leistungselektronik regelnden/steuernden, als Prozeßrechner ausgebildeten Steuereinheit (7a, 7b) gebildet sind;
- 2. jede Steuereinheit (7a, 7b) und die Winkelsensoren (4, 22) untereinander und mit einem übergeordneten Fahrzeugrechner durch einen Datenbus (3) verbunden sind, und jede Steuereinheit außerdem einen Eingang aufweist zur Eingabe von der Ständerspannung und dem Ständerstrom des zugeordneten Stellmotors entsprechenden Signalen.
2. Lenkradsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Stelleinheiten (I, II) zur Ausbildung eines
fehlertoleranten Lenkradstellers so eingerichtet sind, daß
- 1. im Normalbetrieb immer nur eine Stelleinheit mit dem ihr zugeordneten Stellmotor die Stellaufgabe erfüllt und die andere Stelleinheit über den ihr zugeordneten Stellmotor die Drehbewegung mißt, und
- 2. im Fehlerfall,
- 1. wenn nur eine Stelleinheit ausfällt, die Stellaufgabe von der jeweils intakten Stelleinheit ausgeführt wird, und
- 2. wenn beide Stelleinheiten ausfallen, das Lenkrad noch drehbar ist und wenigstens einer der Winkelsensoren den Lenkradwinkel (dLR) erfassen und ein entsprechendes Signal über das Bussystem ausgeben kann.
3. Lenkradsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7a, 7b) jeder
Stelleinheit (I, II) ständig Information über den
Fahrzustand oder Kommandos vom übergeordneten
Fahrzeugrechner über den Datenbus einliest.
4. Lenkradsteller nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Stelleinheit (I, II) so
eingerichtet ist, daß sie, wenn sie aktiv ist, bei
Auslenkung des Lenkrads aus der Null-Lage dem vom Fahrer
auf das Lenkrad ausgeübten Moment ein der Auslenkung
entsprechendes Gegenmoment entgegensetzt.
5. Lenkradsteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gegenmoment von der jeweils aktiven Stelleinheit
(I, II) so erzeugt wird, daß die zugehörige Steuereinheit
(7a, 7b) aus der gemessenen Winkelposition des Lenkrads
(1), aus Kommandos vom Fahrzeugrechner und aus der vom
zugehörigen Stellmotor (6a, 6b) rückgelesenen Ständer-
Istspannung oder der Ständer-Ist-Stromstärke eine Ständer-
Sollspannung oder Soll-Stromstärke für den zugeordneten
Stellmotor (6a, 6b) berechnet.
6. Lenkradsteller nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Stelleinheit (I, II) das
Gegenmoment derart erzeugt, daß in einem bestimmten kleinen
Winkelbereich (± dLR,gr) des Lenkrads (1) um seine Null-
Lage bei Verdrehung in beiden Richtungen die vom Fahrer
aufzubringende Lenkkraft mit steigendem Lenkradwinkel
annähernd linear wächst und außerhalb dieses Winkelbereichs
ein konstantes Gegenmoment (± MLmax) erzeugt.
7. Lenkradsteller nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das außerdem eine den maximalen
Lenkradwinkel (dmax) begrenzende Einrichtung (5) vorgesehen
ist, die an der Lenkradwelle angreift.
8. Lenkradsteller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Begrenzungseinrichtung (5) den Lenkradwinkel (dLR)
mechanisch begrenzt.
9. Lenkradsteller nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Winkelsensor (22) dadurch gebildet
ist, daß zwischen den durch die Begrenzungseinrichtung (5)
vorgegebenen maximalen Lenkradwinkeln (dmax) ein Wegesensor
angebracht ist, der z. B. magnetisch, elektrisch oder opto
elektronisch den Lenkradwinkel (dLR) in ein lineares
Wegesignal umsetzt und dieses dem Datenbus (3) zuführt.
10. Lenkradsteller nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des bei
Verdrehung des Lenkrads aufgebrachten Gegendrehmoments
annähernd gleich wie die Lenkcharakteristik herkömmlicher
Servolenkungen ist.
11. Lenkradsteller nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß er bei losgelassenem Lenkrad (1), wenn
der Fahrer kein Moment mehr aufbringt, das Lenkrad
selbständig in die Null-Lage zurücklenkt.
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DE1998134868 DE19834868B4 (de) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | Lenkradsteller für die Steer-by-Wire-Anwendung in Kraftfahrzeugen |
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