-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lenksollwertgeber für ein Steer-By-Wire
Lenksystem ohne mechanische Kopplung des Lenkrads zu den gelenkten
Rädern,
bei dem die Information über
die Drehung und Stellung des Lenkrads zur Verfügung stellbar ist und die taktile
Rückmeldung
zwischen gelenkten Rädern
und dem Lenkrad simulierbar ist.
-
Elektronische
Lenkräder
sind in Verbindung mit Steer-By-Wire Lenksystemen in unterschiedlichen
Nutzfahrzeugen im Einsatz. Unter Steer-By-Wire versteht man ein
System in der Kraftfahrzeugtechnik, bei dem der Lenkbefehl von einem
Sensor messtechnisch erfaßt
wird und über
ein Steuergerät
ausschließlich
elektrisch zum elektromechanischen Aktor, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet
wird. Dabei weisen diese Steer-By-Wire Systeme keine mechanische
Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern auf. Nachteilig dabei
ist, dass durch die fehlende mechanische Verbindung zwischen Lenkrad
und den gelenkten Rädern
keinerlei Rückmeldekräfte an den
Fahrzeugführer übertragen
werden.
-
Je
nach Anforderung des Fahrzeugs sind die elektronischen Lenkräder als
kompakte Handräder für die Armlehne
oder in schwereren Ausführungen für die Aufnahme
eines Lenkrades ausgeführt.
Speziell bei schnell laufenden Nutzfahrzeugen ist aber die Simulation
einer Verbindung zu den gelenkten Achsen unumgänglich. Diese Simulation erfolgt
in der Regel über
eine Veränderung
der Lenkkraft mittels stufenloser Bremsen in unterschiedlichen Ausführungen,
die durch ein Eingreifen auf den Lenksollwertgeber eine taktile
Rückwirkung
erwirken. Je nach Einsatzbereich des Steer-By-Wire Systems sind
dabei Funktionen gefordert, die sich nicht mehr mittels Bremsen
umsetzen lassen. Hierzu gehört
z. B. eine selbständige
Rückstellung
er Lenkung und des Lenkrads in Richtung der Geradeausstellung, so
lange das Fahrzeug vorwärts
fährt.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, dem Fachmann eine Weiterentwicklung
eines Lenksollwertgebers für
ein Steer-by-wire System an die Hand zu geben, der eine Lenkkraftsimulation
um die oben genannten Funktionen ergänzt.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Lenksollwertgeber nach den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Demnach wird ein Lenksollwertgeber für ein Steer-By-Wire System
ohne mechanische Kopplung des Lenkrads zu den gelenkten Rädern offenbart,
bei dem die Information über
die Drehung und Stellung des Lenkrads zur Verfügung stellbar ist und die taktile
Rückmeldung
zwischen gelenkten Rädern
und dem Lenkrad simulierbar ist, wobei der Lenksollwertgeber einen
Elektromotor und eine Elektromagnetbremse aufweist, mittels der
eine taktile Rückmeldung
realisierbar ist. Dabei ist es erfindungsgemäß, dass nicht nur eine Elektromagnetbremse
zur Erzeugung der Rückmeldekräfte eingesetzt
wird, sondern eine Kombination aus Elektromotor und Elektromagnetbremse,
die zur Simulation der Lenkkraft am Lenkrad angreifen. Durch den
erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
ist mittels Simulation eine Rückmeldung
des Lenkzustands der gelenkten Räder
an den Fahrer, ein Endanschlag des Lenkrads bei Erreichen des maximalen
Lenkeinschlags der gelenkten Räder
und eine Rückstellungstendenz
der Lenkung in Richtung der Geradeausstellung erzielbar.
-
Vorteilhafterweise
ist der Lenksollwertgeber und damit die Kombination aus Elektromotor
und Elektromagnetbremse derart ausgelegt, dass der Fahrer unter
allen Umständen
die Möglichkeit
besitzt, den Elektromotor oder die Elektromagnetbremse zu übersteuern
solange diese nicht gemeinsam im Eingriff sind. Dies bedeutet, dass
der Elektromotor so ausgelegt ist, dass sein maximales Lenkmoment
zu jeder Zeit vom Fahrer übersteuert
werden kann.
-
Wirken
der Elektromotor oder die Elektromagnetbremse in Kombination auf
den Lenkwertsollgeber ein, so soll ein Übersteuern des Lenksollwertgebers
durch den Fahrer verhindert werden.
-
Bevorzugt
umfassen der Elektromotor und die Elektromagnetbremse jeweils unabhängige Energieversorgungen
und Datenschnittstellen zur Kommunikation mit weiteren, beliebigen
Peripheriegeräten.
Aufgrund der getrennten Energieversorgungen bzw. Datenschnittstellen
ist beim Ausfall einer Versorgung bzw. Schnittstelle der Betrieb
der anderen Komponente, das heißt
Elektromotor oder Elektromagnetbremse, weiterhin gewährleistet.
Da der erfindungsgemäße Lenksollwertgeber
mit Elektromotor und Elektromagnetbremse zur Simulation der Rückmeldungskräfte für den Einsatz
als elektronisches Lenkrad in sogenannten Steer-By-Wire Lenksystemen
konzipiert ist, kann es vorgesehen sein, dass der Lenksollwertgeber über eine
Datenschnittstelle mit dem elektronischen Steuergerät des übergeordneten
Steer-By-Wire Lenksystems
verbunden ist und diese zum Austausch von Steuerinformationen und sonstiger
benötigter
Daten nutzt. Bevorzugt besitzt der Lenksollwertgeber einen Controller,
der die Ansteuerung von Elektromotor und Elektromagnetbremse übernimmt.
Dabei stellt der Controller zusätzlich
die Kommunikation zum übergeordneten Steer-By-Wire
Lenksystem über
eine Datenschnittstelle, vorzugsweise einen Can-Bus zur Verfügung. Weiterhin
kann die Schnittstelle diskrete Ausgangs- bzw. Eingangssignale aufweisen.
Beispielsweise kann anhand der diskreten Ausgangssignale die aktuelle
Lenkraddrehung signalisiert werden und ein Fehlerstatus ausgegeben
werden. Über
die diskreten Eingangssignale der Schnittstelle ist es denkbar,
Signale zur Ansteuerung der Elektromagnetbremse, sowie Signale zur
Freigabe des genannten Controllers zu übermitteln.
-
In
vorteilhafterweise ist der Lenksollwertgeber derart ausgeführt, dass
mittels des Elektromotors ein in Richtung und Größe variables Lenkmoment auf das
Lenkrad erzeugbar ist. Dadurch ist sich eine Verbindung des Lenkrads
zu den gelenkten Rädern
für den
Fahrer simulierbar. Denkbar ist, dass das Lenkrad beispielsweise über eine
Lenksäule
mit dem Elektromotor verbunden ist, dessen Drehmoment ein entsprechendes
Lenkmoment der Lenksäule
bzw. des Lenkrads erzeugt. Durch die geeignete bzw. variable Ansteuerung
des Elektromotors ist damit auch das erzeugte Lenkmoment auf dem
Lenkrad variabel einstellbar.
-
Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass ein Teil der Simulationsfunktionen für die taktile
Rückmeldung
selbständig
ohne direkten Einfluss des Steuergeräts des übergeordneten Steer-By-Wire Systems
durch den Lenksollwertgeber durchführbar ist. Dies bringt insbesondere
den Vorteil mit sich, dass sich der erfindungsgemäße Lenksollwertgeber besonders
gut eignet um ein vorhandenes beliebiges Steer-By-Wire Lenksystem nachzurüsten. Dadurch müssen bei
der Verwendung bzw. Nachrüstung
eines vorhandenen Steer-By-Wire Lenksystems mit einem erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
nur geringfügige
Modifikationen an der Steuerung bzw. am System des Steer-By-Wire
Lenksystems vorgenommen werden.
-
In
vorteilhafterweise ist der Lenksollwertgeber derart ausgeführt, dass
ein vom Fahrer in die Lenkung eingesteuertes Lenkmoment über die Stromaufnahme
des Elektromotors ermittelbar ist. Denkbar ist hierbei, dass der
Elektromotor über
eine Ansteuerungselektronik gesteuert wird, die in unterschiedlichen
und im Betrieb wechselnden Regelmodi betreibbar ist, wobei das vom
Fahrer über
das Lenkrad eingesteuerte Lenkmoment über die integrierte Motorstromerfassung
der Ansteuerelektronik ermittelbar ist. Besagtes Lenkmoment führt zu einer
Auslenkung des Elektromotors aus einer vorbestimmten Sollposition.
Als Konsequenz wirkt der Elektromotor des erfindungsgemäßen Lenksollwertgebers
dem eingesteuerten Lenkmoment des Fahrers derart entgegen, dass
das Lenkrad mittels der Kraftaufwendung des Elektromotors in die
entsprechende Ausgangslage des Lenkrads zurückversetzt wird. Die aufgewendete
Kraft des Elektromotors, das heißt das aufgewendete Drehmoment
des Drehmotors ist damit anhand der Stromaufnahme mittels einer
Motorstromerfassung des Elektromotors ermittelbar.
-
Denkbar
ist, dass der Elektromotor im Modus Positionsregelung betreibar
ist, um eine Drehmomentmessung nach Anspruch 7 zu ermöglichen.
Um den erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
im Modus Positionsregelung zu betreiben, wird der Elektromotor im
Normalbetrieb positionsgeregelt betrieben. Das vom Fahrer eingesteuerte
Lenkmoment führt
zu einer Auslenkung des Elektromotors aus seiner Sollposition. Mittels
des über
den Motorstrom gemessenen Gegenmoments ist die Lenkabsicht des Fahrers ermittelbar.
-
Es
kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Lenksollwertgeber derart
ausgeführt
ist, dass über das
elektronische Steuergerät
des Steer-By-Wire Lenksystems über
die Datenschnittstelle auf die Lenkkraftsimulation zugreifbar ist.
Damit kann der Einfluß eines übergeordneten
Steer-By-Wire Lenksystems auf den erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber dynamisch
angepaßt
werden. Beispielsweise kann ein Eingriff des übergeordneten Steer-By-Wire Lenksystems
auf den erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
aufgrund äußerer Einflüsse bzw.
manueller Befehlseingaben des Fahrers ausgeführt werden.
-
Vorteilhaft
ist ebenfalls, dass der Lenksollwertgeber derart ausgeführt ist,
dass mittels des Elektromotors eine Rückstelltendenz der gelenkten Räder und
des Lenkrads in Richtung der Geradeausstellung simulierbar ist.
Damit wird über
den Antrieb bzw. das Drehmoment des Elektromotors eine Drehbewegung
des Lenksollwertgebers erzeugt, die zur Rückstellung des Lenksollwertgebers
in eine zu definierende Ausgangslage führt. Beispielsweise kann über das
Drehmoment des Elektromotors eine Drehbewegung einer eingesetzten
Lenksäule
erzeugt werden, dass die Rückstellung
des an der Längssäule angeordneten
Lenkrades in seine Ausgangsstellung zur Folge hat.
-
Zur
Simulation eines Endanschlags des Lenkrads bei Erreichen des maximalen
Lenkeinschlags der gelenkten Räder
ist es vorteilhaft, dass der Lenksollwertgeber derart ausgeführt ist,
dass einem Weiterlenken in Richtung größerer, den maximalen Lenkwinkel überschreitender
Lenkeinschläge mittels
des Elektromotors und der Elektromagnetbremse entgegenwirkbar ist.
So ist beispielsweise mittels eines kombinierten Eingreifens des
Elektromotors und der Elektromagnetbremse auf den Lenksollwertgeber
die Simulation eines Endanschlags denkbar. Dabei ist es möglich, dass
die Elektromagnetbremse eine hohe Bremskraft erzeugt und der Elektromotor
ein hohes Drehmoment erzeugt, das dem eingestreuten Lenkmoment des
Fahrers entgegenwirkt, so dass durch die Kombination von Elektromotor
und Elektromagnetbremse insgesamt ein hohes Lenkmoment zur Verfügung gestellt
wird, das einen Endanschlag des Lenkrades bei Erreichen des maximalen
Lenkeinschlags der gelenkten Räder
simuliert.
-
In
vorteilhafterweise ist der Lenksollwertgeber derart ausgeführt, dass
beim Ausfall des Elektromotors die in den vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen
Simulationsfunktionen mittels einer proportionalen Elektromagnetbremse
eingeschränkt funktionsfähig sind.
-
Weiterhin
vorteilhaft ist auch, dass der Lenksollwertgeber derart ausgeführt ist,
dass bei Ausfall des Elektromotors eine Erhöhung des Lenkmoments einleitbar
ist, und damit ein Ausfall der Lenkunterstützung wie in konventionell
gelenkten Fahrzeugen simulierbar ist. Die Erhöhung des Lenkmoments ist dabei
durch die alleinige Funktionalität
der eingesetzten Elektromagnetbremse erzeugbar.
-
Bevorzugt
weist der Lenksollwertgeber ein Mittel zur Erfassung von Informationen über die Lenkradposition
und/oder Lenkradstellung auf. Weiterhin sind diese gesammelten Informationen über geeignete
Mittel an das Steuergerät
des Steer-By-Wire
Lenksystems übermittelbar.
Es kann vorgesehen sein, dass das genannte Mittel zur Erfassung
von Informationen durch weitere gleiche oder ähnliche Mittel redundant ausgelegt
ist, so dass dem Steuergerät
des Steer-By-Wire Lenksystems redundante Informationen zur Verfügung stellbar
sind. Gemäß den übermittelten Informationen
an das übergeordnete
Steer-By-Wire Lenksystems kann ein geeignetes Steuergerät eine Überwachung
durchführen, bei
der auf die korrekte Funktion der einzelnen Komponenten, das heißt der Elektromagnetbremse
und des Elektromotors des erfindungsgemäßen Lenksollwertgebers geprüft wird.
-
Insbesondere
werden als Mittel zur Erfassung von Informationen Inkrementalgeber
eingesetzt, die Informationen über
die Drehgeschwindigkeit bzw. die Anzahl der Drehungen des Lenksollwertgebers
liefern.
-
Denkbar
ist weiterhin, dass der Lenksollwertgeber eine Abschaltevorrichtung
aufweist, wodurch dem Steuergerät
des Steer-By-Wire Lenksystems eine Möglichkeit zur eigensicheren
Abschaltung der elektromotorischen Funktion zur Verfügung steht. Somit
kann das Steuergerät
eines übergeordneten Steer-By-Wire
Lenksystems aufgrund der übermittelten
Informationen der oben genannten Mittel eine Fehlerdiagnose erstellen
und in Abhängigkeit
davon mittels der vorgesehenen Abschaltevorrichtung der Elektromotor
abschaltbar ist. Selbstverständlich
ist auch eine Abschaltung des Elektromotors mittels der Abschaltevorrichtung
nicht nur aufgrund einer Fehlerdiagnose denkbar, sondern ist auch
zu jedem beliebigen Zeitpunkt durchführbar.
-
Denkbar
ist auch, dass der Lenksollwertgeber eine Drehmomenterfassung aufweist
mittels der eine Plausibilitätsüberwachung
zur Überprüfung der korrekten
Funktion der elektromotorischen Lenkkraftsimulation durchführbar ist.
Dabei ist das Lenkmoment mit einer zusätzlichen Drehmomenterfassung meßbar und
im Anschluß gegen
den, über
die Stromaufnahme des Elektromotors ermittelten Wert auf Plausibilität prüfbar.
-
Die
Drehmomenterfassung kann hierbei auch mittels eines drehelastischen
Elements und einem Vergleich von zwei redundant ausgelegten Inkrementalgebern
erfolgen.
-
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
-
Die
einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber für ein Steer-By-Wire Lenksystem
ohne mechanische Kopplung des Lenkrades zu den gelenkten Rädern.
-
In
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des Lenksollwertgebers aus der Figur ist eine Lenksäule 2 mit
dem Lenkrad 1 verbunden. Weiterhin besitzt der erfindungsgemäße Lenksollwertgeber eine
Vorrichtung 6a zur Messung der Lenkradposition und der
Lenkraddrehung. Vorzugsweise werden hierbei Inkremental-Drehgeber eingesetzt,
die in redundanter Ausführung
vorgesehen sind.
-
Zur
Simulation der am Lenkrad 1 angreifenden Lenkkraft besitzt
der Lenksollwertgeber einen Elektromotor 3 und eine Elektromagnetbremse 7. Dabei
ist der Elektromotor 3 so ausgelegt, dass ein maximales
Lenkmoment zu jeder Zeit vom Fahrer übersteuert werden kann.
-
Die
Simulation des Lenkgefühls
mittels eines erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
beinhaltet:
- 1. Eine Rückmeldung des Lenkzustands
der gelenkten Räder
an den Fahrer. Diese Rückmeldung wird
im fehlerfreien Betrieb maßgeblich
vom Elektromotor 3 erzeugt.
- 2. Eine Simulation eines Endanschlags des Lenkrads bei Erreichen
des maximalen Lenkeinschlags der gelenkten Räder. Für diese Simulation wirken der
Elektromotor 3 und die Elektromagnetbremse gemeinsam auf
die Lenksäule 2 ein, um
ein hohes Lenkmoment zur Verfügung
zu stellen, das einem Endanschlag entspricht.
- 3. Eine Rückstellungstendenz
der Lenkung in Richtung der Geradeausstellung. Die Rückstellung
erfolgt über
den Elektromotor 3.
-
Zur
Steuerung des Lenksollwertgebers besitzt dieser einen Controller 5,
der die Ansteuerung vom Elektromotor 3 und der Elektromagnetbremse 7 übernimmt.
Zur Kommunikation des erfindungsgemäßen Lenksollwertgebers mit
einem übergeordneten
Steer-By-Wire-Lenksystem stellt der Controller 5 eine Datenschnittstelle 8 zur
Verfügung.
Dabei kann die Datenschnittstelle 8 als ein nach dem Stand
der Technik bekannter CAN-Bus ausgeführt sein. Darüber hinaus
beinhaltet die Datenschnittstelle 8 zusätzlich diskrete Ausgangssignale,
die eine Lenkraddrehung und einen Fehlerstatus signalisieren, sowie
diskrete Eingangssignale zur Freigabe des Controllers 5 zur
Ansteuerung der Elektromagnetbremse 7 und zum Auslösen der
Abschaltevorrichtung 10. Somit kann ein übergeordnetes
Steer-By-Wire – System mittels
dieser Datenschnittstelle 8 Einfluss auf den erfindungsgemäßen Lenksollwertgeber
nehmen. Die integrierte Abschaltevorrichtung 10 trennt
dabei im Falle einer Abschaltung die Verbindung zwischen Ansteuerungselektronik 4 und
Elektromotor 3, wodurch ein weiterer Betrieb des Elektromotors 3 ausgeschlossen
wird.
-
Die
eingesetzte Ansteuerungselektronik 4 zur Steuerung des
Elektromotors 3 lässt
sich in unterschiedlichen und im Betrieb wechselnden Regelmodi wie
z. B. Drehzahl, Positions- oder Drehmomentregelung betreiben. Das
vom Fahrer über
das Lenkrad 1 eingesteuerte Lenkmoment wird über die
Motorstromerfassung der Ansteuerungselektronik 4 ermittelt.
Um diese Funktion zu ermöglichen,
wird der Elektromotor 3 von der Ansteuerungselektronik 4 im Normalbetrieb „positionsgeregelt” betrieben.
Das vom Fahrer mittels des Lenkrads 1 eingesteuerte Lenkmoment
führt zu
einer Drehbewegung der Lenksäule 2 und
damit zu einer Auslenkung des an der Lenksäule 2 befestigten
Elektromotors 3 aus einer vordefinierten Soll-Position.
Die Positionsregelung der Ansteuerelektronik 4 baut sofort
durch geeignete Ansteuerungen des Elektromotors 3 ein Gegenmoment
auf, um den Elektromotor 3 wieder in die Soll-Position
zurückzulenken.
Dieses dafür
benötigte Gegenmoment
wird über
den erforderlichen Motorstrom mittels einer in der Ansteuerelektronik 4 inte grierten
Motorstromerfassung gemessen, um die Lenkabsicht des Fahrers zu
ermitteln.
-
Zur
Erkennung von Fehlern in der elektromotorischen Lenkkraftsimulation
wird das Lenkmoment an der Lenksäule 2 mit
einer zusätzlichen
Drehmomenterfassung 9 gemessen und gegen den über die gemessene
Stromaufnahme des Elektromotors 3 ermittelten Wert auf
Plausibilität
geprüft.
Alternativ kann die Drehmomenterfassung hierbei auch mittels eines
elastischen Elementes und einem Vergleich des Inkrementalgeber 6a vor
und des Inkrementalgebers 6b nach dem elastischen Element
erfolgen.
-
Bei
Fehlern in der elektromotorischen Lenkkraftsimulation wird die Ansteuerung
des Elektromotors 3 über
die Abschaltevorrichtung 10 unterbrochen. In diesem Fall
wird die Lenkkraftsimulation mit eingeschränktem Funktionsumfang allein über die Elektromagnetbremse 7 weitergeführt. Auf
diese Weise wird auch eine erhöhte
Schwergängigkeit
der Lenkung bei Ausfall der elektromotorischen Lenkkraftsimulation
bereitgestellt, die ein Fehlerbild simuliert, das dem einer herkömmlichen
mechanischen Lenkung entspricht.