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Nachfolgende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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In der Patentschrift
DE 197 51 397 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hilfskraftlenksystems der zuvor erwähnten Art beansprucht. Das Patent erstreckt sich auf einen elektrischen Stellantrieb eines Überlagerungsstellers, dessen initiierte Bewegung mit einem fahrerseitigen Lenkwinkel zur Erzeugung der Lenkbewegung des lenkbaren Rades überlagert wird. In Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung der durch den Stellantrieb initiierter Bewegung wird die Energiezufuhr des Antriebs auf null reduziert.
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In der
DE 103 15 704 A1 wird eine Hilfskraftlenkung mit einer Elektromotorsperre vorgeschlagen, bei der ein Elektromotor mit einer mechanischen Sperre versehen ist, die in einer störungsbehafteten Situation ein mechanisches Getriebeteil eines Überlagerungsgetriebes fixiert, indem das Getriebeteil mit langlochförmigen Nuten versehen ist, in die Stift der mechanischen Sperre eingreift. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Sperre vor der Entriegelung auf eine fehlerfreie Sperrfunktion hin überprüft wird.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 022 493 A1 wird eine Lenkung mit variabler Lenkübersetzung vorgestellt, bei der ein Sperrteil zum Lösen einer Verbindung zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle einer Übersetzungsverstelleinheit vorgesehen ist. Zur Vermeidung einer erregerspulenverursachter Fehlfunktion ist eine Diagnostik vorgesehen, die den Sollwert des Stromes, der durch die Erregerspule fließen soll, mit dem Wert des tatsächlich fließenden Stromes vergleicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es ermöglicht wird, die Betriebssicherheit eines elektrischen Aktuators zu erhöhen.
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Die verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe wird durch den Anspruch 1 und die vorrichtungsgemäße Lösung wird durch Anspruch 5 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einem elektrischen Aktuator aus, der mittels einer elektrischen Verbindungsleitung funktional mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit und der Aktuator sind separiert in von einander getrennten Gehäusen angeordnet. Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Signalbewertung seitens des Aktuators erfolgt. Die Auswertung des Signals basiert dabei auf einer Analyse des elektrischen Signals oder des Signalsverlaufs in der elektrischen Verbindungsleitung. Die Analyse erfolgt nach definierbaren Kriterien, wonach eine Gültigkeitsbewertung vorgenommen wird, und in Folge des Ergebnisses der Bewertung eine Zuordnung eines Betriebszustandes des Aktuators vorgenommen wird. Im Wesentlichen ist ein Wechsel zwischen zwei Betriebszuständen des Aktuators vorgesehen. Vorteilhafte Ausprägungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind nachfolgend beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Kriterien der Gültigkeitsbewertung einen statischen- oder dynamischen Amplituden- und/oder Zeitverlaufs des elektrischen Signals der Verbindungsleitung beschreiben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Signalauswertung eine Stabilisierungs- oder Begrenzungsstufe und/oder Komparator- und/oder Mittelwertbilder und/oder eine PWM-Normalisierungsstufe beinhaltet.
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Des Weiteren ist verfahrenstechnisch vorgesehen, dass ein Betriebszustand des Aktuators durch die Herstellung einer elektrisch niederohmigen oder hochohmigen Verbindung eines dem Aktuator zugeordneten elektromechanischen Wandlers mit der Verbindungsleitung gekennzeichnet ist.
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Gemäß der Erfindung wird zur vorrichtungsgemäßen Lösung eine Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem Aktuator vorgeschlagen, bei der mit einem Überlagerungsgetriebe zur Einleitung eines Zusatzlenkwinkels zum Zwecke der additiven Überlagerung mit einem Lenkwinkel zur Bildung eines Gesamtlenkwinkels mechanisch verbunden ist, das Aktuator-Gehäuse separiert von einem der Lenkung zuordenbaren ECU-Gehäuse ist und mit einer elektrischen Verbindungsleitung zu Steuerungszwecken verbunden ist. Im Aktuator erfolgt eine Signalauswertung, wobei Schaltmittel zur Herstellung einer elektrisch niederohmigen oder hochohmigen Verbindung eines dem Aktuator zugeordneten elektromechanischen Wandlers mit der Verbindungsleitung vorgesehen sind, wobei die Signalauswertung derart ausgeführt ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Der elektromechanische Wandler weist einen Stift auf, der dafür vorgesehen ist, eine Rotorwelle eines Elektromotors, der zur Einleitung des Zusatzlenkwinkels vorgesehen ist, durch Einrastung in eine Ausnehmung einer mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Ritzelscheibe zu arretieren.
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In einer weiteren vorrichtungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler mittels einer Hebelmechanik auf eine auf Reibung basierende, Bremsbacken und Bremsscheibe aufweisende Bremsvorrichtung wirkt, die dafür vorgesehen ist, die Rotorwelle des Elektromotors durch Klemmung zu arretieren.
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1 zeigt schematisch eine Ausgestaltung und Einbettung der Erfindung in einer elektrischen Hilfskraftlenkung nach dem Überlagerungsprinzip.
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2 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen einer Funktionseinheit gemäß der Erfindung.
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Einem Überlagerungsgetriebe 12 wird in einem ersten Lenkwellenabschnitt 11 mittels einer Lenkhandhabe 10 fahrerseitig eingeleiteter Lenkwinkel δS zugeführt. Ein Zusatzlenkwinkel δZ wird an einer zweiten Eingangswelle 14 dem Überlagerungsgetriebes 12 zur Erzeugung des Summenlenkwinkels δG an der Ausgangswelle 13 zugeführt. Die zweite Eingangswelle 14 steht in getrieblicher Verbindung mir der Rotorwelle 212 eines Elektromotors 210. Mittels einer Servounterstützungseinheit 16 und eines entsprechenden Getriebes, wobei die Servounterstützung elektrisch oder hydraulisch realisiert sein kann, wird der Gesamtlenkwinkel δG in eine translatorische Bewegung der Zahnstange 15 überführt um einen Radlenkwinkel δR an den gelenkten Rädern einzustellen.
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Der Aktuator 200 beinhaltet den Elektromotor 210 mit seiner Rotorwelle 212 zur Einprägung des vorgebbaren Zusatzlenkwinkels δZ. Der Elektromotor 210 wird hierfür von einer Steuer- und Regeleinheit 100 und einer elektronischen Endstufe, nach Maßgabe eines berechneten Sollwerts für den Zusatzlenkwinkel entsprechend bestromt. In der 1 ist dies jedoch nicht explizit dargestellt. In getrieblicher Verbindung zur Rotorwelle 212 des Elektromotors 210 steht eine Ritzelscheibe 211, die Aussparungen aufweist, die dafür vorgesehen sind, einen Sperrstift 221 zu Arretierung der Rotorwelle 212 aufzunehmen. Der elektromechanische Wandler 220 und der Stift 221 können radial als auch axial bezüglich der Ritzelscheibe 211 angeordnet sein. Die Aussparungen sind entsprechend auf einer Stirnseite oder am Umfang der Ritzelscheibe 211 eingebracht.
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Der Sperrstift 221 bildet zusammen mit Elektromagnet 223 einen elektromechanischen Wandler 220. Der Elektromagnet 223 des Wandlers ist mit einer Verbindungsleitung 104 zu Steuerungszwecken mit der Steuer- und Regeleinheit 100 verbunden. Die Verbindungsleitung 104 kommt hierbei die Funktion einer Signal- und Energieübertragung zu. Die Verbindungsleitung 104 weist im Beispiel einen Hin- und Rückleiter auf. In einer nicht dargestellten Variante wirkt der elektromechanische Wandler über Bremsbacken auf eine Bremsscheibe, die mit der Eingangswelle 14 verbunden ist und zur Hemmung der Rotationsbewegung der Rotorwelle 212 vorgesehen ist. Das der Steuer- und Regeleinheit zugeordnete ECU-Gehäuse 101 und das dem Aktuator 200 zugeordnete Aktuator-Gehäuse 201 sind voneinander räumlich getrennt im Kraftfahrzeug angeordnet. Im stromlosen Zustand des Wandlers 220 befindet sich der Stift 221 in ausgefahrener Position und greift in die Ritzelscheibe 211 ein. In einem bestromten Zustand zieht der Wandler den Stift aus den Ritzelscheibe heraus und gibt in folge dessen die Rotorwelle 212 und somit die zweiten Eingangswelle 14 des Überlagerungsgetriebes 12 zur Einleitung einer Drehbewegung frei. Seitens des Aktuators 200 erfolgt eine Signalbewertung mittels einer Funktionseinheit 300, die ein Signal der elektrischen Verbindungsleitung an dem Knoten S_UB bezüglich des Knotens GND abfühlt. In der Funktionseinheit 300 erfolgt eine Signalauswertung unter Verwendung eines Auswerte-Verfahrens 310, 320, 330 bei dem das elektrische Signal der Verbindungsleitung 104 nach definierbaren Kriterien analysiert und eine Gültigkeitsbewertung des elektrischen Signals vorgenommen wird. Die Analyse des Signals erfolgt nach definierbaren Kriterien. Basierend auf die Analyse erfolgt eine Gültigkeitsbewertung und nach Maßgabe des Ergebnisses der Bewertung eine Zuordnung eines Betriebszustands des Aktuators 200 mittels des Schalters SE Ist das Ergebnis der Gültigkeitsbewertung positiv, d.h. wurde das elektrische Signal als plausibel gemäß der vorgegebenen Kriterien bewertet, wird der Schalter SE geschlossen und eine geschlossener Stromkreis hergestellt. In diesem Zustand wird es ermöglicht, dass die Steuer- und Regeleinheit 100 den Wandler 220 zur Lösung der Sperre 221 durch entsprechenden Betrieb des PWM-Generators 103 beziehungsweise des Schalters SPWM der elektronischen Endstufe bestromt. Dementsprechend hat ein negatives Ergebnis der Gültigkeitsbewertung zur Folge, dass der Schalter SE in geöffneten Zustand verbleibt und es nicht möglich ist, den elektromechanischen Wandler 220 ausgehend von der Steuer- und Regeleinheit 100 zu bestromen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der elektromechanische Wandler 220 über das Aktuator-Gehäuse 201 mit der Fahrzeugmasse verbunden ist, um den Rückleiter zu ersparen. Die Herstellung einer elektrisch hoch- oder niederohmigen Verbindung mittels des Schalters SE erfolgt dabei über die Fahrzeugmasse.
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In der aktuatorseitigen Funktionseinheit 300 können hierzu unterschiedliche Auswerteverfahren 310, 320, 330 als reine Hardwarelösung oder als kombinierte Hard- und Softwarelösung unter Verwendung eines computerimplementierten Verfahrens umgesetzt sein. Den Auswerteverfahren 310, 320, 330 werden eingangsseitig das Signal der elektrischen Verbindungsleitung 104, das am Knoten S_UB abgefühlt wird, zugeführt.
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Verschiedene Ausführungen der Auswerteverfahren werden anhand der 2 beschrieben. Ein erstes Auswerteverfahren 310 weist optional eine Stabilisierung und/oder Begrenzung 311 auf, welche dafür vorgesehen ist, die Spannung des abgefühlten Signals zu begrenzen oder zu stabilisieren. Von Vorteil ist es, die PWM Amplitude auf einen Wert zu stabilisieren, der kleiner ist, als die kleinste vorkommenden PWM-Amplitude. Ein nach geschalteter Mittelwertbildner 312 erzeugt an seinem Ausgang eine Gleichspannung, die proportional zum Tastverhältnis der PWM ist. In einer vorteilhaften und einfachen Ausführung besteht der Mittelwertbildner 321 aus einem RC-Tiefpassfilter. Das Ausgangssignal des Mittelwertbildners wird nachfolgend einem Komparator 313 zugeführt, der in Abhängigkeit einer festlegbaren Schaltschwelle mit einer optionalen Schalt-Hysterese den Schalter SE in einen leitenden oder in einen sperrenden Zustand schaltet. Darüber hinaus kann der Komparator ein Speicherelement enthalten, das den Schaltzustand speichert.
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Das zuvor beschriebene erste Auswerteverfahren analysiert somit im Wesentlichen das Tastverhältnis des PWM-Signals.
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Als Alternative hierzu ist ein zweites Auswerteverfahren 320 vorgesehen, bei dem im Wesentlichen eine Frequenzanalyse des Signals vorgenommen wird. Das zweite Auswerteverfahren 320 weist ebenfalls optional eine Stabilisierung und/oder Begrenzung 321 auf, welche dafür vorgesehen ist, die Spannung des abgefühlten Signals zu begrenzen oder zu stabilisieren. Nachfolgend ist eine Schaltung 322 vorgesehen, die die unterschiedlichen Tastverhältnisse auf ein konstantes Tastverhältnis normalisiert („PWM-Normalisierer“). In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der PWM-Normalisierer als Monoflop ausgeführt. Das Ausgangssignal des PWM-Normalisierers 322 wird einem Mittelwertbildner 323 zugeführt und nachfolgend einem Komparator 324, der in Abhängigkeit einer Schaltschwelle mit einer optionalen Schalt-Hysterese entsprechend einer festlegbaren Frequenz den Schalter SE in einen leitenden oder sperrenden Zustand schaltet. Auch in dieser Ausführungsvariante kann der Komparator ein Speicherelement enthalten, das den Schaltzustand speichert.
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Abschließend wird ein drittes Auswerteverfahren 330 vorgestellt, welches im Wesentlichen eine mikrorechnerbasierte Auswertung mittels computerimplementierten Algorithmen zur digitalen Signalanalyse vorsieht. Hierzu ist optional eine Stabilisierung und/oder Begrenzung 331 vorgeschaltet. Nachfolgend wird das Signal einem digitalen und/oder analogen Eingangsport des Mikrorechners 332 für den Zweck einer digitalen Signalanalyse zugeführt. In Abhängigkeit des Ergebnisses der Gültigkeitsbewertung steuert der Mikrorechner den Schalter SE in einen leitenden oder einen sperrenden Zustand.
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Der Schalter SE ist bevorzugt als elektronischer Halbleiterschalter ausgeführt. Er kann auch als elektromechanischer Schalter (Relais) ausgeführt sein.
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Die Kriterien der Gültigkeitsbewertung sind derart festlegbar, dass sie in der Lage sind, einen statischen- oder dynamischen Amplituden- und/oder Zeitverlauf des elektrischen Signals der Verbindungsleitung 104 zu beschreiben.
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Wesentlich ist, dass ein Betriebszustand des Aktuators 200 durch die Herstellung einer elektrisch niederohmigen oder hochohmigen Verbindung eines dem Aktuator 200 zugeordneten elektromechanischen Wandlers 220 mit der Verbindungsleitung 104 gekennzeichnet ist. Die Herstellung der hoch- oder niederohmigen Verbindung erfolgt dabei mit dem Schalter SE.
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Entsprechende Variation und Kombination der Auswerteverfahren mittels elektronischer Schaltung und computerimplementierten Rechenverfahren ergeben sich für den Fachmann in naheliegender Weise.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenkhandhabe
- 11
- Eingangswelle, erste
- 12
- Überlagerungsgetriebe
- 13
- Ausgangswelle
- 14
- Eingangswelle, zweite
- 15
- Zahnstange
- 16
- Servounterstützungseinheit
- 17
- Räder
- 18
- Batterie
- 100
- Steuer- und Regeleinheit (ECU)
- 101
- ECU-Gehäuse
- 102
- Mikrorechner, ECU-seitig
- 103
- PWM Signalgenerator
- 104
- Verbindungsleitung, Hin- und Rückleiter
- SPWM
- PWM-Schalter
- 200
- Aktuator
- 201
- Aktuator-Gehäuse
- 210
- Elektromotor
- 211
- Ritzelscheibe
- 212
- Rotorwelle
- 220
- Wandler
- 221
- Stift, Wandler
- 223
- Elektromagnet, Wandler
- S_UB, GND
- Abgreifpunkte
- SE
- Freigabe-Schalter
- δS,
- Lenkwinkel, fahrerseitig
- δZ
- Zusatzlenkwinkel
- δG
- Gesamtlenkwinkel
- δR
- Radlenkwinkel
- 300
- Funktionseinheit
- 310, 320, 330
- Auswerteverfahren; erste, zweite und dritte Ausführung
- 311, 321, 331
- Stabilisierer/Begrenzer
- 312, 323
- Mittelwertbilder
- 313, 324
- Komparator
- 322
- PWM-Normalisierer
- 332
- Mikrorechner, aktuatorseitig