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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Servo-Lenksystem für
Kraftfahrzeuge, insbesondere elektromechanisches Servo-Lenksystem
mit zentralisierter Aufbereitung der Sensorsignale.
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Derartige
Lenksysteme umfassen gewöhnlich einen Regelkreis, dessen
Regelgröße zumindest von dem Lenkradmoment abhängig
ist. Die in einem Steuergerät gespeicherten Vorgabefunktionen
dienen dem Berechnen des Sollwerts des unterstützenden
Moments in Abhängigkeit von Eingangsgrößen des
Steuergerätes, insbesondere des Lenkradmomentes.
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In 1 ist
der übliche Aufbau eines elektromechanisch arbeitenden
Servo-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welches ein
Lenkrad 1 aufweist, das über einen ersten Abschnitt 2 einer Lenkstange 13,
mittels eines oder mehrerer Kreuzgelenke 7 fest mit einem
zweiten Abschnitt 3 der Lenkstange verbunden ist. Die Lenkstange 13 überträgt das
von dem Fahrer des Kraftwagens auf das Lenkrad 2 aufgebrachten
Moment auf ein Ritzel 6, das in eine Zahnstange 8 eingreift,
die horizontal zur Achse des Fahrzeuges zwischen zwei gelenkten
Rädern 11 angeordnet ist. Das Ritzel 6 kann
auch durch ein beliebiges anderes Übertragungsmittel gebildet
sein, zum Beispiel eine Schneckenwelle. Jedes gelenkte Rad 11 ist
in der Lage, sich bei einer linearen Bewegung der Zahnstange 8 um
eine vertikale Drehachse A zu drehen, wobei das gelenkte Rad 11 über
die Zahnstange 8 von einem Gestänge 10 angetrieben wird.
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Das
Servo-Lenksystem besitzt ferner eine Servo-Steuerung, die dazu dient,
auf die Zahnstange 8 eine Kraft auszuüben, die
in der gleichen Richtung wirkt wie die Kraft des Ritzels 6,
wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs das Drehen des Lenkrads 1 erleichtert
wird. Die Servo-Steuerung umfasst einen Servomotor 9, dessen
Ausgangsmoment von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert
wird, welches ein Sollwertsignal S des Hilfsmomentes an den Servomotor 9 liefert.
Das Ausgangsmoment des Servomotors 9 wird mittels einer
nicht dargestellten Antriebswelle des Servomotors 9 auf
die Zahnstange 8 und damit die Räder 11 übertragen.
Wegen der erheblichen zu übertragenden Kräfte
wirkt die Antriebswelle des Servomotors 9 in der Regel über
ein nicht näher dargestelltes Kugelgetriebe 14 auf
die Zahnstange 8.
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Die
Abtriebswelle des Servomotors 9 ist somit über
das Kugelgetriebe 14, die Zahnstange 8 und das
Ritzel 6 mechanisch mit der Lenkstange 13 verbunden.
Die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebswelle und der Lenkstange 13 kann
aber auch die direkt erfolgen, indem die Abtriebswelle an der Lenkstange 13 über
ein geeignetes Getriebe direkt angreift. Die Abtriebswelle des Elektromotors
unterstützt dabei den Lenkeinschlag des Lenkrads 1,
indem sie mittels der vorstehend genannten mechanischen Einrichtungen
auf die Lenkstange 13 ein Hilfsmoment ausübt,
das direkt von dem Ausgangsmoment des Servo-Motors 9 und
folglich von dem Sollwertsignal S des Hilfemoments abhängt.
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Das
Steuergerät 12 ist in der Regel derart aufgebaut,
dass es aufgrund der ankommenden Eingangsignale, z. B. des Drehmomentes
DM und/oder des Drehwinkels DW die Höhe des durch den Servo-Motor 9 auszuübenden
Hilfsmomentes berechnet und den entsprechenden Sollwert S an den
Servomotor 9 ausgibt. Mit Hilfe geeigneter, in dem Steuergerät 12 gespeicherter
Algorithmen und Datensätze wird dabei das Hilfsmoment in
der Regel derart bestimmt, dass in Abhängigkeit von der
errechneten Differenz des Drehwinkels DW und einem von einem Lenkwinkelsensor 15 gemessenen
Lenkwinkel LW der Räder 11 ein von dem Servo-Motor 9 aufzubringende
es Hilfsmoment bestimmt wird. Dieses Hilfsmoment ist derart groß gewählt,
dass hinsichtlich des insgesamt zur Betätigung der Räder
aufzubringenden Momentes am Lenkrad 1 Restmoment übrig bleibt,
welches von dem Fahrer gut beherrschbar ist. Damit wird in der Regel
das Hilfsmoment auch von Größen abhängen,
die Einfluss auf das Lenkmoment der Räder besitzen, wie
beispielsweise Drehwinkel-Geschwindigkeit, Temperatur, Fahrzustand
des Fahrzeugs, Straßenverhältnisse und so weiter.
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Es
sind weiterhin Sonderformen elektromechanisch arbeitender Servo-Lenksysteme
bekannt geworden, bei denen die mechanische Verbindung zwischen
Lenkrad 1 und Zahnstange 8 aufgetrennt ist. Bei
diesen so genannten steer-by-wire-Lenksystemen müssen die
von dem Lenkrad 1 auf die Zahnstange 8 aufzubringenden
Kräfte und Momente durch entsprechende elektrisch arbeitende
Geräte nachgebildet werden, die weiter oben geschilderten grundsätzlichen
Prinzipien bleiben dabei allerdings erhalten.
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Lenksysteme
sind ähnlich wie Bremsanlagen Sicherheitsaggregate, die
unter keinen Umständen versagen dürfen, da die
Folgen eines Versagens ungleich gravierender sein können
als der Ausfall anderer für ein Kraftfahrzeug ebenfalls
elementarer Aggregate. Während der Defekt beispielsweise
des Motors eines Fahrzeugs ärgerlich und gegebenenfalls recht kostspielig
ist, kann das Versagen eines Lenksystems oder der Bremsanlage tödliche
Folgen haben. Bei derartigen Sicherheitsaggregaten müssen somit
besondere Maßnahmen getroffen werden, die die Wahrscheinlichkeit
eines Ausfalls derartiger Aggregate auf ein vertretbares Minimum
herabsetzen.
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Hierzu
werden an sich bekannte Strategien eingesetzt, wie die Verdoppelung
oder noch höhere Vervielfachung relevanter Baugruppen dieser
Aggregate, um bei Ausfall einer Baugruppe auf eine andere umschalten
zu können. Um feststellen zu können, ob die Baugruppe
beziehungsweise die Baugruppen korrekt arbeiten, können
mehrere gleichartige Baugruppen unabhängig voneinander
parallel arbeiten und durch Vergleich ihrer Arbeitsergebnisse auf Übereinstimmung
kann auf die korrekte Arbeitsweise dieser Baugruppen geschlossen
werden.
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Eine
andere Möglichkeit besteht darin, das Arbeitsergebnis einer
oder mehrerer Baugruppen daraufhin zu untersuchen, ob das Ergebnis
Sinn macht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das
Arbeitsergebnis einer Baugruppe, welches einen bestimmten Zustand
des Fahrzeuges beschreibt, mit dem Arbeitsergebnis einer vollkommen
anderen Baugruppe dahingehend verglichen wird, ob dieses Arbeitsergebnis
ebenfalls den gleichen Zustand beschreibt. Wird beispielsweise durch
eine Baugruppe festgestellt, dass das Lenkrad eine bestimmte Winkelstellung
hat und das Fahrzeug somit eine Kurve fährt, so muss logischerweise
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Räder auf der rechten
Seite gegenüber den Rädern auf der linken Seite
entsprechend unterschiedlich sein. Sind die verglichenen Ergebnisse
nicht zueinander plausibel, so muss eine der beiden Baugruppen fehlerhaft
arbeiten und es können entsprechende Sicherheitsmaßnahmen
eingeleitet werden.
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Die
beschriebenen Anforderungen an die Sicherheit gelten insbesondere
für durch elektrische Hilfskraft unterstützte
Servo-Lenksysteme, die mit elektrischen Steuerungen und Regelkreisen
sowie elektrisch arbeitenden Sensoren arbeiten. Derartige elektrische
Schaltkreise arbeiten zwar verschleißfrei können
aber durch Beschädigung oder Alterung von Bauelementen
gleichwohl ausfallen. Während sich aber der Ausfall mechanischer
Baugruppen vielfach vorher durch leicht erkennbare Anzeichen (Klappern, Ölverlust
und so weiter) ankündigt und der entstandene Schaden offensichtlich
ist, fallen elektrische Bauteile oft unvorhersehbar aus und der
Schaden ist nur mittelbar zu erkennen. Diese Tatsache ist umso gravierender
als Servo-Lenksysteme die Aufgabe haben, schwere Fahrzeuge überhaupt
erst lenkbar zu machen.
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Da
das Arbeitsergebnis eines Aggregates nicht besser sein kann als
die Qualität der zu verarbeitenden Messergebnisse, ist
besonderer Wert darauf zu legen, dass die von den zugehörigen
Sensoren zur Verfügung gestellten Messergebnisse zuverlässig
sind. Daher werden regelmäßig umfangreiche Maßnahmen
betrieben, um die von den Sensoren abgegebenen Ausgangssignale abzusichern.
Da zusätzlich die Sensoren, wie weiter oben schon beschrieben,
gedoppelt werden, ergibt sich somit an dieser Stelle ein erheblicher
Aufwand, der sich nicht nur in Kosten sondern auch in dem für
die zusätzlichen Maßnahmen benötigten
Bauraum äußert.
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Aus
der die
DE19914383A1 ist
eine Lenkanlage bekannt geworden, bei der zwei parallel arbeitende
Sensoren den Lenkwinkel messen, wobei dann das verarbeitete Ergebnis
einem zentralen Steuergerät zugeführt wird. Weiterhin
ist aus der
EP1382510A1 ein
zum Teil elektromagnetisch arbeitender Sensor für ein Lenksystem
bekannt, bei dem sowohl eine den Drehwinkel des Lenkrades als auch eine
das Drehmoment an der Lenkstange messende Einrichtung in einem gemeinsamen
Gehäuse integriert sind.
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Die
vorliegende Erfindung geht daher aus von einem elektromechanischen
Lenksystem der sich aus dem Oberbegriff des Hauptanspruches ergebenden
Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem derartigen, gattungsgemäßen
Lenksystem Maßnahmen zu treffen, die zum einen die Sicherheit des
Lenksystems verbessern und zum anderen den hierfür nötigen
Aufwand herabsetzen. Hierdurch lässt sich abgesehen von
einer Kosteneinsparung auch der benötigte Bauraum für
das System vermindern.
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Die
Aufgabe wird durch die sich aus Anspruch 1 und 13 ergebende Merkmalkombination
gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, dass die
Aufbereitung, Auswertung, Verarbeitung und Plausibilisierung der
von dem Sensor beziehungsweise den Sensoren kommenden Signale weitgehend
in der zentralen Steuervorrichtung geschieht. Das kann so weit gehen,
dass die Sensoren nur noch einzelne aus der Bewegung des Lenkrades
sich ergebende elektrische Impulse an die Steuervorrichtung senden,
wobei dann die Steuervorrichtung die Impulse auswertet und zu Messwerten
verarbeitet. Hinzu kommt dann noch die Bewertung der Messwerte durch
Vergleich der Werte parallel arbeitender Sensoren und/oder die Prüfung
auf Plausibilität durch Bewertung der Messergebnisse zweier
auf unterschiedlichen Prinzipien gewonnener Ergebnisse, wie dies
weiter oben schon ausführlich beschrieben wurde. Das erfinderische
Prinzip ist nicht nur auf Sensoren anwendbar, welche den Drehwinkel
oder das Drehmoment des Lenkrades messen sondern kann auch auf Sensoren
angewendet werden, welche den Lenkwinkel der Räder bestimmen.
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Durch
die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile. Zum einen wird der
Aufbau und der Aufwand für die Sensoren vereinfacht, ohne
dass gleichzeitig die Sicherheit der gewonnenen Messergebnisse vermindert
wird. Abgesehen von Kostenersparnissen ergibt sich hier auch ein
verminderter Bauraum, der den Einsatz der oft vervielfachten Sensoren
erst möglich macht. Weiterhin sind in der Steuereinrichtung
ohnehin in der Regel erhebliche Maßnahmen zur Sicherung,
Verarbeitung Plausibilisierung und Referenzierung der verarbeiteten
Eingangsignale vorgesehen, so dass hier der ohnedies erhebliche Aufwand
an Rechenkapazität und Speichermöglichkeit optimal
ausgenutzt werden kann.
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Ein
besonders einfacher Aufbau ergibt sich durch die Anwendung der aus
Anspruch 2 ersichtlichen Merkmale. Dabei ist die Lenkhandhabe als übliches
Lenkrad ausgestaltet, mit dem der Fahrer den gewünschten
Winkel, den er steuern möchte, als Drehwinkel eingibt.
Hat der Fahrer den Drehwinkel festgelegt, so wird die Servo-Steuerung
versuchen, den Lenkwinkel der Räder dementsprechend einzustellen.
Der Drehwinkelsensor kann ein optisch arbeitender Sensor sein, bei
dem sich die Drehlage des Sensors durch Impulse bestimmen lässt,
die beim Drehen des Lenkrades durch den Sensor ausgegeben werden.
Die Aufbereitung kann dabei in der Steuervorrichtung geschehen.
Da derartige optische Sensoren empfindlich gegenüber Verschmutzung sind,
wird der Sensor bevorzugt magnetisch arbeiten, wobei beispielsweise
Hall-Elemente eingesetzt werden können. Auch bei derartigen
magnetische arbeitenden Sensoren werden durch Drehen des Lenkrades
Impulse erzeugt, die bevorzugt in der Steuervorrichtung ausgewertet
werden. Im Rahmen der Erfindung können hier Impulse auch
schon dezentral in dem Sensor vorverarbeitet werden.
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Um
dem Fahrer ein Gefühl dafür zu vermitteln, wie
hoch die Differenz zwischen der augenblicklichen Lenkwinkel-Stellung
der Räder und der Drehwinkel-Stellung des Lenkrades ist,
wird dem Fahrer einen entsprechendes, seiner Drehbewegung entgegengerichtetes
Drehmoment auf das Lenkrad gegeben. Dies kann zum einen dadurch
geschehen, dass der gesteuerte Servo-Antrieb ein entsprechendes Restmoment
am Lenkrad belässt, oder dass ein derartiges Moment, z.
B. mittels eines speziellen Motors, auf das Lenkrad gegeben wird
(z. B. bei steer-by-wire). Umgekehrt lässt sich die Arbeitsweise
der Steuervorrichtung dadurch vereinfachen, dass zusätzlich zu
dem Lenkwinkel auch noch das Drehmoment am Steuerrad ausgewertet
wird. Dieses Drehmomente kann als von der Drehgeschwindigkeit des
Lenkrades abhängige Größe gesehen werden,
aus der zum einen die Steuervorrichtung erkennt, wie schnell der Lenkwinkel
geändert werden muss und aus der weiterhin eine Größe
gewonnen werden kann, die die Differenz zwischen Drehwinkel und
Lenkwinkel beschreibt. Es empfiehlt sich daher in Weiterbildung
der Erfindung die Merkmalkombination nach Anspruch 3 einzusetzen,
da hierdurch eine größere Sicherheit in den Bewertungen
der gewonnenen Signale erreicht wird, die sich im Ergebnis nicht
einander widersprechen dürfen.
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Der
Drehmomentsensor kann in der üblichen Weise aufgebaut sein,
in dem in die Lenkstange einen Drehstab eingefügt ist,
dessen Verdrehung bei der Betätigung des Lenkrades gemessen
wird. Da die Qualität der Lenkung als Sicherheitsaggregat
von der Zuverlässigkeit der zugeführten Signale
abhängt, ist es vorteilhaft, den Drehwinkelsensor und/oder
den Drehmomentsensor zu doppeln, so dass bei Abweichung der beiden
einander entsprechenden parallelen Signale auf einen Defekt des
entsprechenden Sensors geschlossen werden kann und sich dementsprechende
Maßnahmen ergreifen lassen. In Weiterbildung der Erfindung
wird gemäß den Merkmalen nach Anspruch 4 empfohlen,
bevorzugt den Drehmomentsensor zu doppeln. Der Grund dafür
liegt in folgendem. Das Handlenkmoment ist direkt proportional der
Unterstützungskraft und wird zur Berechnung der Unterstützungskraft
herangezogen. Ein falsches Signal des Handlenkmomentsensors könnte
zu einem zu einem GAU der Lenkung führen, in der Terminologie
der Lenkungstechnik ”Top-Event” genannt, und die
Lenkung ggf. in einen nichtgewollten ”Selbstlenker” verwandeln.
Um sicherzustellen dass das detektierte Handlenkmoment korrekt ist,
erfolgt ein Vergleich mit einem 2-ten unabhängigen Kanal.
Nur wenn beide unabhängigen Handlenkmoment-Sensoren ein
gleiches Ergebnis liefern, wird das detektierte Handlenkmoment zur
Berechnung der Unterstützungskraft verwendet. Bei Abweichung
erfolgt ein Notlaufbetrieb bzw. wird das Lenksystem in den sicheren
Zustand (Lenkunterstüzung AUS) überführt.
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Demgegenüber
ist das Lenkwinkelsignal des Lenkrades ist nur ein ”sekundäres
Signal”, was zur Lenkkraftunterstützungsberechnung
herangezogen wird. Alle Funktion die auf dem Lenkwinkel beruhen sind
sogenannte Komfortfunktionen. Weiterhin kann der Lenkwinkel über
die Raddrehzahlen plausibilisiert werden. Ein 2-ter hardware-redundanter
Kanal ist nicht unbedingt notwendig.
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In
Fortbildung der Merkmale nach Anspruch 4 wird empfohlen, bevorzugt
die Merkmale nach Anspruch 5 anzuwenden, indem alle die Drehbewegungsbewegung
des Lenkrades bewertenden Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind. Das gilt auch für den Fall, dass ein
oder mehrere Sensoren gedoppelt sind, wie beispielsweise der Drehmomentsensor.
Vorteilhaft hierbei ist, dass für eine mögliche
Vorverarbeitung der Sensor-Signale eine gemeinsame Recheneinheit
verwendet werden kann. Im Übrigen ist aber auch die Gewinnung
der einzelnen Signale sehr ähnlich. Sowohl bei der Messung
der Momente als auch bei der Messung des Winkels wird jeweils die
Drehlage der Lenkstange gemessen. Unterschiedlich sind nur die Bezugspunkte.
Während sich der Drehwinkel auf die Ausgangslage beziehungsweise
Nulllage der Lenkstange bezieht, wird bei der Messung des Drehmomentes
der gemessene Lenkradwinkel auf die Drehlage des der Lenkstange
abgewandten Endes des Drehstabes (Torsionsstabes) bezogen.
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Die
Merkmale nach Anspruch 6 bilden eine Konkretisierung des aus dem
Hauptanspruch sich ergebenden allgemeinen Prinzips, dass die Informationen
der Sensoren in der Steuervorrichtung aufbereitet werden. Vorteilhaft
ist zum einen, dass hier die zentrale Rechnerkapazität
genutzt und damit Bauraum bei den Sensoren eingespart werden kann. Weiterhin
stehen der Steuervorrichtung eine große Anzahl zusätzlicher
Informationen zur Verfügung, durch welche die von den Drehwinkelsonsoren
und Drehmomentsensoren erhaltenen Informationen aufbereitet und
abgesichert werden können. Dabei kann es sich beispielsweise
um Signale handeln, die von der ESP-Anlage stammen wie Gierwinkel,
Querbeschleunigung, Raddrehzahlen. Ähnliche Größen
können von der Dämpfungsregelung des Fahrzeugs oder
von der Motorregelung stammen.
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Betrachtet
man die Raddrehzahlen, so können diese beispielsweise dafür
ausgenutzt werden, die Unterstützung der Lenkung durch
die Hilfskraft von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig
zu machen, indem beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten
die Unterstützung größer wird (Parken, enge
Kurven), während bei hohen Geschwindigkeiten das versehentliche
Verreißen der Steuerung erschwert werden soll. Aus der
unterschiedlichen Drehzahl der beiden lenkenden Räder kann
aber auch gleichzeitig auf den durch die Rädergefahrenen Lenkwinkel
geschlossen werden. Auf diese Weise lässt sich der gemessene
Drehwinkel des Lenkrades auf seine Richtigkeit überprüfen
(plausibilisieren). Aber auch die Querbeschleunigung und der Gierwinkel
der elektronischen Stabilitätsregelung (ESP) oder der Dämpfungsregelung
des Fahrzeugs lassen sich für die Überprüfung
der gemessenen, der Betätigung des Lenkrades zugeordneten
Sensorwerte ausnutzen. Bevorzugte Merkmalkombinationen, die die
Erfindung in dieser Richtung weiterbilden, sind in den Ansprüchen
8 und 9 aufgeführt.
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Eine
sehr weit gehende Verarbeitung der dem Lenkrad zugeordneten Sensorsignale
beschreibt in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Merkmalkombination
nach Anspruch 7. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird die
grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung sehr konsequent angewendet.
Werden die entsprechenden Signale auf einem gemeinsamen Bus übertragen,
so muss dafür Sorge getragen werden, dass die Steuervorrichtung die
eingehenden Impulse auch dem jeweiligen Sensor richtig zuordnen
kann. Dabei ist es nicht zwingend notwendig jeden der ankommenden
Impulse mit einer entsprechenden Markierung zu versehen. Es kann
auch ein Taktraster vorgesehen sein, mit welchen die einzelnen Sensoren
sich nacheinander melden, wobei dieses Muster allerdings in Abständen auf
seine Gültigkeit überprüft werden muss.
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Es
ist notwendig, dass die von den Sensoren abgegebenen Informationen
nicht nur auf ihre tendenzielle Richtigkeit überprüft
werden (Plausibilisierung), sondern es muss auch sichergestellt
sein, dass die in der Steuervorrichtung ermittelten Werte sich auf
den richtigen Bezugswert beziehen, der in der Regel durch die Mittelstellung
des Lenkrades festgelegt ist. Um hier den richtigen Referenzwert
zu finden (Referenzierung) machen die Merkmalkombinationen nach
Anspruch 10 und 11 geeignete Vorschläge. Um beispielsweise
einen Drehwinkel genauer bestimmen zu können empfehlen
sich die Merkmale nach Anspruch 10. Durch diese Merkmale wird vermieden,
dass die Bestimmung des Drehwinkels durch die Dynamik des Systems
verfälscht wird, indem die Messzeitpunkte der sich dynamisch ändernden,
in die Rechnung eingehenden Größen zeitlich zu
weit auseinander liegen. Ein anderer Grund für eine fehlerhafte
Rechnung kann daran liegen, dass das System schwingt und die Elastizität
der Komponenten das Ergebnis verfälscht.
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Um
die Mittellage des Lenkrades zu referenzieren empfiehlt sich in
Weiterbildung der Erfindung die Verwendung der Merkmale nach Anspruch
11. Diese Merkmalkombination geht von der Überlegung aus,
dass bei Geradeausfahrt sowohl das Lenkrad sich in seiner Mittelstellung
befindet als auch die beiden lenkenden Räder (bei gleichem
Radumfang) die gleiche Drehgeschwindigkeit besitzen. Wenn zudem noch
sichergestellt ist, dass das Lenkrad sich in Ruhestellung befindet
und nicht gerade durch Anwendung eines Drehmomentes durch die Ruhelage
gedreht wird, ist hinreichend sichergestellt, dass die Nullstellung
des Drehwinkels referenziert werden kann.
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Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass
durch die Aufbereitung der Sensorsignale in der Steuervorrichtung,
diese entsprechend der Merkmalkombination nach Anspruch 12 der Sicherheitsarchitektur
der Steuervorrichtung unterstellt werden können. Im einzelnen
kann das bedeuten, dass, abgesehen von der weiter oben beschriebenen
Plausibilisierung aufgrund anderer am Fahrzeug gewonnener Informationen,
die Sensorinformationen gegebenenfalls mehrfach parallel berechnet
und auf ihre Gültigkeit überprüft werden
können. So können beispielsweise gleichartige
Sensorinformationen von zwei parallelen Drehwinkel-Sensoren beziehungsweise
Drehmoment-Sensoren zueinander invers übertragen werden.
Werden in der Steuervorrichtung zur Kontrolle diese beiden Signale miteinander überlagert
und ergibt sich ein von null hinreichend abweichende Wert, so liegt
entweder ein Fehler bei der Messung oder bei der Übertragung
vor und die Steuervorrichtung kann dementsprechende Sicherheitsmaßnahmen
veranlassen.
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Die
erwähnten Ansprüche 1 bis 12 befassen sich mit
dem Aufbau des erfindungsgemäßen Lenksystems in
Form von Sachansprüchen. Diese Sachansprüche umfassen
zum Teil neuartige Einrichtungen, die durch ihre Funktionen und
ablaufenden Prozesse beschrieben werden. Durch Anspruch 13 wird
deutlich gemacht, dass die Anmelderin auch Schutz für die
durch Zusammenwirken der einzelnen Einrichtungen sich ergebenden
Verfahren beansprucht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Darin zeigen
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1 den üblichen
Aufbau eines Servo-Lenksystems,
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2 in
Form eines Blockschaltbildes die Steuervorrichtung eines erfindungsgemäßen
Lenksystems mit einem Teil der über einen Bus ankommenden
und abgehenden Signale,
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3 Einzelheiten
zu der Steuervorrichtung nach 2 in Form
eines Blockschaltbildes und
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4 ein
Blockschaltbild, in welchem die Sicherheitsphilosophie der Steuervorrichtung
näher dargestellt ist.
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2 zeigt
ausschnittsweise die Steuervorrichtung 12 nach 1,
der Signale zugeführt werden und von welcher Signale abgegeben
werden. Bei den zugeführten Signalen handelt es sich um
Signale eines Lenkwinkelsensors sowie Signale zweier Drehmomentsensoren.
Durch den Block 4, 5 ist angedeutet, dass die
drei Sensoren innerhalb eines Gehäuses integriert und damit
einstückig vereint sind. Außer den Signalen des
kombinierten Drehmoment-Lenkwinkelsensors 4, 5 werden
der Steuervorrichtung 12 noch Signale zugeführt,
die die Drehzahlen der gelenkten Räder 11 (1)
beschreiben. Das im Wesentlichen unvorverarbeitete Signal des Lenkwinkelsensors
wird in der Steuervorrichtung 12 aufbereitet und mit Hilfe
der anderen in 2 gezeigten Eingangsignale plausibilisiert
und referenziert.
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Ausgegeben
von der Steuervorrichtung 12 werden dann die in der Vorrichtung
bestimmten Signale wie die Lenkwinkelgeschwindigkeit, das Lenkwinkelsignal
und ein Signal, welches die Geradeauslauferkennung darstellt. Sowohl
das die Raddrehzahlen beschreibende Eingangssignal als auch die
Ausgangssignale werden über den CAN-Bus des Antriebes in
der üblichen Form übertragen.
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Die
beiden Lenkmomentkanäle sind invers aufgebaut, so dass
Gleichauf-Fehler und Signal- Grenzbereichs-Überschreitungen
sehr zuverlässige innerhalb weniger Millisekunden erkannt
werden. Beide Lenkmomentkanäle haben autarke Energieversorgungen,
getrennte Signalführungen und separate Auswerteeinheiten
in der Steuervorrichtung. Die Ermittlung des Lenkmomentes erfolgt
durch ratiometrische Aufbereitung der Ausgangssignale der beiden
Lenkmomentkanäle. Die ratiometrische Messmethode hat den
Vorteil, dass Signalbeeinflussungen auf beiden Kanälen
eliminiert werden. Generell lässt sich das so erklären.
Wenn sich das gemessene Signal durch eine Störgröße ändert
so muss sich die gleiche Größe auf dem zweiten
Kanal genauso ändern. Auf diese Weise lassen sich die auf
beiden Kanälen gleichzeitig auftretenden Änderungen sozusagen
heraus kürzen. Damit man gleichartige Störungen
von gleichartigen Messergebnissen unterscheiden kann, werden die
Messergebnisse auf den beiden Kanälen zueinander invers übertragen.
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Der
Lenkmomentsensor kommt ohne Wickelfeder aus, ist berührungslos
und verschleißfrei. Die zentralen Spezifikationsmerkmale
des Drehmomentsensors sind exakte und hochauflösende Erfassung
des Handlenkmomentes. Eine herausragende Eigenschaft des Lenkmomentsensors
ist der geringe Zeitverzug beziehungsweise das geringe Signalalter von
der Signalermittlung bis zur abgeschlossenen Verarbeitung in der
Steuervorrichtung, inklusive aller Plausibilisierungen und Diagnosemaßnahmen
der Signale. Ein geringes Signalalter ist ein entscheidendes Gütekriterium
für das Ansprechverhalten und die Feinfühligkeit
der Lenkung, da das Lenkmoment als zentrale Eingangsgröße
für die auf Software basierenden Lenkfunktionen dient.
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Das
Blockschaltbild nach 3 zeigt mehr ins Einzelne gehend
die sich in der Steuervorrichtung abspielenden Vorgänge.
Wie schon aus 2 ersichtlich werden der Steuervorrichtung 12 zumindest die
Raddrehzahlen und die Signale des kombinierten Drehmoment/Lenkwinkelsensors
zugeführt, also ein die Winkelstellung des Lenkrades beschreibendes Signal
(an dieser Stelle wird der Drehwinkel als Lenkwinkel bezeichnet)
und ein das von der Hand des Fahrers ausgeübte Drehmoment
beschreibendes Signal (hier als Handlenkmoment bezeichnet).
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist das Signal des Handlenkmomentes
dadurch abgesichert, dass es aus den Ausgangssignalen zweier parallel
arbeitender Drehmomentsensoren abgeleitet ist. Da das den Drehwinkel
(Lenkwinkel) des Lenkrades beschreibende Signal mit Hilfe der die
Raddrehzahlen beschreibenden Signale sowohl referenziert als auch plausibilisiert
werden kann, ist es nicht notwendig den Lenkwinkelsensor zu doppeln.
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In
dem mit ”Referenzierung” bezeichneten Block kann
der Drehwinkel beziehungsweise Lenkwinkel zum Beispiel dadurch referenziert
werden, dass die Mittelstellung des Drehwinkels erkannt wird, wenn
die Raddrehzahlen der beiden Räder einander gleich sind.
Diese Strategie kann auch zum Plausibilisierung des Drehwinkels
angewendet werden, da der sich aus der Differenz der Raddrehzahlen
ergebende Lenkwinkel der Räder unter bestimmten Voraussetzungen
(kein Drehmoment am Lenkrad) dem Drehwinkel nicht grob widersprechen
darf.
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In
dem mit ”Fahrzeugmodell” bezeichneten Block werden
im Wesentlichen die aus den Raddrehzahlen sich ergebenden Informationen
ausgewertet. Sind die Raddrehzahlen gleich, so wird von einem Geradeauslauf
ausgegangen, wie dies in dem Teilblock ”Geradeauslauferkennung” (GALE)
erkennbar ist. Weiterhin lässt sich aus der Differenz der
Raddrehzahlen der aktuelle Lenkwinkel der Räder berechnen,
wie dies in dem Teilblock ”synthetischer Lenkwinkel” angedeutet
ist. Wie weiter oben schon erläutert lässt sich
mit Hilfe des synthetischen Lenkwinkels der tatsächlich
gemessene Lenkwinkel plausibilisieren, wie aus dem Block ”Plausibilisierung Lenkwinkel” erkennbar
ist.
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Schließlich
lässt sich das in dem Teilblock ”Geradeauslauferkennung” erkannte
Geradeauslaufssignal GALE mit Hilfe des Drehmomentes und des Drehwinkels
(in den Figuren durchgehend Lenkwinkel genannt) am Lenkrad plausibilisieren.
Dies ist in dem Block ”Plausibilisierung Geradeauslauf” dargestellt.
Ist nämlich der Geradeauslauf erkannt (es liegt somit das
Signal GALE vor) und ist das Handlenkmoment hinreichend lange Null
und zusätzlich auch der Drehwinkel des Lenkrades ebenfalls
Null, so ist der erkannte Geradeauslauf plausibel.
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In 4 ist
auszugsweise die Sicherheitsphilosophie der Steuervorrichtung 12 angedeutet. Aus
dem mit ”Lenkmoment-Sensor” bezeichneten Block
werden die den Drehwinkel und das Drehmoment am Lenkrad beschreibenden
Signale dem Hauptrechner 23 zugeführt. Ein den
Drehwinkel des Motors 9 beschreibender Motorlagesensor 24 führt seine
Ausgangssignale ebenfalls dem Hauptrechner 23 zu. Aus der
Motorlage lässt sich unter bestimmten Voraussetzungen der
Lenkwinkel der Räder bestimmen. Der Motorlagen-Sensor 24 ist
mit dem Antriebsmotor 9 der Servo-Lenkung verbunden, um
die Stellung des Motor-Rotors erkennen zu können.
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In
dem Hauptrechner 23 wird die Stellgröße ermittelt,
mit der der Motor 9 angesteuert werden soll. Die entsprechenden
Ströme werden dem Motoren 9 über eine
Leistungsstufe 26 zugeführt und zur Sicherheit
wird der Hauptrechner 23 noch durch einen Überwachungsrechner 27 überprüft.
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Die
Steuervorrichtung 12 ist als zwei-Rechner-Systemen ausgeführt.
Der Hauptrechner 23 besitzt einen 16 Bit-Signalprozessor
mit besonderen Eigenschaften zur hochwertigen Motoraussteuerung. Er
bietet eine Rechenleistung von 60 MIPS bei 60 MHz. Alle Lenkungsfunktionen,
die Motoransteuerung sowie die Handhabung der Eingabe und Ausgabe
von Signalen sind auf dem Hauptrechner realisiert. Der Überwachungsrechner 27 und
der Hauptrechner 23 kommunizieren über eine digitale
Schnittstelle. Beide Rechner tauschen hochfrequente Frage-Antwort-Sequenzen
aus. Jeder Rechner besitzt einen autarke Takt- und Energieversorgung
um völlige Unabhängigkeit und Rückwirkungsfreiheit
zu gewährleisten.
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Zusammenfassend
lässt sich die vorliegende Erfindung kurz wie folgt beschreiben.
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Nachteile
des Standes der Technik.
- a) In heutigen Fahrzeugen
wird das Lenkwinkelsignal vom ESP-Lenkwinkelsensor generiert, plausibilisiert
und via CAN versendet.
- b) Für die Plausibilisierung und Gültig-Erkennung des
Lenkwinkelsignals ist eine aufwendige Mehrrechner-Architektur des
ESP-Lenkwinkelsensor notwendig.
- c) Es soll nun durch eine kombinierte Drehmoment- und Lenkwinkelsensorik,
die im Lenksystem integriert, ist ein Lenkwinkelsignal generiert werden.
- d) Das generierte Lenkwinkelsignal wird dann von der komb. Sensorik
an die Auswerteeinheit (Steuergerät) des Lenksystems gesendet.
- e) Nun wird das Lenkwinkelsignal mittels der 2-Rechnerstruktur
und zugrunde liegendem 3 Ebenen Sicherheitskonzept des Lenksystems plausibilisiert
und abgesichert, bevor es vom Lenksystem auf dem Antriebs-CAN versendet wird
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Aufgabe
der Erfindung ist die:
- a) Generierung eines
Lenkwinkelsignals innerhalb der Lenksystem-Drehmomentsensorik,
- b) Weiterleitung des Lenkwinkelsignals an das elektrom. Lenksystem
- c) Absicherung und Plausibilisierung des Lenkwinkelsignals durch
die Sicherheitsstruktur (3 Ebenen Konzept) des Lenksystems,
- d) Versendung des Lenkwinkelsignals auf dem Fahrzeugantriebs-CAN
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Merkmale
der Erfindung
- a) Generierung des Lenkwinkelsignals
durch kombinierte Drehmoment-/Lenkwinkelsensorik, integriert im
Lenksystem.
- b) Nutzung der Sicherheitsstruktur des Lenksystems zur Lenkwinkel-Signalabsicherung.
- c) Versendung des Lenkwinkelsignals durch Lenksystem via CAN
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19914383
A1 [0013]
- - EP 1382510 A1 [0013]