DE102022212164A1

DE102022212164A1 - Device and method for operating an electric machine, electric drive for a steer-by-wire steering system, control device and steer-by-wire steering system

Info

Publication number: DE102022212164A1
Application number: DE102022212164.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Weigt; Christoph Juritsch; Johannes Lampe; Marc Wiesenthal; Christoph Dobbelhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024104726A1

Abstract

Eine Vorrichtung (105) zum Betreiben einer elektrischen Maschine für eine Hinterachslenkung für eine Steer-by-wire-Lenkung weist eine Lenkeinrichtung (200) und eine zu der Lenkeinrichtung (200) externe Steuereinheit (205) auf. Die Lenkeinrichtung (200) umfasst eine Steuereinrichtung (210) und eine Sensoreinrichtung (215). Die Sensoreinrichtung (215) ist ausgebildet, um zumindest ein Sensorsignal (230) bereitzustellen, das eine Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder eine Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung (200) repräsentiert. Die externe Steuereinheit (205) ist ausgebildet, um ansprechend auf das zumindest eine Sensorsignal (230) die Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder die Position eines Stellelementes (102, 650, 706) der Lenkeinrichtung (200) auszuwerten und zur Deaktivierung der elektrischen Maschine ein Deaktivierungssignal (235) an die Steuereinrichtung (210) bereitzustellen, wenn das Sensorsignal (230) ein Deaktivierungskriterium erfüllt.A device (105) for operating an electric machine for rear axle steering for steer-by-wire steering has a steering device (200) and a control unit (205) external to the steering device (200). The steering device (200) comprises a control device (210) and a sensor device (215). The sensor device (215) is designed to provide at least one sensor signal (230) that represents a position of a part of the electric machine and/or a position of an actuating element of the steering device (200). The external control unit (205) is designed to evaluate the position of a part of the electric machine and/or the position of an actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200) in response to the at least one sensor signal (230) and to provide a deactivation signal (235) to the control device (210) for deactivating the electric machine if the sensor signal (230) fulfills a deactivation criterion.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, auf einen elektrischen Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung, eine Steuereinrichtung sowie auf eine Steer-by-wire-Lenkung.The present invention relates to a device and a method for operating an electric machine, to an electric drive for a steer-by-wire steering system, to a control device and to a steer-by-wire steering system.

Eine Steer-by-wire-Lenkung, bevorzugt ausgebildet als Hinterachslenkung, weist aufgrund sehr hoher Sicherheitsanforderungen eine aufwändige Elektronik auf. Die Steer-by-wire-Lenkung kann einen zentralen Aktuator mit elektromotorischem Antrieb aufweisen, mittels welchem beide Räder einer Achse gleichzeitig gelenkt werden können. Alternativ kann die Steer-by-wire-Lenkung zwei Aktuatoren aufweisen, so dass der Radlenkwinkel jedes Rades an einer Achse von einem separaten Aktuator eingestellt wird. Mit zwei Aktuatoren kann so eine gleichzeitige Verstellung von beiden Rädern einer Achse ermöglicht werden. Jeder Aktuator kann dabei ein eigenes Steuergerät aufweisen. Solche Aktuatoren gehen bspw. aus der DE3728592 A1 hervor.A steer-by-wire steering system, preferably designed as a rear-axle steering system, has complex electronics due to very high safety requirements. The steer-by-wire steering system can have a central actuator with an electric motor drive, by means of which both wheels of an axle can be steered simultaneously. Alternatively, the steer-by-wire steering system can have two actuators, so that the wheel steering angle of each wheel on an axle is set by a separate actuator. With two actuators, simultaneous adjustment of both wheels of an axle is possible. Each actuator can have its own control unit. Such actuators are used, for example, in the DE3728592 A1 out.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, einen verbesserten elektrischen Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung und ein verbessertes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides an improved device and an improved method for operating an electric machine, an improved electric drive for a steer-by-wire steering system and an improved motor vehicle according to the independent patent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims and the following description.

Die mit dem hier vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Vorrichtung geschaffen wird, die ein zuverlässiges und schnelles Deaktivieren einer elektrischen Maschine in einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs ermöglichen kann, wenn sich das Kraftfahrzeug in einem sicherheitskritischen Modus befindet.The advantages that can be achieved with the approach presented here consist in particular in the fact that a device is created that can enable a reliable and rapid deactivation of an electric machine in a steer-by-wire steering system of a motor vehicle when the motor vehicle is in a safety-critical mode.

Eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine für eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Hinterachslenkung, weist einen Aktuator und einen zu dem Aktuator externe Steuereinheit auf. Der Aktuator umfasst eine Leistungselektronik und eine Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtung ist ausgebildet, um zumindest ein Sensorsignal bereitzustellen, das eine Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder eine Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung repräsentiert. Die externe Steuereinheit ist ausgebildet, um ansprechend auf das zumindest eine Sensorsignal die Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder die Position des Stellelementes der Lenkeinrichtung auszuwerten und zur Deaktivierung der elektrischen Maschine ein Deaktivierungssignal an die Steuereinrichtung bereitzustellen, wenn das Sensorsignal ein Deaktivierungskriterium erfüllt.A device for operating an electric machine for a steer-by-wire steering system for a motor vehicle, in particular a rear-axle steering system, has an actuator and a control unit external to the actuator. The actuator comprises power electronics and a sensor device. The sensor device is designed to provide at least one sensor signal that represents a position of a part of the electric machine and/or a position of an actuating element of the steering device. The external control unit is designed to evaluate the position of a part of the electric machine and/or the position of the actuating element of the steering device in response to the at least one sensor signal and to provide a deactivation signal to the control device for deactivating the electric machine if the sensor signal meets a deactivation criterion.

Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug sein, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibus oder dergleichen. Die elektrische Maschine kann die Lenkvorrichtung in Form eines Elektromotors antreiben. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als ein Mikrocontroller ausgebildet sein und Signale empfangen und ausgeben. Die zu der Steer-by-wire-Lenkung respektive Lenkeinrichtung externe Steuereinheit kann als ein übergeordnetes Steuergerät ausgebildet sein. Das Deaktivierungskriterium kann beispielsweise eine zu hohe Geschwindigkeit, eine Beschleunigung in Längs- und/oder Querrichtung, eine Position eines Stellelementes, wie beispielsweise einer Spindelmutter oder einer Spindel oder Lenkstange eines Linearantriebs außerhalb eines Toleranzbereichs und/oder eine ungleiche Position oder Stellung zweier Aktuatoren repräsentieren. Denkbar ist auch, dass bei der Verwendung eines Schrittmotors als elektrische Maschine die Stellung des Rotors als Teil der elektrischen Maschine überwacht werden kann, sodass beispielsweise die Abweichung der tatsächlichen Stellung des Rotors von einer gewünschten oder erforderlichen Sollstellung erkannt und entsprechend ein Deaktivierungssignal ausgesendet werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz kann auch als eine Steer-by-wire-Lenkung, insbesondere ausgeführt als Hinterachslenkung mit externer Sicherheitsüberwachung verstanden werden. Dabei werden Sicherheitsfunktionen aus der Steer-by-wire-Lenkung respektive Lenkeinrichtung ausgelagert, wodurch ein zu der Lenkeinrichtung externer Sicherheitspfad geschaffen werden kann.The motor vehicle can be, for example, an electrically powered motor vehicle, such as a passenger car, truck, bus or the like. The electric machine can drive the steering device in the form of an electric motor. The control device can be designed, for example, as a microcontroller and can receive and output signals. The control unit external to the steer-by-wire steering or steering device can be designed as a higher-level control device. The deactivation criterion can, for example, represent excessive speed, acceleration in the longitudinal and/or transverse direction, a position of an actuating element, such as a spindle nut or a spindle or steering rod of a linear drive outside a tolerance range and/or an unequal position or position of two actuators. It is also conceivable that when a stepper motor is used as an electric machine, the position of the rotor can be monitored as part of the electric machine, so that, for example, the deviation of the actual position of the rotor from a desired or required target position can be detected and a deactivation signal can be sent accordingly. The approach presented here can also be understood as a steer-by-wire steering system, in particular implemented as a rear-axle steering system with external safety monitoring. In this case, safety functions are outsourced from the steer-by-wire steering system or steering device, whereby a safety path external to the steering device can be created.

Mit dem hier vorgestellten Ansatz können Kosten reduziert werden sowie eine nutzerunabhängige Software und/oder Hardware ermöglicht werden. Es kann eine einfache und kostengünstige Elektronik realisiert werden. Dies kann beispielsweise mittels Aktuatoren ermöglicht werden, die keine oder nur eine stark reduzierte Elektronik z.B. Leistungselektronik zum Betreiben des Antriebsmotors aufweisen. Diese können zur Funktion bzw. Ansteuerung lediglich ein übergeordnetes Steuergerät, also eine zu der Steer-by-wire-Lenkung respektive Lenkeinrichtung externe Steuereinheit aufweisen, welche im Kraftfahrzeug vorhanden ist, insbesondere als ein zentrales Steuergerät zum Betreiben verschiedener Aktuatoren im Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges.The approach presented here can reduce costs and enable user-independent software and/or hardware. Simple and cost-effective electronics can be implemented. This can be made possible, for example, by actuators that have no or only greatly reduced electronics, e.g. power electronics for operating the drive motor. These can only have a higher-level control unit for function or control, i.e. a control unit external to the steer-by-wire steering or steering device, which is present in the motor vehicle, in particular as a central control unit for operating various actuators in the chassis of a motor vehicle.

Die Sensoreinrichtung kann zumindest einen Rotorlagesensor und zusätzlich oder alternativ einen Linearwegsensor aufweisen, um das Sensorsignal bereitzustellen. Der Linearwegsensor wird bei dem Aktuator der Lenkeinrichtung, speziell der Hinterachslenkung, zur Plausibilisierung der Position der Spindel verwendet, falls die Position nicht ausreichend mittels des Rotorlagesensors des Elektromotors bestimmt werden kann, welches z.B. bei Abschaltung oder Ausfall der Bestromung des Rotorlagesensors der Fall sein kann. Der Rotorlagesensor bildet dagegen beispielsweise einen Teil des Elektromotors. Der Elektromotor treibt, insbesondere mittels eines Zahnriemengetriebes, die Spindelmutter des Spindelantriebes an. Das Drehen der Spindelmutter bewirkt eine lineare bzw. translatorische Verlagerung der Spindel. Diese Verlagerung der Spindel im Gehäuse des Aktuators wird mittels des Rotorlagesensors bestimmt, insbesondere wird die Position aus den Änderungen der Rotorlage errechnet. Darüber lässt sich der eingestellte Lenkwinkel bestimmen. Der Linearwegsensor wird zur Plausibilisierung herangezogen, beispielsweise falls der Zahnriemen überspringen sollte oder es zu einer Unterbrechung der Stromversorgung kommen sollte, z. B. beim Abstellen des Fahrzeugs mit eingeschlagenen Rädern. Es wird somit beispielsweise die Position der Spindel in dem Aktuator erfasst. Somit kann zuverlässig und schnell eine Position eines Teils der elektrischen Maschine bzw. Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung erfasst werden. Ferner können die Sensoren kostengünstig hergestellt und Bauraum sparend in der Sensoreinrichtung verbaut werden.The sensor device can have at least one rotor position sensor and additionally or alternatively a linear displacement sensor to provide the sensor signal. The linear displacement sensor is used in the Actuator of the steering device, especially the rear axle steering, used to check the plausibility of the position of the spindle if the position cannot be sufficiently determined using the rotor position sensor of the electric motor, which can be the case, for example, if the power supply to the rotor position sensor is switched off or fails. The rotor position sensor, on the other hand, forms part of the electric motor, for example. The electric motor drives the spindle nut of the spindle drive, particularly by means of a toothed belt drive. Turning the spindle nut causes a linear or translational displacement of the spindle. This displacement of the spindle in the actuator housing is determined using the rotor position sensor; in particular, the position is calculated from the changes in the rotor position. This can be used to determine the set steering angle. The linear position sensor is used for plausibility checks, for example if the toothed belt should skip or there should be an interruption in the power supply, e.g. when the vehicle is parked with the wheels turned. This means that the position of the spindle in the actuator is recorded, for example. This means that the position of a part of the electric machine or the position of an actuator of the steering device can be detected quickly and reliably. Furthermore, the sensors can be manufactured cost-effectively and installed in the sensor device in a space-saving manner.

Die Sensoreinrichtung kann ausgebildet sein, um das Sensorsignal bereitzustellen, wenn sich der Teil der elektrischen Maschine oder des Stellelementes der Lenkeinrichtung in einem Deaktivierungsbereich befindet.The sensor device can be designed to provide the sensor signal when the part of the electric machine or the actuating element of the steering device is located in a deactivation region.

Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um ansprechend auf das zumindest eine Sensorsignal ein von dem Deaktivierungssignal unterschiedliches Vorgabesignal an die Steuereinrichtung bereitzustellen. Dabei kann das Vorgabesignal einen Sollwert einer Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder eine Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung repräsentieren. Somit wird die elektrische Maschine nicht deaktiviert.The control unit can be designed to provide a specification signal to the control device that is different from the deactivation signal in response to the at least one sensor signal. The specification signal can represent a target value of a position of a part of the electric machine and/or a position of an actuating element of the steering device. The electric machine is therefore not deactivated.

Die Steuereinheit kann das Deaktivierungssignal ausgeben, wenn die Position des Teils der elektrischen Maschine und/oder die Position des Stellelementes der Lenkeinrichtung um mehr als einen Toleranzbereich von der durch das Vorgabesignal repräsentierten Position des Teils der elektrischen Maschine und/oder der Position des Stellelementes der Lenkeinrichtung abweicht. Bei der Position kann es sich beispielsweise um ungleiche Positionen von zwei Aktuatoren oder um eine Position des Stellelementes außerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs handeln.The control unit can output the deactivation signal if the position of the part of the electrical machine and/or the position of the actuating element of the steering device deviates by more than one tolerance range from the position of the part of the electrical machine and/or the position of the actuating element of the steering device represented by the specification signal. The position can, for example, be unequal positions of two actuators or a position of the actuating element outside a permissible tolerance range.

Die Steuereinheit kann das Deaktivierungssignal ausgeben, wenn das Fahrzeug beispielsweise aufgrund der Signale von dem Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung oder der im Fahrzeug selbst vorliegenden Signale einen unsicheren Zustand feststellt. Somit können Fahrer, Insassen und andere Verkehrsteilnehmer vor Unfällen geschützt werden, da aufgrund des unsicheren Zustands die elektrische Maschine deaktiviert wird. Dadurch, dass die elektrische Maschine den Aktuator der Steer-by-wire-Lenkung antreibt, kann eine Änderung der Lenkbewegung bewirkt werden. In Abhängigkeit von Parametern wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Querkräfte im Fahrwerk, Lenkwinkel an Vorder- und Hinterachse etc. werden dabei die Aktuatoren der Hinterachslenkung verstellt. Die Verstellung wird in einem Steuergerät errechnet, welches dann Steuersignale an die Aktuatoren sendet. Relevant ist in diesem Zusammenhang besonders, dass je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, desto geringer der Lenkwinkel bzw. die Verstellung der Radlenkwinkel der Räder sein sollte (bei sehr langsamer Fahrt und beim Parkiervorgang z.B. bis 10° Verstellung bzw. Lenkwinkel, wogegen bei einer Fahrtgeschwindigkeit von mehr als 50km/h nur um wenige Bogenminuten oder -sekunden verstellt wird. Wird nun eine entsprechende Überwachung der elektrischen Maschine des Aktors bzw. des Stellelementes durchgeführt, kann somit ein erheblicher Sicherheitsgewinn erreicht werden, da bei einem Auftreten eines Fehlers bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten keine gefährlichen Lenkbewegungen ausgeführt werden.The control unit can output the deactivation signal if the vehicle detects an unsafe condition, for example based on the signals from the steer-by-wire steering actuator, in particular rear-axle steering, or the signals present in the vehicle itself. This can protect drivers, passengers and other road users from accidents because the electric machine is deactivated due to the unsafe condition. The fact that the electric machine drives the steer-by-wire steering actuator can cause a change in the steering movement. The actuators of the rear-axle steering are adjusted depending on parameters such as speed, acceleration, lateral forces in the chassis, steering angle on the front and rear axles, etc. The adjustment is calculated in a control unit, which then sends control signals to the actuators. What is particularly relevant in this context is that the higher the vehicle speed, the smaller the steering angle or the adjustment of the wheel steering angle should be (when driving very slowly and when parking, for example, up to 10° adjustment or steering angle, whereas at a driving speed of more than 50 km/h, adjustment is only made by a few arc minutes or seconds). If the electrical machine of the actuator or the control element is monitored accordingly, a significant increase in safety can be achieved, since if an error occurs at high driving speeds, no dangerous steering movements are carried out.

Die Sensoreinrichtung kann ausgebildet sein, um das zumindest eine Sensorsignal unter Verwendung eines ASIL-D-basierten Sicherheitssystems bereitzustellen. ASIL steht für Automotive Safety Integrity Level und bezeichnet eine Sicherheitsanforderungsstufe für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Rede von einem Automotive Safety Integrity Level D, wobei D die höchste Sicherheitsanforderungsstufe repräsentiert. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Sicherheitsfunktion gemäß einem vordefinierten Standard erreicht werden.The sensor device can be designed to provide the at least one sensor signal using an ASIL-D-based safety system. ASIL stands for Automotive Safety Integrity Level and refers to a safety requirement level for safety-relevant systems in motor vehicles. In the exemplary embodiment described here, reference is made to an Automotive Safety Integrity Level D, where D represents the highest safety requirement level. In this way, a reliable safety function can be achieved in accordance with a predefined standard.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform einer hierin genannten Vorrichtung einen Schritt des Bereitstellens des zumindest einen Sensorsignals. Dabei repräsentiert das Sensorsignal eine Position der elektrischen Maschine und/ oder eine Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung. Zusätzlich umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens des Deaktivierungssignals, ansprechend auf das zumindest eine Sensorsignal, um die elektrische Maschine zu deaktivieren. Auch durch eine solche Ausführungsform können die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes sehr effizient realisiert werden. Etwaige Verfahrensschritte sind nicht auf die dargestellte Reihenfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel beschränkt.According to a further aspect of the invention, a method for operating an embodiment of a device mentioned herein comprises a step of providing the at least one sensor signal. The sensor signal represents a position of the electric machine and/or a position of an actuating element of the steering device. In addition, the method comprises a step of providing the deactivation signal in response to the at least one sensor signal in order to deactivate the electric machine. Such an embodiment can also be used to Parts of the approach described here can be implemented very efficiently. Any method steps are not limited to the sequence shown according to an embodiment.

Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine und einem Aktor sowie Stellelement einer Lenkeinrichtung.In addition, the invention relates to an electric drive for a steer-by-wire steering system for a motor vehicle with at least one electric machine and one actuator and actuating element of a steering device.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steer-by-wire-Lenkung mit einer Ausführungsform eines hierin genannten elektrischen Antriebs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zum Betreiben des vorgenannten Verfahrens. Unter einer Steuereinrichtung, auch als Steuergerät bezeichnet, kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer-, Schalt- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, das verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.The invention further relates to a steer-by-wire steering system with an embodiment of an electric drive mentioned herein. The invention further relates to a control device for operating the aforementioned method. A control device, also referred to as a control unit, can be understood here as an electrical device that processes sensor signals and outputs control, switching and/or data signals as a function of them. The control unit can have an interface that can be designed as hardware and/or software. In a hardware design, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC that contains a wide variety of functions of the control unit. However, it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components. In a software design, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.

Ein Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung wie beschrieben verwendet wird.A motor vehicle is characterized in that the electric drive is used for steer-by-wire steering as described.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Darstellung einer Fahrzeugachse für ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs;
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung für eine Steer-by-wire-Lenkung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs;
5 eine schematische Darstellung eines Aktuators;
6 eine schematische Darstellung eines Aktuators für ein Ausführungsbeispiel einer Steer-by-wire-Lenkung eines Kraftfahrzeugs;
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs

The invention is explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. They show:

1 a representation of a vehicle axle for an embodiment of a motor vehicle;
2 a block diagram of an embodiment of a device for steer-by-wire steering;
3 a flowchart of an embodiment of a method for operating a device;
4 a schematic representation of an embodiment of a motor vehicle;
5 a schematic representation of an actuator;
6 a schematic representation of an actuator for an embodiment of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle;
7 a schematic representation of an embodiment of a vehicle

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, whereby a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine Darstellung einer Fahrzeugachse 1 für ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 100. 1 shows a representation of a vehicle axle 1 for an embodiment of a motor vehicle 100.

Die Fahrzeugachse 1 ist hier als eine Hinterachse mit einem Hilfsrahmen 2 dargestellt, der an einem Fahrzeugaufbau befestigt ist bzw. diesen bildet und mit der Karosserie eines Kraftfahrzeuges 100 verbunden ist. Der hier vorgestellte Ansatz ist jedoch nicht auf eine Hinterachse beschränkt. Jeweils zwei Räder 5 und 6 sind mittels Lenkern 3 an dem Hilfsrahmen 2 angelenkt. Die Lenker 3 sind Teil der Radaufhängung für die Räder 5, 6. An dem Hilfsrahmen 2 ist ein Aktuator 10 einer steer-by-wire-Lenkung 12 angeordnet. Der Aktuator 10 ist mit seinem Gehäuse 21 an dem Hilfsrahmen 2 befestigt. Der Aktuator 10 weist in der vorliegenden Ausführung als ein zentraler Aktuator eine durchgehende Lenkstange 27 auf, welche durch das Gehäuse 21 des Aktuators 10 hindurchgeführt ist. Eine elektrische Maschine 22, die auch als Antriebsmotor bezeichnet werden kann, ist achsparallel zur Lenkstange 27 angeordnet. An den Enden der Lenkstange 27 sind Spurstangen 23 angelenkt, welche mit dem von dem Aktuator 10 abgewandten Ende jeweils mit dem nicht dargestellten Radträger der Räder 5 und 6 gelenkig verbunden sind. Es ist offensichtlich, dass bei einer axialen Verlagerung, also einer Verlagerung der Lenkstange 27 entlang der Längsachse in die eine oder andere Richtung eine Veränderung des Radlenkwinkels 8, 9 erfolgt, weil die Spurstangen 23 eine Zwangsverbindung zwischen Rad 5, 6 bzw. Radträger und der Lenkstange 27 darstellen. Zur Lenkung der Räder 5, 6 sind diese um deren Hochachse drehbar an der Radaufhängung 3 angelenkt. Der Aktuator 10 ist mit anderen Worten eine Vorrichtung, welche ein Betreiben der Lenkung 12 ermöglicht. Der Aktuator 10 umfasst dabei ein Stellelement 102, welches beispielsweise als Spindelmutter ausgebildet ist und mit ihrem Innengewinde mit einem Außengewinde an einer Lenkstange in Eingriff ist. Weiterhin ist das Stellelement 102 mittels eines Zahnriemens von der elektrischen Maschine 22 drehbar antreibbar, sodass bei einem Betrieb der elektrischen Maschine die Lenkstange 27 nach rechts oder links verlagert wird, sodass diese Bewegung mittels der Spurstangen 23 an die Ränder 5, 6 übertragen werden. Auf diese Weise kann durch den Aktuator 10 eine Lenkbewegung auf die Räder 5 ausgeübt werden. Für eine detailliertere Darstellung bzw. Beschreibung der Funktionsweise des Antriebs in Form des Aktuators 10 wird in diesem Zusammenhang auf die nachfolgenden 5 und 6 verwiesen.The vehicle axle 1 is shown here as a rear axle with a subframe 2, which is attached to a vehicle body or forms this and is connected to the body of a motor vehicle 100. However, the approach presented here is not limited to a rear axle. Two wheels 5 and 6 are each articulated to the subframe 2 by means of control arms 3. The control arms 3 are part of the wheel suspension for the wheels 5, 6. An actuator 10 of a steer-by-wire steering 12 is arranged on the subframe 2. The actuator 10 is attached to the subframe 2 with its housing 21. In the present embodiment, the actuator 10 has a continuous steering rod 27 as a central actuator, which is guided through the housing 21 of the actuator 10. An electric machine 22, which can also be referred to as a drive motor, is arranged axially parallel to the steering rod 27. Tie rods 23 are articulated at the ends of the steering rod 27, which are each articulated with the end facing away from the actuator 10 to the wheel carrier (not shown) of the wheels 5 and 6. It is obvious that an axial displacement, i.e. a displacement of the steering rod 27 along the longitudinal axis in one direction or the other, changes the wheel steering angle 8, 9 because the tie rods 23 represent a forced connection between the wheel 5, 6 or wheel carrier and the steering rod 27. To steer the wheels 5, 6, they are articulated to the wheel suspension 3 so that they can rotate about their vertical axis. In other words, the actuator 10 is a device that enables the steering 12 to be operated. The actuator 10 comprises an actuating element 102, which is designed, for example, as a spindle nut and whose internal thread engages an external thread on a steering rod. Furthermore, the actuator 102 can be driven in a rotatable manner by means of a toothed belt by the electric machine 22, so that when the electric machine is operating, the steering rod 27 is displaced to the right or left, so that this movement is transmitted to the edges 5, 6 by means of the tie rods 23. In this way, a steering movement can be exerted on the wheels 5 by the actuator 10. For a more detailed representation or description of the functioning of the drive in the form of the actuator 10 In this context, reference is made to the following 5 and 6 referred to.

An der elektrischen Maschine 22 ist beispielhaft eine Vorrichtung 105 angeordnet. Die Vorrichtung 105 ist ausgebildet, um die elektrische Maschine 22 zu betreiben und um sie beispielsweise in einem Fehlerfall zu deaktivieren. In 2 ist die Vorrichtung 105 genauer beschrieben.A device 105 is arranged on the electrical machine 22, for example. The device 105 is designed to operate the electrical machine 22 and to deactivate it, for example, in the event of a fault. In 2 the device 105 is described in more detail.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 105 zum Betreiben einer elektrischen Maschine gem. 1. 2 shows a block diagram of an embodiment of a device 105 for operating an electrical machine according to. 1 .

Die Vorrichtung 105 ist beispielsweise ausgebildet, um in einem Fehlerfall die elektrische Maschine zu deaktivieren. Dazu weist die Vorrichtung 105 eine Lenkeinrichtung 200 und eine zu der Lenkeinrichtung 200 externe Steuereinheit 205 auf. Die Lenkeinrichtung 200 weist eine Steuereinrichtung 210 und eine Sensoreinrichtung 215 auf und ist beispielsweise signalübertragungsfähig mit der Steuereinheit 205 verbunden.The device 105 is designed, for example, to deactivate the electrical machine in the event of a fault. For this purpose, the device 105 has a steering device 200 and a control unit 205 external to the steering device 200. The steering device 200 has a control device 210 and a sensor device 215 and is connected to the control unit 205, for example, in a way that is capable of transmitting signals.

Die Sensoreinrichtung 215 weist beispielsweise einen Rotorlagesensor 220 und/oder einen Linearwegsensor 225 auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sensoreinrichtung 215 den Rotorlagesensor 220 und den Linearwegsensor 225 auf. Der Rotorlagesensor 220 ist beispielsweise ausgebildet, um eine Position eines Teils der elektrischen Maschine, speziell eine Winkellage des Rotors (Rotorlage) der elektrischen Maschine, zu bestimmen. Der Linearwegsensor 225 ist beispielsweise ausgebildet, um eine Position des Stellelementes 102 im Linearantriebselement zu bestimmen. Beispielsweise bestimmen die Sensoren 220, 225 eine Lage und/oder Längenänderungen eines Teils der elektrischen Maschine oder eine Position des Stellelementes des Aktuators in Bezug auf eine Referenzlage. Die Sensoreinrichtung 215, in der die Sensoren 220, 225 angeordnet sind, kann somit auch als Positions- oder Lagesensor bezeichnet werden. Die Sensoren 220, 225 sind demnach beispielsweise ausgebildet, um die Position oder Lage unter Verwendung eines ASIL-D basierten Sicherheitssystems zu messen.The sensor device 215 has, for example, a rotor position sensor 220 and/or a linear displacement sensor 225. In the exemplary embodiment shown here, the sensor device 215 has the rotor position sensor 220 and the linear displacement sensor 225. The rotor position sensor 220 is designed, for example, to determine a position of a part of the electrical machine, specifically an angular position of the rotor (rotor position) of the electrical machine. The linear displacement sensor 225 is designed, for example, to determine a position of the actuating element 102 in the linear drive element. For example, the sensors 220, 225 determine a position and/or length changes of a part of the electrical machine or a position of the actuating element of the actuator in relation to a reference position. The sensor device 215, in which the sensors 220, 225 are arranged, can thus also be referred to as a position or position sensor. The sensors 220, 225 are therefore designed, for example, to measure the position or location using an ASIL-D based safety system.

ASIL steht für Automotive Safety Integrity Level und bezeichnet eine Sicherheitsanforderungsstufe für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Rede von einem Automotive Safety Integrity Level D, wobei D die höchste Sicherheitsanforderungsstufe repräsentiert.ASIL stands for Automotive Safety Integrity Level and describes a safety requirement level for safety-relevant systems in motor vehicles. In the example described here, we are talking about an Automotive Safety Integrity Level D, where D represents the highest safety requirement level.

Neben ASIL ist eine Sicherheitsanforderung QM definiert, wobei QM für Quality Management Maßnahmen steht. Dabei repräsentiert QM die niedrigste Sicherheitsstufe, während ASIL-D beispielsweise die höchste Sicherheitsstufe repräsentiert. Die QM-Stufe repräsentiert genauer gesagt einfache und/oder geringe Qualitätsmanagement-Maßnahmen zur Absicherung der Fahrsicherheit. Alternativ werden keine sicherheitsrelevanten Maßnahmen ausgeführt, falls eine QM-Stufe nicht notwendig ist.In addition to ASIL, a QM safety requirement is defined, where QM stands for Quality Management Measures. QM represents the lowest safety level, while ASIL-D, for example, represents the highest safety level. More precisely, the QM level represents simple and/or low quality management measures to ensure driving safety. Alternatively, no safety-relevant measures are carried out if a QM level is not necessary.

Genauer gesagt werden Funktionen benötigt, die bestimmten Sicherheitsausführungen bzw. Sicherheitsstandards genügen, um den abgesicherten Betrieb oder mit anderen Worten einen für Leib und Leben der Fahrzeuginsassen gefahrlosen Betrieb zu gewährleisten. In der Automobilindustrie sind hierzu Anforderungen festgelegt, die in verschiedenen Stufen eingeteilt sind. Hierzu sind sogenannte Automotive Safety Integrity Level festgelegt, wobei die Level, auch Stufen genannt, sich an einer Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung orientieren. Es werden dazu die potenziellen Gefährdungen eines Systems analysiert und die möglichen Fehlfunktionen in spezifischen Fahrsituationen je nach eingeschätzter Gefährdung bzw. Anforderung in unterschiedlichen Sicherheitsanforderungsstufen von A bis D klassifiziert. Dabei ist Level/Stufe A als niedrigste und D als höchste Einstufung zu betrachten. ASIL-Sicherheitsstufen sind bei einem Risiko für Leib und Leben anzuwenden.More specifically, functions are required that meet certain safety requirements or standards in order to ensure safe operation or, in other words, operation that is safe for the life and limb of the vehicle occupants. The automotive industry has defined requirements for this, which are divided into different levels. So-called Automotive Safety Integrity Levels have been defined for this purpose, with the levels, also called stages, being based on a hazard analysis and risk assessment. The potential hazards of a system are analyzed and the possible malfunctions in specific driving situations are classified into different safety requirement levels from A to D depending on the estimated hazard or requirement. Level/stage A is to be regarded as the lowest and D as the highest. ASIL safety levels are to be applied when there is a risk to life and limb.

Beide Sensoren 220, 225 sind somit beispielsweise ausgebildet, um unter Verwendung des ASIL-D-basierten Sicherheitssystems ein Sensorsignal 230 an die Steuereinheit 205 bereitzustellen. Das Sensorsignal 230 repräsentiert dabei die Position eines Teils der elektrischen Maschine und/oder eine Position des Stellelementes, die von der Steuereinheit 205 ausgewertet wird. In anderen Worten ausgedrückt repräsentiert das Sensorsignal 230 beispielsweise eine Ist-Position des Aktuators bzw. eine Ausgabe eines Rotor-Positionssensors des Motors oder Lagesensors des Linearantriebs nach ASIL-D.Both sensors 220, 225 are thus designed, for example, to provide a sensor signal 230 to the control unit 205 using the ASIL-D-based safety system. The sensor signal 230 represents the position of a part of the electrical machine and/or a position of the actuating element, which is evaluated by the control unit 205. In other words, the sensor signal 230 represents, for example, an actual position of the actuator or an output of a rotor position sensor of the motor or position sensor of the linear drive according to ASIL-D.

Bei der Auswertung orientiert sich die Steuereinheit 205 an einem Deaktivierungskriterium. Erfüllt das Sensorsignal 230 ein Kriterium des Deaktivierungskriteriums, so gibt die Steuereinheit 205 ein Deaktivierungssignal 235 an die Steuereinrichtung 210 aus, um die elektrische Maschine zu deaktivieren. Das Deaktivierungssignal 235 kann auch als Emergency Shut-off-Signal nach ASIL-D bezeichnet werden.During the evaluation, the control unit 205 is guided by a deactivation criterion. If the sensor signal 230 meets a criterion of the deactivation criterion, the control unit 205 outputs a deactivation signal 235 to the control device 210 in order to deactivate the electrical machine. The deactivation signal 235 can also be referred to as an emergency shut-off signal according to ASIL-D.

Wenn das Sensorsignal 230 kein Deaktivierungskriterium erfüllt, gibt die Steuereinheit 205 gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Vorgabesignal 250 an die Steuereinrichtung 210 aus. Dabei repräsentiert das Vorgabesignal 250 einen Sollwert einer Position eines Teils der elektrischen Maschine oder der Lage des Stellelementes und die elektrische Maschine wird nicht deaktiviert. In anderen Worten ausgedrückt repräsentiert das Vorgabesignal 250 beispielsweise eine Sollwertvorgabe und nicht sicherheitsrelevante Diagnoseinformationen.If the sensor signal 230 does not meet a deactivation criterion, the control unit 205 outputs a specification signal 250 to the control device 210 according to an embodiment. The specification signal 250 represents a target value of a position of a part of the electric machine or the position of the actuating element and the electric machine is not deactivated. In other words, the specification signal 250 represents for example, a setpoint specification and non-safety-relevant diagnostic information.

Zusätzlich zu der Auswertung des Sensorsignals 230 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein weiteres Signal an die Steuereinheit 205 bereitgestellt, beispielsweise ein Fahrzeugsignal 240. Das Fahrzeugsignal 240 wird beispielsweise von einem Bussystem 245 bereitgestellt, das signalübertragungsfähig mit der Steuereinheit 205 verbunden ist. Das Bussystem 245 kann beispielsweise als Fahrzeug-Bus bezeichnet werden und als ein Flexray-Bus oder ein CAN-Bus ausgebildet sein. Das Fahrzeugsignal 240 repräsentiert beispielsweise einen Lenkwinkel und/oder eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung etc. des Fahrzeugs.In addition to the evaluation of the sensor signal 230, according to one embodiment, a further signal is provided to the control unit 205, for example a vehicle signal 240. The vehicle signal 240 is provided, for example, by a bus system 245 that is connected to the control unit 205 in a signal-transmitting manner. The bus system 245 can be referred to, for example, as a vehicle bus and can be designed as a Flexray bus or a CAN bus. The vehicle signal 240 represents, for example, a steering angle and/or a speed or an acceleration etc. of the vehicle.

Das Fahrzeugsignal 240 wird ebenfalls von der Steuereinheit 205 ausgewertet. Erfüllt das Fahrzeugsignal 240 das Deaktivierungskriterium, so wird ebenfalls das Deaktivierungssignal 235 von der Steuereinheit 205 an die Steuereinrichtung 210 ausgegeben.The vehicle signal 240 is also evaluated by the control unit 205. If the vehicle signal 240 meets the deactivation criterion, the deactivation signal 235 is also output from the control unit 205 to the control device 210.

Deaktivierungskriterien sind beispielsweise eine zu hohe Geschwindigkeit, ein in einem unzulässigen Bereich liegender Lenkwinkel und/oder Beschleunigung und/oder ungleiche Positionen zweier Aktuatoren, die auch als Dualsteller bezeichnet werden können.Deactivation criteria include, for example, excessive speed, a steering angle and/or acceleration within an inadmissible range and/or unequal positions of two actuators, which can also be referred to as dual actuators.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bussystem 245 zusätzlich signalübertragungsfähig mit der Steuereinrichtung 210 verbunden, um das Fahrzeugsignal 240 direkt an die Steuereinrichtung 210 zu leiten. Dies erfolgt in der Regel unter Verwendung eines ASIL basierten Sicherheitssystems.According to one embodiment, the bus system 245 is additionally connected to the control device 210 in a signal-transmitting manner in order to direct the vehicle signal 240 directly to the control device 210. This is usually done using an ASIL-based safety system.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Bussystem 245 nicht mit der Steuereinrichtung 210 verbunden, wenn die vollständige Auswertung über die Steuereinheit 205 läuft.According to an alternative embodiment, the bus system 245 is not connected to the control device 210 when the complete evaluation runs via the control unit 205.

In anderen Worten ausgedrückt ist in der Lenkeinrichtung 200 eine Sensoreinrichtung 215 angeordnet, die auch als Positions- bzw. Lagesensor bezeichnet werden kann. Die Sensoreinrichtung 215 weist üblicherweise einen Rotorlagesensor 220 in der elektrischen Maschine, die auch als E-Motor bezeichnet werden kann, auf, welcher an sich zur Positionsbestimmung herangezogen wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Linearwegsensor 225 zur Erfassung der Lage des Stellelementes in einer Linearantriebseinheit eingesetzt werden. Beide Sensoren 220, 225 sind ASIL-D fähig. Die Sensoreinrichtung 215 misst die aktuelle Position und sendet diese als Sensorsignal 230 über einen Bus, zum Beispiel CAN oder Flexray, direkt an die Steuereinheit 205, die auch als übergeordnetes Steuergerät bezeichnet werden kann. Gegebenenfalls wird das Sensorsignal 230 über einen Bypass auch noch von der Lenkeinrichtung 200 empfangen und für die Motorkommutierung verwendet. In der Steuereinheit 205 laufen die Diagnose und Überwachungsfunktionen ab, um die Einhaltung der Sicherheitsziele der Lenkeinrichtung 200 sicherzustellen.In other words, a sensor device 215 is arranged in the steering device 200, which can also be referred to as a position or position sensor. The sensor device 215 usually has a rotor position sensor 220 in the electric machine, which can also be referred to as an electric motor, which is used to determine the position. Additionally or alternatively, a linear position sensor 225 can be used to detect the position of the actuating element in a linear drive unit. Both sensors 220, 225 are ASIL-D capable. The sensor device 215 measures the current position and sends it as a sensor signal 230 via a bus, for example CAN or Flexray, directly to the control unit 205, which can also be referred to as a higher-level control unit. If necessary, the sensor signal 230 is also received by the steering device 200 via a bypass and used for motor commutation. The control unit 205 performs the diagnostic and monitoring functions to ensure compliance with the safety objectives of the steering device 200.

Erkennt die Steuereinheit 205 das Risiko, dass die Lenkeinrichtung 200 ein Sicherheitsziel verletzen könnte, beispielsweise ungleiche Positionen der beiden Aktuatoren etc., wird die Lenkeinrichtung 200 bzw. die elektrische Maschine über einen Emergency Shut-off von außen deaktiviert und somit in einen sicheren Zustand versetzt. Für die Deaktivierung wird beispielsweise eine Schaltung mit Notbremsfunktion eingesetzt. Dadurch wird die Steuereinrichtung 210, die aus µC (Mikrocontroller) und Bridge bestehen kann, in der Lenkeinrichtung 200 vollständig umgangen und somit werden in diesem keine Sicherheitsfunktionen umgesetzt.If the control unit 205 detects the risk that the steering device 200 could violate a safety objective, for example unequal positions of the two actuators, etc., the steering device 200 or the electric machine is deactivated from the outside via an emergency shut-off and thus placed in a safe state. For example, a circuit with an emergency braking function is used for the deactivation. As a result, the control device 210, which can consist of a µC (microcontroller) and bridge, is completely bypassed in the steering device 200 and thus no safety functions are implemented in it.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinheit 205 gegebenenfalls auch zwei Aktuatoren an. Bei der Verwendung von zwei Aktuatoren repräsentiert beispielsweise ein Aktuator den Part der Steuereinheit 205, während der andere Aktuator ohne vollständige ASIL-Elektronik ausgeformt ist.According to an alternative embodiment, the control unit 205 may also control two actuators. When using two actuators, for example, one actuator represents the part of the control unit 205, while the other actuator is designed without complete ASIL electronics.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Betreiben einer Vorrichtung. Dabei ähnelt oder entspricht die Vorrichtung der Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. 3 shows a flow chart of an embodiment of a method 300 for operating a device. The device is similar or corresponds to the device from one of the figures described above.

Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Bereitstellens des zumindest einen Sensorsignals. Dabei repräsentiert das Sensorsignal eine Position der elektrischen Maschine und/oder eine Position eines Stellelementes der Lenkeinrichtung. Außerdem umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 310 des Bereitstellens des Deaktivierungssignals, ansprechend auf das zumindest eine Sensorsignal, um die elektrische Maschine zu deaktivieren.The method 300 includes a step 305 of providing the at least one sensor signal. The sensor signal represents a position of the electric machine and/or a position of an actuating element of the steering device. The method 300 also includes a step 310 of providing the deactivation signal in response to the at least one sensor signal in order to deactivate the electric machine.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 100. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a motor vehicle 100.

Von dem Kraftfahrzeug 100 sind hierbei Räder 405 lediglich beispielhaft zwei angetriebene bzw. gelenkte Räder 405, ein elektrischer Energiespeicher 410, beispielsweise eine Batterie, und ein elektrischer Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung 415 gezeigt. Der elektrische Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung 415 umfasst eine Vorrichtung 105, eine elektrische Maschine 22 und eine Getriebeeinrichtung 430, die beispielsweise als Linearantrieb eines Aktuators zur Lenkung der Räder ausgebildet ist.Of the motor vehicle 100, wheels 405 are shown here only as examples, two driven or steered wheels 405, an electrical energy storage device 410, for example a battery, and an electrical drive for a steer-by-wire steering system 415. The electrical drive for a steer-by-wire steering system 415 comprises a device 105, an electrical machine 22 and a transmission device 430, which is designed, for example, as a linear drive of an actuator for steering the wheels.

Elektrische Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine 22 wird von einer Energieversorgungseinrichtung, hier dem elektrischen Energiespeicher 410 bereitgestellt. Der elektrische Energiespeicher 410 ist ausgebildet, um Gleichstrom bereitzustellen, der unter Verwendung der Vorrichtung 105 des elektrischen Antriebs für eine Steer-by-wire-Lenkung 415 zum Betrieb der elektrischen Maschine 22 bereitgestellt wird. Eine von der elektrischen Maschine 22 angetriebene Welle ist direkt oder unter Verwendung der Getriebeeinrichtung 430 mit zumindest einem Rad 405 des Kraftfahrzeugs 100 gekoppelt. Somit kann das Kraftfahrzeug 100 unter Verwendung der elektrischen Maschine 22 gelenkt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der elektrische Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung 415 ein Gehäuse, in dem die Vorrichtung 105, die elektrische Maschine 22 und die Getriebeeinrichtung 430 angeordnet sind.Electrical energy for operating the electric machine 22 is provided by an energy supply device, here the electrical energy storage device 410. The electrical energy storage device 410 is designed to provide direct current, which is provided using the device 105 of the electric drive for a steer-by-wire steering system 415 for operating the electric machine 22. A shaft driven by the electric machine 22 is coupled to at least one wheel 405 of the motor vehicle 100 directly or using the transmission device 430. The motor vehicle 100 can thus be steered using the electric machine 22. According to one embodiment, the electric drive for a steer-by-wire steering system 415 comprises a housing in which the device 105, the electric machine 22 and the transmission device 430 are arranged.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Antrieb 415 für eine Steer-by-wire-Lenkung zumindest eine Vorrichtung 105, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist.According to one embodiment, the drive 415 for a steer-by-wire steering system comprises at least one device 105, as described with reference to the preceding figures.

5 zeigt eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist ein Gehäuse 21 auf, an dem achsparallel die elektrische Maschine 22 angeordnet ist. In dem Gehäuse 21 ist ein Spindelantrieb 20, bestehend aus einer Spindelmutter 25 und der als Gewindespindel 27g ausgeführten Lenkstange, angeordnet. Die Spindelmutter 25 kann in diesem Ausführungsbeispiel als das Stellelement 102 aus der 1 verstanden werden. Die Spindelmutter 25 ist gegenüber dem Gehäuse 21 mit einem Wälzlager 29 ortsfest und drehbar gelagert. Durch die Spindelmutter 25 hindurchgeführt und koaxial zu dieser angeordnet ist die Gewindespindel 27g. Auf der von dem Wälzlager 29 abgewandten Seite der Spindelmutter 25 ist ein Riemenrad 30 drehfest auf der Spindelmutter 25 angeordnet. Die elektrische Maschine 22, die auch als Elektromotor bezeichnet werden kann, weist ein Antriebsritzel 32 auf. Ein Antriebsriemen 34 in Form eines Zahnriemens umschlingt sowohl das Antriebsritzel 32 als auch das Riemenrad 30, so dass bei Drehbewegung des Elektromotors 22, die Spindelmutter 25 schlupffrei in Drehbewegung um die Längsachse a versetzt wird. Antriebsritzel 32, Riemenrad 30 und der Antriebsriemen 34 bilden ein Zwischengetriebe. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter 25 erfolgt eine lineare Verlagerung der Lenkstange 27 bzw. Gewindespindel 27g in die eine oder andere Richtung entlang der Längsachse a in Abhängigkeit der Drehrichtung des Elektromotors 22. Bei einer im Wesentlichen axial auf die Lenkstange 27 einwirkenden Kraft F_ext will sich die Spindelmutter 25 verdrehen, so dass aufgrund der Kraft F_ext ein Drehmoment bewirkt wird. Daher wird sich die elektrische Maschine 22 ebenfalls mitdrehen und es kann zu einer axialen Verlagerung der Lenkstange 27 in Rücktriebsrichtung kommen, wenn keine Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Dieses ist insbesondere im Fehlerfall unerwünscht, zum Beispiel wenn der Aktuator stromlos ist und dieser Zustand zu einer unkontrollierten Radlenkwinkeländerung führen kann. 5 shows a schematic representation of the 1 The actuator 10 has a housing 21 on which the electric machine 22 is arranged parallel to the axis. A spindle drive 20, consisting of a spindle nut 25 and the steering rod designed as a threaded spindle 27g, is arranged in the housing 21. The spindle nut 25 can in this embodiment be used as the actuating element 102 from the 1 The spindle nut 25 is mounted in a stationary and rotatable manner with respect to the housing 21 by means of a roller bearing 29. The threaded spindle 27g is guided through the spindle nut 25 and arranged coaxially thereto. On the side of the spindle nut 25 facing away from the roller bearing 29, a pulley 30 is arranged on the spindle nut 25 in a rotationally fixed manner. The electrical machine 22, which can also be referred to as an electric motor, has a drive pinion 32. A drive belt 34 in the form of a toothed belt wraps around both the drive pinion 32 and the pulley 30, so that when the electric motor 22 rotates, the spindle nut 25 is set in rotation about the longitudinal axis a without slipping. The drive pinion 32, pulley 30 and the drive belt 34 form an intermediate gear. Depending on the direction of rotation of the spindle nut 25, a linear displacement of the steering rod 27 or threaded spindle 27g takes place in one direction or the other along the longitudinal axis a depending on the direction of rotation of the electric motor 22. When a force F _ext acts essentially axially on the steering rod 27, the spindle nut 25 tries to rotate, so that a torque is caused due to the force F _ext . The electric machine 22 will therefore also rotate and an axial displacement of the steering rod 27 in the reverse direction can occur if no measures are taken against it. This is particularly undesirable in the event of a fault, for example if the actuator is de-energized and this condition can lead to an uncontrolled change in the wheel steering angle.

Benachbart zu dem Elektromotor 22 ist beispielhaft eine Vorrichtung 105 angeordnet, die der Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren ähnelt oder entspricht. Die Vorrichtung 105 ist ausgebildet, um den Elektromotor 22 in einem Fehlerfall zu deaktivieren.Adjacent to the electric motor 22, a device 105 is arranged, for example, which is similar to or corresponds to the device from one of the figures described above. The device 105 is designed to deactivate the electric motor 22 in the event of a fault.

6 zeigt einen Aktuator 601 einer Hinterachslenkung für eine Steer-by-wire-Lenkung mit einem Gehäuse 620, welches fahrzeugseitig befestigt ist. Innerhalb des Gehäuses 620 ist ein Spindelantrieb 630 angeordnet, welcher eine axial verschiebbare, aber nicht drehbare Spindel 640 mit einem Außengewinde und eine in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter 650 mit einem geteilten Innengewinde aufweist. Die in Eingriff befindlichen Gewinde bilden ein Bewegungsgewinde zur axialen Verlagerung der Spindel 640 gegenüber dem Gehäuse 620 bzw. der Spindelmutter 650. Die Spindelmutter 650 ist über einen Zugmitteltrieb bzw. Riemen 660 von einem Elektromotor 22 in Drehrichtung antreibbar und über ein Wälzlager 680 drehbar im Gehäuse 620 abgestützt sowie in axialer Richtung fixiert. Die Spindel 640 ist an beiden Enden mit gehäuseseitig geführten Lagerhülsen 690, 610, auch Aufschraubzapfen genannt, verbunden, die ihrerseits mit außerhalb des Gehäuses 620 angeordneten Gelenkzapfen 611, 612 verbunden sind. Die Gelenkzapfen 611, 612 wiederum sind entweder unmittelbar mit einem Radträger oder mittelbar mittels eines Gestänges oder einer Spurstange mit dem Radträger verbunden. Der Aktuator 601 ist als so genannter Zentralsteller ausgebildet, das heißt mittig im Fahrzeug angeordnet und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung beider Hinterräder. 6 shows an actuator 601 of a rear axle steering for a steer-by-wire steering with a housing 620, which is attached to the vehicle. A spindle drive 630 is arranged within the housing 620, which has an axially displaceable but non-rotatable spindle 640 with an external thread and a spindle nut 650 that can be driven in the direction of rotation and has a split internal thread. The engaged threads form a movement thread for the axial displacement of the spindle 640 relative to the housing 620 or the spindle nut 650. The spindle nut 650 can be driven in the direction of rotation by an electric motor 22 via a traction drive or belt 660 and is rotatably supported in the housing 620 via a roller bearing 680 and fixed in the axial direction. The spindle 640 is connected at both ends to bearing sleeves 690, 610, also called screw-on pins, which are guided on the housing side and which in turn are connected to pivot pins 611, 612 arranged outside the housing 620. The pivot pins 611, 612 are in turn connected either directly to a wheel carrier or indirectly to the wheel carrier by means of a rod or a tie rod. The actuator 601 is designed as a so-called central actuator, i.e. it is arranged in the middle of the vehicle and acts simultaneously on the steering of both rear wheels.

7 zeigt schematisch ein Fahrzeug 800 mit einer lenkbaren Vorderachse 821 und einer lenkbaren Hinterachse 831. Zum Lenken der Räder 802 an der Vorderachse 821 ist eine Lenkung 804 vorgesehen, welche die Räder 802 über ein Lenkgestänge 841 den Radlenkwinkel vorne δ_v einstellen bzw. ändern kann. Dieser Winkel δ_v ist am rechten Rad 802 beispielhaft eingezeichnet. An der Hinterachse 831 sorgt eine steer-by-wire-Lenkung 805 über ein weiteres Lenkgestänge 851 für das Einstellen bzw. Ändern der Radlenkwinkel δ_h an den hinteren Rädern 803. In der gezeigten Ausführung sind die Räder an der Vorderachslenkung 804 und der Hinterachslenkung 805 gegensinnig gelenkt, so dass sich bei niedriger Geschwindigkeit von zum Beispiel kleiner 50 Kilometer pro Stunde vorteilhaft ein reduzierter Wendekreis und eine verbesserte Parkiermöglichkeit ergibt gegenüber Fahrzeugen, welche lediglich eine gelenkte Achse aufweisen. Auch lassen sich mit zwei gelenkten Achsen vorteilhaft verbessert automatisierte Fahrten ausführen. Die Einstellung des Lenkwinkels an der Vorderachse 821 erfolgt durch den Fahrer hier grundsätzlich über ein Lenkrad 814, wobei der Lenkwinkel Lw über eine Sensoreinheit erfasst wird und über eine Signalleitung der Lenkwinkel an die als steer-by-wire-Lenkung ausgebildete Vorderachslenkung 804 geleitet wird, welche diesen einstellt. Die Sensoreinheit zur Übermittlung des Lenkwinkels Lw ist über ein Bussystem CAN mit dem Steuergerät der als Hinterachslenkung 805 ausgebildeten steer-by-wire-Lenkung elektrisch verbunden. Das Bussystem CAN ist beispielsweise ein CAN-Bus. Über das Bussystem sind Lenkfunktionen für ein Fahrerassistenzsystem autonomes Fahren ADAS, Korrekturfunktionen zur Begrenzung des maximalen Lenkwinkels Korr, ein Parkierassistent PAS zum automatisierten Parkieren und eine elektronische Stabilitätskontrolle ESC elektrisch mit dem Steuergerät SG der Hinterachslenkung 805 verbunden. Eine in dem Schwerpunkt S_G gemessene Gierrate R_G wird über einen geeigneten Sensor (Drehratensensor) im Schwerpunkt des Fahrzeugs 800 ermittelt und von der elektronischen Stabilitätskontrolle ESC erfasst bzw. ausgewertet. Am äußeren Ende des Fahrzeugs 800 sind Sensoren S angeordnet, die einer Sensorik zugeordnet sind und welche zur Fahrzeugumfelderkennung dienen. Es kann sich hierbei um Temperatursensoren, um optische Sensoren, die beispielsweise eine Kamera umfassen, oder auch um LiDAR oder Radar handeln, die zur Temperatur-, Abstands- oder auch optischen Erfassung, beispielsweise der Fahrbahn, geeignet sind. Es können somit Wetterbedingungen, wie Feuchtigkeit oder die Temperatur auf der Fahrbahn etc. erfasst und dem Steuergerät SG zugeführt werden. Das Fahrzeug 800 folgt einer Trajektorie T, die in der Figur ebenfalls am vorderen Ende des Fahrzeugs 800 in dessen Fahrtrichtung schematisch dargestellt ist. 7 shows a schematic of a vehicle 800 with a steerable front axle 821 and a steerable rear axle 831. A steering system 804 is provided for steering the wheels 802 on the front axle 821, which can adjust or change the front wheel steering angle δ _v of the wheels 802 via a steering linkage 841. This angle δ _v is shown as an example on the right wheel 802. On the rear axle 831, a steer-by-wire steering system 805 via a additional steering linkage 851 for setting or changing the wheel steering angle δ _h on the rear wheels 803. In the embodiment shown, the wheels on the front axle steering 804 and the rear axle steering 805 are steered in opposite directions, so that at low speeds of, for example, less than 50 kilometers per hour, a reduced turning circle and improved parking options are advantageous compared to vehicles that only have one steered axle. Two steered axles also advantageously allow for improved automated driving. The steering angle on the front axle 821 is adjusted by the driver here basically via a steering wheel 814, with the steering angle Lw being detected by a sensor unit and the steering angle being transmitted via a signal line to the front axle steering 804, which is designed as a steer-by-wire steering system, which adjusts it. The sensor unit for transmitting the steering angle Lw is electrically connected via a CAN bus system to the control unit of the steer-by-wire steering system 805, which is designed as a rear-axle steering system. The CAN bus system is, for example, a CAN bus. Steering functions for a driver assistance system for autonomous driving ADAS, correction functions for limiting the maximum steering angle Korr, a parking assistant PAS for automated parking and an electronic stability control ESC are electrically connected to the control unit SG of the rear-axle steering system 805 via the bus system. A yaw rate R _G measured at the center of gravity S _G is determined via a suitable sensor (rotation rate sensor) at the center of gravity of the vehicle 800 and recorded or evaluated by the electronic stability control ESC. Sensors S are arranged at the outer end of the vehicle 800 and are assigned to a sensor system and are used to detect the vehicle's surroundings. These can be temperature sensors, optical sensors, which include a camera, for example, or LiDAR or radar, which are suitable for temperature, distance or optical detection, for example of the road. Weather conditions such as humidity or the temperature on the road, etc. can thus be detected and fed to the control unit SG. The vehicle 800 follows a trajectory T, which is also shown schematically in the figure at the front end of the vehicle 800 in its direction of travel.

Das Steuergerät SG weist beispielhaft eine Vorrichtung 105 auf, die der Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren ähnelt oder entspricht.The control unit SG has, for example, a device 105 which is similar to or corresponds to the device from one of the figures described above.

BezugszeichenReference symbols

11: FahrzeugachseVehicle axle
22: HilfsrahmenSubframe
33: LenkerHandlebar
55: erstes Radfirst bike
66: zweites Radsecond wheel
88th: erster Radlenkwinkelfirst wheel steering angle
99: zweiter Radlenkwinkelsecond wheel steering angle
1010: AktuatorActuator
1212: Lenkungsteering
2020: SpindelantriebSpindle drive
2121: GehäuseHousing
2222: elektrische Maschine, Elektromotorelectric machine, electric motor
2323: SpurstangeTie rod
2525: SpindelmutterSpindle nut
2727: LenkstangeHandlebar
27g27g: GewindespindelThreaded spindle
2929: Wälzlagerroller bearing
3030: RiemenradPulley
3232: AntriebsritzelDrive pinion
3434: Antriebsriemen Drive belt
100100: KraftfahrzeugMotor vehicle
102102: StellelementActuator
105105: Vorrichtung Contraption
200200: LenkeinrichtungSteering device
205205: SteuereinheitControl unit
210210: SteuereinrichtungControl device
215215: SensoreinrichtungSensor device
220220: RotorlagesensorRotor position sensor
225225: LinearwegsensorLinear position sensor
230230: SensorsignalSensor signal
235235: DeaktivierungssignalDeactivation signal
240240: FahrzeugsignalVehicle signal
245245: BussystemBus system
250250: Vorgabesignal Default signal
300300: VerfahrenProceedings
305305: Schritt des Bereitstellens eines SensorsignalsStep of providing a sensor signal
310310: Schritt des Bereitstellens eines Deaktivierungssignals Step of providing a deactivation signal
405405: RäderWheels
410410: elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
415415: elektrischer Antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkungelectric drive for steer-by-wire steering
430430: Getriebeeinrichtung Gearbox device
601601: AktuatorActuator
610610: LagerhülseBearing sleeve
611611: GelenkzapfenPivot pin
612612: GelenkzapfenPivot pin
620620: GehäuseHousing
630630: SpindelantriebSpindle drive
640640: Spindelspindle
650650: SpindelmutterSpindle nut
660660: Riemenbelt
680680: Wälzlagerroller bearing
690690: Lagerhülse Bearing sleeve
701701: AktuatorActuator
702702: GehäuseHousing
703703: GelenkgabelArticulated fork
704704: GelenkgabelArticulated fork
705705: Spindelspindle
705a705a: BewegungsgewindeMotion thread
706706: SpindelmutterSpindle nut
706a706a: Innengewindeinner thread
708708: BefestigungsendeMounting end
709709: weiteres Befestigungsendeadditional fastening end
710710: LagerzapfenBearing journal
711711: weiterer Lagerzapfenadditional bearing journal
712712: Gleitlagerbearings
713713: weiteres Gleitlageradditional plain bearing
714714: SchraubbolzenScrew bolt
715715: Schraubbolzen Screw bolts
800800: Fahrzeugvehicle
802802: VorderradFront wheel
803803: HinterradRear wheel
804804: VorderachslenkungFront axle steering
805805: HinterachslenkungRear axle steering
814814: Lenkradsteering wheel
821821: VorderachseFront axle
831831: HinterachseRear axle
841841: LenkgestängeSteering linkage
851851: weiteres Lenkgestänge additional steering rods
CANCAN: BussystemBus system
ESCESC: elektronische Stabilitätskontrolleelectronic stability control
KorrCorr: KorridorfunktionCorridor function
PASPAS: ParkierassistentParking assistant
RGRG: GierrateYaw rate
SGSG: SteuergerätControl unit
SGSG: Schwerpunktmain emphasis
SS: SensorikSensor technology
TT: TrajektorieTrajectory
δvδv: Radlenkwinkel vorneFront wheel steering angle
δhδh: Radlenkwinkel hintenRear wheel steering angle
LwLw: Lenkwinkel FahrerSteering angle driver
FextFext: KraftPower
aa: LängsachseLongitudinal axis
TT: TrajektorieTrajectory

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3728592 A1 [0002]

Claims

Device (105) for operating an electric machine (22) for a steer-by-wire steering system, in particular a rear-axle steering system (805), the device (105) having the following features: a steering device (200) which comprises a control device (210) and a sensor device (215), the sensor device (215) being designed to provide at least one sensor signal (230) which represents a position of a part of the electric machine (22) and/or a position of an actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200); and a control unit (205) external to the steering device (200), which is designed to evaluate the position of a part of the electric machine (22) and/or the position of the actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200) in response to the at least one sensor signal (230) and to provide a deactivation signal (235) to the control device (210) for deactivating the electric machine (22) if the sensor signal (230) fulfills a deactivation criterion.

Device (105) according to Claim 1 , wherein the sensor device (215) has at least one rotor position sensor (220) and/or a linear position sensor (225) to provide the sensor signal (230).

Device (105) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (215) is designed to provide the sensor signal (230) when the part of the electric machine (22) and/or the actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200) is in a deactivation region.

Device (105) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (205) is designed to provide a specification signal (250) different from the deactivation signal (235) to the control device (210) in response to the at least one sensor signal (230), wherein the specification signal (250) represents a target value of a position of a part of the electric machine (22) and/or a position of the actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200).

Device (105) according to Claim 4 , wherein the control unit (205) outputs the deactivation signal (235) if the position of the part of the electrical machine (22) deviates by more than a tolerance range from the position of the part of the electrical machine (22) represented by the specification signal (250) and/or the position of the actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200).

Device (105) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (205) outputs the deactivation signal (235) when the motor vehicle (100) has a speed above a target value, a steering angle within an impermissible range and/or unequal positions of two actuators.

Device (105) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (215) is designed to provide the at least one sensor signal (230) using an ASIL-based safety system.

Method (300) for operating an electric machine for a steer-by-wire steering system (415) by means of a device (105) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the method (300) comprises the following steps: providing (305) the at least one sensor signal (230), wherein the sensor signal (230) represents a position of the electric machine (22) and/or a position of the actuating element (102, 650, 706) of the steering device (200); and providing (310) the deactivation signal (235) in response to the at least one sensor signal (230) in order to deactivate the electric machine (22).

Electric drive for a steer-by-wire steering system (415) of a motor vehicle with at least one electric machine (22) and a transmission device (430), characterized in that a device (105) according to one of the Claims 1 until 7 is provided.

Control device for operating a device according to one of claims 1 to 7 according to a method according to Claim 8 .

Steer-by-wire steering (415) with an electric drive according to Claim 9 and using a control device according to Claim 10 .