Verfahren zur Plausibilisierung von Sensorsignalen, insbesondere in Lenksystemen Beschreibungsteil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Plausibilisierung von Sensorsignalen, insbesondere in Lenksystemen, beispielsweise von Rotorlagesensoren für

Servomotoren in Lenksystemen.

Bekannt sind Lenksysteme für Fahrzeuge, die zur Unterstützung des Handmomentes, welches der Fahrer über das Lenkrad aufbringt, einen elektrischen Servomotor aufweisen, dessen Servomoment in das Lenkgetriebe des Lenksystems eingespeist wird. Dem Servomotor ist üblicherweise ein Rotorlagesensor zugeordnet, über den die aktuelle Winkellage des Rotors bestimmt werden kann.

Bekannt sind darüber hinaus Servomotoren, die aus Sicherheitsgründen eine

redundante Auslegung mit einer Unterteilung der verschiedenen Phasen des Motors in Teilmaschinen aufweisen, die unabhängig voneinander angesteuert werden. Jeder Teilmaschine sind eine Datenverarbeitungseinheit und ein Rotorlagesensor zugeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Sensorsignale, die von verschiedenen, jedoch gleichartig aufgebauten Sensoren erzeugt werden, zu plausibilisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Sensorsignale von zumindest zwei verschiedenen, jedoch gleichartig aufgebauten Sensoren plausibilisiert werden, beispielsweise in Lenksystemen von Fahrzeugen. Es ist insbesondere möglich, die Signale von Rotorlagesensoren für Servomotoren in Lenksystemen zu überprüfen. Derartige Servomotoren sind beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschinen ausgebildet, die rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig bestrombare Spulen aufweisen. Die Ansteuerung der permanenterregten Synchronmaschine erfolgt beispielsweise über eine feldorientierte Regelung (FOR).

Aus Sicherheitsgründen kann es zweckmäßig sein, die permanenterregte

Synchronmaschine redundant mit mindestens zwei Teilmaschinen zu betreiben und die Teilmaschinen unabhängig voneinander über jeweils eine Datenverarbeitungseinheit anzusteuern. In dieser Auslegung sind jeder Teilmaschine eine

Datenverarbeitungseinheit sowie ein Rotorlagesensor zur Ermittlung der aktuellen Rotorlage der Synchronmaschine zugeordnet.

Bei dem Verfahren werden die Sensorsignale jedes Sensors der zugeordneten

Datenverarbeitungseinheit zugeführt. Zusätzlich ist eine Kreuzung der Sensorsignale zwischen den Datenverarbeitungseinheiten realisiert, bei der zumindest die

Sensorsignale des ersten Sensors der zweiten Datenverarbeitungseinheit und gegebenenfalls zusätzlich die Sensorsignale des zweiten Sensors der ersten

Datenverarbeitungseinheit zugeführt werden. Die Signalübermittlung über Kreuz erfolgt jedoch gegenüber der unmittelbaren Übermittlung zur jeweils zugeordneten

Datenverarbeitungseinheit mit einer zeitlichen Verzögerung.

Zur Plausibilisierung der Sensorsignale werden in mindestens einer, gegebenenfalls in jeder Datenverarbeitungseinheit die Sensorsignale des zugeordneten Sensors sowie die über Kreuz zugeführten Signale des jeweils anderen Sensors miteinander verglichen, wobei ein Fehlersignal erzeugt wird, falls die Differenz der verglichenen Sensorsignale einen zulässigen Toleranzbereich überschreitet. Liegen dagegen die verglichenen Sensorsignale innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs, kann von korrekt arbeitenden Sensoren ausgegangen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen somit zwei Bedingungen erfüllt sein, damit von Fehlerfreiheit ausgegangen werden kann. Zum einen muss das über Kreuz zugeführte Sensorsignal, das mit zeitlicher Verzögerung eingeht, innerhalb einer Fehlertoleranzzeit vorliegen, damit ein Vergleich mit dem unmittelbar zugeführten Sensorsignal in der Datenverarbeitungseinheit erfolgen kann. Zum andern dürfen die Sensorsignale nur um den zulässigen Toleranzbereich differieren, sonst wird ein Fehlersignal erzeugt. Die zeitliche Verzögerung der über Kreuz zugeführten Sensorsignale führt dazu, dass auch die Plausibilisierung mit einer entsprechenden zeitlichen Verzögerung erfolgt. Aufgrund der üblicherweise hohen Abtastrate von beispielsweise 1 ms ist dies jedoch hinnehmbar.

Mit dem Verfahren kann eine redundante Auslegung eines sicherheitskritischen

Systems im Hinblick auf die Sensorsignale von zwei unterschiedlichen Sensoren realisiert werden. Differieren die miteinander verglichenen Sensorsignale um ein den zulässigen Toleranzbereich übersteigendes Maß, so liegt zwar ein Fehler vor; es kann jedoch gegebenenfalls der zugeordnete Motor weiter betrieben werden, indem ein fehlerhaftes Sensorsignal entweder durch ein korrektes Signal des anderen Sensors ersetzt oder das zu verwertende Signal über eine Ausgleichsrechnung bestimmt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind die Sensorsignale sämtlicher Sensoren mit einem Zeitstempel versehen. Dies ermöglicht es, beide Teilsysteme auf eine

synchronisierte Zeitbasis zu stellen und in den Datenverarbeitungseinheiten, in denen der Vergleich der Sensorsignale durchgeführt wird, zeitlich nahe beieinander liegende Sensorsignale zu vergleichen. Vorteilhafterweise werden nur Sensorsignale

unterschiedlicher Sensoren miteinander verglichen, die innerhalb einer maximalen Anzahl an Zeitschritten auseinander liegen, beispielsweise maximal 100 oder maximal zehn Zeitschritte, insbesondere nur einen Zeitschritt. Die Fehlertoleranzzeit wird entsprechend auf eine maximale Zeitschrittanzahl gesetzt. Diese stellt sicher, dass trotz der nachträglichen Plausibilisierung, bedingt durch die zeitliche Verzögerung des über Kreuz zugeführten Sensorsignals, auch im Falle eines schadhaften Sensorsignals noch keine großen Abweichungen in dem Teilsystem von der Sollposition erfolgt sind.

Die Sensorsignale können, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, einer Interpolation unterzogen werden. Über die Interpolation können Werte zu einem Zeitpunkt berechnet werden, zu dem entweder kein oder ein fehlerhaftes Sensorsignal vorliegt.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegen die Sensorsignale, die unmittelbar den zugehörigen Datenverarbeitungseinheiten zugeführt werden, als analoge Signale vor. Die über Kreuz geführten Sensorsignale werden dagegen vorteilhafterweise einer Signalaufbereitung unterzogen und liegen digital vor. Hierbei tritt eine zeitliche Verzögerung auf, mit der das digitale Signal in der

Datenverarbeitungseinheit mit dem unmittelbar zugeführten, analogen Signal aus einem vorangegangenen Zeitschritt verglichen wird.

Die Signalaufbereitung der über Kreuz geführten Signale erfolgt vorteilhafterweise in einem Datenpuffer, der der über Kreuz-Datenverarbeitungseinheit vorgelagert ist und aus dem dieser Datenverarbeitungseinheit die digitalen Sensorsignale zugeführt werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Servomotor,

Fig. 2 ein Blockdiagramm mit dem Signalfluss zwischen ersten und zweiten Sensoren sowie ersten und zweiten Datenverarbeitungseinheiten einer elektrischen

Maschine,

Fig. 3 ein Schaubild mit zeitabhängigen Signalen des ersten und zweiten Sensors, die zur Plausibilisierung miteinander verglichen werden.

Das in Fig. 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenk- bzw. Getriebegehäuse 4 und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Das Getriebegehäuse 4 nimmt ein Lenkgetriebe 8 mit einem Lenkritzel und der Lenkzahnstange 5 auf, wobei das Lenkritzel drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist und mit der Lenkzahnstange 5 kämmt.

Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkwelle 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel 5 _L vor, der im Lenkgetriebe 8 im Getriebegehäuse 4 auf die

Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δν einstellt. Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments ist ein elektrischer Servomotor 7 vorgesehen, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe 8

eingespeist werden kann. Der elektrische Servomotor 7 ist als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet, die rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig bestrombare Spulen aufweist, welche beispielsweise über eine feldorientierte Regelung (FOR) angesteuert werden. Der Servomotor 7 kann gegebenenfalls auch an der Lenkwelle sitzen.

Die den Servomotor 7 bildende elektrische Maschine kann redundant mit zwei

Teilmaschinen betrieben werden, die unabhängig voneinander über jeweils eine

Datenverarbeitungseinheit angesteuert werden. Jeder Teilmaschine bzw. jeder

Datenverarbeitungseinheit ist außerdem ein Rotorlagesensor zur Ermittlung der aktuellen Rotorlage der elektrischen Maschine zugeordnet. Jede Teilmaschine bildet mit der zugeordneten Datenverarbeitungseinheit und dem zugeordneten Sensor ein

Teilsystem.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm mit den Einheiten der beiden Teilsysteme dargestellt. Das erste Teilsystem 10 umfasst den ersten Sensor 1 2, die erste

Datenverarbeitungseinheit 14 und die erste Teilmaschine der elektrischen Maschine 7. Das zweite Teilsystem 1 1 umfasst den zweiten Sensor 13, die zweite

Datenverarbeitungseinheit 15 sowie die zweite Teilmaschine der elektrischen Maschine 7.

Die beiden Teilsysteme 10 und 1 1 sind über Datenpuffer 1 6 bzw. 17, die regelmäßig Teil der Datenverarbeitungseinheiten sind, über Kreuz gekoppelt. Der erste Datenpuffer 16 liegt zwischen dem ersten Sensor 12 und der zweiten Datenverarbeitungseinheit 15, der zweite Datenpuffer 17 zwischen dem zweiten Sensor 13 und der ersten

Datenverarbeitungseinheit 14. In den Datenpuffern 1 6, 17 erfolgt eine

Signalaufbereitung der Sensorsignale vom ersten bzw. zweiten Sensor 12, 13. In den Datenpuffern 16, 17 erfolgt jeweils eine Signalaufbereitung des Sensorsignals, das ausgangsseitig als digitales Signal zur Verfügung steht und den

Datenverarbeitungseinheiten 14, 15 über Kreuz zugeleitet wird. Die Sensorsignale, welche von den Sensoren 12, 13 unmittelbar den zugeordneten Datenverarbeitungseinheiten 14, 15 zugeführt werden, liegen dagegen als analoges Signal vor.

In den Datenverarbeitungseinheiten 14, 15 werden jeweils die analogen Signale aus den unmittelbar zugeordneten Sensoren 12 bzw. 13 mit den über Kreuz empfangenen, digitalen Signalen aus den Datenpuffern 1 6 bzw. 17 der jeweils anderen Sensoren verglichen. Voraussetzung hierfür ist, dass die miteinander verglichenen Sensorsignale innerhalb einer Fehlertoleranzzeit liegen. Um dies beurteilen zu können, werden die Sensorsignale jeweils mit einem Zeitstempel versehen, wobei Vergleichbarkeit gegeben ist, wenn die Signale innerhalb einer Fehlertoleranzzeit liegen.

Die Signalaufbereitung in den Datenpuffern 16, 17 führt zu einer Verzögerung der über Kreuz zugeführten, digitalen Signale, so dass die digital anliegenden Signale aus einem früheren Zeitschritt stammen und somit älter sind als die unmittelbar zugeleiteten, analogen Signale. Dies ist jedoch hinnehmbar, sofern der zeitunterschied innerhalb der Fehlertoleranzzeit liegt, die vorzugsweise nur einen Zeitschritt beträgt, wobei

gegebenenfalls eine maximale Fehlertoleranzzeit von beispielsweise vier Zeitschritten vorgegeben werden kann. Ein Zeitschritt entspricht hierbei einer Abtastzeit von beispielsweise 1 ms.

In den Datenverarbeitungseinheiten 14, 15 erfolgt somit der Vergleich eines analog empfangenen Signals mit einem digitalen Signal, das aus einem vorangegangenen Zeitschritt stammt. Liegen die miteinander verglichenen Sensorsignale innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches, sind die analog empfangenen Sensorsignale in Ordnung und können verwertet werden. Andernfalls liegt ein Fehler vor, der zu einem

Fehlersignal führt, wobei gegebenenfalls eine Ausgleichsrechnung durchgeführt wird, um den Fehler zu kompensieren.

In Fig. 3 ist ein Schaubild mit verschiedenen Sensorsignalen zu verschiedenen

Zeitpunkten t-i , t ₂ und t ₃ dargestellt, die sich innerhalb des umrandeten

Toleranzbereiches T befinden. Zum Zeitpunkt ti werden erste Sensorsignale von den Sensoren 12 und 13 geliefert, weitere Sensorsignale werden zu den Zeitpunkten t ₂ und t ₃ generiert. Im Zeitpunkt t ₃ kann beispielsweise ein analoges Sensorsignal des ersten Sensors 12 mit einem digitalen Sensorsignal des über Kreuz empfangenen Sensors 13, das vom Zeitpunkt t ₂ stammt, verglichen werden. Der Vergleich ist möglich, da die Signale zeitlich gesehen innerhalb des Toleranzbandes T liegen. Wenn auch die

Signalhöhe sich innerhalb des Toleranzbandes T befindet, ist die Plausibilisierung des Sensorsignals des ersten Sensors mit dem über Kreuz empfangenen, digitalen

Sensorsignal des zweiten Sensors erfolgreich verlaufen. Andernfalls liegt ein Fehler vor, und es wird ein Fehlersignal erzeugt.

Bezugszeichenliste

1 Lenksystem

2 Lenkrad

3 Lenkwelle

4 Getriebegehäuse

5 Lenkzahnstange

6 Vorderrad

7 elektrischer Servomotor/Synchronmaschine

8 Lenkgetriebe

10 Teilsystem

1 1 Teilsystem

12 Sensor

13 Sensor

14 Datenverarbeitungseinheit

15 Datenverarbeitungseinheit

16 Datenpuffer

17 Datenpuffer