Steer-by-Wire-Lenksystem und Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire-Lenksystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Stee r- by- Wi re- Le n ksy ste m s .

Ein Steer-by-Wire-Lenksystem umfasst ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe, wobei das Lenksäulenmodul ein Lenkrad, eine Lenksäule, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad und eine Steuereinheit für den Aktor aufweist, wobei das Lenkgetriebe mindestens eine Steuereinheit aufweist, die derart ausgebildet ist, mindestens in Abhängigkeit eines Lenkradwinkels und einem Übersetzungsverhältnis ein Steuersignal zur Einstellung einer Zahnstangenposition zu erzeugen. Dabei sind das Lenksäulenmodul und das Lenkgetriebe nur datentechnisch verbunden, es gibt also keinen mechanischen Durchgriff. Der Aktor zur Erzeugung des Gegenmoments wird auch als Force Feedback Aktuator bezeichnet und erzeugt das Gegenmoment mindestens in Abhängigkeit des Lenkradwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Es gibt Überlegungen, bei Steer-by-Wire-Lenksystemen einen zentralen Fahrdynamikregler einzusetzen, der dann einen zusätzlichen Offset an das Lenkgetriebe sendet. Dieser Offset ist dann eine zusätzliche Zahnstangenposition. Mit diesem Offset kann man dann auch die Lenkübersetzung beeinflussen. Wenn allerdings die Übersetzung zu direkt ist, kann es zu Momentenwelligkeiten im Feedback am Lenkrad kommen, da die Abtastzeit auf einem Fahrzeugbus zwischen zentralen Fahrdynamikregler und Lenkgetriebe begrenzt ist.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Steer-by-Wire-Lenksystem zu schaffen, bei dem das haptische Feedback am Lenkrad bei Einsatz eines zentralen Fahrdynamikreglers verbessert ist. Ein weiteres technisches Problem ist, ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das Steer- by- Wire- Lenksystem umfasst ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe. Das Lenksäulenmodul weist ein Lenkrad, eine Lenksäule, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad und eine Steuereinheit auf, die derart ausgebildet ist, mindestens in Abhängigkeit eines Lenkradwinkels und einem Übersetzungsverhältnis ein Steuersignal zur Einstellung einer Zahnstangenposition zu erzeugen. Weiter weist das Steer-by-Wi re- Lenksystem einen zentralen Fahrdynamikregler auf, der datentechnisch mindestens mit der Steuereinheit des Lenkgetriebes verbunden ist, wobei der Fahrdynamikregler einen Offset für die Zahnstangenposition an die Steuereinheit übermittelt, der dann zusätzlich durch die Steuereinheit gestellt wird. Die Steuereinheit im Lenkgetriebe ist weiter derart ausgebildet, das Übersetzungsverhältnis und eine gemessene Zahnstangenposition an die Steuereinheit für den Aktor zu übertragen, die dann daraus einen virtuellen Lenkradwinkel ermittelt und für die Ansteuerung des Aktors verwendet. Alternativ überträgt die Steuereinheit für das Lenkgetriebe das Übersetzungsverhältnis und eine Soll- Zahnstangenposition aufgrund des Lenkradwinkels an die Steuereinheit für den Aktor, die dann daraus unter Berücksichtigung des Offset des Fahrdynamikreglers einen virtuellen Lenkradwinkel ermittelt und für die Ansteuerung des Aktors verwendet. Dabei entspricht der virtuelle Lenkradwinkel dem Lenkradwinkel, der bei dem gegebenen Übersetzungsverhältnis eingestellt sein müsste, um die Zahnstangenposition unter Berücksichtigung des Offsets zu erreichen. Da die Datenverbindung zwischen Lenksäulenmodul und Lenkgetriebe sehr schnell ist, kann so das Gegenmoment stabil berechnet werden. Die Idee ist, dass man die Grundübersetzungen abhängig von einem Fahrprofil im Lenkgetriebe ablegt und das aktuelle Übersetzungsverhältnis vom Lenkgetriebe über die schnelle Datenverbindung überträgt, die deutlich höhere Senderaten als die Datenverbindung des Fahrdynamikreglers erlaubt. Nur noch der kleine Offset muss noch zur Steuereinheit für den Aktor übertragen werden.

Dabei kann der Offset vom Fahrdynamikregler an die Steuereinheit übertragen werden oder aber von der Steuereinheit des Lenkgetriebes, wobei vorzugsweise der Fahrdynamikregler den Offset direkt an die Steuereinheit für den Aktor überträgt.

In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit des Lenkgetriebes derart ausgebildet, eine Zahnstangengeschwindigkeit an die Steuereinheit für den Aktor zu übertragen, wo diese mittels des Übersetzungsverhältnisses in eine virtuelle Lenkradwinkelgeschwindigkeit umgerechnet werden kann und für die Berechnung des Gegenmoments verwendet werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit für den Aktor derart ausgebildet, zusätzlich eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder ein Handmoment und/oder eine Zahnstangenkraft zu empfangen und bei der Berechnung des Gegenmoments zu berücksichtigen.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Steer-by-Wire-Lenksystem eine zusätzliche Hinterachslenkung auf, wobei der zentrale Fahrdynamikregler weiter derart ausgebildet ist, einen Faktor an die Steuereinheit für den Aktor zu übertragen, der dann bei der Generierung des Gegenmoments zur Anwendung kommt. Der Faktor berücksichtigt dabei den Einfluss der Hinterachslenkung auf das Lenkgefühl.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Lenksäulenmodul derart ausgebildet, ein Übersetzungsverhältnis an die Steuereinheit des Lenkgetriebes zu übertragen, wobei das Lenksäulenmodul oder die Steuereinheit des Lenkgetriebes derart ausgebildet sind, das neue Übersetzungsverhältnis oder einen Anpassungsfaktor an den zentralen Fahrdynamikregler zu übertragen. Beispielsweise kann so der Nutzer über ein Fahrprofil das Verhalten des Lenksystems verändern.

Das Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems, das ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe aufweist, wobei das Lenksäulenmodul ein Lenkrad ist, eine Lenksäule, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels, einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad und eine Steuereinheit für den Aktor aufweist, wobei das Lenkgetriebe mindestens eine Steuereinheit aufweist, die mindestens in Abhängigkeit eines Lenkradwinkels und einem Übersetzungsverhältnis ein Steuersignal zur Einstellung einer Zahnstangenposition erzeugt, erfolgt mittels eines zentralen Fahrdynamikreglers, der datentechnisch mindestens mit der Steuereinheit des Lenkgetriebes verbunden ist. Der Fahrdynamikregler übermittelt dann einen Offset für die Zahnstangenposition an die Steuereinheit des Lenkgetriebes, der dann zusätzlich durch die Steuereinheit gestellt wird. Weiter überträgt die Steuereinheit für das Lenkgetriebe das Übersetzungsverhältnis und eine gemessene Zahnstangenposition an die Steuereinheit für den Aktor, die dann daraus einen virtuellen Lenkradwinkel ermittelt und für die Ansteuerung des Aktors verwendet. Alternativ überträgt die Steuereinheit des Lenkgetriebes das Übersetzungsverhältnis und eine Soll- Zahnstangenposition aufgrund des Lenkradwinkels an die Steuereinheit für den Aktor, die dann daraus unter Berücksichtigung des Offsets des Fahrdynamikreglers einen virtuellen Lenkradwinkel ermittelt und für die Ansteuerung des Aktors verwendet.

Hinsichtlich der weiteren verfahrensmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen. Dabei sei angemerkt, dass das Übersetzungsverhältnis nur einmal übertragen werden muss bzw. immer dann, wenn es sich ändert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Steer-by-Wire-Lenksystems und

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Steer-by-Wire-Lenksystems in einer zweiten Ausführungsform.

In der Fig. 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 dargestellt, das ein Lenksäulenmodul 2 und ein Lenkgetriebe 3 aufweist. Das Lenksäulenmodul 2 weist ein Lenkrad 4, eine Lenksäule 5, mindestens einen Sensor 6 zur Erfassung eines Lenkradwinkels cp, einen Drehmomentsensor 7, einen Aktor 8 zur Erzeugung eines Gegenmoments am Lenkrad 4 sowie eine Steuereinheit 9 für den Aktor 8 auf. Das Lenkgetriebe 3 weist mindestens eine Steuereinheit 10, zwei Leistungselektroniken 11 , 12 sowie zwei Halbmaschinen 13, 14 in Form von unabhängigen Statorwicklungen auf, wobei die beiden Halbmaschinen 13, 14 einen gemeinsamen Rotor 15 antreiben, der mit einer Zahnstange 16 gekoppelt ist. An der Zahnstange 16 ist ein Sensor 17 zur Erfassung einer Zahnstangenposition ZP angeordnet. Weiter weist das Steer-by-Wire- Lenksystem 1 einen zentralen Fahrdynamikregler 18 auf, der über eine Datenverbindung 19 mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Der Fahrdynamikregler 18 übermittelt an die Steuereinheit 10 einen Offset OF für die Zahnstangenposition ZP, um den die Zahnstange 16 zusätzlich zu der Vorgabe durch den Lenkradwinkel (p verstellt werden soll. Die Steuereinheit übermittelt dann die gemessene Zahnstangenposition ZP, eine Zahnstangengeschwindigkeit Z _P , eine Zahnstangenkraft Zp und ein Übersetzungsverhältnis Ü zwischen Lenkradwinkel (p und Zahnstangenposition Zp. Die Steuereinheit 9 kann dann durch das Übersetzungsverhältnis Ü der Zahnstangenposition ZP einen virtuellen Lenkradwinkel (p _Vjr und eine virtuelle Lenkradwinkelgeschwindigkeit p zuordnen. Aus dem virtuellen Lenkradwinkel q> _V ir, der virtuellen Lenkradwinkelgeschwindigkeit p, dem Handmoment MH und der Fahrzeuggeschwindigkeit V kann dann ein Anteil des Gegenmoments für den aktiven Rücklauf berechnet werden, wobei ein anderer Anteil des Gegenmoments anhand der Zahnstangenkraft Zp berechnet wird, der insbesondere dem Feedback von der Straße dient. Ist eine Hinterachslenkung 20 vorhanden, überträgt der Fahrdynamikregler 18 zusätzlich einen Faktor k, der bei der Berechnung des Gegenmoments zur Anwendung kommt. Insgesamt ergibt sich so ein sehr harmonisches Lenkgefühl am Lenkrad 4 und Momentenwelligkeiten werden vermieden. In der Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform für ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 mit einem zentralen Fahrdynamikregler 18 dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird nicht die gemessene Zahnstangenposition ZP an die Steuereinheit 9 übertragen, sondern eine Soll-Zahnstangenkraft Soll-Zp aufgrund des Lenkradwinkels cp. Der Offset OS wird vom Fahrdynamikregler 18 direkt an die Steuereinheit 9 übertragen. Der Offset OS und die Soll- Zahnstangenkraft Soll-Zp werden dann addiert und mittels des Übersetzungsverhältnisses Ü in den virtuellen Lenkradwinkel (p _Vjr umgerechnet. Der Vorteil ist, dass das Gegenmoment etwas schneller berechnet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Steer- by-Wi re- Lenksystem

2 Lenksäulenmodul

3 Lenkgetriebe

4 Lenkrad

5 Lenksäule

6 Sensor

7 Drehmomentsensor

8 Aktor

9 Steuereinheit

10 Steuereinheit

11 Leistungselektronik

12 Leistungselektronik

13 Halbmaschine

14 Halbmaschine

15 Rotor

16 Zahnstange

17 Sensor

18 Fahrdynamikregler

19 Datenverbindung

20 Hinterachslenkung

(p Lenkradwinkel

MH Handmoment

V Fahrzeuggeschwindigkeit

Z _P Zahnstangenposition

Z _P Zahnstangengeschwindigkeit

OS Offset

Zp Zahnstangenkraft

Ü Übersetzungsverhältnis k Faktor

Soll-Zp Soll-Zahnstangenposition