Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zur redundanten Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur redundanten Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Aus der DE 197 44 722 Al ist eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen mit einer Lenksäule, einem Lenkgetriebe und Spurstangen bekannt, bei der mit ersten Mitteln ein Feinsignal abgeleitet wird, das die Winkelstellung der

Lenksäule anzeigt. Mit zweiten Mitteln wird ein Grobsignal abgeleitet, das die Anzahl der Umdrehungen der Lenksäule in der einen oder anderen Drehrichtung angibt. Durch Verknüpfung von Feinsignal und Grobsingal wird der Lenkwinkel ermittelt, wobei als erste Mittel ein Dauermagnet mechanisch fest mit der Lenksäule verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfindlichen

Feinsignal-Sensor dreht. Der Feinsignal-Sensor gibt ein der Winkelstellung der Lenksäule entsprechendes analoges Feinsignal ab. Als zweite Mittel ist einer Spurstange eine Grobsignal-Sensoreinrichtung zugeordnet, welche die Verstellung der Spurstange innerhalb ihres gesamten Verstellbereichs nach Teilbereichen und Vestellrichtung berührungslos erfasst und als digitale Grobsignale abgibt.

Die US 5 201 380 offenbart ein System zur Steuerung eines Motors für eine Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Das System weist eine Lenksäule auf, die um ihre longitudinale Achse rotierbar ist und an der in longitudinaler Richtung eine Mehrzahl von Sensoren angeordnet sind. Jeder als Potentiometer ausgebildete Sensor gibt ein

sägezahnformiges Signal bezüglich der Position der Lenksäule für einen unterschiedlichen Drehwinkelbereich derart ab, dass die einzelnen Sensorsignale zueinander phasenversetzt sind. Durch eine alternierende Auswertung aller Signale in einer Rechnereinheit ist eine genaue Bestimmung des jeweiligen Drehwinkels der Lenksäule gewährleistet. Zusätzlich ist für eines der lenkbaren Räder des Fahrzeugs ein weiterer Positionssensor vorgesehen, mit dem eine Verstellung detektierbar ist und der zur Plausibilitätsüberprüfung der Sensorsignale der Potentiometer dient.

Offenbarung der Erfindung

Gegenüber dem Stand der Technik weisen die erfϊndungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur redundanten Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten berührungslosen Sensorik, die den Drehwinkel erfasst und ein erstes Drehwinkelsignal an ein Steuergerät abgibt, den Vorteil auf, dass eine erhöhte Sicherheit gegen Ausfälle von Sensoren gewährleistet werden kann. Dazu ist zumindest eine zweite berührungslose Sensorik vorgesehen zur Abgabe eines weiteren Drehwinkelsignals desselben Drehwinkels an das Steuergerät, wobei eine Rechnereinheit des Steuergeräts den Drehwinkel entweder anhand des ersten oder des weiteren Drehwinkelsignals ermittelt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Steuergerät einen Vergleicher, der das erste Drehwinkelsignal anhand des weiteren Drehwinkelsignals oder das weitere

Drehwinkelsignal anhand des ersten Drehwinkelsignals auf Plausibilität überprüft. Auf diese Weise kann der Ausfall einer fehlerhaften Sensorik zuverlässig erkannt werden. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Vergleicher im Falle einer erkannten Nicht- Plausibilität des ersten Drehwinkelsignals das weitere Drehwinkelsignal oder im Falle einer erkannten Nicht-Plausibilität des weiteren Drehwinkelsignals das erste

Drehwinkelsignal als ein resultierendes Drehwinkelsignal an die Rechnereinheit übergibt.

Weiterhin ist vorgesehen, dass das Steuergerät der Vorrichtung ein Umschaltmittel umfasst, das zwischen dem ersten Drehwinkelsignal und dem weiteren Drehwinkelsignal

umschaltet zur übergabe eines resultierenden Drehwinkelsignals an die Rechnereinheit. Diesbezüglich ist es von Vorteil, wenn das Umschalten des Umschaltmittels zwischen dem ersten Drehwinkelsignal und dem weiteren Drehwinkelsignal zeitabhängig, insbesondere zyklisch, erfolgt, wobei das Umschaltmittel als Hardware- oder als Software-Schalter ausgebildet sein kann.

Die erste und/oder die zumindest zweite berührungslose Sensorik umfassen jeweils zumindest einen magnetfeldempfindlichen Sensor, insbesondere einen Hall-Sensor und/oder einen AMR- Sensor. Weiterhin führt eine Anordnung der ersten und der zumindest zweiten berührungslosen Sensorik mit einem geringen Abstand zu einer kompakten Bauform, die überdies eine bessere Erfassung desselben Drehwinkels durch die Sensoriken sowie eine Integration der Sensoriken in eine multifunktionale Steuereinheit ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und die zumindest zweite berührungslose Sensorik derart ausgelegt, dass sie den Drehwinkel oder Drehzahlindex einer mit einem Lenkrad des Kraftfahrzeugs verbundenen und um ihre Längsachse drehbar gelagertem Lenksäule erfassen. Alternativ oder ergänzend ist es zudem möglich, dass die Lenkvorrichtung einen als Aktuator ausgebildeten Lenkantrieb umfasst, wobei die erste und die zumindest zweite berührungslose Sensorik in dem Aktuator integriert sind.

Da besonders ein fehlerhaftes Indexsignal im Falle einer fehlerhaften Synchronisation des Geradeauslaufs zu einem sicherheitskritischen Verhalten des Kraftfahrzeugs führen könnte, ist in vorteilhafter Weise das Drehwinkelsignal als Indexsignal zur Zählung der vollen Umdrehungen der Lenksäule und/oder einer Rotorachse des Aktuators ausgeführt.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus

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unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen

Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung,

Fig. 2: ein Drehwinkelsignal in Gestalt eines Indexsignals und

Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung.

In Figur 1 ist eine Lenkvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Diese umfasst unter anderem ein Lenkrad 12, das mit einer Lenksäule 14 drehfest verbunden ist. über

Kardangelenke 16 und ein Lenkgetriebe 18 wird eine Drehbewegung des Lenkrads 12 in bekannter Weise in eine lineare Bewegung einer Zahnstange 20 umgesetzt. Die Zahnstange 20 ist über Spurstangen 22 mit Rädern 24 einer Vorderachse 26 verbunden, so dass aus der Sicht des Fahrers eine Drehbewegung des Lenkrads 12 im Uhrzeigersinn eine Bewegung der Zahnstange 20 bzw. der Spurstangen 22 nach links, d.h. einen

Rechtseinschlag der Räder 24, und eine Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn eine Bewegung der Zahnstange 20 bzw. der Spurstangen 22 nach rechts, d.h. einen Linkseinschlag der Räder 24, bewirkt. Auf den genauen mechanischen Aufbau der Vorderachsaufhängung sowie des Lenkgetriebes 18 soll hier nicht weiter eingegangen werden, da dieser dem Fachmann bekannt ist.

Zur Unterstützung des Fahrers bei durchzuführenden Lenkbewegungen verfügt die Lenkvorrichtung 10 über einen als Lenkantrieb 28 ausgebildeten Aktuator 29, der aus einem Getriebeteil 30 und einem Antriebsteil 32 besteht. Die Wirkungsweise des Getriebeteils 30 auf die Zahnstange 20 ist dem Fachmann bekannt und soll hier nicht näher erläutert werden. Auf den Getriebeteil 30 wirkt ein in dem Antriebsteil 32 untergebrachter Elektromotor 34, mit dessen Rotorachse 36 ein in Drehrichtung mit abwechselnder Polarität (z.B. N, S, N, S, ...) segmentierter Permanentmagnetring 38 drehfest verbunden ist. Dieser beeinflusst eine erste berührungslose Sensorik 40, die aus

einem ersten Hall-Sensor 42 und/oder einem ersten AMR-Sensor 44 (gestrichelt dargestellt) besteht, derart, dass ein Drehwinkel α der Rotorachse 36 erfasst und als ein erstes Drehwinkelsignal S _D i an ein Steuergerät 46 abgegeben wird.

Im Falle des Hall-Sensors 42 ist das Drehwinkelsignal S _D i ein Indexsignal, das bei jeder vollen Umdrehung der Rotorachse 36 einen Impuls gemäß Figur 2 aufweist, mittels dem eine entsprechende Zählung der Umdrehungen erfolgt. Alternativ oder ergänzend kann der mit dem Hall-Sensor 42 der ersten Sensorik 40 in einer Wirkverbindung stehende Permanentmagnetring 38 auch drehfest mit der Lenksäule 14 verbunden sein, so dass das detektierte Indexsignal zur Zählung der vollen Umdrehungen der Lenksäule 14 dient. In diesem Fall ist der Hall-Sensor 42 in unmittelbarer Nähe der Lenksäule 14 angeordnet und nicht in dem Aktuator 29 integriert.

Das analoge Drehwinkelsignal S _D i wird in einer Signalaufbereitung 48 des Steuergeräts 46 zur übergabe an eine Rechnereinheit 50, beispielsweise einen Microprozessor, einen

ASIC oder einen entsprechenden diskret oder integriert aufgebauten Schaltkreis, derart aufbereitet, dass es digital verarbeitet werden kann. Zu diesem Zweck ist die Signalaufbereitung 48 als Analog-Digital-Umsetzer ausgeführt. Ist die Rechnereinheit 50 dagegen in der Lage, das erste Drehwinkelsignal S _D i direkt zu verarbeiten, so kann ohne Einschränkung der Erfindung auf die Signalaufbereitung 48 verzichtet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Signalaufbereitung 48 als ein analoger Verstärker oder dergleichen ausgebildet ist.

Ergänzend oder alternativ zu dem ersten Hall-Sensor 42 kann die erste Sensorik 40 auch den ersten AMR-Sensor 44 (anistrop magnetoresistiv) oder einen sonstigen magnetoresistiven Sensor zur Abgabe des ersten Drehwinkelsignals S _D i aufweisen. Da ein derartiger Sensor kein Indexsignal sondern ein vollwertiges, analoges Drehwinkelsignal für einen Winkelbereich von in der Regel 0° < α < 180° liefert, ist in diesem Fall eine an die Signalform angepasste Signalaufbereitung 48 des Steuergeräts 46 erforderlich. Ebenso kann ein derartiges Drehwinkelsignal aber auch direkt von der

Rechnereinheit 50 des Steuergeräts 46 verarbeitet werden. Die Berechnung des eingentlichen Lenkwinkels erfolgt dann in der Rechnereinheit 50 auf Grundlage des vom ersten Hall-Sensor 42 als Indexsignal abgegebenen Drehwinkelsignals in Verbindung mit dem vom AMR-Sensor 44 abgegebenen Drehwinkelsignal. Alternativ ist es möglich, dass

der Lenkwinkel in der Rechnereinheit 50 auf Grundlage des Indexsignals und einer nachfolgenden Rotorwinkelintegration ermittelt wird. Im Folgenden soll daher ohne Einschränkung der Erfindung davon ausgegangen werden, dass es sich bei dem ersten Drehwinkelsignal S _D i um das Indexsignal des ersten Hall-Sensors 42 handelt.

Das Indexsignal dient unter anderem zur Erkennung bzw. Ermittlung der 0°-Lage der Lenkvorrichtung 10. Darüber hinaus ermöglicht es eine Absicherung der intern in dem Steuergerät 46 abgelegten Summenwinkelfunktion der übersetzten Zahnstangenposition. Da das Indexsignal in der Regel ein Ausgangssignal zur Kalibrierung der Lenkwinkelfunktion und des Geradeauslaufs bildet, kann eine Fehlsynchronisation zu einer fehlerhaften Steuerung des Lenkwinkels führen. Somit stellt das Indexsignal ein sicherheitskritisches Drehwinkelsignal dar, dessen Fehlerhaftigkeit es möglichst weitestgehend zu unterdrücken bzw. zu vermeiden gilt. Erfindungsgemäß ist hierzu zumindest eine zweite berührungslose Sensorik 52 vorgesehen, die aus einem zweiten megnetfeldabhängigen Sensor, insbesondere einem Hall-Sensor 54 und/oder einem

AMR-Sensor 56, besteht und die denselben Drehwinkel α wie die erste Sensorik 40 erfasst zur Abgabe eines weiteren Drehwinkelsignals S _D2 an das Steuergerät 46. Wie schon für die erste Sensorik 40 so kann auch in diesem Fall eine zweite Signalaufbereitung 58 vorgesehen sein, die das weitere Drehwinkelsignal S _D2 für die Rechnereinheit 50 aufbereitet.

Da das erste und das weitere Drehwinkelsignal S _D i bzw. S _D2 Informationen zu demselben Drehwinkel OC beinhalten, ergibt sich hieraus eine redundante Signalaufbereitung bzw. Erfassung in dem Steuergerät 46. Dazu wird in einem Vergleicher 60, der entweder in der Rechnereinheit 50 oder in dem Steuergerät 46 integriert ist, das erste Drehwinkelsignal

S _DI anhand des weiteren Drehwinkelsignals S _D2 oder umgekehrt auf Plausibilität überprüft. Stellt sich heraus, dass eines der beiden Drehwinkelsignale S _D i oder S _D2 fehlerhafte Angaben über den erfassten Drehwinkel oc enthält, so übergibt der Vergleicher 60 entweder das erste Drehwinkelsignal S _D i als ein resultierendes Drehwinkelsignal S _D an die Rechnereinheit 50, wenn das weitere Drehwinkelsignal S _D2 nicht plausibel ist, oder das weitere Drehwinkelsignal S _D2 als resultierendes Drehwinkelsignal S _D , wenn das erste Drehwinkelsignal S _D i nicht plausibel ist. Eine Plausibilitätsüberprüfung kann zudem erfolgen, indem die beiden Drehwinkelsignale S _D i und S _D2 mit einem kurz zuvor in der Rechnereinheit 50 oder dem Vergleicher 60

abgespeicherten Drehwinkel verglichen werden. Sollte der aktuell erfasste Drehwinkel α diesbezüglich um einen Mindestbetrag von dem abgespeicherten Drehwinkel abweichen, so liegt eine Nicht-Plausibilität des entsprechendes Drehwinkelsignals vor und es wird fortan das jeweils andere Drehwinkelsignal für die Erfassung des Drehwinkels oc benutzt. Diese Redundanz ermöglich somit den Verzicht auf eine in üblichen

Lenkvorrichtungen erforderliche, deutlich aufwändigere Plausibilisierung. Zudem ist in Verbindung mit einer schnelleren Erfassung des Drehwinkels oc eine größere Sicherheit bei der Erfassung der O°-Lage bzw. der Geradeausfahrt gegeben.

Um zu gewährleisten, dass sowohl die erste Sensorik 40 als auch die zweite Sensorik 52 denselben Drehwinkel oc erfassen, werden beide mit einem sehr geringen Abstand, beispielsweise wenige Millimeter, zueinander angeordnet. Handelt es sich bei den Sensoriken 40, 52 um Hall-Sensoren 42, 54, so erfolgt die Anordnung gemäß Figur 1 in Längsrichtung der Rotorachse 36 und/oder der Lenksäule 14 bzw. des mit ihnen drehfest verbundenen Permanentmagnetrings 38. Im Falle der AMR-Sensoren 44, 56 kann dagegen auch eine andere Anordnung, beispielsweise kopfseitig am Ende der Rotorachse 36 oder des Permanentmagnetrings 38 vorteilhaft bzw. zweckmäßig sein, wobei eine Postitionierung des ersten und des zumindest zweiten AMR-Sensors 44, 56 unmittelbar auf- oder nebeneinander möglich ist.

Die Lenkvorrichtung 100 in Figur 3 unterscheidet sich von der Lenkvorrichtung 10 gemäß Figur 1 darin, dass auf eine direkte, mechanische Kopplung zwischen der mit dem Lenkrad 12 drehfest verbundenen Lenksäule 14 und der Zahnstange 20 der Vorderachse 26 - beispielsweise über ein Lenkgetriebe gemäß Figur 1 - verzichtet wurde. Statt dessen wird der Aktuator 28 nur noch über das Steuergerät 46 angesteuert. Dazu ist der

Permanentmagnetring 38 drehfest mit der Lenksäule 14 derart verbunden, dass eine Drehbewegung des Lenkrads 12 um den Drehwinkel oc auf die erste und die zweite berührungslose Sensorik 40 bzw. 52 zur Abgabe des ersten und des zweiten Drehwinkelsignals S _D i bzw. S _D2 an das Steuergerät 46 wirkt.

Die beiden Drehwinkelsignale S _D i und S _D2 gelangen zunächst auf ein Umschaltmittel 62 des Steuergeräts 46, das zwischen dem ersten Drehwinkelsignal S _D i und dem zweiten Drehwinkelsignal S _D2 umschaltet zur übergabe des mittels einer Signalaufbereitung 64 analog-digital-gewandelten, resultierenden Drehwinkelsignals S _D an die in dem

Steuergerät 46 integrierte Rechnereinheit 50. Als Umschaltmittel 62 kann dabei ein Relais oder ein Halbleiterschalter (MOSFET, Bipolartransistor, etc.) zum Einsatz kommen. Ebenso ist eine softwaremäßige Umschaltung innerhalb der Rechnereinheit 50 denkbar. Auf Grundlage des resultierenden Drehwinkelsignals S _D steuert die Rechnereinheit 50 schließlich den entsprechend der obigen Beschreibung zu Figur 1 aufgebauten Aktuator 28 als Lenkantrieb 29 an. Der übersichtlichkeit halber wurde die Verbindung zwischen der Rechnereinheit 50 und dem Aktuator 28 durch eine einzige Linie dargestellt. Es dürfte aber selbstverständlich sein, dass, insbesondere, wenn auch im Aktuator 28 eine erste und zumindest eine weitere Sensorik gemäß Figur 1 zum Einsatz kommen, die Verbindung beliebig komplex ausgebildet sein kann.

Die übertragung zwischen dem Umschaltmittel 62 und der Rechnereinheit 50 erfolgt bidirektional, so dass die Rechnereinheit 50 mit der in dem Umschaltmittel 62 integrierten Signalaufbereitung 64 kommunizieren kann, um ein Umschalten des Umschaltmittels 62 zwischen den beiden Drehwinkelsignalen S _D i und S _D2 zu steuern.

Alternativ kann die Umschaltung aber auch allein durch die Signalaufbereitung 64 veranlasst werden. In diesem Fall ist es möglich, zugunsten eine unidirektionalen Verbindung auf eine bidirektionale Verbindung zwischen Rechnereinheit 50 und Signalaufbereitung 64 zu verzichten. Im Folgenden soll jedoch von einer durch die Rechnereinheit 50 ausgelösten Umschaltung ausgegangen werden. Die Steuerung der

Umschaltung erfolgt dabei ereignis- oder zeitabhängig. Unter einer ereignisabhängigen Steuerung wäre zum Beispiel die Feststellung eines nicht-plausiblen Drehwinkelsignals S _D in der Rechnereinheit 50 zu verstehen, das zu stark, d.h. um mehr als einen definierten Grenzwert, von einem vorher abgespeicherten Wert abweicht. Bei einer zeitabhängigen Umschaltung wird dagegen zyklisch oder zu vorher festgelegten Zeitpunkten zwischen dem ersten Drehwinkelsignal S _D i und dem zweiten Drehwinkelsignal S _D2 umgeschaltet. Ergibt sich bei einer der Umschaltstrategien ein nicht-plausibles Drehwinkelsignal S _D , so wird fortan nur noch das jeweils andere Drehwinkelsignal S _D i oder S _D2 für die Erfassung des Drehwinkels α zugrunde gelegt. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit der gesamten Vorrichtung deutlich erhöht werden.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die Figuren 1 bis 3 noch auf die genannten Sensorarten, die Anzahl der verwendeten Sensoren oder die Art der Drehwinkelsignale beschränkt ist. So kann die

Erfindung statt auf ein Indexsignal auch auf Drehwinkelsignale von anderen berührungslosen Sensoren, wie zum Beispiel optischen Sensoren oder dergleichen, angewendet werden. Weiterhin geben die Figuren nur eine schematische Darstellung der Erfindung wieder, so dass das Steuergerät 46 auch im Gehäuse des Lenkantriebs 28 oder in einem gemeinsamen Gehäuse mit den Sensoriken 40, 52 integriert sein kann.