Verfahren zur Feststellung der Zahnstangenposition in einem Lenksystem mit elektrischem Servomotor

Beschreibungsteil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feststellung der Zahnstangenposition in einem Lenksystem mit elektrischem Servomotor.

In der DE 10 2010 062 577 A1 wird ein Lenksystem in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Servomotor zur Unterstützung der Lenkbewegung beschrieben. Das Servomoment des Servomotors kann beispielsweise über ein Getriebe auf eine

Zahnstange des Lenksystems übertragen werden, welches die lenkbaren Räder des Fahrzeugs verstellt.

Bekannt sind außerdem Lenkwinkelsensoren zur Detektierung des aktuellen

Lenkwinkels der Lenkwelle, die vom Fahrer über das Lenkrad verstellt wird. Gemäß der DE 197 03 903 A1 wird an der Lenkwelle ein Permanentmagnet befestigt, dem gehäuseseitig ein magnetfeldempfindlicher Sensor zugeordnet ist, der bei drehender Lenkwelle die Magnetfeldänderung registrieren kann, so dass auf den Lenkwinkel geschlossen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Lenksystemen von Fahrzeugen eingesetzt werden, die mit einem elektrischen Servomotor ausgestattet sind, über den ein unterstützendes Servomoment in das Lenksystem eingespeist werden kann. Dabei können verschiedene Grundfunktionalitäten dargestellt werden. Zum einen kann ein fahrerbasiertes Fahren, realisiert werden, bei dem ein elektrisches Servomoment in das Lenksystem zur Unterstützung des vom Fahrer erzeugten und über das Lenkrad aufgebrachten Handmoments eingespeist wird (Servounterstützung). Zum andern lässt sich mithilfe des elektrischen Servomotors ein automatisiertes Fahren realisieren, bei dem eine Zahnstange des Lenksystems selbsttätig von dem Servomoment des elektrischen Servomotors verstellt und eine gewünschte Zahnstangenposition eingestellt wird, um damit über die Fahrzeugachse einen Radlenkwinkel an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs zu erzeugen (Zahnstangenpositionsregelung) Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zahnstangenposition im Lenksystem mit elektrischem Servomotor unter Berücksichtigung kinematischer Änderungen im

Ü bertrag ungsweg zwischen dem Servomotor und der Zahnstange, insbesondere in einem Getriebe zwischen dem Servomotor und der Zahnstange festgestellt werden.

Das Lenksystem umfasst eine Lenkwelle bzw. -spindel, die vom Fahrer über das Lenkrad betätigt wird und über ein Lenkritzel mit der Zahnstange kinematisch gekoppelt ist, so dass die Zahnstange bei einer Lenkbewegung eine axiale Stellbewegung ausführt, die in die gewünschte Radlenkbewegung der lenkbaren Räder umgesetzt wird. Der Servomotor ist kinematisch mit der Zahnstange gekoppelt, so dass die

Rotorbewegung des Servomotors synchron zur axialen Zahnstangenbewegung erfolgt. Vorteilhafterweise befindet sich zwischen dem elektrischen Servomotor und der Zahnstange ein Getriebe, dessen Getriebeeingangswelle kinematisch mit dem Rotor und dessen Getriebeausgangswelle kinematisch mit der Zahnstange gekoppelt sind. Auf Basis der gemessenen Rotorlage kann die Zahnstangenposition bestimmt werden. Dazu ist zur Initialisierung eine bekannte absolute Position erforderlich.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine kinematische und/oder eine dynamische Rotorgröße des Rotors des Servomotors auf Überschreitung eines zugeordneten Grenzwertes untersucht. Falls der Grenzwert überschritten wird, wird ein Ereignissignal erzeugt. Mit dieser Vorgehensweise ist sichergestellt, dass die

Unterstützung der Lenkbewegung mithilfe des elektrischen Servomotors in einer ordnungsgemäßen Weise erfolgt. Es können insbesondere Störungen bei der

Übertragung des Servomomentes vom Servomotor zur Zahnstange erfasst werden, die sich auf die Zahnstangenpositionserfassung auswirken.

Beispielsweise kann ein Winkelversatz zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle des Getriebes zwischen dem elektrischen Servomotor und der

Zahnstange festgestellt werden, wodurch sich die Relativlage zwischen dem Rotor des Servomotors und der Zahnstange ändert. Dies tritt in seltenen Fällen innerhalb des Getriebes, beispielsweise beim Auslösen einer Rutschkupplung oder bei Schlupf innerhalb des Übertragungspfads, oder in der Kopplung zwischen dem Rotor des Servomotors und dem Getriebe oder zwischen dem Getriebe und der Zahnstange auf. Falls es zu einem derartigen Versatz kommt, ist die absolute Zahnstangenposition nicht mehr exakt bekannt, wodurch Probleme bei der Zahnstangenpositionsregelung auftreten können, die insbesondere einem automatisierten Fahren zugrunde liegt.

Die Zahnstangenposition wird bei ordnungsgemäßer Funktion im Lenksystem

üblicherweise mit einem Rotorlagesensor zur Erfassung der Rotorlage des Servomotors bestimmt. Aus dieser relativen Information kann nach Initialisierung mit Hilfe eines Indexsensors auf der Lenkwelle oder dem Lenkritzel eine absolute Zahnstangenposition bestimmt werden. Der Indexsensor liefert bei jedem Umlauf der Lenkwelle an

definierten Stellen Indexsignale, die genutzt werden können, um den Zusammenhang zu plausibilisieren. Im laufenden Betrieb genügt dann die Information des

Rotorlagesensors zur Erfassung der aktuellen Rotorlage des Servomotors, um die absolute Zahnstangenposition zu bestimmen.

Tritt jedoch ein Versatz auf, beispielsweise zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle des Getriebes zwischen dem Servomotor und der Zahnstange, so ist die absolute Zahnstangenposition allein auf Basis der Rotorlage nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit bekannt. Dieser Fall kann mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert werden, indem eine kinematische oder dynamische Rotorgröße des Servomotors auf Überschreiten eines zugeordneten Grenzwertes untersucht wird. Wird der Grenzwert überschritten, muss von einem kritischen Ereignis ausgegangen werden, aus dem der vorbeschriebene Versatz beispielsweise zwischen der Eingangsund der Ausgangswelle des Getriebes resultiert, woraufhin ein Ereignissignal erzeugt wird, das auf die kritische Situation hinweist. Die kinematische bzw. dynamische Rotorgröße liefert im Falle des Überschreitens des zugeordneten Grenzwertes einen Hinweis darauf, dass ein Versatz im Übertragungsweg zwischen dem elektrischen Servomotor und der Zahnstange stattgefunden hat und dass die absolute

Zahnstangenposition nicht mehr eindeutig identifizierbar ist.

Die betrachtete Rotorgröße kann entweder eine kinematische Größe oder eine dynamische Größe sein. Bei der kinematischen Rotorgröße handelt es sich

beispielsweise um die Rotordrehgeschwindigkeit, gegebenenfalls auch um die

Rotordrehbeschleunigung, wobei die Rotordrehgeschwindigkeit und die

Rotordrehbeschleunigung auf der Grundlage der aktuellen Rotorlage bestimmt werden können, die mithilfe des Rotorlagesensors ermittelt wird. Beispielsweise nimmt die Rotordrehgeschwindigkeit im Falle eines Durchrutschens einer Kupplung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle im Getriebe einen Wert ein, der einen zugeordneten Grenzwert überschreitet, woraufhin das Ereignissignal erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Rotordrehbeschleunigung auf Überschreiten eines

Grenzwertes betrachtet werden.

Als dynamische Rotorgröße kommt beispielsweise das im elektrischen Servomotor erzeugte Motormoment in Betracht, das über den Rotor übertragen wird. Plötzliche Änderungen des Motormomentes können durch Überprüfen des Über- bzw.

Unterschreitens des zugeordneten Grenzwertes festgestellt werden und deuten auf einen Fehler wie beispielsweise ein Durchrutschen in einer Kupplung im Getriebe hin, woraufhin ein Ereignissignal erzeugt wird. Das Motormoment kann direkt über einen Momentensensor gemessen oder indirekt aus physikalischen Zusammenhängen ermittelt werden, insbesondere aus einer Messung des Motorstroms des elektrischen Servomotors.

Im Sinne der Erfindung bedeutet die Überschreitung eines Grenzwertes sowohl ein Anstieg über einen oberen Grenzwert als auch ein Absinken unter einen unteren Grenzwert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird das Ereignissignal dazu verwendet, dass die Aktivierung eines automatisierten Fahrens verhindert wird. In dieser Ausführung bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung eines automatisiert arbeitenden Lenksystems, das in der vorbeschriebenen Weise aufgebaut ist, wobei die Fehlfunktion bei der Zahnstangenpositionserfassung zu dem die

Aktivierung des automatisierten Fahrens verhindernden Ereignissignal führt.

Innerhalb des spezifizierten Bereichs für das automatisierte Fahren ist üblicherweise nicht mit Ereignissignalen zu rechnen. Wird jedoch das Lenksystem außerhalb der Spezifikation betrieben, kann es aber zweckmäßig sein, dass ein Ereignissignal, das während eines automatisierten Fahrens auftritt, nicht zum Abbruch des automatisierten Fahrens führt. In dieser Ausführung bezieht sich die Erfindung auf ein selbsttätiges, automatisiertes Fahren mit einer entsprechenden Ansteuerung des elektrischen Servomotors im vorbeschriebenen Lenksystem und der fortlaufenden Überwachung zur Feststellung einer Fehlfunktion bei der Zahnstangenpositionserfassung. Für den Fall, dass während eines automatisierten Fahrens ein kritisches Ereignis eintritt, das zu einer Fehlfunktion bei der Zahnstangenpositionserfassung führt, kann es dennoch vorteilhaft sein, das automatisierte Fahren aus Sicherheitsgründen zunächst fortzuführen und den Übergang zum fahrerbasierten Fahren in einer geordneten Weise durchzuführen.

Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung erfolgt die Überwachung der kinematischen bzw. dynamischen Rotorgröße des Servomotors anhand eines oder mehrerer Phasenströme, der bzw. die vom Servomotor aufgenommen werden. Die Ansteuerung des Servomotors erfolgt zweckmäßigerweise über ein Steuergerät, das mit einer Logik und einer Leistungseinheit versehen ist, wobei die Höhe des

Phasenstroms im Steuergerät bekannt ist.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Steuergerät, das in geeigneter weise zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Lenksystem, das in der vorbeschriebenen Weise ausgebildet ist und außerdem ein Steuergerät umfasst, in welchem die vorbeschriebenen

Verfahrensschritte durchgeführt werden und von dem der elektrische Servomotor angesteuert wird.

Im Steuergerät werden den Servomotor steuernde Phasenströme erzeugt, die auf der Grundlage der sensorisch erfassten Größen generiert werden. Die sensorisch erfassten Größen sind zum einen vorteilhafterweise Sensorsignale eines Rotorlagesensors und zum anderen Sensorsignale eines Indexsensors an der Lenkwelle oder dem Lenkritzel zum Erfassen des Lenkwellenumlaufs. In der fahrergesteuerten Betriebsweise erfolgt die Ansteuerung des Servomotors auf der Grundlage des gemessenen Handmoments des Fahrers.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kann das Ereignissignal wieder gelöscht bzw. zurückgenommen werden, falls nach einem erneuten Überlenken der Indexposition der Lenkwelle festgestellt wird, dass kein Versatz zwischen

Eingangswelle und Ausgangswelle des Getriebes vorliegt. Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,

Fig. 2 eine Darstellung des Lenksystems mit elektrischem Servomotor in achsparalleler Anordnung zu einer Zahnstange des Lenksystems,

Fig. 3 ein Ablaufschema mit Verfahrensschritten zum Feststellen einer Fehlfunktion bei der Zahnstangenpositionserfassung.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Lenksystem 1 mit einem Lenkrad 2, einer Lenkwelle 3 und einem

Lenkgehäuse 4 mit darin aufgenommener Zahnstange 5 dargestellt, über das die Lenkbewegung des Fahrers auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs übertragen wird. Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, das drehfest auf der Lenkwelle 3 aufsitzt, den Lenkwinkel ÖL vor, der über ein Lenkritzel in eine Stellbewegung der Zahnstange 5 übertragen wird. Daraufhin stellt sich an den lenkbaren Rädern 6 der Radlenkwinkel δν ein.

Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments dient ein elektrischer Servomotor 7, über den ein Servomoment in das Lenksystem 1 eingespeist werden kann. Der Servomotor 7 kann zur Realisierung eines automatisierten Fahrens auch selbsttätig und unabhängig vom Handmoment des Fahrers angesteuert werden. In diesem Fall wird die Lenkbewegung allein durch das Servomoment des Servomotors 7 erzeugt.

Wie Fig. 2 zu entnehmen, ist der elektrische Servomotor 7 beispielhaft achsparallel zum Zahnstange 5 angeordnet. Der Servomotor 7 ist an das Lenkgehäuse 4 angeflanscht, wobei die Motorlängsachse 8 des Servomotors 7 parallel zur Längsachse 9 der

Zahnstange 5 verläuft, welche von der Lenkwelle 3 translatorisch entlang der

Längsachse 9 verstellt wird. Die Antriebsbewegung des Rotors des elektrischen

Servomotors 7 wird als Unterstützungsbewegung auf die Zahnstange 5 übertragen. Dem Servomotor 7 ist ein Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Motoransteuerung des Servomotors 7 durchgeführt wird. Zwischen dem elektrischen Servomotor 7 und der Zahnstange 5 ist ein Getriebe 1 1 angeordnet, über das die Unterstützungsbewegung des elektrischen Servomotors 7 auf die Zahnstange 5 übertragen wird. Das Getriebegehäuse des Getriebes 1 1 ist mit dem Lenkgehäuse 4 verbunden.

In bevorzugter Ausführung ist dem elektrischen Servomotor 7 ein Rotorlagesensor zugeordnet, mit dem die Rotorlage des Rotors des Servomotors erfasst werden kann. Des Weiteren ist die Lenkwelle 3 oder ein Lenkritzel, das an der Lenkwelle 3 sitzt und über das die Lenkbewegung in eine translatorische Stellbewegung der Zahnstange 5 übertragen wird, mit einem Lenkradwinkelsensor und mit einem Indexsensor versehen, der an bekannten, definierten Positionen ein Indexsignal bei einem vollen Umlauf der Lenkwelle erzeugt. Damit wird der Zusammenhang zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle des Getriebes erfasst.

Fig. 3 zeigt ein Ablaufschema mit verschiedenen Verfahrensschritten, mit denen eine Fehlfunktion bei der Zahnstangenpositionserfassung festgestellt und ein Ereignissignal erzeugt werden kann.

In einem ersten Verfahrensschritt 20 werden fortlaufend die Sensorsignale des

Lenksystems erfasst und ausgewertet, insbesondere die Signale des Rotorlagesensors, des Handmomentensensors und die Signale des Indexsensors. Auf der Grundlage der Signale werden im Steuergerät die Phasenströme zur Ansteuerung des elektrischen Servomotors generiert.

Im nächsten Verfahrensschritt 21 erfolgt eine Abfrage, ob das vom elektrischen

Servomotor erzeugte Motormoment und/oder die Rotordrehgeschwindigkeit im

Servomotor außerhalb zugeordneter Wertebereiche liegen. Dieser Fall tritt

beispielsweise in kritischen Situationen in Getrieben zwischen dem elektrischen

Servomotor und der Zahnstange auf, wobei das Getriebe beispielsweise mit einer Rutschkupplung versehen sein kann und im Fall einer kritischen Situation die

Rutschkupplung durchrutscht. Diese Situation kann aus dem Verlauf einer

kinematischen bzw. dynamischen Rotorgröße detektiert werden. Im Falle der

Rotordrehgeschwindigkeit, die aus den Sensorsignalen des Rotorlagesensors ermittelt werden kann, bedeutet eine durchrutschende Kupplung ein plötzliche Änderung der am Servomotor anliegenden Last, woraufhin sich auch die Rotordrehgeschwindigkeit ändert, was anhand des Vergleichs mit einem zugeordneten Grenzwert im

Verfahrensschritt 21 detektiert werden kann.

Zusätzlich oder alternativ kann auch das Motormoment des Servomotors betrachtet werden. Bei einem Durchrutschen der Rutschkupplung und einhergehend einer Änderung der Last am Servomotor ändert sich auch das Motormoment und unter- oder überschreitet einen zugeordneten Grenzwert. Das Motormoment kann insbesondere anhand des Phasenstroms im Steuergerät erfasst werden, da das Motormoment sich aus dem Phasenstrom ermitteln lässt.

Ergibt die Abfrage im Schritt 21 , dass eine kinematische oder dynamische Rotorgröße innerhalb des zulässigen Wertebereiches liegt, wird der Nein-Verzweigung („N") folgend zum Schritt 20 zurückgekehrt und der Schritt 20 in zyklischen Abständen erneut durchlaufen.

Ergibt dagegen die Abfrage im Schritt 21 , dass die betrachtete kinematische bzw.

dynamische Rotorgröße außerhalb des zulässigen Wertebereiches liegt, wird der Ja- Verzweigung („Y") folgend zum nächsten Schritt 22 vorgerückt, in welchem ein

Ereignissignal erzeugt wird. Das Ereignissignal verhindert für den Fall des

fahrerbasierten Fahrens die Aktivierung eines automatisierten Fahrens. Falls dagegen das automatisierte Fahren bereits aktiv ist und das Ereignissignal während des automatisierten Fahrens erzeugt worden ist, wird das automatisierte Fahren nicht abgebrochen, sondern vorteilhafterweise in einem geordneten Verfahren der Übergang auf das fahrerbasierte Fahren eingeleitet.

Bezugszeichenliste

1 Lenksystem

2 Lenkrad

3 Lenkwelle

4 Getriebegehäuse

5 Zahnstange

6 Vorderrad

7 elektrischer Servomotor

8 Motorlängsachse

9 Längsachse der Zahnstange 5

10 Steuergerät

1 1 Getriebe