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 .

Steer- by- Wire- Lenksysteme sind üblicherweise derart ausgebildet, dass diese ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe aufweisen, die mechanisch entkoppelt und elektrisch verbunden sind. Dabei wird ein Lenkradwinkel erfasst und an ein Steuergerät des Lenkgetriebes übertragen, um daraus einen Soll-Lenkwinkel zu bestimmen, der dann mittels eines Lenkaktors eingestellt wird. Der Lenkaktor ist üblicherweise ein Elektromotor, der eine Zahnstange auslenkt, um den Soll-Lenkwinkel an den Rädern einzustellen. Dabei ist an einer Lenksäule ein Aktor zur Erzeugung eines Gegenmomentes angeordnet, sodass der Kraftfahrzeugführer ein Lenkgefühl vermittelt bekommt, wie dieser es von herkömmlichen Lenksystemen kennt. Dabei ist es weiter bekannt, viele der genannten Baueinheiten redundant auszubilden, um so die Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Dabei sind verschiedenste Konzepte bekannt, wie die jeweilige Redundanz bzw. eine Rückfallebene gewährleistet werden kann.

Aus der US 2021/0009202 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Aktors zur Erzeugung eines Gegenmomentes an einem Lenkrad eines Steer-by-Wire-Lenksystems bekannt.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Steer-by-Wire-Lenksystem zu schaffen, das eine verbesserte Ausfallsicherheit aufweist sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein 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 weist ein Lenksäulenmodul und ein Lenkgetriebe auf. Das Lenksäulenmodul weist ein erstes Sensormodul und ein zweites Sensormodul auf, die jeweils mindestens einen Lenkradwinkel erfassen. Weiter weist das Lenksäulenmodul ein Lenkrad, eine Lenksäule, mindestens einen Aktor zur Erzeugung eines Gegenmomentes an der Lenksäule und mindestens zwei Steuergeräte für den mindestens einen Aktor zur Erzeugung des Gegenmomentes auf. Lenkrad ist hier allgemein als Lenkhandhabe zu verstehen, um einen gewünschten Lenkwinkel vorzugeben. Weiter ist das erste Steuergerät für den mindestens einen Aktor mit einem ersten Steuergerät des Lenkgetriebes über mindestens eine Busverbindung verbunden. Das zweite Steuergerät für den mindestens einen Aktor ist mit einem zweiten Steuergerät des Lenkgetriebes über mindestens eine zweite Busverbindung verbunden. Weiter ist die erste Sensoreinheit über eine Sensorschnittstelle direkt mit dem ersten Steuergerät des Lenkgetriebes verbunden und die zweite Sensoreinheit ist über eine Sensorschnittstelle direkt mit dem ersten Steuergerät für den mindestens einen Aktor verbunden. Die Sensorschnittstelle ist vorzugsweise als SENT-Schnittstelle (Single Edge Nibble Transmission) ausgebildet. Das Steer-by-Wire-Lenksystem ist derart ausgebildet, dass im fehlerfreien Betrieb das erste Steuergerät des mindestens einen Aktors einen Lenkradwinkel und ein Übersetzungsverhältnis an das erste Steuergerät des Lenkgetriebes übermittelt, die dann zur Berechnung des Soll-Lenkwinkels verwendet werden. In einem Fehlerfall mindestens des ersten Steuergerätes des mindestens einen Aktors wird von dem ersten Steuergerät des Lenkgetriebes der über die Sensorschnittstelle übermittelte Lenkradwinkel zur Berechnung eines Soll-Lenkwinkels verwendet. Das erste Sensormodul und das erste Steuergerät des Lenkgetriebes weisen eine gemeinsame Spannungsversorgung auf. Hierdurch wird insgesamt eine Ausfallsicherheit verbessert, da die Übermittelung des Lenkradwinkels über zwei verschiedene Übertragungswege erfolgt, nämlich einmal über eine Busverbindung und einem über eine Sensorschnittstelle. Durch die gemeinsame Spannungsversorgung vom ersten Sensormodul und ersten Steuergerät des Lenkgetriebes arbeitet das erste Sensormodul auch noch bei einem Ausfall der Spannungsversorgung des ersten Steuergerätes des mindestens einen Aktors. Das Übersetzungsverhältnis kann dann im Fehlerfall dem ersten Steuergerät von einer anderen Einheit zugeführt werden und dieses verwendet das zuletzt übermittelte Übersetzungsverhältnis.

In einer ersten Ausführungsform ist das Steer-by-Wire-Lenksystem derart ausgebildet, dass nur bei Ausfall des ersten Steuergerätes und des zweiten Steuergerätes für den mindestens einen Aktor der über die Sensorschnittstelle vom ersten Sensormodul an das erste Steuergerät des Lenkgetriebes übermittelte Lenkradwinkel zur Berechnung des Soll-Lenkwinkes verwendet wird. Der Vorteil ist dabei die bessere Abstimmung zwischen Soll-Lenkwinkel und Gegenmoment, solange ein Steuergerät des mindestens einen Aktors noch fehlerfrei arbeitet, wobei nur bei einem Doppelfehler und Totalausfall des Lenksäulenmoduls auf den Lenkradwinkel der Sensorschnittstelle zurückgegriffen wird. In einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite Sensormodul derart ausgebildet, zusätzlich ein Handmoment zu erfassen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Aktor zur Erzeugung eines Gegenmomentes als Elektromotor mit einem ersten Satz und einem zweiten Satz von Wicklungen ausgebildet, die von einander unabhängig sind, wobei der erste Satz von Wicklungen von dem ersten Steuergerät für den Aktor und der zweite Satz von Wicklugen von dem zweiten Steuergerät angesteuert wird. Dies ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung eines redundanten Aktors. Beispielsweise weist ein Satz jeweils drei Wicklungen auf. Da das erste und das zweite Steuergerät vorzugsweise unterschiedliche Spannungsversorgungen aufweisen und der Rotor des Elektromotors sehr robust und ausfallsicher ist, ist so der Aktor bei verschiedensten Einzelfehlern funktionsfähig.

In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Steuergerät des Aktors und das erste Steuergerät des Lenkgetriebes über ein erstes Bussystem und ein zweites Bussystem miteinander verbunden, wobei das erste Bussystem als exklusives Bussystem (z. B. Private CAN) ausgebildet ist, über das der Lenkradwinkel und das Übersetzungsverhältnis übertragen werden. Der Vorteil ist die sehr schnelle Datenübertragung im Vergleich zu den anderen Fahrzeugbussystemen. Bei Ausfall des exklusiven Bussystems kann dann auf das zweite Bussystem zurückgegriffen werden.

In einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Steuergerät und das zweite Steuergerät des mindestens einen Aktors eine Kommunikationsverbindung auf, wobei das Steer-by-Wire- Lenksystem derart ausgebildet ist, dass das erste Steuergerät mindestens einen Lenkradwinkelstartwert an das zweite Steuergerät übermittelt. Vorzugsweise findet die Kommunikation kontinuierlich statt, so dass das zweite Steuergerät den aktuellen Lenkradwinkel und das Übersetzungsverhältnis kennt. Die Kommunikationsverbindung kann ebenfalls als exklusive Busverbindung ausgebildet sein (z. B. private CAN).

In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Steuergerät des Aktors derart ausgebildet, mittels eines Rotorwinkels des Lenkgetriebes einen absoluten Lenkradwinkel zu bestimmen.

Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisches Blockschaltbild eines Steer- by- Wire- Lenksystems.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 dargestellt. Das Steer-by-Wire- Lenksystem 1 weist ein Lenksäulenmodul 2 und ein Lenkgetriebe 3 auf. Das Lenksäulenmodul 2 weist ein Lenkrad 4 und eine Lenksäule 5 auf. An der Lenksäule 5 ist ein erstes Sensormodul 6 und ein zweites Sensormodul 7 angeordnet, wobei das erste Sensormodul 6 und das zweite Sensormodul 7 derart ausgebildet sind, einen Lenkradwinkel (p und ein Handmoment an dem Lenkrad 4 zu erfassen. Weiter weist das Lenksäulenmodul 2 einen Aktor 8 zu Erzeugung eines Gegenmomentes am Lenkrad 4 auf, wobei der Aktor 8 als Elektromotor mit einem ersten Satz 9 und einem zweiten Satz 10 von Wicklungen ausgebildet ist, wobei der erste Satz 9 von Wicklungen durch ein erstes Steuergerät 11 und der zweite Satz 10 von Wicklungen durch ein zweites Steuergerät 12 angesteuert wird, wobei aus Übersichtsründen eine dazugehörige Leistungselektronik nicht dargestellt ist. Das erste Steuergerät 11 und das zweite Steuergerät 12 sind über eine Kommunikationsverbindung 13 miteinander verbunden. Das zweite Sensormodul 7 ist über eine Sensorschnittstelle 14 mit dem ersten Steuergerät 11 für den Aktor 8 verbunden. Das Lenkgetriebe 3 weist ein erstes Steuergerät 15 und ein zweites Steuergerät 16 auf. Weiter weist das Lenkgetriebe 3 zwei Leistungselektroniken 17, 18 auf, die jeweils einen Halbmotor 19, 20 ansteuern. Die beiden Halbmotoren 19, 20 arbeiten auf einem gemeinsamen Rotor 21 , der über ein nicht dargestelltes Getriebe mit einer Zahnstange 22 verbunden ist. Die beiden Steuergeräte 15, 16 steuern die Leistungselektroniken 17, 18 an. Dabei kann wie dargestellt jeweils ein Steuergerät 15, 16 beide Leistungselektroniken 17, 18 ansteuern oder aber jeweils ein Steuergerät 15, 16 steuert jeweils eine Leistungselektronik 17, 18 an. Weiter ist eine Kommunikationsverbindung 23 zwischen dem ersten Steuergerät 15 und dem zweiten Steuergerät 16 dargestellt. Über eine Sensorschnittstelle 24 ist das erste Sensormodul 6 mit dem ersten Steuergerät 15 des Lenkgetriebes 3 direkt verbunden. Das erste Steuergerät 11 des Aktors 8 ist über ein erstes Bussystem 25 und ein zweites Bussystem 26 mit dem ersten Steuergerät 15 des Lenkgetriebes 3 verbunden. Dabei ist das erste Bussystem 25 als exklusives Bussystem ausgebildet, wohingegen das zweite Bussystem 26 als Fahrzeugbussystem ausgebildet ist, auf dem auch weitere Steuergeräte kommunizieren, was durch die abgehende Leitung angedeutet ist. Über das erste Bussystem 25 überträgt das Steuergerät 11 den Lenkradwinkel (p des zweiten Sensormoduls 7 und das Übersetzungsverhältnis ü an das erste Steuergerät 15 des Lenkgetriebes 3. Weiter ist das zweite Steuergerät 12 des Aktors 8 über ein weiteres Bussystem 27, das beispielsweise ebenfalls als Fahrzeugbussystem ausgebildet ist, mit dem zweiten Steuergerät 16 des Lenkgetriebes 3 verbunden. Weiter ist dargestellt, dass ein Rotorwinkel q>R zum zweiten Steuergerät 16 übermittelt wird, der aber alternativ oder zusätzlich auch dem ersten Steuergerät 15 zugeführt werden kann. Nicht dargestellt sind die Spannungsversorgungen, wobei gilt, dass redundante Elemente jeweils eine andere Spannungsversorgung aufweisen. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass das Lenksäulenmodul 2 eine erste und zweite Spannungsversorgung aufweist und das Lenkgetriebe 3 eine erste und zweite Spannungsversorgung aufweist, wobei diese gleich sein können oder auch voneinander unabhängig. Dabei ist die Spannungsversorgung des ersten Sensormoduls 6 die gleiche wie für das erste Steuergerät 15 des Lenkgetriebes 3.

Im fehlerfreien Betrieb überträgt das erste Steuergerät 11 über das Bussystem 25 den Lenkradwinkel (p und das Übersetzungsverhältnis ü an das erste Steuergerät 15 des Lenkgetriebes 3, das dann daraus einen Soll-Lenkwinkel bestimmt und entsprechend die Leistungselektroniken 17, 18 ansteuert. Bei einem Ausfall des ersten Steuergerätes 11 kann der Lenkradwinkel (p und das Übersetzungsverhältnis ü vom zweiten Steuergerät 12 an das zweite Steuergerät 16 des Lenkgetriebes 3 übermittelt werden, wobei der Lenkradwinkel (p aus dem Rotorwinkel >R unter Kenntnis des Übersetzungsverhältnisses ü bestimmt wird. Fällt auch das zweite Steuergerät 12 aus, so erhält das erste Steuergerät 15 immer noch den Lenkradwinkel (p vom ersten Sensormodul 6 und kann einen entsprechenden Soll-Lenkwinkel berechnen. Das Übersetzungsverhältnis ü kann dabei das erste Steuergerät 15 auch von einem anderen Steuergerät erhalten. Hinsichtlich der Geschwindigkeit der Datenübertragung ist die Übertragung über die Sensorschnittstellen am schnellsten, gefolgt von den exklusiven Bussystemen, wohingegen die Fahrzeugbussysteme am langsamsten sind.

Bezugszeichenliste ) Steer-by-Wire-Lenksystem ) Lenksäulenmodul ) Lenkgetriebe ) Lenkrad ) Lenksäule ) erstes Sensormodul ) zweites Sensormodul ) Aktor ) erster Satz von Wicklungen ) zweiter Satz von Wicklungen ) erstes Steuergerät für den Aktor ) zweites Steuergerät für den Aktor ) Kommunikationsverbindung ) Sensorschnittstelle ) erstes Steuergerät für Lenkgetriebe ) zweites Steuergerät für Lenkgetriebe ) Leistungselektronik ) Leistungselektronik ) Halbmotor ) Halbmotor ) gemeinsamer Rotor ) Zahnstange ) Kommunikationsverbindung ) Sensorschnittstelle 25) erstes Bussystem

26) zweites Bussystem

27) weiteres Bussystem

(p) Lenkradwinkel ü) Übersetzungsverhältnis

(p _R ) Rotorwinkel