WO2002032742A1 - Verfahren zum steuern eines steer-by-wire-lenksystems - Google Patents

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WO2002032742A1
WO2002032742A1 PCT/DE2001/003752 DE0103752W WO0232742A1 WO 2002032742 A1 WO2002032742 A1 WO 2002032742A1 DE 0103752 W DE0103752 W DE 0103752W WO 0232742 A1 WO0232742 A1 WO 0232742A1
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WO
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steering
lrm
steering wheel
motor
control
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Application number
PCT/DE2001/003752
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dominke
Chi-Thuan Cao
Wolfgang Pfeiffer
Bo Yuan
Klaus-Dieter Leimbach
Bernd Mueller
Werner Harter
Peter Blessing
Juergen Schuelle
Herbert Lohner
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Zf Lenksysteme Gmbh
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Publication date
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Priority to DE50115622T priority patent/DE50115622D1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0493—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures detecting processor errors, e.g. plausibility of steering direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/001—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup
    • B62D5/003—Backup systems, e.g. for manual steering

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a steer-by-wire steering system and a steer-by-wire steering system for vehicles, with an electronically controlled steering divider attached to the steering gear of the front axle or on both steerable front wheels, and a steering wheel angle sensor tapping the driver's steering request on the steering wheel, feedback from the road to the driver via the steering wheel
  • Actuator unit a steering angle sensor for recording the current steering angle on the steering gear of the front axle or on the two front wheels, and with a control unit for recording the signals supplied by the sensors and calculating control signals for the steering actuator and the feedback actuator unit.
  • a steer-by-wire steering system is known from DE 195 40 956 Cl. With this steering system, the mechanical connection between the steering wheel and one on the steered
  • this steering system Disconnect the steering gear acting on the wheels by opening a clutch. Then this steering system is a steer-by-Wi-tre steering system, in which the steering wheel is only indirectly coupled to the steering gear arrangement.
  • this known steer-by-wire steering system is the transmission
  • a feedback actuator unit which is designed as a self-locking electric motor and controlled by a control device on the steering wheel, causes a controllable actuation resistance.
  • a fault within a steer-by-wire steering system immediately poses a risk to life and limb for the driver. This results in the requirement that no single fault in the steer-by-wire steering system may lead to its failure.
  • a steer-by-wire steering system according to the invention should achieve or exceed the safety level of conventional power steering.
  • a plausibility check of the various measured values and the determination of possibly erroneous measured values is facilitated above all by the diverse recording of various measured variables such as steering wheel angle, steering angle, restoring torque, etc. This increases the reliability and reliability of one according to the invention Steer-by-wire steering system.
  • Safety is further increased by the redundant communication within the control unit and with other control units or sensors of the vehicle, as well as by the fact that the switch from steer-by-wire operation to the fallback level takes place only after a transition period after an error has occurred.
  • the last-mentioned measure ensures that all functions of the steer-by-wire steering system are in a defined state when switching to the fallback level.
  • the reliability of a steer-by-wire steering system operating according to the method according to the invention is further increased by the division of the functions within the control unit into four logic levels in accordance with one of the subclaims 14 to 18. This division of the functions and the mutual control may be occurring errors and malfunctions are recorded with the greatest possible security and appropriate reactions of the steer-by-wire steering system are made possible.
  • the control device has two hardware levels and four logic levels.
  • the microcomputer or microcomputers and the monitoring module interact in the hardware levels.
  • the monitoring module communicates with the microcomputer or microcomputers via an internal bus system.
  • the computing ability of the microcomputer or microcomputers is checked and the program sequences within the computer or computers are monitored.
  • the selected type of data communication between the microcomputer or microcomputers and the monitoring module enables mutual monitoring of these components.
  • Figure 1 shows schematically a steer-by-wire steering system with hydraulic fallback level and an electromotive steering actuator
  • Figure la a steer-by-wire steering system with mechanical fallback level
  • FIG. 2 schematically shows a steer-by-wire steering system with a hydraulic fallback level and two electromotive steering actuators
  • FIG. 3 shows a functional diagram of a steer-by-wire steering system with a steering actuator
  • FIG. 4 shows a functional diagram of a steer-by-wire steering system with two steering actuators
  • Figure 5 shows the structure of a usable in the invention
  • Control unit with a microcomputer and a separate monitoring module
  • FIG. 6 shows a control device structure with two microcomputers and each with a separate monitoring module
  • Figure 7 shows the structure of a control unit with two
  • FIG. 8 shows a control device structure with three microcomputers
  • FIG. 9 shows a control device structure of a further steer-by-wire steering system according to the invention
  • a steer-by-wire steering system with a hydraulic or mechanical fallback level is described in advance with reference to FIGS. 1 to 4.
  • a steer-by-wire steering system with a hydraulic fallback level is the subject of German patent application 198 38 490.4 from Robert Bosch GmbH.
  • FIG. 1 differs from the structure shown in FIG. 2 in that, in the steer-by-wire steering system according to FIG. 1, the steered wheels (not shown) are adjusted by a steering motor LM in steer-by-wire operation, while Figure 2 shows a variant with two steering motors LM v] and LM vr .
  • a steering wheel motor LRM is shown in FIGS. 1 and 2, which forms the feedback actuator for the restoring forces to be transmitted to the driver via the steering wheel.
  • the hydraulic fallback level is through symmetrical hydraulic cylinders, a pressure accumulator SP for Hydraulic fluid and optionally a clutch KU between the steering wheel motor LRM and the mechanical intervention of the steering column on the two steering wheel-side hydraulic cylinders or a steering valve-side hydraulic cylinder in the steer-by-wire mode UPS switching valve, which hydraulic components are connected to each other by hydraulic lines.
  • Hydraulic line interconnected steering-gear-side hydraulic cylinders.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a steer-by-wire steering system with a mechanical fallback level is shown in FIG.
  • the mechanical fallback level has a split steering column and a clutch KU in the steering column.
  • the clutch KU is opened and the mechanical access between the steering wheel and the rack of the steering linkage is interrupted.
  • a steering movement is carried out by the steering motor LM with the interposition of a gear and a steering linkage.
  • the clutch KU is closed when the control unit is de-energized.
  • the steering motor LM could also implement the adjustment of the hydraulic current for steering torque support via the rotary valve of a hydraulic power steering.
  • FIGS. 3 and 4 show the basic control and regulation structure of a steer-by-wire steering system in the form of functional blocks.
  • the steering wheel angle ⁇ H specified by the driver is detected by a steering wheel angle sensor 10.
  • the steering wheel angle ⁇ H is deliberately determined with the help of a setpoint formation 11 depending on the situation using dynamic vehicle variables, such as. B. driving speed v, yaw rate ⁇ modified to a modified steering wheel angle ⁇ H * , which serves as the target value of a steering controller 12.
  • the steering controller 12 generates a manipulated variable for the steering motor LM, which is applied to the steering motor LM in the form of a voltage U v .
  • the steering controller 12 generates as control signals a voltage U v for the left steering motor LM v] and a voltage U vr for the right steering motor LM vr ,
  • the front wheels can be steered independently of one another in principle.
  • the steering controller receives the sensor-measured steering angle ⁇ v for both front wheels and in Figure 4 separately the sensor-measured steering angle ⁇ v and ⁇ v> r for the left and right front wheel, respectively.
  • the repercussions from the road on the steered wheels which strongly influence the driver's steering ⁇ 5 H , can e.g. B. with a remindstello enentensensor 14 as a restoring moment M v or on both wheels as Restoring moments M v? j and M V ⁇ - be measured.
  • a feedback actuator is provided which imparts a torque corresponding to the repercussions to the steering column and thus also to the steering wheel of the vehicle.
  • This torque referred to below as manual torque M H
  • manual torque M H can be measured by a manual torque sensor 13 on the steering column.
  • the feedback actuator of the vehicle equipped with steer-by-wire steering system consists of the electrical one
  • Steering wheel motor LRM which is coupled to the steering wheel via a transmission (not shown) and is regulated according to FIGS. 3 and 4 by a steering wheel controller 16.
  • the steering wheel controller 16 determines a target manual torque M H ⁇ So , ⁇ on the basis of the restoring torque M v measured by a restoring torque sensor 14 or on the basis of the currents (I v , I v , I v> r ). on the steering motors LM, LM V ,, LM vr ).
  • steering actuator and steering motor as well as feedback actuator and steering wheel motor are used synonymously.
  • the steering wheel controller 16 can set the target hand torque M H ⁇ Sol
  • the steering wheel controller 16 controls the steering wheel motor LRM with the manipulated variable U H in accordance with the target manual torque M H ⁇ So ⁇ such that the manual torque sensor M H measured by the manual torque sensor 13 corresponds to the target manual torque HSo u.
  • FIG. 5 shows, as a block diagram, an embodiment variant of a control unit with a single microcomputer system.
  • the microcomputer system includes a microcomputer RM and the associated peripheral components for the acquisition of all sensor signals.
  • K designates a communication system that e.g. B. is realized by a serial bus such as a CAN bus, which establishes the connection to other control units in the motor vehicle or to a diagnostic system for the error information.
  • j can be simple or redundant.
  • the monitoring module UM within the control unit is used to monitor the error-free operation of the steer-by-wire functions of the microcomputer RM and the associated peripheral components.
  • B. be implemented as a microprocessor or ASIC.
  • Motor torque M H of the steering wheel motor LRM is determined by the measured motor currents; Rotor position ⁇ PH of the steering wheel motor LRM; e.g. B. when using a BLDC, asynchronous or switched reluctance motor, - actual values of the phase currents I H of the steering wheel motor LRM, temperature T H of the steering wheel motor LRM;
  • the signal T H denotes the temperature of the output stages within the power electronics LE LRM for the steering wheel motor LRM or contains both temperatures,
  • Terminal voltage of the on-board electrical system ÜB Terminal voltage of the on-board electrical system ÜB.
  • the control signal U H is primarily used to control the power electronics LE LRM .
  • This control signal is a manipulated variable of a digital controller and can, for. B. output as a pulse-width modulated (PWM) signal.
  • PWM pulse-width modulated
  • the manipulated variable U H is calculated from the measured engine torque M v of the steering motor LM, the rotor position ⁇ RH of the steering wheel motor LRM and other parameters which characterize the state of the vehicle or the roadway.
  • a 'driving of the steering wheel motor LRM via the power electronics LE LRM is carried out on the release by the enable signals g RH and H.
  • a first motor relay 17 connected upstream of the power electronics is driven via the signals f RH and fo H.
  • B Sensor signal acquisition and calculation of the
  • the signal T v identifies the temperature of the output stages within the power electronics LE LM for the steering motor or contains both temperatures and optionally the terminal voltage ÜB of the vehicle electrical system.
  • the representative value z is first of all measured values ⁇ vI and ⁇ v2 . B. formed by averaging with "fully functional angle sensor technology.
  • the reference variable of the controller is formed during the setpoint formation from a representative value of the measured steering wheel angle ⁇ and ⁇ m and the current steering ratio.
  • the reference variable for the steering angle is additionally is calculated using the yaw angle velocity ⁇ and the lateral acceleration a y of the vehicle, or an angle or difference angle ⁇ F transmitted via the communication system K is used. If the control device structure is used to implement a tracking system, the angle ⁇ F could also be the
  • the control of the power electronics LE LM of the steering motor LM is carried out primarily by the control signal U v .
  • This control signal is a manipulated variable of a digital one
  • Controller can e.g. B. output as a PWM signal.
  • the currently available voltage level is the
  • On-board electrical system voltage ÜB must be taken into account.
  • the steering motor LM is actuated via the power electronics LE LM if the enable signals g RV and g ⁇ v are set.
  • Motor relay 18 is via the signals f RV and f f j v . controlled.
  • the essential parameter of the availability of the fallback level of the steer-by-wire steering system is the pressure p s in the
  • This pressure p s is measured continuously or in certain time intervals at the pressure accumulator SP and transmitted to the microcomputer RM in the form of an analog signal p s .
  • the switching valve UPS is controlled in normal operation by the signals b RU and h ⁇ ⁇ from the monitoring module UM. If one of these control signals is missing, the switchover valve UPS switches over to the hydraulic fallback level. In the event of a failure of the on-board electrical system, operation in the fallback level is automatically given. In the event of a significant error, the Steer-by-Wi-re
  • the sensor signals for the yaw rate ⁇ and for the lateral acceleration a y are fed to the microcomputer system via the communication system K-.
  • K 2 gives estimated values for the coefficient of friction ⁇ V
  • this command system can be used to predefine a command variable ⁇ F for the wheel steering angle in the event of a vehicle dynamics intervention via the steering system or in a tracking system.
  • This communication system can also be used to transmit signals d B to an information system (not shown) which inform the driver of possible system error states or, for example, of the switchover to the hydraulic fallback level.
  • the signals d m are sent to other control units which e.g. reduce the driving speed when changing to the hydraulic fallback level.
  • the SbW steering system is first switched to a fallback operating state during a transition period (for example within 5 seconds).
  • a transition period for example within 5 seconds.
  • superordinate steering functions are no longer carried out, ie. Dynamic steering interventions, steering interventions for cross wind compensation or interventions in the steering system that change the transmission ratio between steering wheel angle and steering angle are ended in a defined manner.
  • the activation of the clutch KU see FIGS. 1, la and 2) in the steering column is ended and the fallback level 5 is thus activated.
  • the following measures are planned:
  • the control concept of the control unit is structured in four logical levels L, L 2 , L 3 and L 4 and two hardware levels RM 5 and UM.
  • the monitoring module UM communicates with the microcomputer module RM by means of an internal bus system. This is used to check the computing ability of this micro computer system and to monitor the program sequences within the computer. These components are mutually monitored by the selected type of data communication between the microcomputer module RM and the monitoring module UM.
  • the following functions are assigned to logical levels 5: Level L 1
  • the level L- is realized in the microcomputer RM. It does the following:
  • the level L 2 is integrated in the microcomputer RM. This level checks the correctness of the calculations carried out in level Lj using algorithms that are diversified to those in level L x .
  • the redundant input data stored in the memory cells are also used to carry out the calculations, as a result of which errors due to corrupted memory contents are recognized.
  • Simplified, parallel-connected controller algorithms are provided for checking the controller functions, which are calculated with the redundantly stored data for the reference variables and the current actual values of the control variables. If there are significant deviations between these simplified manipulated variable calculations and the calculations carried out in level L [, an error state is recognized. In addition, the correct functioning of the two controlled systems is checked in level 2.
  • a mathematical model of the controlled system which shows the dynamic relationships between the manipulated variables and the controlled variables, including disturbance variables describes.
  • the manipulated variables calculated in the control algorithms in level L t are fed to these models. If there are significant deviations between the model output variables and the assigned measured actual values of the control variables, an error state is recognized.
  • the associated release signals g RV or g RH are used to control the respective power electronics LE LM or LE RM des
  • This level is implemented in the RM microcomputer module.
  • the programs in levels Lj and L 2 must still run properly in the event of an error or the incorrect sequence must be reliably detected.
  • Control is carried out in the embodiment shown by means of question-answer communication at levels L 3 and L 4 .
  • the microcomputer system RM picks up a question from the monitoring module ÜM and answers it in each case taking into account all security-relevant program parts within a predetermined time interval. A question can only be answered correctly if the programs for the computer function test and the command test run correctly.
  • the partial responses formed from the partial programs are combined to form an overall response and are fed to level L 4 in the monitoring module ÜM.
  • This level is implemented in the monitoring module ÜM.
  • the overall answer provided by the microcomputer RM is checked with regard to the time interval of the arrival and for bit-exact agreement with the correct answer matching the question. If the question-answer communication in level L 3 does not work properly, the enable signals go v or g ÜH for the control of the motors, the enable signals f 0v or f ÜH for the control of the motor relays and the control signal are in the monitoring component ÜM reset for the changeover valve.
  • the angle sensor values ( ⁇ H1 , ⁇ H2 ) on the steering wheel are checked for plausibility.
  • the measured value of the torque sensor can be used to check these measured values, taking into account the mechanical inertia of the steering wheel and a mathematical model for the rotary movement, as well as the current coefficient of friction. Will be used for the steering wheel motor LRM
  • BLDC asynchronous or a switched reluctance motor
  • a position sensor with an angular range between 0 and 360 ° is required to regulate the phase currents.
  • This sensor information can also be used to check the measured steering wheel angle, or in a simplified implementation variant, including this position measurement, an angle sensor with reduced resolution can be used.
  • the measured torque value on the steering wheel can be monitored for plausibility using a mathematical model, taking into account the measured phase currents and the temperature measurement parameter required for motor monitoring.
  • the angle sensor values ( ⁇ V j, ⁇ V2 ) on the steering motor LM are checked against one another for plausibility.
  • the Measured measured values of the steering wheel angle ( ⁇ H1 , ⁇ H2 ) can be used to localize the faulty sensor in the event of deviations between the sensor values ⁇ vl and ⁇ V2 . This is done taking into account the current steering ratio and taking into account any dynamic steering interventions that may occur. This fault localization measure can also be used in the opposite direction to detect a faulty steering wheel sensor. If an asynchronous machine or a switched reluctance motor is used for the LM steering motor, the control is the
  • Phase currents require a position sensor with an angular range between 0 and 360 °. This sensor information can also be used for checking the measured steering angle, or in a simplified implementation variant, including this position measurement
  • Angle sensor with reduced resolution can be used.
  • the torque measured value on the steering motor can also be monitored for plausibility using a mathematical model, taking into account the measured phase currents and the temperature measurement variable required for motor monitoring.
  • the entire functional chain of the steer-by-wire control unit can be tested by applying a defined target torque to the steering wheel motor.
  • the functions shown above are divided into two microcomputers RM and RM 2 .
  • the RM microcomputer takes over the control and monitoring functions of the LM steering motor and the pressure monitoring of the hydraulic fallback level.
  • the microcomputer RM 2 has the task of regulating the feedback actuator LRM for the steering wheel and the To control the fallback level. Both components can exchange data with one another and with other computer systems via the communication system K, or can also communicate directly with one another via a path (not shown in FIG. 6).
  • the functionality of the two computer systems RM and RM 2 is checked in accordance with the statements in section F (structure of the monitoring) by the separate monitoring modules ÜM or UM.
  • a second communication system K 2 allows direct communication between the two microcomputer systems RM ,, RM. 2
  • section F structure of the monitoring
  • RM neighboring computer unit
  • control units are divided into three functions
  • the component RM takes over the control and monitoring functions of the steering motor and the pressure monitoring of the hydraulic fallback level.
  • the component RM has the task of regulating the feedback actuator for the steering wheel and controlling the fallback level. Both components can exchange data with each other via the communication system K,
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a steer-by-wire steering system according to the invention with six microcomputers (RM H1 , ..., RM V3 ) and mechanical
  • the steering wheel actuator is realized with the two independent electric motors LRM1 and LRM2.
  • the two electric motors could also be designed with a common drive shaft and a common housing, so that only the motor coils are designed redundantly.
  • This implementation variant of the electric motor can also be used with the steering motor.
  • the RM H ,, RM H2 and RM H3 microcomputers take over the control functions of the feedback actuator.
  • the microcomputers RM V1 , RM V2 and RM V3 together form the redundant computer system for the control and regulation of the feedback actuator.
  • the RM Hi microcomputers of the feedback actuator exchange via the communication connections K H12 ,
  • K H13 and K m3 use their calculated data.
  • the illustrated microcomputers RM vi and RM Hi contain the associated peripheral components for the acquisition of all sensor signals. It also contains the necessary processing functions for calculating the control signals U j - j , and U H2 for the steering wheel motors LRM or U VI and U V2 for controlling the steering motors LM.
  • the control signals U j - j contain the necessary processing functions for calculating the control signals U j - j , and U H2 for the steering wheel motors LRM or U VI and U V2 for controlling the steering motors LM.
  • Power electronics units LE LRM1 or LE LRM2 can be controlled. Both motors act on the same shaft.
  • the steering actuator is by the two motors LM1 and LM2 or the associated power electronics units.
  • LE LM , or LE L 2 also constructed redundantly.
  • the electronic components of the SbW steering system are powered by the independent power supplies UB1 and UB2.
  • the UB1 supplies the RM H and RM VI microcomputer systems as well as the LRM1 and LM1 motors together with the associated power electronics and shutdown logic (AL LRM1 , AL-MR LRM , AL LM1 , AL-MR LM1 ).
  • the energy source UB2 supplies the micro-computer systems RM H and RM V2 as well as the motors LRM2 and LM2 together with the associated power electronics and cut-off logic (AL LRM2 , AL-MR LRM2 , AL LM2 , AL-MR LM2 ).
  • the RM H3 and RM V3 microcomputers and the KU electromagnetic clutch are powered by both energy sources.
  • K and K 2 each identify an independent communication system, for example realized by means of a serial bus, which enables communication between the computer components RM Hi for the feedback actuator and the components RM Vi for the steering actuator.
  • the data exchanged between these components is denoted by a H.
  • These communication systems K and K also enable communication with other control devices in the motor vehicle.
  • A Sensor signal detection and calculation of the control signals for the control of the steering wheel motor
  • the signals mentioned in the exemplary embodiment according to FIG. 5 for controlling the steering wheel motors LR.M1 and LRM2 are detected via peripheral detection components and fed to the microcomputer systems RM H] , RM H2 and RM H3 . Redundant components are recorded separately. Redundant sensors each emit a signal. in the
  • the indexing below indicates the redundancy of components and sensors.
  • the detected signals are shown in FIG. 9 for the LRM1 motor under the notation E LRM1 and for the LRM2 motor under the
  • the control signals U H j and U H2 are primarily used to control the power electronics units LE LRMI and LE LRM2 .
  • Power electronics LE LRM1 takes place if a release via the AL LRM1 switch-off logic is pending and the motor relay is also closed via the AL-MR LRM switch-off logic.
  • the steering wheel motor LRM2 is controlled via the power electronics LE LRM2 if there is a release via the switch-off logic AL LRM1 and the motor relay is also closed via the switch-off logic AL-MR LRM2 .
  • the signals mentioned with respect to the exemplary embodiment according to FIG. 5 are detected via peripheral detection components and the microcomputer systems RM V1 ,. RM V2 and RM V3 supplied.
  • control signals U v ⁇ and U V2 are used for the control of the power electronics units LE LM or LE LM .
  • These control signals are manipulated variables of a digital controller and can be output, for example, as PWM signals.
  • the manipulated variables U Vi are formed from a representative value of the measured steering wheel angles ⁇ H1 and ⁇ H2 and the current steering ratio.
  • the steering motor LMl is controlled via the power electronics LE LM if there is a release via the shutdown logic AL LM1 and the motor relay is also closed via the shutdown logic AL-MR LM1 .
  • the steering motor LM2 is activated in a corresponding manner via the power electronics LE LM2 , if it is enabled is present via the shutdown logic AL M2 and the motor relay is also closed via the shutdown logic AL-MR LM2 .
  • the main parameters of the availability of the fallback level of the SbW steering system are the currents in the two coils S and S 2 of the clutch. These flows are continuously recorded.
  • the circuits of the clutch coils are alternately switched by the signals r v. and r v , or r H) and r H2 interrupted. A transition to the mechanical fallback level is possible if the associated coil currents in each case decrease to the value zero.
  • the recorded measurement signals are exchanged with one another via the computer couplings K H12 , K H13 and K H23 compared with each other for plausibility.
  • a reference value is then formed for each measured variable, for example by a 2 out of 3 majority selection.
  • a defective input channel of a measured variable can be clearly localized using this procedure.
  • a faulty input channel is excluded from the further calculations. At the same time, this error is stored in an error memory.
  • the further calculations are then carried out in all three computer modules with these reference values of the individual measured variables, or this reference value is obtained via the
  • Communication systems K x and K 2 are provided as communication data a VH to the computer modules RM V ⁇ , RM V and RM V3 of the steering actuator.
  • the calculations for forming the control signals U H and U H2 for the steering wheel motors LRM1 and LRM2 are also carried out redundantly in all microcomputer systems RM H1 , RM H2 and RM H3 .
  • the results are in turn exchanged with one another via the coupling paths K H12 , K H13 and K H23 and with one another for plausibility. checked.
  • the logic circuit for forming the enable signals for activating the control signal U H1 is shown by way of example for the enable signal m m for the power electronics of the steering wheel motor LE LRM1 in FIG. 10. This ensures that an error that occurred during the calculation of U H1 in RM HI , upon detection by the computer system RM H , leads directly to the shutdown of the power electronics LE LRM1 or by the joint detection of this error by the modules RM m and RM H3 indirectly initiates a shutdown of this power electronics.
  • the enable signals can be implemented statically, the function of the switching transition is then monitored by reading back. For this purpose , these enable signals can be set and reset cyclically in test phases. Another implementation variant results from dynamic activation of the enable signals.
  • FIG. 11 a shows the course over time of the signals g H11 , g H31 and g H21 of such a method in the case of error-free operation. The resulting one
  • the correct chronological sequence of the enable signal m H1 can be monitored by a watchdog unit.
  • 11b) to 11d) show potential errors in the enable signals and their effect on the enable signal m H1 .
  • the signal g H2 is fixed at the low value and in Fig. 11c) at the H-high value.
  • Fig. Lld) the error effect is shown, which results from freezing the intermediate signal v H , on the high signal.
  • the switch-off logic for the motor relay AL-MR LRM] can be controlled using a circuit constructed corresponding to FIG. 10. Instead of the enable signals 9 ⁇ n- 9 ⁇ I and H zi, the enable signals signals f H ⁇ , f H31 and f H21 are to be used.
  • the clutch unit is actuated with an implementation variant of a circuit according to FIG. 12. Since the clutch can be kept in an open state (SbW operation) solely by energizing the coils S or S 2 , this ensures that a individual errors cannot lead to an immediate transition to the mechanical fallback level. Each individual error only leads to an interruption of the coil circuits via the enable signals r v ⁇ , r V2 , r H , and r H2 . In order to ensure correct functioning in the event of a fault, the individual switches are set to the open state in cyclical test phases during driving. By monitoring the course of the currents i s or i S2, the ability to open can be tested.
  • control device structures described above are also suitable for steer-by-wire steering systems according to FIG. Only the monitoring of the accumulator pressure required for the hydraulic fallback level is omitted. However, the UPS switchover valve shown in these structures must be replaced by a clutch control. The control signals go H and gQ V required for this are generated in accordance with the explanations for the hydraulic fallback level in the event of a fault, so that when errors occur, there is a safe switchover to the mechanical fallback level with direct steering control. All of the features disclosed in the drawing, its description and the patent claims can be essential to the invention both individually and in combination.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Steer-by-Wire-Lenksystem im Kraftfahrzeug. Von einem als Mikrorechner (RM) ausgeführten Steuergerät werden die für die Regelung eines Lenkmotors (LM) und für einen die Rückstellmomente der Stra?e an den Fahrer über das Lenkrad übertragenden Feedback-Aktuator (LRM) redundant erzeugten Sensorsignale (δv1, δV2, δH1, δH2) empfangen und darin und in einem damit in Wirkverbindung stehenden Überwachungsmodul (ÜM) für diese Sensorsignale Plausibilitätskontrollen ausgeführt. Das Mikrorechnermodul (RM) und das Überwachungsmodul (ÜM) überwachen sich gegenseitig. Zudem wird eine Rückfallebene des Steer-by-Wire-Lenksystems vom Steuergerät (RM) überwacht, das im Fehlerfall auf diese Rückfallebene oder eine mechanische Rückfallebene umschaltet. Zur Erhöhung der Sicherheit wird der Lenkradmotor (LRM) über Steuersignale (UH) für seine Phasenströme und durch ein Lenkradmotorfreigabesignal (gRF) und in gleicher Weise der Lenkmotor (LM) über Steuersignale (UV) für seine Phasenströme und über ein Lenkmotorfreigabesignal (gRV) angesteuert.

Description

Verfahren zum Steuern eines Steer-by- ire-Lenksystems
Stand der Technik
Die Erfindung. betriff ein Verfahren zum Steuern eines Steer-by-Wire-Lenksystems und ein Steer-by-Wire-Lenksystem für Fahrzeuge, mit einem am Lenkgetriebe der Vorderachse oder an beiden lenkbaren Vorderrädern angebrachten, elektronisch geregelten Lenksteiler, einem den Fahrerlenkwunsch am Lenkrad abgreifenden Lenkradwinkelsensor, einer Rückwirkungen der Straße an den Fahrer über das Lenkrad übermittelnden Feedback-
Aktuatoreinheit, einem Lenkwinkelsensor zur Erfassung des aktuellen Lenkwinkels am Lenkgetriebe der Vorderachse oder an den beiden Vorderrädern sowie mit einem Steuergerät zur Erfassung der von den Sensoren gelieferten Signale und Berechnung von Ansteuersignalen für den Lenksteller und die Feedback-Aktuatoreinheit .
Ein Steer-by-Wire-Lenksystem ist aus der DE 195 40 956 Cl bekannt. Bei diesem Lenksystem lässt sich die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und einem auf die gelenkten
Rädern wirkenden Lenkgetriebe durch Öffnen einer Kupplung auftrennen. Dann ist dieses Lenksystem ein Steer-by-Wi-tre- Lenksystem, bei dem das Lenkrad lediglich mittelbar mit der Lenkgetriebeanordnung gekoppelt ist. Bei diesem bekannten Steer-by-Wire-Lenksystem ist zur Übermittlung der
Rückwirkungen der Straße an den Fahrer über das Lenkrad- eine Feedback-Aktuatoreinheit vorgesehen, die als selbsthemmungsfreier Elektromotor ausgeführt ist und, angesteuert von einer Steuervorrichtung am Lenkrad, einen steuerbaren Betätigungswiderstand bewirkt.
Ohne geeignete Vorkehrungen führt ein Fehler innerhalb eines Steer-by-Wire-Lenksystems unmittelbar zu einer Gefahr für Leib und Leben des Fahrers . Daraus ergibt sich die Forderung, dass kein Einzelfehler des Steer-by-Wire- Lenksystems zu dessen Versagen führen darf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Steer-by-Wire-Lenksystems und ein Steer-by-Wire- Lenksystem bereitzustellen, das alle Steer-by-Wire- Funktionen, einschließlich der Funktionen für den Feedback- Aktuator, mit einem höchstmöglichen Maß an Sicherheit realisieren kann. Generell sollte ein erfindunsgemäßes Steer-by-Wire-Lenksystem das Sicherheitsniveau einer konventionellen Servolenkung erreichen bzw. übertreffen.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Steuergerät nach dem nebengeordneten Anspruch 21 und ein Steer-by-Wire-Lenksystem gelöst.
Vorteile der Erfindung
Aufgrund der Redundanz der Messwerterfassung, der
Ansteuerung des Lenkstellers und des Feedbackaktuators, der Überprüfung sämtlicher Funktionen und Komponenten und der Kommunikation ist eine große Sicherheit gegenüber Funktionsstörungen gegeben. .
Vor allem durch die diversitäre Erfassung verschiedener Messgrößen wie Lenkradwinkel, Lenkwinkel, Rückstellmoment u.a. mehr wird eine Plausibilitätsprüfung der verschiedenen Messwerte und die Bestimmung eventuell fehlerbehafteter Messwerte erleichtert. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Steer-by-Wire-Lenksystems.
Die Sicherheit wird weiter erhöht durch die redundante Kommunikation innerhalb des Steuergeräts und mit anderen Steuergeräten oder Sensoren des Fahrzeugs, sowie dadurch, dass das Umschalten vom Steer-by-Wire-Betrieb auf die Rückfallebene erst nach Ablauf einer Übergangszeit nach dem Auftreten eines Fehlers erfolgt. Durch die letztgenannte Maßnahme wird gewährleistet, dass sich sämtliche Funktionen des Steer-by-Wire-Lenksystems in einem definierten Zustand befinden, wenn auf die Rückfallebene umgeschaltet wird.
Die Zuverlässigkeit eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitetenden Steer-by-Wire-Lenksystems wird weiter erhöht durch die Aufteilung der Funktionen innerhalb des Steuergeräts auf vier Logik-Ebenen gemäß einem der Unteransprüche 14 bis 18. Durch diese Aufteilung der Funktionen und die gegenseitige Kontrolle werden eventuell auftretende Fehler und Fehlfunktionen mit größtmöglicher Sicherheit erfasst und entsprechende Reaktionen des Steer- by-Wire-Lenksystems ermöglicht.
Im Falle des separaten Überwachungsmoduls weist das Steuergerät zwei Hardware-Ebenen und vier logische Ebenen auf. In den Hardware-Ebenen wirken der Mikrorechner bzw. die Mikrorechner und das Überwachungsmodul zusammen. Das Überwachungsmodul kommuniziert mit dem Mikrorechner oder den Mikrorechnern über ein internes Bussystem. Dabei wird die Rechenfähigkeit des Mikrorechners bzw. der Mikrorechner überprüft und die Programmabläufe innerhalb des Rechners bzw. der Rechner überwacht. Durch die gewählte Art der Datenkommunikation zwischen dem Mikrorechner bzw. den Mikrorechnern und dem Überwachungsmodul wird eine gegenseitige Überwachung dieser Komponenten ermöglicht.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Erfindung und der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit hydraulischer Rückfallebene und einem elektromotorischen Lenksteller;
Figur la: ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit mechanischer Rückfallebene;
Figur 2 schematisch ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit hydraulischer Rückfallebene und zwei elektromotorischen Lenkstellern;
Figur 3 ein Funktionsschema eines Steer-by-Wire- Lenksystems mit einem Lenksteller;
Figur 4 ein Funktionsschema eines Steer-by-Wire- Lenksystems mit zwei Lenkstellern;
Figur 5 die Struktur eines bei der Erfindung einsetzbaren
Steuergeräts mit einem Mikrorechner und einem separaten Überwachungsmodul;
Figur 6 eine Steuergerätestruktur mit zwei Mikrorechnern und jeweils einem separaten Überwachungsmodul;
Figur 7 die Struktur eines Steuergeräts mit zwei
Mikrorechnern, die die Überwachungsmittel selbst enthalten;
Figur 8 eine Steuergerätestruktur mit drei Mikrorechnern, Figur 9 eine Steuergerätestruktur eines weiteren erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems ,
Fig 10 eine Logikschaltung zur Ansteuerung der
Freigabesignale der Leistungselektronikeinheiten,
Fig 11 die dynamische Ansteuerung der Freigabesignale der Leistungselektronikeinheiten und
Fig.12 eine Logikschaltung zur Ansteuerung der Kupplung
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Vorab wird anhand der Figuren 1 bis 4 die Struktur und grundsätzliche Funktionsweise eines Steer-by-Wire- Lenksystems mit hydraulischer oder mechanischer Rückfallebene beschrieben. Ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit hydraulischer Rückfallebene ist Gegenstand der deutschen Patentanmeldung 198 38 490.4 der Robert Bosch GmbH.
Die in Figur 1 gezeigte Struktur unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Struktur darin, dass bei dem Steer-by- Wire-Lenksystem gemäß Figur 1 im Steer-by-Wire-Betrieb die nicht dargestellten gelenkten Räder durch einen Lenkmotor LM verstellt werden, während Figur 2 eine Ausführungsvariante mit zwei Lenkmotoren LMv] und LMvr darstellt .
In den Figuren 1 und 2 ist ein Lenkradmotor LRM dargestellt, welcher den Feedback-Aktuator für die dem Fahrer über das Lenkrad zu übertragenden Rückstellkräfte bildet.
Die hydraulische Rückfallebene ist durch symmetrische Hydraulikzylinder, einen Druckspeicher SP für Hydraulikfluid und wahlweise eine Kupplung KU zwischen Lenkradmotor LRM und dem mechanischen Eingriff der Lenksäule an den beiden lenkradseitigen Hydraulikzylindern oder ein den (die) lenkgetriebeseitigen Hydraulikzylinder im Steer-by-Wire-Betrieb kurzschließendes Umschaltventil USV angegeben, wobei diese Hydraulikkomponenten untereinander durch Hydraulikleitungen verbunden sind.
Bei der in Figur 2 gezeigten Variante mit einem linksseitigen und rechtsseitigen Lenkmotor LMvt und LMvr sind im Unterschied zu Figur 1 statt des einen lenkgetriebeseitigen Doppelzylinders zwei
Einzelhydraulikzylinder für die hydraulische Rückfallebene vorgesehen, und das Umschaltventil USV liegt in einer Bypassleitung zwischen den beiden durch eine
Hydraulikleitung miteinander verbundenen lenkgetriebeseitigen Hydraulikzylindern.
Ein Ausführungsbeispiel eines Steer-by-Wire-Lenksystems mit mechanischer Rückfallebene ist in Figur la dargestellt. Die mechanische Rückfallebene weist eine geteilte Lenksäule und eine Kupplung KU in der Lenksäule auf. Im Steer-by-Wire- Betrieb ist die Kupplung KU geöffnet und damit ist der mechanische Durchgriff zwischen Lenkrad und Zahnstange des Lenkgestänges unterbrochen. Eine Lenkbewegung erfolgt durch den Lenkmotor LM unter Zwischenschaltung eines Getriebes und eines Lenkgestänges.
Im Falle eines Fehlers wird die Kupplung KU geschlossen, so dass ein direkter Durchgriff des Lenkrads auf die
Zahnstange des Lenkgestänges gegeben ist . Die Kupplung KU ist im spannungslosen Zustand des Steuergerätes geschlossen.
Anstelle der in den Figur 1, la und 2 dargestellten
Ausführungsvarianten eines direkten Stelleingriffes des Lenkmotors LM könnte der Lenkmotor LM auch die Verstellung des Hydraulikstromes zur Lenkmomentunters ützung über den Drehschieber einer hydraulischen Servolenkung realisieren.
In den Figuren 3 und 4 ist in Form von Funktionsblöcken die grundsätzliche Steuer- und Regelstruktur eines Steer-by- Wire-Lenksystems dargestellt.
Der vom Fahrer vorgegebene Lenkradwinkel δH wird durch einen Lenkradwinkelsensor 10 erfasst. Der Lenkradwinkel δH wird gezielt mit Hilfe einer Sollwertbildung 11 situationsabhängig unter Verwendung von fahrdynamischen Größen, wie z. B. Fahrgeschwindigkeit v, Gierwinkelgeschwindigkeit ω zu einem modifizierten Lenkradwinkel δH* modifiziert, der als Sollwert eines Lenkreglers 12 dient.
Der Lenkregler 12 erzeugt für den Lenkmotor LM eine Stellgröße, die in Form einer Spannung Uv dem Lenkmotor LM angelegt wird.
Alternativ erzeugt gemäß den Figuren 2 und 4, wo an jedem Vorderrad ein Lenkmotor LMvl, LMvr angebracht ist, der Lenkregler 12 als Stellsignale eine Spannung Uv für den linken Lenkmotor LMv] und eine Spannung Uvr für den rechten Lenkmotor LMvr. In diesem Fall können die Vorderräder radweise und prinzipiell unabhängig voneinander gelenkt werden. In Figur 3 empfängt der Lenkregler den sensorisch gemessenen Lenkwinkel δv für beide Vorderräder und in Figur 4 separat die sensorisch gemessenen Lenkwinkel δv und δv>r jeweils für das linke und rechte Vorderrad.
Die Rückwirkungen von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder, welche den Fahrerlenkwunsoh <5H stark beeinflussen, können z. B. mit einem Rückstello enentensensor 14 als Rückstellmoment Mv bzw. an beiden Rädern als Rückstellmomente Mv?j und MVι- gemessen werden. Um diese Rückwirkungen auch dem Fahrer mitzuteilen ist ein Feedback- Aktuator vorgesehen, der der Lenksäule und damit auch dem Lenkrad des Fahrzeugs ein den Rückwirkungen enstprechendes Moment aufprägt . Dieses nachfolgend als Handmoment MH bezeichnete Moment kann von einem Handmomentensensor 13 an der Lenksäule gemessen werden.
Der Feedback-Aktuator des mit Steer-by-Wire-Lenksystem ausgestatteten Fahrzeugs besteht aus dem elektrischen
Lenkradmotor LRM, der über ein Getriebe (nicht dargestellt) mit dem Lenkrad gekoppelt ist und gemäß den Figuren 3 und 4 durch einen Lenkradregler 16 geregelt wird. Hierzu ermittelt der Lenkradregler 16 ein Sollhandmoment MHιSo,ι auf der Basis des von einem Rückstellmomentensensor 14 gemessenen Rückstellmoments Mv oder auf der Basis der Ströme (Iv, Iv, Iv>r) . an den Lenkmotoren LM, LMV,, LMvr) .
Im Folgenden werden die Begriffe Lenksteller und Lenkmotor sowie Feedback-Aktuator und Lenkradmotor synonym verwandt.
Alternativ kann der Lenkradregler 16 das Sollhandmoment MHιSol| auch mit Hilfe eines Feedback-Simulators 15 aus den sensorisch gemessenen Lenkwinkeln δv (bzw. δv und δvr) und anderen im Fahrzeug vorhanden Signalen, wie der
Fahrgeschwindigkeit v und dem Reibbeiwert μ zwischen Straße und Reifen nachbilden. Der Lenkradregler 16 steuert den Lenkradmotor LRM mit der Stellgröße UH entsprechend dem Sollhandmoment MHιSoπ so an, dass das vom Handmomentensensor 13 gemessene Handmoment MH dem Sollhandmoment HSou entspricht .
Anhand der Figuren 5 bis 8 werden vier Ausführungsvarianten erfindungsgemäßer Steuergeräte in ihrer Struktur und Funktion dargestellt. Figur 5 zeigt als Blockschema eine Ausführungsvariante eines Steuergeräts mit einem einzigen Mikrorechnersystem. Das Mikrorechnersystem beinhaltet einen Mikrorechner RM sowie die zugehörigen Peripheriekomponenten für die Erfassung aller Sensorsignale. Zudem sind darin auch die erforderlichen Verarbeitungsfunktionen zur Bildung der Ansteuersignale für die Leistungselektronikkomponenten LELM, LELRM zur Erzeugung der Ansteuersignale UH für den Lenkradmotor LRM und Uv bzw. Uv und UVιr für den Lenkmotor LM bzw. die Lenkmotoren LMvl und LMvr enthalten. K, bezeichnet ein Kommunikationssystem, das z. B. durch einen seriellen Bus wie einen CAN-Bus realisiert ist, der die Verbindung zu weiteren Steuergeräten im Kraftfahrzeug oder auch zu einem Diagnosesystem für die Fehlerinformation herstellt. j kann einfach oder redundant sein.
Das Überwachungsmodul UM innerhalb des Steuergeräts dient zur Überwachung des fehlerfreien Betriebs der Steer-by- Wire-Funktionen des Mikrorechners RM und der dazugehörigen Peripheriekomponenten und kann z. B. als Mikroprozessor oder ASIC realisiert sein.
Im Mikrorechner RM sind folgende Funktionen implementiert :
- Sensorsignalerfassung und Berechnung der
Ansteuersignale UH für die Regelung des Lenkradmotors
LRM,
Sensorsignalerfassung und Berechnung der
Ansteuersignale Uv für die Regelung des Lenkmotors LM, - Überwachung der Rück allebene
Schnittstelle zum Kommunikationssystem Kj
Eine detaillierte Beschreibung dieser Teilfunktionen wird in den folgenden Abschnitten A bis H dargestellt. A: Sensorsignalerfassung und Berechnung der
Ansteuersignale für die Regelung des Lenkradmotors
Zur Ansteuerung des Lenkradmotors LRM werden folgende Signale über periphere Komponenten des MikrorechnerSystems RM erfasst:
Lenkradwinkel δH1 und δm ι
Motormoment MH des Lenkradmotors LRM. In einer weiteren Realisierungsvariante erfolgt die Bestimmung des Motormomentes durch die gemessenen Motorströme ; Rotorposition δPH des Lenkradmotors LRM; z . B. bei Verwendung eines BLDC-, Asynchron- oder Switched- Reluctance Motors, - Istwerte der Phasenströme IH des Lenkradmotors LRM, Temperatur TH des Lenkradmotors LRM; in einer alternativen Realisierung kennzeichnet das Signal TH die Temperatur der Endstufen innerhalb der Leistungselektronik LELRM für den Lenkradmotor LRM oder beinhaltet beide Temperaturen,
Klemmenspannung des Bordnetzes ÜB.
Für die Ansteuerung der Leistungselektronik LELRM dient primär das Ansteuersignal UH. Dieses Ansteuersignal ist Stellgröße eines digitalen Reglers und kann z. B. als impulsdauermoduliertes (PWM) -Signal ausgegeben werden. Die Stellgröße UH wird aus dem gemessenen Motormoment Mv des Lenkmotors LM, der Rotorposition δRH des Lenkradmotors LRM und weiteren Kenngrößen, die den Zustand der Fahrzeuges bzw. der Fahrbahn charakterisieren, berechnet. Eine ' Ansteuerung des Lenkradmotors LRM über die Leistungselektronik LELRM erfolgt auf die Freigabe durch die Freigabesignale gRH und H . Ein der Leistungselektronik vorgeschaltetes erstes Motorrelais 17 wird über die Signale fRH und füH angesteuert. B: Sensorsignalerfassung und Berechnung der
Ansteuersignale für die Regelung des Lenkirtotors
Zur Ansteuerung des Lenkmotors LM werden die folgenden Signale über periphere Komponenten innerhalb des Mikrorechnersystems RM erfasst :
Lenkwinkel δVι und δV2, Motormoment Mv des Lenkmotors LM, - Rotorposition δPV des Lenkmotors, z. B. bei Verwendung eines BLDC- , Asynchron- oder Switched-Reluctance Motors,
Istwerte der Phasenströme Iv des Lenkmotors, Temperatur Tv des Lenkmotors; in einer alternativen Realisierung kennzeichnet das Signal Tv die Temperatur der Endstufen innerhalb der Leistungselektronik LELM für den Lenkmotor oder beinhaltet beide Temperaturen und optional die Klemmenspannung ÜB des Bordnetzes.
Zur Regelung des gewünschten Lenkwinkels δv wird zunächst aus den gemessenen Größen δvI und δv2 der repräsentative Wert z. B. durch Mittelwertbildung bei" voll funktions higer Winkelsensorik gebildet. Die Führungsgröße des Reglers wird bei der Sollwertbildung aus einem repräsentativen Wert der gemessenen Lenkradwinkel δ und δm und der aktuellen Lenkübersetzung gebildet- Bei Lenkeingriffen durch ein fahrdynamisches System wird die Führungsgröße für den Lenkwinkel zusätzlich unter Verwendung der Gierwinkelgeschwindigkeit ω und der Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs berechnet, oder es wird ein über das Kommunikationssystem K- übermittelter Winkel bzw. Differenzwinkel δF verwendet. Bei Nutzung der Steuergerätestruktur zur Realisierung eines Spurführungssystems könnte der Winkel δF auch die
Führungsgröße für den Lenkwinkeleingriff repräsentieren, der von einem übergeordneten Steuersystem berechnet und vorgegeben wird .
Die Ansteuerung der Leistungselektronik LELM des Lenkmotors LM wird primär durch das Ansteuersignal Uv durchgeführt.
Dieses Ansteuersignal ist Stellgröße eines digitalen
Reglers und kann z. B. als PWM-Signal ausgegeben werden.
Dabei ist die aktuell verfügbare Spannungslage der
Bordnetzspannung ÜB zu berücksichtigen. Eine Ansteuerung des Lenkmotors LM über die Leistungselektronik LELM erfolgt, falls die Freigabesignale gRV und g^v gesetzt sind.
Ein der Leistungselektronik vorgeschaltetes zweites
Motorrelais 18 wird über die Signale fRV und ffjv . angesteuert .
C: Überwachung der Rückfallebene und Umschaltung auf die Rückfallebene
Wesentliche Kenngröße der Verfügbarkeit der Rückfallebene des Steer-by-Wire-Lenksystems ist der Druck ps in der
Hydraulikeinheit. Dieser Druck ps wird am Druckspeicher SP fortlaufend oder in gewissen Zeitabschnitten gemessen und dem Mikrorechner RM in Form eines analogen Signales ps übermittelt. Das Umschaltventil USV wird im Normalbetrieb über die Signale bRU und h^υ vom Überwachungsmodul UM angesteuert. Fehlt eines dieser Ansteuersignale, so schaltet das Umschaltventil USV in die hydraulische Rückfallebene um. Bei Ausfall des Bordnetzes ist damit automatisch ein Betrieb in der Rückf llebene gegeben. Im Falle eines signifikanten Fehlers wird vom Steer-by-Wi-re-
Lenksystem das Ansteuersignal bRU bzw. vom Überwachungsmodul das Signal b^u weggenommen und damit in die Rückfallebene umgeschaltet.
D: Schnittstelle zu weiteren Steuergeräten bzw.Anzeice- einheiten Über das Kommunikationssystem K- werden die Sensorsignale für die Gierwinkelgeschwindigkeit ω und für die Querbeschleunigung ay dem Mikrorechnersystem zugeführt. Zudem werden über K2 Schätzwerte für die Reibkoeffizienten μV| und μvr zwischen linkem Rad und Straße sowie zwischen rechtem Rad und Straße und ein Schätzwert der Fahrzeuggeschwindigkeit v übertragen. Außerdem kann über dieses Kommunikationssystem eine Führungsgrδße öF für den Radlenkwinkel bei einem Fahrdynamikeingriff über das Lenksystem oder bei einem Spurführsystem vorgegeben we_rden.
"Über dieses Kommunikationssystem können zudem Signale dB einem nicht dargestellten Informationssystem übermittelt werden, die den Fahrer über eventuelle Fehlerzustände des Systems oder z. B. auch über die Umschaltung in die hydraulische Rückfallebene informieren. Die Signale dm werden an andere Steuergeräte gesandt, die z. B. eine Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit bei einem Übergang in die hydraulische Rückfallebene bewirken.
E: Sicherheitsmaßnahmen int Steuergerät
Zur Einhaltung der an ein Steer-by-Wire-Lenksystem gestellten Sicherheitsanforderungen müssen alle innerhalb des Systems auftretenden Einfachfehler in einer systemtypischen Fehlertoleranzzeit sicher erkannt werden. Nach dem Erkennen eines signifikanten Fehlers wird das SbW- Lenksystem während einer Übergangszeit (z.B. innerhalb 5 sec) zunächst in einen Rückfallbetriebszustand überführt. In diesem Betriebszustand werden keine übergeordneten Lenkfunktionen mehr durchgeführt, d.h.. fahrdynamische Lenkeingriffe, Lenkeingriffe zur Seitenwindkompensation oder Eingriffe in das Lenksystem, die das Übersetzungsverhältnis zwischen Lenkradwinkel und Lenkwinkel verändern, werden definiert beendet. Nach Ablauf dieser Übergangszeit oder nach Beendigung aller übergeordneten Lenkfunktionalitäten oder bei Auftreten eines signifikanten zweiten Fehlers in der Übergangszeit wird die Ansteuerung der Kupplung KU (siehe Fig. 1, la und 2) in der Lenksäule beendet und somit die Rückfallebene 5 aktiviert. Hierzu sind folgende Maßnahmen vorgesehen:
Redundante Erfassung des Lenkradwinkels (δH1, δH2) Redundante Erfassung des Lenkwinkels δv bzw. der Lenkwinkel an der Vorderachse (δVι, δV2) 0 - Ansteuerung des Lenkradmotors (LRM) über die Steuersignale UH für die Phasenströme und das Freigäbesignal gRH
Redundanter Abschaltpfad für den Lenkradmotor LRM wie auch für den Lenkmotor LM über zugeordnete Motorrelais 5 (nicht bei Switched-Reluctance-Motoren)
Überwachung der Sensorsignale durch Plausibilitätsprüfungen und analytische Redundanz Überwachung des Mikrorechnermoduls RM durch das Überwachungsmodul M und umgekehrt . 0
Überwachungskonzept des Steuergeräts
Das Überwachungskonzept des Steuergeräts ist in vier logische Ebenen L-, L2, L3und L4 und zwei Hardwareebenen RM 5 und UM strukturiert .
Das Überwachungsmodul UM kommuniziert mit dem Mikrorechnermodul RM mittels eines internen Bussystems. Dies dient zur Überprüfung der Rechenfähigkeit dieses -0 Mikrorechnersystems und zur Überwachung der Programmabläufe innerhalb des Rechners. Durch die gewählte Art der Datenkommunikation zwischen dem Mikrorechnermodul RM und dem Überwachungsmodul UM werden diese Komponenten gegenseitig überwacht. Dazu sind den logischen Ebenen 5 folgende Funktionen zugeordnet : Ebene L1
Die Ebene L- ist im Mikrorechner RM realisiert. Sie übernimmt folgende Aufgaben:
Plausibilitätsüberprüfungen der Eingangssignale Auswahl der für die Verarbeitung erforderlichen Lenkradwinkel und Lenkwinkel aus den jeweils redundant vorliegenden Sensorsignalen - Berechnung der Regelfunktionen für die Ansteuerung des Lenkradmotors (LRM) und Lenkmotors (LM) Änderung der Ansteuerung des Umschaltventils USV im Fehlerfall zum Übergang in die hydraulische Rückfallebene
Ebene L
Die Ebene L2 ist im Mikrorechner RM eingebunden. Diese Ebene übernimmt die Prüfung der Korrektheit der in Ebene Lj durchgeführten Berechnungen mittels Algorithmen, die diversitär zu denen in Ebene Lx sind. Zur Durchführung der Berechnungen werden zudem die redundant in den Speicherzellen abgelegten Eingangsdaten verwendet, wodurch Fehler durch verfälschte Speicherinhalte erkannt werden. Für die Überprüfung der Reglerfunktionen sind vereinfachte parallel geschaltete Regleralgorithmen vorgesehen, die mit den redundant abgelegten Daten für die Führungsgrößen und den aktuellen Istwerten der Regelgrößen berechnet werden. Bei signifikanten Abweichungen zwischen diesen vereinfachten Stellgrößenberechnungen und den in Ebene L[ durchgeführten Berechnungen wird ein Fehlerzustand erkannt . Zudem wird in Ebene 2 auch die korrekte Funktion der beiden Regelstrecken überprüft. Hierzu ist jeweils ein mathematisches Modell der Regelstrecke vorgesehen, das die dynamischen Zusammenhänge zwischen den Stellgrößen und den Regelgrößen auch unter Einbeziehung von Störgrößen beschreibt. Diesen Modellen werden die in den Regelalgorithmen in Ebene Lt berechneten Stellgrößen zugeführt. Bei signifikanten Abweichungen zwischen den Modellausgangsgrößen und den zugeordneten gemessenen Istwerten der Regelgrößen wird ein Fehlerzustand erkannt .
Bei einem durch das Mikrorechnermodul RM in Ebene L2 wie auch in Ebene L3 erkannten Fehler werden die zugehörigen Freigabesignale gRV bzw. gRH für die Ansteuerung der jeweiligen Leistungselektronik LELMbzw. LERM des
Lenkmotors LM bzw. Lenkradmotors LRM zurückgesetzt.
Ebene L3
Diese Ebene ist im Mikrorechnermodul RM realisiert. Um die sichere Funktion des Steer-by-Wire-Lenksystems im Falle eines Rechner- oder Programmfehlers zu gewährleisten, müssen im Fehlerfall die Programme in Ebene Lj und L2 trotzdem noch ordnungsgemäß ablaufen oder der nicht ordnungsgemäße Ablauf muss sicher erkannt werden. Die
Kontrolle erfolgt in der dargestellten AusführungsVariante durch eine Frage-Antwort-Kommunikation der Ebenen L3 und L4. Das Mikrorechnersystem RM holt aus dem Überwachungsmodul ÜM eine Frage ab und beantwortet diese jeweils unter Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Programmteile innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls. Eine Frage kann nur dann richtig beantwortet werden, wenn ein fehlerfreier Ablauf der Programme für den Rechnerfunktionstest und den Befehlstest gegeben ist. Die aus den Teilprogrammen gebildeten Teilantworten werden zu einer Gesamtantwort zusammengefasst und der Ebene L4 im Uberwachungsmodul ÜM zugeführt.
Ebene L^
Diese Ebene ist im Überwachungsmodul ÜM realisiert. Hierin wird die vom Mikrorechner RM bereitgestellte Gesamtantwort hinsichtlich des Zeitintervalls des Eintreffens und auf bitgenaue Übereinstimmung mit der zur Frage passenden richtigen Antwort überprüft. Bei einem nicht ordnungsgemäßen Ablauf der Frage-Antwort Kommunikation in Ebene L3 werden in der Überwachungskomponente ÜM die Freigabesignale gov bzw. gÜH für die Ansteuerung der Motoren, die Freigabesignale f0v bzw. fÜH für die Ansteuerung der Motorrelais und das Ansteuersignal büu für das Umsehaltventil zurückgesetzt.
G: Maßnahmen zur Sensorüberwachung
Die Winkelsensorwerte (δH1, δH2) am Lenkrad werden zueinander auf Plausibilität geprüft. Zudem kann der Messwert des Momentensensors unter Einbeziehung der mechanischen Trägheiten des Lenkrades und eines mathematischen Modells für die Drehbewegung wie auch des aktuellen Reibwertes zur Überprüfung dieser Messwerte verwendet werden. Wird für den Lenkradmotor LRM ein
BLDC-, ein Asynchron- oder ein Switched-Reluctance-Motor eingesetzt, so ist für die Regelung der Phasenströme ein Positionssensor mit Winkelbereich zwischen 0 und 360° erforderlich. Diese Sensorinformation kann zudem für die Überprüfung der gemessenen Lenkradwinkel genutzt werden, oder in einer vereinfachten Realisierungsvariante kann unter Einbeziehung dieser Positionsmessung ein Winkelsensor mit reduzierter Auflösung genutzt werden.
'Der Momentenmesswert am Lenkrad kann unter Einbeziehung der gemessenen Phasenströme und der zur Motorüberwachung erforderlichen Temperaturmessgröße mittels eines mathematischen Modells auf Plausibilität überwacht werden.
Die Winkelsensorwerte (δVj, δV2) am Lenkmotor LM werden zueinander auf Plausibilität geprüft. Zudem können die gemessenen Messwerte des Lenkradwinkels (δH1, δH2) zur Lokalisierung des fehlerbehafteten Sensors bei Abweichungen zwischen den Sensorwerten δvl und δV2 genutzt werden. Dies geschieht unter Einrechnung der momentanen Lenkübersetzung und Berücksichtigung eventuell auftretender fahrdynamischer Lenkeingriffe. Diese Fehlerlokalisierungsmaßnahme kann auch in umgekehrter Richtung zur Erkennung eines fehlerbehafteten Lenkradsensors genutzt werden. Wird für den Lenkmotor LM eine Asynchronmaschine oder ein Switched Reluctance Motor eingesetzt, so ist für die Regelung der
Phasenströme ein Positionssensor mit Winkelbereich zwischen 0 und 360° erforderlich. Diese Sensorinformation kann zudem für die Überprüfung der gemessenen Lenkwinkels genutzt werden, oder in einer vereinfachten Realisierungsvariante kann unter Einbeziehung dieser Positionsmessung ein
Winkelsensor mit reduzierter Auflösung genutzt werden. Der Momentenmesswert am Lenkmotor kann ebenfalls unter Einbeziehung der gemessenen Phasenströme und der zur Motorüberwachung erforderlichen Temperaturmessgröße mittels eines mathematischen Modells auf Plausibilität überwacht werden.
Vor Fahrtbeginn kann durch Aufschaltung eines definierten Sollmoments am Lenkradmotor die gesamte Funktionskette des Steer-by-Wire-Steuergeräts getestet werden.
H: Besonderheiten der verschiedenen AusführungsVarianten des Steuergeräts
in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsvariante erfolgt eine Aufteilung der zuvor dargestellten Funktionen auf zwei Mikrorechner RM, und RM2. Der Mikrorechner RM, übernimmt dabei die Regelungs- und Überwachungsfunktionen des Lenkmotors LM und die Drucküberwachung der hydraulischen Rückfallebene. Der Mikrorechner RM2 hat die Aufgabe, den Feedback-Aktuator LRM für das Lenkrad zu regeln und die Rückfallebene anzusteuern. Beide Komponenten können untereinander und mit anderen Rechnersystemen über das KommunikationsSystem K, Daten austauschen oder auch über einen in Figur 6 nicht dargestellten Pfad direkt miteinander kommunizieren. Die Funktionalität der beiden Rechnersysteme RM, und RM2 wird entsprechend den Ausführungen in Abschnitt F (Struktur der Überwachung)' durch die separaten Überwachungsmodule ÜM, bzw. UM, überprüft .
In der Realisierungsvariante gemäß Figur 7 erfolgt die Funktionsaufteilung des Steuergeräts wiederum auf zwei Mikrorechnersysteme RM], RM2 entsprechend der ' Ausführungsvariante gemäß Figur 6. Ein zweites Kommunikationssystem K2 erlaubt eine direkte Kommunikation zwischen beiden Mikrorechnersystemen RM,, RM2.
Die in Abschnitt F (Struktur der Überwachung) dargestellten Funktionen der Ebene der Überwachungskomponente werden jetzt von der jeweils benachbarten Rechnereinheit übernommen, d. h. RM, übernimmt die Überwachung der Komponente RM2 und umgekehrt .
In der AusführungsVariante gemäß Figur 8 erfolgt die Funktionsaufteilung der Steuergeräte auf drei
Mikrorechnersysteme. Die Komponente RM, übernimmt dabei die Regelungs- und Überwachungsfunktionen des Lenkmotors und die Drucküberwachung der hydraulischen Rückfallebene. Die Komponente RM, hat die Aufgabe, den Feedback-Aktuator für das Lenkrad zu regeln und die Rückfallebene anzusteuern. Beide Komponenten können untereinander über das Kommunikationssystem K, Daten austauschen-
Die in Abschnitt F (Struktur der Überwachung) dargestellten Funktionen der Ebene der Überwachungskomponente werden jetzt von der Rechnereinheit RM0 übernommen, die zusätzlich die Kommunikation mit anderen Rechnerkomponenten wahrnimmt.
In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenksystems mit sechs Mikrorechnern (RMH1, ..., RMV3) und mechanischer
Rückfallebene dargestellt, bei der der Lenkradaktuator mit den beiden unabhängigen Elektromotoren LRM1 und LRM2 realisiert wird. In einer weiteren nicht dargestellten Variante könnten die beiden Elektromotoren auch mit einer gemeinsamen Antriebswelle und einem gemeinsamen Gehäuse ausgeführt sein, sodass lediglich die Motorspulen redundant ausgeführt sind. Diese Realisierungsvariante des Elektromotors kann auch beim Lenkmotor eingesetzt werden.
Die Mikrorechner RMH,, RMH2 und RMH3 übernehmen die Steuer- und Regelfunktionen des Feedbackaktuators. Die Mikrorechner RMV1, RMV2 und RMV3 bilden zusammen das redundante Rechnersystem zur Ansteuerung und Regelung des Feedbackaktuators. Die Mikrorechner RMHi des Feedback- Aktuators tauschen über die Kommunikationsverbindungen KH12,
KH13 und Km3 ihre berechneten Daten aus. Dasselbe geschieht zwischen den Mikrorechnern RMvi des Lenkstellers mittels der Kommunikationverbindungen KV12, KV13 und KV23. Die dargestellten Mikrorechner RMvi bzw. RMHi beinhalten die zugehörigen Peripheriekomponenten für die Erfassung aller Sensorsignale. Zudem sind darin auch die erforderlichen Verarbeitungsfunktionen zur Berechnung der Ansteuersignale Uj-j, und UH2 für die Lenkradmotoren LRM bzw. UVI und UV2 für die Ansteuerung des Lenkmotoren LM enthalten. In der dargestellten Realisierungsvariante ist der
Feedbackaktuator durch zwei unabhängige Motoren LRM1 und LRM2 realisiert, die von unabhängigen
Leistungselektronikeinheiten LELRM1 bzw. LELRM2 angesteuert werden. Beide Motoren wirken auf dieselbe Welle. Der Lenkaktuator ist durch die beiden Motoren LM1 und LM2 bzw. die zugeordneten Leistungselektronikeinheiten . LELM, bzw. LE L 2 ebenfalls redundant aufgebaut. Die Energieversorgung der Elektronikkomponenten des SbW-Lenksystems erfolgt durch die unabhängigen Spannungsversorgungen UB1 bzw. UB2.
Von UB1 werden die Mikrorechnersysteme RMH, und RMVI sowie die Motoren LRM1 und LM1 samt der zugehörigen Leistungselektronik und Abschaltlogik (ALLRM1, AL-MRLRM,, ALLM1, AL-MRLM1) gespeist. Die Energiequelle UB2 versorgt die Mikrorechnersysteme RMH, und RMV2 sowie die Motoren LRM2 und LM2 samt der zugehörigen Leistungselektronik und Äbschaltlogik (ALLRM2, AL-MRLRM2, ALLM2, AL-MRLM2) . Die Mikrorechner RMH3 und RMV3 sowie die elektromagnetische Kupplung KU werden von beiden Energiequellen gespeist. K, und K2 kennzeichnen jeweils ein unabhängiges Kommunikationssystem, z.B. realisiert mittels eines seriellen Busses, das die Kommunikation zwischen den Rechnerkomponenten RMHi für den Feedbackaktuator und den Komponenten RMVi für den Lenkungsaktuator ermöglicht. Die zwischen diesen Komponenten ausgetauschten Daten werden mit aH bezeichnet. Diese Kommunikationssysteme K, und K, ermöglichen zudem die Kommunikation zu weiteren Steuergeräten im Kfz.
In den Komponenten RMH1, RMH2 und RMH3 sind folgende Funktionen implementiert :
Sensorsignalerfassung und Berechnung der
Ansteuersignale UH, und UH2 für die Regelung der
Lenkradmotoren LRM1 und LRM2.
Austausch der berechneten Daten über die zwischen den Mikrorechnereinheiten wirkenden
Kommunikationsverbindungen KH,,, KH,3 und KH23, Vergleich der Rechenergebnisse und gegebenenfalls Einleitung einer Rückfallstrategie
Umschaltung auf die Rückfallebene - Schnittstelle zu weiteren Steuergeräten bzw.
Anzeigeeinheiten In den Komponenten RMV1, RMV2 und RMV3 sind folgende
Funktionen realisiert:
Sensorsignalerfassung und Berechnung der Ansteuersignale ÜV] und UV2 für die Regelung des Lenkmotors LM1 und LM2.
Austausch der berechneten Daten über die zwischen den Mikrorechnereinheiten wirkenden
Kommunikationsverbindungen KV12, K13 und KV23, Vergleich der Rechenergebnisse und gegebenenfalls Einleitung einer Rückfallstrategie
Umschaltung auf die Rückfallebene Schnittstelle zu weiteren Steuergeräten bzw. Anzeigeeinheiten
Diese Funktionen werden im Folgenden beschrieben.
A: Sensorsignalerf ssung und Berechnung der Ansteuersignale für die Regelung des Lenkradmotors
Es werden die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 genannten Signale zur Ansteuerung der Lenkradmotoren LR.M1 und LRM2 über periphere Erfassungskomponenten erfasst und den Mikrorechnersystemen RMH] , RMH2 und RMH3 zugeführt. Redundant vorhandene Komponenten werden gesondert erfasst. Redundant vorhandene Sensoren geben je ein Signal ab. Im
Folgenden wird durch die Indizierung auf die Redundanz von Komponenten und Sensoren hingewiesen.
Die erfassten Signale werden in Fig. 9 für den Motor LRM1 unter der Notation ELRM1und für den Motor LRM2 unter der
Bezeichnung ELRM, zusammengefasst .
Für die Ansteuerung der Leistungselektronikeinheiten LELRMI bzw. LELRM2 dienen primär die Ansteuersignale UHjund UH2. Eine Ansteuerung des Lenkradmotors LRM1 über die
Leistungselektronik LELRM1 erfolgt, falls eine Freigabe über die Abschaltlogik ALLRM1 ansteht und zudem das Motorrelais über die Abschaltlogik AL-MRLRM, geschlossen ist. -In entsprechender Weise erfolgt die Ansteuerung des Lenkradmotors LRM2 über die Leistungselektronik LELRM2, falls eine Freigabe über die Abschaltlogik ALLRM1 ansteht und zudem das Motorrelais über die Abschaltlogik AL-MRLRM2 geschlossen ist.
B: Sensorsignalerfassung und Berechnung der Axtsteuersignale für die Regelung der Lenkmotoren
Zur Ansteuerung der Lenkmotoren. LMl und LM2 werden die bezüglich das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 genannten Signale über periphere Erfassungskomponenten erfasst und den Mikrorechnersystemen RMV1,. RMV2 und RMV3 zugeführt.
Diese Signale werden in Fig. 9 für den Motor LMl unter der Notation ELM, und für den Motor LM2 unter der Bezeichnung ELM2 zusammengefasst .
Für die Ansteuerung der Leistungselektronikeinheiten LELM, bzw. LELM, dienen -primär die Ansteuersignale Uvιund UV2. Diese Ansteuersignale sind Stellgrößen eines digitalen Reglers und können z.B. als PWM-Signale ausgegeben werden. Die Stellgrößen UVi werden aus einem repräsentativen Wert der gemessenen Lenkradwinkeln δH1 und δH2 nd der aktuellen Lenkübersetzung gebildet. Bezüglich Lenkeingriffen durch ein fahrdynamisches System gilt das bezüglich des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 gesagte entsprechend.
Eine Ansteuerung des Lenkmotors LMl über die Leistungselektronik LELM, erfolgt, falls eine Freigabe über die Abschaltlogik ALLM1 ansteht und zudem das Motorrelais über die Abschaltlogik AL-MRLM1 geschlossen ist. In entsprechender Weise erfolgt die Ansteuerung des Lenkmotors LM2 über die Leistungselektronik LELM2, falls eine Freigabe über die Abschaltlogik ALM2 ansteht und zudem das Motorrelais über die Abschaltlogik AL-MRLM2 geschlossen ist.
C:4 Überwachung der Rückfallebene und ümschaltung auf die Rückfallebene
Wesentliche Kenngrößen der Verfügbarkeit der Rückfallebene des SbW-Lenksystems sind die Ströme in den beiden Spulen S, und S2 der Kupplung. Diese Ströme werden fortlaufend erfasst. Zur Überprüfung der Funktion des Übergangs zur mechanischen Rückfallebene werden während des Fahrbetriebes abwechselnd die Stromkreise der Kupplungsspulen durch die Signale rv. und rv, bzw. rH) und rH2 unterbrochen. Ein Übergang in die mechanische Rückfallebene ist möglich, wenn dabei die zugehörigen Spulenströme jeweils auf den Wert Null zurückgehen.
D: Schnittstelle zu weiteren Steuergeräten bzw. Anzeigeeinheiten Es gilt das bezüglich des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 gesagte entsprechend.
E : Sicherheitsmaßnahmen im Steuergerät
Die zur Einhaltung der an dieses System gestellten Sicherheitsanforderungen erforderlichen Maßnahmen entsprechen den in der Beschreibung der Fig. 5 unter "E" beschriebenen Maßnahmen. Zum Erreichen dieser Sicherheitsanforderungen ist folgendes vorgesehen:
Alle an den beiden Motoren LRM1 und LRM2 auftretenden Messsignale ELRM1 und ELRM2 wie auch alle Messsignale ELERN,π und ELERM, der Leistungselektronik LELRM1 und LELRM2 werden in den drei Rechnermodulen RMH1, RMH, und RMH3 erfasst. Die erfassten Messsignale werden über die Rechnerkopplungen KH12, KH13 und KH23 untereinander ausgetauscht und untereinander auf Plausibilität verglichen. Für jede Messgröße wird dann ein Referenzwert z.B. durch eine 2 aus 3 Majoritätsauswahl gebildet. Durch dieses Vorgehen lässt sich ein defekter Eingangskanal einer Messgröße eindeutig lokalisieren. Ein fehlerhafter Eingangskanal wird von den weiteren Berechnungen ausgeschlossen. Gleichzeitig wird dieser Fehler in einem Fehlerspeicher abgelegt. Mit diesen Referenzwerten der einzelnen Messgrößen werden dann in allen drei Rechnermodulen die weiteren Berechnungen durchgeführt bzw. dieser Referenzwert wird über die
Kommunikationssysteme Kx und K2 als Kommunikationsdatum aVH den Rechnermodulen RMVι, RMV, bzw. RMV3 des Lenkaktuators bereitgestellt .
Die Berechnungen zur Bildung der Ansteuersignale UH, bzw. UH2 für die Lenkradmotoren LRM1 und LRM2 werden ebenfalls in allen Mikrorechnersystemen RMH1, RMH2 und RMH3 redundant durchgeführt. Die Ergebnisse werden wiederum über die Kopplungspfade KH12, KH13 und KH23 untereinander ausgetauscht und zueinander auf Plausibilität . überprüft .
Die Vorgehensweise einer Realisierungsvariante zur Einleitung der Abschaltstrategie wird am Beispiel der Berechnung des Ansteuersignais UH1 erläutert. Die in den Mikrorechnersystemen RMm, RMH2 und RMH3 berechneten Ergebnisse werden mit UH11 , UH12 und UH13 bezeichnet. Wird beim Vergleich dieser Ergebnisse in der Rechnereinheit -MH1 ein Fehler in UHU lokalisiert, der auch nach Ablauf einer Fehlertoleranzzeit weiterhin ansteht, so werden die Enable- Signale für die Leistungselektronik gHn und für das Motorrelais fHU disabled und zudem das Enable-Signal zur
Kupplungsansteuerung hHK1 zurückgesetz . Wird beim Vergleich der Rechenergebnisse UHn, UH12 und UH13 in den Rechnereinheiten RMH3 bzw. RMH2 Fehler in UH11 lokalisiert , so werden entsprechend die Enable-Signale gH3,, fH31 und hHK3 bzw. gH2,, fH_ι un(ä hHK2 zurückgesetzt. Eine Freischaltung der Ansteuersignale UH1 und UH2 erfolgt erst, wenn innerhalb der Abschaltlogikeinheiten für die Leistungselektronik der Lenkradmotoren ALRMI bzw. ALLRM, jeweils die Freigabesignale mH1 bzw. mH2 anstehen.
Die logische Schaltung zur Bildung der Freigabesignale zur Aktivierung des Ansteuersignales UH1 ist beispielhaft für das Freigabesignal mm für die Leistungselektronik des Lenkradmotors LELRM1 in Fig. 10 dargestellt. Damit wird sichergestellt, dass ein Fehler, der bei der Berechnung von UH1 in RMHI aufgetreten ist, bei Erkennung durch das Rechnersystem RMH, unmittelbar zur Abschaltung der Leistungselektronik LELRM1 führt bzw. durch die gemeinsame Erkennung dieses Fehlers durch die Module RMm und RMH3 indirekt eine Abschaltung dieser Leistungselektronik einleitet. Die Enable-Signale können statisch realisier-t sein, die Funktion des Schaltüberganges wird dann durch Rücklesen überwacht. Es können dazu 'diese Enablesignale in Testphasen zyklisch gesetzt und rückgesetzt werden. Eine weitere Realisierungsvariante ergibt sich durch eine dynamische Ansteuerung der Enablesignale.
In Fig. 11a) ist der zeitliche Verlauf der Signale gH11, gH31 und gH21 eines solchen Verfahrens bei einem fehlerfreien Betrieb dargestellt. Das daraus resultierende
Freigabesignal mH1 kann in seiner korrekten zeitlichen Abfolge durch eine Watchdog-Einheit überwacht werden.
In den Fig. 11b) bis lld) sind potentielle Fehler in den Enable-Signalen und ihre Auswirkung auf das Freigabesignal mH1 dargestellt. In Fig. 11b) ist das Signal gH2, auf dem Low-Wert festgehalten und in Fig. 11c) auf dem H-igh-Wert. In Fig. lld) ist die Fehlerauswirkung dargestellt, die aus einem Einfrieren des Zwischensignales vH, auf dem High- Signal resultiert. Die Ansteuerung der Abschaltlogik für das Motorrelais AL- MRLRM] kann mit einer entsprechend zu Fig. 10 aufgebauten Schaltung erfolgen. Anstelle der Enable-Signale Signale 9Ηn- 9ΗI und Hzi sind hierbei die Enable-Signale Signale fHπ, fH31 und fH21 zu verwenden.
Die Ansteuerung der Kupplungseinheit erfolgt mit einer Realisierungsvariante einer Schaltung gemäß Fig. 12. Da die Kupplung jeweils alleine durch die Bestromung der Spulen S, bzw. S2 in einem geöffneten Zustand (SbW-Betrieb) gehalten werden kann, wird hiermit sichergestellt, dass ein einzelner Fehler nicht zum sofortigen Übergang in die mechanische Rückfallebene führen kann. Jeder Einzelfehler führt über die Enable-Signale rvι, rV2, rH, und rH2 jeweils nur zu einer Unterbrechung der Spulenstromkreise. Um die korrekte Funktion im Fehlerfall sicherzustellen, werden in zyklischen Testphasen während des Fahrbetriebes die einzelnen Schalter in den Zustand Öffnen gesteuert. Durch Überwachung des Verlaufes der Ströme is, bzw, iS2 ann damit die Fähigkeit zum Öffnen getestet werden.
Dies Maßnahmen können entsprechend auch für die Feedback- Aktuaktorik angewandt werden.
Die zuvor beschriebenen Steuergerätestrukturen sind auch für Steer-by-Wire-Lenksysteme gemäß Fig. la geeignet. Es entfällt lediglich die bei der hydraulischen Rückfallebene erforderliche Überwachung des Speicherdruckes . Das in diesen Strukturen dargestellte Umschaltventil USV ist hier jedoch durch eine Kupplungsansteuerung zu ersetzen. Die hierfür erforderlichen Ansteuersignale goH und gQV werden entsprechend den Ausführungen für die hydraulische Rückfallebene im Fehlerfall erzeugt, so dass bei Auftreten von Fehlern eine sichere Umschaltung auf die mechanische Rückfallebene mit direktem Lenkdurchgriff gegeben ist. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims

Ansprüche10
1. Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts für eine
Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch folgende, mindestens teilweise redundant ausgeführten
Verfahrensschritte : L5 - Erfassen der Eingangssignale Lenkradwinkel (δH, δH1 , δH2) , Lenkwinkel (δv, δVι, δ2) , auf die gelenkten Räder wirkendes Rückstellmoment (Mv, MV!, MV2) , von einem
Feeedback-Aktuator (LRM, LRM,, LRM,) auf eine Lenkhandhabe übertragenes Moment (MHr MH- , MH2) , .0 - Überwachen der erfassten Eingangssignale durch
Plausibilitätsprüfungen und/oder analytische Redundanz;
Ansteuern mindestens eines auf die gelenkten Räder des
Fahrzeugs wirkenden Lenkstellers (LM, LMvl, LMvr) in
Abhängigkeit des Lenkradwinkels (δH) ; !5 - Ansteuern mindestens eines auf ein Lenkrad wirkenden
Feedback-Aktuators (LRM,, LRM,) in Abhängigkeit des
Rückstellmoments (Mv, Mv,, MV2) ;
Kommunizieren mit anderen Steuergeräten oder Sensoren
(10, 13, 14) des Fahrzeugs; 10 - Überwachen der Funktionen des Steuergeräts und der
Ver ügbarkeit einer Rückfallebene sowie einer Einrichtung
(KU, USV) zum Aktivieren der Rückfallebene;
Umschalten von der Steer-by-Wire-Lenkung auf die
Rückfallebene bei Auftreten eines Fehlers in der Steer-by- 5 Wire-Lenkung .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradwinkel (δH) von mindestens einem Lenkradwinkelsensor (10) ermittelt wird.
5 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkel (δv) von mindestens einem Lenkwinkelsensor ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, LO dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmoment (Mv, Mv,,
M2) durch mindestens einen Rückstellmomentensensor (14) , durch ein Rechenmodell des Fahrzeugs in Abhängigkeit fahrdymamischer Größen (v, ω, δH) und/oder den Phasenströmen (Iv) mindestens eines elektromotorisch L5 betätigten Lenkstellers (LM, LMv], LMvr) erfasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Lenksteller (LM, LMγl, LMvr) über Steuersignale (Uv) für die Phasenströme und
20 mindestens ein enable-Signal (gRV, guv. 9vπ. 9v2i -?v3i) angesteuert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Feedback-Aktuator
25 (LRM, LRM,, LRM,) auf das Lenkrad übertragene Handmoment
(MH) aus dem Lenkradwinkel (δH) und/oder den Phasenströmen (IH) des oder der Lenkradmotoren (LRM, LRM,, LRM,) bestimmt wird.
30 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Lenkmotoren (LM,, LM2) über Steuersignale (Uv) für d e Phasenströme und mindestens ein enable-Signal (gRH, gUH, gH1] , gH21, gH3,) angesteuert werden. 35 xx
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Lenkmotoren (LM,, LM,) und/oder der oder die Lenkradmotoren (LRM,, LRM,) durch eine enable-Schaltung über ein Motorrelais angesteuert werden .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation (K,, K2) mit anderen Steuergeräten oder Sensoren (10, 13, 14) des Fahrzeugs redundant erfolgt .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten vom Steer-by- Wire-Betrieb auf die Rückfallebene erst nach Ablauf einer Übergangszeit nach dem Auftreten eines Fehlers erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionen (δPH, δPV) des oder der Lenkradmotoren (LRM, LRM,, LRM2) und/oder, des oder der Lenkmotoren (LM, LMvI, LMvr) erfasst werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (ps) eines Druckspeichers der hydraulischen Rückfallebene überwacht wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die' Klemmenspannung (ÜB) oder die Klemmenspannungen (ÜB,, UB2) des oder der Spannungsquellen des Steer-by-Wire-Lenksystems erfasst und bei der Berechnung der Stellgrößen berücksichtigt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Funktionen des Steuergeräts und der Verfügbarkeit der Rückf llebene vier Logikebenen (L,, L2, L3, L4) vorgesehen sind.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Logikebene (L,)
Plausibilitätsüberprüfungen der Eingangssignale; • Auswahl der für die Verarbeitung erforderlichen 5 Lenkradwinkel (δH) und Lenkwinkel (δv) aus den jeweils redundant vorliegenden Signalen,
Berechnung der Regelfunktionen für die Ansteuerung des oder der Lenkradmotoren (LRM, LRM,, LRM2) und des oder der Lenkmotoren (LM, LM,, LM,) , L0 - Änderung der Ansteuerung der Einrichtung (KU, USV) zum Aktivieren der Rückfallebene im Fehlerfall-
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Logikebene (L2) die in
L5 der Logikebene L, durchgeführten Berechnungen mittels diversitärer Algorithmen überprüft werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Logikebene (L3)
!0 vom Überwachungsmodul (ÜM) eine Frage abgeholt und unter
Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Programmteile innerhalb eines .vorgegebenen Zeitintervalls beantwortet wird, und dass beim Auftreten eines durch die Logikebenen L2 und L3 erkannten Fehlers die Freigabesignale (gRV, gRH,
!5 mH, , mH2) für die Ansteuerung der Leistungselektronik LELM bzw. LELRM des Lenkmotors LM bzw. Lenkradmotors LRM zurückgesetzt .
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch 0 gekennzeichnet, dass in der vierten Logikebene (L4) die Antwort der dritten Logikebene hinsichtlich bitgenauer Übereinstimmung und Antwortzeit überprüft wird, und dass bei einem nicht ordnungsgemäßen Ablauf der Frage-Antwort- Kommunikation mit der Logikebene L3 die Freigabesignale gov 5 bzw. gjjH für die Ansteuerung der Motoren, die
Freigabesignale füV bzw. foH für die Ansteuerung des ersten und zweiten Motorrelais (17, 18) und das Ansteuersignal (büu) für die Leistungselektronik (LEL , LELRM) des Lenkmotors (LM) und/oder des Lenkradmotors (LRM) zurückgesetzt wird.
19. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche geeignet ist .
20. Computerprogramm nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speichermedium abgespeichert ist.
21. Steuergerät zum Steuern eines Steer-by-Wire- Lenksystems, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 arbeitet .
22. Steuergerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mindestens einen Mikrorechner (RM,
RM0, RM,, RM,, RMH, , RMH2, RMH3, RMV, , RMV2, RMV3) und/oder mindestens ein Überwachungsmodul (ÜM, ÜM,, ÜM2, ÜM3) aufweist .
23. Steuergerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikrorechner (RM, RM0, RM, , RM2, RMHj, RMH2, RMH3, RMV, , RMV2, RMV3) die Aufgaben der ersten zweiten und dritten Loglkebene (L,, L2, L3) übernimmt, und dass das mindestens eine Überwachungsmodul (ÜM, ÜM,, ÜM2 , ÜM3) die Aufgaben der vierten Logikebene (L4) übernimmt.
24. Steuergerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrorechner (RM, RM0, RM,, RM2, RMH, , RMH2, RMH3, RMV], RMV2, RMV3) gegenseitig kontrollieren, und dass mindestens ein Mikrorechner die Aufgaben vierten Logikebene
(L4) übernimmt.
25. Steuergerät nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den oder die Lenkrad-Steller (LRM) und/oder den oder die Lenksteller
(LRM,, LRM,) über je eine Leistungselektronik (LELM,, LELM2, LΞLRM,, LELRM2) ansteuert.
26. Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Fahrzeug mit einem auf ein Lenkrad wirkenden Feedback-Aktuator (LRM) , mit einem Lenkradwinkelerfassung (10) , mit einer Handmomentenerfassung (13), mit einem Lenksteller (LRM), mit einer Lenkwinkelerfassung, mit einer Rückstellmomenterfassung (14) , mit einer
Kommunikationseinrichtung (K) und mit einem Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Steuergerät nach einem der Ansprüche 20 bis 25 ist, und dass das Steer-by-Wire-Lenksystem redundant aufgebaut ist,
27. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Leistungselektronik (LELM1/ LELM2, LERM1, LELRM2) zum Ansteuern des oder der Feedbac - Aktuatoren (LRM,, LRM2) und/oder des oder der Lenksteller (LM,, LM,) vorhanden ist.
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