DE10216597A1 - Lenkung mit elektrischer Lenkhilfe - Google Patents

Abstract

Eine Kraftfahrzeuglenkung besitzt eine elektrische Lenkhilfe mit einem elektrischen Servomotor (12), der von einer Steuerelektronik elektrisch kommutiert ist, und einen Resolver (20), der die Winkelstellung des Rotors (22) des Servomotors (12) erfasst, wobei das Resolversignal zur Steuerung der Kommutierung ausgewertet wird. Um eine Rippelfreiheit am Lenkrad zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Ansteuerung des Servomotors (12), der als Magnetläufermotor ausgebildet ist, im Mischbetriebsverfahren erfolgt. Aufgrund des hochauflösenden Resolvers (20) ist es möglich, mit dem Steuersignal Drehmomentschwankungen in verschiedenen Winkelstellungen des Motorrotors (22) zu vermeiden.

Description

• Die Erfindung befasst sich mit einer Kraftfahrzeuglenkung mit einer elektrischen Lenkhilfe, die einen elektrischen Servomotor, der von einer Steuerelektronik elektronisch kommutiert ist, und einen Resolver aufweist, der die Winkelstellung des Rotors des Servomotors erfasst, wobei die Steuerelektronik das Sensorsignal des Resolvers zur Steuerung der Kommutierung auswertet.
• Bekannt ist bereits die Verwendung asynchroner Motoren, die relativ viel Platz beanspruchen und vergleichsweise schwer sind, zur Ansteuerung jedoch nur eine Rückmeldung vom Motor bezüglich der Drehzahl benötigen, nicht jedoch eine genaue Information über die Winkelstellung der Motorwelle. Ferner treten bei solchen Motoren Drehmomentschwankungen in verschiedenen Winkellagen auf, die sich als sogenanntes Rippeln beim Lenken bemerkbar machen, da der Motor quasi statisch die Lenkbewegung unterstützt. Andere Konzepte sehen eine Winkelerfassung mit Hilfe von Polrädern mit MR- oder Hallsensoren vor, die jedoch bei Systemstart keine absolute Winkelerfassung erlauben, so dass für eine gewisse Zeit der Servomotor nur ungenau angesteuert werden kann, was wiederum relativ hohe Drehmomentschwankungen nach sich zieht. Erst nach einer bestimmten Verdrehung synchronisieren sich diese Systeme auf und bieten dann eine verbesserte Genauigkeit mit inkrementaler Winkelerfassung. Aus ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 101 (1999) 11, Seiten 910 bis 912, ist auch bereits die Verwendung eines Resolvers zur Drehwinkelerfassung der Motorwelle bekannt, um die Kommutierung des Elektromotors zu steuern. Wiederum besteht ein Problem darin, möglichst geringe Drehmomentschwankungen in verschiedenen Drehwinkellagen zu erreichen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftfahrzeuglenkung zu schaffen, deren von einem elektrischen Servomotor betätigte Lenkhilfe ein gleichmäßigeres unterstützendes Drehmoment aufbaut.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Kraftfahrzeuglenkung der eingangs beschriebenen Art die Ansteuerung des elektrischen Servomotors, der als Magnetläufermotor ausgebildet ist, in Mischbetriebsverfahren erfolgt. Zunächst bietet die erfindungsgemäße Lenkung den Vorteil, dass durch die Ansteuerung im Mischbetriebsverfahren im Gegensatz zu einer Blockkommutierung durch Hinzunahme eines inkrementalen Steuersignalanteils der Stromverlauf derart verfeinert, dass Drehmomentschwankungen in verschiedenen Winkellagen der Motorwelle weitestgehend vermieden werden können. Der Stromverlauf ist dabei annähernd sinus- oder trapezförmig.
• Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung eines Magnetläufermotors, der als von einem Permanentmagnet erregter, synchroner, bürstenloser Motor bei vergleichsweise kompakter Bauweise eine erhöhte Leistung aufweist und so den im Automobilbau immer geforderten Zielen der Gewichts- und Raumersparnis besser Rechnung trägt. Der Einsatz eines Resolvers als Winkelpositionssensor der Motorwelle sorgt für ein hochauflösendes Winkelsignal, das ein entsprechend exaktes Steuersignal für den Servomotor ermöglicht, das in der Regel als PWM- Signal ausgebildet ist. Die exakte Bestromung der Motorstränge in Abhängigkeit von der Rotorwinkelposition ist damit mit besonderer Genauigkeit ermöglicht.
• Der Resolver lässt sich besonders problemlos auch ohne weiteres an die Poligkeit des Motors anpassen, wobei sich beispielsweise die Verwendung eines Motors mit zehn Polpaaren und eines Resolvers mit fünf Polpaaren als besonders vorteilhaft hinsichtlich einer guten Genauigkeit einerseits und niedrigen Fertigungskosten andererseits erwiesen hat.
• Der Einsatz eines Resolvers bietet auch den Vorteil einer Unabhängigkeit von hohen Temperaturen und hohen Drehzahlen, wie sie beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug auftreten können. Die absolute Winkelerfassung bereits bei Systemstart aufgrund der eindeutigen Signalbeziehungen ermöglicht ferner eine exakte Ansteuerung des Servomotors unmittelbar nach dem Einschalten.
• Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung erwiesen, bei welcher die Grundfrequenz des Steuersignals für den Servormotor und die Modulationsfrequenz für die Erregung des Resolvers keine Vielfachen zueinander darstellen. Dadurch wird vermieden, dass eine gegenseitige Beeinflussung zwischen dem PWM-Signal des Elektromotors und dem Modulationssignal des Resolvers auftritt.
• In weiterer bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zusätzliche Auswerteinheit vorgesehen ist, die redundant zur Steuerelektronik die Resolversignale zur Erfassung der Winkelstellung des Rotors des Servomotors auswertet, wobei durch Vergleich der beiden erhaltenen Werte in bestimmten Zeitabständen ein Fehlerzustand erfassbar ist.
• Die redundante Erfassung der Winkelstellung des Rotors in der Steuerelektronik einerseits und der zusätzlichen Auswerteinheit andererseits sowie die Plausibilisierung in der Steuerelektronik trägt den erhöhten Sicherheitsanforderungen bei einer Fahrzeuglenkung Rechnung. Die Resolversignale werden beispielsweise im Tracking-Loop-Verfahren mit einem hierfür speziell vorgesehenen IC ausgewertet, wobei die Steuerelektronik über einen parallelen und unabhängigen Signalpfad einen Vergleichswinkel zur Überprüfung bildet. Der Vergleichswinkel kann in einer gröberen Auflösung als der zur Ansteuerung des Servomotors ermittelte Winkel bestimmt werden, je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Systemüberwachung. Die Zeitintervalle zwischen den einzelnen Plausibilisierungsvorgängen werden so gewählt, dass kritische Abweichungen rechtzeitig erkannt werden können, beispielsweise im Sekundentakt.
• Vorteilhaft beim Einsatz eines Resolvers ist ferner, dass am Sensor selbst keine weitere Elektronik, wie z. B. Vorverstärkerstufen, notwendig ist, da dieser bereits selbst über eine hohe Ausgangsspannung verfügt, die unmittelbar zur Signalauswertung geeignet ist. Die hohe Ausgangsspannung erlaubt es auch, den Resolver in Motornähe anzuordnen, ohne dass hierdurch eine sicherheitsrelevante Beeinflussung durch die Magnetfelder des Motors entstünde, wobei eine ratiometrische Auswertung der Resolversignale zur Ausgleichung eventueller Signalverzerrungen von Vorteil ist.
• Ergänzend zur Bestimmung der Winkelstellung der Motorwelle kann mit Hilfe des Resolvers auch eine Erfassung der Winkelgeschwindigkeit sowie der Drehrichtung der Motorwelle erfolgen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Resolver als Reluktanzresolver ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung bietet eine Reihe von Vorteilen, die insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeuglenkungen besondere Vorteile bietet. Zunächst ist eine Anpassung des Resolvers an die Poligkeit des Motors sehr einfach durch Anpassung der Rotorkonturen möglich. Ferner ergibt sich eine sehr einfache Montage, da nur der Stator mit Spulen bewickelt ist, während der Rotor vorzugsweise aus einer oder mehreren Konturscheiben besteht, deren Querschnitt sich über den Umfang ändern und damit die variable Reluktanz über den Umfang darstellen. Um den Resolver als Hohlwellensensor ausbilden zu können, der unmittelbar auf der Motorwelle sitzt, sind die Konturscheiben vorzugsweise als Ringscheiben ausgebildet. Der Stator und Rotor müssen bei einer Ausbildung als Reluktanzresolver nicht gepaart sein und können getrennt im Motorgehäuse und auf der Motorwelle montiert werden, wodurch sich wiederum Vorteile bei der Montage ergeben. Selbst ein nachträglicher Austausch beispielsweise des Rotors ist denkbar, wobei beispielsweise mit Hilfe des sogenannten Schenkelpolverfahrens rein steuerungstechnisch eine mechanische Änderung in der Ausrichtung zwischen Rotor und Stator nach einem Austausch erfassbar ist. Eine Kompensation von radialen und axialen Toleranzen ist bei dem Einsatz des beschriebenen Resolvers ebenfalls möglich, wobei der Ausgleich des Radialspiels durch Verteilung der Resolverspulen des Stators gleichmäßig auf dem vollen Kreisumfang erfolgt, während ein Ausgleich möglichen Axialspiels durch eine bevorzugte axiale Erstreckung des Rotors über die axiale Breite des Stators vorgesehen ist.
• Wie bereits erwähnt, können die Konturscheiben des Resolverrotors axial sehr nahe an dem Elektromotor angeordnet werden, wodurch eine kompakte Bauweise der Lenkhilfe insgesamt erreichbar ist.
• Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Die Abbildung zeigt einen Längsschnitt eines Zahnstangenlenkgetriebes 10 mit einer elektrischen Lenkhilfe, die im wesentlichen aus einem bürstenlosen Gleichstrommotor 12 mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Motorwelle 14, einem mit dieser verbundenen Kugelumlaufgetriebe 16, das die Rotationsbewegung des Motors in eine Axialbewegung einer Zahnstange 18 umsetzt, einer Steuer- und Leistungselektronik (nicht gezeigt) und einem Winkelpositionssensor 20 besteht. Die Steuerelektronik steuert den Motor 12 in Abhängigkeit von der geforderten Lenkkraftunterstützung an, wozu ein Lenkmomentsensor (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Um am Lenkrad ein sogenanntes Rippeln beim Lenken mit Lenkkraftunterstützung zu vermeiden, das von Schwankungen des Drehmoments des Motors in verschiedenen Winkelstellungen insbesondere bei quasi statischer Drehmomentabgabe herrührt, steuert die Steuerelektronik den Motor 12 in Mischbetriebsverfahren an, wobei eine exakte Bestromung der einzelnen Motorstränge zum Ausgleich der Drehmomentschwankungen erfolgt, die bei einer einfachen Blockkommutation zwangsläufig auftreten würden. Für eine solche Ansteuerung ist eine exakte Bestimmung der momentanen Winkellage des Motorrotors 22 mit Bezug auf die Statorwicklungen erforderlich. Der hierzu vorgesehene Winkelpositionssensor 20 ist als Resolver ausgebildet, der aus einem Resolverstator 26 und einem Resolverrotor 28 besteht. Der Resolverstator 26 besteht im wesentlichen aus gleichmäßig über den Umfang verteilten Spulen, während infolge der Ausbildung des Resolvers als Reluktanzresolver der Resolverrotor 28 aus wenigstens einer einfachen Konturscheibe mit sich über den Umfang ändernden Querschnitt besteht, wobei die Querschnittsänderungen die variable Reluktanz über den Umfang darstellen. Der Resolver ermöglicht eine hochgenaue dynamische Erfassung der Winkelstellung des Motorrotors 22 und erlaubt so eine besonders exakte Bestromung zum Erreichen einer Rippelfreiheit am Lenkrad. Beispielsweise kann der Elektromotor 12 zehn Polpaare aufweisen, während der Resolver entsprechend fünf Polpaare besitzt.
• Die Signale des Resolvers werden in der Steuerelektronik im Tracking-Loop-Verfahren ausgewertet, während gleichzeitig über einen parallelen und unabhängigen Signalpfad ein Vergleichswinkel zur Überprüfung gebildet wird, dessen Auflösung gröber gewählt sein kann. In bestimmten Zeitabständen erfolgt eine Plausibilisierung durch Vergleich des zur Steuerung des Motors gebildeten Winkels mit dem Vergleichswinkel, so dass Fehler im System schnell erkannt werden können. Aufgrund der relativ großen Ausgangsspannung des Resolvers ist keine zusätzliche Elektronik in unmittelbarer Nähe des Resolvers notwendig, die durch die nahe axiale Lage des Motors 12 beeinflusst werden könnte. Eventuelle Signalverzerrungen infolge der Magnetfelder der Motorspulen 24 beim möglichen Verzicht auf Schirmungsmaßnahmen der Resolverspulen können durch ratiometrische Auswertung der Sensorsignale ausgeglichen werden. Eine weitere Verminderung der gegenseitigen Beeinflussung zwischen Motorspulen und Resolverspulen wird dadurch erreicht, dass die Modulationsfrequenz für die Resolvererregung abweichend von der Grundfrequenz des PWM-Signals zur Motorsteuerung gewählt wird, wobei vorzugsweise zu vermeiden ist, dass diese Frequenzen Vielfache zueinander darstellen.
• Der Rotor 28 des Resolvers muss nicht unbedingt mit dem Stator 26 des Resolvers gepaart sein, so dass eine unabhängige Montage auf der Motorhohlwelle 14 (Rotor 28 bzw. im Motorgehäuse 30 (Stator 26) erfolgen kann. Eine eventuell notwendige präzise Bestimmung der relativen Winkellage zwischen Resolverstator 26 und Resolverrotor 28 kann - auch bei einem nachträglichen Austausch - im sogenannten Schenkelpolverfahren erfolgen.
• Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den Einsatz eines im Mischbetriebverfahren angesteuerten bürstenlosen Gleichstrommotors, wie es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, am Beispiel eines Zahnstangenlenkgetriebes. Bei anderen Bauformen von Lenkgetrieben wird daher die Konstruktion des Motors 12 und die Anordnung des Resolvers den entsprechenden Gegebenheiten angepasst sein.

Claims (12)

1. Kraftfahrzeuglenkung mit einer elektrischen Lenkhilfe, die einen elektrischen Servomotor (12), der von einer Steuerelektronik elektronisch kommutiert ist, und einen Resolver (20) aufweist, der die Winkelstellung des Rotors (22) des elektrischen Servomotors (12) erfasst, wobei die Steuerelektronik das Sensorsignal des Resolvers (20) zur Steuerung der Kommutierung auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des elektrischen Servomotors (12), der als Magnetläufermotor ausgebildet ist, im Mischbetriebsverfahren erfolgt.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resolver (20) fünf Polpaare und der Servomotor (12) zehn Polpaare aufweist.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfrequenz des Steuersignals für den Servomotor (12) und die Modulationsfrequenz für die Erregung des Resolvers (20) keine Vielfachen zueinander darstellen.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteinheit vorgesehen ist, die redundant zur Steuerelektronik die Resolversignale zur Bestimmung der Winkelstellung des Rotors (22) des Servomotors (12) auswertet, wobei durch Vergleich der beiden erhaltenen Werte in bestimmten Zeitabständen ein Fehlerzustand erfassbar ist.

5. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbestimmung des Vergleichswinkels mit einer gröberen Auflösung als des zur Ansteuerung des Servomotors (12) gebildeten Winkels erfolgt.

6. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Resolversignals im Tracking-Loop-Verfahren erfolgt.

7. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik mit Hilfe des Resolvers (20) auch die Winkelgeschwindigkeit und die Drehrichtung des Rotors (22) des Servomotors (12) erfasst.

8. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resolver (20) als Reluktanzresolver ausgebildet ist.

9. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (28) des Resolvers (20) aus einer oder mehreren Konturscheiben mit sich über den Umfang änderndem Querschnitt besteht, wobei die Querschnittsänderung eine über den Umfang variable Reluktanz darstellen.

10. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass um den Rotor (28) des Resolvers (20) im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang verteilt Spulen als Stator (26) des Resolvers (20) angeordnet sind.

11. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des Rotors (28) größer als die axiale Erstreckung der Statorspulen (26) ist.

12. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (28) des Resolvers (20) in axialer Nähe des Servomotors (12) angeordnet ist und ein Ausgleich eventueller Signalverzerrungen des Resolvers (20) mit Hilfe einer ratiometrischen Auswertung des Resolversignals in der Steuerelektronik erfolgt.