Drehmoment- und Positionsbestimmung für elektrische Servolenkungen

Hydraulische Servolenkungen werden in vielen neuen Fahrzeugdesigns kontinuierlich durch elektrische Servolenkungen (Electric Power Steering, EPS) ersetzt. Im Markt für Personenkraftwagen wird die Verwendung von Elektromotoren zum Antrieb der Zahnstange überwiegend durch die – wenn auch geringe – Verbesserung der Kraftstoffeffizienz motiviert. Eine EPS trägt auch zu einer umweltfreundlicheren Verschrottung von Fahrzeugen bei, da keine Hydraulikflüssigkeit entsorgt werden muss. Auch der unaufhaltsame Trend in Richtung computergesteuerter Drive-by-Wire-Systeme, der mit dem Anti-Blockier-System und der Antischlupfregelung seinen Anfang nahm, führt uns heute in Richtung vollständig autonomer Fahrzeuge.

Trotz der schlechten Erfahrungen mit frühen EPS-Entwicklungen, deren Mangel an „Gefühl“ kritisiert wurde, ist allgemein anerkannt, dass diese der Vergangenheit angehören, nachdem Verbesserungen an elektrischen Servolenkungen und Verfeinerung der Sensor- und Kontrolltechnologie erfolgten.  Heute bieten EPS für die meisten Autofahrer eine ebenso gute Leistung wie hydraulische Servolenkungen, sofern die Fahrer dies bemerken oder überhaupt einen Unterschied feststellen können.

Hohe Anforderungen

Das ist alles schön und gut, solange es um kleinere Straßenfahrzeuge geht – größere gewerbliche Fahrzeuge, wie Busse oder Lkws, sind jedoch ein anderes Thema. Bei gewerblichen Geländefahrzeugen (ORVs) können die Herausforderungen sogar noch größer sein, so zum Beispiel bei Fahrzeugen, die im Bergbau, in Steinbrüchen, in der Landwirtschaft und in Lagerhäusern verwendet werden. Grundlage des Problems ist unter anderem das weitaus höhere Drehmoment, das für eine Servolenkung erforderlich ist. Hinzu kommt der Anspruch, dass die Fahrzeuge, die im Vergleich zu gewöhnlichen Personenkraftwagen längere Laufzeiten, schwerere Lasten oder ständige Benutzung zu bewältigen haben, zuverlässig sein müssen.

Einige dieser kommerziellen oder industriellen Fahrzeuganwendungen werden zudem autonome oder semi-autonome Fahrtechnologie vermutlich früher als gewöhnliche Straßenfahrzeuge einsetzen, was EPS zu einer Grundvoraussetzung macht. Der Güterfernverkehr ist einer dieser frühen Kandidaten, wobei auch in den Fabriken und Lagerhäuser Gabelstapler rasch durch fahrerlose, vollständig computergesteuerte Fahrzeuge ersetzt werden.

Eine zuverlässige Leistung über die Betriebszeit eines gewerblichen Fahrzeugs ist für die Einführung einer EPS wesentlich. Sie muss langlebiger sein, um Ausfälle und sicherheitsrelevante Probleme zu vermeiden. Ein gewöhnliches Personenfahrzeug fährt während seiner gesamten Lebensdauer vielleicht 160.000 km, während einige kommerzielle Fahrzeuge mehr als 400.000 km in nur drei Jahren zurücklegen. Zudem unterliegt die Betriebsumgebung in einem kommerziellen Fahrzeug in höherem Maße Lärm und Vibration, was einen noch höheren Anspruch an die Leistung und Zuverlässigkeit eines EPS-Systems stellt.

Stärkere Lenkbelastungen, wie es sie bei einem Nutz- und Geländefahrzeug gibt, bedürfen einer stärkeren Servolenkung. An der Lenksäule montierte EPS-Einheiten erreichen gewöhnlich eine Kraft von etwa 5 kN. Bewegt man die EPS näher an die Räder, um entweder die Ritzelwelle oder die Zahnstange anzutreiben, kann diese auf 5 kN bis 12 kN steigen, ist aber auch höheren Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt. Größere Fahrzeuge benötigen sogar noch mehr Kraft. Hier ist von mindestens 15 kN und möglicherweise noch weitaus mehr für die anspruchsvollsten Geländeanwendungen auszugehen. EPS-Systeme für solche Fahrzeuge müssen mit höheren Spannungen arbeiten und in der Lage sein, Ausgangsleistungen von mehr als 3 kW zu erbringen.

Bessere Sensoren erforderlich

Bild 1: Schematischer Aufbau eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS). TT

Wesentlich für die Gestaltung eines EPS-Systems sind Sensoren, um die Winkelposition des Lenkrads und das entsprechende Drehmoment zu bestimmen, das auf die Lenksäule, Ritzel oder Zahnstange ausgeübt wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist ein weiterer Faktor, den der Algorithmus, der in den elektronische Kontrolleinheit (ECU) benutzt wird, beim Antrieb des EPS-Motors berücksichtigen muss, da bei höheren Geschwindigkeiten weniger Kraft erforderlich ist, um dieselbe Richtungsänderung zu erzielen. Der grundsätzliche Aufbau eines EPS-Systems ist in Bild 1 dargestellt.

Rotierende Drehmoment- und Positionssensoren, die schleifende elektrische Kontakte einsetzen, unterliegen Problemen aufgrund von Vibration. Bei Nutzfahrzeugen sind hier, wie bereits erwähnt, noch größere Probleme zu erwarten. Als Teil eines säulenmontierten EPS-Systems können solche Sensoren auch zum Geräuschpegel innerhalb der Kabine beitragen, der bei einem Personenfahrzeug unter 40 dB liegen muss. Eine bessere Lösung ist es, kontaktlose Positions- und Drehmomentsensoren zu verwenden, die auf magnetischen Abtastungssystemen basieren, und diese an der Zahnstange zu montieren. Dies hat den Vorteil, dass das System weniger von Vibrationen betroffen ist, was den Geräuschpegel reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht.

Noch besser ist der kombinierte Magnetorque-Plus-Lenksensor von TT Electronics, der speziell für stangenbasierte EPS-Systeme entwickelt wurde und für längere Wellen, wie sie in LKWs, Bussen und ORVs vorkommen, angepasst werden kann. Dieser Sensor wurde eingehend getestet, um die schwingungstechnischen Herausforderungen, denen er in kommerziellen Fahrzeugen ausgesetzt ist, zu bewältigen. Dabei zeigte sich, dass er bei Beschleunigungskräften von 8,5 g an den x- und y-Achsen und 5 g an der y-Achse über einen Zeitraum von acht Stunden je Achse bestehen kann. Der Sensor bietet eine Drehmomentauflösung +/-5 Grad, die es der ECU erlaubt, sehr sanft zu arbeiten. Der Drehwinkel lässt sich ebenfalls individuell anpassen – für ein Auto sind 2,5 Umdrehungen in der Regel ausreichend, bei einem kommerziellen Fahrzeug können bis zu 4 Umdrehungen notwendig sein.

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Halleffekttechnik liefert die Antwort

Sowohl die kontaktlose Positions- als auch die Drehmomentabtastung können mithilfe von Halleffekttechnologie umgesetzt werden, die den Einfluss eines Magnetfelds auf einen stromführenden Leiter erkennt und eine Spannungsdifferenz über diesen Leiter, jedoch umgekehrt zum Stromfluss, generiert. Halleffektsensoren werden als integrierte Stromkreise (ICs) eingesetzt, wobei die Auswirkung der Magnetkraft auf die Ladungsträger im Halbleiter als Ausgangsspannung des Chips gemessen werden kann.

Somit kann eine passende Anordnung von Hallsensoren und -magneten genutzt werden, um die Winkelposition und Rotation einer Welle zu messen, indem man eine Baugruppe verwendet, die sowohl aus rotierenden als auch aus festen Elementen besteht, das heißt einem Rotor und einem Stator. Bei einer EPS-Anwendung könnte diese Baugruppe auf der Lenksäule, der Ritzelwelle oder der Zahnstange montiert werden. TTs Magnetorque-Plus-Sensor wurde für stangenmontierte EPS gestaltet und kombiniert kontaktlose Drehmoment- und Multiturn-Positionsabtastung in einer einzigen robusten Einheit, die ideal für die raueren und härteren Anforderungen größerer Fahrzeuge geeignet ist.

Bild 2: Das Innere des Magnetorque-Plus-Sensors. TT

Bild 2 zeigt den gesamten Sensor, während Bild 3 eine detailliertere Abbildung der Drehkörperelemente darstellt. Die Kronenringe rotieren in der Positionsrotoreinheit gemeinsam. Der Magnet und die Gabel, die gestaltet wurde, um den verfügbaren magnetischen Fluss zu erhöhen, wiederum rotieren gemeinsam in der Drehmomentrotoreinheit, jedoch getrennt vom Positionsrotor.

Bild 3: Die einzelnen Elemente des Drehkörpers im Sensor. TT

Die Hallsensoren für die Positionserkennung sitzen auf einer Leiterplatte in der Statorbaugruppe über den beiden Antriebszahnrädern, die in Bild 2 zu sehen sind. Sie tasten den Magnetfluss an den Antriebszahnrädern ab. Aus diesen Signalen berechnet ein Mikroprozessor drei Ergebnisse – zwei davon liefern ein hoch aufgelöstes Winkelpositionssignal, während das dritte ein die Drehungen zählendes Signal darstellt, das absolute Multiturn-Positionsinformationen über ±900 Grad liefert.

Für die Drehmomenterkennung erfassen die in Bild 3 gezeigten Kronenringe den magnetischen Fluss vom Ringmagneten des Drehmomentrotors und leiten mithilfe der Konzentratoren den Fluss zu den Hallsensoren, die sich an der anderen Stator-Leiterplatte befinden (in Bild 2 in Grün markiert). Der Drehmomentrotor befindet sich an der Lenkwelle und hat keinen mechanischen Kontakt zu einer der anderen Komponenten in der Sensor-Baugruppe.  Die Konzentratoren sind fest, sodass der magnetische Fluss vom Magneten zum ersten Kronenring und dem Konzentrator verläuft und dann durch den Hallsensor zum zweiten Konzentrator und dem Kronenring zurück zum Magneten verläuft.

Um den Magnetfluss durch die Konzentratoren zu erhöhen, sind die Kronenringe so angeordnet, dass der erste über dem Nordpol eines Magneten und der zweite über seinem Südpol positioniert sind. Dann, wenn der Magnet gedreht wird, sodass sich beide Konzentratoren zentral über der Linie zwischen den Nord- und Südpolen befinden, entsteht ein Fluss von Null durch die Hall-Chips. In jeder Zwischenposition wird der Fluss durch die Hallsensoren proportional zum relativen Rotationswinkel zwischen der Drehmomentrotorbaugruppe und der Positionsrotorbaugruppe verlaufen. Dies sorgt für die erforderliche Messung des Drehmoments, das auf das Lenkrad angewendet wird.

(ku)