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WO2009047134A2 - Lenkeinheit für ein steer-by-wire schiffsteuersystem und verfahren zum betreiben der lenkeinheit - Google Patents

Lenkeinheit für ein steer-by-wire schiffsteuersystem und verfahren zum betreiben der lenkeinheit Download PDF

Info

Publication number
WO2009047134A2
WO2009047134A2 PCT/EP2008/062897 EP2008062897W WO2009047134A2 WO 2009047134 A2 WO2009047134 A2 WO 2009047134A2 EP 2008062897 W EP2008062897 W EP 2008062897W WO 2009047134 A2 WO2009047134 A2 WO 2009047134A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rudder
control system
electric motor
steering unit
steer
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/062897
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009047134A3 (de
WO2009047134A9 (de
Inventor
Adriano Zanfei
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Priority to US12/678,858 priority Critical patent/US8255102B2/en
Priority to EP08837861.7A priority patent/EP2193077B1/de
Publication of WO2009047134A2 publication Critical patent/WO2009047134A2/de
Publication of WO2009047134A3 publication Critical patent/WO2009047134A3/de
Publication of WO2009047134A9 publication Critical patent/WO2009047134A9/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/08—Steering gear
    • B63H25/14—Steering gear power assisted; power driven, i.e. using steering engine
    • B63H25/18—Transmitting of movement of initiating means to steering engine
    • B63H25/24—Transmitting of movement of initiating means to steering engine by electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/02—Initiating means for steering, for slowing down, otherwise than by use of propulsive elements, or for dynamic anchoring

Definitions

  • the present invention relates to a steering unit for a steer-by-wire ship control system according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to methods for operating the steering unit.
  • the steering units connected to the rudder are usually hydraulically actuated, which disadvantageously results in poor dynamics and high maintenance costs.
  • a steer-by-wire ship control system is known for example from US 6,431, 928 B1.
  • an electric motor for rotating the entire propeller drive unit via a mechanical power transmission chain is provided, wherein the electric motor is controlled by a control unit, which on the one hand with the steering means for obtaining a steering command information and on the other with a steering position information detecting sensor is connected.
  • a steering unit for a steer-by-wire ship control system which comprises a mechanically rotatable steering device, such as a rudder, a sensor for detecting the rotational movement of the rudder and a stop mechanism for blocking further rotation of the rudder to starboard or port when the rudder of the ship has reached an extreme starboard or port position.
  • a steer-by-wire ship control system which comprises at least two steering units.
  • the rudder is actuated by means of a hydraulically actuated actuator based on the steering signals generated by that steering unit, which requires the faster movement of the rudder.
  • the steering units each comprise a rudder, which is connected to a respective control device, which in turn is connected to the control network.
  • the steering devices in the event of actuation or rotation of the rudder in response to signals of a sensor for detecting the rudder position by means of a coupling produce a mechanical resistance, the resistance is the greater, the closer the rudder to a Approaching end position.
  • the mechanical resistance on the rudder is set such that further rotation of the same in the same direction is not possible. This is made possible by a coupling which, when fully closed, does not allow any rotation of the rudder.
  • US Pat. No. 6,843,195 B2 discloses a control system for an outboard motor in which the quotient of "realized steering angle / steering angle input via the rudder" decreases with increasing speed.
  • the present invention has for its object to provide a steering unit for a steer-by-wire ship control system, which is compact and inexpensive to produce. Furthermore, the steering unit should have high dynamics. In addition, a method for operating the steering unit is to be specified, which increases safety and comfort.
  • a steering unit for a steer-by-wire ship control system which comprises a rudder, a controller and a device for generating a mechanical resistance on the rudder, wherein the means for generating a mechanical resistance on the rudder is designed as an electric motor.
  • the rotatably connected to the rudder shaft of the rudder rotatably connected to the rotor of the electric motor and the stator of the electric motor rotatably connected to the housing of the electric motor.
  • the electric motor can also be used to return the rudder to a defined position or home position.
  • the rotatably connected to the rudder shaft is guided by the rotor, wherein preferably at the end remote from the rudder end of the shaft for detecting the rotation angle of the rudder an incremental encoder is arranged.
  • a control connected to the incremental encoder and the electric motor is provided, which is connected via a CAN bus to the electronic control of the ship control system ECU.
  • the electric motor is designed as a vector-controlled motor and allows a sinusoidal or trapezoidal signal conversion, whereby DC or AC motors can be used.
  • the electric motor is designed as a vector-controlled brushless torque motor.
  • the torque motor is designed to generate a constant torque over the speed range, thereby eliminating the need to install reducers.
  • Such an engine can advantageously be overloaded by 100% for 5 seconds; In comparison, a hydraulic system can only be overloaded by 20%.
  • Figure 1 A schematic sectional view of a preferred embodiment of a steering unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a steering unit according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a third embodiment of a steering unit according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic flow diagram illustrating the initialization process and the testing of the CAN functionality
  • FIG. 5 is a schematic flow diagram for illustrating the different operating modes of the steering unit
  • FIG. 6 is a diagram showing the course of one of the phases of the motor control as a function of time and the resolution of the incremental encoder
  • Figure 7 is a diagram illustrating the actual phase of the motor and the inverted phase as a function of time and the corresponding movement of the rudder.
  • Figure 8 A schematic flow diagram of the engine control to generate a mechanical resistance to the steering movement of the driver.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a steering unit 1 according to the invention. It comprises a control shaft 3 connected in a rotationally fixed manner to a shaft 2. In the embodiment shown, the shaft is connected to the rudder via a screw nut 4.
  • a arranged in a housing 5 electric motor 6 is provided, the rotor 7 is designed in the example shown as a hollow shaft through which the shaft 2 is guided, the shaft 2 rotatably connected to the rotor. 7 connected is.
  • the connection between the rotor 7 and shaft 2 can be done for example by welding or by positive engagement; It is also possible that the connection by means of a suitable profile, for example a wedge profile is generated.
  • the housing 5 of the electric motor may be made of aluminum, steel or cast iron.
  • the stator 8 of the electric motor 6 is connected in a rotationally fixed manner to the housing 5. Furthermore, the shaft 2 is supported by bearings, which are preferably designed as angular contact ball bearings 9.
  • a sensor 10 is provided, which is preferably designed as an incremental encoder in order to keep the manufacturing costs low. As an alternative to the embodiment as an incremental encoder, the sensor can be designed as an absolute encoder.
  • the senor 10 is arranged at the end remote from the rudder 3 of the shaft 2;
  • the sensor can be arranged at any other suitable location, for example between the rudder 3 and the electric motor 6 or its housing 5, in the latter case, the leadership of the shaft 2 by the rotor 7 is not required, so that the rotor 7 is not must be designed as a hollow shaft.
  • the sensor signals serve as input variables for the engine control 1 1, which is preferably connected via a CAN bus to the electronic control of the ship control system.
  • the ratio between the moment of inertia of the rudder 3 and the moment of inertia of the rotor 7 of the electric motor is preferably of the order of 1 / 2.5.
  • a moment between 0 and 15 Nm is generated by the electric motor, which represents the mechanical resistance to the steering movement.
  • a planetary gear 12 may be arranged, which serves as a reduction gear, so that the electric motor 6 can be made smaller.
  • the ratio of the planetary gear is considered in the engine control 1 1 to calculate from the values supplied by the sensor 10, the steering angle set via the rudder.
  • the ratio between the moment of inertia of the rudder 3 and the moment of inertia of the rotor 7 of the electric motor is preferably of the order of 1 / 2.5 * i 2 , where i is the ratio of the planetary gear 12. From this it can be seen that in order to meet this condition, the moment of inertia of the rotor 7 may be lower than in a construction without an intermediate planetary gear.
  • the subject of Figure 3 is an embodiment in which between the rudder 3 and the electric motor 6, a bevel gear 13 is arranged.
  • a bevel gear 13 is arranged between the rudder 3 and the electric motor 6, a bevel gear 13 is arranged.
  • the available space can be optimally utilized and, on the other hand, a smaller dimensioning of the motor can be made possible by the gear ratio of the bevel gearbox.
  • no conversion of the values of the sensor 10 to determine the desired steering angle is necessary because no translation stage between rudder and sensor is switched.
  • the electric motor 6 is designed as a vector-controlled brushless torque motor and designed such that it generates a constant torque over the speed range.
  • tion 1 1 the connections between the engine control and the electric motor 6 and between the engine control and the sensor 10 tested (step A). If both connections work, the electric motor is operated at maximum current for a defined time so that the rudder can not be moved until electronic control of the ship control system (ECU) is operational (steps C, D); if one of the connections does not work, a corresponding message is sent to the ECU (step B) and an error message is issued.
  • ECU electronic control of the ship control system
  • step F When the electronic control of the ship control system is ready, the CAN is tested (step F). If the ECU is not ready for operation after a defined time has elapsed, the engine 6 remains under maximum current for a further time interval corresponding to the defined time until the ECU is ready, this process being repeated up to n times, where n is a given natural number is (in the example shown in Figure 4, the process is repeated up to four times). If, after the last repetition of the operation, the ECU is not ready for operation, appropriate information is sent to the ECU (step E) and an error message is issued.
  • step F When the ECU is ready to operate, the presence of the CAN communication is tested (step F), whereby if the CAN communication does not work, appropriate information is passed to the ECU.
  • step G When the CAN communication is ready (step G) d. that is, if each device connected to the CAN is assigned an address, the current at the electric motor 6 is decreased or reduced (step H); the steering unit is ready for operation.
  • a non-return zone is defined about the zero position of the rudder (ie, the home position prior to the steering movement), and when the angle of rotation or angular position the rudder is located within this zone in a steering operation by the user, the rudder is not returned to the zero position by operation of the engine; for example, this zone may be defined as a range between + 90 ° and -90 ° about the current zero position of the rudder (ie the home position prior to performing the steering movement).
  • this zone may be defined as a range between + 90 ° and -90 ° about the current zero position of the rudder (ie the home position prior to performing the steering movement).
  • a reset zone is defined so that when the angle of rotation or angular position of the rudder is within this zone after a user steering operation, the rudder is zeroed by the constant velocity electric motor, preferably 18 revolutions per minute Position of the rudder or is reset to a position in the non-return zone; this zone is preferably defined as the area between the ends of the non-return zone and 90% of the maximum possible number of clockwise and counter-clockwise rudder revolutions, the maximum possible number of rudder line revolutions being preferably determined at engine start-up.
  • the reset function can be deactivated in the engine control, in which case the behavior of the steering unit corresponds to the behavior at an angle of rotation within the non-return zone.
  • the ranges between 90% and 100% of the maximum possible number of clockwise and counterclockwise rudder revolutions are defined as border zones or areas in which the electric motor is operated in such a way that the rudder is not or only with considerable forces ( these forces are higher than the forces required to move the rudder when its angular position is within the Resetting zone is located) can be moved in the direction of the steering movement, which are preferably higher, the more the revolutions of the rudder approach the maximum possible number of rudder revolutions, being provided in the context of an advantageous development of the invention that the rudder by the electric motor with constant speed to a defined position within the reset zone, eg 90% of the maximum possible number of rudder turns or to a position within the non-return zone.
  • the current in this range assumes values between 2 A and 7.4 A.
  • the current in the ranges between 90% and 100% of the maximum possible number of clockwise and counterclockwise rudder revolutions is constant and has a maximum value, for example 7.2 A.
  • the definition of the zones can be varied so that e.g. the boundary zone begins at Y% of the maximum possible number of clockwise and counterclockwise rudder revolutions, where Y can take a value between 45 and 95; also, the non-return zone can be defined as a range between + X ° and -X ° around the current zero position of the rudder, where X can take values in the interval between 1 ° and 135 °.
  • the mechanical resistance at the rudder (ie the current with which the motor is operated) generated by the electric motor upon actuation of the rudder by the user is a function of the speed in the reset zone and in the non-return zone, wherein the resistance preferably increases linearly with increasing speed up to a predetermined limit value, wherein in the limit zone, as already explained, the resistance either has a constant maximum value or in the absence of the still missing revolutions up to the maximum possible number of rudder revolutions up to the maximum malty value rises.
  • the mechanical resistance at the rudder created by the electric motor upon actuation of the rudder is a function of speed, with the resistance preferably increasing linearly with increasing speed up to a predetermined limit increases.
  • a speed is defined below which the current at the electric motor is zero, so that no mechanical resistance is generated during a movement of the rudder, above which speed the current increases and a mechanical resistance is generated.
  • the electric motor of the steering unit at a speed below 10 kn generates no moment, above which speed, the current between 0.7 A and 2 A (predetermined limit) is set. According to the invention, this should correspond to a moment between 0 and 15 Nm.
  • the mechanical resistance assumes a constant high value at each speed.
  • the torque may be 12Nm, which corresponds to a current of 1.8A in the electric motor described in the examples.
  • FIG. 5 is a schematic flow diagram of a variant of the method.
  • the parameters in the engine control 1 1 are initialized and checked whether the engine control is ready. If this is the case, a corresponding information is transmitted to the ECU and the controller goes into the speed control mode. In this case, it is checked whether an auto-pilot device is activated, wherein, if this is the case, the current for operating the electric motor for generating the mechanical resistance of the maximum takes the value 1, 8 A. If no auto pilot is activated and the boat speed is less than 10 knots per hour, the maximum current is zero, otherwise the maximum current is a function of the boat speed.
  • the further course of action is dependent on the zone or area in which the rudder is after the steering operation.
  • the motor is turned off, with the rudder being in the reset zone (zone B) and the reset function activated, with the auto-pilot enabled, the rudder is at a constant speed Speed is returned to zone A or to the straight ahead position. If the auto-pilot device is not activated, the engine is switched off.
  • the electric motor When the rudder is in a range between 90% and 100% of the maximum possible number of rudder rudder revolutions, the electric motor is operated at a current the higher the closer the rudder is to the maximum possible number of rudder rudder revolutions maximum current in the electric motor described in the examples is 7.4 A. This will return the rudder to Zone B or Zone A at a constant speed.
  • a motor designed as a vector-controlled brushless torque motor is preferably used as the electric motor, which motor is controlled as follows in order to generate the mechanical resistance.
  • the motor control 1 1 has the same physical resolution as the incremental encoder 10, this resolution being multiplied by a factor of 4 in order to take into account the discretization with respect to the three phases U, VW, as illustrated by FIG.
  • FIG. 6 shows a diagram which shows the course of one of the phases U, V, W (angle ⁇ ) of FIG Motor control as a function of time as well as the resolution I of the incremental encoder represents.
  • the figure shows the resolution J of the motor control after the discretization, which is advantageously higher by a factor of 4 than the resolution of the incremental encoder 10.
  • an incremental encoder with a resolution of 2048 pulses per revolution is used the resolution in the motor control is 8192 pulses per revolution.
  • the rotor remains in the same position, which serves as the zero position;
  • the phases of the motor are inverted so that the motor generates a moment counter to the user's rotational movement of the rudder.
  • the height of the torque generated by the engine is proportional to the height of the torque introduced by the user or the rotation of the rudder thereby effected.
  • the zero position of the rotor is redefined after each successful steering movement, as explained with reference to FIG. 8, which represents a schematic flow diagram of the engine control for generating a mechanical resistance against the driver's steering movement.
  • the electric motor is switched on and the rotor is not moved, with the current position of the incremental encoder being defined as the zero position, which corresponds to the absolute zero position, preferably the straight-ahead position (steps A, B).
  • step C If the torque acting on the rotor is greater than the friction torque and the moment of inertia of the rotor (step C), it is determined whether the rotational movement caused thereby is clockwise or counterclockwise, wherein the motor is controlled so that it receives a torque against generates the rotational movement caused by the steering movement (step D).
  • step E the new zero position
  • step F the absolute zero position
  • the steering unit according to the invention can be used regardless of the type of associated with the rudder actuator in steer-by-wire ship control systems.
  • the actuator can be designed as a hydraulic or electro-mechanical actuator.
  • the ECU processes the signals from the user-operated steering unit or an auto-pilot device and sends them to the steering actuator.
  • the steering actuator is operated according to the specifications of the steering unit and the ECU with respect to the steering angle and the rotational speed of the rudder.
  • an auto-pilot device is activated, the steering position is continuously updated in the engine control of the steering unit.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem vorgeschlagen, umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (3) und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3), bei der die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3) als Elektromotor (8) ausgeführt ist, wobei die mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundene Welle (2) des Steuerruders (3) drehfest mit dem Rotor (7) des Elektromotors (6) und der Stator (8) des Elektromotors (6) drehfest mit dem Gehäuse (5) des Elektromotors (6) verbunden ist.

Description

Lenkeinheit für ein Steer-bv-wire Schiffsteuersystem und Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lenkeinheit für ein Steer- by-wire Schiffsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit.
Aus dem Stand der Technik sind Steer-by-wire Systeme bekannt, die auch in der Schiffsteuertechnik eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen werden die über eine Lenkeinheit eingegebene Lenkbefehle von einem Sensor erfasst und über eine Steuereinheit an einen Aktuator weitergeleitet, welcher den Lenkbefehl ausführt. In vorteilhafter Weise besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Steuerruder und dem Ruder bzw. für den Fall eines Kraftfahrzeugs zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
In der Schiffsteuertechnik sind die mit dem Steuerruder verbundenen Lenkeinheiten üblicherweise hydraulisch betätigbar, was in nachteiliger Weise in einer schlechten Dynamik sowie in hohen Wartungskosten resultiert.
Ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem ist beispielsweise aus der US 6,431 ,928 B1 bekannt. Bei dem bekannten System ist ein elektrischer Motor zum Drehen der gesamten Propeller-Antriebseinheit über eine mechanische Energieübertragungskette vorgesehen, wobei der elektrische Motor von einer Steuereinheit gesteuert wird, welche zum Einen mit der Lenkeinrichtung zum Erhalten einer Lenkbefehlsinformation und zum Anderen mit einem die Lenk- stellungsinformation erfassenden Sensor verbunden ist. Aus der US 7,137,347B2 ist eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welche eine mechanisch drehbare Lenkeinrichtung, beispielsweise ein Steuerruder, einen Sensor zum Erfassen der Drehbewegung des Steuerruders und einen Stop-Mechanismus zum Blockieren einer weiteren Drehbewegung des Steuerruders nach Steuerbord oder Backbord, wenn das Ruder des Schiffs eine extreme Steuerbord- bzw. Backbord - Position erreicht hat.
Aus der EP 1770008 A2 ist ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welches mindestens zwei Lenkeinheiten umfasst. Hierbei wird das Ruder mittels eines hydraulisch betätigbaren Aktuators anhand der Lenksignale betätigt, die vom derjenigen Lenkeinheit generiert werden, welche die schnellere Bewegung des Ruders fordert. Bei dem bekannten System umfassen die Lenkeinheiten jeweils ein Steuerruder, das mit jeweils einer Steuereinrichtung verbunden ist, die wiederum mit dem Steuernetzwerk verbunden ist.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Lenkeinrichtungen im Falle einer Betätigung bzw. Drehung des Steuerruders in Abhängigkeit von Signalen eines Sensors zur Erfassung der Ruderposition mittels einer Kupplung einen mechanischen Widerstand erzeugen, wobei der Widerstand um so größer ist, je näher sich das Ruder an eine Endposition nähert. Wenn eine Endposition erreicht ist, ist der mechanische Widerstand am Steuerruder derart eingestellt, dass eine weitere Drehbewegung desselben in die gleiche Richtung nicht möglich ist. Dies wird durch eine Kupplung ermöglicht, welche im vollständig geschlossenen Zustand keine Drehbewegung des Steuerruders ermöglicht.
Des Weiteren ist aus der US 6,843195 B2 ein Steuersystem für einen Außenbordmotor bekannt, bei dem der Quotient „ realisierter Lenkwinkel/über das Steuerruder eingegebener Lenkwinkel" mit steigender Geschwindigkeit abnimmt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem anzugeben, welche kompakt aufgebaut und günstig herstellbar ist. Des Weiteren soll die Lenkeinheit eine hohe Dynamik aufweisen. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit angegeben werden, welches die Sicherheit und den Komfort erhöht.
Diese Aufgabe wird für eine Lenkeinheit durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit ist Gegenstand der Patentansprüche 13 und 15. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem vorgeschlagen, welche ein Steuerruder, eine Steuerung und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder umfasst, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder als Elektromotor ausgeführt ist. Hierbei ist die mit dem Steuerruder drehfest verbundene Welle des Steuerruders drehfest mit dem Rotor des Elektromotors und der Stator des Elektromotors drehfest mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden. Gemäß der Erfindung kann der Elektromotor auch verwendet werden, um das Steuerruder auf eine definierte Position oder die Ausgangsposition zurückzustellen.
Des Weiteren ist im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die mit dem Steuerruder drehfest verbundene Welle durch den Rotor geführt ist, wobei vorzugsweise an dem dem Steuerruder abgewandten Ende der Welle zur Erfassung des Drehwinkels des Steuerruders ein Inkrementalgeber angeordnet ist. Zur Steuerung des Elektromotors und zur Übergabe des über die Lenkeinheit eingestellten Lenkwinkels ist eine mit dem Inkrementalgeber und dem Elektromotor verbundene Steuerung vorgesehen, welche über einen CAN- Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems ECU verbunden ist. Vorzugsweise ist der Elektromotor als vektorgeregelter Motor ausgeführt und ermöglicht eine sinusförmige oder trapezförmige Signalumwandlung, wodurch Gleichstrom- oder Wechselstrommotoren eingesetzt werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt. Dies resultiert in einer kompakten Bauform, hohen Drehmomenten bei geringer Drehzahl, hoher Dynamik und minimalem Verdrehspiel. Gemäß der Erfindung ist der Torque-Motor derart ausgelegt, dass er über den Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugt, wodurch die Notwendigkeit des Einbaus von Reduziergetrieben entfällt. Ein derartiger Motor kann in vorteilhafter Weise für die Dauer von 5 Sekunden um 100% überlastet werden; im Vergleich dazu kann ein Hydrauliksystem lediglich um 20% überlastet werden.
Die erfindungsgemäße Lenkeinheit sowie Verfahren zu deren Betreiben werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Lenkeinheit gemäß der Erfindung;
Figur 2: Eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkeinheit;
Figur 3: Eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Lenkeinheit gemäß der Erfindung; Figur 4: Eine schematisches Ablaufdiagramm, welches den Initiali- sierungsprozess und das Testen der CAN-Funktionalität veranschaulicht;
Figur 5: Ein schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Betriebsmodi der Lenkeinheit;
Figur 6: Ein Diagramm, welches den Verlauf einer der Phasen der Motorsteuerung als Funktion der Zeit sowie die Auflösung des Inkrementalgebers darstellt;
Figur 7: Ein Diagramm, das die aktuelle Phase des Motors und die invertierte Phase als Funktion der Zeit sowie die entsprechende Bewegung des Steuerruders darstellt; und
Figur 8: Ein schematisches Ablaufdiagramm der Motorsteuerung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstands gegen die Lenkbewegung des Fahrers.
In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkeinheit 1 dargestellt. Sie umfasst ein mit einer Welle 2 drehfest verbundenes Steuerruder 3. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Welle mit dem Steuerruder über eine Schraubenmutter 4 verbunden.
Als Einrichtung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstandes gegen die Lenkbewegung ist ein in einem Gehäuse 5 angeordneter Elektromotor 6 vorgesehen, dessen Rotor 7 bei dem gezeigten Beispiel als Hohlwelle ausgeführt ist, durch die die Welle 2 geführt ist, wobei die Welle 2 drehfest mit dem Rotor 7 verbunden ist. Die Verbindung zwischen Rotor 7 und Welle 2 kann beispielsweise durch Schweißen oder durch Formschluss erfolgen; es ist auch möglich, dass die Verbindung mittels eines geeigneten Profils, beispielsweise eines Keilprofils erzeugt wird. Das Gehäuse 5 des Elektromotors kann aus Aluminium, Stahl oder aus Gusseisen hergestellt sein.
Wie Figur 1 zu entnehmen, ist der Stator 8 des Elektromotors 6 drehfest mit dem Gehäuse 5 verbunden. Des Weiteren ist die Welle 2 mittels Lager gelagert, die vorzugsweise als Schrägkugellager 9 ausgeführt sind. Zur Erfassung des Drehwinkels des Steuerruders ist ein Sensor 10 vorgesehen, der vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgeführt ist, um die Herstellungskosten gering zu halten. Alternativ zur Ausführung als Inkrementalgeber kann der Sensor als Absolutgeber ausgeführt sein.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist der Sensor 10 an dem dem Steuerruder 3 abgewandten Ende der Welle 2 angeordnet; alternativ kann der Sensor an jeder weiteren geeigneten Stelle angeordnet sein, beispielsweise zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 bzw. dessen Gehäuse 5, wobei im letzteren Fall die Führung der Welle 2 durch den Rotor 7 nicht erforderlich ist, so dass der Rotor 7 nicht als Hohlwelle ausgebildet sein muss. Die Sensorsignale dienen als Eingabegrößen für die Motorsteuerung 1 1 , die vorzugsweise über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems verbunden ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment des Steuerruders 3 und dem Trägheitsmoment des Rotors 7 des Elektromotors vorzugsweise in der Größenordnung 1 / 2,5.
Gemäß der Erfindung wird vom Elektromotor ein Moment zwischen 0 und 15Nm erzeugt, welches den mechanischen Widerstand gegen die Lenkbewegung darstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die Gegenstand der Figur 2 ist, kann zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 der Lenkeinheit ein Planetengetriebe 12 angeordnet sein, welches als Reduziergetriebe dient, so dass der Elektromotor 6 kleiner dimensioniert werden kann. In diesem Fall wird in der Motorsteuerung 1 1 die Übersetzung des Planetengetriebes berücksichtigt, um aus den vom Sensor 10 gelieferten Werten den über das Steuerruder eingestellten Lenkwinkel zu berechnen.
Bei einer derartigen Konstruktion ist gemäß der Erfindung das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment des Steuerruders 3 und dem Trägheitsmoment des Rotors 7 des Elektromotors vorzugsweise in der Größenordnung von 1 / 2,5 * i2 , wobei i die Übersetzung des Planetengetriebes 12 ist. Daraus ist ersichtlich, dass, um diese Bedingung zu erfüllen das Trägheitsmoment des Rotors 7 geringer sein kann, als bei einer Konstruktion ohne ein zwischengeschaltetes Planetengetriebe.
Gegenstand der Figur 3 ist eine Ausführungsform, bei der zwischen dem Steuerruder 3 und dem Elektromotor 6 ein Kegelradgetriebe 13 angeordnet ist. Dadurch kann zum einen der vorhandene Bauraum optimal genutzt und zum andern durch die Übersetzung des Kegelradgetriebes eine geringere Dimensionierung des Motors ermöglicht werden. Bei dem gezeigten Beispiel ist keine Umrechnung der Werte des Sensors 10 zur Ermittlung des gewünschten Lenkwinkels notwendig, da keine Übersetzungsstufe zwischen Steuerruder und Sensor geschaltet ist.
Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor 6 als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt und derart ausgelegt, dass er über den Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugt.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf Figur 4 werden beim Starten des Schiffsteuersystems und optional nach Ermitteln der Geradeaus- Position oder der gewünschten Startposition des Ruders von der Motorsteue- rung 1 1 die Verbindungen zwischen der Motorsteuerung und dem Elektromotor 6 und zwischen der Motorsteuerung und dem Sensor 10 getestet (Schritt A). Wenn beide Verbindungen funktionieren wird der Elektromotor für eine definierte Zeit mit maximalem Strom betrieben, so dass das Steuerruder nicht bewegt werden kann, bis die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) betriebsbereit ist (Schritte C, D); wenn eine der Verbindungen nicht funktioniert wird eine entsprechende Meldung an die ECU geleitet (Schritt B) und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Wenn die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems betriebsbereit ist, wird das CAN getestet (Schritt F). Wenn nach Ablauf einer definierten Zeit die ECU nicht betriebsbereit ist, bleibt der Motor 6 für ein weiteres Zeitintervall, das der definierten Zeit entspricht, unter maximalem Strom, bis die ECU betriebsbereit ist, wobei dieser Vorgang bis zu n Mal wiederholt wird, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist (bei dem in Figur 4 gezeigten Beispiel wird der Vorgang bis zu vier Mal wiederholt). Wenn nach der letzten Wiederholung des Vorgangs die ECU nicht betriebsbereit ist, wird eine entsprechende Information an die ECU geleitet (Schritt E) und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Wenn die ECU betriebsbereit ist wird das Vorhandensein der CAN- Kommunikation getestet (schritt F), wobei, wenn die CAN-Kommunikation nicht funktioniert eine entsprechende Information an die ECU geleitet wird. Wenn die CAN-Kommunikation betriebsbereit ist (Schritt G) d. h., wenn jedem an das CAN angeschlossenen Gerät eine Adresse zugewiesen ist, wird der Strom am Elektromotor 6 zurückgenommen bzw. reduziert (Schritt H); die Lenkeinheit ist betriebsbereit.
Gemäß der Erfindung wird eine Nicht-Rückstellzone um die Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert, wobei wenn sich der Drehwinkel bzw. die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb dieser Zone befindet, das Steuerruder nicht auf die Null-Position durch Betätigung des Motors zurückgestellt wird; beispielsweise kann diese Zone als Bereich zwischen +90° und -90° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert sein. Bei nicht bestromten Motor bleibt das Steuerruder an der vom Benutzer gewählten Winkelposition.
Des weiteren wird eine Rückstellzone definiert, so dass, wenn sich der Drehwinkel bzw. die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb dieser Zone befindet, das Steuerruder durch den Elektromotor mit konstanter Geschwindigkeit, vorzugsweise 18 Umdrehungen pro Minute, auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird; diese Zone ist vorzugsweise als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und 90% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert, wobei die maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen vorzugsweise beim Starten des Motors ermittelt wird. Gemäß der Erfindung kann die Rückstellfunktion in der Motorsteuerung deaktiviert werden, wobei in diesem Fall das Verhalten der Lenkeinheit dem Verhalten bei einem Drehwinkel innerhalb der Nicht-Rückstellzone entspricht.
Durch die Unterteilung in Zonen und die zonenabhängige beschriebene Steuerung des Elektromotors wird die Sicherheit sowie der Komfort erhöht.
Gemäß der Erfindung sind die Bereiche zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn als Grenzzone bzw. als Bereiche definiert, in denen der Elektromotor derart betrieben wird, dass das Steuerruder nicht oder nur mit erheblichen Kräften, (diese Kräfte sind höher als die Kräfte, die erforderlich sind, um das Steuerruder zu bewegen, wenn sich dessen Winkelposition innerhalb der Rückstellzone befindet) in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann, die vorzugsweise höher werden, je mehr sich die Umdrehungen des Steuerruders an die maximal mögliche Anzahl an Steuerruderumdrehungen nähern, wobei im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass das Steuerruder durch den Elektromotor mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Position innerhalb der Rückstellzone, z.B. 90% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen oder auf eine Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird. Beispielsweise nimmt der Strom in diesem Bereich Werte zwischen 2 A und 7.4 A an. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Strom in den Bereichen zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn konstant und weist einen Maximalwert auf, beispielsweise 7,2 A.
Gemäß weiterer Varianten der Erfindung kann die Definition der Zonen variiert werden, so dass z.B. die Grenzzone bei Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn beginnt, wobei Y einen Wert zwischen 45 und 95 annehmen kann; auch kann die Nicht- Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und -X° um die aktuelle Null - Position des Steuerruders definiert werden, wobei X Werte im Intervall zwischen 1 ° und 135 ° annehmen kann.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d. h. der Strom mit dem der Motor betrieben wird) in der Rückstellzone und in der Nicht-Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert vorzugsweise linear steigt, wobei in der Grenzzone, wie bereits erläutert, der Widerstand entweder einen konstanten Maximalwert aufweist oder in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maxi- malwert hin steigt. Durch diese Konzeption wird die Sicherheit erhöht, da sehr schnelle Manöver bei hohen Geschwindigkeiten weitgehend vermieden werden.
Für den Fall, dass keine Zonen definiert sind ist ebenfalls vorgesehen, dass der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert vorzugsweise linear steigt.
Vorzugsweise wird eine Geschwindigkeit definiert, unterhalb der der Strom am Elektromotor Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom ansteigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird. Beispielsweise erzeugt der Elektromotor der Lenkeinheit bei einer Geschwindigkeit unterhalb 10 kn kein Moment, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom zwischen 0,7 A und 2 A (vorgegebener Grenzwert) eingestellt wird. Gemäß der Erfindung soll dies einem Moment zwischen 0 und 15 Nm entsprechen. Des Weiteren ist vorgesehen, dass, wenn ein Autopilot eingeschaltet ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt. Beispielsweise kann das Moment 12Nm betragen, was bei dem in den Beispielen beschriebenen Elektromotor einem Strom von 1 ,8 A entspricht.
Die oben beschriebene Vorgehensweise wird anhand Figur 5, welche ein schematisches Ablaufdiagramm einer Variante des Verfahrens darstellt, detaillierter veranschaulicht. Zu Beginn werden die Parameter in der Motorsteuerung 1 1 initialisiert und geprüft, ob die Motorsteuerung betriebsbereit ist. Ist dies der Fall, so wird eine entsprechende Information an die ECU übermittelt und die Steuerung geht in den Speed-Control-Modus über. Hierbei wird geprüft, ob eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, wobei wenn dies der Fall ist, der Strom zum Betrieb des Elektromotors zum Erzeugen des mechanischen Widerstan- des maximal den Wert 1 ,8 A annimmt. Ist keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert und ist die Bootsgeschwindigkeit geringer als 10 Knoten pro Stunde, so ist der maximale Strom Null, andernfalls ist der maximale Strom eine Funktion der Bootsgeschwindigkeit.
Nach Abschluss der Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers ist die weitere Vorgehensweise davon abhängig, in welcher Zone bzw. in welchem Bereich sich das Steuerruder nach der Lenkbetätigung befindet. Wenn sich das Steuerruder innerhalb der Nicht-Rückstellzone (Zone A) befindet, wird der Motor ausgeschaltet, wobei wenn sich das Steuerruder innerhalb der Rückstellzone (Zone B) befindet und die Rückstellfunktion aktiviert ist, bei aktivierter Auto-Pilot-Einrichtung das Steuerruder mit konstanter Geschwindigkeit in die Zone A oder auf die Geradeaus-Position zurückgebracht wird. Ist die Auto-Pilot- Einrichtung nicht aktiviert, so wird der Motor ausgeschaltet. Wenn sich das Steuerruder in einem Bereich zwischen 90% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen befindet, wird der Elektromotor mit einem Strom betrieben, der desto höher ist, je näher sich das Steuerruder an die maximal mögliche Anzahl an Steuerruderumdrehungen befindet, wobei der maximale Strom bei dem in den Beispielen beschriebenen Elektromotor 7,4 A beträgt. Dadurch wird das Steuerruder mit konstanter Geschwindigkeit in die Zone B oder in die Zone A zurückgebracht.
Wie bereits erläutert, wird vorzugsweise als Elektromotor ein als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführter Motor eingesetzt, welcher zur Erzeugung des mechanischen Widerstands wie folgt gesteuert wird.
Die Motorsteuerung 1 1 weist die gleiche physikalische Auflösung auf, wie der Inkrementalgeber 10, wobei diese Auflösung mit dem Faktor 4 multipliziert wird, um der Diskretisierung hinsichtlich der drei Phasen U, V W Rechnung zu tragen, wie anhand Figur 6 veranschaulicht. In Figur 6 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Verlauf einer der Phasen U, V, W (Winkel θ) der Motorsteuerung als Funktion der Zeit sowie die Auflösung I des Inkrementalge- bers darstellt. Ferner ist in der Figur die Auflösung J der Motorsteuerung nach der Diskretisierung dargestellt, die in vorteilhafter Weise um den Faktor 4 höher ist, als die Auflösung des Inkrementalgebers 10. Vorzugsweise wird ein Inkre- mentalgeber mit einer Auflösung von 2048 Impulsen pro Umdrehung verwendet, so dass die Auflösung in der Motorsteuerung 8192 Impulse pro Umdrehung beträgt.
Wenn der Inkrementalgeber keine Bewegung der Welle und somit des Steuerruders erfasst, bleibt der Rotor in der selben Position, die als Null- Position dient; wenn der Inkrementalgeber eine Drehbewegung des Rotors erfasst, werden gemäß der Erfindung die Phasen des Motors invertiert, so dass der Motor ein Moment entgegen der vom Benutzer durchgeführten Drehbewegung des Steuerruders erzeugt. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung ist die Höhe des vom Motor erzeugten Momentes proportional zur Höhe des vom Benutzer eingeleiteten Momentes bzw. zur dadurch erfolgten Drehung des Steuerruders.
Diese Vorgehensweise wird anhand Figur 7 veranschaulicht, welche im oberen Teil ein Diagramm zeigt, das die aktuelle Phase U, V, W des Motors und die invertierte Phase (Kurve K) als Funktion der Zeit darstellt; die Auflösung des Inkrementalgebers ist, wie in Figur 6 mit I bezeichnet. Im unteren Teil der Figur ist eine schematische Darstellung der Bewegung des Steuerruders jeweils im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gezeigt.
Die Nullposition des Rotors wird erfindungsgemäß nach jeder erfolgter Lenkbewegung neu definiert, wie anhand Figur 8 erläutert, welche ein schema- tisches Ablaufdiagramm der Motorsteuerung zur Erzeugung eines mechanischen Widerstands gegen die Lenkbewegung des Fahrers darstellt. Zu Beginn der Steuerung ist der Elektromotor eingeschaltet und der Rotor wird nicht bewegt, wobei als Nullposition die aktuelle Position des Inkremen- talgebers definiert wird, die der absoluten Nullposition, vorzugsweise der Geradaus-Position entspricht (Schritte A, B). Wenn das Drehmoment, das auf den Rotor wirkt größer ist als das Reibmoment und das Massenträgheitsmoment des Rotors (Schritt C) wird ermittelt, ob die dadurch hervorgerufene Drehbewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn ist, wobei der Motor derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt (Schritt D). Nach Beendigung der Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers wird die aktuelle Position des Inkremental- gebers als neue Nullposition definiert (Schritt E) und der Strom nimmt den Wert Null an. Anschließend wird geprüft, ob die aktuelle Position des Inkrementalge- bers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt (Schritt F). Wenn die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, wird der Elektromotor ausgeschaltet; ist dies nicht der Fall, werden die Schritte D und E wiederholt. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Rückkehr in die absolute Nullposition vom Motor kein Moment erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Lenkeinheit kann unabhängig von der Art des mit dem Ruder verbundenen Aktuators in Steer-by-wire Schiffsteuersystemen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Aktuator als hydraulischer oder elekt- romechanischer Aktuator ausgeführt sein.
Die ECU verarbeitet die Signale der vom Benutzer betätigten Lenkeinheit oder einer Auto-Pilot-Einrichtung und leitet diese an den Lenkaktuator. Hierbei wird der Lenkaktuator entsprechend der Vorgaben der Lenkeinheit und der ECU hinsichtlich des Lenkwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Ruders betrieben. Für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, wird in der Motorsteuerung der Lenkeinheit die Ruderposition kontinuierlich aktualisiert. Bezuqszeichen
Lenkeinheit
Welle
Steuerruder
Schraubenmutter
Gehäuse
Elektromotor
Rotor
Stator
Lager
Sensor
Steuerung
Planetengetriebe Kegelradgetriebe

Claims

Patentansprüche
1. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder (3) als Elektromotor (8) ausgeführt ist, wobei die mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundene Welle (2) des Steuerruders (3) drehfest mit dem Rotor (7) des Elektromotors (6) und der Stator (8) des Elektromotors (6) drehfest mit dem Gehäuse (5) des Elektromotors (6) verbunden ist.
2. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) als Hohlwelle ausgeführt ist, durch die die Welle (2) geführt ist.
3. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) an dem dem Steuerruder (3) abgewandten Ende der Welle (2) angeordnet ist.
4. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) zwischen dem Steuerruder (3) und dem Elektromotor (6) bzw. dessen Gehäuse (5) angeordnet ist.
5. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Rotor (7) und der Welle (2) durch Schweißen oder durch Formschluss erfolgt.
6. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Elektromotors (6) aus Aluminium, Stahl oder Gusseisen hergestellt ist.
7. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) als Inkrementalgeber ausgeführt ist.
8. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerruder (3) und dem Elektromotor (6) der Lenkeinheit (1) Getriebe angeordnet ist.
9. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Reduziergetriebe dient.
10. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Planetengetriebe (12) oder als Kegelradgetriebe (13) ausgeführt ist.
11. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) als vektorgeregelter Motor ausgeführt ist, der eine sinusförmige oder trapezförmige Signalumwandlung ermöglicht.
12. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 11 , dadurch gekenn zeichnet, dass der Elektromotor (6) als Gleichstrom- oder Wechselstrommotor ausgeführt ist.
13. Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7) als vektorgeregelter bürstenloser To rque- Motor ausgeführt ist.
14. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (11), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und einen Elektromotor (6) als Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, insbesondere einer Lenkeinheit nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der durch den Elektromotor (6) bei einer Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d.h. der Strom mit dem der Motor (6) betrieben wird) eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt.
15. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der der Strom am Elektromotor (6) Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders (3) erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom als Funktion der Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird.
16. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem umfassend ein Steuerruder (3), eine über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung (1 1 ), einen Sensor (10) zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders (10) und einen Elektromotor (6) als Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, insbesondere einer Lenkeinheit nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (3) (d.h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) eine Nicht-Rückstellzone, eine Rückstellzone und eine Grenzzone definiert werden, wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Nicht-Rückstellzone befindet, das Steuerruder (3) nicht auf die aktuelle Null - Position des Steuerruders durch Betätigung des Motors zurückgestellt wird, wobei wenn sich die Winkelposition des Steuerruders (3) nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Rückstellzone befindet, das Steuerruder (3) durch den Elektromotor (6) mit konstanter Geschwindigkeit auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird und wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders (3) nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Grenzzone befindet, der Elektromotor (6) derart betrieben wird, dass das Steuerruder (3) nicht oder nur mit erheblichen Kräften weiter in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann und mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Winkelposition innerhalb der Rückstellzone oder auf eine definierte Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird.
17. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nicht-Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und X° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert ist, dass die Rückstellzone als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert ist und dass als Grenzzone die Bereiche zwischen Y% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert sind, wobei X Werte zwischen 1 und 135 und Y Werte zwischen 45 und 95 annehmen kann.
18. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 16 oder 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der durch den Elektromotor bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder (d. h. der Strom mit dem der Motor (6) betrieben wird) in der Rückstellzone und in der Nicht- Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert steigt, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten hohen Wert annimmt und wobei in der Grenzzone der Widerstand entweder einen konstanten Maximalwert aufweist oder in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maximalwert hin steigt.
19. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, und sich die Winkelposition des Steuerruders (3) in der Rückstellzone oder in der Nicht- Rückstellzone befindet, eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der der Strom am Elektromotor (6) Null ist, so dass kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders (3) erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der Strom als Funktion der Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert ansteigt und ein mechanischer Widerstand erzeugt wird.
20. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Starten des Schiffsteuersystems und optional nach Ermitteln der Geradeaus-Position oder der gewünschten Startposition des Ruders von der Motorsteuerung (1 1 ) die Verbindungen zwischen der Motorsteuerung (1 1 ) und dem Elektromotor (6) und zwischen der Motorsteuerung
(1 1 ) und dem Sensor (10) getestet werden, wobei wenn beide Verbindungen funktionieren der Elektromotor (6) für eine definierte Zeit mit maximalem Strom betrieben wird, so dass das Steuerruder (3) nicht bewegt werden kann, bis die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) betriebsbereit ist, wobei wenn eine der Verbindungen nicht funktioniert eine entsprechende Meldung an die ECU geleitet und eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wobei wenn die elektronische Steuerung des Schiffsteuersystems betriebsbereit ist, das CAN getestet wird, wobei wenn nach Ablauf einer definierten Zeit die ECU nicht betriebsbereit ist, der Motor (6) für ein weiteres Zeitintervall, das der definierten Zeit entspricht unter maximalem Strom bleibt, bis die ECU betriebsbereit ist, wobei dieser Vorgang bis zu n Mal wiederholt wird, wobei n eine vorgegebene natürliche Zahl ist und wobei wenn nach der letzten Wiederholung des Vorgangs die ECU nicht betriebsbereit ist, eine entsprechende Information an die ECU geleitet und eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
21. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass, wenn die ECU betriebsbereit ist, das Vorhandensein der CAN-Kommu- nikation getestet wird, wobei, wenn die CAN-Kommunikation nicht funktioniert eine entsprechende Information an die ECU geleitet wird und wobei wenn die CAN-Kommunikation betriebsbereit ist die Strom am Elektromotor (6) zurückgenommen bzw. reduziert wird.
22. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1 ) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch g e - kennzeichnet, dass für den Fall, dass der Elektromotor (6) als vektorgeregelter bürstenloser Torque-Motor ausgeführt ist, dessen Rotor (7) mit einer mit dem Steuerruder (3) drehfest verbundenen Welle (2) drehfest verbunden ist und der Sensor (10) als Inkrementalgeber ausgebildet ist, der Rotor (7) in der selben Position bleibt, solange der Inkrementalgeber keine Bewegung der Welle (2) erfasst, wobei, wenn der Inkrementalgeber eine Drehbewegung des Rotors erfasst, die Phasen des Elektromotors (6) invertiert werden, so dass der Motor ein Moment entgegen der vom Benutzer durchgeführten Drehbewegung des Steuerruders (3) erzeugt.
23. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des vom Motor (6) erzeugten Momentes proportional zur Höhe des vom Benutzer eingeleiteten Momentes bzw. zur dadurch erfolgten Drehung des Steuerruders ist.
24. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Steuerung des Elektromotors (6) der Elektromotor eingeschaltet wird, wobei als Nullposition die aktuelle Position des Inkremental- gebers definiert wird, die einer definierten absoluten Nullposition entspricht, wobei wenn das Drehmoment, das durch die Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benutzers auf den Rotor (6) wirkt größer ist als das Reibmoment und das Massenträgheitsmoment des Rotors ermittelt wird, ob die dadurch hervorgerufene Drehbewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn ist, wobei der Motor (6) derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt.
25. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit (1) für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung der Betätigung des Steuerruders (3) seitens des Benut- zers die aktuelle Position des Inkrementalgebers als neue Nullposition definiert wird und der Strom den Wert Null annimmt, wobei anschließend geprüft wird, ob die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, wobei wenn die aktuelle Position des Inkrementalgebers mit der absoluten Nullposition übereinstimmt, der Elektromotor ausgeschaltet wird und wenn dies nicht der Fall ist, der Motor eingeschaltet bleibt und derart gesteuert wird, dass er ein Drehmoment gegen die von der Lenkbewegung hervorgerufene Drehbewegung erzeugt.
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