Steer-by-Wire Drahtzieher auf dem Weg zum autonomen Fahren

Referenzdesign der Ansteuerelektronik für eine Fail-Operational-EPS von Infineon/hitex
Referenzdesign der Ansteuerelektronik für eine Fail-Operational-EPS von Infineon/hitex

Das Konzept Steer-by-Wire ist nicht neu. Trotzdem gibt es erst wenige Serienfahrzeuge, die sich ohne Lenkrad steuern lassen, denn die Sicherheitsanforderungen für die Straßenzulassung sind hoch. Doch inzwischen gibt es erste Lösungen für Serienfahrzeuge.

Anders als bei der Servo-Lenkung, bei der Lenkrad und Lenkgetriebe mechanisch verbunden sind und der Fahrer in jedem Betriebsfall den Lenkeinschlag kontrollieren kann, fehlt diese mechanische Verbindung bei Steer-by-Wire. Hier übernimmt die elektrische Lenkung das komplette Drehmoment für den Lenkeinschlag. Der Fahrer bekommt am Lenkrad lediglich eine Rückmeldung über den Kraftaufwand für den Lenkeinschlag – sofern noch ein Lenkrad vorhanden ist. Denn die Signale können ebenso von einem Joystick oder aus der On-Board-Navigation stammen.

Lenkrad und Lenksäule können also komplett entfallen. Das bringt viele Vorteile, allen voran ein erhebliches Plus an Sicherheit. Denn die Lenksäule birgt vor allem bei einem Frontalaufprall ein immenses Gefährdungspotenzial für den Fahrer. Gleichzeitig gewinnt man viel Platz im Fahrzeug-Innenraum für ganz neue Gestaltung und Konzepte. Auch für zusätzliche Sensoren und Steuereinheiten für das autonome Fahren wird Bauraum frei. Dieser wird auch gebraucht, denn Steer-by-Wire ist eine der technologischen Voraussetzungen für das autonome Fahren. In seiner höchsten Ausbaustufe werden die Signale, die an das Lenkgetriebe übermittelt werden, aus den Daten verschiedener Quellen erzeugt, z.B. von Sensoren, Kameras sowie Live-Daten und Karten der Umgebung. Ebenso lassen sich die Signale über Funk senden, um ein Fahrzeug so ferngesteuert zu lenken, z.B. durch gefährliche Gebiete.

Oberste Priorität:
funktionale Sicherheit

Trotz der Vorteile ist Steer-by-Wire im Auto bisher eine Nischen-Technologie, die fast nur in Fahrzeugen für Behinderte zum Einsatz kommt. Denn die Systeme müssen höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen, weil der Fahrer im Falle eines Systemfehlers keine Möglichkeit hat, einzugreifen. Um eine Straßenzulassung zu erhalten, muss ein Hersteller nachweisen, dass ein Funktionsfehler des Systems nicht zu einer Gefahr für den Menschen werden kann. Hierfür muss das System der höchsten Sicherheitsstufe ASIL D entsprechen. Fail Safe (Ausfallsicherheit), d.h. eine Eigendiagnose, die im Fehlerfall einen sicheren Zustand herstellt, reicht hier bei Weitem nicht aus. Voraussetzung für Steer-by-Wire ist Fail Operational (Betriebssicherheit), also eine Fehlererkennung und ein System, das auch nach Eintreten eines Fehlers 100-prozentig funktioniert. Dies erfordert ein mindestens zweifach redundantes System. Schaeffler Paravan Technologie hat sein Steer-by-Wire-System mit Straßenzulassung sogar dreifach redundant ausgelegt. Das heißt, alle Prozesse und Befehle werden an drei CPUs übertragen, dort analysiert und an zweikanalige Servomotoren übertragen. Zudem ist der Hersteller rund eine Milliarde Straßenkilometer „by Wire“ gefahren und hat das System aufgrund der so gesammelten Erfahrung stetig optimiert. Auf dem Rutronik Automotive Congress, der am 19. September 2019 in Pforzheim stattfindet, stellt der Geschäftsführer von Schaeffler Paravan Technologie, Erich Nickel, das System ausführlich vor. Zudem kann ein Steer-by-Wire-Fahrzeug in Augenschein genommen werden.

Um schon früher anzusetzen und bereits einen Fehler möglichst auszuschließen, bietet sich zusätzlich zur Redundanz eine vorbeugende Wartung an. Damit können Baugruppen ausgetauscht werden, bevor sich ihr Verschleiß und Alterung in Mängeln bemerkbar macht.
Die Komponenten
Ein Steer-by-Wire-System besteht aus

  • einem Aktor, d.h. einem sicheren Motor in redundanter Ausführung,
  • einem redundanten – und damit sicheren – Drehgeber an einem Lenkrad, Joystick o.ä.,
  • einer sicheren Steuerelektronik (ECU) zur Auswertung der Steuersignale und zur Ansteuerung des Aktors und
  • einer sicheren Verbindung zum Steuergerät der On-Board-Navigation für das automatisierte Fahren nach der Umfeldwahrnehmung des Fahrzeugs.

Redundantes System

Ein Steer-by-Wire-Aufbau besteht im Wesentlichen aus der Leistungselektronik, mehreren Mikrocontrollern und Sensoren sowie Power-Management-ICs. Alle wichtigen Funktionen müssen mindestens zweikanalig abgebildet sein, um ein redundantes System zu ergeben.

Die Leistungselektronik umfasst mehrere Endstufen mit zusätzlichen Sicherheits­trennern zur Ansteuerung des Motors. Sie summiert sich auf rund zwanzig Leistungs-MOSFETs in der redundanten Ausführung der Applikation.
Von Infineon und hitex ist ein komplettes Referenzdesign für eine betriebssichere EPS (Electric Power-Steering) erhältlich. Im Bild des EPS-Chipsets (unten) ist die redundante Auslegung deutlich zu erkennen.

Die Mikrocontroller der Aurix 2nd Generation von Infineon sind leistungsstark genug, um die Steuersignale mit kurzer Latenzzeit zu Ansteuersignalen an die Motoren umzuwandeln. Die Aurix 2nd Generation sind nach ISO 26262 entwickelt und erfüllen ASIL D mit im Gleichschritt arbeitenden Doppelkernen.

Mehrere Sensoren erfassen die Drehwinkel, den Motorstrom und das Drehmoment. Die Xensiv-Familie von Infineon hält für diese Aufgaben die passenden Sensorarten bereit: einen linearen Hall-Sensor für die Erfassung des Drehmoment und der Stromstärke, einen iGMR- (integrierten Giant-Magnetoresistance-) Sensor für die Rotorpositionsbestimmung sowie einen Hall-Switch für das Index-Counting.

Für das Power-Management empfehlen sich ICs mit Safety-Watchdog, wie z.B. die Optireg-Familie von Infineon mit einem breiten Portfolio an Power-Supply-ICs für Automotive-Anwendungen. Die Power-Management-ICs funktionieren nach dem Pre-/Post-Reglerkonzept mit Boost und Buck/LDO und unterstützen ASIL D.