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EPS Servolenkung Probleme

Der Wagen hat eine elektrische Lenkunterstützung die EPS genannt wird (Electronic Power Steering). Im Prinzip ein pfiffiges und modernes Konzept dass ohne die früher übliche Hydraulik arbeitet. Leider hat ein Bauteil ein Qualitätsproblem wodurch sehr häufig Funktionsprobleme auftreten. Es ist der Drehmomentgeber auf der Lenksäule (ich weiss nicht ob das die offizielle Bezeichung ist, aber ich nenne es einfach mal so). Er detektiert ob das Lenkrad gedreht wird und wie stark. Über eine Steuerelektronik und einen Servomotor wird dann diese Bewegung unterstützt.

Der Sensor kann sich verstellen und ausleiern. Als Folge arbeitet die Servolenkung nur schlecht und ungleichmässig.

Die einfachste Lösung wäre den Sensor gegen ein neues, bessere Exemplar auszutauschen. Oder aber den Sensor neu zu justieren. Beides ist leider unpraktikabel. Die Sensoren sind nicht einzeln sondern nur in Verbindung mit einer extrem teuren, kompletten Lenksäule zu bekommen. Und man muss das gesamte Armaturenbrett zerlegen um dort dran arbeiten zu können.

Aus zusammengesuchten Informationen und ein paar Messungen habe ich versucht mir ein Bild zu machen wie dieser Sensor und die Regelung funktionieren.

Kernstück sind 2 Potentiometer und eine "Mechanik mit Federn" die den Drehmomentgeber bilden. Sobald die Position des Lenkrads sich ändert wird damit gemessen mit welcher Kraft es gedreht wird. Aufgrund von Alterung oder Qualitätsmängeln verändern sich die Ruhespannungen und die Regelung arbeitet nicht mehr optimal. Dies äussert sich z.B. durch erhöhte Lenkkräfte, ungleichmässige Lenkunterstützung beim Einschlagen oder hakeln.

EPS Prinzip

Im Ruhezustand liefern die beiden Potentiometer eine Ausgangsspannung von 2.5V. Sie werden aus einer 5V-Spannungsquelle versorgt die im Steuergerät sitzt. Die beiden Potentiometer arbeiten gegenläufig, Spannung 1 steigt an während gleichzeitig Spannung 2 absinkt. Bei umgekehrter Drehrichtung entsprechend vertauscht. Mehr Drehmoment am Lenkrad bedeutet höhere Spannungsdifferenz.

EPS

Sobald die 2.5V Ruhespannungen deutlich abweichen bekommt das Steuergerät Probleme. Die Ruheposition wird nicht eindeutig erkannt und die Servokraft falsch berechnet .
EPS

Die Offsetverschiebung muss nicht an beiden Potis gleich gross sein. Desweiteren kann sie durch mechanisches Spiel schwanken. Aber diese zusätzlichen Schwankungen scheinen klein genug zu sein und es reicht den mittleren Offset zu kompensieren.

Meine gemessenen Spannungen lagen bei 2.30 bzw 2.34 Volt.

Problemlösung 1

Im Internet findet man häufig ein sog. "EPS Reparatur-Set". Es besteht aus 2 zusätzlichen Potentiometern die parallel zu denen vom Drehmomentsensor angeschlossen werden. Damit wird die Ruhespannung einfach wieder auf die gewünschten 2.5V gezogen und alles soll wieder gut werden.
EPS

Habe ich ausprobiert, funktioniert leider nicht bei mir :(
Und ist auch theoretisch ziemlicher Murks.

Als Ergebniss war die Lenkunterstützung fast gleich Null. Immerhin verhielt sich die Lenkung aber konstant (schlecht) über den ganzen Lenkbereich. Ich vermute dass durch die zusätzlichen Potis die resultierenden Kennlinien zu flach wurden und folglich die Servounterstützung praktisch nicht vorhanden ist.
EPS

Für meinen Fehlerfall also keine Lösung. Bei kleineren Spannungsabweichungen mag es ja irgendwie funktionieren, aber eigentlich rausgeschmissenes Geld.

Problemlösung 2

Als Elektroniker denkt man beim Wort "Spannungs-Offset" natürlich sofort daran das ganze mit etwas Elektronik zu lösen. "Mal eben eine kleine Schaltung" mit einem Operationsverstärker aufbauen und fertig. Und so hat es dann auch tatsächlich mit Erfolg geklappt :) Was mich umso mehr freut weil häufig solche Theorie-nach-Praxis Umsetzungen nicht funktionieren weil man das System nicht richtig verstanden hat.

Hier ein Bild der aufgebauten Platine.
EPS

Die Schaltung ist ein simpler "nichtinvertierender Addierer" mit Doppel-Operationsverstärkern. Die Schaltung ist in jedem besseren Schaltungsbuch zu finden. Auf das Eingangssignal wird eine kleine, einstellbare Offsetspannung addiert. Da der Spannungshub der Potis unverändert bleibt (keine Verstärkung) ist auch die Regelung, und somit die Stärke der Lenkunterstützung, unverändert.
Das ganze ist doppelt vorhanden, für jeden Kanal separat. Die Schaltung wird in die Poti-Leitungen eingeschleift.
EPS
Die OPamps sollten Rail-Rail-Typen sein und bei 5V vernünftig arbeiten (z.B. TS912). Die Diode verringert die Messpannung zusätzlich künstlich um auch ohne negative Spannung am Poti ein wenig "subtrahieren" zu können. Wird nur benötigt falls die Ruhespannungen oberhalb von 2.5V liegen.

Einbau

Das Steuergerät für's EPS sitzt unterhalb der Sicherungen (bei anderen Modelljahren ist das möglicherweise abweichend). Es ist mit 2 Schrauben befestigt (Pfeile).
EPS

Am Steuergerät befinden sich 4 Steckverbinder. Der kleine schwarze Stecker ganz rechts geht zum Drehmomentgeber. Dessen Kabel sind extrem kurz gehalten und es ist dort unten um Fussraum sehr schwierig irgendwas sauber und zuverlässig anzuschliessen.

Sehr viel einfacher ist es die Verdrahtung direkt im Steuergerät zu machen. Das Gehäuse ist einfach zu öffnen, die Platine kann nach Lösen von ein paar Schrauben entnommen werden. Auf der Unterseite der Platine sind die gesuchten Signale leicht zugänglich:
EPS EPS

Die Leiterbahnen zu den Mittelabgriffen der Potis (Gelb-Blau und Hellgrün-Dunkelgrün) werden unterbrochen und mit der "Offset-Platine" verbunden. Die 5V Versorgungsspannung der Potis liegt an Pin 1 und die Masse an Pin 4. Sie werden auch benutzt um die Korrektur-Elektronik zu versorgen, ihr Strombedarf ist minimal.
EPS

Nun alles provisorisch zusammenstecken, die Zündung einschalten und die Spannungen am Ausgang auf genau 2.5V einstellen. Fertig!

Die Elektronik verschwindet in einem kleinen Plastik-Kästchen welches an der Rückseite mit einem Kabelbinder befestigt wird. Sauber und rüttelfest.
EPS

Integrierte Platine

Um die ganze Sache noch einfacher und eleganter zu machen habe ich eine kleine Platine gebaut. Sie findet ihren Platz im Inneren des Steuergeräts. Zusätzlich enthält sie einen einfachen Spannungsindikator. Die LEDs beginnen zu leuchten wenn die 2.5V am Ausgang kippt. Damit kann man die Schaltung im eingebauten Zustand ohne die Hilfe von Messgeräten abgleichen.

EPS EPS EPS

EPS

Resultat

Die Servolenkung arbeitet wieder ausgezeichnet :)

Ich denke dass der "ausgelutschte" Geber durch diesen einfachen Trick nicht die Qualität und Dauerhaftigkeit eines Neuteils erreicht. Aber der Unterschied zu vorher ist gewaltig und in Anbetracht des geringen Aufwands sehr zu empfehlen.

Natürlich muss man bedenken dass hier an einem sicherheitsrelevantem Bauteil herumgebastelt wird und man sollte sorgfältig arbeiten.

Hinsichtlich Fehlfunktionen habe ich nur geringe Sorge. Es ist nur eine Lenkunterstützung die man mit zusätzlicher Kraft jederzeit "überstimmen" kann. Und im vorherigen Zustand musste ja schon genau das gemacht werden. Viel schlimmer kann es nicht werden.