CN102947167B - 用于汽车转向系统的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车转向系统(10)的传感器组件(24)，该传感器组件包括用于磁性测定转向阻力矩的转矩传感器以及用于磁性测定绝对转向角(α)的转角传感器(26)，其中，设有刚好一个带有一个唯一的磁性编码的载体元件(30)用来测定转向阻力矩和绝对转向角(α)，转矩传感器和转角传感器(26)共同使用该唯一的磁性编码。

Description

用于汽车转向系统的传感器组件
技术领域
本发明涉及一种用于汽车转向系统的传感器组件，该传感器组件包括用于磁性测定转向阻力矩的转矩传感器。
背景技术
现在，通常在汽车转向系统中安装传感器用于测定转向阻力矩和/或转向角，以便能够控制例如转向辅助装置。
在电动转向系统的发展范畴中，可靠地提供关于转向角和转向阻力矩的传感器数据正变得越来越重要。
除了基本目标，即确保传感装置和因此相应转向系统的高的故障安全性外，由于在转向装置区域中狭窄的安装空间情况还应努力使所需的传感器尽可能紧凑且物美价廉地设计。
例如在DE 602 00 499 T2中描述了一种相当紧凑的用于确定转向柱旋转的位置探测器，其中所测量的角度的数量级约为10°并且用于检测转矩。为了测定转矩，在此仅需要一个管状的磁轭，在该磁轭的径向外侧成对地安装有多个磁铁。
除了关于转向阻力矩的信息外，在汽车转向系统中，关于当前转向角的、尤其是关于绝对转向角的信息也非常重要。在现有技术中已经描述了旋转编码器，该旋转编码器为每个角位置单义地/唯一地分配一个编码的位置值，由此也就知道了大于360°的方向盘旋转的绝对转角。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种尽可能简单且紧凑的传感器组件，该传感器组件提供对于汽车转向系统所需的传感器数据。
根据本发明，该任务通过一种用于汽车转向系统的传感器组件来解决，该传感器组件包括用于磁性测定转向阻力矩的转矩传感器以及用于磁性测定绝对转向角的转角传感器，其中，设有刚好一个带有一个唯一的磁性编码的载体元件用来测定转向阻力矩和绝对转向角，转矩传感器和转角传感器共同使用该唯一的磁性编码。通过将转矩传感器和转角传感器集成到一个传感器组件中，该传感器组件代替通常的两个或三个被磁性编码的载体元件仅具有一个唯一的这样的载体元件，形成了一种在结构上特别简单地构造的、极为紧凑的结构方式，此外该结构方式由于节省了至少一个带有磁性编码的载体元件而可极为低成本地制造。
特别优选地，转角传感器可以测量在一个角分段内的角度范围。在此情况下，角分段理解为载体元件的下述区域，在该区域中设置有一个包括北极和南极的磁极对。因此基于磁力线的变化也可以通过转角传感器检测载体元件的很小的转动运动并且也由此测定在一定角分段内的绝对转向角。
在本发明的一种有利的进一步扩展方案中，转角传感器可以具有一个计数装置，该计数装置对多个角分段进行计数。这意味着，在载体元件旋转时，计数装置对从转角传感器旁运动经过的角分段或者说极对的数量进行计数。当然在此情况下已经事先知道设置在载体元件上的相应的角分段或其分距有多大。被计数的角分段的总数非常接近地相当于绝对转向角所在的角度间隔。通过将被计数的角分段的总数与转角传感器在一个角度范围内测得的角度范围相组合，来确保绝对转向角的精确测定。结果，也可以对于大于360°的并且相当于方向盘或载体元件一转多倍的回转来测定绝对转向角。
在本发明的有利的进一步扩展方案中，计数装置也可以在无电流的状态中检测并且储存绝对转向角的变化。因此在汽车运行中随时、即尤其是也直接在汽车起动之后为转向系统提供关于当前调节出的绝对转向角的信息。在此既不需要在汽车起动后费时的系统初始化、也不需要不间断地持续地向传感器组件供电。
在传感器组件的一种备选的实施方式中，计数装置可以连接到电蓄能器上并且因此被持续供电。由于计数装置的能量消耗非常小，所以在点火装置关断的情况下例如可以毫无问题地由汽车电池提供供电。
在本发明的一种有利的实施方案中，载体元件是一个可转动的载体轮，该载体轮设有多个成对地径向设置的磁铁。
在本发明的一种有利的实施方案中，设有一个印刷电路板，在该印刷电路板上安装有至少一个GMR传感器元件、AMR传感器元件或霍尔传感器元件。
在本发明的一种有利的实施方案中，在所述印刷电路板和所述带有所述唯一的磁性编码的载体元件之间设有一个磁通集中器。
在本发明的一种有利的实施方案中，所述转角传感器测量在一个角分段内的角度范围。
在本发明的一种有利的实施方案中，所述转角传感器具有一个计数装置，该计数装置对多个角分段进行计数，其中，将角分段的总数与在一个角分段内测得的角度范围组合，以便由此确定绝对转向角。
在本发明的一种有利的实施方案中，计数装置与电蓄能器连接。
在本发明的一种有利的实施方案中，计数装置在无电流的状态中检测并且储存绝对转向角的变化。
附图说明
本发明的其它特征和优点由下面的参考附图对优选实施方式的说明中给出。附图如下：
图1示出具有根据本发明的传感器组件的汽车转向系统的透视性细节图；
图2示出集成在根据本发明的传感器组件中的转角传感器的示意图；
图3示出带有所接收的传感器信号的曲线图；
图4示出带有进一步处理后的传感器信号的曲线图；
图5示出带有进一步处理后的传感器信号的另一曲线图；
图6示出带有从传感器信号中获取的指标函数；并且
图7示出多匝装置的示意图。
具体实施方式
图1示出一个在转向传动装置12区域中的汽车转向系统10。转向传动装置12包括一个传动装置壳体14、一个可移动地设置在所述传动装置壳体中的设有齿部18的齿条16以及一个转向轴20。转向轴20具有小齿轮齿部22，该小齿轮齿部设置用于与齿条16的齿部18啮合。齿部18和小齿轮齿部22都可构造为斜齿部。
此外，在转向轴20上安装有一个传感器组件24，该传感器组件包括一个未详细示出的用于磁性测定转向阻力矩的转矩传感器和一个用于磁性测定绝对转向角α的转角传感器26(亦参见图2)。传感器组件24还具有一个传感器壳体28以及一个带有磁性编码的载体元件30。传感器壳体28通常固定在传动装置壳体14上，而载体元件30可以不能相对转动地安装在转向轴20上。载体元件30是一个可转动的磁极转子，该磁极转子设有至少一个包括北/南极的极对并且优选具有多个磁极对。
通常，载体元件30容纳在传感器壳体28之内并且在图1中只为了更清楚可见的原因而被显示在传感器壳体28轴向之外。
在组件24的传感器壳体28上通常设有一个插塞连接器31，一个互补的插塞连接器可接合其中，从而传感器组件24可连接到一个(未示出的)电子控制单元上。
虽然根据图1的汽车转向系统10示例性表现出一个齿条转向装置，但清楚的是，传感器组件24的使用不局限于齿条转向装置，而是也可用在其它的汽车转向系统10中。
现在本发明的特点在于，从转矩传感器出发创造一种带有集成的转角传感器26的传感器组件24，其中，传感器组件24为测定转向阻力矩和绝对转向角α仅需要一个唯一的带有磁性编码的载体元件30，转矩传感器和转角传感器26共同使用该载体元件。这对于转角传感器意味着，该转角传感器26适合地检测并且读取在载体元件30旋转时出现的磁场变化。有关传感器组件24的转矩传感器，详细参见DE 60200 499 T2，在该文献中示例性描述了一种适合的用于根据图1的传感器组件24的转矩传感器。
图2示出容纳在传感器壳体28中的转角传感器26的示意性结构。
可清楚地看出，带有磁性编码的载体元件30在当前情况下是一个可转动的载体轮，该载体轮设有多个在圆周上或环状分布的磁铁32。磁铁32在此是永久磁铁，它们在圆周方向上这样设置，使得北极和南极交替地彼此邻接。与此相应地形成在图2中所示的磁力线34。
转角传感器26除了被磁性编码的、该转角传感器与转矩传感器所共用的载体元件30外还包括一个印刷电路板36、可选择地包括一个磁通集中器38和一个应用特定的集成电路40(下文：ASIC)。ASIC在此是这样的电子电路，其根据独特要求被实现为集成电路并且在当前情况下包括至少一个GMR、AMR或霍尔传感器元件42。
磁通集中器38设置在印刷电路板36和载体元件30之间并且通常包括至少一个适合成形的金属板，以便这样引导ASIC40区域中的磁通，使得ASIC40的一传感器元件42能够在载体元件30转动时检测磁通变化。
刚好和ASIC40一样，磁通集中器38安装在印刷电路板36上并且与印刷电路板36一起设置在传感器壳体28中。
ASIC40例如具有两个错开90°的传感器单元，其中，图3示出一个曲线图，在该曲线图中绘出在载体元件30旋转时的信号曲线。在此，绝对转向角α在向前直行时被定义为0°并且由此出发例如向左和向右设定720°的最大转向角。
根据图3的正弦或余弦状的信号曲线可在ASIC40中借助反正切函数被进一步处理并被转换为根据图4的锯齿状的信号曲线。
转角传感器26具有一个用于检测绝对转向角α的计数装置44，其中，该绝对转向角尤其可以大于360°。
根据传感器组件24的第一种实施方式，计数装置44连接到一个电蓄能器、例如汽车电池上。由此，计数装置44即使在汽车发动机关断时也被持续通电。因此，计数装置44可构造为在ASIC40中简单的计数器。图6示例性示出相应的计数函数或指标函数。这意味着，在载体元件30旋转或转动时对从转角传感器旁运动经过的角分段(或极对)的数量进行计数。然后，从计数的角分段的总数推导出方向盘或载体元件30围绕其轴线已转动过的角度，其中，该角度也可以大于完整的一转或者说360°。
然后可以在ASIC40内部或在中央电子控制单元中从处理后的传感器信号求出绝对转向角α的值。这在图5的曲线图中示出。
在传感器组件24的第二种实施方式中，这样构造计数装置44，使得其在无电流的状态中也可检测并且储存绝对转向角α的变化。其提供的优点在于，无需设置单独的电蓄能器或现有的汽车电池不被转角传感器26增加负荷。
图7示意性示出计数装置44的一种实施方式，该计数装置在无电流的状态中也可检测并且储存绝对转向角α的变化。构造为磁性计数器的计数装置44在此包括两个GMR传感器元件42，这两个GMR传感器元件分别具有一个n重的螺旋形的多层结构46。在这种多层结构46中形成所谓的畴壁。此外，在载体元件30转动时多层结构46中的磁化和多匝装置44的电阻率也发生变化。根据计数装置44的实施方式，例如可给角分段的总数配置一定的电阻率，由此推导出具体的转数。在此，电阻率在计数装置44的无电流的状态中也可保持并且通过在计数装置44上施加的电流可随时被调取。
计数装置44的测量范围在此与螺旋形的多层结构46的匝数有关。
由于这种计数装置44原则上由现有技术是已知的，因此不再详细说明具体的结构和作用方式。在这方面例如参见DE 10 2004 020 149A1，该文献描述了在螺旋形设置的多层结构中形成畴壁的效果。
为了更精确地检测绝对转向角，转角传感器设计用于测量在一个角分段内、即一个极对的角度范围内的角度范围。该测量基于磁力线变化，该磁力线变化在载体元件30的转角小时已经出现。在相应角分段内的测量与计数的角分段的总数叠加或组合，从而总计产生绝对转向角α的精确值。可在ASIC40中或在(未示出的)中央电子控制单元中进行在一定角分段内的角度范围的测量与计数的角分段总数的叠加或组合以测定绝对转向角α。

Claims (8)

1.用于汽车转向系统(10)的传感器组件，包括用于磁性测定转向阻力矩的转矩传感器以及用于磁性测定绝对转向角(α)的转角传感器(26)，其中，设有刚好一个带有一个唯一的磁性编码的载体元件(30)用来测定转向阻力矩和绝对转向角(α)，转矩传感器和转角传感器(26)共同使用该唯一的磁性编码。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述载体元件(30)是一个可转动的载体轮，该载体轮设有多个成对地径向设置的磁铁(32)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其特征在于，设有一个印刷电路板(36)，在该印刷电路板上安装有至少一个GMR传感器元件、AMR传感器元件或霍尔传感器元件(42)。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，在所述印刷电路板(36)和带有所述唯一的磁性编码的载体元件(30)之间设有一个磁通集中器(38)。
5.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其特征在于，所述转角传感器(26)测量在一个角分段内的角度范围。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，所述转角传感器(26)具有一个计数装置，该计数装置对多个角分段进行计数，其中，将角分段的总数与在一个角分段内测得的角度范围组合，以便由此确定绝对转向角(α)。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述计数装置(44)与电蓄能器连接。
8.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述计数装置(44)在无电流的状态中检测并且储存绝对转向角(α)的变化。
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