DE102005040150A1

DE102005040150A1 - Elektronischer Winkelsensor und Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102005040150A1
Application number: DE102005040150A
Authority: DE
Inventors: Christian Schirp; Stefan Garneyer; Oliver Maier
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Beschrieben wird ein elektronischer Winkelsensor mit einem Meßbereich größer als 360 DEG für ein Kraftfahrzeug, mit einer Auswerteschaltung, die eine Winkelposition innerhalb einer Umdrehung erfaßt und die einen elektronischen Umdrehungszähler aufweist, wobei die Auswerteschaltung einen Ruhezustand mit verringerter Stromaufnahme einnehmen kann, wobei eine Schalteinrichtung an mindestens zwei Winkelpositionen ein Wecksignal erzeugt, welches die Auswerteschaltung aus dem Ruhezustand in einen Normalbetriebszustand überführt, wobei zwei drehbar angeordnete Magnete vorgesehen sind, die mit entgegengesetzter Polarität an Hallsensoren vorbeigeführt werden, und wobei eine mit der Ausgangsspannung der Hallsensoren beaufschlagte Schaltungsanordnung das Wecksignal generiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Winkelsensor mit einem Meßbereich größer als 360° für ein Kraftfahrzeug, mit einer Auswerteschaltung, die eine Winkelposition innerhalb einer Umdrehung erfaßt und die einen elektronischen Umdrehungszähler aufweist, wobei die Auswerteschaltung einen Ruhezustand mit verringerter Stromaufnahme einnehmen kann und wobei eine Schalteinrichtung an mindestens zwei Winkelpositionen ein Wecksignal erzeugt, welches die Auswerteschaltung aus dem Ruhezustand in den Normalbetriebszustand überführt.
Winkelsensoren mit einem Meßbereich von mehr als 360° oder sogar einem mehrere Umdrehungen umfassenden Meßbereich kann man in zwei Gruppen unterteilen und zwar echte absolutmessende Sensoren einerseits und unterschiedliche Arten von segmentierten dauerbestromten Sensoren andererseits.
Das prinzipielle Problem bei Winkelsensoren mit einem derart weiten Meßbereich besteht darin, Mehrdeutigkeiten für die erkennbare Winkelposition außerhalb eines Vollkreises aufzulösen.
Hierzu verwenden die absolut messenden Winkelsensoren zumeist mechanische Anordnungen z. B. nach dem Planetenradprinzip (ein Sonnenrad und mehrere Planetenräder), Stachelräder oder andere getriebliche Ankoppelungen. Neuere, wenig verbreitete Systeme nutzen physikalische Effekte wie das Umklappen von Magnet-Domänen im Wieganddraht oder Verschieben solcher Domänen in geeigneten Strukturen.
Gemein ist den Prinzipien der ersten Gruppe jedoch entweder eine mit Geräuschen verbundene getriebliche Anbindung oder die Verwendung von bisher nicht serientechnisch im Automobil erprobten Prinzipien.
Dem gegenüber vorteilhaft, weil verschleiß- und geräuschärmer, sind berührungslos nach optischen, kapazitiven oder induktiven Prinzipien messende Winkelsensoren. Zur Auflösung eines Winkelbereichs von über 360° benötigen diese Sensoren aber einen elektronischen Umdrehungszähler. Sofern der Umdrehungszähler nicht regelmäßig neu initialisiert werden soll, muß der Zählwert des Umdrehungszählers ständig erhalten bleiben, etwa durch Speicherung in einem nichtflüchtigen oder einem ständig bestromten Speicherelement.
Während also die Sensoren der ersten Gruppe bei batteriebetriebenen Systemen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, ohne jegliche Ruhestromaufnahme arbeiten können, arbeiten die Systeme der zweiten Gruppe mit unterschiedlich hohen Ruheströmen, da erstens der Speicherwert des Umdrehungszählers erhalten werden muß und zudem, zur Überprüfung ob eine Sensorbetätigung stattfindet, die Signalverarbeitung des Sensors in bestimmten Zeitabständen komplett „geweckt" werden muß.

Aus der DE 101 45 884 A1 ist ein gattungsgemäßer elektronischer Winkelsensor bekannt, der einen Schalter aufweist, der an mindestens zwei vorgegebenen Winkelpositionen ein elektrisches Energiespeicherelement zur Aufladung elektrisch mit der Fahrzeugbatterie verbindet und an anderen Winkelpositionen das Speicherelement zur Spannungsversorgung nutzt. Hierbei wird vorgeschlagen, den Schalter durch mehrere Reedkontakte auszubilden. Das Aufladen des Energiespeicherelements ist vorgesehen, um damit den Winkelsensor kurzzeitig in Betrieb zu nehmen und um anhand des vom Winkelsensor erfaßten Winkels den Umdrehungszähler zu inkrementieren oder zu dekrementieren. Der Wert des Umdrehungszählers wird danach in einem nichtflüchtigen Speicher gesichert. Daher fließt ein Ruhestrom nur kurzzeitig beim Überstreichen der beiden vorgegebenen Winkelpositionen.

Wie nachfolgend noch anhand der 2 erläutert wird, ist die Verwendung von Reedkontakten zum „Aufwecken" eines Winkelsensors problematisch, da Reedkontakte auf schnelle Winkeländerungen nicht ausreichend schnell reagieren und daher zu Fehlern bei der Umdrehungszählung führen können.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Weise einen besonders zuverlässig funktionierenden berührungslos messenden Winkelsensor mit einer geringen Ruhestromaufnahme und einer besonders schnellen Aktivierbarkeit aus dem Ruhezustand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei drehbar angeordnete Magnete vorgesehen sind, die mit entgegengesetzter Polarität an zwei Hallsensoren vorbeigeführt werden und daß eine mit den Ausgangsspannungen der Hallsensoren beaufschlagte Schaltungsanordnung das Wecksignal generiert.

Ein Hallsensor zeichnet sich gegenüber Reedkontakten durch ein erheblich schnelleres Reaktionsvermögen aus; vorteilhaft ist zudem, daß der Hallsensor die vorbeilaufenden Magnete anhand ihrer Polarität unterscheiden kann und ohne bewegliche Teile auskommt.

Eine Schaltungsanordnung mit Hallsensoren benötigt zwar im Gegensatz zu einer Weckanordnung mit Reedkontakten eine ständige Stromversorgung, der aufgenommene Ruhestrom kann dabei aber äußerst gering gehalten werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert.
Es zeigen
1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelsensors,
2 einen Winkelsensor nach dem Stand der Technik,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Winkelsensor,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Winkelsensor.
Die 2 zeigt einen Winkelsensor nach dem Stand der Technik, speziell einen Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer mit einer Lenkspindel (11) verbundenen Codescheibe (10) und einem berührungslosen Abtastsystem (12), welches nach einem kapazitiven, induktiven oder optischen Meßprinzip funktioniert. Das Abtastsystem (12) ist mit einer Auswerteschaltung (18) verbunden und erfaßt die Lage der Codescheibe (10) innerhalb eines Winkelbereichs von 360°. Zur Erfassung größerer Meßbereiche als 360° weist die Auswerteschaltung (18) intern einen Umdrehungszähler auf.
Die Auswerteschaltung (18) ist derart ausgebildet, daß sie in einen Ruhezustand mit einem sehr geringen Ruhestrombedarf gebracht werden kann oder vorzugsweise sogar ganz abschaltbar ist. Der zur Auswerteschaltung (18) gehörende Umdrehungszähler kann dabei beispielsweise als ein nichtflüchtiger Speicherbaustein oder als Speicherbaustein mit einem sehr geringen Ruhestrombedarf ausgebildet sein. Der Ruhezustand ist vorteilhaft, um beispielsweise bei einem abgestellten Kraftfahrzeug die Stromaufnahme des Winkelsensors möglichst gering zu halten.
Wesentlich ist, daß die Auswerteschaltung (18) durch ein Wecksignal (WS) „aufweckbar" ist, was bedeutet, daß die Auswerteschaltung (18) durch ein angelegtes Signal schnell einschaltbar bzw. vom Ruhezustand in den Normalbetriebszustand überführbar ist. Dies ist notwendig, damit größere Drehbewegungen, die während des Ruhezustands erfolgen, bei der Umdrehungszählung berücksichtigt werden können.
Auf der Codescheibe (10) sind, um 180° versetzt, zwei Magnete (13, 14) angebracht, die mit zwei neben der Codescheibe (10) angeordneten Reedkontakten (15, 16) zusammenwirken. Die beiden Reedkontakte (15, 16) sind mit einer Schaltungsanordnung (17) zur Signalverarbeitung verbunden. Überstreicht wenigstens einer der beiden Magnete (13, 14) die beiden Reedkontakte (15, 16), so kann die Schaltungsanordnung (17) aus der Auslösereihenfolge der beiden mit einem geringen Winkelversatz nebeneinander angeordneten Reedkontakte (15, 16) eine Drehung der Codescheibe (10) erkennen und die Drehrichtung der Codescheibe (10) bestimmen.
Zur Detektion einer neuen Umdrehung muß der Winkelsensor nur dann eine Änderung des Winkels erfassen, wenn die Codescheibe (10) zum jeweils zuletzt gemessenen Winkel mehr als 180°, also gemäß dem Shannon-Abtast-Theorem ein halbes Segment weit, gedreht wurde. Es ist daher ausreichend, die Auswerteschaltung (18) des Sensors nur bei einer Drehung um mehr als 180° zu aktivieren. Ein Aktivierung der Auswerteschaltung (18) erfolgt durch die Schaltungsanordnung (17), wenn einer der beiden um 180° versetzt angeordneten Magnete (13, 14) einen der Reedkontakte (15, 16) überstreicht.
Nachteilig ist jedoch, daß Reedkontakte im Kraftfahrzeug hinsichtlich der Zuverlässigkeit als kritisch erachtet werden und das System sehr schnell meßbereit sein muß, damit erkannt werden kann, in welcher Richtung die Codescheibe gedreht wurde. Gängige Spezifikationen für Lenkwinkelsensoren gehen von einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000°/s aus, was bedeutet, daß das System spätestens nach 180°/3000°/s = 60 ms den Winkel messen muß.
Diese Anforderung ist bei einer Verwendung von zwei Reedkontakten (15, 16) nicht fehlerfrei erfüllbar. Unter Einbeziehung einer separaten Elektronik zum Speichern der Betätigungsreihenfolge der Reedkontakte (15, 16) kann nur bei gleichförmigen Drehbewegungen die Umdrehungsrichtung erkannt werden. Wird die Codescheibe (10) im Uhrzeigersinn gedreht, löst erst der rechte Reedkontakt (16) aus, dann der linke Reedkontakt (15); wird die Codescheibe (10) entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, löst erst der rechte Reedkontakt (16) aus, dann der linke Reedkontakt (15). Steht ein Magnet (13, 14) jedoch kurz vor einem Reedkontakt (15, 16), kann durch eine kleine Drehung in Richtung Reedkontakt und eine anschließende schnelle Drehung in der entgegengesetzten Richtung eine Fehlzählung ausgelöst werden, wenn das Winkelmeßsystem nicht schnell genug gestartet wird.
Derartige Fehlzählungen können mit einem erfindungsgemäßen Winkelsensor vermieden werden, der anstelle von zwei Reedkontakten Hallsensoren (HS1, HS2) aufweist und dessen Aufbau in der 1 skizziert ist. Die beiden Magnete (13, 14) sind mit entgegengesetzter Polung ausgerichtet, so daß eine Auswerteelektronik gemäß dem Prinzipschaltbild in 3 über die Polung der Hallspannungen (Uhall1, Uhall2) erkennt, in welcher Reihenfolge die Magnete (13, 14) an den Hallsensoren (HS1, HS2) vorbeilaufen, über die Betätigungsreihenfolge der Hallsensoren (HS1, HS2), in welcher Richtung.
Die 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der eine Drehung der Codescheibe (10) in einer Anordnung nach 1 erkennt und die Drehrichtung der Codescheibe (10) bestimmt werden kann. Die Ausgangsleitungen der Hallsensoren (HS1, HS2) liegen antiparallel an je zwei Eingängen von vier Schmitt-Trigger-Bausteinen (ST1–ST4) an. Überstreicht einer der auf der Codescheibe (10) angeordneten Magnete (13, 14) einen Hallsensor (HS1, HS2), so liegt, je nach Polarität des jeweiligen Magneten, eine positive oder negative Hallspannung (Uhall1, Uhall2) auf den Ausgangsleitungen des Hallsensors (HS1, HS2) an. Befindet sich kein Magnet (13, 14) in der Nähe der Hallsensoren (HS1, HS2), so liegt die Hallspannung (Uhall1, Uhall2) nahe bei 0 V.
Über die vier Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1–ST4) wird die Polarität der Hallspannungen (Uhall1, Uhall2) in ein digitales Signal gewandelt. Aus diesen digitalen Signalen erzeugt ein Verknüpfungsbaustein (V), hier ausgeführt als EXKLUSIV-ODER-Gatter, ein Taktsignal (TS) für die vier Schieberegister (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N). Da die digitalen Ausgangssignale der Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1–ST4) gleichzeitig an den Eingängen der Schieberegistern (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N). anliegen, werden diese mit dem Taktsignal (TS) in den Schieberegistern (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) gespeichert. Das Taktsignal (TS) bildet gleichzeitig das Wecksignal (WS) mit dem die Auswerteschaltung bedarfsweise aus dem Ruhezustand aufgeweckt werden kann, um zumindest den Wert des Umdrehungszählers neu zu setzen.
Nachfolgende Tabelle zeigt die Zustände, die sich in den Schieberegistern (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Codescheibe (10) ergeben, wenn man von einer Ausgangsstellung der Codescheibe (10) gemäß der 1 ausgeht. Die Hallsensoren (HS1, HS2) registrieren nacheinander jeweils zwei vorbeilaufende Magnetpole (N bzw. S). Die möglichen Meßereignisse sind in der Tabellenspalte „Pole" angegeben. Es sei beispielhaft angenommen, daß der Magnet 14, dessen magnetischer Nordpol (N) an einem Hallsensor (HS1 oder HS2) vorbeiläuft eine positive Hallspannung (Uhall1, Uhall2) und der Magnet 13 mit seinem magnetischen Südpol (S) entsprechend eine negative Hallspannung (Uhall1, Uhall2) erzeugt.
Die Spalten „erste Betätigung" bzw. „erste Betätigung" zeigen jeweils den Zustand der Schieberegister (Q1P, Q2P, Q1N, Q2N) an, nachdem die Hallsensoren (HS1, HS2) den ersten bzw. zweiten vorbeilaufenden Magnetpol registriert haben. Hierbei bedeutet beispielsweise Q1P = 0010, daß das erste Schieberegister (Q1P) in den Bits Q1P1 und Q1P2 den Wert 0, im Bit Q1P3 den Wert 1, im Bit Q1P4 den Wert 0 enthält.
Die bei einer Zitterbewegung anfallende dritte Betätigung muß nicht ausgewertet werden, da die Auswerteschaltung (18) über den Vergleich alter/neuer der Winkel feststellen kann, wie weit die Codescheibe (10) gedreht wurde.
Mit einer solchen Auswertung verringern sich die Ansprüche an die Startgeschwindigkeit der Auswerteschaltung beträchtlich: Das System hat fast 120 ms Zeit für den Start, da zweifelsfrei erkannt werden kann, ob die beschriebene Zitterbewegung oder eine gleichförmige Drehung erfolgt ist.
Nachteilig an der Verwendung eines Hallsensors ist, daß der Hallsensor dauerhaft mit Strom versorgt werden muß. Integriert man aber einen Low-Power-Hallsensor mit seiner Auswerteschaltung jedoch auf das Silizium eines gängigen weckfähigen Schaltkreises, kann die Spannungsversorgung des sowieso im Schaltkreis vorhandenen Weckmechanismus genutzt werden und man erhält durch die Integration und damit den Wegfall von Lötverbindungen noch weitere Preis- und Zuverlässigkeitsvorteile.
Eine Variante der Schaltungsanordnung ist in der 4 dargestellt. Der EXOR-Verknüpfungsbaustein weist hier einen invertierenden („low-active") Ausgang auf. Ein besonderer Vorteil dieser Schaltungsvariante besteht darin, daß die steigende Flanke des Taktsignals (TS) und damit des Wecksignals (WS) nicht während der ansteigenden Flanke der Feldintensität generiert wird, sondern auf deren fallenden Flanke. Hierdurch ist insbesondere der Fall, daß der Magnet direkt über den Hallsensoren (HS1, H2) steht, besser auswertbar.
Um dieses schaltungstechnisch zu erreichen, muß die Schaltungsanordnung aus der 3 um vier RC-Glieder (RC1–RC4) erweitert werden, die die Ausgangssignale der Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1–ST4) vor der steigenden Flanke des Taktsignals (TS) solange festhalten, bis die Ausgangssignale in den Schieberegistern (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) abgelegt worden sind. Die Zeitkonstanten der RC-Glieder (RC1–RC4) sind hierzu mindestens entsprechend der Gatterlaufzeit der Schieberegister (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) und des Verknüpfungsbausteins zu wählen.
Die Ausführung der Speicherbausteine als Schieberegister (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) ist hier selbstverständlich rein beispielhaft; alternativ ist z. B. auch die Verwendung komplexerer Speicher mit eigenem Zählwerk für die Adressierung sowie eine Reduktion der Schieberegister durch logische Zusammenfassung der Eingangssignale ist möglich.

10: Codescheibe
11: Lenkspindel
12: Abtastsystem
13, 14: Magnet
15, 16: Reedkontakt
17: Schaltungsanordnung
18: Auswerteschaltung
HS1, HS2: Hallsensoren
N: magnetischer Nordpol
Q1P, Q2P, Q1N, Q2N: Speicherbausteine (Schieberegister)
Q1P1, Q1P2, Q1P3, Q1P4,
Q2P1, Q2P2, Q2P3, Q2P4,
Q1N1, Q1N2, Q1N3, Q1N4,
Q2N1, Q2N2, Q2N3, Q2N4: Schieberegisterzellen
RC1, RC2, RC3, RC4: RC-Glieder
S: magnetischer Südpol
ST1, ST2, ST3, ST4: Schmitt-Trigger-Bausteine
TS: Taktsignal
Uhall1, Uhall2: Hallspannung
V: Verknüpfungsbaustein
WS: Wecksignal

Claims

Elektronischer Winkelsensor mit einem Meßbereich größer als 360° für ein Kraftfahrzeug, mit einer Auswerteschaltung, die eine Winkelposition innerhalb einer Umdrehung erfaßt und die einen elektronischen Umdrehungszähler aufweist, wobei die Auswerteschaltung einen Ruhezustand mit verringerter Stromaufnahme einnehmen kann, wobei eine Schalteinrichtung an mindestens zwei Winkelpositionen ein Wecksignal erzeugt, welches die Auswerteschaltung aus dem Ruhezustand in einen Normalbetriebszustand überführt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei drehbar angeordnete Magnete (13, 14) vorgesehen sind, die mit entgegengesetzter Polarität an zwei Hallsensoren (HS1, HS2) vorbeigeführt werden und daß eine mit den Ausgangsspannungen (Uhall1, Uhall2) der Hallsensoren (HS1, HS2) beaufschlagte Schaltungsanordnung (17) das Wecksignal (WS) generiert.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (17) aus dem Ausgangsspannungsverläufen (Uhall1, Uhall2) der Hallsensoren (HS1, HS2) eine Drehrichtung bestimmt.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete (13, 14) um 180° versetzt gegeneinander angeordnet sind.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor nach einem berührungslosen Meßprinzip funktioniert.
Winkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor nach einem kapazitiven, induktiven oder vorzugsweise optischen Meßprinzip funktioniert.
Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor eine drehbare Codescheibe (10), die eine Codierung für einen Winkelmeßbereich kleiner oder 360°, sowie eine Abtasteinrichtung zum Lesen der Codierung aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1, ST2, ST3, ST4) vorgesehen sind, von denen je zwei Eingänge antiparallel mit dem Hallspannungsausgängen der Hallsensoren (HS1, HS2) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verknüpfungsbaustein (V) das Wecksignal (WS) durch eine logische Verknüpfung der Ausgangssignale der vier Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1, ST2, ST3, ST4) erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Ausgangssignale aller Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1, ST2, ST3, ST4) in Speicherbausteinen (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) gespeichert werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbausteine (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) als Schieberegister ausgeführt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wecksignal (WS) gleichzeitig das Taktsignal (TS) für alle Speicherbausteine (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) ist oder generiert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmitt-Trigger-Bausteine (ST1, ST2, ST3, ST4) über jeweils ein RC-Glied (RC1, RC2, RC3, RC4) mit dem Eingang der Speicherbausteine (Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der RC-Glieder (RC1, RC2, RC3, RC4) mindestens der Gatterlaufzeit der Speicherbausteine ((Q1P, Q1N, Q2P, Q2N) entspricht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (HS1, HS2) mit der Schaltungsanordnung (17) eine bauliche Einheit bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (HS1, HS2) mit der Schaltungsanordnung (17) sowie mit der Auswerteschaltung (18) eine bauliche Einheit bilden.
Winkelsensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor einen Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug ausbildet.