DE102005043301A1

DE102005043301A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels

Info

Publication number: DE102005043301A1
Application number: DE102005043301A
Authority: DE
Inventors: Norbert Staudt; Volker Stegmann; Guido Hirzmann; Klaus Weigand
Original assignee: TRW Automotive Safety Systems GmbH
Current assignee: ZF Automotive Safety Systems Germany GmbH
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse (12) umfaßt eine erste Meßeinrichtung zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und eine zweite Meßeinrichtung zur Ermittlung eines absoluten Winkelbereichs. Die zweite Meßeinrichtung bildet eine Drehung der Drehachse (12) als lineare Verschiebung ab.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse, mit einer ersten Meßeinrichtung zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und einer zweiten Meßeinrichtung zur Ermittlung eines absoluten Winkelbereichs.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 198 187 99 A1 bekannt. Die erste Meßeinrichtung umfaßt zwei an der Drehachse angeordnete magnetische Polringe mit in Umlaufrichtung abwechselnd aneinandergereihten Nord- und Südpolen, wobei die Ringe eine unterschiedliche Anzahl von Magnetpolen aufweisen. Jedem Ring ist ein feststehender magnetoresistiver Sensor zugeordnet. Mit dieser Anordnung läßt sich ein Drehwinkel zwar mit sehr hoher Auflösung bestimmen, allerdings nur in einem Bereich von 0° bis maximal 180°. Die DE 198 18 799 A1 schlägt daher eine zweite Meßeinrichtung mit einem Hallsensor vor, mit dem im Unterschied zu den magnetoresistiven Sensoren die Polung eines erfaßten Magnetpols bestimmt werden kann. Dadurch läßt sich der Bereich der absoluten Winkelmessung auf ein Intervall von 0° bis 360° erweitern. Zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels eines Lenkrads, das mehrere Umdrehungen in beide Drehrichtungen ausführen kann, ist dies jedoch nach wie vor nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein absoluter Drehwinkel in hoher Auflösung über einen großen Meßbereich bestimmt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der die zweite Meßeinrichtung eine Drehung der Drehachse als lineare Verschiebung abbildet. Auf diese Weise können auch größere Drehwinkel als 360°, die mehr als einer Umdrehung der Drehachse entsprechen, leicht gemessen werden, ohne daß eine inkrementale Signalauswertung (Zählen der Umdrehungen oder dergleichen) erforderlich ist. Die Umwandlung der Drehung in eine lineare Verschiebung hat den Vorteil, daß die Verschiebung fortlaufend ist und sich nicht wie eine Drehung nach 360° wiederholt. Bei geeigneter Umsetzung lassen sich genügend viele Umdrehungen linear abbilden, so daß der gesamte Drehwinkelbereich eines Lenkrads erfaßt werden kann. In Kombination mit einer ersten Meßeinrichtung, wie sie aus der DE 198 18 799 A1 bekannt ist, entsteht so eine kostengünstige Vorrichtung, mit der der absolute Lenkraddrehwinkel unmittelbar nach dem Einschalten der Versorgungsspannung des Kraftfahrzeugs ohne Relativbewegung elektrischer Komponenten berührungslos und mit hoher Auflösung bestimmt werden kann.

Die Abbildung der Drehung auf eine lineare Verschiebung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die zweite Meßeinrichtung eine spiralförmige Kulissenführung in einem an die Drehachse gekoppelten Rotor umfaßt. Dazu passend umfaßt die zweite Meßeinrichtung vorzugsweise eine radial verschiebbare Meßeinheit, die ein in die Kulissenführung eingreifendes Verschiebeelement aufweist. Diese Konstruktion sorgt dafür, daß eine Drehung der Drehachse zu einer der Drehung entsprechenden linearen Verschiebung der Meßeinheit führt.

Im Falle eines Kraftfahrzeuglenkrads ist es sinnvoll, daß die spiralförmige Kulissenführung eine Anzahl 360°-Windungen aufweist, die wenigstens der Anzahl der von der Drehachse (in diesem Fall die Lenksäule) ausführbaren Umdrehungen entspricht.

Für die Messung der linearen Verschiebung ist eine Konstruktion vorteilhaft, gemäß der die zweite Meßeinrichtung einen sich in radialer Richtung erstreckenden Stabmagneten und einen dem Stabmagneten gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor umfaßt, wobei der Stabmagnet oder der Magnetfeldsensor auf der verschiebbaren Meßeinheit und der Magnetfeldsensor bzw. der Stabmagnet feststehend angeordnet sind. Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise ein magnetoresistiver Sensor.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die erste Meßeinrichtung wenigstens zwei an die Drehachse gekoppelte Polringe mit einer unterschiedlichen Anzahl Magnetpole und zwei den Polringen zugeordnete magnetoresistive Sensoren umfaßt, ermöglicht eine zuverlässige Drehwinkelmessung auch bei hohen Winkelgeschwindigkeiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Vorrichtung zur Messung eines Lenkradwinkels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen schematisch:
1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Draufsicht auf einen Polring der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 einen Detailschnitt entlang der Linie A-A in 1;
4 eine Kulissenführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
5 einen Signalverlauf der zweiten Meßeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 10 dient zur Bestimmung des absoluten Lenkraddrehwinkels in einem Kraftfahrzeug. Das (nicht gezeigte) Lenkrad ist drehfest an eine Drehachse 12 (Lenksäule) gekoppelt, die ausgehend von einer Ausgangsstellung (Mittellage des Lenkrads) mehrere Umdrehungen in beide Drehrichtungen ausführen kann.
Eine erste Meßeinrichtung ist folgendermaßen aufgebaut. An der Drehachse 12 sind konzentrisch zu dieser zwei axial übereinander angeordnete Polringe 14, 16 angebracht, von denen der erste Polring 14 in 2 dargestellt ist. Der Polring 14 ist aus mehreren magnetisierten Segmenten 18 zusammengesetzt, so daß in Umlaufrichtung abwechselnd Nord- und Südpole aneinandergereiht sind. Der zweite Polring 16 ist genauso aufgebaut wie der erste Polring 14, weist aber eine andere Anzahl Magnetpole auf als der erste Polring 14. Den Polringen 14, 16 radial gegenüberliegend sind zwei magnetoresistive Sensoren 20, 22 auf einer Platine 24 angeordnet. Die Platine 24 wiederum ist auf einem bezüglich der Drehachse 12 feststehenden Träger 26 angebracht.
Auf einem radialen Ausleger 28 des feststehenden Trägers 26 ist ein in 3 näher dargestellter Schlitten 30 gleitend gelagert. Auf der unteren Seite des Schlittens 30 ist ein radial ausgerichteter Stabmagnet 32 befestigt. Dem Stabmagnet 32 gegenüberliegend positioniert ist ein weiterer Magnetfeldsensor 34, vorzugsweise ein magnetoresistiver Sensor. Der Sensor 34 ist auf einer feststehenden Platine 36 angeordnet, bei der es sich um die gleiche Platine wie die, auf der die anderen Magnetfeldsensoren 20, 22 angeordnet sind, oder um eine separate Platine handeln kann.
Auf der oberen Seite des Schlittens 30 ist ein Fortsatz 38 angeformt. Der Fortsatz 38 greift in eine Kulissenführung 40 ein, die in einem senkrecht zur Drehachse 12 verlaufenden Abschnitt eines an die Drehachse 12 gekoppelten Rotors 42 gebildet ist. Der Rotor 42 kann, wie in 1 gezeigt, auch als Halterung für die Polringe 14, 16 dienen und/oder einstückig mit der Drehachse 12 ausgeführt sein. Die in 4 stilisiert in Draufsicht gezeigte Kulissenführung 40 umfaßt eine Spiralnut 44, die im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt sieben 360°-Windungen aufweist. Die Anzahl der 360°-Windungen der Spiralnut 44 entspricht der Anzahl der Gesamtumdrehungen, die das Lenkrad ausführen kann. In der Ausgangsstellung der Drehachse 12, das heißt in der Mittellage des Lenkrads, befindet sich der Fortsatz 38 an einer Stelle, die genau der Hälfte der Gesamtlänge der Spiralnut 40 entspricht.
Über die erste Meßeinrichtung läßt sich berührungslos ein Drehwinkel in einem Meßbereich von 0° bis 180° mit einer sehr hohen Genauigkeit erfassen. Die zweite Meßeinrichtung kann genügend viele 180°-Winkelbereiche auflösen, um den gesamten Drehbereich des Lenkrads abzudecken. Die Bestimmung des absoluten Lenkraddrehwinkels erfolgt dann durch Kombination der Meßergebnisse der ersten und der zweiten Meßeinrichtung.
Mit der ersten Meßeinrichtung wird zum einen ermittelt, welche der Segmente 18 der Polringe 14, 16 den magnetoresistiven Sensoren 20, 22 gegenüberliegen. Dies gelingt mit Hilfe der Phasenverschiebung der Sensorsignale, die sich aus der unterschiedlichen Segmentanzahl der Polringe 14, 16 ergibt. Zum anderen wird eine Feinwinkelmessung innerhalb des betreffenden Segmentbereichs durch eine Auswertung der Sinus- und Cosinus-Signale der Sensoren mit Hilfe der Arcus-Tangensfunktion vorgenommen.
Um den tatsächlichen absoluten Lenkraddrehwinkel angeben zu können, ist die Kenntnis des aktuellen 180°-Winkelbereichs erforderlich, in dem der mit der ersten Meßeinrichtung gemessene Winkel liegt. Hierzu dient die zweite Meßeinrichtung, die je nach Anzahl der Umdrehungen, die das Lenkrad insgesamt ausführen kann, die doppelte Anzahl 180°-Winkelbereiche auflösen muß. Im Falle eines Lenkrads, das dreieinhalb Umdrehungen in beide Richtungen (d.h. insgesamt sieben 360°-Umdrehungen) ausführen kann, sind dies also 14 180°-Winkelbereiche, bei vier Umdrehungen in beide Richtungen entsprechend 16 180°-Winkelbereiche.
Wie bereits erwähnt befindet sich in der Mittellage des Lenkrads der Fortsatz 38 des linear verschiebbaren Schlittens 30 an einer Stelle, die genau der Hälfte der Gesamtlänge der Spiralnut 44 im Rotor 42 entspricht. Bei einer Drehung des Lenkrads und des drehfest mit diesem gekoppelten Rotors 42 wird der Schlitten 30 durch die Zwangsführung des als Verschiebeelement dienenden Fortsatzes 38 in der Spiralnut 44 radial nach innen oder nach außen bewegt. Somit bewirkt die Drehung des Lenkrads eine lineare Verschiebung des Schlittens 30. Die Richtung und das Ausmaß dieser Verschiebung können mit Hilfe des magnetoresistiven Sensors 34, der die Magnetfeldlinien des am Schlitten 30 befestigten Stabmagneten 32 erfaßt, berührungslos gemessen werden. Das Ausmaß der linearen Verschiebung kann durch die Wahl der Steigung der Spiralwindungen geeignet eingestellt werden.
5 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf, den der magnetoresistive Sensor 34 bei einer linearen Verschiebung des Stabmagneten 32 liefert. Aus dem Sensorsignal läßt sich dann auf den aktuellen 180°-Winkelbereich schließen, in dem der mit der ersten Meßeinrichtung gemessene Drehwinkel liegt.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse (12), mit einer ersten Meßeinrichtung zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und einer zweiten Meßeinrichtung zur Ermittlung eines absoluten Winkelbereichs, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung eine Drehung der Drehachse (12) als lineare Verschiebung abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung eine spiralförmige Kulissenführung (40) in einem an die Drehachse (12) gekoppelten Rotor (42) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung eine radial verschiebbare Meßeinheit umfaßt, die ein in die Kulissenführung (40) eingreifendes Verschiebeelement (38) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Kulissenführung (40) eine Anzahl 360°-Windungen aufweist, die wenigstens der Anzahl der von der Drehachse (12) ausführbaren Umdrehungen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung einen sich in radialer Richtung erstreckenden Stabmagneten (32) und einen dem Stabmagneten (32) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor (34) umfaßt, wobei der Stabmagnet (32) oder der Magnetfeldsensor (34) auf der verschiebbaren Meßeinheit und der Magnetfeldsensor (34) bzw. der Stabmagnet (32) feststehend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (34) ein magnetoresistiver Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung wenigstens zwei an die Drehachse (12) gekoppelte Polringe (14, 16) mit einer unterschiedlichen Anzahl Magnetpole und zwei den Polringen (14, 16) zugeordnete magnetoresistive Sensoren (20, 22) umfaßt.