DE102005051476A1

DE102005051476A1 - Lenkwinkelsensor, Lenkwinkelsensorsystem und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102005051476A1
Application number: DE200510051476
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Fröhlich; Onofrio Intini; Frank Dr. Jerems; Christian Ruetz; Lars Schoch
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2007048562A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor für ein Fahrzeug, mit einem mit einem Lenkrad oder einer Lenksäule drehkoppelbaren Rotor, mit einer Abtasteinheit, aus deren Winkelsignalen der relative Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Umdrehung des Rotors bestimmbar ist, und mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels aus den Winkelsignalen der Abtasteinheit und aus Zusatzsignalen. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Lenkwinkelsensor derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinheit im Betrieb des Lenkwinkelsensors die Zusatzsignale von wenigstens einem unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbaren Fahrzeugsystem erhält und verarbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor für ein Fahrzeug, mit einem mit einer Lenksäule oder einem Lenkrad drehkoppelbaren Rotor, mit einer Abtasteinheit aus deren Winkelsignalen der relative Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Umdrehung des Rotors bestimmbar ist und mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels aus den Winkelsignalen der Abtasteinheit und aus Zusatzsignalen.
Dabei wird unter dem absolutem Drehwinkel die Winkelsumme aus den von einer Nulllage ausgehenden vollen Umdrehungen des Lenkrades, der Lenksäule oder des Rotors und aus dem jeweiligen relativen Drehwinkel gegenüber der Nulllage innerhalb einer letzten, noch nicht vollendeten vollen Umdrehung des Lenkrades, der Lenksäule bzw. des Rotors verstanden. Wird der relative und/oder absolute Drehwinkel des Rotors betrachtet, ist aufgrund des bekannten Übersetzungsverhältnisses zwischen Lenkrad und Rotor der relative und/oder absolute Drehwinkel des Lenkrades bestimmbar. Entsprechendes gilt bei der Betrachtung der Drehung der Lenksäule.
Die Drehachse des Rotors kann dabei koaxial zum Lenkrad oder der Lenkachse verlaufen. Der Rotor ist dann vorteilhafterweise fest am Lenkrad oder der Lenksäule angeordnet. Ebenfalls ist denkbar, dass die Drehachse des Rotors achsparallel zur Drehachse des Lenkrades oder der Lenksäule angeordnet ist. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors kann dann bei Drehung des Lenkrades unterschiedlich zu der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads beziehungsweise der Lenksäule sein.

Eingangserwähnte Lenkwinkelsensoren sind beispielsweise aus der EP 1 238 891 B1 vorbekannt. Dort wird der relative Drehwinkel des Rotors, beziehungsweise der Lenksäule, über eine Codescheibe und eine die Codescheibe abtastende Abtasteinheit bestimmt. Die Zusatzsignale, die beim genannten Stand der Technik Auskunft über die Anzahl der vollen Umdrehungen des Lenkrades gibt, werden hier über eine mit der Lenksäule oder der Codescheibe mechanisch gekoppelte Zähleinheit des Lenkwinkelsensors bereitgestellt. Zur Vorsehung einer derartigen Zähleinheit werden Bauteile sowie entsprechender Bauraum benötigt.

Aus der DE 196 01 965 A1 ist eine Zähleinheit zur Zählung der vollen Umdrehungen des Lenkrades in Form eines Schrittschaltwerkes bekannt geworden. Ein derartiges Schrittschaltwerk verursacht störende Geräusche und benötigt ebenfalls entsprechenden Bauraum.

Aus der EP 1 074 452 A2 ist ein Drehwinkelsensor bekannt geworden, bei dem eine erste Codescheibe den Drehwinkel des Lenkrades innerhalb einer Lenkradumdrehung und eine zweite Codescheibe die volle Anzahl der Drehungen des Lenkrades beziehungsweise der ersten Codescheibe erfasst. Für das Vorsehen von zwei Codescheiben ist entsprechend Bauraum vorzusehen.

Aus der EP 1 018 466 A2 ist ein Drehwinkelsensor bekannt geworden, bei dem mit einer ersten und einer zweiten Magnetanordnung der Feinwinkel innerhalb einer Umdrehung der Lenksäule und mittels einer dritten Magnetanordnung der Grobwinkel, der sich aus der Winkelstellung des Lenkrades gegenüber einer Nulllage unter Berücksichtigung mehrerer Umdrehungen des Lenkrades ergibt, erfasst wird. Auch eine derartige Anordnung benötigt entsprechend Bauraum.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lenkwinkelsensor bereitzustellen, der mit möglichst wenig mechanischen Bauteilen auskommt und wenig Bauraum beansprucht.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein eingangs beschriebener Lenkwinkelsensor vorgeschlagen, der derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinheit die Zusatzsignale von wenigstens einem unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbaren Fahrzeugsystem erhält und verarbeitet.

Im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik sieht der erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor keine eigene, die Zusatzsignale generierende Sensoreinheit vor, sondern greift auf am Fahrzeug vorhandene, bestehende, unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbare Fahrzeugsysteme, oder deren Teile, zurück. Insofern wird ein mit vergleichsweise wenig Bauteilen auskommender Lenkwinkelsensor zur Verfügung gestellt, der weniger Bauraum beansprucht, als die vorbekannten Lenkwinkelsensoren. Bauteile, die die Zusatzsignale liefern, sind erfindungsgemäß nicht Bestandteil des eigentlichen Lenkwinkelsensors.

Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass er bei Nichtbetrieb des Fahrzeugs ausgeschalten werden kann. Aufgrund der Zusatzsignale kann während einer Initialisierung, also mit der oder kurz nach der Inbetriebnahme des Fahrzeugs bzw. des Sensors, der absolute Drehwinkel bereitgestellt werden. Nach der Initialisierung des Lenkwinkelsensors werden im störungsfreien Normalbetrieb die Zusatzsignale nicht zwingend benötigt, da der absolute Drehwinkel dann allein über die Drehung des Rotors bestimmbar ist. Die Zusatzsignale können allerdings zur Plausibilisierung berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Fahrzeugsystem ein Bremssystem und insbesondere ein Antiblockierbremssystem, oder ein Teil davon, ist. Derartige Bremssysteme sind in modernen Fahrzeugen vorhanden und liefern Signale, beziehungsweise zugehörige Daten, über den Zustand der zu lenkenden Räder.

Entsprechend ist es erfindungsgemäß denkbar, dass das Fahrzeugsystem ein Fahrzeugstabilisierungssystem, oder ein Teil davon, ist. Auch bei derartigen Systemen werden Signale generiert, die Auskunft über die das Fahrzeug lenkenden Räder sowie über die Lage des Fahrzeugs im Raum Auskunft geben.

Entsprechend ist denkbar, dass das Fahrzeugsystem ein Navigationssystem, oder ein Teil davon, ist. Auch hier werden entsprechende Signale bereitgestellt.

Vorteilhafterweise umfasst das fremde Fahrzeugsystem ein Sensorsystem mit einer Sensoreinheit, deren Sensorsignale als Zusatzsignale von der Auswerteeinheit verarbeitet werden. Die Sensorsignale können dabei mittelbar über das zugehörige Fahrzeugsystem dem Lenkwinkelsensor zur Verfügung gestellt werden oder unmittelbar, auf direktem Wege von der Sensoreinheit zum Lenkwinkelsensor.

Als Sensoreinheiten bieten sich hierbei Raddrehzahlsensoren an, mit denen die Drehzahl von zwei entlang einer Achse angeordneten Rädern erfassbar sind. Über unterschiedliche Drehzahlen der Räder kann auf einen absoluten Lenkwinkelbereich rückgeschlossen werden. Aus diesem groben absoluten Lenkwinkelbereich und aus den Winkelsignalen der Abtasteinheit zur Bestimmung des relativen Drehwinkels des Rotors kann eine Feinbestimmung des absoluten Drehwinkels des Lenkrades erfindungsgemäß erfolgen.

Entsprechend ist denkbar, dass die Sensoreinheit, deren Sensorsignale als Zusatzsignale herangezogen werden, einen Giersensor umfasst. Mit einem Giersensor kann ebenfalls auf eine Kurvenfahrt des Fahrzeugs, und daraus auf einen vergleichsweise groben, absoluten Lenkwinkelbereich des Lenkrades rückgeschlossen werden. In Zusammenschau mit den Winkelsignalen der Abtasteinheit kann auch hier eine Feinbestimmung des absoluten Drehwinkels des Lenkrades erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit Zugriff auf ein die Zusatzsignale übertragendes Fahrzeugbussystem hat. In modernen Fahrzeugen sind derartige Bussysteme vorhanden, über die verschiedene Fahrzeugparameter abfragbar sind. Gemäß der Erfindung können beispielsweise aus dem Bussystem Daten eines Bremssystems, eines Fahrzeugstabilisierungssystems und/oder eines Navigationssystems vom Lenkwinkelsensor abgefragt werden. Insofern ist keine zusätzliche Datenübertragung von dem jeweiligen Fahrzeugsystem zum erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensor bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor vom Lenkrad oder von der Lenksäule drehangetrieben angeordnet ist, wobei das Übersetzungsverhältnis Rotor zu Lenkrad im Bereich von 1 bis 5 und insbesondere im Bereich von 1,5 bis 3,8 liegt. Je kleiner der Durchmesser des Rotors ist, desto weniger Bauraum ist zur Verfügung zu stellen und desto größer ist das Übersetzungsverhältnis. Die Größe des Übersetzungsverhältnisses ist dabei abhängig von der Auflösung der Zusatzsignale. Große Übersetzungsverhältnisse erfordern eine hohe Auflösung der Zusatzsignale. Bei einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 3,2 wird folglich mit einer Umdrehung des Rotors der relative Drehwinkel innerhalb eines Bereichs der Lenksäule, beziehungsweise des Lenkrades, von 112,5° bestimmbar. Insofern ist dann zu gewährleisten, dass über das vom Lenkwinkelsensor unabhängig arbeitende Fahrzeugsystem absolute Lenkwinkelbereiche, die sich über 112,5° erstrecken, mit Sicherheit unterschieden werden können. Mit an den Rädern vorgesehenen Raddrehzahlsensoren von beispielsweise Antiblockiersystemen ist dies ohne Weiteres möglich. Moderne, derartige Bremssysteme erlauben eine Auflösung der absoluten Lenkwinkelbereiche im Bereich von 30° bis 60°.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Lenkwinkelsensorsystem, das einen erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensor und ein die erforderlichen Zusatzsignale bereitstellendes Fahrzeugsystem umfasst. Das Fahrzeugsystem kann dabei eine Sensoreinheit aufweisen, deren Sensorsignale mittelbar über das Fahrzeugsystem oder unmittelbar der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Lenkwinkels und/oder zum Betreiben eines Lenkwinkelsensors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors, wobei der relative Drehwinkel des Lenkrades, der Lenksäule und/oder eines mit dem Lenkrad oder der Lenksäule drehkoppelbaren Rotors bestimmt wird und wobei der absolute Drehwinkel aus dem relativen Drehwinkel und aus Zusatzsignalen wenigstens eines unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbaren Fahrzeugsystems bestimmt wird.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors näher beschrieben und erläutert wird.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors;
2 Winkelsignale zur Bestimmung des relativen Drehwinkels; und
3 die Zuordnung des relativen Drehwinkels zu Zusatzsignalen eines Fahrzeugsystems.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Lenkwinkelsensor 10 schematisch dargestellt. Der Lenkwinkelsensor 10 umfasst dabei einen Rotor 12, der über eine Verzahnung 14 mit der Lenksäule 16 drehbar gekoppelt ist. Die Lenksäulenachse 18 verläuft dabei achsparallel zur Drehachse 20 des Rotors 12. Die Drehkopplung zwischen Lenksäule 16 und Rotor 12 ist dabei so gewählt, dass das Übersetzungsverhältnis Rotor zur Lenksäule 2,4 beträgt. Bei einer Umdrehung der Lenksäule 16 dreht sich der Rotor 12 2,4-mal.
Der Rotor 12 weist eine Magnetcodierung 22 auf. Die Magnetcodierung 22 umfasst einen Ringscheibenmagnet, der zwei unterschiedlich magnetisierte, sich jeweils über 180° erstreckende Magnetabschnitte N und S aufweist.
Der Lenkwinkelsensor 10 sieht ferner eine Abtasteinheit 24 in Form von zwei Magnetfeldsensoren 26, 28 vor. Der relative Drehwinkel ε des Rotors 12 wird mittels einer Auswerteeinheit 30, die die Winkelsignale 32, 34 der Abtasteinheit 24, beziehungsweise der Magnetfeldsensoren 26, 28 auswertet, bestimmt.
Die Auswerteeinheit 30 erhält von einem Fahrzeugsystem 36 Zusatzsignale 38, aus denen sie zusammen mit dem relativen Drehwinkel ε den absoluten Drehwinkel ω bestimmt. Das Fahrzeugsystem kann hierbei insbesondere ein Antiblockierbremssystem, ein Fahrzeugstabilisierungssystem und/oder ein Navigationssystem sein. Die Zusatzsignale 38 können hierbei von einer Sensoreinheit des Fahrzeugsystems bereitgestellt werden. Insbesondere bieten sich hierfür Raddrehzahlsensoren an, die unterschiedliche Drehzahlen von zwei auf einer Achse angeordneten Rädern erfassen. Entsprechend ist denkbar, dass als Sensoreinheit alternativ oder zusätzlich ein Giersensor Verwendung findet.
In der 2 sind die analogen, sinus- beziehungsweise kosinusförmigen Winkelsignale 32, 34 der beiden Magnetfeldsensoren 26, 28 aufgetragen. Ferner ist in 2 ein sägezahnförmiges Arctan-Signal 40 aufgetragen, das aus den beiden Winkelsignalen 32, 34 resultiert. Bei bekannten Winkelsignalen 32 und 34 kann folglich auf das zugehörige Arctan-Signal 40 geschlossen werden, woraus der relative Drehwinkel ε des Rotors 12 eindeutig bestimmbar ist.
Aufgrund des Übersetzungsverhältnisses von 2,4 verdreht sich die Lenksäule 16 bei einer vollen Umdrehung des Rotors 12 um lediglich 150°. Somit kann innerhalb eines 150°-Sektors der relative Drehwinkel ε eindeutig bestimmt werden. Selbstverständlich ist eine eindeutige Zuordnung des relativen Drehwinkels ε auch bei einer Einteilung in kleinere Sektoren möglich. Bei einer Umdrehung des Lenkrades, beziehungsweise der Lenksäule, ausgehend von einer Nulllage in +/– 900°, ergeben sich +/– sechs 150°-Sektoren. Die insgesamt dreizehn Sektoren, sind in der 3 mit den Zahlen S-6 bis S+6 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, kann das Fahrzeugsystem 36 insbesondere ein Bremssystem sein, das Raddrehzahlsensoren zur Bestimmung unterschiedlicher Drehzahlen von Rädern aufweist. Aus den unterschiedlichen Raddrehzahlen zwischen innen- und außen liegenden Rädern bei einer Kurvenfahrt kann ein grober, absoluter Drehwinkelbereich von ca. +/– 60° ermittelt werden. Der Drehwinkelbereich von ca. +/– 60° ist dabei kleiner als ein Sektor von +/– 150°, weshalb eine eindeutige Zuordnung möglich ist. Über das Zusatzsignal 38 in Form des jeweils gültigen Drehwinkelbereichs kann der jeweils gültige Sektor bestimmt werden, innerhalb dessen sich der relative Drehwinkel befindet. Aus dem jeweils gültigen Drehwinkelbereich bzw. dem jeweils gültigen Sektors und aus dem relativen Drehwinkel ε kann dann mittels der Auswerteeinheit 30 der absolute Drehwinkel ω des Rotors 12, der Lenksäule 16 beziehungsweise des Lenkrades bestimmt werden.
Die Zusatzsignale 38 können dabei von dem Fahrzeugsystem 36 über ein fahrzeugimmanentes Bussystem an die Auswerteeinheit 30 übertragen werden.
Gemäß der Erfindung können andere, beispielsweise auf mechanischer oder optischer Abtastung basierende Abtasteinheiten zur Bestimmung des relativen Drehwinkels des Rotors Verwendung finden. Entsprechend kann gemäß der Erfindung der Rotor koaxial zur Lenksäulenachse angeordnet sein und insbesondere direkt an der Lenksäulenachse oder am Lenkrad befestigt sein.
Der beschriebene Sensor hat den Vorteil, dass er bei Nichtbetrieb des Fahrzeugs ausgeschalten werden kann. Aufgrund der Zusatzsignale 38 kann während einer Initialisierung, also mit der oder kurz nach der Inbetriebnahme des Fahrzeugs, der absolute Drehwinkel bereitgestellt werden.
Nach der Initialisierung des Lenkwinkelsensors werden im störungsfreien Normalbetrieb die Zusatzsignale 38 nicht zwingend benötigt, da der absolute Drehwinkel dann allein über die Abtasteinheit 24 und die Auswerteeinheit 30 bestimmbar ist. Die Zusatzsignale 38 können allerdings zur Plausibilisierung berücksichtigt werden.

Claims

Lenkwinkelsensor (10) für ein Fahrzeug, mit einem mit einem Lenkrad oder einer Lenksäule (16) drehkoppelbaren Rotor (12), mit einer Abtasteinheit (24) aus deren Winkelsignalen (32, 34) der relative Drehwinkel (ε) des Rotors (12) innerhalb einer Umdrehung des Rotors (12) bestimmbar ist und mit einer Auswerteinheit (30) zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels (ω) aus den Winkelsignalen (32, 34) der Abtasteinheit (24) und aus Zusatzsignalen (38), dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkelsensor (10) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinheit (30) im Betrieb des Lenkwinkelsensors (10) und/oder zur Initialisierung des Lenkwinkelsensors (10) die Zusatzsignale (38) von wenigstens einem unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbaren Fahrzeugsystem (36) erhält und verarbeitet.
Lenkwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (36) ein Bremssystem und insbesondere ein Antiblockierbremssystem, oder ein Teil davon, ist.
Lenkwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (36) ein Fahrzeugstabilisierungssystem, oder ein Teil davon, ist.
Lenkwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (36) ein Navigationssystem, oder ein Teil davon, ist.
Lenkwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (36) wenigstens eine Sensoreinheit umfasst, deren Sensorsignale als Zusatzsignale von der Auswerteeinheit verarbeitet werden.
Lenkwinkelsensor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit Raddrehzahlsensoren umfasst, mit denen die Drehzahlen von entlang einer Achse angeordneten Rädern erfassbar sind.
Lenkwinkelsensor (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Giersensor umfasst.
Lenkwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (30) Zugriff auf ein die Zusatzsignale übertragendes Fahrzeugbussystem hat.
Lenkwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) vom Lenkrad oder von der Lenksäule drehangetrieben angeordnet ist, wobei das Übersetzungsverhältnis Rotor zu Lenkrad im Bereich von 1 bis 5 und insbesondere im Bereich von 1,5 bis 3,8 liegt.
Lenkwinkelsensorsystem, umfassend einen Lenkwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein die Zusatzsignale (38) bereitstellendes Fahrzeugsystem (36), insbesondere ein Fahrzeugsystem wie in einem der vorhergehenden Ansprüche angegeben.
Lenkwinkelsensorsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem (36) eine Sensoreinheit umfasst, deren Sensorsignale als Zusatzsignale von der Auswerteeinheit verarbeitet werden.
Verfahren zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels (ω) und/oder zum Betreiben eines Lenkwinkelsensors (10), insbesondere eines Lenkwinkelsensors nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Drehwinkel (ε) eines des Lenkrades, der Lenksäule und/oder eines mit dem Lenkrad oder der Lenksäule drehkoppelbaren Rotors (12) bestimmt wird und dass der absolute Drehwinkel (ω) aus dem relativen Drehwinkel (ε) und aus Zusatzsignalen (38) wenigstens eines unabhängig vom Lenkwinkelsensor betreibbaren Fahrzeugsystems (36) bestimmt wird.