DE102006037618B4

DE102006037618B4 - Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers

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Publication number: DE102006037618B4
Application number: DE102006037618A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Walther; Mumtaz Ahmed Siddiqui; Ayman Youssef
Original assignee: Methode Electronics International GmbH
Current assignee: Methode Electronics International GmbH
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: DE102006037618A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers, der mit zumindest zwei weiteren drehbaren Körpern (12, 13) gekoppelt ist, wobei aus den Drehwinkeln der weiteren drehbaren Körper die Winkellage des ersten drehbaren Körpers ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Drehwinkel der weiteren drehbaren Körper (12, 13) in zumindest zwei Messstufen kapazitiv anhand einer Phasenverschiebung gemessen werden,
– wofür zumindest zwei Gruppen von zumindest in einem inneren und einem äußeren Ring angeordneten Reflektorflächen (6, 7) auf den weiteren drehbaren Körpern (12, 13) zur Bestimmung der Winkelposition erfasst werden,
– wobei für jeden weiteren drehbaren Körper (12, 13) jeweils Sendesignale von zumindest zwei Gruppen von Sendeflächen (2, 3) an die weiteren drehbaren Körper (12, 13) gesendet werden,
– die mit den in etwa korrespondierend angeordneten Reflektorflächen (6, 7) auf den weiteren drehbaren Körpern (12, 13) zusammenwirken zur Erzeugung von Messsignalen des jeweiligen weiteren drehbaren Körpers (12,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers. Dabei sollen Drehungen von bis zu 10 × 360° gemessen werden können, um insbesondere die Drehungen von Wellen und Lenksäulen im Automobilbereich exakt bestimmen zu können.
Es sind hierbei aus der Schrift DE 195 06 938 A1 ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Winkelmessung bekannt, bei der am drehbaren Körper ein Zahnradkranz befestigt ist, der wiederum mit zwei weiteren Zahnrädern zusammenwirkt, wobei durch das offenbarte Messverfahren die Winkelpositionen der zwei weiteren Zahnräder zur Bestimmung der Winkelposition des drehbaren Körpers verwendet wird. Hierbei werden AMR-Winkelsensoren verwendet, die auf den Zahnrädern positionierte Magnete abtasten und so als Absolutwertgeber arbeiten. Die Drehwinkel der weiteren beiden Zahnräder können auch kapazitiv gemessen werden, wie dies auf der Seite 2, Zeilen 38 bis 40 der DE 195 06 938 A4 allgemein angedeutet ist.
Aus der DE 199 36 246 A1 ist ein Lenkwinkelsensor bekannt, der mittels eines Codierelementes und einer dieses Codierelement abtastenden Einheit den Lenkwinkel erfasst. Hierbei ist der Lenkwinkelsensor zusammengesetzt aus zwei Codierelementen, die durch die Drehung der Lenkachse in unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt werden. Es ist hierbei das erste Codierelement drehfest mit der Lenkachse verbunden, wobei durch eine Drehung der Lenkachse dieses Codierelement mit gedreht wird und gleichzeitig über ein entsprechendes Getriebe auch das zweite Codierelement mit bewegt wird. Für die Funktionsweise der Vorrichtung ist es hierbei zentral, dass durch die Getriebeverbindung des fest mit der Lenksäule verbundenen Codierelementes das weitere Codierelement deutlich langsamer dreht, wodurch erreicht werden kann, dass bei mehrfacher Umdrehung der Lenkachse die Umdrehung des Codierelementes lediglich eine vollständige Umdrehung ausführt. Jeder Position der Lenkachse ist daher auch bei mehrfacher Umdrehung nur ein ablesbarer Code zugeordnet.
EP 0 143 354 A2 offenbart einen mehrstufigen Winkelcodierer, der Codescheiben aufweist, deren Drehachsen in der Drehachse der Welle liegen, deren Drehwinkel durch. den Winkelcodierer bestimmt werden sollen. Die erste Codescheibe (Feincodescheibe FS) ist auf der zu messenden Welle befestigt und überträgt mittels eines aufwendigen Getriebes die von der Welle ausgeführte Drehbewegung auf eine weitere Codierscheibe (Grobcodescheibe GS). Auch hier sind demnach die Codeinformationen auf zwei unterschiedlich schnell drehenden Codescheiben angeordnet.
Die DE 42 28 719 A1 beschreibt einen Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug, der sich einer kapazitiven Messung zur Bestimmung des Lenkwinkels bedient, wobei ein fest mit der Lenkspindel verbundener Adapterring ein Skalenelement trägt, welchem ein feststehendes Sensorelement zugeordnet ist, welches mit einer Sende- und Empfangselektronik in Verbindung steht. Das Skalenelement besteht hierbei aus einer Vielzahl spiegelbildlich zueinander angeordneter Elektroden, die sowohl als Empfangselektroden als auch als Sendeelektroden fungieren. Auch hier ist das Skalenelement fest mit der Lenksäule verbunden, wobei nur ein Skalenelement benötigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung vor diesem Stand der Technik ist es, ein Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers zu schaffen, das bei einfachem konstruktivem Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und bei hoher Zuverlässigkeit eine sehr genaue Bestimmung der Winkelposition ermöglicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird hierfür ein neues und erfinderisches Verfahren geschaffen, das eine mehrstufige Messung zur Bestimmung der Winkelpositionen der weiteren drehbaren Körper vorsieht. Erfindungsgemäß sind hierfür auf dem weiteren drehbaren Körpern, beispielsweise auf mit dem zu messenden drehbaren Körper gekoppelten Zahnrädern, zwei Gruppen von Reflektorflächen angeordnet, die zumindest in einem inneren und einem äußeren Ring zueinander angeordnet sind und deren Position in zumindest zwei Stufen erfasst wird, wodurch die Genauigkeit der Messung deutlich erhöht wird. Die auf diese Weise in zumindest zwei Stufen mit hoher Genauigkeit bestimmte Winkelposition jedes weiteren drehbaren Körpers führt nun unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse zu einer Bestimmung der eigentlichen Winkellage des drehbaren Körpers mit besonders hoher Genauigkeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierbei eine Messung auf der Grundlage eines kapazitiven Messsystems über Phasenverschiebung vor, bei der eine berührungslose Messung mittels Sendeflächen und diesen auf den weiteren drehbaren Körpern gegenüber angeordneten Reflektorflächen erfolgt. Es ist hierbei erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer ersten Stufe die Sendesignale mehrerer Sendeelektroden auf eine Reflektorfläche treffen, wobei die jeweiligen Signale der einzelnen Sendeelektroden eine definierte Phasenverschiebung aufweisen, vorteilhafterweise eine Phasenverschiebung um 360°/n.
Die Sendesignale werden im Bereich einer Überlappung der Sendeflächen mit der bzw. den Reflektorflächen, bzw. den Empfangselektroden erfasst und erlauben so die Bestimmung der Winkelposition der Empfangselektrode und somit des entsprechenden weiteren drehbaren Körpers.
In der 2. Messstufe werden nun wiederum Sendesignale von einer bestimmten Zahl von Sendeflächen auf eine Gruppe von Reflektorflächen bzw. Empfangselektroden abgegeben und die Position dieser Reflektorflächen bzw. Empfangselektroden über den Überlappungsbereich mit den entsprechenden signalgebenden Sendeflächen bzw. Sendeelektroden bestimmt, wodurch wiederum die Winkelposition der Empfangselektroden bzw. Reflektorflächen bestimmt werden kann und somit nun aber mit mehreren Messwerten die Winkelposition des weiteren drehbaren Körpers bestimmbar ist.
Vorteilhafter Weise wird hierbei in Messstufe 2 die Sequenz der phasenverschobenen Sendesignale gegenüber der 1. Messung verändert, um so eine noch bessere Auflösung sowie eine stärkere Signalamplitude zu erreichen.
Im folgenden werden die Berechnungsgrundlagen für die Konfigurierung der Sende- und Reflektorflächen sowie für die Anordnung der Signale näher beschrieben.
Definitionen

n

Anzahl periodischer Signale

r

Wiederholungsfaktor bzw. Faktor der Anzahl an Reflektoren

Eine höhere Anzahl gleichmäßig versetzter Signale ermöglichen differenziertere Messungen.
Hierbei sollte n aus anwendungstechnischen Überlegungen größer oder gleich 3 sein.
Die Anzahl an Reflektoren wird bestimmt durch die angestrebte Genauigkeit und Auflösung. Hierbei führt ein größerer Faktor r zu einer besseren Auflösung.
Anzahl der Sendeflächen
Um die Anzahl der Sendeflächen p zu bestimmen wird wie folgt vorgegangen:
Bestimme den größten gemeinsamen Faktor (Greatest Common Factor GCF) von n und r: n₁ := PGCD(n, r) ≡ n∧r. Bestimme nun: r₀ := r/n₁.
Die Periodischen Signale müssen hierbei erfüllen: p = p₀·n₁·n, wobei sich aus p0 durch r0 ergibt: p₀ ∊ F(r₀) ≡ {1, .., r₀}.
P ist definiert als Satz abnehmbarer Werte von p: P ≡ {p|p = p₀·n₁·n} = n₁·n·F(r₀)
Versatz der Sendeflächen
Die Sendeflächen sind vorteilhafterweise einheitlich geformt und in gleichmäßigen Abständen über den Umfang der ringförmigen Gesamt-Sendefläche verteilt.
Daraus resultierend bestimmt sich der Winkel zwischen den Zentren zweier nebeneinander liegender Sendeflächen wie folgt: 2·π/p.
Die Gleichform der Sendeflächen ist hierbei erforderlich um ebenfalls gleichförmige Variationen der Phasenverschiebungen zu erreichen.
Abdeckung durch Sendeflächen
Der Abdeckungswinkel der Sendeflächen ist lediglich beschränkt durch den Versatzwinkel und technische Grenzen betreffend die mögliche Isolierung der nebeneinander liegenden Sendeflächen, die in der Regel durch eine Lücke des Aufdrucks auf dem PCB verwirklicht wird.
Von diesen Einschränkungen ausgehend wird ein Abdeckungswinkel a gesucht, der den absoluten Wert von sin(0.5·r·a) maximiert.
Sollten mehrere Winkel a vorliegen, die zu einer Maximierung des obigen Wertes führen, so wird bevorzugt der größte Winkel verwendet, um die Impedanz niedrig zu halten.
Reflektorfläche
Die Anzahl der Reflektorflächen ist r. Der Winkel zwischen den Zentren zweier nebeneinander liegender Reflektorflächen ist ebenfalls 2·π/r.
Sind die Reflektorflächen in einem Schaltkreis miteinander verbunden beträgt der Abdeckungswinkel b einer jeden Reflektorfläche b = π/r.
Andererseits wird eine Abdeckung als Vielfaches des Versatzes der Sendeflächen 2·π/p bevorzugt, so genau wie möglich. Das nächste Vielfache zu π/r sollte berücksichtigt werden.
Anordnung der Signale
Die Anzahl n der periodischen Signale wird von 0 bis n-1 durchnummeriert. Die Phasenverschiebung des k-ten Signals ist hierbei: phase(k) = 2·π·k/n.
Die Signale sind nicht notwendigerweise in natürlicher Anordnung über das Sendefeld verteilt. Vielmehr wird die Anordnung der Signale so gewählt, dass die Ausgangssignale des Sensorelementes optimiert werden.
Vorausgesetzt die Sendeflächen sind numeriert von 0 bis p-1, das Signal für die Sendefläche i resultiert aus: Signal Sendefläche (i) = (r₀/p₀·i + s)%n, wobei s jede ganze Zahl sein kann und n die Anzahl der periodischen Signale darstellt.
Im folgenden soll die Berechnung der Winkelposition eines ersten drehbaren Körpers (MRB) durch zumindest zwei weitere drehbare Körper (SRB 1 und SRB 2) nach dem erfinderischen Verfahren beschrieben werden, wobei die drehbaren Körper konstante Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnisse zueinander aufweisen.
Diese Methode ist ebenfalls anwendbar bei nur einem weiteren drehbaren Körper mit zumindest zwei Messsystemen mit unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnissen um die mehrstufige Messung verwirklichen zu können.
Es handelt sich hierbei um das stochastische Schätzverfahren einer maximalen Wahrscheinlichkeit (maximum likelihood principle).
Definitionen

m0

Anzahl der Zähne des ersten drehbaren Körpers (MRB)

m1

Anzahl der Zähne des ersten weiteren drehbaren Körpers (SRB 1)

m2

Anzahl der Zähne des zweiten weiteren drehbaren Körpers (SRB 2) Bei einer Realisierung ohne Zahnräder sollten die ganzen Zahlen m₀, m₁, und m₂ so gewählt werden, dass m₁/m₀ das Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis des SRB 1 zum MRB und m₂/m₀ das Umdrehungsgeschwindigkeitsverhältnis des SRB 2 zum MRB ist.

y0

Zu berechnende bzw. zu schätzende Winkelposition des MRB

y1

Gemessene Winkelposition des SRB 1

y2

Gemessene Winkelposition des SRB 2

e1

Fehler in der Messung des SRB1: y₁ = (y₀·m₀/m₁ + e₁)%(2π)

e2

Fehler in der Messung des SRB2: y₂ = (y₀·m₀/m₂ + e₂)%(2π)

P1

Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Fehlers e1

P2

Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Fehlers e2 Wobei 2π lediglich beispielhaft ist für das Bogenmaß; es könnte ebenso π oder ein anderer Wert gewählt werden. % ist der Divisionsoperator. Selbst wenn e₁, e₂, und y₀ nicht bekannt sind, so sind der stochastische Charakter der Fehler e₁ and e₂ doch berechenbar entweder durch eine Modellbetrachtung des Fehlerprozesses, durch experimentelle Bestimmung oder durch eine Kombination beider Verfahren.

Berechnungen
Minimal System
Berechne den größten gemeinsamen Faktor von m₁ und m₂, beschrieben als m₁∧m₂.
Berechne n₀ und die ganzen Zahlen n₁ und n₂ mit den Formeln: n₀ = m₀/(m₁∧m₂) n₁ = m₁/(m₁∧m₂) n₂ = m₂/(m₁∧m₂)
Definiere y_m := y₀·n₀. Nun wird y_m berechnet um y₀ abzuleiten.
Periodische Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
Berechne die Funktionen f₁(y_m) und f₂(y_m) wie folgt: f₁(y_m) := addiere für jede beliebige ganze Zahl l von p₁(y₁ – y_m/n₁ + 2·l·π), und f₂(y_m) := addiere für jede beliebige ganze Zahl l von p₂(y₂ – y_m/n₂ + 2·l·π).
Wahrscheinlichkeits-Funktion
Berechne die Wahrscheinlichkeits-Funktion y_m, definiert als: L(y_m) := f₁(y_m)·f₂(y_m)
Maximale Wahrscheinlichkeitsabschätzung
Berechne y_{m_}e, die Maximale Wahrscheinlichkeitsabschätzung (MLE) von y_m, als Wert von y_m am Maximalwert der Wahrscheinlichkeitsfunktion: y_{m_}e = argmax L(y_m).
Es existieren hierbei mehrere Lösungen dieses Maximierungsproblems, periodisch wiederholt in 2·π·n1·n2.
Es wird hierbei lediglich die eine Lösung im halboffenen Segment betrachtet: [–π·n1·n2, π·n1·n2)
Oder in [0,2·π·n1·n2)
Hieraus ergibt sich die Schätzung von y₀ als y_{0_}e: y_{0_}e = y_{m_}e/n₀.
Praktische Überlegungen
In der Praxis erfordert die Implementierung des Berechnungsmodells gegebenenfalls Vereinfachungen. Wiederkehrende Werte können mittels „Look-Up-Table”-Anwendungen (LUT) schneller bearbeitet werden, und Interpolations-Verfahren werden angewendet, um die Schätzung der Winkelwerte durchzuführen.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher dargestellt. Hierbei zeigen 1 und 2 die sich gegenüberliegenden Sendeflächen (1) und Reflektorflächen (2) des Messsystems. Die 3 und 4 verdeutlichen die Sequenz der Sendesignale für die 1. Messstufe (3) sowie für die 2. Messstufe (4). 5 zeigt eine Funktion der Phasenverschiebung der 2 Messstufen über den mechanischen Winkel.
1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung von Sende- und Empfangselektroden, wie diese auf einer Leiterplatte angeordnet sind, die gegenüber den in ihrer Winkelposition zu messenden weiteren drehbaren Körpern in einer gekapselten Bauform der Messvorrichtung platziert ist. Es sind demnach bei einer Ausführungsform mit 2 weitern drehbaren Körpern, die mit dem ersten drehbaren Körper, dessen Drehwinkel im Endeffekt zu bestimmen ist, gekoppelt sind, 2 Anordnungen dieser Sende- und Empfangselektroden gegenüber den jeweiligen weiteren drehbaren Körpern erforderlich. Gegenüber der in 1 dargestellten Anordnung von Sende- und Empfangselektroden ist eine Anordnung von Reflektor- und Sendeelektroden, wie diese in 2 dargestellt ist, auf den weiteren drehbaren Körpern und wirkt mit der Anordnung entsprechend 1 zusammen.
Die Anordnung nach 1 zeigt jeweils eine Empfangselektrode 1 und 4 und 8 Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 und 3.1 bis 3.8 für jede Messstufe. Im beispielhaft ausgeführten Anordnungsfall handelt es sich demnach um 2 Messstufen, wobei die 1. Messstufe innenliegend aus einer Empfangsfläche bzw. Empfangselektrode 1 besteht, die von 8 Sendeelektroden bzw. Sendeflächen 2.1 bis 2.8 umgeben ist.
Die Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 sind hierbei nicht mit der zentral angeordneten Empfangselektrode 1 verbunden und sind gegeneinander isoliert angeordnet. Die Form der Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 ist hierbei in etwa trapezförmig, wobei die Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 symmetrisch angeordnet sind und einen gleichbleibenden Abstand zueinander aufweisen. Der Ringraum zwischen der das Zentrum ausfüllenden Kreisfläche der ersten Empfangselektrode 1 und dem Ring der zweiten Sendeelektroden 3.1 bis 3.8 ist hierbei von den Sendeelektroden 2.1. bis 2.8 der ersten Messstufe weitgehend vollflächig ausgefüllt, wobei lediglich Abstände zwischen den einzelnen Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 sowie der zentralen Empfangselektrode 1 und den die ersten Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 umgebenden weiteren Sendeelektroden 3.1 bis 3.8 eingehalten sind.
Die erste ringförmige Gruppierung von Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 umgebend ist die zweite Gruppe von Sendeelektroden 3.1 bis 3.8 angeordnet, die für die zweite Messstufe in der beispielhaften Ausführung erforderlich sind. Es sind diese Sendeelektroden 3.1 bis 3.8 leicht versetzt zu den Sendeelektroden der ersten Messstufe 2.1 bis 2.8 angeordnet, wobei diese Sendeelektroden 3.1 bis 3.8 im wesentlichen die gleiche Grundform aufweisen, wie die Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 der ersten Messstufe.
Als abschließende ringförmige Fläche ist eine zweite Empfangselektrode 4 für den Empfang der Messsignale der zweiten Messstufe angeordnet. Es handelt sich hierbei um eine geschlossene ringförmige Fläche, die mit einer entsprechenden Sendefläche 8 der in 2 dargestellten gegenüberliegenden Anordnung zusammenwirkt.
2 zeigt nun die gegenüber der 1 dargestellten Anordnung angeordneten Elektroden, die ebenfalls in der vorliegenden Bauform in 2 Gruppen angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um die Anordnung von Elektroden, wie diese auf dem weiteren drehbaren Körper, also auf dem zu messenden Körper angeordnet sind.
Direkt gegenüberliegend den Empfangselektroden entsprechend der 1 sind nun Sendeelektroden 5 und 8 angeordnet. Demnach befindet sich im Zentrum der Anordnung eine erste Sendeelektrode 5, die die Messwerte in der ersten Messstufe an die feststehende elektronische Leiterplatte der Messvorrichtung zurücksendet über die entsprechende Empfangselektrode 1.
Verbunden mit dieser Sendeelektrode 5 ist eine Reflektorelektrode bzw. Reflektorfläche 6, die mit den Sendeelektroden der ersten Messstufe 2.1 bis 2.8 zusammenwirkt. Verfahrensgemäß werden auf diese Reflektorfläche die in ihrer Phase versetzten Sendesignale über die Sendeelektroden 2.1 bis 2.8 gesendet und die entsprechenden Messsignale über die Sendefläche 5 und die Empfangsfläche 1 einer Messelektronik und Auswertungseinheit zugeführt.
Das Messsignal der ersten Stufe auf Basis der kapazitiven Messung dient der Berechnung der Position der in etwa sichelförmig ausgebildeten Reflektorfläche bzw. der Reflektorelektrode 6, auf die die Sendeimpulse der Sendeelektroden 2.1. bis 2.8 abgegeben worden sind. Auf diese Weise kann das erste Messsignal der 1. Messstufe die Position dieser sichelförmigen Reflektorfläche ermitteln und somit auch die Position des weiteren drehbaren Körpers insgesamt.
In der zweiten Messstufe haben wir 5 Reflektorflächen bzw. Reflektorelemente, auf die von den 8 Sendeelementen der zweiten Messstufe 3.1 bis 3.8 phasenversetzte Sendeimpulse abgegeben werden. Diese Reflektorelektroden 7.1 bis 7.5 sind hierbei mit entsprechenden Sendeelektroden 8.1 bis 8.5 verbunden. Insofern finden sich in der zweiten Messstufe 5 Sendeelektroden 8.1 bis 8.5, wohingegen die 1 Messstufe lediglich 1 Sendeelektrode 5 aufweist. Insofern werden in der zweiten Messstufe 5 Messsignale über die 5 Sendeelektroden 8.1 bis 8.5 an eine ringförmige Empfangselektrode 4 übertragen.
Die Reflektorelektroden 7.1 bis 7.5 weisen in der dargestellten vorteilhaften Bauform eine spezielle flächige Form auf, die als spitz zulaufendes Trapez ausgebildet ist, wobei diese erfindungsgemäße Flächenform der Reflektorelektroden 7.1 bis 7.5 zu Messsignalen mit optimaler Amplitude und sanftem Kurvenverlauf führen.
In 5 sind die Funktionen der 2 Messstufen des Verfahrens dargestellt, wobei in Messstufe 1 lediglich ein Kurvenverlauf für das eine rückübertragene Messsignal und in Messstufe 2 fünf Kurvenverläufe für die fünf rückübertragenen Messsignale dargestellt sind. Durch den rechnerischen Abgleich der in den zumindest 2 Messstufen ermittelten Messwerte kann so mit deutlich verbesserter Genauigkeit die exakte Winkelposition der weiteren drehbaren Körper bestimmt werden und aus diesen beiden Winkelpositionen wiederum die Winkelposition des ersten drehbaren Körpers abgeleitet werden.
Die 3 und 4 zeigen die Sendeflächen der ersten und zweiten Sendestufe mit den diesen Sendeflächen zugeordneten phasenverschobenen Sendesignalen. Die um jeweils 45° phasenverschobenen Signale der ersten Stufe sind hierbei den Sendeelektroden 2.1. bis 2.8 im Uhrzeigersinn zugeordnet.
Abweichend hiervon sind den Sendeelektroden der zweiten Messstufe 3.1 bis 3.8 Sendesignale in abweichender Abfolge zugeordnet. Ist die Anordnung in der ersten Messstufe abcdefgh, so ist die Signalanordnung der zweiten Messstufe abweichend hiervon chgbgdaf. Durch dieses Verfahren der unterschiedlichen Sendesignalsequenz in Bezug auf deren Phasenverschiebung wird die Fläche der Überlagerung von Sende- und Reflektorelektroden bzw. Sende- und Reflektorflächen in der zweiten Messstufe um den Faktor 5 erhöht, wodurch eine deutlich höhere Auflösung und somit auch eine verbesserte Signalamplitude erreicht werden kann.
In 6 ist der beispielhafte Aufbau einer derartigen Messvorrichtung dargestellt, die zum Einen ein 2-teiliges Gehäuse 9, 10, aufweist, in welches ein zentrales um den in seiner Drehung zu bestimmenden ersten drehbaren Körper anzuordnendes -Zahnrad eingesetzt wird, mit dem 2 weitere unterschiedlich große Zahnräder 12 und 13 gekoppelt sind.
Auf diesen weiteren Zahnrädern 12 und 13 angeordnet sind mit Elektroden bedruckte Leiterplatten 14 und 15, auf denen die entsprechenden Reflektorflächen und Sendeflächen zur Bestimmung des Drehwinkels dieser Zahnräder 12 und 13 angeordnet sind. Gegenüber diesen Zahnräder ist eine weitere elektronische Leiterplatte 16 mit entsprechender Auswertungselektronik und den korrespondierenden Sendeelektroden angeordnet.
Auf dieser elektronischen Leiterplatte 16 sind somit gegenüber den 2 weiteren Zahnrädern 12 und 13 die Sende- und Empfangsflächen direkt angeordnet. Diese können hierbei ebenfalls als bedruckte elektronische Leiterplatten ausgeführt sein.
Aus dieser Anordnung geht hervor, dass der erfinderische Drehwinkelsensor neben einer hohen Genauigkeit und Auflösung als weiteres wesentliches vorteilhaftes Merkmal eine sehr geringe Bauhöhe aufweist, die 11 mm nicht überschreitet. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Ausstattung von Kraftfahrzeugen mit Fahrzeugelektronik ist dieser Raumgewinn ein ganz wesentlicher Vorteil, der wiederum neue Freiheiten beim Einbau anderer elektronischer Bauteile gibt.
Ein weiterer Vorteil der hier beispielhaft aufgeführten Bauform der Erfindung ist, dass durch die Wahl eines kapazitiven Messsystems eine besonders zuverlässige, genaue und wartungsarme Messvorrichtung gefunden worden ist. Doch erst durch die Entwicklung des hier beschriebenen erfinderischen Messverfahren in mehreren Stufen konnte dieses kapazitive Messsystem in einer Genauigkeit und Auflösung realisiert werden, die aktuellen und auch zukünftigen Anforderungen der Messgenauigkeit genügt.

Claims

Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers, der mit zumindest zwei weiteren drehbaren Körpern (12, 13) gekoppelt ist, wobei aus den Drehwinkeln der weiteren drehbaren Körper die Winkellage des ersten drehbaren Körpers ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drehwinkel der weiteren drehbaren Körper (12, 13) in zumindest zwei Messstufen kapazitiv anhand einer Phasenverschiebung gemessen werden, – wofür zumindest zwei Gruppen von zumindest in einem inneren und einem äußeren Ring angeordneten Reflektorflächen (6, 7) auf den weiteren drehbaren Körpern (12, 13) zur Bestimmung der Winkelposition erfasst werden, – wobei für jeden weiteren drehbaren Körper (12, 13) jeweils Sendesignale von zumindest zwei Gruppen von Sendeflächen (2, 3) an die weiteren drehbaren Körper (12, 13) gesendet werden, – die mit den in etwa korrespondierend angeordneten Reflektorflächen (6, 7) auf den weiteren drehbaren Körpern (12, 13) zusammenwirken zur Erzeugung von Messsignalen des jeweiligen weiteren drehbaren Körpers (12, 13) zur Bestimmung von dessen Winkellage in den zumindest zwei Messstufen, – aus denen unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse mit hoher Genauigkeit die Winkellage des ersten drehbaren Körpers bestimmt wird, – wobei die Abfolge der für die zumindest zwei Messstufen abgegebenen Sendesignale der zumindest zwei Gruppen von Sendeflächen (2, 3) voneinander abweichend gewählt wird – und bei einer Nummerierung der Sendeflächen p von 0 bis p-1, das Signal für die Sendefläche i resultiert aus: Signal Sendefläche (i) = (r0/p0·i + s)%n, – wobei s jede ganze Zahl sein kann, n die Anzahl der periodischen Signale und r die Anzahl an Reflektorflächen darstellt mit r0 := r/n1 und p = p0·n1·n, n₁ = größter gemeinsamer Faktor von n und r, % = Divisionsoperator, – die Sendeflächen (2, 3) Sinussignale Sk aussenden mit einer definierten Phasenverschiebung nach der Gleichung S_k = S₀sin(ωt – k2π / n). – mit n als Zahl der verwendeten Sendeelektroden, k als Nummer der jeweiligen Sendeelektrode, ω als Kreisfrequenz, t als Zeitfaktor und S0 als Amplitude – und in den jeweiligen Messstufen acht Sendesignale a bis h auf die Reflektorflächen (6 und 7) abgegeben werden, wobei die Reihenfolge der Sendesignale der ersten Messstufe abcdefgh und die Reihenfolge der zweiten Messstufe chebgdaf ist.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 10 Umdrehungen von 360° erfasst werden.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung der Sendesignale 360°/n beträgt.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich je nach Winkelposition der weiteren drehbaren Körper unterschiedlich abdeckenden Sende- (2, 3) und Reflektorflächen (6, 7) Plattenkondensatoren bilden und somit Kapazitäten erzeugen, die als Messwerte zur Bestimmung der Winkelposition zu einer Auswerteelektronik zurückgeführt werden.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale vor deren Auswertung verstärkt und in Rechtecksignale mit bestimmter Phasenverschiebung konvertiert werden, aus denen die Winkelposition berechnet wird.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sendesignale der ersten Messstufe auf eine einzige Reflektorfläche (6) abgegeben werden und – die Sendesignale der zweiten Messstufe auf fünf Reflektorflächen (7.1 bis 7.5) abgegeben werden – und das Messsignal über fünf Sendeelektroden (8.1 bis 8.5) auf eine Empfangselektrode (4) zurückgeführt wird.
Verfahren zur Messung der Winkelposition eines drehbaren Körpers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelposition y₀ des ersten drehbaren Körpers mittels einer maximalen Wahrscheinlichkeitsabschätzung bestimmt wird als y_{0_}e = Y_{m_}e/n₀ mit Y_{m_}e = argmax L(Y_m).