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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung, beispielsweise zur optischen
oder magnetischen Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden
Bauteils beispielsweise in einer Getriebe- oder Lenkvorrichtung
in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist bisher bereits bekannt, dass beispielsweise Lenkwinkelsensoren
zur Detektierung des Drehwinkels nach der eingangs beschriebenen
Art so aufgebaut sind, dass dieser Drehwinkel berührungslos
erfasst werden kann. Es ist in der Regel für elektronische
Steuer- und Regelsystemen in einem Kraftfahrzeug von großer
Bedeutung, dass der Drehwinkel und die Umdrehungszahl des Lenkrades
möglichst genau bestimmt werden, um ein absolutes Istsignal über
die Lenkradstellung oder über eine Drehwinkeländerung
des Lenkrades zu erhalten. Aus dem Stand der Technik sind auch solche
Verfahren bekannt, die den absoluten Winkel eines rotierenden Körpers über
mehrere Umdrehungen berechnen.
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Aus
der
DE 101 10 785
A1 und aus der
DE 103
05 592 A1 sind Anordnungen bekannt, die zur Verfeinerung
der Drehwinkelmessung auf einem Hauptrad beruhen, das ein Nebenrad
antreibt. Der Winkel des Hauptrades wird hier mit einer digital
codierten optischen Sensorik erfasst und das Nebenrad wird von einer
analog codierten magnetischen Sensorik erfasst.
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Aus
der
DE 100 60 287
A1 ist es darüber hinaus für sich gesehen
bekannt, das eine Drehwinkelmessung mittel optisch lesbarer Codespuren
am drehenden Bauteil vorgenommen wird, wobei die während
der Drehung vorbei an einem ortsfesten Sensor detektierbaren Hell-Dunkel-Übergänge
zur Gewinnung eines digitalen Ausgangssignals herangezogen werden
können.
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Ferner
ist aus der
DE 195
34 995 A1 bekannt, dass das drehende Teil mit einer Codescheibe zur
Feinmessung versehen ist, die eine Magnetanordnung trägt,
durch die bei einer Drehung magnetische Polwechsel an ortsfesten
Hallschaltern erfolgen, so dass mit den Hallschaltern digitale Ausgangssignale
erzeugbar sind. Die Magnetanordnung ist dabei so auf dem Drehkreis
verteilt, dass sich in Verbindung mit einer vorgegebenen Anzahl
von auf dem Drehkreis angebrachten Hallschaltern ein sogenannter
Graycode ergibt. Von einer Verzahnung der Codescheibe zur Feinmessung
wird eine weitere Codescheibe zur Grobmessung mit einer geringeren Anzahl
von Hallschaltern angetrieben, die zur absoluten Drehwinkelmessung
auch bei mehreren Umdrehungen, zum Beispiel nach dem an sich bekannten
Noniusverfahren, herangezogen wird.
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Die
bisher vielfach eingesetzten optischen Systeme haben dabei gegenüber
magnetischen Systemen den Nachteil, dass sie oft in rauen Umgebungen,
wie zum Beispiel im Motorraum eines Kraftfahrzeuges nicht einsetzbar
sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einer Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln
an einem drehenden Bauteil mit magnetischen Gebern und Hallschaltern als
Sensoren aus, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung
des drehenden Bauteils von den magnetischen Gebern erzeugten Polwechsel
in einer Anzahl von den korrespondierend zu dem Drehkreis des rotierenden
Bauteil angeordneten Hallschaltern jeweils als digital nach einem
Graycode auswertbare Signale detektieren, wie es in der zuvor erwähnten
DE 195 34 995 A1 beschrieben
ist. Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise
die Verteilung der Polwechsel auf dem Drehkreis so angeordnet, dass
in Verbindung mit den korrespondierend zum Drehkreis angeordneten
Hallschaltern ein fehlersicherer Graycode der Ordnung p realisiert
ist, bei dem eine Verfälschung um bis zu p – 1
Bit nicht zu einem Fehlersignal führt.
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Mit
der Erfindung kann auf einfache Weise erreicht werden, dass die
Hallschalter in jedem temporären Auslesezustand ein binäres
Codewort bilden, bei dem ein Fehler in der Größe
von einem Bit entweder ein ungültiges Codewort oder ein
benachbartes Codewort darstellt. Beispielsweise kann ein Graycode
der Ordnung p = 2 dadurch realisiert werden, dass acht Hallschalter
zur Bildung eins 8-Bit Codewortes gleichmäßig
auf dem Drehkreis verteilt angeordnet sind und dass ein magnetischer
Ring als Geber vorhanden ist, der auf dem Umfang des drehenden Bauteils
verteilt einen ersten Bereich mit dem ersten Signalzustand 1 über
einen vorgegebenen Winkelbereich (z. B. entspr. mindestens zweier
Hallschalter) und zwei weitere Bereiche mit dem ersten Signalzustand
1 über einen weiteren vorgegebenen Winkelbereich (z. B.
entsprechen eines Hallschalters) und in den jeweils dazwischen liegenden
Bereichen den zweiten Signalzustand 0 aufweist. Bei einer Anordnung
von acht Hallschaltern kann dabei der erste Bereich mit dem ersten
Signalzustand 1 einen Winkelbereich von in etwa 87,5° und
die weiteren Bereiche mit dem ersten Signalzustand 1 können
jeweils einen Winkelbereich von in etwa 30° in äquidistanten
Abständen bilden.
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Die
Sensorik des ersten drehenden Bauteils, im Weiteren auch als Hauptrad
bezeichnet, besteht somit aus mehreren äquidistanten digitalen
Hallschaltern, die im Gegensatz zu linearen Hallsensoren nur zwei
Zustände einnehmen können, nämlich: Magnetfeld
ist vorhanden = Signalzustand 1 und Magnetfeld ist nicht vorhanden
= Signalzustand 0. Die Codierung des Drehwinkels zur Bildung des
Graycodes der Ordnung p = 2 erfolgt über kreisförmig
angebrachte Magnetsegmente, wobei diese aus einem Magnetring, bei
dem die Felder Nord-Süd magnetisiert sind oder auch nur
die relevanten Felder magnetisiert sind oder es werden die Bereiche
diskret realisiert, so dass mehrere Magnet-Ringelemente vorhanden
sind.
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Für
jede Winkelposition des Hauptrades entsteht somit ein eindeutiges
Codewort, wobei die Position und die Länge der Bereiche
mit den Magnetsegmenten bevorzugt so gewählt sind, dass
der zuvor beschriebenen fehlersichere Graycode der Ordnung p = 2
entsteht. Dieser Graycode der Ordnung p ist somit allgemein ein
Graycode bei dem eine Verfälschung eines gültigen
Codeworts um bis zu p – 1 Bit entweder in einem ungültigen
Codewort mit sofortiger Erkennung oder in einem gültigen
Codewort das maximal um p – 1 Positionen vom ursprünglichen
Codewort entfernt ist (begrenzter Schaden) resultiert.
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Der
besondere Vorteil einer digitalen Codierung mit einem solchen fehlersicheren
Graycode ist, dass der Fehler bei der Detektion des Drehwinkels entweder
so klein ist, dass es kein Einfluss auf den berechneten absoluten
Winkel hat oder sich in einem Bereich befindet, wo der berechnete
absolute Winkel um mehr als eine Umdrehung falsch ist. Winkelfehler um
mehr als eine Umdrehung können aber bei vielen Anwendungen,
wie beispielsweise in Kraftfahrzeuglenksystemen, von übergeordneten
Rechnersystemen leicht erkannt werden.
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Digital
codierte Systeme bieten gegenüber analog codierten Systemen
generell Vorteile bei der Fehlererkennung durch die mögliche
Verwendung von besonderen fehlersicheren Codes, wobei es mit der
Erfindung möglich wurde, die Fehlersicherheit von digitalen
Codierungen mit dem für bestimmte Aufgaben besser geeigneten
Einsatzprofilen von magnetischen Sensoren auf einfache Art zu verbinden. Es
kann hier eine einfache Codestruktur mit relativ großen
Magnetsegmente und einer relativ geringen Anzahl von Hallschaltern
gewählt werden, was erhebliche Vorteile in der Fertigung
bringt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung treibt
das drehende Bauteil (Hauptrad) ein weiteres drehendes Bauteil (Nebenrad)
mit geringerem Durchmesser an, bei dem ebenfalls die Drehwinkelstellung
detektierbar ist, wobei das Übersetzungsverhältnis,
zum Beispiel 2,8, zwischen dem Hauptrad und dem Nebenrad so gewählt
wird. dass es nicht ganzzahlig ist, so dass ein Nonius zwischen dem
Hauptrad und dem Nebenrad entsteht, so dass dieser Nonius die Bestimmung
des Drehwinkels des drehenden Bauteils (Hauptrad) über
mehrere Umdrehungen ermöglicht. Das kleine Nebenrad bestimmt dabei
die Auflösung und die Genauigkeit, wobei diese Genauigkeit
und Auflösung ist deutlich besser als die, die mit den
bisher bekannten Anordnungen erreichbar ist.
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Das
Nebenrad besteht zum Beispiel aus einem von einem Zahnumfang des
Hauptrades angetriebenen Zahnrad, in dem ein diametral magnetisierter
Scheibenmagnet befestigt ist, und weist vorzugsweise eine Sensorik
aus zwei um 90° versetzten Hallsensoren auf. Die zwei Hallsensoren
können dabei diskret aufgebaut oder in einem Chip integriert
sein. Alternativ kann die Sensorik aber auch mit an sich bekannten
magnetoresistiven Sensoren, wie zum Beispiel AMR- oder GMR-Sensoren
aufgebaut werden. Die Sensorik des Hauptrades ermöglicht
somit die Bestimmung des Hauptradwinkels und die Sensorik des Nebenrades
ermöglicht die Bestimmung des Nebenradwinkels.
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In
vorteilhafter Weise ist zur Ausführung der Erfindung eine
Auswerteeinheit vorhanden, mit der aus den beiden detektierten Drehwinkeländerung des
ersten drehenden Bauteil und des weiteren drehenden Bauteils nach
einem Noniusverfahren der absolute Drehwinkel des ersten drehenden
Bauteils (Hauptrad) mit der Auflösung des weiteren drehenden
Bauteils (Nebenrad) errechenbar ist.
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Mit
der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich daher insbesondere auch
Vorteile bezüglich der Kosten, des Bauraums, der Fehlersicherheit
und des Einsatzprofils beim Einsatz von Drehwinkelsensoren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren
der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt
ein schematisches Ansicht einer Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels
mit einem Haupt- und einem Nebenrad und mit einer Anordnung von
Hallschaltern und Magneten zur Auswertung nach einem Graycode,
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2 eine
Detailansicht auf den Bereich des Hauptrades entsprechend der 1 mit
magnetisierten Bereichen, die an den Hallschaltern vorbeibewegt
werden und
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3 eine
Tabelle mit den Signalzuständen der Hallschalter nach den 1 und 2 im
Verlauf einer Umdrehung des Hauptrades und die dadurch gebildeten
digitalen Codewörter.
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Wege zur Ausführung
der Erfindung
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Aus 1 ist
eine Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Hauptrades 1 als
drehendes Bauteil zum Beispiel an einer Lenkvorrichtung eines Fahrzeuges
mit einem Nebenrad 2 als weiteres drehendes Bauteil gezeigt,
wobei das Hauptrad 1 das Nebenrad 2 über
eine entsprechende Verzahnung 3 und 4 antreibt.
Im Drehkreis des Hauptrades sind ortsfeste Hallschalter H1 bis H8
angeordnet, die einem in 2 näher beschriebenen
Ringmagneten 5 mit magnetisierten Bereichen 6, 7 und 8 auf
dem Hauptrad 1 gegenüberliegen.
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Über
Signalleitungen 9 werden die digitalen Schaltzustände
der Hallschalter H1 bis H8 an eine Auswerteinheit 10 zur
Bildung eines sich für bestimmte Drehwinkel jeweils ausbildenden
digitalen Codewortes weitergeleitet, die anhand 3 näher erläutert
werden. Weiterhin aus der 1 noch zu entnehmen,
dass auf dem Nebenrad 2 ein Scheibenmagnet 11 angebracht,
der einem ortsfesten linearer Hallsensor 12, bzw. ein sogenannter
Hall-IC mit zwei um 90° versetzten einzelnen Hallsensoren 12,
gegenüberliegt, der ebenfalls über eine Signalleitung 6 mit
der Auswerteeinheit 10 verbunden ist.
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Somit
treibt das Hauptrad 1 das Nebenrad mit geringerem Durchmesser
an, wobei an beiden die jeweilige Drehwinkelstellung detektierbar
ist und das Übersetzungsverhältnis, zum Beispiel
2,8, zwischen dem Hauptrad 1 und dem Nebenrad 2,
so gewählt wird, dass es nicht ganzzahlig ist, so dass
ein Nonius zwischen dem Hauptrad 1 und dem Nebenrad 2 entsteht
und dieser Nonius die Bestimmung des Drehwinkels des Hauptrades 1 über
mehrere Umdrehungen ermöglicht. Mit der Auswerteeinheit 10 kann
somit aus den beiden detektierten Drehwinkeländerung des
Hauptrades 1 und des Nebenrades 2 mit einem Noniusverfahren
der absolute Drehwinkel des Hauptrades 1 mit der Auflösung
des Nebenrades 2 errechnet werden.
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Der
absolute Drehwinkel des Hauptrades
1 berechnet sich dabei
aus der Formel
α = mn (ψ ^ + j·360°) (1) wobei j aus
der folgenden linearen diophantischen Geleichung ermittelt wird
n·i – m·k = k ^ (2)mit
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Hierbei
bedeuten:
- α
- der absoluter Drehwinkel
des Hauptrades 1 über mehrere Umdrehungen,
- i
- die Umdrehungszahl
des Hauptrades 1,
- j
- die Umdrehungszahl
des Nebenrades 2,
- ψ ^
- der gemessene Winkel
des Nebenrades 2 über 360°,
- φ ^
- der gemessene Winkel
des Hauptrades 1 über 360°,
- int()
- = eine Funktion, die
ihr Argument auf die nächstgelegen Ganzzahl rundet,
- n/m
- = ein reduzierter
Bruch des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem
Hauptrad 1 und dem Nebenrad 2 nach der Funktion
(ggT(n, m) = 1) wobei ggT(n, m) der größte gemeinsame
Teiler von n und m ist.
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Mit
dem euklidischen Algorithmus kann nun eine Partikularlösung
(i0, j0) von der
Gleichung (2) gewonnen werden, so dass die gesuchte Lösung
der Gleichung (2) in der Form (i,
j) = (–i0 + mt, –j0 + nt) (4) dargestellt
werden kann, mit t als Ganzzahl so gewählt, dass i zwischen
0 und m – 1 liegt, so dass insgesamt m Umdrehungen des
Hauptrades 1 detektiert werden können.
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Die
Tabelle nach der 3 zeigt die Signalzustände
1 oder 0 der Hallschalter H1 bis H8 nach den 1 und 2 im
Verlauf einer Umdrehung des Hauptrades 1 und die dadurch
gebildeten digitalen Codewörter, die jeweils durch die
magnetischen Bereiche 6, 7 und 8 des
Ringmagnets 5 an den Hallschalter H1 bis H8 erzeugt werden.
Die Magnetisierung der Bereiche 6 bis 8 kann durch
entgegengesetzte Magnetisierung der Bereich 6 bis 8 und
der jeweiligen Zwischenbereiche oder durch eine ausschließliche
Magnetisierung der Bereiche 6 bis 8 in den Signalzustand
1 realisiert werden. Weiterhin könnte man auch drei einzelne
Ringsegmentmagnete, die den Bereichen mit dem Signalzustand 1 entsprechen,
realisieren.
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Aus
der 3 ist dann in Verbindung mit den Winkelangaben
in der 2 zu entnehmen, wie beispielsweise der Hallschalter
H1 nach einem zurückgelegten Drehwinkel von 7,5° bis
zum Drehwinkel 82,5° durch den magnetisierten Bereich 6 vom
Signalzustand 0 in den Signalzustand 1 versetzt ist. Dieser Bereich 6 ist
hier mit einer Schraffur hinterlegt und es ist aus der 3 weiter
zu entnehmen, wie sich die Änderungen der Signalzustande
der anderen Hallschalter H2 bis H8 entsprechend versetzt verhalten.
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Die
mit einer jeweils anderen Schraffur versehenen Bereiche 7 und 8 bewirken
im Drehkreis des Hauptrads 1 ebenfalls eine Änderungen
der Signalzustände der Hallschalter H1 bis H8 in einem
zu ihrer Länge äquivalenten Bereich. Beispielsweise
ergibt sich aus der Tabelle nach der 3 für
den Winkel 7,5° ein Codewort zu 10101001. Durch die hier
dargestellte Anordnung wird ein fehlersicherer Graycode der Ordnung
p = 2 realisiert. Das bedeutet, dass jeder 1 Bit-Fehler entweder
in einem ungültigen Codewort oder in einem benachbarten
Codewort resultiert. Der Graycode umfasst hier 48 Codewörter
im Verlauf einer Umdrehung des Hauptrades 1, was einer
Auflösung von 7,5° für das Hauptrad 1 entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10110785
A1 [0003]
- - DE 10305592 A1 [0003]
- - DE 10060287 A1 [0004]
- - DE 19534995 A1 [0005, 0007]
