DE102009031176A1

DE102009031176A1 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE102009031176A1
Application number: DE102009031176A
Authority: DE
Inventors: Martin Deitmerg; Klaus Hirschfeld; Marco Dr. Rutkowski; Bernd vom Dr. Hedt; Stefan Garneyer; Sven Kober; Christian Schirp; Holger Hasselmann; Oliver Maier; Stefan Schröder
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-12-30
Also published as: ES2580174T3; EP2449346A2; WO2011000803A3; US20120119731A1; WO2011000803A2; EP2449346B1; US10175066B2

Abstract

Beschrieben wird ein Winkelsensor zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels einer Welle über mehrere Umdrehungen, mit mindestens einem Sensorrad und einem dem Sensorrad zugeordneten Sensor zur Bestimmung der Umdrehungszahl der Welle (äußere Sensorik), und mit einem weiteren Sensorrad, das eine in Umfangsrichtung angeordnete Codierung aufweist, aus der ein weiterer Sensor eine relative Winkelposition innerhalb einer Umdrehung der Welle erfasst (innere Sensorik), wobei der absolute Drehwinkel der Wußeren Sensorik bestimmbar ist, wobei das weitere Sensorrad in Umfangsrichtung nebeneinanderliegende Messsektoren aufweist, wobei der weitere Sensor die relative Winkelposition der Welle bezüglich eines Messsektors ermittelt, und wobei der jeweils aktuell von dem weiteren Sensor erfasste Messsektor durch die äußere Sensorik bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels einer Welle über mehrere Umdrehungen, mit mindestens einem Sensorrad und einem dem Sensorrad zugeordneten Sensor zur Bestimmung der Umdrehungszahl der Welle (äußere Sensorik), und mit einem weiteren Sensorrad, das eine in Umfangsrichtung angeordnete Codierung aufweist, aus der ein weiterer Sensor eine relative Winkelposition innerhalb einer Umdrehung der Welle erfasst (innere Sensorik), wobei der absolute Drehwinkel der Welle aus den Messwerten der inneren Sensorik und äußeren Sensorik bestimmbar ist.
Für verschiedene Anwendungszwecke, wie zum Beispiel die Realisierung eines hochwertigen direkt angetriebenen Lenkungsaktuators für den Einsatz in einem Steer-by-wire System eines Fahrzeugs, der sich am oberen Ende der Lenksäule in Fahrernähe befindet, wird eine besonders hochauflösende Winkelsensorik hinsichtlich zeitlicher Abtastung und Winkelauflösung benötigt, damit die Aktuatorregelung feinste Winkel- und damit Momentänderungen realisieren kann. Hohe Anforderungen an die Regelgüte schließen eine Sensorik mit Hysterese im Bereich der Winkelauflösung aus. Hierdurch ist die Verwendung rein getrieblich angebundener Messtechniken problematisch.
Wenn man einen Lenkungsaktuator in einem Steer-By-Wire System einsetzen will, bei dem keine permanente Verbindung zwischen Lenkrad/Lenkaktuator und der Lenkungskinematik besteht, und damit auch kein Überdrehschutz der üblicherweise zur Verbindung der elektrischen Komponenten im Lenkrad mit dem Fahrzeug eingesetzten Wickelfederkassette, ist es notwendig, einen absoluten Messbereich abzudecken, der mehrere Umdrehungen des Aktuators umfasst.
Ein gattungsgemäßer Winkelsensor ist aus der deutschen Patentschrift DE 101 10 785 C2 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Lenkwinkelsensor weist ein von einer Lenkwelle übersetzt angetriebenes Zählrad mit einer magnetischen Codierung auf. Diese Codierung wird von mehreren Magnetfeldsensoren erfasst. Aus den sinus- und cosinusförmigen Ausgangssignalen der Magnetfeldsensoren ist die Umdrehungszahl des Zählrads und damit der Lenkwelle bestimmbar. Des weiteren ist eine von der Lenkwelle direkt angetriebene Codescheibe vorgesehen, deren Codierung von einer Abtasteinheit erfasst wird, woraus die Winkelstellung der Codescheibe innerhalb einer Umdrehung bestimmbar ist. Der absolute Drehwinkel des Lenkwinkelsensors ist durch die gemeinsame Auswertung der Sensorinformationen des Zählrades und der Codescheibe ermittelbar. Die erreichbare Genauigkeit der Winkelerfassung ist dabei wesentlich von der auf der Codescheibe aufgebrachten Codierung abhängig. Zu einer vorteilhaften Ausgestaltung der Codierung der Codescheibe finden sich in diesem Dokument keine nähere Angaben.
Es stellte sich die Aufgabe, einen Winkelsensor zu schaffen, der auf einfache und kostengünstige Weise eine sehr hohe Winkelauflösung über einen Messbereich von mehreren Umdrehungen hysteresefrei verwirklicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das weitere Sensorrad in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Messsektoren aufweist, dass der weitere Sensor die relative Winkelposition der Welle bezüglich eines Messsektors ermittelt, und dass der jeweils aktuell von dem weiteren Sensor erfasste Messsektor durch die äußere Sensorik bestimmbar ist.
Vorgesehen ist somit eine absolut messende äußere Sensorik mit einer relativ geringen Winkelauflösung über einen großen Winkelbereich von mehreren Umdrehungen, wobei der Messwert dieser äußeren Sensorik durch eine innerhalb eines kleinen Winkelbereich besonders hochauflösend messende innere Sensorik verfeinert wird. Insgesamt ergibt sich so eine hohe hysteresefreie Winkelauflösung über einen großen Winkelbereich.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
1 eine erste schematische Ansicht eines Winkelsensors,
2 eine zweite schematische Ansicht des Winkelsensors,
3 ein Anwendungsbeispiel des Winkelsensors.
In den 1 und 2 sind wesentliche Teile eines erfindungsgemäßen Winkelsensors schematisch dargestellt. Der Winkelsensor besteht aus zwei drehbar angeordneten Sensorrädern (1a, 1b), welche als Zahnräder ausgebildet sind. Die Sensorräder (1a, 1b) weisen innerhalb ihrer Zahnkränze (8a, 8b) Magnete (10a, 10b) auf, deren Drehstellungen von Sensoren (2a, 2b), erfasst werden, die auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 6 angeordnet sind. Die Zahnkränze (8a, 8b) sind mit dem Zahnkranz 9 eines weiteren Sensorrades 3 in Eingriff, welches durch eine, in den 1 und 2 nicht dargestellte Welle angetrieben wird. Bei einer Drehung der Welle drehen sich somit die drei Sensorräder (1a, 1b, 3) gemeinsam.
Da die Zahnkränze (8a, 8b) der Sensorräder (1a, 2b) eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen, werden sie bei einer Drehung der Welle durch den Zahnkranz 9 des weiteren Sensorrads 3 um unterschiedliche Winkelbeträge verdreht. Auf bekannte Weise kann durch eine gemeinsame Auswertung der Winkelbeträge nach dem Noniusprinzip, wie etwa in der EP 0 877 916 B1 beschrieben, der absolute Drehwinkel der Welle über mehrere Umdrehungen bestimmt werden. Allerdings ist das erreichbare Auflösungsvermögen des Winkelsensors begrenzt, und zwar insbesondere durch das zwischen den Zahnkränzen (8a, 8b, 9) auftretende Spiel und die Formtoleranzen der Verzahnung und Lagerung der Räder.
Zur Schaffung eines besonders hochauflösenden und hysteresefrei messenden Winkelsensors ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das weitere Sensorrad 3 in Umfangsrichtung eine Anzahl von nebeneinander liegende Messsektoren 5 aufweist, und dass der weitere Sensor 4 die relative Winkelposition der Welle bezüglich eines Messsektors 5 ermittelt.
Die 2 zeigt die Rückseite der in der 1 dargestellten Anordnung. Die drei Sensorräder (1a, 1b, 3) befinden sich unterhalb des Schaltungsträgers 6, auf dem drei in integrierter Schaltungstechnik ausgeführte Sensoren (2a, 2b, 4) erkennbar sind, wobei Sensor 4 vorteilhaft auf der dem Magnetring 13 zugewandten Seite angeordnet ist. Auf eine Darstellung weiterer mit den Sensoren (2a, 2b, 4) zusammenwirkender elektronischer Schaltungsteile und Leiterbahnstrukturen wurde zugunsten einer übersichtlichen Darstellung verzichtet.
Die 2 verdeutlicht zudem die Anordnung der Messsektoren 5 auf dem weiteren Sensorrad 3. In Umfangssrichtung des weiteren Sensorrads 3 sind abwechselnd magnetische Nord- und Südpole angeordnet, die in der 2 durch schwarze und weiße Abschnitte symbolisch dargestellt sind. Ein Messsektor 5 wird dabei durch jeweils ein Magnetpolpaar gebildet. Da in der Umgebung der Magnetpole der Feldvektor kontinuierlich seine Richtung ändert, kann die Position von zwei nebeneinander liegenden Magnetpolen relativ zu dem weiteren Sensor 4 mittels einer Messung der magnetischen Flussdichte oder der Feldrichtung durch den weiteren Sensor 4 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der erfasste Analogwert wird danach, vorzugsweise direkt durch den weiteren Sensor 4, in einen Digitalwert gewandelt.
Da der weitere Sensor 4 keine absolute Winkelmessung ermöglicht, wird der absolute Drehwinkel der Welle mit geringerer Genauigkeit durch die äußere Sensorik, dass heißt durch die Sensorräder 1a und 1b und die zugehörigen Sensoren (2a, 2b) bestimmt. Das Auflösungsvermögen der äußeren Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) ist dabei so ausgelegt, dass der jeweils aktuell von dem weiteren Sensor 4 erfasste Messsektor 5 durch die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) eindeutig bestimmbar ist.
Die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) liefert somit einen Grobwert des absoluten Drehwinkels der Welle, der durch die hochauflösende Messung der inneren Sensorik, also durch das weitere Sensorrad 3 und den zugehörigen weiteren Sensor 4, verfeinert wird. Da das Sensorrad 3 direkt mit der Welle verbunden ist, ist der hochaufgelöste Winkelmesswert nicht durch mechanisches Spiel oder Formtoleranzen der Zahnkränze (8a, 8b, 9) verfälscht.
Geht man beispielhaft davon aus, dass die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) in der Lage ist, mit einer absoluten Genauigkeit von ±2,5° zu messen, kann man die Winkelbreite der Messsektoren 5 der inneren Sensorik (3, 4) mit 5° so festlegen, dass die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) in der Lage ist, einen bestimmten Messsektor 5 genau zu bestimmen. Eine Aufteilung des Vollkreises in 5° breite Messsektoren ergibt, bei einer mit geringem Aufwand zu bewältigenden Auflösung von 10 Bit pro Messsektor, eine erreichbare Gesamtauflösung des Winkelsensors in der Größenordnung von 0,005°.
Ein derartiger Winkelsensor kann vorteilhaft als Lenkwinkelsensor in einem Fahrzeug verwendet werden. Die 3 skizziert eine entsprechende Anordnung. Der Winkelsensor ist als Teil eines Lenksäulenmoduls 12 ausgeführt, welches direkt an der Lenksäule des Fahrzeugs angeordnet ist. Als Bestandteile des Lenksäulenmoduls 12 sind mehrere Schalthebel 14 erkennbar. Zwei Sensorräder (1a, 1b) sind drehbar auf einer Modulleiterplatte 11 angeordnet. Die Rückseite der Modulleiterplatte 11 trägt die Sensoren (2a, 2b, 4), die zur Erfassung der Position der Sensorräder (1a, 1b) geeignet sind, die Vorderseite trägt den Sensor (4), der zur Erfassung der Position des weiteren Sensorrades (3) dient.
Sind die Sensorräder (1a, 1b, 3), wie hier dargestellt, mit Magneten (1a, 1b) oder Magnetstrukturen, die die Messsektoren 5 des Sensorrades 3 ausbilden, versehen, so sind die Sensoren (2a, 2b, 4) vorteilhaft als Hallsensoren oder als magnetoresistive Sensoren ausführbar. In hier nicht näher beschriebenen alternativen Ausführungsformen können auch andere Messprinzipien vorteilhaft verwendet werden. So kann beispielsweise für die äußere Sensorik ein induktives und/oder für die innere Sensorik ein optisches Messverfahren vorgesehen sein.
Wesentlich ist, dass das zur inneren Sensorik (3, 4) gehörende weitere Sensorrad 3 ohne Vermittlung eines Getriebes mit der Lenkwelle 7 verbunden ist, wodurch eine hysteresefreie hochauflösende Winkelmessung möglich wird. Die durch das weitere Sensorrad 3 angetriebenen Sensorräder (1a, 1b) dürfen durchaus eine Hysterese aufweisen, da deren Genauigkeit lediglich ausreichen muss, um über mehrere Umdrehungen nach dem Nonius-Prinzip den aktuell durch den weiteren Sensor 4 erfassten Messsektor zu bestimmen.
Aufgrund der erforderlichen mechanischen Kopplung sind alle Sensorräder (1a, 1b, 3) hier als Zahnräder ausgebildet. Das weitere Sensorrad 3 kann dabei vorteilhaft als ein Magnetring 13, mit entlang des Umfangs angeordneten Messsektoren 5 ausgebildet sein, der mit einer thermoplastischen Umspritzung versehen ist, die den Zahnkranz 9 ausbildet. Als metallisches, keramisches oder hochgefülltes Thermoplast-Teil mit hoher Maßhaltigkeit kann der Magnetring als Stützstruktur für den Zahnkranz 9 verwendet werden, um die Verzahnungsqualität und Rundlaufgenauigkeit zu erhöhen.
Alternativ kann zur Ausbildung des weiteren Sensorrads 3 auch vorgesehen sein, dass der Magnetring 13 von einem duroplastischen Material umgeben ist. Das Sensorrad 3 kann auch insgesamt aus Metall bestehen, indem ein beispielsweise aus Aluminium oder Messing geformtes Zahnrad mit einem Magnetring verbunden ist.

1a, 1b: Sensorräder
2a, 2b: Sensoren
3: (weiteres) Sensorrad
4: (weiterer) Sensor
5: Messsektoren
6: Schaltungsträger
7: (Lenk-)Welle
8a, 8b: Zahnkränze
9: Zahnkranz
10a, 10b: Magnete
11: Modulleiterplatte
12: Lenksäulenmodul
13: Magnetring
14: Schalthebel
1a, 1b, 2a, 2: bäußere Sensorik
3, 4: innere Sensorik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10110785 C2 [0004]
- EP 0877916 B1 [0013]

Claims

Winkelsensor zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels einer Welle (7) über mehrere Umdrehungen, mit mindestens einem Sensorrad (1a, 1b) und einem dem Sensorrad (1a, 1b) zugeordneten Sensor (2a, 2b) zur Bestimmung der Umdrehungszahl der Welle (7) (äußere Sensorik), und mit einem weiteren Sensorrad (3), das eine in Umfangsrichtung angeordnete Codierung aufweist, aus der ein weiterer Sensor (4) eine relative Winkelposition innerhalb einer Umdrehung der Welle (7) erfasst (innere Sensorik), wobei der absolute Drehwinkel der Welle (7) aus den Messwerten der inneren Sensorik (3, 4) und äußeren Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorrad (3) in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Messsektoren (5) aufweist, dass der weitere Sensor (4) die relative Winkelposition der Welle (7) bezüglich eines Messsektors (5) ermittelt, und dass der jeweils aktuell von dem weiteren Sensor (4) erfasste Messsektor (5) durch die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) bestimmbar ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Sensorik (3, 4) nach einem optischen oder magnetischen Messprinzip funktioniert.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) nach einem induktiven oder magnetischen Messprinzip funktioniert.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2a, 2b) der äußeren Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) und der Sensor (3) der inneren Sensorik (3, 4) auf einem einzigen Schaltungsträger (6, 11) angeordnet sind.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorräder (1a, 1b, 3) als Zahnräder ausgebildet sind.
Winkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorrad (3) als ein Magnetring (13) mit einer thermoplastischen Umspritzung ausgeführt ist, wobei die Umspritzung einen Zahnkranz (9) ausbildet.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Sensorik (1a, 1b, 2a, 2b) mehrere Sensorräder (1a, 1b) und Sensoren (2a, 2b) aufweist und den aktuell von dem weiteren Sensor (4) erfassten Messsektor (5) nach dem Noniusprinzip bestimmt.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorrad (3) auf einer Welle (7) oder Hohlwelle angeordnet ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor zur Erfassung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs verwendet wird.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsektoren (5) jeweils mindestes zwei Magnetpole aufweisen, und dass der weitere Sensor (4) ein Magnetfeldsensor ist, dessen Messwert von seiner Position relativ zu den Magnetpolen eines Messsektors (5) abhängt.
Winkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (4) einen analogen Messwert erfasst.
Winkelsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (4) oder eine dem weiteren Sensor (4) nachgeschaltete Vorrichtung den Analogwert in einen Digitalwert wandelt und dass der Digitalwert eine Auflösung zwischen 8 und 16 Bit aufweist.