DE102010053596A1

DE102010053596A1 - Drehwinkelmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102010053596A1
Application number: DE102010053596A
Authority: DE
Inventors: Jan Edel; Rainer Bühlmann; Werner Thormann
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: DE102010053596B4

Abstract

Beschrieben wird eine Drehwinkelmessvorrichtung zur Messung eines Absolutwinkels über einen Winkelbereich von mehr als 360°, mit durch eine Antriebsvorrichtung angetriebene Messanordnungen, die um zwei verschiedene Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen verschiedene Drehfrequenzen aufweisen, die in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen von Drehwinkelsensoren erfasst und nach dem Noniusprinzip ausgewertet werden, um einen resultierenden Absolutwinkel zu bestimmen, wobei ein Triggersensor vorgesehen ist, der in mindestens einer definierten Stellung der Antriebsvorrichtung ein Triggersignal erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelmessvorrichtung zur Messung eines Absolutwinkels über einen Winkelbereich von mehr als 360°, mit durch eine Antriebsvorrichtung angetriebene Messanordnungen, die um zwei verschiedene Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen verschiedene Drehfrequenzen aufweisen, die in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen von Drehwinkelsensoren erfasst und nach dem Noniusprinzip ausgewertet werden, um einen resultierenden Absolutwinkel zu bestimmen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 033 236 A1 ist eine Drehwinkelmessvorrichtung bekannt, die mit mindestens zwei Magnetsensoren unter Verwendung des Noniusprinzips einen absoluten Drehwinkel erfassen kann. Aus der Schwebung zwischen zwei unterschiedlich frequenten Einzeldrehungen lassen sich absolute Winkel bestimmen, die über die jeweils 360° einer Einzeldrehung hinausgehen. Dabei werden durch zwei verschieden großen Messräder mit elektronischen Hallsensoren zwei Winkel erfasst, die zur Erfassung eines Absolutwinkels um die zu messende Drehachse am gemeinsamen Antriebsrad kombiniert werden können. Die beiden Messräder, die separat und in der selben Ebene gelagert sind, werden zum Beispiel über die Verzahnung eines Zahnradgetriebes oder die Haftreibung einer Gummibeschichtung angetrieben und stehen so zueinander in einem festen Übersetzungsverhältnis.
Die Angabe ”Messanordnungen” in der Mehrzahl soll hier vorrangig im funktionalen Sinne, und nicht zwingend im gegenständlichen Sinne als körperlich getrennte Anordnungen, verstanden werden. So sind in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2010 019 508 Ausführungen einer Drehwinkelmessvorrichtung beschrieben, bei der eine Winkelmessung durch eine Magnetanordnung und durch einen, allerdings mehrdimensional messenden Magnetsensor erfolgt. Diese Drehwinkelmessvorrichtung ermöglicht Messungen nach dem Noniusprinzip, indem die Magnetanordnung mehrere Komponenten aufweist, die um verschiedene Drehachsen drehbar angeordnet sind. Derartige Vorrichtungen sollen hier ausdrücklich unter den Pluralbegriff ”Messanordnungen” fallend angesehen werden.
Bei sicherheitsrelevanten Vorrichtungen schreiben die Standards IEC 61508 und ISO 26262 bestimmte Risikominimierungen und Fehleraufdeckungsgrade gegen sicherheitskritische Ausfälle vor.
Für Drehwinkelmessvorrichtungen, die Drehwinkel über einen Bereich mehrerer Umdrehungen nach dem Noniusprinzip erfassen, werden zur Ermittlung eines Drehwinkels zwei Drehwinkelsensoren benötigt, wobei ein unerkannter Fehler oder Ausfall einer der beiden Drehwinkelsensoren die Verletzung eines Sicherheitsziels nach sich ziehen kann.
Beim Gebrauch der Drehwinkelmessvorrichtung wird der Drehwinkel einer Antriebsvorrichtung aus den relativen Winkelpositionen der Drehwinkelsensoren ermittelt. Hierbei besteht die prinzipielle Möglichkeit, dass aufgrund eines mechanischen Fehlers oder eines Sensorfehlers, wenigstens eine der Drehwinkelsensoren ein fehlerhaftes Ausgangssignal liefert, so dass nach dem Noniusprinzip ein absoluter Drehwinkel bestimmt wird, der nicht mit dem tatsächlichen Drehwinkel der Antriebsvorrichtung übereinstimmt.
Zur Erfüllung höchster Sicherheitsansprüche (SIL3/ASILD) muss der nach dem Noniusprinzip ermittelte Drehwinkel zusätzlich verifiziert, plausibilisiert oder abgesichert werden. Zugleich sollen aber die Kosten für zusätzliche Redundanzen möglichst gering gehalten werden.
Es stellte sich die Aufgabe, eine Drehwinkelmessvorrichtung zu schaffen, die mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine zusätzliche Absicherung eines nach dem Noniusprinzip ermittelten Drehwinkels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Triggersensor vorgesehen ist, der in mindestens einer definierten Stellung der Antriebsvorrichtung ein Triggersignal erzeugt.
Der Triggersensor schafft durch die Bestimmung einer definierten Lage der Antriebsvorrichtung, im Folgenden auch als Nulllage bezeichnet, eine Möglichkeit zur Überprüfung des Messergebnisses der Drehwinkelsensoren. Wenn diese Überprüfung erfolgreich durchgeführt werden kann, können die über die Drehwinkelsensoren ermittelten Messergebnisse als sicher entsprechend den Normen für höchste Sicherheitsintegrität angesehen werden.
Die Nulllage der Antriebsvorrichtung wird bei der Herstellung oder nach Montage der Drehwinkelmessvorrichtung abgeglichen. Sobald dabei die Nulllage erreicht wird, werden die relativen Winkelpositionen der Messanordnungen, die im Bereich zwischen 0° und 360° liegen können, als Winkeloffsetwerte in einer Speichervorrichtung abgespeichert.
Wird während des Betriebs der Drehwinkelmessvorrichtung durch die Verdrehung der Antriebsvorrichtung das erste Mal nach einem Aufstartvorgang die Nulllage erreicht, so werden die relativen Winkelpositionen der beiden Messanordnungen wiederum erfasst und mit den gespeicherten beiden Winkeloffsetwerten verglichen. Ein fehlerhafter Zusammenhang zwischen der Drehwinkelstellung der Antriebsvorrichtung und der Winkelpositionen der beiden Messanordnungen kann dadurch aufgedeckt werden.
Da eine Drehwinkelmessvorrichtung im allgemeinen mehrere Umdrehungen der Antriebsvorrichtung auflösen kann und daher die Antriebsvorrichtung über ihren Drehbereich die Nullstellung mehrfach durchläuft, ist es zweckmäßig, wenn in der Speichervorrichtung für jeden Nullstellungsdurchlauf der Antriebsvorrichtung ein Wertepaar für die zugehörigen relativen Positionen der Messanordnungen abgespeichert ist. Hierdurch kann unabhängig von der beim Aufstartvorgang vorliegenden Umdrehungsrunde der Antriebsvorrichtung eine Überprüfung der Messanordnungen und der zugehörigen Drehwinkelsensoren vorgenommen werden.
Die geforderte Sicherheitsintegrität für einen im Noniusverfahren ermittelten Drehwinkel kann so entscheidend erhöht werden, so dass auf diese Weise insgesamt die höchste Anforderungsebene zur Risikominimierung (SIL3/ASILD) für den Drehwinkel über mehrere Runden nach dem Aufstarten erreicht werden kann.
Mit dem ersten Nullstellungsdurchlauf der Antriebsvorrichtung ist nicht nur die korrekte Korrelation der beiden Messanordnungen überprüft, sondern es steht auch die Umdrehungsrunde der Antriebsvorrichtung eindeutig fest. Die Drehwinkelmessung beruht daher ab diesem Zeitpunkt nicht mehr notwendig auf dem Noniusprinzip und ist daher nicht mehr von den Messwerten von zwei Drehwinkelsensoren abhängig, sondern nur noch von einem der beiden Drehwinkelsensoren über einem der beiden Messräder. Der jeweils andere Drehwinkelsensor kann ab diesem Zeitpunkt als Redundanz zur Fehleraufdeckung dienen, um die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) für Drehwinkeländerungen und den weiteren Betrieb zu halten.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel einer Drehwinkelmessvorrichtung zeigt rein beispielhaft die Drehwinkelsensoren als Magnetsensoren und speziell als Hallsensoren, welche die Winkelstellungen von Magneten erfassen. Magnete, die mit drehbare angeordneten Messrädern verbunden sind, bilden hier die Messanordnungen aus. Selbstverständlich können die Drehwinkelsensoren alternativ auch andere Messprinzipien zur Bestimmung von relativen Drehwinkeln verwenden, die dann nach dem Noniusprinzip zu einem Absolutwinkel verknüpft werden.
Die einzige Figur zeigt eine Drehwinkelmessvorrichtung mit zwei als Zahnrädern ausgeführten Messrädern 2, 3, die durch ein, ebenfalls als Zahnrad ausgebildetes Antriebsrad 1 angetrieben werden. Das Antriebsrad 1 ist mit einer nicht dargestellten drehbaren Vorrichtung, deren Drehwinkel ermittelt werden soll, wie beispielsweise der Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, verbunden. Mit jedem der Messräder 2, 3 ist ein Magnet 4, 5 mechanisch gekoppelt, so dass die Winkelstellungen der Magnete 4, 5 der Drehungen der Messräder 2, 3 folgen.
Unter- oder oberhalb jedes Messrades 2, 3 ist jeweils ein Magnetsensor 6, 7, vorzugsweise ausgeführt als ein Hallsensor angeordnet, der ein der Winkelstellung des zugehörigen Magneten 4, 5 entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Die Ausgangssignale werden einer Auswertevorrichtung AV zugeführt, die zumindest einen Mikrocontroller MC und eine Speichervorrichtung SP aufweist. Die Auswertevorrichtung AV kann vorteilhafterweise gemeinsam mit den Magnetsensoren 2, 3 und dem Triggersensor 8 auf einem einzigen Schaltungsträger angeordnet sein. Aus den Ausgangssignalen der Magnetsensoren 6, 7 kann die Auswertevorrichtung AV die Drehwinkelstellung des zugehörigen Messrades 2, 3, innerhalb des Winkelbereichs einer Umdrehung bestimmen.
Die Messräder 2, 3 weisen unterschiedliche Radien und eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen auf, so dass die Messräder 2, 3 durch die Drehung des die Messräder 2, 3 antreibenden Antriebsrades 1 um unterschiedliche Winkelbeträge verdreht werden. Hierdurch ergibt sich zwischen den Drehstellungen der beiden Messräder 2, 3 eine Phasenverschiebung. Durch Auswertung der Drehstellungen beider Messräder 2, 3 und der daraus ableitbaren Phasenverschiebung zwischen den Messrädern 2, 3, kann die Auswertevorrichtung AV auf bekannte Weise durch das so genannte Noniusverfahren den absoluten Drehwinkel des Antriebsrads 1 über mehrere Umdrehungen hinweg eindeutig bestimmen.
Zur Erreichung eines hohen Sicherheitslevels, muss die Plausibilität des so ermittelten Drehwinkels überprüft werden. Diese zusätzliche Absicherung für einen nach dem Noniusprinzip ermittelten Drehwinkel ist dabei nur einmalig bei Start der Drehwinkelmessvorrichtung, also etwa nach dem Anlegen der elektrischen Spannung, notwendig. Änderungen des Drehwinkels zur Laufzeit der Drehwinkelmessvorrichtung können danach durch einen einzigen Magnetsensor 6 bzw. 7 gemessen und zur Erfüllung höchster Sicherheitsansprüche (SIL3/ASILD) durch den weiteren im System befindlichen Magnetsensor 7 bzw. 6, der für das Noniusprinzip zur Laufzeit nicht mehr benötigt wird, überprüft werden.
Die Absicherung erfolgt durch eine Erfassung bestimmter, als Nulllage definierter Winkelstellung des Antriebsrades 1 und einem Vergleich mit den zeitgleich vorhandenen Winkelstellungen der Messräder 2, 3 mit vorher abspeicherten Werten. Die Erfassung des Nulllagedurchgangs erfolgt durch einen Triggersensor 8, der neben dem Antriebsrad 1 angeordnet ist und der beispielsweise durch eine Lichtschranke oder einen Magnetsensor ausgeführt sein kann. Mit dem Antriebsrad 1 verbunden ist ein Auslöser 9, der beispielsweise als eine umlaufende Blende oder ein Spiegel ausgebildet sein kann, die/der mit einer Lichtschranke als Triggersensor 8 zusammenwirkt. Ist als Triggersensor 8 alternativ ein Magnetsensor vorgesehen, kann als Auslöser 9 ein kleiner Dauermagnet am Antriebsrad 1 angeordnet sein.
Bei jedem Nulllagedurchgang des Antriebsrades 1 läuft der Auslöser 9 berührungslos am Triggersensor 8 vorbei, wodurch der Triggersensor 8 ein Triggersignal erzeugt, welches dem zur Auswertevorrichtung AV gehörenden Mikrocontroller MC zugeführt wird. Das Triggersignal löst im Mikrocontroller MC ein Signal (polling) oder einen Interrupt (event) aus, das bzw. der den Mikrocontroller MC einen Vergleich der aktuell erfassten Drehstellungen der Messräder 2, 3 mit abgespeicherten Winkeloffsetwerten ausführen lässt.
Bis nach dem Aufstarten der Drehwinkelmessvorrichtung erstmalig das volle Maß funktionaler Sicherheit erreicht wird, muss zunächst durch eine Drehbewegung des Antriebsrades 1 die Nulllage erreicht werden. Geht es in einem Fahrzeug um den Lenkradwinkel, kann diese Nulllage zur Vereinfachung der Abgleichprozesse mit der Lenkwellenstellung bei Geradeausfahrt zusammengelegt werden. Diese Position des Lenkrades wird nach dem Starten des Sensormoduls mit hoher Wahrscheinlichkeit relativ schnell erreicht.
Soll der Drehwinkel, wie beim Lenkrad im Fahrzeug über mehrere Runden gemessen werden, erreicht das Antriebsrad 1 die Nulllage mehrmals. Zur Verfeinerung des Prinzips sind für jede Runde auch die entsprechenden Winkeloffsetpaare für die Messräder 2, 3 gespeichert. Bei vier Runden (über 4·360° = 1440°) stehen so bei Erreichen einer Nulllage vier Winkeloffsetpaare für einen Vergleich zur Verfügung, ein Winkeloffsetpaar pro Drehwinkelrunde. Bei einer Messgenauigkeit von 1° pro Umdrehung beträgt die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Fehleraufdeckung für das erfindungsgemäße Verfahren zu 1 von 360, also deutlich unter 0,01. Damit wäre eine normgerechte Fehleraufdeckung von 99% für höchste Sicherheitsintegrität gewährleistet.
Nach Plausibilisierung, Absicherung oder Fehleraufdeckung durch das erfindungsgemäße Verfahren mit Winkelvergleichen in der Nulllage wird nur noch ein Magnetsensor 6 bzw. 7 zum Messen des Drehwinkels und seiner Änderungen benötigt. Der weitere Magnetsensor 7 bzw. 6 ist zur redundanten Absicherung des Messergebnisses frei geworden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsrad (Antriebsvorrichtung)
2: erstes Messrad
3: zweites Messrad
4: erster Magnet
5: zweiter Magnet
6: erster Magnetsensor (Drehwinkelsensor)
7: zweiter Magnetsensor (Drehwinkelsensor)
8: Triggersensor (Lichtschranke oder Hallsensor)
9: Auslöser (umlaufende Blende oder Magnet)
2, 4: erste Messanordnung
3, 5: zweite Messanordnung
AV: Auswertevorrichtung
MC: Mikrocontroller
SP: Speichervorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008033236 A1 [0002]
DE 102010019508 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61508 [0004]
ISO 26262 [0004]

Claims

Drehwinkelmessvorrichtung zur Messung eines Absolutwinkels über einen Winkelbereich von mehr als 360°, mit durch eine Antriebsvorrichtung (1) angetriebene Messanordnungen (2, 4; 3, 5), die um zwei verschiedene Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen (2, 4; 3, 5) verschiedene Drehfrequenzen aufweisen, die in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, wobei die Drehbewegungen der Messanordnungen (2, 4; 3, 5) von Drehwinkelsensoren (6, 7) erfasst und nach dem Noniusprinzip ausgewertet werden, um einen resultierenden Absolutwinkel zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Triggersensor (8) vorgesehen ist, der in mindestens einer definierten Stellung der Antriebsvorrichtung (1) ein Triggersignal erzeugt.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung(en) (2, 4; 3, 5) zumindest einen Magneten (4, 5) aufweist/aufweisen und die Drehwinkelsensoren als Magnetsensoren (6, 7) ausgebildet sind.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung ein Antriebsrad (1) aufweist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggersensor (8) als Lichtschranke ausgeführt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggersensor (8) als Magnetsensor ausgeführt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggersensor (8) als Hallsensor oder Impulsdrahtsensor ausgeführt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggersensor (8) als elektrischer Schaltkontakt ausgeführt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine definierte Stellung, in der der Triggersensor (8) das Triggersignal erzeugt, in einer Speichervorrichtung (SP) ein gemessener Winkeloffsetwert für jeden Drehwinkelsensor (6, 7) abgelegt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Umdrehung der Antriebsvorrichtung (1) in der mindestens einen definierten Stellung, in der der Triggersensor (8) das Triggersignal erzeugt, in einer Speichervorrichtung (SP) ein gemessener Winkeloffsetwert für jeden Drehwinkelsensor (6, 7) abgelegt ist.
Drehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung (AV) zumindest bei einem nach einem Aufstartvorgang erstmaligen Auftreten des Triggersignals die von den Drehwinkelsensoren (6, 7) erfassten Winkelwerte mit in der Speichervorrichtung (SP) abgelegten Werten vergleicht.