DE102012014876B4

DE102012014876B4 - Vorrichtung zur Winkelmessung in mehrperiodischen Kreisbewegungen

Info

Publication number: DE102012014876B4
Application number: DE102012014876.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Edel; Wolfgang A. Halang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: DE102012014876A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung eines absoluten Winkels in einem Kreis mit mehreren Umläufen, wobei der Winkelbereich 0° - n·360° auf eine, eine virtuelle Kugel umschließende Bahn übertragen, übersetzt bzw. projiziert und somit eineindeutig verteilt wird, mit mindestens einer, im Raum drehbar gelagerten Magnetanordnung (7), deren Bewegungen von mindestens einem Magnetsensor (5) erfasst und nachgelagert ausgewertet wird, um daraus den absoluten Winkel zu bestimmen, wobei jede einzelne Magnetanordnung (7) im dreidimensionalen Raum durch zwei stets orthogonal zueinander stehende Drehachsen (9,10) drehbar gelagert ist, deren virtueller Schnittpunkt in jeder Winkelposition stets an genau einem Punkt in der Mitte der virtuellen Kugel liegt, und die Position der Magnetanordnung (7) durch zwei Rotationssysteme (1,2) beeinflusst wird, wovon das erste eine statische und das zweite eine dynamische Drehachse aufweist, weil es mit einem rotierenden Lager (11) im ersten gelagert ist.

Description

Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Winkels bei einer mehrperiodischen Kreisbewegung. Aus 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 unter zwei verschieden großen Messrädern mit elektronischen Hall-Sensoren zwei Winkel bestimmt, die zur Erfassung eines absoluten Winkels am gemeinsamen Antriebsrad um die zu messende Drehachse kombiniert werden können. Die beiden separat und in derselben Ebene gelagerten Messräder werden bspw. über die Verzahnung eines Zahnradgetriebes oder die Haftreibung einer Gummibeschichtung angetrieben und stehen so zueinander in einem festen Übersetzungsverhältnis.
Problem Nachteilig an den bekannten und das Noniusprinzip verwendenden Kreiswinkelmessvorrichtungen ist, dass sie mehrere Sensoren an verschiedenen Anbauorten erfordern, was zu relativ großem Platzbedarf und Kostenaufwand führt. Anzustreben ist, die maximal üblichen fünf Runden von Lenkrädern in Kraftfahrzeugen derart abzubilden, dass sie mit einem einzigen Sensor absolut eindeutig und auf der Sicherheitsanforderungsstufe ASIL B nach ISO 26262 ausreichend sicher gemessen und ausgegeben werden können.
Lösung Erfindungsgemäß wird die mehrfache Kreisbewegung auf eine Bahn auf einer Kugeloberfläche abgebildet und dabei so verteilt, dass jede Bahnposition in eineindeutiger Weise für einen Winkel der mehrperiodischen Kreisbewegung steht. Die Bewegung auf der Kugeloberfläche führt eine geeignete, mehrfach gelagerte Magnetanordnung mit sich, die derart angeordnet ist, dass sich für jede Position der Drehbewegung auf der Kugeloberfläche an einer zentralen Stelle ein im Betrag zwar stets konstantes, aber in seiner Richtung unterschiedliches Magnetfeld ergibt. Dieser in seiner Ausrichtung der Drehbewegung eineindeutig zugeordnete Magnetfeldvektor wird von einem statisch-zentral positionierten Magnetsensor in seinen x-y-z-Komponenten erfasst und über Arcus-Tangens-Funktionen mit den drei Winkeln α, β und γ zu den Koordinatenachsen im Raum definiert. Aus diesen drei Winkelangaben kann im Weiteren rechnerisch oder über eine Zuordnungstabelle auf die ursprüngliche, und zwar absolute Position auf der Kreisbahn geschlossen werden.
Ausführungsbeispiel Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Winkelmessvorrichtung näher erläutert werden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen dreidimensional messenden Magnetsensorschaltkreis auf, der durch einen einzigen Sensor und vorzugsweise als räumlich erfassender Hall-Sensor ausgeführt ist. Solche Sensoren sind z.B. handelsüblich in SO8-Gehäusen lieferbar, also in ihren Ausmaßen recht klein und mit 8 Anschlussbeinen versehen. Um alle Kontakte vom Montageort auf einer Leiterplatte 6 (PCB) unter möglichst geringer Beeinträchtigung der Rotation der Magnetanordnung von innen nach außen führen zu können, ist der Durchtritt der vorzugsweise mehrlagigen Leiterplatte durch die virtuelle Kugeloberfläche möglichst schmal ausgeführt.
Zur Realisierung eines Winkelmessers, der wie bei einem Lenkwinkelsensor im Kraftfahrzeug aus technischen Gründen den zu messenden Winkel außerhalb der Umlaufbahn ab- und aufnehmen muss, wird die multiperiodische Kreisbewegung des Antriebsrades 3 zunächst nach außen auf ein erstes Zahnrad geführt. Im Beispiel wird hier eine Übersetzung im Verhältnis 1:3 gewählt, d.h. die bei einem Lenkwinkelsensor üblichen 4 Umdrehungen des Antriebsrades 3 ergeben 12 Umdrehungen des ersten Zahnrades 1 in einer statischen Drehachse 9. Dieses erste Zahnrad wird in einem Stator 8 gelagert und führt auf der anderen Seite des Stators ein anderes, etwas versetztes und im rechten Winkel angeordnetes Lager mit. Dieses somit rotierende Lager 11 führt selbst ein Drehsystem, das auf der einen Seite aus einer Magnetanordnung 7 und auf der anderen Seite aus einem zweiten Zahnrad 2 besteht. Die sich orthogonal zueinander ergebenden Drehachsen sind die statische Drehachse 9 und die nun rotierende Drehachse 10. Das zweite Zahnrad 2 im rotierenden Lager 11 stützt sich rechtwinklig verzahnt (Kegelverzahnung) auf einem Statorzahnrad 4 mit abweichender (vgl. unten ab Zeile 129) Zähnezahl ab, das fest mit dem Lagerstator 8 verbunden ist. Die Verzahnung sorgt für eine zusätzliche Drehung der Magnetanordnung 7 orthogonal zur Drehung mit dem ersten Zahnrad 1, sodass sich das resultierende Magnetfeld 12 der Magnetanordnung 7 dreidimensional im Raum bewegt.
Die Magnetanordnung 7 besteht aus einem oder mehreren, insbesondere mechanisch miteinander verbundenen, gemeinsam auslenkbaren Magneten. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Permanentmagnete aus ferromagnetischem Material. Vorteilhaft ist es, die komplette, am zweiten Zahnrad 2 befestigte Gabel als kunststoffvergossenen Neodymmagneten auszuführen, wobei die Gabelenden die beiden Magnetpole ausbilden.
Das durch Nord- und Südpol der Magnetanordnung 7 aufgespannte Magnetfeld 12 vermag auch im Abstand von etwa 2mm zur Gabelendenebene eine magnetische Flussdichte von erforderlichen etwa 30mT und mehr zu bewirken. Der in diesem Abstand zentral sich einstellende Vektor der magnetischen Flussdichte (vereinfachend Magnetfeldvektor genannt) ist stets parallel zur Linie zwischen Nord- und Südpol der Gabelendenebene gerichtet. Die Konstruktion der gesamten Vorrichtung ist durch die beiden Drehsysteme in orthogonal zueinander stehender Ausrichtung so beschaffen, dass sich im Zentrum der Vorrichtung, in der sich auch der Magnetsensor 5 befindet, der sich einstellende Magnetfeldvektor bei Verdrehungen nur in seiner Richtung, nicht jedoch in seinem Betrag ändert. Während also der Betrag dieses Magnetfeldvektors idealerweise in jeder Drehposition der Magnetanordnung im Zentrum des sich drehenden Systems konstant bleibt, ändert sich jedoch seine Richtung im Raum, die an dieser zentralen Stelle durch den Magnetsensor 5 ermittelt wird.
Durch den Magnetsensor 5 wird die Lage eines am Messort erfassbaren Magnetfeldvektors räumlich aufgelöst. Da der Magnetfeldvektor durch jeweils beide Drehsysteme beeinflusst ist und zumindest über einen vorgesehenen Messbereich, der sich über mehrere Umdrehungen erstreckt, eindeutig vom absoluten Drehwinkel des Antriebsrades 3 abhängt, kann aus den vom Magnetsensor 5 erfassten drei räumlichen Magnetfeldkomponenten, z.B. den Winkeln α, β und γ zu den Koordinatenachsen im Raum, eindeutig auf die Stellung der Drehsysteme und damit auf den absoluten, multiperiodischen Kreiswinkel des Antriebsrades 3 geschlossen werden. Die Berechnungsalgorithmen, die im Detail nicht erfinderisch relevant sind, hängen dabei von der jeweiligen konstruktiven Ausgestaltung der Messvorrichtung ab. Es ist auch möglich, die funktionale Beziehung zwischen dem erfassten Magnetfeldvektor und der absoluten Drehstellung des Antriebsrades 3 in einer zum Magnetsensor 5 gehörenden Auswerteschaltung als Kennfeld abzulegen und von dort als jeweiliges Messergebnis zur Ausgabe auszulesen. Unabhängig davon, ob direkt berechnet oder über ein Kennfeld ermittelt, kann die Auswertung im Magnetsensor 5, beispielsweise in einem elektronischen Magnetsensorschaltkreis, intern oder in einem separaten Schaltkreis extern vorgenommen werden.
Im Schnittbild ist das Ausführungsbeispiel in 1 ohne und in 2 mit Andeutung eines resultierenden Magnetfeldes 12 gezeigt. 3 enthält die dreidimensionale Zeichnung des Ausführungsbeispiels in gleicher Position wie im Schnittbild der 1, während 4 das Beispiel in derselben Perspektive, jedoch das erste Zahnrad 1 um etwa 30° verdreht darstellt. Zusätzlich ist in den 3 und 4 ein Kugelbahnmodell 13 eingezeichnet, das die Kugelumlaufbahn des Fußes eines theoretischen Magnetfeldvektors für die ersten vier Umläufe darstellt. Dieser auch oben schon genannte Magnetfeldvektor schneidet zu jedem Zeitpunkt bzw. in jeder Stellung der Vorrichtung den Messort mit dem Magnetsensor 5 im Zentrum der Vorrichtung. Die 5 und 6 zeigen den Messort noch einmal in einer anderen Perspektive im Raum und etwas vergrößert, 6 die Anordnung wieder um ein weiteres Stückchen verdreht und im Gegensatz zu 5 mit dem vorgenannten Kugelbahnmodell 13.
Um erfindungsgemäß die mehrperiodische Kreisbahn und damit den absoluten Winkel der ursprünglichen Stellung des Antriebsrades 3 möglichst gleichmäßig und damit mit bestmöglichem Störabstand auf eineindeutige Bahnen auf einer Kugeloberfläche zu verteilen, bedarf es noch einiger theoretischer Betrachtungen. Bei optimaler Verteilung der Winkelgrade aus 4 Kreisbahnen auf die virtuelle Kugeloberfläche steht jedem der 4·360=1440 Grade etwa 0,9% der Kugeloberfläche (A = 4πr²; 4π/1440 = 0,0087) oder bei einem Radius von 1cm eine Fläche von gerundet 33 mm² für die Eineindeutigkeit zur Verfügung. Wie im Beispiel geht es darum, die 4·3=12 Runden des ersten Zahnrades 1 auf 12 Runden um das Zentrum einer gedachten Kugel zu verteilen. Eine Runde macht dann 360° als Längengrade und 360°/12 = 30° als Breitengrade aus, um die ein resultierender Magnetfeldvektor von Runde zu Runde voneinander abweicht. Es gilt also, diese 30° der vermessenen Vektoren im Raum eindeutig und auch gegen Störungen und Toleranzen voneinander zu unterscheiden. Um die Vektoren sich 30° von Runde zu Runde im dreidimensionalen Raum unterscheiden zu lassen, müssen Zahnrad 2 und das kegelverzahnte, feststehende Zahnrad 4 in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, nämlich in diesem Falle wie 360 zu 330 oder - gekürzt - im Verhältnis 12:11. In der Praxis und in Hinblick auf Baugröße, Genauigkeiten und Fertigungsbeschränkungen mag ein Zähneverhältnis der beiden Räder von 36 zu 33 günstig erscheinen. Die größere Zähnezahl von 36 wird man aus Gründen effektiver Bauraumnutzung eher dem Statorrad 4 zuordnen.
Als Magnetsensor 5 kann vorteilhaft ein elektronischer Hall-Sensorschaltkreis vorgesehen werden, der die räumliche Lage von Magnetfeldvektoren erfasst, deren Winkelwerte in eindeutiger Beziehung zum zu erfassenden absoluten Winkel der ursprünglichen, mehrperiodischen Kreisbewegung stehen.
Durch die Erfindung erreichte Vorteile Die Erfindung sieht die Erfassung mehrerer Kreisbewegungen an einem gemeinsamen Messort und durch einen einzigen Sensor vor. Durch die Verringerung der Anzahl der benötigten Sensoren auf einen einzigen können so Bauraum und Materialkosten eingespart werden.
Bezugszeichenliste

1: erstes Zahnrad
2: zweites Zahnrad
3: Antriebsrad
4: Statorzahnrad
5: Magnetsensor
6: Leiterplatte
7: Magnetanordnung
8: Lagerstator
9: statische Drehachse
10: rotierende Drehachse
11: rotierendes Lager
12: homogenes Magnetfeld
13: Kugelbahnmodell

Claims

Vorrichtung zur Erfassung eines absoluten Winkels in einem Kreis mit mehreren Umläufen, wobei der Winkelbereich 0° - n·360° auf eine, eine virtuelle Kugel umschließende Bahn übertragen, übersetzt bzw. projiziert und somit eineindeutig verteilt wird, mit mindestens einer, im Raum drehbar gelagerten Magnetanordnung (7), deren Bewegungen von mindestens einem Magnetsensor (5) erfasst und nachgelagert ausgewertet wird, um daraus den absoluten Winkel zu bestimmen, wobei jede einzelne Magnetanordnung (7) im dreidimensionalen Raum durch zwei stets orthogonal zueinander stehende Drehachsen (9,10) drehbar gelagert ist, deren virtueller Schnittpunkt in jeder Winkelposition stets an genau einem Punkt in der Mitte der virtuellen Kugel liegt, und die Position der Magnetanordnung (7) durch zwei Rotationssysteme (1,2) beeinflusst wird, wovon das erste eine statische und das zweite eine dynamische Drehachse aufweist, weil es mit einem rotierenden Lager (11) im ersten gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der zu messende absolute Winkel nach mechanischmagnetischer Übertragung aus einem im dreidimensionalen Raum eineindeutig zuordenbaren Magnetfeldvektor bestimmen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, wobei die Richtung des resultierenden Magnetfeldvektors im Raum durch einen einzigen Magnetsensor (5) erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Magnetsensor (5) durch einen handelsüblichen, räumlich die Hall-Effekte erfassenden, elektronischen Magnetsensorschaltkreis ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, wobei die Magnetanordnung (7) im Magnetsensor (5) stets einen in seiner Richtung eineindeutigen Magnetfeldvektor mit idealerweise gleichem Betrag bewirkt, was durch die Anordnung des Magnetsensors (5) im virtuellen Schnittpunkt der Drehachsen (9,10) im Innern der virtuellen Kugel nach Anspruch 1 ermöglicht wird, und die Mechanik der Vorrichtung dadurch bedingt in jeder Drehstellung ausreichend Platz zum Inneren der virtuellen Kugel lässt, um den Magnetsensor (5) von außen elektronisch anschließen zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der elektronische Magnetsensor (5) die Richtung des eineindeutigen Magnetfeldvektors aufnimmt, dessen Richtungsinformation in eineindeutiger Beziehung zum zu messenden absoluten Winkel nach Anspruch 1 steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine zentrale Sensorik Daten über einzelne Positionen auf der Bahn aufnimmt und eine nachgeordnete Logik aus diesen Daten eineindeutig auf den absoluten Wert des ursprünglichen Winkels im Kreis mit mehreren Umläufen nach Anspruch 1 schließt und diesen ausgibt.