DE102012200239A1

DE102012200239A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102012200239A1
Application number: DE102012200239A
Authority: DE
Inventors: Helge Dittmer; Axel Kaschner; Holger Behrens
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-07-11
Also published as: CN103196360A; FR2985565A1; JP2013142699A; FR2985565B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, die mehrere Sensorelemente (6, 8, 10) sowie mindestens eine Busanordnung (28) umfasst, wobei die Sensorelemente (6, 8, 10) mindestens einen Drehwinkelsensor und mindestens einen Drehmomentsensor umfassen, wobei der mindestens eine Drehwinkelsensor und der mindestens eine Drehmomentsensor über die mindestens eine Busanordnung (28) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen von Signalen für einen Drehwinkel und ein Drehmoment.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit elektrischer Servolenkung (EPS, electronic power steering) und elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP, electronic stability program) werden sowohl ein Drehmomentsensor (TSS, torque sensor steering) als auch ein Lenkwinkelsensor (LWS) benötigt. Die Signale dieser Sensoren werden auch für weitere Zusatzfunktionen verwendet. Beide genannten Sensoren werden an der Lenkung im Fahrzeuginnen- oder Motorraum montiert. Es ist weiterhin vorgesehen, Funktionen eines Drehmomentsensors und eines Lenkwinkelsensors in einem sog. TAS-Sensor (torque and angle sensor) zusammenzufassen, um Kosteneinsparungen zu erzielen und steigende Ausstattungsraten mit EPS, ESP sowie Zusatzfunktionen zu unterstützen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und ein Verfahren nach Patentanspruch 4 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Mit der Erfindung kann eine Sensoranordnung bereitgestellt werden, die eine Kombination eines Drehmoment- und Lenkwinkelsensors umfasst, bei der mindestens zwei Sensorelemente über mindestens eine Busanordnung als Datenbussystem miteinander sowie mit einem Steuergerät verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass die mindestens eine Busanordnung als Teil der Sensoranordnung mindestens einen Drehwinkelsensor, d. h. mindestens ein Sensorelement zum Erfassen eines Drehwinkels, bspw. eines Lenkwinkels, und mindestens einen Drehmomentsensor, d. h. mindestens ein Sensorelement zum Erfassen eines Drehmoments, aufweist.
Hierbei kann ein Signal für das Drehmoment durch den mindestens einen Drehmomentsensor und ein Signal für den Drehwinkel von dem mindestens einen Drehwinkelsensor magnetisch erfasst werden. Die erfassten Signale können weiterhin kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung sind mindestens vier Sensorelemente vorgesehen. Dabei werden zur Bestimmung eines Drehmoments als erste Größe einer Drehbewegung aus Gründen der Sicherheitsarchitektur und/oder Redundanz mindestens zwei Drehmomentsensoren als Sensorelemente zum Erfassen des Drehmoments verwendet. Zur Bestimmung eines Drehwinkels, bspw. eines Lenkwinkels, als zweite Größe der Drehbewegung werden ebenfalls mindestens zwei Drehwinkelsensoren als Sensorelemente verwendet, wobei der Drehwinkel mit diesen Sensorelementen unter Realisierung des Noniusprinzips erfasst werden kann. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, zum Erfassen des Drehwinkels redundante Sensorelemente zu verwenden.
Alle genannten Sensorelemente oder ein Teil der Sensorelemente können über mindestens eine Busanordnung, d. h. eine Busanordnung oder mehrere Busanordnungen, miteinander elektrisch verbunden werden. Dies führt zu einer Kostenreduktion aufgrund der reduzierten Anzahl von Steckerpins und Kabel. Üblicherweise sind als Teilnehmer der mindestens einen Busanordnung der mindestens eine Drehwinkelsensor, der mindestens eine Drehmomentsensor sowie das Steuergerät, das mit den genannten Sensorelementen verbunden ist, vorgesehen.
Bei Verwendung von mindestens einer synchronen Busanordnung, mit der Signale synchron und somit aufeinander zeitlich abgestimmt übertragen werden, kann eine genaue Kenntnis eines Alters (Signalalter) mindestens eines Signals, in der Regel mindestens eines Rohsignals, das von mindestens einem Sensorelement der Busanordnung bereitgestellt wird, genutzt werden. In der Regel werden mehrere Sensorelemente verwendet, die mit der Busanordnung verschaltet werden können.
In Ausgestaltung kann die Busanordnung als Teilnehmer n Sensorelemente aufweisen. Die von diesen n Sensorelementen als Rohsignale ausgebildeten Signale können nach einem zeitlich vorgegebenen Schema übertragen werden, wobei ein erstes Signal eines ersten Sensorelements zu einem ersten Zeitpunkt, ein k-tes Signal eines k-ten Sensorelements zu einem k-ten Zeitpunkt und ein n-tes eines n-ten Sensorelements Signal zu einem n-ten Zeitpunkt übertragen wird. Ein Intervall zwischen zwei der genannten Zeitpunkte kann mindestens so lange eingestellt werden, dass dieses Intervall zumindest so lange wie eine Übertragungszeit eines zwischen den beiden Zeitpunkten zu übertragenden Signals ist, so dass Signale nacheinander übertragen werden. Die vorgesehenen Intervalle können konstant vorgegeben und/oder bedarfsgerecht betriebsbegleitend eingestellt werden, da eine Übertragungszeit der Signale variieren kann. Während einer Übertragungssequenz können, wie durch das voranstehend beschriebene Schema angegeben, die Signale einer vorgegebenen Reihenfolge entsprechend zeitlich nacheinander übertragen werden, so dass das Steuergerät anhand des Schemas und/oder anhand der Reihenfolge erkennt, welches Signal von welchem Sensorelement stammt.
Es ist möglich, den mindestens einen Drehwinkelsensor und den mindestens einen Drehmomentsensor als bereits installierte Sensorelemente an mindestens eine neu zu installierende Busanordnung anzuschließen, zu verschalten und mit einem Steuergerät zu verbinden. Das Steuergerät kann aus Rohsignalen, die von den Sensorelementen bereitgestellt und über die Busanordnung als Signale synchron zu dem Steuergerät übertragen werden, den Drehwinkel sowie das Drehmoment berechnen.
Dabei können magnetische Sensorelemente verwendet werden, die über die Busanordnung miteinander elektrisch verbunden sind, so dass ein TAS-Sensor, mit dem ein Drehwinkel und ein Drehmoment bestimmt werden können, bereitgestellt wird. Als magnetische Sensorelemente können bspw. Hall-Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, AMR-Sensoren, die den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzen, oder GMR-Sensoren, die den Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance) nutzen, eingesetzt werden.
Für die Realisierung einer Sensoranordnung (TAS), die eine Kombination eines Drehwinkelsensors und eines Drehmomentsensors umfasst und mit der als Größen einer Drehbewegung ein Drehmoment sowie ein Drehwinkel bestimmt werden können, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
In einer Ausgestaltung sind alle Sensorelemente über die Busanordnung verschaltet und mit dem Steuergerät verbunden. Die Busanordnung verbindet dabei einen ersten und einen zweiten Drehmomentsensor als Sensorelemente zum Erfassen des Drehmoments einer Welle sowie einen ersten und einen zweiten Drehwinkelsensor als Sensorelement zum Erfassen des Drehwinkels der Welle mit dem Steuergerät. Andere Zuordnungen sind auch möglich, allerdings ist vorgesehen, dass eine Zeitdifferenz zwischen Signalen, die Datenpakete mit Messwerten zu den erfassten Größen der Drehbewegung umfassen, möglichst gering ist.
Es können auch mindestens zwei Busanordnungen als Komponenten der Sensoranordnung vorgesehen sein, wobei in einer ersten Busanordnung ein erster Drehwinkelsensor, ein erster Drehmomentsensor und ein Steuergerät als Teilnehmer verbunden sind. In einer zweiten Busanordnung sind ein zweiter Drehwinkelsensor, ein zweiter Drehmomentsensor und das Steuergerät als Teilnehmer verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Busanordnung mit drei Sensorelementen, d. h. mit zwei Drehwinkelsensoren und einem Drehmomentsensor, verwendet. Ein redundanter zweiter Drehmomentsensor kann über eine zusätzliche Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit dem Steuergerät verbunden sein. Analog ist es ebenfalls möglich, über die Busanordnung zwei Drehmomentsensoren und einen Drehwinkelsensor mit dem Steuergerät zu verbinden. Der redundante zweite Drehwinkelsensor ist unabhängig von der Busanordnung direkt mit dem Steuergerät zu verbinden.
Außerdem sind beliebige andere Buskonfigurationen auch von weiteren Sensorelementen zum Erfassen des Drehmoments und/oder des Drehwinkels denkbar, um eine Verfügbarkeit von Signalen des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zu erhöhen. Die Busanordnung ist auf andere Konzepte zur Realisierung von Sensoranordnungen übertragbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Sensorelemente und das Steuergerät eine Funktionalität der Busanordnung unterstützen. Sollte die Sensoranordnung bspw. eine Index-Funktion aufweisen oder weitere Sensoren, z. B. einen Beschleunigungssensor, umfassen, können diese ebenfalls als Sensorelemente in der Busanordnung integriert werden.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Sensoranordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Sensoranordnung oder der gesamten Sensoranordnung realisiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sowie ein Diagramm zur Durchführung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sowie ein Diagramm zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in zwei unterschiedlichen Ansichten.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2 umfasst ein Steuergerät 4 sowie ein erstes Sensorelement 6, ein zweites Sensorelement 8 und ein n-tes Sensorelement 10. Dabei weisen das Steuergerät 4 und jedes der Sensorelemente 6, 8, 10 ein Signalverarbeitungsmodul 12, 14, 16, 18 sowie eine elektronische Schnittstelle 20, 22, 24, 26 auf. Weiterhin sind das Steuergerät 4 sowie die Sensorelemente 6, 8, 10 als Teilnehmer einer ersten Busanordnung 28 ausgebildet, die eine erste Kommunikationsverbindung 30 sowie eine zweite Kommunikationsverbindung 32 umfasst. Jeder Teilnehmer der Busanordnung 28 ist über seine Schnittstelle 20, 22, 24, 26 mit beiden Kommunikationsverbindungen 30, 32 der Busanordnung 28 verbunden. Außerdem sind sämtliche Teilnehmer, d. h. das Steuergerät 4 sowie die Sensorelemente 6, 8, 10, entlang der Busanordnung 28 in Reihe geschaltet. In Ausgestaltung ist es möglich, dass in der Busanordnung das Steuergerät 4 eine Funktion eines Masters und die Sensorelemente 6, 8, 10 Funktionen von Slaves ausführen.
Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2 ist zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle als erste Größe einer Drehbewegung der Welle sowie zum Bestimmen eines Drehmoments der Welle als zweite Größe der Drehbewegung der Welle ausgebildet. Somit ist die Sensoranordnung 2 zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle relativ zu ihrer Drehachse sowie des Drehmoments der Welle relativ zu einer zweiten Vorrichtung, bspw. einer weiteren, zweiten Welle, die sich um dieselbe Drehachse wie die Welle drehen kann, geeignet. Zum Bestimmen der beiden genannten Größen der Drehbewegung der Welle ist vorgesehen, dass mindestens eines der gezeigten Sensorelemente 6, 8, 10 als Drehwinkelsensor zum Erfassen des Drehwinkels und mindestens eines der Sensorelemente 6, 8, 10 als Drehmomentsensor zum Erfassen des Drehmoments der Welle ausgebildet ist. Da die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der Sensoranordnung 2 mindestens drei Sensorelemente 6, 8, 10 umfasst, kann mindestens eine der beiden Größen der Drehbewegung der Welle zumindest zweifach und somit typischerweise redundant erfasst werden.
Das in 1 ebenfalls gezeigte Diagramm umfasst als Abszisse 34 eine Zeitachse sowie eine Ordinate 36, entlang der eine Spannung in der Einheit Volt aufgetragen ist. Entlang der Abszisse 34 sind ein erster Zeitpunkt 38 t1, ein zweiter Zeitpunkt 40 t2, ein dritter Zeitpunkt 42 t3, ein vierter Zeitpunkt 44 t4 sowie ein fünfter Zeitpunkt 46 t5 markiert. Entlang der Ordinate 36 sind eine Nullspannung 48 mit 0 Volt, ein erster Spannungswert 50 V1, ein zweiter Spannungswert 52 V2 sowie eine Schwellspannung 54 markiert.
Bei Betrieb der Sensoranordnung 2 werden von den Sensorelementen 6, 8, 10 Werte für beide Größen der Drehbewegung, d. h. für den Drehwinkel sowie für das Drehmoment, erfasst und über die Busanordnung 28 mit Signalen, die Datenpakete 56, 58, 60, 62 aufweisen, die wiederum Werte zu den erfassten Größen der Drehbewegung umfassen, an das Steuergerät 4 übermittelt. Ein zeitlicher Verlauf der Datenpakete 56, 58, 60, 62, die als Signale übermittelt werden, sowie eine Kurve 64 für einen Verlauf der Spannung der Signale in der Busanordnung 28 sind anhand des Diagramms aus 1 verdeutlicht. Dabei ist für jedes Signal, mit dem ein Datenpaket 56, 58, 60, 62 übertragen wird, eine Übertragungszeit vorgesehen. Nach einem Beginn des Betriebs der Sensoranordnung 2 wird die Spannung ausgehend von der Nullspannung 48 auf den ersten Spannungswert 50 V1 erhöht. Zu dem ersten Zeitpunkt 38 t1 wird die Spannung bis zu der Schwellspannung 54 erhöht. Nachfolgend wird die Spannung weiterhin bis zum zweiten Spannungswert 52 V2 erhöht.
Durch das hier gezeigte erste Erreichen des zweiten Spannungswerts 52 V2 wird von dem Steuergerät 4 ein erster Synchronisationspuls 66 erzeugt, der zur Initialisierung, Synchronisierung und/oder Adressierung der Sensorelemente 6, 8, 10 von dem Steuergerät 4 bereitgestellt wird, wobei jedem Sensorelement 6, 8, 10 mit dem ersten Synchronisationspuls 66 eine Adresse zugewiesen wird. Danach sinkt die Spannung wieder auf den ersten Spannungswert 50 V1 ab.
Nun ist es möglich, dass die synchronisierten Sensorelemente 6, 8, 10 in einer ersten Übertragungssequenz mit Signalen nacheinander Datenpakete 56, 58, 60 zu den erfassten Werten der Größen der Drehbewegung an das Steuergerät 4 übermitteln. Dabei wird ein erstes Datenpaket 56 von dem ersten Sensorelement 6, ein zweites Datenpaket 58 von dem zweiten Sensorelement 8 sowie ein n-tes Datenpaket 60 von dem n-ten Sensorelement 10 bereitgestellt. Nachdem jedes Sensorelement 6, 8, 10 sein Datenpaket 56, 58, 60 übermittelt hat, wird von dem Steuergerät 4 ein zweiter Synchronisationspuls 68 bereitgestellt, wobei die Spannung innerhalb der Busanordnung 28 wieder auf den zweiten Spannungswert 52 V2 erhöht wird.
Das Diagramm aus 1 zeigt auch einen Doppelpfeil 70, der eine Dauer eines Zeitintervalls Tsync zwischen zwei Synchronisationspulsen 66, 68 andeutet. Nach Übermittlung des zweiten Synchronisationspulses 68 werden während einer zweiten Übertragungssequenz von den Sensorelementen 6, 8, 10 erneut Signale an das Steuergerät 4 übermittelt, wobei in dem Diagramm aus 1 lediglich ein Datenpaket 62 des ersten Sensorelements 6, das als Signal übermittelt wird, dargestellt ist.
Somit ist eine Übertragungssequenz durch zwei Synchronisationspulse 66, 68 des Steuergeräts 4 begrenzt. Üblicherweise können die Sensorelemente 6, 8, 10 durch jeden neuen Synchronisationspuls 66, 68 neu synchronisiert, initialisiert und/oder adressiert werden. Es ist vorgesehen, dass eine Dauer Tsync der Übertragungssequenz zumindest so lange wie die Summe sämtlicher Übertragungszeiten der Signale zum Übertragen sämtlicher Datenpakete 56, 58, 60 ist. In der beschriebenen Ausführungsform werden die Signale mit den Datenpaketen 56, 58, 60 während der ersten Übertragungssequenz unmittelbar nacheinander versendet. Es ist alternativ oder ergänzend auch möglich, dass zwischen zumindest zwei Signalen eine kurze Pause, bspw. Sendepause, vorgesehen ist. In beiden Fällen ist vorgesehen, dass jeweils immer nur ein Signal über die Busanordnung 28 übertragen wird. Eine Reihenfolge für die in der Übertragungssequenz übertragenen Signale und somit Datenpakete kann vorab definiert werden. Es ist ebenfalls möglich, einen k-ten Zeitpunkt zu dem ein k-tes Signal zur Übertragung eines k-ten Datenpakets 56, 58, 60, 62 eines k-ten Sensorelements übermittelt wird, vorab zu definieren. In einer möglichen Ausgestaltung kann oder können die Reihenfolge sowie die k Zeitpunkte über den Synchronisationspuls 66, 68 von der nachfolgenden Übertragungssequenz betriebsbegleitend angepasst und somit neu definiert werden.
Somit senden innerhalb der Busanordnung 28 der Sensoranordnung 2 die Sensorelemente 6, 8, 10 an das Steuergerät 4 nach jedem Synchronisationspuls 66, 68 zeitgesteuert als Rohsignale ausgebildete Signale an das Steuergerät 4. Die über die Rohsignale bereitgestellten Datenpakete 56, 58, 60, 62 werden dabei in unterschiedlichen Zeitbereichen, die von Übertragungszeiten für die Signale abhängig sind, übermittelt.
Die mit der Busanordnung 28 mit Datenpaketen 56, 58, 60, 62 zu übertragenden Werte der Sensorelemente 6, 8, 10 werden durch den ersten Synchronisationspuls 66, der von den Sensorelementen 6, 8, 10 erkannt wird, vom Steuergerät 4 auf die Busanordnung 28 gegeben. Jedem Sensorelement 6, 8, 10 ist durch eine Adressierung ein Zeitschlitz (Timeslot) zugeordnet, in dem er sein Datenpaket 56, 58, 60, 62 überträgt. Haben alle Sensorelemente 6, 8, 10 der Busanordnung 28 ihre Datenpakete 56, 58, 60, 62 übertragen, kann dieser Vorgang nach einem erneuten, zweiten Synchronisationspuls 68 wiederholt werden. Die Adressierung kann z. B. in jedes Sensorelement 6, 8, 10 fest einprogrammiert werden oder es kann ein dynamisches Verfahren, wie bei einer in 2 vorgestellten Daisy-Chain-Konfiguration, verwendet werden.
Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 80 umfasst ebenfalls ein Steuergerät 4 sowie n Sensorelemente 6, 8, 10. Weiterhin sind das Steuergerät 4 sowie die Sensorelemente 6, 8, 10 als Teilnehmer einer zweiten Busanordnung 82 ausgebildet, wobei diese Busanordnung 82 geschlossen ringförmig ausgebildet ist und demnach für die Sensorelemente 6, 8, 10 als Teilnehmer der Busanordnung 82 eine sogenannte Daisy-Chain-Konfiguration aufweist. Mindestens eines der n Sensorelemente 6, 8, 10 ist hier als Drehwinkelsensor und mindestens ein weiteres der n Sensorelemente 6, 8, 10 als Drehmomentsensor ausgebildet. Außerdem weist jeder Teilnehmer der Busanordnung 82 ein Signalverarbeitungsmodul 12, 14, 16, 18 sowie eine elektronische Schnittstelle 84, 86, 88, 90, über die der jeweilige Teilnehmer mit einer ersten Kommunikationsverbindung 92 sowie einer zweiten Kommunikationsverbindung 94 der Busanordnung 82 verbunden ist, auf.
Ähnlich wie bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2 ist die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 80 dazu ausgebildet, mindestens zwei Größen einer Drehbewegung, üblicherweise einer Drehbewegung einer Welle, und somit einen Drehwinkel und ein Drehmoment zu bestimmen. Dabei wird von mindestens einem der Sensorelemente 6, 8, 10, das als der mindestens eine Drehwinkelsensor ausgebildet ist, der Drehwinkel sowie von mindestens einem der Sensorelemente 6, 8, 10, das als der mindestens eine Drehmomentsensor ausgebildet ist, das Drehmoment erfasst und ein Rohsignal zu der mindestens einen Größe als Signal an das Steuergerät 4 übermittelt. Dabei ist das Steuergerät 4 als Master vorgesehen. Die Sensorelemente 6, 8, 10 sind als Slaves vorgesehen.
Die hierzu durchzuführende zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung der beiden Größen der Drehbewegung ist anhand des Diagramms aus 2 beschrieben. Dieses Diagramm umfasst als Abszisse 34 eine Zeitachse. Entlang einer Ordinate 36 dieses Diagramms ist eine Spannung aufgetragen. Entlang der Abszisse sind ein erster Zeitpunkt 96 t1, ein zweiter Zeitpunkt 98 t2, ein dritter Zeitpunkt 100 t3, ein vierter Zeitpunkt 102 t4, ein fünfter Zeitpunkt 104 t5, ein sechster Zeitpunkt 106 t6 sowie ein siebter Zeitpunkt 108 t8 markiert. Entlang der Ordinate sind eine Nullspannung 48, ein erster Spannungswert 50 V1, ein zweiter Spannungswert 52 V2 sowie eine Schwellspannung 54 markiert.
Zur Durchführung des Verfahrens wird, wie durch die Kurve 110 des Diagramms angedeutet, die Spannung entlang der Busanordnung 82 ausgehend von der Nullspannung 48 auf den ersten Spannungswert 50 V1 angehoben. Während einer Adressierungssequenz, die durch den ersten Zeitpunkt 96 t1 und den zweiten Zeitpunkt 98 t2 zeitlich begrenzt ist, werden von dem Steuergerät 4 nacheinander mehrere Synchronisationspulse 112, 114, 116 über die Busanordnung 82 an die Sensorelemente 6, 8, 10 übermittelt. Dabei kann die Anzahl der übermittelten Synchronisationspulse der Anzahl der Sensorelemente 6, 8, 10 entsprechen, wobei jeder dieser Synchronisationspulse 112, 114, 116 den zweiten Spannungswert 52 V2 aufweist, der größer als die Schwellspannung 54 ist.
Zu einem zweiten Zeitpunkt 98 t2 liegt an der Busanordnung 82 wieder der erste Spannungswert 50 V1 an. Weiterhin ist vorgesehen, dass zu dem dritten Zeitpunkt 100 t3 die Spannung über die Schwellspannung 54 erhöht wird, wobei die Spannung weiterhin den zweiten Spannungswert 52 V2 erreicht, so dass, wie bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens, ein erster zusätzlicher Synchronisationspuls 118 bereitgestellt wird. Nach Absinken der Spannung auf den ersten Spannungswert 50 V1 wird zu dem vierten Zeitpunkt 102 t4 ein erstes Datenpaket 56 des ersten Sensorelements 6, zum fünften Zeitpunkt 104 t5 ein zweites Datenpaket 58 des zweiten Sensorelements 8 und nachfolgend zu einem späteren Zeitpunkt von dem n-ten Sensorelement 10 ein n-tes Datenpaket 60 mit Signalen, die hier als Rohsignale ausgebildet sind, über die Busanordnung 82 an das Steuergerät 4 übermittelt. Danach wird zu dem siebten Zeitpunkt 108 t7 von dem Steuergerät 4 ein zweiter zusätzlicher Synchronisationspuls 120 an die Steuergeräte 6, 8, 10 übermittelt.
Mit der Daisy-Chain-Konfiguration zur Adressierung von Sensorelementen 6, 8, 10 und Übertragung von Datenpaketen 56, 58, 60 kann jedes Sensorelement 6, 8, 10 für ein physikalisch nachgeschaltetes Sensorelement 6, 8, 10 der Busanordnung 82 die Versorgungsspannung ein- und ausschalten, was zur Adressierung genutzt wird. Zu Beginn einer Adressierungssequenz schalten alle Sensorelemente 6, 8, 10 die Spannungsversorgung der nachgeordneten Sensorelemente 6, 8, 10 ab. Somit ist nur jenes Sensorelement 6, 8, 10 mit einer Spannung versorgt, das direkt mit dem Steuergerät 4 verbunden ist. Dieses bekommt nun vom Steuergerät 4 eine in der Busanordnung 82 eindeutige Adresse zugewiesen und schaltet die Spannungsversorgung für das nächste Sensorelement 6, 8, 10 ein. Nun bekommt auch dieses Sensorelement 6, 8, 10 eine Adresse zugewiesen usw., bis alle Sensorelemente 6, 8, 10 adressiert sind. Eine Übertragung von Datenpaketen 56, 58, 60 kann nun analog in Zeitschlitzen (Timeslots) ablaufen, so dass alle Werte aller Sensorelemente 6, 8, 10 übertragen werden, oder das Steuergerät 4 einzelne Adressen separat abfragt, falls nicht alle Werte gleich häufig benötigt werden.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie durch einen ersten Doppelpfeil 122 in dem Diagramm aus 2 angedeutet, durch den dritten Zeitpunkt 100 t3 und den siebten Zeitpunkt 108 t7 und/oder den ersten zusätzlichen Synchronisationspuls 108 und den zweiten zusätzlichen Synchronisationspuls 120 die Dauer Tsync einer Übertragungssequenz angedeutet. Nach dem zusätzlichen zweiten Synchronisationspuls 120 werden von den Sensorelementen 6, 8, 10 in einer weiteren Übertragungssequenz erneut als Rohsignale ausgebildete Signale an das Steuergerät 4 übermittelt, wobei in dem Diagramm aus 2 lediglich ein Datenpaket 124 des ersten Sensorelements 6, das hier über ein als Rohsignal ausgebildetes Signal übertragen wird, dargestellt ist. Eine Reihenfolge und/oder ein zeitlicher Ablauf einer Übertragung von Datenpaketen 56, 58, 60 während einer Übertragungssequenz kann, wie anhand der von 1 beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens beschrieben ist, definiert und/oder eingestellt werden.
Während der beschriebenen Adressierungssequenz wird während der Initialisierungsphase jedem Sensorelement 6, 8, 10 eine Adresse zugewiesen, so dass auch eine Verwendung baugleicher Sensorelemente 6, 8, 10 als Teilnehmer der Busanordnung 82 möglich ist.
Beide gezeigten Ausführungsformen der Sensoranordnung 2, 80 umfassen mehrere Sensorelemente 6, 8, 10 sowie mindestens eine Busanordnung 28, 82. Dabei sind mindestens zwei der Sensorelemente 6, 8, 10 über die mindestens eine Busanordnung 28, 82 miteinander verbunden, wobei mindestens ein erstes der mindestens zwei Sensorelemente 6, 8, 10 der mindestens einen Busanordnung 28, 82 als Drehwinkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels und mindestens ein zweites der mindestens zwei Sensorelemente 6, 8, 10 der mindestens einen Busanordnung 28, 82 als Drehmomentsensor zum Erfassen eines Drehmoments ausgebildet ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensorelementen 6, 8, 10 feste Adressen einzuprogrammieren und die einzelnen Sensorelemente 6, 8, 10 anschließend mit unterschiedlichen Ausgestaltungen eines Synchronisationspulses 66, 68, 112, 114, 116 anzusprechen. Dabei ist es möglich, Länge und/oder Amplitude des Synchronisationspulses 66, 68, 112, 114, 116 zu variieren, um unterschiedlich adressierte Sensorelemente 6, 8, 10 anzusprechen. Hierbei ist jedem Sensorelement 6, 8, 10 ein Synchronisationspuls 66, 68, 112, 114, 116 mit einer bestimmten Länge und/oder Amplitude eindeutig zugeordnet.
Das PSI5-Protokoll für eine digitale Schnittstelle (Peripheral Sensor Interface 5) für Sensorelemente 6, 8, 10 nutzt u. a. die anhand der 1 und 2 vorgestellten Ausführungsformen, wohingegen im SPC-Protokoll (Short PWM Codes) für kurze pulsweiten modulierte Codes unterschiedlich lange Synchronisationspulse zur Adressierung verwendet werden können.
Die in 3 in zwei verschiedenen Ansichten (3a, 3b) dargestellte dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 130 umfasst zwei als Hall-Sensoren ausgebildete Sensorelemente 132, 134, die als Drehmomentsensoren zum Erfassen eines Drehmoments als erste Größe einer Drehbewegung einer Welle 136 ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 130 ein drittes Sensorelement 138 und ein viertes Sensorelement 140, die hier als Drehwinkelsensoren zum Erfassen eines Drehwinkels der Welle 136 als zweite Größe der Drehbewegung der Welle 136 ausgebildet sind. Dabei sind sämtliche Sensorelemente 132, 134, 138, 140 in einem Sensorgehäuse 142 angeordnet, das eine Aufnahme 144 für ein erstes Zahnrad 146 und ein zweites Zahnrad 148, die beide mit den Sensorelementen 138, 140 zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle 136 zusammenwirken, und einen Deckel 149 aufweist, der einen Elektronikbauraum mit den Sensorelementen 132, 134, 138, 140 abschließt. Es ist vorgesehen, dass sämtliche in dem Sensorgehäuse 142 angeordneten Komponenten, d. h. die Sensorelemente 132, 134, 138, 140 sowie die Messzahnräder 146, 148 relativ zu der drehbaren Welle 136 an einem hier nicht weiter dargestellten Bauteil ortsfest befestigt sind. Eine Einrichtung für einen Rotationsstop, mit der eine Drehung der Sensoranordnung 130 und/oder des Sensorgehäuses 142 vermieden wird, ist in 3 nicht gezeigt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass an der Welle 136 ein Nabenzahnrad 150 sowie eine Magnetflusseinheit 152 befestigt sind. In 3 ist auch ein Gleitlager 154 dargestellt, über das sich die Welle 136 und somit auch das Nabenzahnrad 150 sowie die Magnetflusseinheit 152 relativ zu den Sensorelementen 132, 134, 138, 140 drehen können.
Das Drehmoment der Welle 136 relativ zu einem weiteren Bauteil, über das die hier gezeigte erste Welle 136 bspw. mit einem Torsionsstab verbunden ist und sich relativ zu diesem zweiten Bauteil drehen kann, wird über eine Verdrillung des Torsionsstabs bestimmt. In Ausgestaltung ist dieses zweite Bauteil als eine zweite, in 3 nicht weiter dargestellte Welle ausgebildet, die sich um dieselbe, gemeinsame Drehachse wie die erste Welle 136 dreht. Dabei ist an dieser zweiten Welle üblicherweise eine aus Magnetelementen bestehende ringförmige Magneteinheit angeordnet, die ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum durch die üblicherweise aus ferromagnetischem Material bestehende Magnetflusseinheit 152 an Positionen der beiden ersten Sensorelemente 132, 134 zum Ermitteln des Drehmoments der Welle 136 verstärkt und/oder konzentriert wird. Die beiden zum Bestimmen des Drehmoments als Hall-Sensoren ausgebildeten Sensorelemente 132, 134 erfassen dieses verstärkte und/oder konzentrierte Magnetfeld, woraus redundant zwei Rohsignale zum Bestimmen des Drehmoments bereitgestellt werden.
In der beschriebenen Ausführungsform weisen die beiden Messzahnräder 146, 148 unterschiedlich viele Zähne auf. Die Zähne der beiden Messzahnräder 146, 148 greifen in die Zähne des Nabenzahnrads 150 ein. Aus einer Drehung der Welle 136 resultiert eine Drehung des Nabenzahnrads 150 um die Drehachse relativ zu dem Sensorgehäuse 146 und somit auch relativ zu den beiden Messzahnrädern 146, 148, die unterschiedlich schnell gedreht werden. An oder in jedem Messzahnrad 146, 148 ist ein Permanentmagnet angeordnet, dessen Magnetfeld von den hier ebenfalls als Hall-Sensoren ausgebildeten Sensorelementen 138, 140 zum Erfassen des Drehwinkels der Welle 136 erfasst wird, wobei jeweils einem Messzahnrad 146, 148 ein Sensorelement 138, 140 zum Erfassen des Drehwinkels zugeordnet ist. Aus diesen sich bei einer Drehung der Welle 136 über die Messzahnräder 146, 148 ebenfalls drehenden und von den Sensorelementen 138, 140 erfassten Magnetfeldern werden Rohsignale zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle 136 bereitgestellt.
Die in 3 gezeigten Sensorelemente 132, 134, 138, 140 sind, wie bspw. anhand der 1 und 2 beschrieben, über eine in 3 nicht weiter gezeigte Busanordnung mit einem ebenfalls in 3 nicht dargestellten Steuergerät verbunden.
Zur Bereitstellung der Rohsignale der beiden zu erfassenden Größen der Drehbewegung kann die Busanordnung auf einem Schaltungsträger realisiert werden, der als eine Starr-Flex-Leiterplatte ausgebildet ist. Hierfür sind auch zwei miteinander verbundene Leiterplatten denkbar. Dies ermöglicht es, mindestens ein Sensorelement 138, 140 für den Drehwinkel nach dem Noniusprinzip modular zu integrieren. Durch das an der Magnetflusseinheit 154 befestigte Nabenzahnrad 150 werden die beiden als Nonius-Zahnräder ausgebildeten Messzahnräder 146, 148 angetrieben.
Anstelle einer Leiterplatte für einen Drehmomentsensor zum Erfassen des Drehmoments kann oder können z. B. eine Starr-Flex-Leiterplatte oder zwei Leiterplatten, die anderweitig miteinander verbunden sind, verwendet werden, die auch die oberhalb den Messzahnrädern 146, 148 liegenden Sensorelemente 138, 140 für den Drehwinkel umfasst bzw. umfassen. Die Signale der Sensorelemente 132, 134, 138, 140 werden einzeln über elektrische Schnittstellen, bspw. PAS4, SENT, SPC, PWM oder analog zum Steuergerät geführt. Eine Berechnung eines Signals für das Drehmoment und eines Signals für den Lenkwinkel wird mit den von den Sensorelementen 132, 134, 138, 140 bereitgestellten Rohsignalen im Steuergerät durchgeführt.
Die als Teil der Sensoranordnung 130 vorgesehene mindestens eine Busanordnung zum Verbinden von mindestens zwei Sensorelementen 132, 134, 138, 140 mit einem Steuergerät als Teilnehmer der mindestens einen Busanordnung ist zum Übertragen von Signalen zwischen den Teilnehmern ausgebildet, wobei Signale zwischen den Teilnehmern über die mindestens eine Busanordnung übertragen werden. Die Sensorelemente 132, 134, 138, 140 sind dazu ausgebildet, als Größen einer Drehbewegung, üblicherweise von mindestens einer Welle 136, einen Drehwinkel sowie ein Drehmoment zu erfassen.
Jedes der über die Busanordnung verbundenen Sensorelemente 132, 134, 138, 140 weist eine elektronische Schnittstelle auf. An der Busanordnung können auch mehr als die gezeigten Sensorelemente 132, 134, 138, 140, bspw. auch mindestens ein zusätzliches Sensorelement, das bspw. zum Erfassen einer Beschleunigung ausgebildet ist, angeschlossen sein.
Die Teilnehmer der Busanordnung können in Reihe geschaltet und/oder miteinander ringförmig verbunden sein. Weiterhin können zwischen den Teilnehmern über die Busanordnung Signale übermittelt, bspw. ausgetauscht, werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass in der mindestens einen Busanordnung als Teil der Sensoranordnung 130 Signale von Teilnehmern synchron übertragen werden. Die Sensorelemente 132, 134, 138, 140 können bei einer Initialisierung, Adressierung und/oder Synchronisierung mit zumindest einem Synchronisationspuls, der von dem Steuergerät bereitgestellt wird, initialisiert, adressiert und/oder synchronisiert werden. Von den Sensorelementen 132, 134, 138, 140 werden von den erfassten Größen der Drehbewegung als Rohsignale ausgebildete Signale bereitgestellt und an das Steuergerät übermittelt. Von dem Steuergerät können Signale der Sensorelemente 132, 134, 138, 140 erfasst werden. Daraus können von dem Steuergerät die Größen der Drehbewegung, d. h. der Drehwinkel sowie das Drehmoment berechnet werden.

Claims

Sensoranordnung, die mehrere Sensorelemente (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140) sowie mindestens eine Busanordnung (28, 82) umfasst, wobei die Sensorelemente (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140) mindestens einen Drehwinkelsensor und mindestens einen Drehmomentsensor umfassen, wobei der mindestens eine Drehwinkelsensor und der mindestens eine Drehmomentsensor über die mindestens eine Busanordnung (28, 82) miteinander verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Drehwinkelsensor und der mindestens eine Drehmomentsensor über die mindestens eine Busanordnung (28, 82) mit einem Steuergerät (4) verbunden sind.
Busanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der Sensorelemente (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140), die über die mindestens eine Busanordnung (28, 82) miteinander verbunden sind, eine elektronische Schnittstelle (22, 24, 26, 86, 88, 90) aufweisen.
Verfahren zum Bereitstellen von Signalen, die von mehreren Sensorelementen (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140) erfasst werden, wobei die Sensorelemente (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140) mindestens einen Drehwinkelsensor und mindestens einen Drehmomentsensor umfassen, wobei der mindestens eine Drehwinkelsensor und der mindestens eine Drehmomentsensor über die mindestens eine Busanordnung (28, 82) miteinander verbunden sind, und wobei die bereitzustellenden Signale von dem mindestens einen Drehwinkelsensor und dem mindestens einen Drehmomentsensor als Teilnehmer der Busanordnung (28, 82) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die von dem mindestens einen Drehwinkelsensor und dem mindestens einen Drehmomentsensor erfassten Signale für einen Drehwinkel und das Drehmoment über die mindestens eine Busanordnung (28, 82) an ein Steuergerät (4) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem in der mindestens einen Busanordnung (28, 82) Signale des mindestens einen Drehwinkelsensors und des mindestens einen Drehmomentsensors synchron übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem in der mindestens einen Busanordnung (28, 82) Signale des mindestens einen Drehwinkelsensors und des mindestens einen Drehmomentsensors nacheinander übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der mindestens eine Drehwinkelsensor und der mindestens eine Drehmomentsensor durch zumindest einen Synchronisationspuls (6, 8, 10, 132, 134, 138, 140), der von dem Steuergerät (4) bereitgestellt wird, adressiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem von dem mindestens einen Drehwinkelsensor und dem mindestens einen Drehmomentsensor als Rohsignale ausgebildete Signale bereitgestellt und an das Steuergerät (4) übermittelt werden, wobei daraus von dem Steuergerät (4) der Drehwinkel und das Drehmoment berechnet werden.