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Die Erfindung betrifft eine Lenkwinkelsensorik zur Bestimmung des Lenkwinkels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Lenkung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Die Kenntnis des Lenkwinkels ist für viele Fahrerassistenzsysteme zur Ausführung ihrer Funktionen eine Voraussetzung. So müssen beispielsweise Assistenzsysteme zum Parken eines Fahrzeuges, Spurhalteassistenten, Assistenten zum teilautonomen oder autonomen Fahren oder Assistenzsysteme zum Verhindern einer Kollision durch ein Ausweichmanöver den aktuellen Lenkwinkel kennen, um entsprechende Fahrmanöver initiieren zu können.
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Bei heute am Markt befindlichen Fahrzeugen wird der Lenkwinkel üblicherweise innerhalb der Lenkung generiert. Eine kostengünstige Möglichkeit dazu ist, den Lenkwinkel aus der Motorlage-Sensorik der elektrischen Lenkung abzuleiten und mittels einer Index-Position an der Lenkwelle der Lenkung den Lenkwinkel der Motorlage-Sensorik zu kalibrieren. Als Index-Position wird ein Magnet und ein Hallschalter verwendet, wobei ein binäres Signal zur Auswertung im Lenkungssteuerungsgerät erzeugt wird, wenn der Magnet über den Lenkwinkelbereich am Hallschalter vorbei kommt. Eine Erweiterung dieses Prinzips ist die Nutzung eines Indexringes, der es ermöglicht eine Winkeländerung an der Lenkwelle gegenüber der Motorlage zu prüfen, falls es zu mechanischen Problemen der Lenkung kommt.
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Diese Art der Lenkwinkelgenerierung hat das prinzipielle Problem, dass der so ermittelte Lenkwinkel relativ ungenau ist, da die Toleranzkette von dem Motorlagesensor bis zur Lenkwelle viele Bauteile, insbesondere mechanische Bauteile, umfasst, deren Spiel die Genauigkeit der Lenkwinkelermittlung negativ beeinflusst.
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Aus der Druckschrift
DE 11 2012 002 732 T5 ist eine Winkelmesseinrichtung zur Messung des relativen Drehwinkels einer Motorwelle mit einem Magnetsensor bekannt. Der Magnetsensor ermittelt einen Magnetfeldwinkel und das vom Magnetsensor ermittelte Rohwinkelsignal des Magnetfeldwinkels zur Bestimmung des relativen Drehwinkels wird mit einem Korrekturwert beaufschlagt. Dabei ist der Korrekturwert eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle. Als Magnetfeldwinkel-Sensor kann ein Hall-Effekt-Element oder ein anisotropes Magnetwiderstandselement, kurz AMR-Element, verwendet werden. Befindet sich jedoch der Magnetfeldwinkel-Sensor in einem Bereich mit keiner bzw. kaum Messwertänderung, dann sind die Winkelwerte unzuverlässig.
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Die gattungsbildende Druckschrift
DE 10 2012 016 287 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Drehposition einer Welle, beispielsweise der Welle eines Elektromotors, wobei entlang der Drehumfangsrichtung der Welle magnetische Polpaare angeordnet sind. Zur Bestimmung des Drehwinkels werden sowohl eine Magnetfeldrichtungsinformation von einem Magnetfeldwinkel-Sensor als auch eine Magnetfeldstärkeinformation von einem Magnetfeldstärke-Sensor des von den Polpaaren erzeugten Magnetfeldes erfasst, wobei die Drehposition der Welle durch Auswerten der erfassten Magnetfeldrichtungsinformation und Magnetfeldstärkeinformation bestimmt wird. Die Vorrichtung kann zur Bestimmung der Drehposition der Welle des Elektromotors eines elektrischen Lenksystems eingesetzt werden, wobei der die unterstützende Hilfskraft aufbringende Elektromotor auf der Lenkwelle angeordnet sein kann. Allerdings ist aus der Drehposition der Welle des Elektromotors des elektrischen Lenksystems keine Ableitung des absoluten Lenkwinkels möglich.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 046 668 A1 betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur redundanten Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten berührungslosen Sensorik, die den Drehwinkel erfasst und ein erstes Drehwinkelsignal an ein Steuergerät abgibt. Ferner ist zumindest eine zweite berührungslose Sensorik zur Abgabe eines weiteren Drehwinkelsignals desselben Drehwinkels an das Steuergerät vorgesehen, wobei eine Rechnereinheit des Steuergeräts den Drehwinkel entweder anhand des ersten oder des weiteren Drehwinkelsignals ermittelt.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 020 599 A1 betrifft eine Sensorbaugruppe für Kraftfahrzeug-Lenksysteme mit einem Drehmomentsensor zur magnetischen Bestimmung eines Lenkmoments, sowie einem Drehwinkelsensor zur magnetischen Bestimmung eines absoluten Lenkwinkels, wobei genau ein Trägerelement mit magnetischer Codierung zur Bestimmung des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels vorgesehen ist, das gemeinsam vom Drehmomentsensor und vom Drehwinkelsensor genutzt wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 104 586 A1 betrifft ein Verfahren zur fortlaufenden Bestimmung eines Lenkwinkels oder einer den Lenkwinkel charakterisierenden Größe einer elektronischen Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit eines fortlaufend mittels eines Rotorlagesensors des Elektromotors bestimmten Rotorlagewinkels des Elektromotors, welcher in einem elektrischen Servoantrieb der elektronischen Servolenkvorrichtung vorhanden ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lenkwinkelsensorik zur genaueren Bestimmung des absoluten Lenkwinkels der Lenkung eines Kraftfahrzeuges sowie eine entsprechende elektrische Lenkung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lenkwinkelsensorik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine elektrische Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Lenkwinkelsensorik zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer elektrischen Lenkung, die auf der Eingangswelle der Lenkung angeordnet ist, umfasst
- – eine Magnetringsensorik mit
– einem Magnetring mit darauf in Umfangsrichtung angeordneten Polpaaren,
– einem ersten Sensor zum Erfassen der Magnetfeldrichtung des von den Polpaaren erzeugten Magnetfelds, und
– einem zweiten Sensor zum Erfassen der Magnetfeldstärke des von den Polpaaren erzeugten Magnetfelds,
- – einen Referenzgeber zum Erzeugen einer Referenzmarke zur Festlegung einer absoluten Winkelposition der Eingangswelle, wobei der Referenzgeber einen Zähler aufweist, der die Zeit bestimmt, während der "Klemme 15" den Zustand "Aus" aufweist, wobei während dieser Zeit in vorgegebenen Zuständen eine Überwachung des Lenkwinkelsensors erfolgt, und
- – eine Verarbeitungseinheit zur Ermittlung des absoluten Lenkwinkels als Funktion der erfassten Magnetfeldrichtung, der erfassten Magnetfeldstärke und der Referenzmarke.
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Durch die Kombination der Magnetringsensorik zur hochgenauen Lagebestimmung der Eingangswelle der Lenkung mit einem Referenzgeber ist eine genaue absolute Bestimmung des Lenkwinkels möglich.
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Weiter bevorzugt ist der Referenzgeber als Indexsensor ausgebildet, der einen Magneten und ein Hallelement aufweist, wobei ein binäres Signal, welches als Referenz dient, erzeugt wird, wenn der Hallsensor am Magnet vorbeikommt.
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Vorzugsweise ist auf der Eingangswelle ein Drehmomentsensor zur Detektion des vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoments angeordnet, wobei der Drehmomentsensor einen integrierten Indexsensor aufweist.
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In der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Referenzgeber einen Zähler, der die Zeit bestimmt, während der "Klemme 15" den Zustand "Aus" aufweist, wobei während dieser Zeit in vorgegebenen Zuständen eine Überwachung des Lenkwinkelsensors erfolgt. Im Zustand "Klemme 15 = Aus", d.h. im Sleep-Mode, wird zyklisch eine Änderung beobachtet, beispielsweise der Wechsel der magnetischen Polarität. Sobald eine Änderung erkannt wird, muss die eigentliche Messvorrichtung aktiviert werden, welche nach einer definierten Zeit der Aktivitätslosigkeit wieder "schlafen" gelegt wird.
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Vorzugsweise werden der erste Sensor zum Erfassen der Magnetfeldrichtung durch einen AMR-Sensor und der zweite Sensor zum Erfassen der Magnetfeldstärke durch einen Hallsensor gebildet.
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Die erfindungsgemäße elektrische Lenkung umfasst eine Eingangswelle, einen Lenkantrieb, eine Zahnstange, eine elektrische Antriebseinheit, und einen Hilfsantrieb. Dabei wird mittels des Lenkantriebs das auf die Eingangswelle aufgebrachte Lenkmoment auf die Zahnstange übertragen und ein von der elektrischen Antriebseinheit erzeugtes zusätzliches Lenkmoment wird über den Hilfsantrieb auf die Zahnstange aufgebracht. Zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels umfasst die elektrische Lenkung eine auf der Eingangswelle angeordnete Lenkwinkelsensorik mit den im Vorangegangenen erläuterten Merkmalen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
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1 eine elektrische Lenkung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine elektrische Lenkung mit einer erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensorik, und
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3 eine schematische Ansicht der Magnetringsensorik.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Lenkung 1, wie sie in heutigen Kraftfahrzeugen gebräuchlich ist, mit einer Eingangswelle 2, auf die das von einem Fahrer mittels eines Lenkrads (nicht dargestellt) ausgeübte Lenkmoment wirkt. Das vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment wird über einen Lenkantrieb 3, beispielswiese ein Ritzel, auf eine Zahnstange 4 aufgebracht, die den Lenkwunsch auf die angelenkten Räder (nicht dargestellt) überträgt. Zur Unterstützung des Fahrers ist ein Elektromotor 5 mit einem Steuergerät 6 vorgesehen, der über einen Hilfsantrieb 7 ein Motormoment zur Unterstützung des fahrerseitigen Lenkmoments auf die Zahnstange 4 der Lenkung 1 aufbringt. Der Elektromotor 5 weist ferner einen Motorlagesensor 8 auf, mittels dem die Lage der Welle des Elektromotors bestimmt wird. Ferner weist die Eingangswelle 2 einen Referenzgeber 9 an der Eingangswelle 2 auf, der hier als Indexsensor mit einem Magnet und einem Hallsensor ausgebildet ist. Kommt der Hallsensor am Magnet vorbei, so wird ein binäres Signal erzeugt, welches als Referenzmarke oder Indexinformation dient. Aus der Lageinformation des Motorlagesensors und der Indexinformation des Indexsensors kann der aktuelle Lenkwinkel bestimmt werden, wie dies bereits eingangs erläutert wird. Der auf diese Weise erzeugte Lenkwinkel ist jedoch aufgrund der diversen mechanischen Toleranzen im System relativ ungenau.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer elektrischen Lenkung 1 eines Kraftfahrzeugs. Solche Bestandteile der elektrischen Lenkung 1 der 2, die identisch sind zu Bestandteilen der elektrischen Lenkung 1 gemäß 1, sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden im folgenden daher nur kurz erwähnt.
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In bekannter Weise weist die elektrische Lenkung 1 eine mit einem Lenkrad (nicht dargestellt) versehene Eingangswelle 2 auf, die mittels eines Lenkantriebs 3 das vom Fahrer auf die Eingangswelle 2 aufgebrachte Drehmoment auf die Zahnstange 4 überträgt, welche die nicht dargestellten angelenkten Räder mit dem Lenkmoment beaufschlägt. Zur Unterstützung des Fahrers wird von einem Elektromotor 5 ein unterstützendes Lenkmoment mittels des Hilfsantriebs 7 auf die Zahnstange 4 aufgebracht. Der Elektromotor 5 weist ein Steuergerät 6 und gegebenenfalls einen Motorlagesensor 8 auf.
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Im Unterschied zur elektrischen Lenkung 1 der 1 wird der Lenkwinkel in der elektrischen Lenkung nach 2 nicht anhand des Motorlagesensors 8 ermittelt, sondern mit einer direkt auf der Eingangswelle 4 angeordneten Lenkwinkelsensorik 10, die einen genauen absoluten Lenkwinkel bestimmt, wie er für bestimmte Aktionen diverser Fahrerassistenzsysteme benötigt wird. Dabei umfasst die Lenkwinkelsensorik 10 der 2 eine Magnetringsensorik 11 zur Bestimmung des relativen Lagewinkels der Eingangswelle 2 sowie einen Referenzgeber 9 zur Vorgabe einer absoluten Position, beispielsweise einen Indexsensor, mittels dem eine Kalibrierung des Lagewinkels der Magnetringsensorik 11 vorgenommen wird, so dass am Ausgang der Lenkwinkelsensorik 10 der absolute Lenkwinkel ansteht.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht der auf der Eingangswelle
4 angeordneten Magnetringsensorik
11. Die Magnetringsensorik
11 weist einen Magnetring
12 auf, der aus in Umfangsrichtung des Magnetringes angeordneten Magnetpolpaaren
13,
16 besteht, welche jeweils einen Nordpol
14,
17 und einen Südpol
15,
18 umfassen. Somit wechseln sich Nordpol und Südpol entlang der Umfangsrichtung des Magnetringes
12 ab. Ein Magnetpolpaar, beispielsweise das Magnetpolpaar
13, erstreckt sich entlang dem Umfang des Magnetrings
12 über einen vorbestimmten Winkelbereich
19. Gleiches gilt für das Magnetpolpaar
16, welches sich über einen Winkelbereich
20 erstreckt. Da die Magnetpolpaare
13,
16 entlang der Umfangsrichtung des Magnetringes
12 äquidistant angeordnet sind, sind die Winkelbereiche
19,
20 für alle Polpaare gleich. Ferner weist die Magnetringsensorik
11 einen Sensor
21 für die Magnetfeldrichtung und einen Sensor
22 für die Magnetfeldstärke auf. Die Sensoren sind bezüglich der Drehachse
24 des Magnetringes
12 ebenfalls in einem Winkel
23 zueinander angeordnet, welcher ein ganzzahliges Vielfaches des Winkels
19 bzw.
20 ist. Mit einer derartigen Magnetringsensorik
11 lässt sich die Drehposition einer Welle mit hoher Genauigkeit bestimmen. Zur Erläuterung der Funktionsweise der Magnetringsensorik
11 wird auf die oben genannte Druckschrift
DE 10 2012 016 287 A1 verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Lenkung
- 2
- Eingangswelle-Lenkwelle
- 3
- Lenkantrieb (Lenkritzel)
- 4
- Zahnstange
- 5
- Elektromotor
- 6
- Steuergerät Elektromotor
- 7
- Hilfsantrieb
- 8
- Motorlagesensor
- 9
- Referenzgeber
- 10
- Lenkwinkelsensorik
- 11
- Magnetringsensorik
- 12
- Magnetring
- 13
- Polpaar
- 14
- Nordpol
- 15
- Südpol
- 16
- Polpaar
- 17
- Nordpol
- 18
- Südpol
- 19
- Winkel Polpaar
- 20
- Winkel Polpaar
- 21
- Sensor Magnetfeldrichtung
- 22
- Sensor Magnetfeldstärke
- 23
- Winkel Sensoren
- 24
- Achse der Magnetringsensorik
