DE102022208801A1

DE102022208801A1 - Sensoranordnung und Verfahren zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers

Info

Publication number: DE102022208801A1
Application number: DE102022208801.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Kleinknecht; Stefan Kuntz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024041942A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse (DA) drehbaren Körpers (3), mit mindestens drei Winkelsensoren (5) und mindestens einer Auswerte- und Steuereinheit (10), wobei die mindestens drei Winkelsensoren (5) jeweils die mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erfassen und ein korrespondierendes elektrisches Winkelsignal (W1, W2, W3) erzeugen und an die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) ausgeben, wobei die mindestens drei Winkelsensoren (5) unterschiedliche Übertragungsverhältnisse aufweisen, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) ausgeführt ist, einen ersten Winkel (NW1) des drehbaren Körpers (3) mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung (NB1) zu bestimmen, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen (W1, W2) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale (W1, W2) ist, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) weiter ausgeführt ist, einen zweiten Winkel (NW2) des drehbaren Körpers (3) mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung (NB2) zu bestimmen, welche auf dem bestimmten ersten Winkel (NW1) und einem weiteren elektrischen Winkelsignal (W3) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels (NW2) größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals (W3) ist, sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse (DA) drehbaren Körpers (3), welches mit einer solchen Sensoranordnung (1) ausführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers, welches mit einer solchen Sensoranordnung durchführbar ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen über mehrere vollständige mechanische Umdrehungen einer Welle eindeutigen Absolutwinkel mithilfe einer Nonius-Berechnung aus mindestens zwei Winkelsignalen zu berechnen, wobei mindestens eines der Winkelsignale mechanisch gegenüber der Drehbewegung der Welle untersetzt bzw. übersetzt wird, d.h. sich mit einer mechanischen Umdrehung der Welle um weniger bzw. mehr als 360 Grad dreht.
Bei einem bekannten induktiven Drehmoment- und Lenkwinkelsensor werden normalerweise zwei induktive Winkelmessungen für eine Berechnung des Drehmoments und eine zusätzliche in der Regel magnetische Winkelmessung zur Berechnung des Lenkwinkels mit einem Eindeutigkeitsbereich von mehr als 360 Grad eingesetzt, da mehrere Umdrehungen des Lenkrads erfasst werden sollen. Nach dem Stand der Technik wird für die Berechnung des absoluten Lenkwinkels ein durch die induktiven Winkelmessungen erfasster Winkelwert an das Steuergerät übertragen und dort eine Noniusberechnung mit einem durch die zusätzliche magnetische Winkelmessung erfassten Winkelwert durchgeführt. Dies setzt eine Abstimmung der Periodizität der zusätzlichen magnetischen Winkelmessung und der induktiven Winkelmessungen voraus, um die Funktionsweise der Noniusberechnung zu gewährleisten und die Kundenanforderungen an den zu messenden Lenkwinkelbereich zu erfüllen. Diese Abstimmung der Periodizitäten kann zu Einschränkungen bei der induktiven Drehmomentmessung führen, da hier bestimmte Periodizitäten vorteilhaft zur Verminderung von Messfehlern sind. Zum Ausgleich sind oftmals größere Bauraum kostende Zahnräder für die Untersetzung bzw. Übersetzung der zusätzlichen magnetischen Winkelmessung erforderlich.
Aus der DE 11 2016 005 661 T5 ist ein induktiver Drehmoment- und Winkelsensor für einen Lenkmechanismus bekannt, welcher eine Eingangswelle aufweist, welche durch eine Torsionsstange mit einer Ausgangswelle verbunden ist. Ein erster Koppler ist mit der Eingangswelle verbunden während ein zweiter Koppler mit der Ausgangswelle verbunden ist. Eine erste und eine zweite Empfangsspule, welche jeweils eine Vielzahl entgegengesetzt gewickelter Schleifen aufweisen, werden jeweils gegenüberliegend zu dem ersten bzw. dem zweiten Koppler angeordnet, so dass der erste Koppler über der ersten Empfangsspule und der zweite Koppler über der zweiten Empfangsspule liegt. Ein Schaltkreis bestimmt den Winkelversatz zwischen den beiden Kopplern. Außerdem ist ein Winkelsensor vorgesehen, der den exakten Rotationswinkel des Lenkradmechanismus angibt. Um den Winkelsensor zu implementieren, wird ein erstes Zahnrad an den ersten Koppler angebracht so, dass der erste Koppler und das erste Zahnrad unisono miteinander rotieren. Das erste Zahnrad greift in ein zweites Zahnrad ein, welches drehbar gegenüber der Leiterplatte an einer parallelen aber von der Lenkradtorsionsstange beabstandeten Achse angebracht ist. Ein Koppler wird am zweiten Zahnrad montiert und kooperiert mit der Empfangsspule eines dritten auf die Leiterplatte aufgebrachten induktiven Sensors. Ein Hall-Effekt-Sensor, oder jede andere Art von Sensor wie zum Beispiel ein induktiver Hall- oder (G) MR-Sensor, kann zur Bestimmung des Winkels des zweiten Zahnrads verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Verfahren zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 haben jeweils den Vorteil, dass durch die Verwendung von mindestens drei Winkelsignalen in einer kaskadierten Noniusberechnung die Möglichkeiten zur Wahl der einzelnen Periodizitäten der Winkelmessungen verbessert dadurch Bauraum eingespart werden kann. Zudem ergibt sich durch die kaskadierte Noniusberechnung eine erhöhte Robustheit (k-Nachkomma) gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten einfachen Noniusberechnung. Dadurch sind Ausführungsformen der Erfindung weniger anfällig auf Winkelfehler und Hysteresefehler. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise den Einsatz kostengünstigerer Magnetkreise und mechanischer Zahnradsysteme.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers, mit mindestens drei Winkelsensoren und mindestens einer Auswerte- und Steuereinheit zur Verfügung. Die mindestens drei Winkelsensoren erfassen die mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers jeweils mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis und erzeugen jeweils ein korrespondierendes elektrisches Winkelsignal und geben diese an die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit aus, wobei die mindestens drei Winkelsensoren unterschiedliche Übertragungsverhältnisse aufweisen. Hierbei ist die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt, einen ersten Winkel des drehbaren Körpers mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung zu bestimmen, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen der mindestens drei elektrischen Winkelsignale basiert, wobei der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale ist. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ist weiter ausgeführt, einen zweiten Winkel des drehbaren Körpers mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung zu bestimmen, welche auf dem bestimmten ersten Winkel und einem weiteren elektrischen Winkelsignal der mindestens drei elektrischen Winkelsignale basiert, wobei der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals ist.
Zudem wird ein Verfahren zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers vorgeschlagen, welches mit einer solchen Sensoranordnung ausführbar ist. Basierend auf der mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers werden mindestens drei elektrische Winkelsignale mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erzeugt und ausgewertet, wobei die mindestens drei elektrischen Winkelsignale mit unterschiedlichen Übertragungsverhältnissen erfasst werden. Ein erster Winkel des drehbaren Körpers wird mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung bestimmt, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen der mindestens drei elektrischen Winkelsignale basiert, wobei der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale ist. Ein zweiter Winkel des drehbaren Körpers wird mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung bestimmt, welche auf dem bestimmten ersten Winkel und einem weiteren elektrischen Winkelsignal der mindestens drei elektrischen Winkelsignale basiert, wobei der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals ist.
Unter einer Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrische Baugruppe bzw. elektrische Schaltung verstanden werden, welche erfasste Sensorsignale bzw. Messsignale aufbereitet bzw. verarbeitet bzw. auswertet. Vorzugsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit als ASIC-Baustein (ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgeführt sein. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil des ASIC-Bausteins sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers und des im unabhängigen Patentanspruch 13 angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens drei Winkelsensoren jeweils als induktiver Winkelsensor oder als magnetischer Winkelsensor ausgeführt sein können. So ist es beispielweise möglich, alle Winkelsensoren als induktive Winkelsensoren oder als magnetische Winkelsensoren auszuführen. Zudem ist eine Kombination von induktiven Winkelsensoren und magnetischen Winkelsensoren möglich. So können beispielsweise die beiden Winkelsensoren, welche die beiden Winkelsignale für die erste Noniusberechnung zur Verfügung stellen als induktive Winkelsensoren ausgeführt sein, und der weiter Winkelsensor, welcher das weitere Winkelsignal für die zweite Noniusberechnung zur Verfügung stellt, kann als magnetischer Winkelsensor ausgeführt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung ist das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren kein ganzzahliges Vielfaches des Übertragungsverhältnisses eines anderen Winkelsensors der mindestens drei Winkelsensoren. Durch das nichtganzzahlige Verhältnis kann je nach Bedarf der Anwendung die Auflösung der Winkelmessung oder der Eindeutigkeitsbereich vergrößert werden. Die Übertragungsverhältnisse der einzelnen Winkelsignale können gegenüber der Drehbewegung der Welle untersetzt bzw. übersetzt sein. Das bedeutet, dass die einzelnen Perioden der mindestens drei Winkelsignale kleiner oder größer als eine mechanische Umdrehung des drehbaren Körpers und somit weniger bzw. mehr als 360 Grad sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann mindestens eines der mindestens drei elektrischen Winkelsignale ein gebrochenrationales Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers aufweisen, so dass der erste Eindeutigkeitsbereich oder der zweite Eindeutigkeitsbereich größer als eine Umdrehung des mindestens drehbaren Körpers ist. Dadurch können Drehwinkel eindeutig bestimmt werden, welche über eine Umdrehung, d.h. über einen Drehwinkel von 360 Grad, hinausgehen. Vorzugsweise kann das weitere elektrische Winkelsignal das gebrochenrationale Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers aufweisen, so dass der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels größer als eine Umdrehung des mindestens einen drehbaren Körpers ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit weiter ausgeführt sein, die zweite Nonius-berechnung als gewichtete Noniusberechnung durchzuführen und den bestimmten ersten Winkel höher als das weitere elektrische Winkelsignal zu gewichten. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn das dritte Winkelsignal das gebrochenrationale Übersetzungsverhältnis aufweist und mechanisch untersetzt ist. In diesem Fall kann in der zweiten Noniusberechnung die Gewichtung vorzugsweise zu nahezu oder gleich 100% auf den durch die erste Noniusberechnung bestimmten Winkel gelegt werden, während das dritte Winkelsignal nur zum Zählen der Umdrehungen des drehbaren Körpers bzw. zur Periodenkorrektur verwendet werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Kompensation von Hysteresefehlern bei der mechanischen Untersetzung der Drehbewegung des drehbaren Körpers.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren durch eine Periodizität des korrespondierenden elektrischen Winkelsignals vorgebbar sein. Die Periodizität kann bei induktiven Winkelsensoren einfach durch eine Anzahl der elektrisch leitenden Koppelsegmente einer korrespondierenden Koppelvorrichtung umgesetzt werden. Alternativ kann das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren durch eine mechanische Übertragung der Drehbewegung des drehbaren Körpers auf einen weiteren drehbaren Körper vorgebbar sein, so dass sich der weitere drehbare Körper mit einer anderen Drehzahl dreht als der drehbare Körper. Die mechanische Übertragung kann beispielsweise durch ein einfaches Zahnradgetriebe oder durch ein Planetengetriebe umgesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, aus einem ersten elektrischen Winkelsignal eines ersten Winkelsensors, und einem zweiten elektrischen Winkelsignal eines zweiten Winkelsensors, einen Differenzwinkel zu ermitteln, aus welchem ein wirksames Drehmoment auf den drehbaren Körper ermittelbar ist. So kann der drehbare Körper beispielsweise als Lenkwelle eines Fahrzeugs ausgeführt sein. Hierbei kann das erste elektrische Winkelsignal des ersten Winkelsensors einen Drehwinkel eines ersten Abschnitts der Lenkwelle repräsentieren, und das zweite elektrischen Winkelsignal des zweiten Winkelsensors kann einen Drehwinkel eines zweiten Abschnitts der Lenkwelle repräsentieren, so dass das auf die Lenkwelle wirkende Drehmoment ermittelt werden kann. Da basierend auf dem ersten Winkelsignal und dem zweiten Winkelsignal ein Drehmoment gemessen wird, weisen diese Winkelsignale anwendungsbedingt einen drehmomentabhängigen Differenzwinkel auf, der für die erste Noniusberechnung korrigiert werden sollte. In Abhängigkeit von der gewählten Referenz kann dies auch für das dritte elektrische Winkelsignal zutreffen, so dass vor der zweiten Noniusberechnung zusätzlich eine Differenzwinkelkorrektur des dritten elektrischen Winkelsignals durchgeführt werden kann. Hierbei kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit weiter ausgeführt sein, eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals und/oder des dritten elektrischen Winkelsignals vor der korrespondierenden Noniusberechnung durchzuführen. Durch die Differenzwinkelkorrekturen kann die Robustheit der Noniusberechnungen gewährleistet werden, da keine „Winkelsprünge“ in den bestimmten Winkeln auftreten können. Zudem kann die Überwachbarkeit der Noniusberechnungen hinsichtlich der funktionalen Sicherheit gewährleistet werden („k-Nachkomma“ Überwachung). Des Weiteren ermöglicht die Differenzwinkelkorrektur durch die definierte Referenz für den zweiten Winkel eine höhere Genauigkeit der Drehwinkelbestimmung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann eine erste Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, die erste Noniusberechnung und/oder die Differenzwinkelberechnung und/oder die Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals und/oder des dritten elektrischen Winkelsignals durchzuführen. Zudem kann eine zweite Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, die zweite Noniusberechnung durchzuführen. Selbstverständlich kann auch nur eine einzige Auswerte- und Steuereinheit eingesetzt werden, um diese Berechnungen durchzuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers.
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers.
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer ersten Auswerte- und Steuereinheit für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1 oder 2.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers.

Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse DA drehbaren Körpers 3 jeweils mindestens drei Winkelsensoren 5, 5A, 5B, 5C und mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B. Die mindestens drei Winkelsensoren 5, 5A, 5B, 5C erfassen jeweils die mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis und erzeugen ein korrespondierendes elektrisches Winkelsignal W1, W2, W3 und geben diese an die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B aus, wobei die mindestens drei Winkelsensoren 5, 5A, 5B, 5C unterschiedliche Übertragungsverhältnisse aufweisen. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B bestimmt einen ersten Winkel NW1 des drehbaren Körpers 3 mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung NB1, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen W1, W2 der mindestens drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 basiert. Der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels NW1 ist größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale W1, W2. Zudem bestimmt die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B einen zweiten Winkel NW2 des drehbaren Körpers 3 mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung NB2, welche auf dem bestimmten ersten Winkel NW1 und einem weiteren elektrischen Winkelsignal W3 der mindestens drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 basiert. Der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels NW2 ist größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels NW1 und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals W3.
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1, 1A, 1B jeweils drei Winkelsensoren 5A, 5B, 5C, zwei Auswerte- und Steuereinheiten 10A, 10B und ein Steuergerät 7, 7A, 7B. In den dargestellten Ausführungsbeispielen liefert ein erster Winkelsensor 5A, welcher als induktiver Winkelsensor ausgeführt ist, ein erstes elektrisches Winkelsignal Wl, ein zweiter Winkelsensor 5B, welcher ebenfalls als Winkelsensor ausgeführt ist, liefert ein zweites elektrisches Winkelsignal W2 und ein dritter Winkelsensor 5C, welcher als magnetischer Winkelsensor ausgeführt ist, liefert ein drittes elektrisches Winkelsignal W3. Die beiden elektrischen Winkelsignale W1, W2 der beiden induktiven Winkelsensoren 5A, 5B werden in den dargestellten Ausführungsbeispielen für die erste Noniusberechnung NB1 zur Bestimmung des ersten Winkels NW1 verwendet, welche eine erste Auswerte- und Steuereinheit 10A durchführt. Das dritte elektrische Winkelsignal W3 des magnetischen dritten Winkelsensors 5C wird in den dargestellten Ausführungsbeispielen mit dem bestimmten ersten Winkel NW1 für die zweite Noniusberechnung NB2 zur Bestimmung des zweiten Winkels NW2 verwendet, welche eine zweite Auswerte- und Steuereinheit 10B durchführt. Die Übertragungsverhältnisse der drei Winkelsensoren 5A, 5B, 5C sind so gewählt, dass das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren 5A, 5B, 5C kein ganzzahliges Vielfaches des Übertragungsverhältnisses eines anderen Winkelsensors 5A, 5B, 5C der drei Winkelsensoren 5A, 5B, 5C ist. Zudem werden die
Übertragungsverhältnisse der beiden induktiven Winkelsensoren 5A, 5B jeweils durch eine Periodizität des korrespondierenden elektrischen Winkelsignals W1, W2 vorgegeben. Das Übertragungsverhältnis des magnetischen dritten Winkelsensors 5C wird durch eine nicht näher dargestellte mechanische Übertragung der Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 auf einen weiteren drehbaren Körper vorgegeben, so dass sich der weitere drehbare Körper mit einer anderen Drehzahl dreht als der drehbare Körper 3.
Mindestens eines der drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 weist ein gebrochenrationales Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 auf, so dass der erste Eindeutigkeitsbereich oder der zweite Eindeutigkeitsbereich größer als eine Umdrehung des drehbaren Körpers 3 ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen weist das dritte elektrische Winkelsignal W3 des magnetischen dritten Winkelsensors 5C das gebrochenrationale Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 auf, so dass der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels NW2 größer als eine Umdrehung des mindestens einen drehbaren Körpers 3 ist.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen führt die erste Auswerte- und Steuereinheit 10A die zweite Noniusberechnung NB2 als gewichtete Noniusberechnung durch. Hierbei wird der bestimmte erste Winkel NW1 höher als das dritte elektrische Winkelsignal W3 gewichtet.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der drehbare Körper 3 als Lenkwelle 3A eines Fahrzeugs ausgeführt. Die Lenkwelle 3A weist einen gestrichelt dargestellten Torsionsbereich TB. Hierbei ist ein nicht näher dargestelltes Lenkrad mit einem ersten Abschnitt IN bzw. einer Eingangsseite der Lenkwelle 3A verbunden, welcher oberhalb des Torsionsbereichs TB angeordnet ist. Ein mit den Rädern verbundenes nicht näher dargestelltes Lenkgetriebe ist mit einem zweiten Abschnitt OUT bzw. einer Ausgangsseite der Lenkwelle 3A verbunden, welches unterhalb des Torsionsbereichs TB angeordnet ist. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ermittelt die erste Auswerte- und Steuereinheit 10A aus dem ersten elektrischen Winkelsignal W1 des induktiven ersten Winkelsensors 5A, welcher einen Drehwinkel des ersten Abschnitts IN der Lenkwelle 3A erfasst, und dem zweiten elektrischen Winkelsignal W2 des zweiten Winkelsensors 5B, welcher einen Drehwinkel des zweiten Abschnitts OUT der Lenkwelle 3A erfasst, in einem Berechnungsblock 12 einen Differenzwinkel DW, aus welchem ein wirksames Drehmoment auf den als Lenkwelle 3A ausgeführten drehbaren Körpers 3 ermittelbar ist. Zudem führt die erste Auswerte- und Steuereinheit 10A vor der ersten Noniusberechnung NB1 in einem Korrekturblock 14 eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals W1 durch.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist das dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1A ein erstes Ausführungsbeispiel des Steuergeräts 7A auf, in welchem die beiden Auswerte- und Steuereinheiten 10A, 10B angeordnet sind. Dadurch können die beiden Noniusberechnungen NB1, NB2 im Steuergerät 7A durchgeführt werden.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weist das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1B ein zweites Ausführungsbeispiel des Steuergeräts 7B auf, in welchem nur die zweite Auswerte- und Steuereinheit 10B angeordnet ist. Die erste Auswerte- und Steuereinheit 10A außerhalb des Steuergeräts 7B in der Nähe der beiden induktiven Winkelsensoren 5A, 5B angeordnet ist.
Wie aus 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse DA drehbaren Körpers 3, welches mit einer der oben beschriebenen Sensoranordnungen 1, 1A, 1B ausführbar ist, einen Schritt S100, in welchem basierend auf der mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 mindestens drei elektrische Winkelsignale W1, W2, W3 mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erzeugt und ausgewertet werden, wobei die mindestens drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 mit unterschiedlichen Übertragungsverhältnissen erfasst werden. In einem Schritt S130 wird ein erster Winkel NW1 des drehbaren Körpers 3 mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung NB1 bestimmt, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen W1, W2 der mindestens drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 basiert. Hierbei ist der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels NW1 größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale W1, W2. In einem Schritt S140 wird ein zweiter Winkel NW2 des drehbaren Körpers 3 mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung NB2 bestimmt, welche auf dem bestimmten ersten Winkel NW1 und einem weiteren elektrischen Winkelsignal W3 der mindestens drei elektrischen Winkelsignale W1, W2, W3 basiert. Hierbei ist der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels NW2 größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels NW1 und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals W3.
Wird nach dem Schritt S100 in einem gestrichelt dargestellten optionalen Schritt S110 aus einem ersten elektrischen Winkelsignal W1 und einem zweiten elektrischen Winkelsignal W2 ein Differenzwinkel DW ermittelt, aus welchem ein wirksames Drehmoment auf den drehbaren Körpers 3 ermittelt werden kann, dann wird vor der ersten Noniusberechnung NB1 im Schritt S130 ein weiterer gestrichelt dargestellter optionaler Schritt S120 eingefügt. Hierbei wird im Schritt S120 vor der ersten Noniusberechnung NB1 im Schritt S130 eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals W1 und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals W2 durchgeführt. Allgemein werden die elektrischen Winkelsignale W1, W2 mit dem berechneten Differenzwinkel DW durch Addition bzw. Subtraktion unter Berücksichtigung des jeweiligen Übertragungsverhältnis korrigiert. Je nachdem ob das erste Winkelsignal W1 oder das zweite Winkelsignal W2 korrigiert wird, ergibt sich als Winkelreferenz für die Berechnung des zweiten Winkels NW2 entweder der erste Abschnitt IN bzw. die Eingangsseite oder der zweite Abschnitt OUT bzw. die Ausgangsseite. Es ist zudem möglich die Korrektur so gewichtet durchzuführen, dass eine virtuelle Referenz für den zweiten Winkel NW2 zwischen dem ersten Abschnitt IN bzw. der Eingangsseite und dem zweiten Abschnitt OUT bzw. der Ausgangsseite entsteht. Dies kann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung erfolgen, was einer Korrektur des halben Differenzwinkels entspricht. Je nach Wahl der Winkelreferenz für den zweiten Winkel NW2 wird auch mit dem dritten elektrischen Winkelsignal W3 eine Differenzwinkelkorrektur durchgeführt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das zweite elektrische Winkelsignal W2 die Winkelreferenz für die erste Noniusberechnung NB1. Daher wird im Schritt S120 eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals W1 durchgeführt. In Abhängigkeit von der gewählten Winkelreferenz und der Anordnung des dritten Winkelsensors 5C wird vor den Noniusberechnungen NB1, NB2 im Schritt S120 zusätzlich eine Differenzwinkelkorrektur des dritten elektrischen Winkelsignals W3 vorgenommen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird keine Differenzwinkelkorrektur des dritten elektrischen Winkelsignals W3 vorgenommen, da das dritte elektrische Winkelsignal W3 wie das zweite elektrische Winkelsignal W2, welches die Winkelreferenz für die erste Noniusberechnung NB1 bildet, einen Drehwinkel des zweiten Abschnitts OUT bzw. der Ausgangsseite der Lenkwelle 3A repräsentiert. Bildet das erste elektrische Winkelsignal W1 die Winkelreferenz für die erste Noniusberechnung NB1, dann wird im Schritt S120 für das zweite elektrische Winkelsignal W2 und das dritte elektrische Winkelsignal W3 jeweils eine Differenzwinkelkorrektur vorgenommen. Selbstverständlich kann die Differenzwinkelkorrektur des dritten elektrischen Winkelsignals W3 alternativ in einem weiteren nicht dargestellten Schritt zwischen der ersten Noniusberechnung im Schritt S130 und der zweiten Noniusberechnung im Schritt S140 vorgenommen werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 werden im Schritt S100 basierend auf der mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 drei elektrische Winkelsignale W1, W2, W3 mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erzeugt und ausgewertet. Im Schritt S130 wird der erste Winkel NW1 des drehbaren Körpers 3 mit dem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung NB1 bestimmt, welches auf einem ersten elektrischen Winkelsignal W1 und einem zweiten elektrischen Winkelsignal W2 basiert. Im Schritt S140 wird der zweite Winkel NW2 des drehbaren Körpers 3 mit dem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch die zweite Noniusberechnung NB2 bestimmt, welche auf dem bestimmten ersten Winkel NW1 und einem dritten elektrischen Winkelsignal W3 basiert.
Da das dritte Winkelsignal W3 das gebrochenrationale Übersetzungsverhältnis aufweist und mechanisch untersetzt ist, wird die zweite Noniusberechnung NB2 als gewichtete Noniusberechnung durchgeführt. Hierbei wird der bestimmte erste Winkel NW1 bei der Bestimmung des zweiten Winkels NW2 höher als das dritte elektrische Winkelsignal W3 gewichtet, da das dritte elektrische Winkelsignal W3 nur zum Zählen der Umdrehungen des als Lenkwelle 3A ausgeführten drehbaren Körpers verwendet wird. Dadurch können durch den bestimmten zweiten Winkel NW2, welcher einen absoluten Drehwinkel des drehbaren Körpers 3 repräsentiert, mehrere Umdrehungen des Lenkrads erfasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112016005661 T5 [0004]

Claims

Sensoranordnung (1) zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse (DA) drehbaren Körpers (3), mit mindestens drei Winkelsensoren (5) und mindestens einer Auswerte- und Steuereinheit (10), wobei die mindestens drei Winkelsensoren (5) jeweils die mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erfassen und ein korrespondierendes elektrisches Winkelsignal (W1, W2, W3) erzeugen und an die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) ausgeben, wobei die mindestens drei Winkelsensoren (5) unterschiedliche Übertragungsverhältnisse aufweisen, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) ausgeführt ist, einen ersten Winkel (NW1) des drehbaren Körpers (3) mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung (NB1) zu bestimmen, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen (W1, W2) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale (W1, W2) ist, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) weiter ausgeführt ist, einen zweiten Winkel (NW2) des drehbaren Körpers (3) mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung (NB2) zu bestimmen, welche auf dem bestimmten ersten Winkel (NW1) und einem weiteren elektrischen Winkelsignal (W3) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels (NW2) größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals (W3) ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Winkelsensoren (5) jeweils als induktiver Winkelsensor oder als magnetischer Winkelsensor ausgeführt sind.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren (5) kein ganzzahliges Vielfaches des Übertragungsverhältnisses eines anderen Winkelsensors (5) der mindestens drei Winkelsensoren (5) ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) ein gebrochenrationales Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) aufweist, so dass der erste Eindeutigkeitsbereich oder der zweite Eindeutigkeitsbereich größer als eine Umdrehung des mindestens einen drehbaren Körpers (3) ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere elektrische Winkelsignal (W3) das gebrochenrationale Übersetzungsverhältnis zur mechanischen Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) aufweist, so dass der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels (NW2) größer als eine Umdrehung des mindestens einen drehbaren Körpers (3) ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) weiter ausgeführt ist, die zweite Noniusberechnung als gewichtete Noniusberechnung durchzuführen und den bestimmten ersten Winkel (NW1) höher als das weitere elektrische Winkelsignal (W3) zu gewichten.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren (5) durch eine Periodizität des korrespondierenden elektrischen Winkelsignals (W1, W2, W3) vorgebbar ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsverhältnis der einzelnen Winkelsensoren (5) durch eine mechanische Übertragung der Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) auf einen weiteren drehbaren Körper vorgebbar ist, so dass sich der weitere drehbare Körper mit einer anderen Drehzahl dreht als der drehbare Körper (3).
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) ausgeführt ist, aus einem ersten elektrischen Winkelsignal (W1) eines ersten Winkelsensors (5A), und einem zweiten elektrischen Winkelsignal (W2) eines zweiten Winkelsensors (5B), einen Differenzwinkel (DW) zu ermitteln, aus welchem ein wirksames Drehmoment auf den drehbaren Körper (3) ermittelbar ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (10) weiter ausgeführt ist, eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals (W1) und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals (W2) und/oder des dritten elektrischen Winkelsignals (W3) vor der korrespondierenden Noniusberechnung (NB1, NB2) durchzuführen.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Auswerte- und Steuereinheit (10A) ausgeführt ist, die erste Noniusberechnung (NB1) und/oder die Differenzwinkelberechnung und/oder die Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals (W1) und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals (W2) und/oder des dritten elektrischen Winkelsignals (W3) durchzuführen.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Auswerte- und Steuereinheit (10B) ausgeführt ist, die zweite Noniusberechnung (NB2) durchzuführen.
Verfahren (100) zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse (DA) drehbaren Körpers (3), welches mit einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführbar ist, wobei basierend auf der mechanische Drehbewegung des drehbaren Körpers (3) mindestens drei elektrische Winkelsignale (W1, W2, W3) mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis erzeugt und ausgewertet werden, wobei die mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) mit unterschiedlichen Übertragungsverhältnissen erfasst werden, wobei ein erster Winkel (NW1) des drehbaren Körpers (3) mit einem ersten Eindeutigkeitsbereich durch eine erste Noniusberechnung (NB1) bestimmt wird, welche auf zwei elektrischen Winkelsignalen (W1, W2) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) größer als Eindeutigkeitsbereiche der zur Berechnung verwendeten Winkelsignale (W1 W2) ist, wobei ein zweiter Winkel (NW2) des drehbaren Körpers (3) mit einem zweiten Eindeutigkeitsbereich durch eine zweite Noniusberechnung (NB2) bestimmt wird, welche auf dem bestimmten ersten Winkel (NW1) und einem weiteren elektrischen Winkelsignal (W3) der mindestens drei elektrischen Winkelsignale (W1, W2, W3) basiert, wobei der zweite Eindeutigkeitsbereich des bestimmten zweiten Winkels (NW2) größer als der erste Eindeutigkeitsbereich des bestimmten ersten Winkels (NW1) und ein Eindeutigkeitsbereich des weiteren elektrischen Winkelsignals (W3) ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem ersten elektrischen Winkelsignal (W1) und einem zweiten elektrischen Winkelsignal (W2) ein Differenzwinkel (DW) ermittelt wird, aus welchem ein wirksames Drehmoment auf den drehbaren Körpers (3) ermittelbar ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzwinkelkorrektur des ersten elektrischen Winkelsignals (W1) und/oder des zweiten elektrischen Winkelsignals (W2) und/oder des dritten elektrischen Winkelsignals (W3) vor der korrespondierenden Noniusberechnung (NB1, NB2) durchgeführt wird.