DE10309060A1

DE10309060A1 - Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln

Info

Publication number: DE10309060A1
Application number: DE2003109060
Authority: DE
Inventors: Elmar Dr. Weiss; Sebastian Jansen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs. Die Einrichtung besteht aus mindestens zwei Messaufnehmern. Durch einen ersten Messaufnehmer werden über einen ersten Signalgeber, insbesondere durch Lesen und Auswerten eines sich mit einer Lenkspindel mitdrehenden Kodes, Lenkwinkel bis zu 360 Winkelgrad ermittelt und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Durch einen zweiten Messaufnehmer wird über einen zweiten Signalgeber, ebenfalls insbesondere durch Lesen und Auswerten eines Kodes, ein für jede Lenkradstellung verschiedener und bestimmter Wert ermittelt und an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen der von den Messaufnehmern zu lesenden Signalgeber orthogonal zueinander stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Zur Messung der Winkelstellung eines Lenkrades sind induktive, optische und kapazitive Lenkwinkelsensoren bekannt. Weiterhin sind Lenkwinkelsensoren als Hallgeneratoren bekannt. Die sich aus der Messung ergebenden Messwerte werden einer nachgeordneten elektronischen Schaltung zur Ermittlung des Lenkwinkels zugeführt.
Die bekannten Lenkwinkelsensoren sind meistens im Bereich des Lenkstockschalters im Kraftfahrzeug angebracht. Ihre Messwerte können verwendet werden für Brems- und Antischlupfregelungen, für die Steuerung von Differentialsperren und Allradlenkungen und für Unfallschreiber.
Solche Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend dem Lenkeinschlag eines Kraftfahrzeugs sind technisch sehr aufwändig auszuführen, da sie in bestehende Lenksysteme integriert werden müssen und der zur Verfügung stehende Bauraum in diesem Bereich sehr knapp bemessen ist. Meist kann ein Lenkrad von Lenkanschlag zu Lenkanschlag mehrere Umdrehungen gedreht werden. Es genügt also nicht, mit einem Lenkwinkelsensor einen Winkelbereich für die Messung des Lenkwinkels der Lenkraddrehung zu erfassen, sondern es werden zusätzlich mit einer aufwändigen Elektronik die Anzahl der Lenkradumdrehungen mitgezählt.

Die DE 100 18 496 A1 beschreibt eine optoelektronische Weg- oder Winkelmesseinrichtung, die u. a. auch den Lenkwinkel erfasst. Bei solchen optoelektronisch ausgebildeten Messeinrichtungen ist eine eine Kodierung tragende Kodescheibe an die Bewegung eines beweglichen Elementes, zum Beispiel der Lenkspindel, gekoppelt. Ortsfest zu der Kodescheibe ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die aus einem Sensorarray, beispielsweise einem Zeilensensor und einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten der Kodierung im Bereich der der photosensitiven Oberfläche des Sensorarray gegenüberliegenden Seite der Kodescheibe besteht. Die Kodierung ist dergestalt konzipiert, dass über den Bewegungsbetrag der Kodescheibe hinweg, eine Ortserfassung bezüglich der Stellung der Kodescheibe zur Sensoreinrichtung möglich ist. Als Kodierungen können analoge Kodierungen, beispielsweise eine archimedische Spirale bei einer kreisrunden Kodescheibe oder eine Digitalkodierung, etwa aufgebaut nach Art eines Graycodes dienen. Das Auflösungsvermögen einer solchen Messeinrichtung ist unter anderem abhängig von der Feinheit der die Kodierung bildenden optischen Struktur.

Um einen für die Lenkwinkelmessung benötigten multiturnfähigen Sensor zu erhalten, dieser soll größere Winkel, beispielsweise von minus 720° bis plus 720° erkennen, ist eine zweite Kodescheibe vorgesehen, die bezüglich ihrer Ebene parallel zur ersten Kodescheibe angeordnet ist. Daher erfolgt eine Abbildung der Kodierung einer zweiten Kodescheibe ebenfalls auf der photosensitiven Oberfläche des Sensorarrays. Bei dieser Winkelmesseinrichtung ist vorgesehen, dass eine Kodescheibe relativ zur anderen Kodescheibe beweglich ist. Dies kann dadurch realisiert sein, dass eine Kodescheibe einem beweglichen Element zugeordnet und die andere Kodescheibe ortsfest bezüglich dieser angeordnet ist.

Eine solche Weg- oder Winkelmesseinrichtung hat den Nachteil, dass nach einem Stromausfall, zum Beispiel durch Abklemmen der Batterie, eine Speicherung der aktuellen Anzahl von Lenkradumdrehungen nicht mehr vorhanden ist. Nach dem Wiederanklemmen der Batterie kann der Lenkwinkelsensor dann zwar den Winkel innerhalb einer Umdrehung erkennen, besitzt aber über den absoluten Winkel keine Information mehr. Dieser absolute Winkel wird aber für die vorgenannten Systeme benötigt. Ein aufwändiger Wiederherstellungsalgorithmus ist jetzt notwendig, um die Umdrehungsinformation zu berechnen. Hierzu muss das Fahrzeug gefahren werden, wobei die Sicherheits- und Fahrstabilitätssysteme zeitweise nicht zur Verfügung stehen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mit der es auf einfache Weise möglich ist, nach der Initialisierung des Systems sofort den absoluten Lenkwinkel als Information zur Verfügung zu stellen, ohne Verwendung einer Zähleinrichtung für die Anzahl der Umdrehungen des Lenkrads.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung besteht eine Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, aus mindestens zwei Messaufnehmern. Durch einen ersten Messaufnehmer werden über einen ersten Signalgeber, insbesondere durch Lesen und Auswerten eines sich mit einer Lenkspindel mitdrehenden Kodes, Lenkwinkel bis zu 360 Winkelgrad ermittelt und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Durch einen zweiten Messaufnehmer wird über einen zweiten Signalgeber, ebenfalls insbesondere durch Lesen und Auswerten eines Kodes, ein für jede Lenkradstellung verschiedener und bestimmter Wert ermitelt und an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen der von den Messaufnehmern zu lesenden Signalgeber orthogonal zueinander stehen.

Das hat den Vorteil, dass sich der zweite Signalgeber auf einfache Weise kontinuierlich über alle Lenkradumdrehungen in eine Richtung bewegen kann, ohne dass sich der Kode wiederholt. Nach der Initialisierung des Systems kann deshalb sofort der absolute Lenkwinkel als Information zur Verfügung stehen, ohne Verwendung einer Zähleinrichtung für die Anzahl der Umdrehungen des Lenkrads.

So entsteht eine echte Multiturnfähigkeit, bei der für jede Stellung des Lenkrades ein Absolutwinkel ermittelt werden kann, ohne dass eine Umdrehungszähleinrichtung benötigt wird. Nach einem Ausfall der Bordelektronik kann nach einer Initialisierung des Systems sofort der absolute Lenkwinkel für die Sicherheits- und Fahrstabilitätssysteme wiederverwendet werden. Beim Ausfall eines der beiden Messelemente (rotatorisches Element oder translatorisches Element) steht immer noch eine Messinformation zur Verfügung. Fällt die rotatorische Leseeinheit aus, lässt sich der absolute Winkel aus der translatorischen Leseeinheit auslesen, allerdings mit einer geringeren Auflösung. Fällt das translatorische Element aus, lässt sich zumindest noch der Winkel von 0 bis 360° bestimmen. In beiden Fällen bleiben das Fahrzeug und die daran angeschlossenen Systeme bedingt einsatzbereit.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeber durch einen Spindeltrieb miteinander gekoppelt sind. Eine mit der Lenkspindel umlaufende Gewindespindel bewegt so auf einfache Weise eine mit einem Kode an Ihrem Aussenumfang versehene Spindelmutter translatorisch entlang der Lenkspindel. Ein feststehender Messaufnehmer tastet diesen Kode dann zwangsläufig ab, wenn die Lenkspindel gedreht wird.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Drehwinkelmessung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung für jede Lenkspindeldrehung den vom zweiten Signalgeber für jede Lenkspindelstellung verschiedenen und bestimmten gemessenen Wert zusammen mit dem vom ersten Signalgeber gemessenen Lenkwinkel zu einem einzigen und eindeutigen Lenkwinkelwert verknüpft.

Dieser Lenkwinkelwert ist so genauer als ein Lenkwinkelwert, der sich durch eine ausschließliche Verwendung des vom zweiten Signalgeber gemessenen Wertes in der Auswerteeinrichtung ergeben würde. Das liegt daran, dass der Kode für den ersten Signalgeber eine größere Auflösung besitzt.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung dargestellt. Die einzige Figur zeigt in einem Teilschnitt die Einrichtung zur Drehwinkelmessung, angeordnet an einer Lenkspindel.
Eine nur teilweise im Lenkstockschalterbereich dargestellte Lenkspindel 1 verbindet ein nicht gezeichnetes Lenkrad mit einem nicht gezeichneten Lenkgetriebe. Fest angeordnet sind um die Lenkspindel 1 herum ein erster Messaufnehmer 2 zur Messung des Lenkwinkels im Bereich von 0° bis 360°, d.h. für eine Lenkradumdrehung. Außerdem ein zweiter Messaufnehmer 3, zum Ermitteln der absoluten Stellung der Lenkspindel 1, der für jede Stellung der Lenkspindel 1 einen verschiedenen und bestimmten Wert ermittelt. Der erste Messaufnehmer 2 liest eine Kodierung eines mit ihm zusammenwirkenden ersten Signalgebers 4, der mit der Lenkspindel 1 rotiert. Ein zweiter Signalgeber 5 umschließt die in diesem Bereich mit einem Trapezaußenge winde 7 versehene Lenkspindel 1 und ist entlang dieser über sein Trapezinnengewinde 8, in Umfangsrichtung feststehend, verschiebbar. Auf dem Außenumfang des zweiten Signalgebers 5 ist in Längsrichtung der Lenkspindel 1 ein Kode aufgebracht mit dessen Hilfe vom zweiten Messaufnehmer 3 eine translatorische Bewegung des zweiten Signalgebers 5 erkannt werden kann. Der erste und der zweite Signalgeber 4, 5 stehen orthogonal zueinander und ihre translatorischen bzw. rotatorischen Bewegungen stehen, bedingt durch den Spindeltrieb, in einem konstanten Verhältnis zueinander. Aus dieser Beziehung wird der Absolutwinkel durch eine nicht gezeichnete Auswerteeinrichtung ermittelt.
Eine Veränderung des Lenkwinkels bewirkt einerseits eine rotatorische Relativbewegung zwischen dem ersten Messaufnehmer 2 und dem kodierten ersten Signalgeber 4 zur Erfassung der Verdrehwinkelinformation und andererseits eine translatorische Relativbewegung zwischen dem zweiten Messaufnehmer 3 und dem zweiten kodierten Signalgeber 5 zur Erfassung einer für jede Lenkspindelstellung verschiedenen und bestimmten Weginformation. Innerhalb der Signalverarbeitung lässt sich über die Auswerteeinrichtung aus der Weg- und Verdrehwinkelinformation der absolute Gesamtverdrehwinkel, auch über mehrere Lenkspindelumdrehungen, ermitteln. Prinzipbedingt kann die Einrichtung zur Drehwinkelmessung sowohl als stand-alone-Sensor (z. B. an einer beliebigen Stelle der Lenksäule), als auch als Teil einer Baugruppe betrieben werden (z. B. im Schaltzentrum Lenksäule). Ebenfalls sind verschiedene physikalische Messverfahren denkbar, z. B. optisch oder induktiv.

Claims

Einrichtung zur Drehwinkelmessung zur Erfassung von absoluten Werten von Lenkwinkeln während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, bestehend aus mindestens zwei Messaufnehmern (2, 3), wovon durch einen ersten Messaufnehmer (2) über einen ersten Signalgeber (4), insbesondere durch Lesen und Auswerten eines sich mit einer Lenkspindel (1) mitdrehenden Kodes, Lenkwinkel bis zu 360 Winkelgrad gemessen und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden und durch einen zweiten Messaufnehmer (3), über einen zweiten Signalgeber (5), ebenfalls insbesondere durch Lesen und Auswerten eines Kodes, ein für jede Lenkspindelstellung verschiedener und bestimmter Wert ermittelt und an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen der von den Messaufnehmern (2, 3) zu lesenden Signalgeber (4, 5) orthogonal zueinander stehen.
Einrichtung zur Drehwinkelmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalgeber (5) durch einen Spindeltrieb bewegt wird.
Verfahren zur Drehwinkelmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung für jede Lenkspindeldrehung den vom zweiten Signalgeber (5) für jede Lenkspindelstellung verschiedenen und bestimmten gemessenen Wert zusammen mit dem vom ersten Signalgeber (4) gemessenen Lenkwinkel zu einem einzigen und eindeutigen Lenkwinkelwert verknüpft.