DE10327680A1

DE10327680A1 - Sensor zur Messung einer Länge oder eines Winkels

Info

Publication number: DE10327680A1
Application number: DE2003127680
Authority: DE
Inventors: Daniel Brunnschweiler; Christian Staudenmann
Original assignee: ThyssenKrupp Automotive AG
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 2003-05-17
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2004-12-09
Also published as: WO2004102124A1; EP1627206A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels oder einer Länge mit einer Sensoranordnung (26) zur Erfassung der Position der Bewegung, wobei diese eine relativ oder entsprechend zur Bewegung mitbewegte Trägerplatte (8) mit mindestens einer Codespur (4) und mindestens einen fest stehenden, auf die Codespur (4) wirkenden, Sensor (1) enthält, wobei die Codespur (4) in jedem Punkt parallel zur Bewegungsrichtung auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist und Markierungen (41) aufweist zur Erzeugung eines nacheinander wechselnden Bit-Musters und ein Abschnitt der Bewegung in Bewegungsrichtung, beispielsweise die 360 DEG eines Kreisumfanges, dividiert durch die Anzahl der Markierungen (41) auf dem Abschnitt einen Takt (beta) definiert, wobei das Bitmuster durch eine phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) in Bezug zur festen Einteilung des Takts (beta) bestimmt ist. Außerdem ist die Anordnung zuverlässig, einfach und wirtschaftlich realisierbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels oder einer Länge mit einer Sensoranordnung nach Oberbegriff des Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäss Anspruch 12 und 13.
Der Erfindungsgegenstand befasst sich mit der sensorischen Erfassung des Winkels oder einer Länge, wie es als Basis für die optimale Regelung von Systemen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, bevorzugt zur elektronischen Ansteuerung von Elektromotoren für verschiedenen Stelleinrichtungen erforderlich ist.

Im Stand der Technik werden zur Winkelmessung häufig Hallsensoren verwendet. Dabei sind auf das drehbare Teil magnetische Elemente befestigt, deren Polarität in einem festen Zeitraster wechselt. Eine Hallsonde nimmt entsprechend die durch die Wechsel des Magnetfelds verursachte Hallspannung auf und gibt Zählimpulse aus. Durch Auszählen der Zählimpulse kann der Differenzwinkel bestimmt werden. Nur durch die Markierung eines Startpunktes, beispielsweise durch mehrere Impulse mit einer gleichen Polarität oder durch eine zusätzliche Sensoranordnung markiert, kann der absolute Drehwinkel bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen, wie beispielsweise in der DE 101 04 855 A1 vorgestellt, wird als zusätzliche Information, die Abfolge der Zählimpulse verwendet. Allerdings sind hier drei Sensoren erforderlich.

Die Auszählung von Zählimpulsen bietet gegenüber der Verwendung analoger Signale den Vorteil, dass der Signal-Rausch- Abstand wesentlich vergrössert wird, das heisst dass Störeinflüsse die Qualität der Signalauswertung weniger Beeinflussen.

Die bekannten Systeme haben jedoch mehrere markante Nachteile. So können Absolutbeträge der Winkel erst nach Durchlaufen eines relativ grossen Winkelbereiches, beispielsweise einer ganzen Umdrehung, erfasst werden. Weiterhin besteht die Gefahr des Verpassens eines markierten Startpunktes oder eines Zählimpulses, so dass die Winkelmessung fehlerhaft ist. Weiterhin muss ein Startpunkt festgelegt sein. Das führt entweder zur Verringerung der Auflösung in der Umgebung des Startpunktes durch Verwendung einer längeren Impulsdauer oder zur Notwendigkeit eines separaten Startpunkt-Erkennungssensors. Ausserdem benötigen die meisten Systeme mehrere Sensoren, teilweise sogar mehr als 2 Sensoren zur Erfassung der Winkellage.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin die Nachteile des Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, zum einen die Kommutierung des Stromflusses mit der Drehlage des Motors in Übereinstimmung zu bringen und zum anderen sehr schnell und gleichmässig zu regeln, damit in das Lenksystem keine Drehmomentschwankungen eingebracht werden, die der Fahrer als Welligkeit oder Ripple beim Lenken spürt. Das bedeutet, dass der Winkel des Rotors in Bezug auf den Stator des Elektromotors schnell und sicher erfasst werden muss. Ausserdem soll die Anordnung zuverlässig, einfach und wirtschaftlich realisierbar sein.

Die Erfindung löst die Aufgabe der sensorischen Erfassung der Winkel zwischen den drehbewegten Komponenten in Bezug auf die nicht drehbewegten Komponenten durch eine Vorrichtung, gemäss Anspruch 1, in einfacher Weise und mit vergleichsweise wenig sensorischem Aufwand. Die abhängigen Ansprüche zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen. Die Ansprüche 12 und 13 beinhalten das Verfahren zur Lösung der Aufgabe.

Erfindungsgemäss umfasst die Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels oder einer Länge mit einer Sensoranordnung (26) zur Erfassung der Position der Bewegung, wobei diese eine relativ oder entsprechend zur Bewegung mit bewegte Trägerplatte (8) mit mindestens einer Codespur (4) und mindestens einen fest stehenden, auf die Codespur (4) wirkenden, Sensor (1) enthält, wobei die Codespur (4) in jedem Punkt parallel zur Bewegungsrichtung auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist und Markierungen (41) aufweist zur Erzeugung eines nacheinander wechselnden Bit-Musters und ein Abschnitt der Bewegung in Bewegungsrichtung, beispielsweise die 360° eines Kreisumfanges, dividiert durch die Anzahl der Markierungen (41) auf dem Abschnitt einen Takt (β) definiert und das Bitmuster durch eine phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) in Bezug zur festen Einteilung des Takts (β) bestimmt ist.

Eine erfindungsgemässe bevorzugte elektrische Servolenkvorrichtung enthält eine Sensoranordnung mit zwei parallel angeordneten bzw. konzentrisch angeordneten Codespuren, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.

Der Messaufnehmer umfasst eine Sensoreinheit, die mit der nichtdrehenden Komponente fest angeordnet ist, bestehend aus 2 Sensoren und zweier den Sensoren zugeordneten, mit der drehbaren Komponente verbundenen, Codespuren auf einer Trägerplatte. Auf jeder der beiden Codespuren befindet sich ein abwechselndes '1'/'0' – Muster in gleichen Winkelabständen zur Erzeugung digitaler Signale. Dabei sind die '1'/'0' Muster der beiden Codespuren zueinander genau gleich angeord net. Das heisst, wenn für eine bestimmte Winkellage das Muster der einen Codespur gerade von '1' nach '0' wechselt, wechselt das Muster der anderen Codespur genau in der gleichen Richtung. Das Muster kann bevorzugt durch Permanentmagnete bzw. mit einer Magnetisierung, beispielsweise mit einer entsprechenden Nord-Süd-Polung oder durch eine Lochmaske oder auch durch andere vergleichbare Mittel, je nach verwendeter Sensorart, gebildet sein. Die Sensoren können entsprechend im Falle der Verwendung von Permanentmagneten Hallsensoren oder für Lochmasken einfache optische Durchlichtsensoren, bestehend aus Lichtquelle und Photohalbleiter, sein. Bei der bevorzugten Verwendung von Permanentmagneten zur Darstellung der Codespuren, kann auch einfach eine breite Codespur, als zweidimensionales Codespur-Muster, aufgetragen sein, die in unterschiedlichen Abständen vom Drehpunkt gesehen durch 2 Sensoren abgetastet werden.

Die Verwendung von 2 verschiedenen Sensoren mit 2 zugehörigen Codespuren dient dabei vor allem zwei wichtigen Zielen. Zum einen gibt die eine Codespur, durch die gleichmässige Anordnung der Markierungen, einen festen Takt im Verhältnis zum Drehwinkel an. Zum anderen sind die beiden Sensoren etwas versetzt zueinander angebracht. Dadurch wird der Wechsel des Signals, verursacht durch den Wechsel von Markierung '0' auf '1', zuerst in einer der beiden Signale der beiden Codespuren festgestellt werden. Daraus kann dann die Drehrichtung der Trägerplatte bestimmt werden.

Erfindungsgemäss wechseln auf einer der beiden Codespuren an einigen vordefinierten Stellen das abwechselnde '1'/'0' – Muster nicht in genau äquidistanten Winkelabständen, sondern etwas verzögert bzw. versetzt. Das bedeutet, dass diese jeweilige ausgewählte Markierung mit einem Versatz auf die Trägerplatte aufgebracht wird. Mit diesen gegenüber dem Takt verzögerten Wechseln kann wiederum ein bestimmtes Muster gebildet werden. Die Verwendung dieses Musters gestattet dann, eine schnelle Bestimmung der absoluten Winkellage. Nach dem erstmaligen Durchlaufen einer vorher festgelegten Grösse der Winkeländerung dem Anfangserkennungswinkel, der mit der Musterlänge korespendiert, kann dann der Absolutwert des Winkels innerhalb einer vorgegebenen Codierlänge in Bezug auf die Nulllage und Vielfache der Codierlänge bestimmt werden. Die Musterlänge sollte dabei stets gleiche Winkellängen, d.h. die gleiche Anzahl Takte, umfassen aber aus unterschiedlichen Anzahlen von Versätzen von Markierungen bestehen. Die dabei möglichen entstehenden Muster und ihre Zuordnung zu festen Winkelwerten werden in einem Datenspeicher in Form einer Wahrheitstabelle hinterlegt oder die Muster sind so gestaltet, dass sie mathematisch auf den jeweiligen Winkel umgerechnet werden können. Hierzu können die heute gebräuchlichen elektronischen Speicher und Prozessoren vorteilhaft verwendet werden. Es ist hierbei besonders bevorzugt wenn das durch die phasenverschobene Anordnung von Markierungen auf der Codespur bestimmte Bitmuster sich während der Drehung der Trägerplatte bei jedem Takt(β) ändert und diese eindeutig und einmalig ist, um die Position sofort und eindeutig identifizieren zu können. Diese vorgegebenen, eindeutigen Muster bzw. Worte werden in dem Speicher abgelegt und können mit dann mit dem tatsächlichen Muster der Codierung verglichen werden woraus die Position ermittelt werden kann.

Der Vorteil der erfindungsgemässen Methode besteht nun darin, dass nach dem ersten Durchlaufen mehrerer Wechsel der Markierung bis zum Durchlaufen der festgelegten Winkeländerung – dem Anfangserkennungswinkel – sofort bei jedem weiteren Wechsel der Markierung bereits der genaue Winkelwert bestimmt werden kann.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird auf das Taktsignal der einen der beiden Codespuren verzichtet. Dieser Takt wird dann nach Durchlaufen von mehreren Wechseln der Markierung der einen verbleibenden Codespur, beispielsweise durch einfache Division der Anzahl der Wechsel geteilt durch die verstrichene Zeit, bestimmt. Die Versätze der Markierungen werden dann im Anschluss auf den so berechneten Takt bezogen und in gleicher Weise weiterverarbeitet. Die Bestimmung der Drehrichtung erfolgt dann entweder durch eine Wahrheitstabelle, die die Drehrichtung enthält oder durch einen Versatz der Markierungen, bei dem sowohl der Beginn der '1' als auch das Ende der '1' gegenüber dem Takt verzögert wird. Dadurch kann, beispielsweise durch eine einfache Differenzbildung des Sensorsignals zu dem aus dem Takt konstruierten Sensorsignal, ein Muster mit positiven und negativen Signalspitzen erzeugt werden. Aus der einfachen Prüfung, ob zuerst die positive oder die negative Signalspitze auftritt, wird die Drehrichtung direkt bestimmt.

In allen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens können das oder die realen Sensorsignalformen zusätzlich gesampelt (abgetastet) werden. Hierdurch kann die Signalnderung weiter und noch präziser aufgelöst werden. Durch die Sampelung der Signale können weitere Flankenwechsel erzeugt werden, aus deren Abzählung Zwischenwerte für den Winkel bestimmt werden können. Dadurch wird die Messauflösung noch weiter erhöht.

Ziel aller in der Erfindung gezeigten Massnahmen ist, den Winkel möglichst schnell und genau und sicher zu bestimmen. Hierzu müssen einerseits die physikalischen Grenzen in Bezug auf herstellbare geometrische Grössen von entsprechenden Mar kierungen, auf den Signal-Rausch-Abstand und weiteres beachtet werden. Die Erfassung der Winkel in digitalen Rechnern bedarf je nach Auflösung unterschiedlich grosser Wortbreiten. Durch die richtige Grösse der Wortbreite, beispielsweise 4bit oder 8bit, kann die Rechengeschwindigkeit entscheidend beeinflusst werden. Dabei ist zwischen den Wortbreiten sowohl für die Rechenoperationen als auch für Speicheroperationen zu unterscheiden. Die optimale Auslegung hängt von der Architektur der Hardware ab und kann mit dem vorgestellten Messverfahren in Einklang mit den geforderten Messauflösungen und -geschwindigkeiten gebracht werden. Als Parameter dazu dienen die Länge der Wahrheitstabelle, die Samplerate in Bezug auf die Drehzahlen, Durchmesser und geometrischen Abmessungen der Markierungen und weitere Grössen.

Dieselbe Methode ist nicht nur für die bevorzugte Drehwinkelmessung anwendbar, sondern auch für Längenmessungen geeignet. Dann muss jeweils die Drehung durch eine Translation und der Winkelbezug durch einen Längenbezug ersetzt werden. Die drehbare Komponente ist dann eine längsverschiebbare Komponente und die Winkeleinheiten und Winkelversätze sind entsprechend Längeneinheiten und Längenversätze. Für Codespuranordnungen mit den zugehörigen Sensoren sind besonders die magnetischen Mittel geeignet und somit bevorzugt. Es können aber auch optische, kapazitive oder induktive Mittel oder deren Kombinationen eingesetzt werden.

Ein besonderer Anwendungsfall für die Nutzung der Winkelmessung besteht in der Bestimmung des Winkels des Rotors in Bezug auf die Polschuhe des Stators eines Elektromotors, für die Anwendung als elektrische Hilfskraft in einem Lenksystem (Servolenkung). Dies ist für die korrekte und präzise Ansteuerung von elektronisch kommutierten Motoren besonders wichtig. Vor allem muss auch beim Anlauf des Motors die richtige Drehrichtung sichergestellt werden. Die Codierlänge kann hier vorteilhafterweise gleich dem Winkel von einem oder mehreren Polschuhen gesetzt werden.

Dabei ist die Verwendung der Lagerabdeckung der Getriebeanordnung, wie insbesondere bei Verwendung eines Kugelgewindetriebs, als Trägerplatte der Codespuren besonders vorteilhaft.

Am bevorzugten Beispiel der Verwendung von Permanentmagnetischen Markierungen auf den Codespuren und der Verwendung von Hallsensoren wird das Verfahren zur Signalaufbereitung und Auswertung an Hand von schematischen Figuren gezeigt.

Es zeigen:
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Lenkvorrichtung mit Hilfskraftunterstützung.
2 zeigt die Anordnung der Sensoranordnung, deren Lage zu den Polschuhen des Elektromotors und die schematische Zuordnung zu den Signalcodebits.
3 bestehend aus 3a und 3b zeigt die Signalverläufe der Hallsignale sowie den Bezug zu den Markierungen auf den Codespuren.
4 bestehend aus 4a, 4b und 4c zeigt die Signalverläufe der um den Winkelversatz der beiden Sensoren bereinigten Hallsignale und das Kombinationssignal
5 bestehend aus 5a, 5b, 5c und 5d zeigt die Signalverläufe der um den Winkelversatz der beiden Sensoren be reinigten digitalisierten Hallsignale sowie den Bezug auf die Markierungen auf den Codespuren und dem Kombinationssignal sowie die Signalcodebits.
6 zeigt für ein anderes Beispiel die Signalverläufe der um den Winkelversatz der beiden Sensoren bereinigten digitalisierten Hallsignale und dem digitalisierten Kombinationssignal.
7 zeigt eine Wahrheitstabelle zur Bestimmung des momentanen Winkels
8 bestehend aus 8a, 8b, 8c und 8d zeigen andere Beispiele für Codierungen mit den zugehörigen Wahrheitstabellen.
Die Darstellungen in den 2, 3, 4, 5, 7 und 8a beziehen sich alle auf ein und dasselbe Beispiel. Die 6 soll nur die Möglichkeit der Signalauswertung von positiven Signalspitzen 111 und negativen Signalspitzen 112 zeigen. In den 8b, 8c und 8d sind Beispiele für andere Varianten der Codierung gezeigt, um einen Hinweis zu geben, wie nach Vorgabe der Codierlänge C und des Anfangserkennungswinkels Δφ ein Schema für geeignete Winkelversätze δ auf den beiden Codespuren 4, 5 und damit eine geeignete Festlegung der Markierungen 41, 51 gefunden werden kann.
Bei der Darstellung der digitalisierten Signale ist in den jeweiligen Figuren die Signalflanke deutlich dargestellt. Der Anstieg wird durch die jeweilig verwendete Elektronik bestimmt. Für die Auswertung spielt der Anstieg der Signalflanke jedoch nur eine untergeordnete Grösse. Es ist in den Dar stellungen daher darauf verzichtet worden, die Flanken unendlich steil darzustellen.
Der in 1 gezeigte schematische Aufbau einer Lenkvorrichtung (29) mit Hilfskraftunterstützung entspricht im Wesentlichen dem Stand der Technik. Sie besteht unter anderem aus einem Steuerrad 20, einer Lenksäule 21, dem Lenkgetriebe 22 und den beiden Spurstangen 24. Die Spurstangen 24 werden durch die Zahnstange 23 angetrieben. Zur Hilfskraftunterstützung dient die aus den Komponenten Servomotor 25, der Sensoranordnung 26 und dem Kugelgewindetrieb 27 gebildeten Antriebseinheit. Die Erfindung bezieht sich auf die Sensoranordnung 26 und in der speziellen Weiterbildung in der Anordnung in einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Dabei wird der Fahrerwunsch durch das Steuerrad 20 über eine nicht gezeigte Sensorik als Signal 281 in ein Steuergerät 28 eingespeist. Aus der Sensoranordnung 26 wird das Sensorausgangssignal 282, der momentane Drehwinkel und daraus abgeleitet der Lenkwinkel in das Steuergerät 28 eingespeist. Im Steuergerät wird daraus die entsprechende Steuerspannung 283 für den Elektromotor oder Servomotor 25 bestimmt und an den Servomotor 25 ausgegeben. Dabei ist für eine feinfühlige und schnelle Regelung die schnelle Erfassung des momentanen Winkels φ. erforderlich. Dabei genügt es für die Ansteuerung des Servomotors 25 die momentane Lage des Stators (hier nicht gezeigt) zu den Polschuhen 6 des Stators (hier nicht dargestellt) genau zu wissen. Der gesamte Winkel φ über eine vollständige oder gar mehrere Umdrehungen, aus dem sich der Lenkwinkel bestimmen lässt, muss nicht mit der hohen Geschwindigkeit bestimmt werden und kann durch Abzählen der Durchläufe durch den Winkelbereich der Codierlänge C bestimmen.
2 zeigt beispielsweise die bevorzugte Anordnung der Sensoranordnung 26 bestehend aus den mit der drehbaren Komponente verbundenen Trägerplatte 8 mit den beiden Codespuren 4 und 5 mit den Markierungen 41 bzw. 51 sowie der Drehachse Z und der mit der nichtdrehenden Komponente verbundenen Sensoreinheit 3 und den darauf angeordneten Sensoren 1 und 2. Die beiden Sensoren sind mit Vorteil um einen Winkelversatz 32 versetzt angeordnet. Die versetzte Sensoranordnung ermöglicht eine bessere Erkennung der Laufrichtung. Zu den nichtdrehenden Komponente sind beispielsweise auch die Polschuhe 6 des Stators des Servomotors 25 zu zählen. Die Nulllage des Winkels des Systems ist mit der Nulllage 31 auf der Sensoreinheit 3 und der Nulllage 81 der Trägerplatte 8 markiert. Zur Verdeutlichung der Markierungen beispielsweise der abwechselnden Nord-Süd-Pol-Ausrichtung einer permanentmagnetischen Spur sind hier die Bezeichnungen '0' und '1' gewählt oder gleichbedeutend
und
oder gleichbedeutend
und
in den Darstellungen gewählt.
Hier dargestellt ist die Anordnung der Codespuren in gleichläufiger Polung. Es ist auch möglich die Codespuren gegenläufig zu polen. Zur Verdeutlichung der gegenläufigen Anordnung der Polung der beiden Codespuren sind in einer der beiden Spuren nur die '1' gegen die '0'- und die '0' gegen die '1'-Kennzeichnung auszutauschen.
Die Markierungen '0' und '1' haben jeweils den Winkel von β/2. Ein Polpaar '0'/'1' hat damit den Winkel = dem Takt β und entspricht einem bit in der digitalen Weiterverarbeitung der Signale. Die Codierlänge C ist der Winkelbereich für den der Winkel nach erstmaligem Durchlaufen der Anfangserken nungswinkel Δφ exakt bestimmt werden kann. Der Winkel Δφ. entspricht im Beispiel genau 4 bit oder 4 Takte.
Die zweite Codespur 5 hat die Aufgabe den Takt β vorzugeben. Wird die Trägerplatte 8 in Drehung versetzt generiert sich aus dem Hallsignal 10 des Sensors 2 das Taktsignal β.
Auf der ersten Codespur 4 ist wie oben bereits erwähnt in einigen Markierungen 41 ein Versatz δ eingebracht , das heisst eine der Polungen hier beispielsweise die '1'-Polung wird um den Winkel δ verlängert.
Im Beispiel hat der Servomotor 25 8 Polpaare und eine Codierlänge von 90°, was einer Länge von 16bit entspricht, bei einem Anfangserkennungswinkel Δφ von 4 bit, was einem Winkel von 16,875° entspricht. Aus den Versätzen δ werden die Signalcodebits 7 gebildet, die zur Bestimmung des Winkels φ herangezogen werden. Grössere Wortbreiten ermöglichen eine bessere Auflösung, allerdings bei höherem Aufwand.
3a zeigt das Hallsignal 9 mit der Signalgrösse I des Sensors 1 in Bezug auf die Markierungen 41 der ersten Codespur 4. In 3b ist das entsprechende Hallsignal 10 des Sensors 2 in Bezug auf die Markierungen 51 der zweiten Codespur 5. Der Winkel φ wird mit Drehung in Drehrichtung 12 grösser. Die Darstellung umfasst eine Codierlänge C, das heisst 16 Winkel einer '0'/'1'-Markierung 51. Beispielhaft ist ein Winkelversatz 32 der beiden Sensoren 1 und 2 zueinander gezeigt.
Durch den Winkelversatz 32 der beiden Sensoren 1 und 2 kann in einfacher Weise die Drehrichtung bestimmt werden. Tritt der Wechsel von '0' nach '1' im Hallsignal 9 vor dem Hallsignal 10 auf dreht sich die Trägerplatte 8 in Drehrichtung 12. Entsprechend dreht sich die Trägerplatte entgegen der Dreh richtung 12, wenn der Wechsel von '0' nach '1' zuerst im Hallsignal 10 erfolgt. Der Winkelversatz 32 muss dazu kleiner als β/2 sein.
Für die weitere Auswertung ist der Winkelversatz 32 nicht erforderlich, so dass er elektronisch oder numerisch korrigiert wird. Daher sind in allen weiteren Figuren die Hallsignale um den Winkelversatz 32 der beiden Sensoren 1 und 2 korrigiert, d.h. auf einen Winkelversatz von 0° verschoben, dargestellt.
4a und 4b zeigen die, um den Winkelversatz korrigierten, Hallsignale 9A bzw. 10A des Sensors 1 bzw. 2 über dem Drehwinkel aufgetragen. Weiterhin ist in 4c das Kombinationssignal 11 mit den Signalspitzen 111 dargestellt. Hier sind, wie in 3 die Signale für den Fall, dass die Polungen der beiden Codespuren gleichläufig angeordnet sind, gezeigt. Im einfachsten Fall kann das Kombinationssignal als Differenz aus den Hallsignalen 9A und 10A gebildet werden.
Im nächsten Schritt erfolgt die Digitalisierung der Hallsignale. Die weiteren 5 und 6 zeigen eine einfache Digitalisierung auf 2 Schwellwerte des Signals z.B. I-Signal >0 und I-Signal <0. Zur Erhöhung der Auflösung kann jedoch auch eine Sampelung, beispielsweise auf mehrere Schwellwerte der Hallsignale 9 und 10 erfolgen.
5a und 5b zeigt das digitalisierte Hallsignal 9B bzw. 10B des Sensors 1 bzw. 2 über dem Drehwinkel φ aufgetragen und um den Winkelversatz 32 der beiden Winkelsensoren in der Phase verschoben. Zur Verdeutlichung sind die Lage der Markierungen 41, 51 der Codespuren 4 und 5 dargestellt. Die 5c zeigt das digitalisierte Kombinationssignal 11 mit den Signalspitzen 111, die aus den Winkelversätzen δ der Markie rungen 41 der Codespur 4 resultieren. Die 5d zeigt die aus den Signalspitzen 111 generierten Signalcodebits 7 mit den Werten 0 oder 1, die dem jeweiligen Takt β zuzuordnen sind. Der Darstellung ist zu entnehmen, wie nach dem Durchlauf der ersten 4 Takte β die Folge von Signalcodebits 7 „1 0 1 0" aus dem Kombinationssignal 11 erzeugt wurde. Dieser Wert entspricht in unserem Beispiel genau 16.875° ab dem Startwinkel 81, 31 oder dem Startwinkel 81 zuzüglich der Codierlänge C (im Beispiel 90°) gemessen.
Die in der 7 dargestellte Wahrheitstabelle, die zu den Darstellungen in den 2, 3, 4 und 5 passt, zeigt, wie anhand der aus den Signalspitzen 111 des Kombinationssignals 11 und den zugehörigen Signalcodebits der Winkel φ bestimmt wird.
In der Tabelle 1 ist der Ablauf der Winkelerkennung und der Aufbau der Wahrheitstabelle anhand des in den Figuren dargestellten Beispiels gezeigt. Beginnt sich die Trägerplatte 8 in Drehrichtung 12 von der Nulllage 81, 31 zu drehen, wird der Takt β, d.h. eine Anzahl von '0'/'1'-Wechseln durchlaufen. Der Takt β korrespondiert mit dem Winkel φ der hier in der Folge 5.625°, 11.25°, ... dargestellt ist. Dabei werden durch den Winkelversatz δ der Markierungen die Signalspitzen 111 im Kombinationssignal 11 und somit die Signalcodebits 7 erzeugt. Das korrespondiert mit den in 5d gezeigten Signalcodebits 7 mit den Digitalwerten 0 oder 1. Der Speicher, der in unserem Beispiel 4bit Wortbreite besitzt, füllt sich bit für bit, wie im unteren Teil der Tabelle 1 dargestellt ist. Nach Durchlaufen des Winkels von 16.875° ist der Speicher mit einem vollständigen 4bit-Wort aus den Signalcodebits 7 gefüllt. Ab jetzt kann direkt aus der Wahrheitstabelle, wie sie in 7 gezeigt ist, der momentane Winkelwert abgelesen werden.
Tabelle 1
Dabei muss beachtet werden, dass je nach Drehrichtung die Einspeicherung in den Speicher entweder auf dem höchsten oder dem niedrigsten bit des Wortes im Speicher, unter Verschiebung der bereits im Speicher befindlichen bits, erfolgen muss.
Tabelle 2
In der Tabelle 2 ist der Speicherinhalt während des Aufbaus von der Nulllage 81, 31 mit der Wortbreite von 4 bit für den jeweiligen Takt β/ Winkel φ gezeigt. Wie anhand des Aufbaus der Tabelle 1 und Tabelle 2 zu erkennen ist entspricht die Wortbreite auch der Anzahl Takte bis der erste Winkel eindeutig erkannt werden kann und damit dem Anfangserkennungswinkel Δφ/β.
Die 8 zeigt mehrere Muster von Wahrheitstabellen als Beispiel, wie für verschiedene Codierlängen C und Anfangserkennungswinkel Δφ mit den zugehörigen Wortbreiten Δφ/β eine Folge von Signalcodebits 7 festgelegt werden kann, damit nach erstmaligem Durchlauf der Anfangserkennungswinkel Δφ bei jedem weiteren Durchlauf des Winkels β der Absolutwert des Drehwinkels bestimmt werden kann.
Dabei ist in 8a nocheinmal unser Beispiel gezeigt. In 8b, 8c, und 8d sind Darstellungen für die Codierlängen von 5, 8 bzw. 10 und Wortbreiten von 3bit, 3bit bzw. 4bit gegeben.
Aus den Beispielen mit den Tabellen ist ersichtlich, dass die nacheinander folgenden, um den Winkel β Versetzten, Bitmuster derart gewählt werden, dass diese immer eindeutig sind und als einmalige Muster erscheinen , also singulär auftrete, womit jederzeit eine eindeutige Winkellagenerkennung möglich ist durch Vergleich der gemessenen Muster mit den gespeicherten Mustern
6 zeigt für ein anderes Beispiel das digitalisierte Hallsignal 9B des Sensors 1 und das digitalisierte Hallsignal 10B des Sensors 2 über dem Drehwinkel aufgetragen und um den Winkelversatz 32 der beiden Winkelsensoren in der Phase verschoben. Hier sind die Markierungen jedoch so um den Winkel δ versetzt, dass ein Kombinationssignal 11 mit positiven Signalspitzen 111 und negativen Signalspitzen 112 entsteht. Aus der zeitlichen Reihenfolge des Auftreffens der positiven Signalspitze 111 und der negativen Signalspitze 112 wird die Drehrichtung bestimmt. Kommt die positive Signalspitze 111 vor der negativen Signalspitze 1112, dreht sich die Trägerplatte 8 in Drehrichtung 12. Kommt die negative Signalspitze 112 vor der positiven Signalspitze 111, so dreht sich die Trägerplatte 8 entgegen der Drehrichtung 12.
Für den Fall, dass nicht entschieden werden kann, welche Signalspitze 111, 112 früher kommt, wird die Signalflanke des Signals 9B mit genutzt. Wechselt das Signal 9B vom niedrigen auf den hohen Wert und wird gleichzeitig die positive Signalspitze 111 bestimmt, so dreht sich die Trägerplatte in Drehrichtung 12. Wird jedoch die negative Signalspitze 112 gleichzeitig bestimmt, so dreht sich die Trägerplatte entgegen der Drehrichtung 12.
In der besonders kostengünstigen Weiterbildung des Systems wird der Sensor 2 weggelassen und das daraus resultierende taktgebende Signal 10B numerisch aus der verstrichenen Zeit und den '0'/'1'-Wechseln des Signals 9B wie oben bereits beschrieben bestimmt. Auf diese Weise kann das taktgebende Signal 10B mathematisch erzeugt werden und alle oben beschriebenen Verfahrensweisen zur Bestimmung des Winkels angewendet werden.
Die Anwendung dieser kostengünstigen Weiterbildung bedingt jedoch eine Verschlechterung der Auflösung, da mindestens drei eher mehr '0'/'1'-Wechsel zur Bestimmung des digitalisierten (Takt-)Signals 10B benötigt werden.
Sehr gute Ergebnisse können erzielt werden bei einem mittleren Leseradius von etwa 42mm, einem Magnetpolabstand von 1,5–3,5mm. So können beispielsweise 64 Polwechsel des Magnetfeldes dargestellt werden. Das bedeutet 64 vollständige Perioden des Hallsignals. Bei einer Samplerate von 1/32 ergibt das 4096 Flankenwechsel für jedes digitalisierte Signal 9B bzw. 10B. Da zwei Codierspuren zur Verfügung stehen, ergeben sich insgesamt 8192 Flankenwechsel. Das ergibt eine Winkelauflösung des Systems von etwa 0,044°.
Zur Verbesserung der Auflösung kann an die drehbare Komponente über ein Getriebe mit einer Übersetzung eine mit höherer Drehzahl drehende Komponente gekoppelt werden, mit der dann die Trägerplatte 8 verbunden ist. Auf diese Weise kann mit der gleichen Anzahl von Permanentmagneten und Hallsensoren die Winkelauflösung um den Übersetzungsfaktor des Getriebes erhöht werden.
Es ist klar, dass alle oben beschriebenen Ausführungen auch auf optische, elektrische, induktive oder kapazitive Messaufnehmer übertragbar ist. Ausserdem können in gleicher Weise auch Längen gemessen werden.
Ein spezieller Anwendungsfall besteht in der Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur geregelten Ansteuerung eines Elektromotors oder Servomotors 25 zum Antrieb eines Lenksystems für Kraftfahrzeuge mit elektrischer Hilfskraft. Hier besteht das Problem die Kommutation des Stromflusses je nach Winkellage des Rotors in Bezug auf den Stator des Servomotors 25 sicherzustellen. Dabei muss der Stromfluss so gleichmässig umgeschaltet werden, dass kein ungleichmässiges Drehmoment vom Elektromotor abgegeben wird. Hierzu wird die Trägerplatte 8 mit dem Rotor und die Sensoreinheit mit dem Stator des Elektromotors gekoppelt. Mit Hilfe der Messergebnisse wird dann die Lage des Rotors bezüglich der Polschuhe des Stators bestimmt. Die Codierlänge C und der Takt β ist entsprechend dem Winkel zwischen den Polschuhen 6 festzulegen.

1: Sensor 1
2: Sensor 2
3: Sensoreinheit
31: Nulllage auf Sensoreinheit
32: Winkelversatz zwischen Sensor 1 und Sensor 2
4: Codespur 1
41: Markierung '0' bzw. '1' auf Codespur 1
5: Codespur 2
51: Markierung '0' bzw. '1' auf Codespur 2
6: Polschuh des Elektromotors
7: Signalcodebit
8: Trägerplatte
81: Nulllage auf Trägerplatte
9: Hallsignal der Codespur 1
9A: Hallsignal der Codespur 1, um Versatz 32 bereinigt
9B: digitalisiertes Hallsignal der Codespur 1, um Versatz 32
: bereinigt
10: Hallsignal der Codespur 2
10A: Hallsignal der Codespur 2, um Versatz 32 bereinigt
10B: digitalisiertes Hallsignal der Codespur 2, um Versatz 32
: bereinigt
11: digitales Kombinationssignal
111: positive Signalspitze
112: negative Signalspitze bei gegenläufiger Polung der Code
: spuren
12: Drehrichtung
20: Steuerrad
21: Lenksäule
22: Lenkgetriebe
23: Zahnstange
24: Spurstange
25: Servomotor
26: Sensoranordnung
27: Kugelgewindetrieb
28: Steuergerät
29: Lenkvorrichtung
281: Signal Fahrerwunsch
282: Sensorausgangssignal
282: Steuerspannung Elektromotor
C: Codierlänge
I: Signalgrösse
Z: Drehachse
δ: Winkelversatz
β: Takt = Winkel einer '0'/'1'-Markierung
φ: Drehwinkel
Δφ: Anfangserkennungswinkel

Claims

Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels oder einer Länge mit einer Sensoranordnung (26) zur Erfassung der Position der Bewegung, wobei diese eine relativ oder entsprechend zur Bewegung mit bewegte Trägerplatte (8) mit mindestens einer Codespur (4) und mindestens einen fest stehenden, auf die Codespur (4) wirkenden, Sensor (1) enthält, wobei die Codespur (4) in jedem Punkt parallel zur Bewegungsrichtung auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist und Markierungen (41) aufweist zur Erzeugung eines nacheinander wechselnden Bit-Musters und ein Abschnitt der Bewegung in Bewegungsrichtung, beispielsweise die 360° eines Kreisumfanges, dividiert durch die Anzahl der Markierungen (41) auf dem Abschnitt einen Takt (β) definiert dadurch gekennzeichnet, dass das Bitmuster durch eine phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) in Bezug zur festen Einteilung des Takts (β) bestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Codespur (4) eine zweite, taktgebende Referenz-Codespur (5) und mindestens ein fest stehender, auf die Codespur (5) wirkender Sensor (2) vorgesehen ist wobei diese Codespur (5) mit derselben Anzahl Markierungen (51) wie sie auf der ersten Codespur (4) ausgebildet ist und diese über den Bereich der Bewegung, beispielsweise dem Kreisumfang, äquidistant angeordnet sind und jede Markierung den Takt (β) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden auf die Codespuren (4, 5) wirkenden Sensoren (1, 2) um einen festen Abstand (32) versetzt, der vorzugsweise maximal die Hälfte des Takts (β) beträgt, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das durch die phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) auf der Codespur (4) bestimmte Bitmuster sich während der Bewegung der Trägerplatte (8) innerhalb eines fest vorgegebenen Bewegungsabschnittes (C), der die Gesamtlänge oder auch nur eine Teillänge der Bewegung umfasst, jedesmal nach Durchlaufen eines weiteren Taktes (β) ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Bitmuster erzeugten Signalcodebits (7) mit einer fest vorgegebenen Wortlänge von beispielsweise 3, 4 oder mehr bit ein Datenwort ergeben, das sich eindeutig einer festen Anzahl von Takten (β) innerhalb des fest vorgegebenen Bewegungsbereichs (C) und somit einem definierten Weg (φ), d.h. einer Bahnlänge oder einem Winkel, zuordnen lässt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das durch die phasenverschobene Anordnung von Markierungen auf der Codespur (5) bestimmte Bitmuster (7) nach jeder Taktposition(β) verändert ist und dieses eindeutig und einmalig, singulär ist, womit die Position und eindeutig identifizierbar festgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Codespur (4, 5) und der Sensor (1, 2) magnetische, optische, kapazitive oder induktive Mittel zur Festlegung und Erkennung der Markierungen (41, 51) aufweisen, wobei die magnetischen Mittel bevorzugt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung elektronische Mittel (28, 281, 282, 283) aufweist zur Ansteuerung und Auswertung der Drehwinkelsensoranordnung (26), wie vorzugsweise eine Mikroprozessorsteuerung.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die singulären Muster der Signalcodebits (7) in einem elektronischen Speicher abgelegt sind als Referenz mit dem zugeordneten Weg, d.h. einer Bahnlänge oder einer Winkellage, der Trägerplatte (8)
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Mittel zur Drehwinkelposition abhängigen Ansteuerung und Regelung eines elektrisch kommmutierten Motors (25 ) einer Aktuatorik im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Ansteuerung einer Scheinwerferhöhenregelung, einer Verstellwelle für einen mechanischen variablen Ventiltrieb oder einer Servolenkung (29), vorgesehen sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Länge oder eines Winkels mittels einer Sensoranordnung (26) zur Erfassung der Position der Bewegung, wobei diese eine relativ oder entsprechend zur Bewegung mit bewegte Trägerplatte (8) mit mindestens einer Codespur (4) und mindestens einen fest stehenden, auf die Codespur (4) wirkenden, Sensor (1) enthält, wobei die Codespur (4) in jedem Punkt parallel zur Bewegungsrichtung auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist und Markierungen (41) aufweist zur Erzeugung eines nacheinander wechselnden Bit-Musters und ein fest vorgegebener Bahnabschnitt der Bewegung, beispielsweise 360° eines Kreisumfanges, dividiert durch die Anzahl der Markierungen (41) auf dem Kreisumfang einen Takt β definiert dadurch gekennzeichnet, dass das Bitmuster, das durch eine phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) in Bezug zur festen Einteilung des Takts (β) bestimmt ist, durch Erfassung der mit einem Sensor (1) ausgelesen wird, nach Bewegung der Trägerplatte um einen oder mehreren Takte (β) in einer beliebigen Richtung durch Vergleich mit dem festen Takt (β) für jeden Takt ein Signalcodebit (7) bestimmt wird, die Folge von Signalcodebits (7) in einen ersten Speicher mit einer fest vorgegebenen, aber frei wählbaren Wortlänge von zwei oder mehreren bit Wortlänge, eingespeichert wird, die eingespeicherten Signalcodebits (7) mit einer in einem zweiten Speicher hinterlegten Tabelle, in der eine Zuordnung zwischen Positionen, d.h. Bahnlängen oder Drehwinkeln, und korrespondierend mit der Wortlänge im ersten Speicher aus zwei oder mehreren bit bestehenden Wörtern abgelegt ist, verglichen werden und daraus die Position bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Länge oder eines Winkels mittels einer Sensoranordnung (26) zur Erfassung der Position der Bewegung, wobei diese eine relativ oder entsprechend zur Bewegung mit bewegte Trägerplatte (8) mit mindestens einer Codespur (4) und mindestens einen fest stehenden, auf die Codespur (4) wirkenden, Sensor (1) enthält, wobei die Codespur (4) in jedem Punkt parallel zur Bewegungsrichtung auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist und Markierungen (41) aufweist zur Erzeugung eines nacheinander wechselnden Bit-Musters und ein fest vorgegebener Bahnabschnitt der Bewegung, beispielsweise 360° eines Kreisumfanges, dividiert durch die Anzahl der Markierungen (41) auf dem Kreisumfang einen Takt β definiert dadurch gekennzeichnet, dass das Bitmuster, das durch eine phasenverschobene Anordnung von Markierungen (41) in Bezug zur festen Einteilung des Takts (β) bestimmt ist, durch Erfassung der mit einem Sensor (1) ausgelesen wird, nach Bewegung der Trägerplatte um einen oder mehreren Takte (β) in einer beliebigen Richtung durch Vergleich mit dem festen Takt (β) für jeden Takt ein Signalcodebit (7) bestimmt wird, die Folge von Signalcodebits (7) in einen Speicher mit einer fest vorgegebenen, aber frei wählbaren Wortlänge von zwei oder mehreren bit Wortlänge, eingespeichert wird, die eingespeicherten Signalcodebits (7) anhand einer fest vorgegebenen Regel mit der eine Zuordnung zwischen Position und Bahnlänge oder Drehwinkel, bestimmt ist, ausgewertet wird und daraus die Position bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (41) derart phasenverschoben ausgebildet sind, dass sowohl der Beginn als auch der Abschluss der das Bitmuster bildenden Verschiebung phasenverschoben gegenüber dem Takt (β) sind.