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Die
Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor zur Bestimmung der Drehstellung
eines Lenkrades eines Fahrzeuges, mit einem mit dem Lenkrad direkt
oder indirekt verbundenen, um eine Drehachse drehbar gelagerten
Rotor, mit einer an dem Rotor vorgesehenen optisch abtastbaren Codierung,
mit einer die Codierung abtastbaren optischen Sensorik, und mit
einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Drehstellung unter Verwendung
der Ausgangssignale der optischen Sensorik. Die Codierung kann dabei auf
einer Codescheibe, die am Rotor befestigt oder in den Rotor integriert
ist, angeordnet sein. Die Drehachse des Rotors beziehungsweise einer
Codescheibe ist dabei in der Regel identisch mit der Drehachse des
Lenkrades. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung
der Drehstellung eines Lenkrades eines Fahrzeugs.
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Derartige
Lenkwinkelsensoren sind beispielsweise aus der
DE 199 36 245 A1 bekannt
geworden. Die Auflösung
eines derartigen Lenkwinkelsensors beträgt cirka 1,5°. Eine präzisere Drehstellung
des Lenkrades beziehungsweise der Codescheibe lässt sich mit der optischen
Sensorik nicht, beziehungsweise nur mit sehr hohem Aufwand realisieren.
Moderne Fahrzeugsysteme erfordern eine höhere Auflösung der Drehstellung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den bekannten
Lenkwinkelsensor gemäß der
DE 199 36 245 A1 dahingehend
weiterzubilden, dass höhere
Auflösungen
und damit eine präzisere
Drehstellung des Lenkrades beziehungsweise des Rotors ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lenkwinkelsensor der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst,
dass der Rotor verschiedene Magnetabschnitte aufweist, dass wenigstens
ein Magnetfeldsensor vorgesehen ist, der das sich bei Drehung des
Rotors ändernde
Magnetfeld mit wenigstens zwei Detektionselementen an unterschiedlichen
Stellen derart erfasst, dass wenigstens zwei zueinander phasenversetzte Ausgangssignale
erzeugt werden, und dass die phasenversetzten Ausgangssignale von
der Auswerteeinheit zur Bestimmung einer präziseren Drehstellung verwendet
werden. Die Magnetabschnitte können
dabei entweder direkt oder indirekt, beispielsweise an einer
Codescheibe am Rotor, angeordnet sein.
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Durch
Vorsehen der rotorseitigen beziehungsweise von codescheibenseitigen
Magnetabschnitten und des Magnetfeldsensors, der das sich bei Drehung
des Rotors ändernde
Magnetfeld der Magnetabschnitte erfasst, wird neben der bekannten optischen
Sensorik eine magnetische Sensorik bereitgestellt. Die phasenversetzten
Ausgangssignale der magnetischen Sensorik dienen zur Bestimmung einer
Feinauflösung
der Drehstellung. Wie bereits eingangs erwähnt, liefert die optische Sensorik
eine Auflösung
im Bereich von cirka 1,5°.
Zwischen den 1,5°-Schritten
kann durch die magnetische Sensorik eine Feinauflösung von
0,1° ohne
Weiteres erreicht werden. Die Auswerteeinheit verwertet dabei die Ausgangssignale
der optischen Sensorik und der magnetischen Sensorik.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die verschiedenen Magnetabschnitte
von einem an dem Rotor beziehungsweise der Codescheibe angeordneten
oder einem in dem Rotor beziehungsweise in der Codescheibe integrierten
Ringmagneten mit aneinander angrenzenden Magnetsegmenten unterschiedlicher
Magnetisierung gebildet wird. Ein derartiger Ringmagnet kann als
separates Bauteil vorgefertigt werden und kann dann bei der Montage
des Rotors beziehungsweise der Codescheibe an dieser angeordnet
beziehungsweise in diese integriert werden. Hierdurch ergibt sich
eine vergleichsweise Bauraum sparende Anordnung. Durch Vorsehen
eines Ringmagneten wird außerdem gewährleistet,
dass sich die Magnetabschnitte lückenlos
aneinander anschließen.
Dadurch wird in jeder Stellung des Rotors beziehungsweise der Codescheibe
ein entsprechendes Magnetsignal an den jeweiligen Magnetfeldsensor
gegeben. Der Ringmagnet hat dabei wenigstens einen Magnetabschnitt
mit einem Pluspol und einen mit einem Minuspol. Vorteilhaft können allerdings
mehrere Plus- und Minuspolmagnetabschnitte zur Verwendung kommen,
wobei jeder zweite Magnetabschnitt eine gleiche Magnetisierung aufweist.
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Eine
vorteilhafte Anordnung ergibt sich dann, wenn die beiden Detektionselemente
voneinander weiter beabstandet sind als zwei eine gleiche Magnetisierung
aufweisende Magnetabschnitte. Dadurch, dass die beiden Detektionselemente
weiter voneinander beabstandet sind, als die beiden eine gleiche Magnetisierung
aufweisenden Magnetabschnitte, ergeben sich Ausgangssignale der
beiden Magnetfeldsensoren, die sich eindeutig zuordnen lassen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die einzelnen Magnetabschnitte unter einem Winkel
von 6° phasenversetzt
zueinander angeordnet sind und dass die beiden Magnetfeldsensoren
einen Phasenversatz von cirka 9° aufweisen.
Insgesamt sind folglich sechzig Magnetabschnitte vorgesehen, wobei
dreißig
eine positive und dreißig
eine negative Magnetisierung aufweisen.
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Eine
präzise
Bestimmung der Drehstellung lässt
dann erreichen, wenn die Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren
sinusbeziehungsweise kosinusförmige
Signale sind. Derartige Signale können mit bekannten Iterationsverfahren,
beispielsweise mit dem Cordic-Algorithmus: Arctan (x/y) ausgewertet werden.
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Die
Detektionselemente können
insbesondere analoge Hall-Sensoren
sein. Die Hall-Sensoren detektieren hierbei ein Sinus- und Kosinus-Signal, die
zusammen mit den Ausgangssignalen der optischen Sensorik in der
Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die analogen Werte der Hall-Sensoren
werden dabei in einem A/D-Wandler der Auswerteeinheit umgewandelt.
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Erfindungsgemäß können die
Detektionselemente auch als magnetoresistive Elemente ausgebildet
sein. Die magnetoresistiven Elemente ändern ihren Widerstand bei
einem sich ändernden
Magnetfeld. Durch entsprechende Widerstandsbrücken können die analogen Signale ausgewertet
werden, beziehungsweise einem A/D-Wandler zugeführt werden.
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Der
verwendete Magnetfeldsensor kann so aufgebaut sein, dass die beiden
Detektionselemente in einem Gehäuse
unter einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind. Aufgrund
des definierten Abstandes und aufgrund der gewählten Polteilung des Ringmagneten
kann der jeweils gewünschte Phasenversatz
der Ausgangssignale erreicht werden.
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Eine
besonders platzsparende und dennoch zuverlässig arbeitende Anordnung ergibt
sich dann, wenn die Detektionselemente oberhalb beziehungsweise
unterhalb, in einer parallel zum Rotor beziehungsweise zur Codescheibe
verlaufenden Ebene angeordnet sind. Insbesondere verläuft die
Ebene, in denen die Detektionselemente liegen, senkrecht zur Drehachse
des Rotors.
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Die
optische Codierung des Rotors beziehungsweise der Codescheibe ist
vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass sie sich über eine
volle Umdrehung nicht wiederholt. Hierdurch wird erreicht, dass
jede beliebige Drehstellung eindeutig erkannt werden kann. Außerdem wird
vorteilhafterweise erreicht, dass der Initialisierungswinkel des
Lenkwinkelsensors 0° beträgt. Beim
Starten des Systems beziehungsweise beim Initialisieren der Drehstellung kann
ohne Verdrehung des Rotors beziehungsweise der Codescheibe die jeweilige
Drehstellung mit erhöhter
Auflösung
bestimmt werden. Die optische Sensorik stellt ein Signal mit einer
Auflösung
von cirka 1,5° zur
Verfügung.
Durch die jeweiligen Ausgangssignale des Magnetfeldsensors kann
die Auswerteeinheit die Feinauflösung
innerhalb der jeweiligen 1,5°-Auflösung vornehmen.
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Vorteilhafterweise
umfasst die optische Sensorik wenigstens ein Sendeelement und wenigstens ein
Empfängerelement,
wobei zwischen dem Sendeelement und dem Empfängerelement ein Lichtleiter vorgesehen
sein kann. Derartige Lichtleiter sind beispielsweise aus der
EP 1 245 475 A2 oder
der
EP 1 108 976 A1 bekannt
geworden.
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Der
Lenkwinkelsensor kann außerdem
eine Zähleinheit
zur Zählung
der vollen Umdrehungen des Rotors beziehungsweise der Codescheibe
vorsehen. Durch eine derartige Zähleinrichtung
kann nicht nur die Drehstellung des Lenkrades innerhalb einer Umdrehung
sehr präzise
bestimmt werden, sondern auch die absolute Drehstellung über mehrere
Umdrehungen hinweg.
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Dabei
hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Zähleinheit ein durch ein kontinuierlich
von dem Rotor beziehungsweise der Codescheibe über ein Getriebe angetriebenes
Zählrad
umfasst. Das Zählrad
kann hierbei seinerseits magnetische Abschnitte aufweisen, wobei
wenigstens ein weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen ist, der bei
Drehung des Zählrads
das sich ändernde
Magnetfeld erfasst. Die Ausgangssignale dieses Magnetfeldsensors
werden der Auswerteeinheit zugeleitet, die hieraus die vollen Umdrehungen
des Lenkrades beziehungsweise des Rotors bestimmt.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur
Bestimmung der Drehstellung eines Lenkrads, insbesondere unter Verwendung
eines erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors,
wobei ein direkt oder indirekt mit dem Lenkrad drehgekoppelter Rotor
vorgesehen ist. Das Verfahren zeichnet sich aus durch folgende Schritte:
- – Erfassen
der Drehstellung mittels einer optischen Sensorik und einer Auswerteeinheit;
und
- – Verwendung
der Ausgangssignale wenigstens eines Magnetfeldsensors zur Bestimmung
einer präziseren
Drehstellung, wobei Detektionselemente des Magnetfeldsensors das
sich mit der Drehbewegung des Lenkrades ändernde Magnetfeld von an dem
Rotor vorgesehenen Magnetabschnitten erfassen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung
zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben
und erläutert
ist.
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Es
zeigen:
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1 ein offenes Sensorgehäuse eines
erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors;
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2 eine vergrößerte Ansicht
des Lenkwinkelsensors gemäß 1, den Rotor beziehungsweise
die Codescheibe zeigend;
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3 die Codierung der Codescheibe
mit zugehöriger
Codeauswertung;
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4 die Magnetabschnitte eines
erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors
in Form eines Ringmagneten;
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5 die Ausgangssignale der
Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors; und
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6 Längsschnitte durch verschiedene Rotoren.
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßer Lenkwinkelsensor 10 in
einer Gehäuseschale 12 gezeigt. Die
Gehäuseschale 12 ist
Teil eines Gesamtgehäuses,
dessen obere Gehäusehälfte nicht
dargestellt ist. Der Lenkwinkelsensor 10 umfasst einen
Rotor 14 mit einer Codescheibe 15, welche einen
zentralen Durchbruch 16 für eine nicht dargestellte Lenksäule eines
Fahrzeugs aufweisen. Die Rotor 14 ist über nicht dargestellte Befestigungsmittel
mit einem Lenkrad direkt oder indirekt drehfest verbindbar.
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In
der 2 ist die Drehachse 18 des
Rotors 14 beziehungsweise des nicht dargestellten Lenkrads
dargestellt. Die Codescheibe 15, die in der 2 gestrichelt dargestellt
ist, weist eine Codierung mit insgesamt vier um die Drehachse 18 angeordneten
Codespuren 20 auf. Die Codierung ist dabei durch ringsegmentförmige Durchbrüche gebildet.
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Zur
Abtastung der optischen Codierung der Codespuren 20 ist
eine Opto-Sensorik 21 mit insgesamt drei Opto-Sensoren 22 vorgesehen.
Die Opto-Sensoren 22 umfassen jeweils eine Sensorplatine 24 mit
Sende- und Empfangselementen und einen auf der jeweiligen Sensorplatine 24 angeordneten Lichtleiter 26.
Der jeweilige Lichtleiter 26 ist mit der jeweiligen Sensorplatine 24 verrastet
verbunden.
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In
der 3 ist dargestellt,
wie sich aus der optischen Codierung der Codescheibe 15 ein
entsprechendes Codewort aus den einzelnen Codespuren 20 ableiten
lässt.
Die einzelnen Opto-Sensoren 22 liefern für jede der
vier Codespuren ein Bit; aus den insgesamt drei Opto-Sensoren 22,
die jeweils alle vier Codespuren abfragen, ergibt sich folglich
ein Codewort mit zwölf
Bits. Jeder Drehstellung der Codescheibe 15 beziehungsweise
des Rotors 14 ist folglich ein Codewort zugeordnet, das
die in der 3 angedeutete
Auswerteeinheit 28 berechnet und die zugehörige Drehstellung
W bestimmt. Mit den Opto-Sensoren 22 und der Auswerteeinheit 28 lässt sich
eine Winkelauflösung
von cirka 1,5° erzielen.
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Für eine Feinauflösung innerhalb
der 1,5°-Auflösung ist
an dem Rotor 14 beziehungsweise an der Codescheibe 15 eine
Vielzahl von Magnetabschnitten 28, 30 vorgesehen.
Die einzelnen Magnetabschnitte werden von einem Ringmagneten 32 gebildet,
der in der 4 als Einzelbauteil
dargestellt ist. Der Ringmagnet 32 ist in der 2 unterhalb der Codescheibe 15 angeordnet.
Aufgrund der gestrichelt angedeuteten Codescheibe 15 ist
der Ringmagnet 32 in 2 teilweise
zu sehen. Der Ringmagnet 32 weist Magnetabschnitte 28, 30 in
Form von aneinander angrenzenden Magnetsegmenten unterschiedlicher
Magnetisierung auf. Jedes zweite Ringsegment weist eine gleiche
Magnetisierung auf. Der Ringmagnet 32 ist vorteilhafterweise
so ausgelegt, dass sich alle 6° die
Magnetisierung wiederholt.
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Zur
Erfassung des sich bei Drehung der Codescheibe 15 beziehungsweise
des Ringmagneten 32 ändernden
Magnetfeldes ist ein Magnetfeldsensor 33 vorgesehen, der
zwei Detektionselemente 34, 36 umfasst. Die Detektionselemente 34, 36 sind
vorteilhafterweise cirka 9° versetzt
zueinander angeordnet. Die beiden Detektionselemente 34, 36 können dabei
auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder innerhalb eines gemeinsamen
Gehäuses
angeordnet sein.
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Die
Ausgangssignale der beiden Detektionselemente 34, 36 sind
in 5 über die
Drehstellung w dargestellt. Aufgrund der versetzten Anordnung der
beiden Detektionselemente 34, 36 ergeben sich zwei
phasenversetzte sinus- beziehungsweise kosinusförmige Signalverläufe 38, 40.
Aus den beiden Signalverläufen 38, 40 kann
innerhalb der Auflösung des
optischen Systems eine Feinauflösung
erfolgen, die ohne Weiteres eine Genauigkeit von bis zu 0,1° aufweisen
kann. Die Ausgangssignale der beiden Detektionselemente 34, 36 werden
der Auswerteeinheit 28 zugeleitet, die aus den Signalverläufen 38, 40 auf
eine präzise
Drehstellung der Codescheibe beziehungsweise des Lenkrades rückschließt. Die
Ermittlung der feinauflösenden
Winkelschritte kann beispielsweise durch Arctan (y/x) Iterationsverfahren
erfolgen, beispielsweise durch den Cordic-Algorithmus. Die Feinauflösung wird
folglich über
die sich alle 12° wiederholenden
Sinus- und Kosinus-Signale
durchgeführt.
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Zur
Bestimmung der Anzahl der vollen Umdrehungen des Rotors 14 beziehungsweise
des Lenkrads kann eine nicht dargestellte Zähleinheit Verwendung finden.
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In
der 6 sind verschiedene
Möglichkeiten
gezeigt, wie die Detektionselemente 34, 36 beziehungsweise
wie der Ringmagnet 32 am Rotor angeordnet sein kann.
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In
der oberen Darstellung der 6 ist
der Ringmagnet 32 am Rotor 14 radial außen angeordnet.
Die beiden Detektionselemente 34, 36 liegen axial
unterhalb des Ringmagneten 32.
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In
der mittleren Darstellung der 6 ist
der Magnetring 32 im radial mittleren Bereich des Rotors 14 angeordnet.
Der Ringmagnet 32 liegt dabei in einer Ringnut derart zurückversetzt,
dass die Detektionselemente 34, 36 ebenfalls in
die Ringnut 46 ragen. Dies hat den Vorteil, dass vergleichsweise
wenig Bauraum beansprucht wird. Der Abstand zwischen der Leiterplatte
beziehungsweise des Gehäuses,
auf dem die Detektionselemente 34, 36 angeordnet
sind, zur Codescheibe kann hierdurch sehr gering gehalten werden.
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In
der unteren Darstellung der 6 ist
der Ringmagnet 32 entsprechend der oberen Darstellung der 6 am Rotor 14 angeordnet.
Die Detektionselemente 34, 36 sind bei dieser
Ausführungsform
radial weiter außen
angeordnet und tasten die radial außen liegende Seite des Ringmagneten 32 ab.
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Sämtliche
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.