DE19601657A1 - Lenkwinkelgeber mit konstanter Abtastfrequenz zur Abtastung der Sensorsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor, wie er zur Regelung der Fahrstabilität in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Dabei haben die Lenkwinkelgeber die Aufgabe, bei einer Regelung den augenblicklichen Lenkwinkel der Räder eines Kraftfahrzeugs zu übermitteln. Da die Lenkwinkelstellung der Kraftfahrzeugräder mit der Winkelstellung des Lenkrades kor­ respondiert, wird als Lenkwinkel regelmäßig die Winkelstel­ lung des Lenkrades gemessen. Die Bestimmung des Lenkwinkels aus der Winkelstellung des Lenkrades ist schon vielfach be­ schrieben worden und soll daher an dieser Stelle nicht noch­ mals erläutert werden. Im Prinzip geht es darum, einen mit dem Lenkrad gekoppelten Modulator durch einen Sensor abzuta­ sten, wobei die Wechselspannung am Ausgang des Sensors si­ gnifikante Punkte aufweist, die die inkrementale Verschie­ bung des Lenkwinkels erkennen lassen. Ist der Modulator bei­ spielsweise eine mit kreisförmig angeordneten Durchgangs­ löchern versehene Scheibe, so stellen die Nulldurchgänge der Ausgangswechselspannung des Sensors einzelne inkrementale Winkelschritte dar, die in ihrer Summe den gesuchten Lenk­ radwinkel bestimmen.

Da die bekannten Lenkwinkelgeber sich darauf beschränken, die Folge von signifikanten Amplitudenwerten oder Amplitu­ denänderungen auszuwerten (maximal, minimal, Nulldurchgänge) ist die Genauigkeit der Winkelbestimmung durch die Präzision des Modulators beschränkt. Anders ausgedrückt ist es die Anzahl der auswertbaren Zähne oder Durchgangslöcher des Mo­ dulators beispielsweise entsprechend der Patentanmeldung P 8607 der Anmelderin, die die Genauigkeit des Ausgangssi­ gnals des Lenkwinkelgebers ausmacht.

Die Erfindung geht daher aus von einem Lenkwinkelgeber der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, die Auflösung eines derartigen Lenkwinkelgebers zu verbessern. Der erfindungsgemäße Lenk­ winkelgeber macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß für viele Lenkradwinkelsensor-Anwendungen vorausgesetzt werden kann, daß bei schnellen Lenkraddrehungen eine geringere Auf­ lösung als bei einer langsamen Drehung erforderlich ist. Es ist dementsprechend auch Aufgabe der Erfindung, einen Lenk­ winkelgeber anzugeben, welcher bei einer langsamen Drehung des Lenkrades eine höhere Auflösung des gemessenen Lenkwin­ kels gestattet als bei schneller Drehung des Lenkrades.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gegebene Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, den Lenkwinkel nicht mehr nur durch markante Zustände der Sensoramplituden oder deren Änderungen zu bestimmen, sondern die Ausgangs­ werte der Lenkwinkelsensoren mit gleichbleibender Frequenz abzutasten. Das Ergebnis ist eine unterschiedliche Auflö­ sung, die bei langsamer Drehung des Lenkrades größer ist als bei einer schnellen Drehung, da die Ausgangssignale des Lenkwinkelsensors ja in ihrer Frequenz von der Drehgeschwin­ digkeit des Lenkrads abhängen. Somit steigt die Anzahl der Abtastfolgen mit der Verzögerung der Lenkradbewegung. Der Vorteil dieses erfinderischen Prinzips liegt also darin, daß nur dann eine hohe Auflösung erreicht wird, die höher ist als die Schrittweite der Inkremente auf dem Modulator, wenn eine derart vergrößerte Auflösung auch erforderlich ist. Dadurch genügt eine geringere Performance der Auswerteelek­ tronik, insbesondere der Prozessorleistung. Zusätzlich sind für hohe Auflösungen relativ grobe mechanische Strukturen ausreichend. Das erfinderische Prinzip läßt sich sowohl für rotatorische als auch für lineare Bewegungen einsetzen, also nicht nur bei einem sich drehenden, sondern auch bei einem sich linear verschiebenden Modulator.

Die Auswertung wird beim Lenkwinkelgeber besonders einfach, wenn die Merkmale nach Anspruch 2 angewendet werden. Danach kann in der Auswerteeinrichtung eine Tabelle vorhanden sein, durch welche sich auch Spannungswerte eingrenzen lassen, die zwischen den signifikanten Amplitudenwerten (Minimum, Maxi­ mum) oder Amplitudenänderungen (Nulldurchgang) liegen.

Durch die Verwendung von Sinusspannungen am Ausgang der Sen­ soreinheit läßt sich die Tabelle stark vereinfachen, da die möglichen Werte auch kurzzeitig berechnet werden können.

Um die Störanfälligkeit des Systems und den Umfang des Auf­ baus herabzusetzen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Er­ findung die Merkmalskombination nach Anspruch 3. Dadurch können die abgetasteten und aus Analogwerten umgeformten Digitalwerte in einem Mikrocontroller ausgewertet werden, welcher Teil der Auswerteeinrichtung ist.

Wie weiter oben schon erläutert, kann die Wechselspannung am Ausgang der Sensoreinheit durch einen mit dem Lenkstock des Lenkrades gekoppelten Modulator gebildet werden. Vorteilhaf­ te Weiterbildungen hierzu gibt Anspruch 4 an, wobei ein der­ artiger Modulator auch in der Patentanmeldung P 8607 der Anmelderin beschrieben ist.

In dem Mikrocontroller der Auswerteeinrichtung kann entspre­ chend den Merkmalen nach Anspruch 6 auch eine Art Gedächt­ nisfunktion eingeführt werden, die die längerfristig übli­ chen Spannungswerte am Ausgang der Sensoreinheit bzw. Digi­ talwerte am Eingang des Mikrocontrollers festhält. Auf diese Weise können Aussagen hinsichtlich der Abweichungen der Am­ plitude von den üblichen Werten gemacht werden, indem etwa das Maximum der Amplitude sehr viel kleiner als üblich ist. Dies kann aus Störungen und Umweltparametern resultieren wie Temperaturschwankungen, Verschmutzung, Feuchtigkeit und ähn­ liches. Aufgrund der festgestellten Abweichungen ist es dann entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 6 möglich, die Aus­ gangsspannung des Sensors entsprechend nachzuregeln, so daß die Wirkung der verfälschenden Umweltparameter eliminiert wird.

Eine weitere ergänzende Methode kann in der Verwendung der Merkmale nach Anspruch 7 bestehen, in dem zwei getrennte Sensoreinheiten vorgesehen sind, welche um 90 Grad phasen­ verschobene Eingangssignale des Modulators empfangen. Hier kann man das sog. Differenzprinzip anwenden, welches dafür sorgt, daß lange Zeit gültige der Umgebungsparameter in bei­ den Signalen auftreten und somit sich durch Subtraktion eli­ minieren, so daß die Differenz der Ausgangssignale der bei­ den Sensoreinheiten im wesentlichen nur noch die durch den Modulator bedingten Änderungen des Eingangssignals an den Sensoreinheiten beschreibt.

Um nun von den signifikanten Amplitudenwerten abweichende Amplituden zu bestimmen und damit die entsprechenden Zwi­ schenwerte des Lenkwinkels festzulegen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 8. Danach werden die von einer Sensoreinheit abge­ gebenen Amplitudenwerte, nachdem sie in entsprechende. Digi­ talwerte umgewandelt wurden, mit Vergleichswerten in der Auswerteeinrichtung verglichen und so festgelegt, wie groß der augenblickliche Zwischenwert der Winkelstellung ist.

Hinsichtlich der Abtastfrequenz empfiehlt sich die in An­ spruch 8 angegebene Maßnahme. Danach wird die Abtastfrequenz so groß gewählt, daß bei schnellster zu messender Lenkradbe­ wegung auf eine Ausgangsschwingung des Sensors mindestens zwei Abtastwerte fallen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der prinzipiellen Anordnung der Erfindung,

Fig. 2 exemplarisch den Signalverlauf bei schneller Drehung des Lenkrades und

Fig. 3 exemplarisch den Signalverlauf bei langsamer Drehung des Lenkrades.

Fig. 1 zeigt die beiden Sensoreinheiten 1 und 2, welchen eine Inkrementalspur gegenüberliegt, welche auf einem Modu­ lator aufgebracht ist und in Fig. 1 herausgebrochen darge­ stellt wurde. Die Inkremente können dabei beispielsweise Zähne an einer Eisenscheibe sein, welche ein konstantes Ma­ gnetfeld beeinflussen, so daß die Sensoreinheiten Eingangs­ signale erhalten, welche hinsichtlich ihrer Amplitudenwerte vom Drehwinkel des Lenkrades abhängen. Die Inkrementalspur 3 auf der vorzugsweise kreisförmigen Scheibe weist somit äqui­ distante 0/1-Schritte auf, die durch die genannten Zähne gebildet werden. Statt der Zähne können aber auch Durch­ gangslöcher oder andere Einrichtungen verwendet werden, die eine konstante Größe (beispielsweise einen konstanten Licht­ strom einer Lichtquelle) in Abhängigkeit von der Winkelstel­ lung des Modulators beeinflussen. Die Inkrementalspur 3 wird mit zwei phasenverschoben positionierten Sensoren 1, 2 abge­ tastet. Hier können wie gesagt verschiedene physikalische Sensorprinzipien eingesetzt werden, z. B. ein magnetabhängi­ ger differentieller Widerstand. Als Ausgangssignal 5, 6 er­ hält man zwei periodische, sich stetig über die Position ändernde Spannungen, die beispielsweise als Sinusfunktionen ausgestaltet sein können. Damit ist eine eindeutige Zuord­ nung von Sensorspannung und Position zwischen zwei Inkremen­ talschritten möglich. Will man die Drehrichtung erkennen oder zur Beseitigung von Offsetspannungen das Differenzprin­ zip anwenden, so sind zwei Sensoren notwendig. Die beiden analogen Ausgangssignale 5, 6 werden jeweils einem A/D-Wand­ ler 7, 8 zugeführt, in denen die Analogwerte der Amplituden in digitale binäre Codeworte umgeformt werden und zu einem Mikrocontroller 9 übertragen werden. Die beiden Wandler kön­ nen auch direkt in dem Controller integriert sein.

Abhängig von vielfältigen Parametern ändert sich während des Betriebes zwangsweise der Spannungsbereich der Sensoren (Mi­ nimalwert und Maximalwert). Diese Veränderungen werden vom Controller permanent beobachtet und die Ergebnisse entweder direkt in der nachfolgenden Software-Signalauswertung be­ rücksichtigt oder es werden wie in Fig. 1 dargestellt, die Sensoreinheiten entsprechend nachgeregelt (siehe Rückkopp­ lung 10, 11).

Für die Erfindung wichtig ist nun, daß gesteuert durch den Mikrocontroller 9 die beiden analogen Sensorsignale 5, 6 mit einer konstanten Abtastfrequenz abgetastet und entsprechende binäre Codeworte an den Eingang des Mikrocontrollers abge­ geben werden. Die konstante Abtastfrequenz ist so zu wählen, daß bei maximaler Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Dreh­ geschwindigkeit des Lenkrades pro Periode jedes Analogsignal häufiger als zweimal abgetastet wird. Damit ist bei dieser schnellen Bewegung ein korrektes Zählen der Schritte gewähr­ leistet. Die erreichbare Auflösung entspricht mindestens der Schrittweite der Inkrementalspur. Der Nutzen dieses Verfah­ rens ist nun durch die deutlich höhere erreichbare Auflösung bei langsamer Bewegung (Drehung des Lenkrades) zu erkennen. Infolge der konstanten Abtastfrequenz ergeben nämlich-bei langsamer Bewegung des Lenkrades sich entsprechend mehr Ab­ tastwerte zwischen zwei Inkrementalschritten, wodurch, ab­ hängig von den Quantisierungsstufen der A/D-Wandler 7, 8 über die Analogspannungs-Positionsbeziehung entsprechend viele Zwischenpositionen ermittelt werden können. Da bei langsamen Bewegungen, welche bei Anwendung im Lenkwinkelsensor die Regel sind, in jeder Periode entsprechend viele Abtastwerte zur Verfügung stehen, werden hauptsächlich in diesem Be­ triebszustand die oben angesprochenen Sensorspannungsberei­ che beobachtet und eventuell erforderliche Änderungen durch­ geführt. Die Fig. 2 und 3 zeigen exemplarisch die Signal­ verläufe der Sensorspannung bei langsamer und schneller Be­ wegung des Lenkrades bzw. des die Inkrementalschritte 3 tra­ genden Modulators bzw. der Modulatorscheibe. In Fig. 2 und 3 ist die Spannung über den Weg X bzw. den Drehwinkel α aufge­ tragen. Die orthogonal auf der Abszisse stehenden Linien stellen die digitalisierten Werte bei zeitäquidistanter Abtastung dar. Jeweils eine Periode der Sensorspannung ent­ spricht dem Abstand zweier Schritte der Inkrementalspur. Deutlich wird dabei der Effekt, daß je langsamer die Posi­ tion verändert wird, desto mehr Abtastwerte zwischen zwei Inkrementalschritten zur Verfügung stehen. Dadurch ist bei langsamer Bewegung ein Bestimmen vieler Zwischenpositionen möglich.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung zweier Sensorein­ heiten beschränkt, sondern kann mit Erfolg auch schon bei einer Sensoreinheit angewendet werden, wie diese beispiels­ weise in der Patentanmeldung P 8607 der Anmelderin beschrie­ ben ist. Das erfinderische Prinzip ist auch nicht nur bei Drehbewegungen von Lenkrädern sondern insgesamt für die Po­ sitionsbestimmung sich drehender Einrichtungen anwendbar. Es gilt darüber hinaus auch noch für geradeaus gerichtete li­ neare Bewegungen beispielsweise von hin- und hergerichteten Bewegungen entlang einer geraden Bewegungsrichtung.

Claims (9)

1. Lenkwinkelgeber mit einer Sensoreinheit, welche ein Wechselspannungssignal abgibt, dessen Amplituden von dem Lenkwinkel und dessen Frequenz von der Änderungs­ geschwindigkeit des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs abhängig sind, und mit einer Auswerteeinrichtung (9), welche mit Hilfe der Amplitudenwerte und/oder deren Än­ derung den Lenkwinkel eines Kraftfahrzeugs bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9) die Amplitude der Wechselspannung (5, 6) mit einer vor­ gegebenen Abtastfrequenz abgetastet, und die Abtastwerte ausgewertet werden, wobei sowohl durch die Feststellung signifikanter Amplitudengrößen als auch die Bewertung zwischen diesen Amplitudengrößen abgetasteter Amplitu­ denwerte der Lenkwinkel bestimmt wird.

2. Lenkwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung (5, 6) im wesentlichen eine Si­ nusspannung mit einer von der Änderungsgeschwindigkeit des Lenkwinkels abhängigen Frequenz ist.

3. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Wechsel­ spannung abgetasteten Analogwerte (5, 6) in Digitalwerte (7, 8) umgeformt und durch einen in der Auswerteeinrich­ tung (9) angeordneten Controller ausgewertet werden.

4. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung mit Hilfe eines mit dem Lenkstock eines Kraftfahrzeugs ge­ koppelten Modulators (3) gebildet wird.

5. Lenkwinkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine mit Zähnen (3) oder mit einer oder mehreren Blenden versehene Scheibe ist, die eine auf sie einwirkende Größe moduliert.

6. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7 bis 9) mit einer Regeleinrichtung (10, 11) versehen ist, die in Abhängigkeit von der Abweichung ausgewählter Wechselspannungswerte von vorgegebenen Werten die Aus­ werteeinrichtung (9) oder die Sensoreinheit (1, 2) kor­ rigierend nachregeln.

7. Lenkwinkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei zueinander versetzte Be­ reiche des Modulators abtastende Sensoreinheiten (1, 2) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale (5, 6) der Aus­ werteeinrichtung (7 bis 9) zueinander parallel zugeführt werden.

8. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7 bis 9) die Amplitudenwerte (5, 6) der Wechselspannung mit vorgegebenen Vergleichswerten vergleicht und daraus die erreichte Winkelposition bestimmt.

9. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz minde­ stens doppelt so groß ist wie die höchste zu messende Frequenz der Ausgangssignale des Sensors (1).