DE19601657B4 - Lenkwinkelgeber mit konstanter Abtastfrequenz zur Abtastung der Sensorsignale - Google Patents

Abstract

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

Description

• Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelgeber, 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 korrespondiert, wird als Lenkwinkel regelmäßig die Winkelstellung des Lenkrades gemessen. Die Bestimmung des Lenkwinkels aus der Winkelstellung des Lenkrades ist schon vielfach beschrieben worden und soll daher an dieser Stelle nicht nochmals erläut werden. Im Prinzip geht es darum, einen mit dem Lenkrad gekoppelten Modulator durch einen Sensor abzutasten, wobei die Wechselspannung am Ausgang des Sensors signifikante Punkte aufweist, die die inkrementale Verschiebung des Lenkwinkels erkennen lassen. Ist der Modulator beispielsweise eine mit kreisförmig angeordneten Durchgangslöchern versehene Scheibe, so stellen die Nulldurchgänge der Ausgangswechselspannung des Sensors einzelne inkrementale Winkelschritte dar, die in ihrer Summe den gesuchten Lenkradwinkel bestimmen.
• Da die bekannten Lenkwinkelgeber sich darauf beschränken, die Folge von signifikanten Amplitudenwerten oder Amplitudenänderungen 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 Modulators, die die Genauigkeit des Ausgangssignals des Lenkwinkelgebers ausmacht.
• Aus der DE 40 09 007 A1 , die den nächstkommenden Stand der Technik zeigt, ist ein Lenkwinkelgeber mit den Merkmalen des Oberbegriffs bekannt. Aus der EP 0 344 488 A2 ist es bekannt, ganz allgemein bei Wechselspannungssignalen von Signalgebern das Signal in vorgegebenen Zeitpunkten abzutasten und daraus die Amplitude zu bestimmen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Auflösung eines derartigen Lenkwinkelgebers zu verbessern. Der erfindungsgemäße Lenkwinkelgeber macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass für viele Lenkradwinkelsensor-Anwendungen vorausgesetzt werden kann, dass bei schnellen Lenkraddrehungen eine geringere Auflösung als bei einer langsamen Drehung erforderlich ist. Es ist dementsprechend auch Aufgabe der Erfindung, einen Lenkwinkelgeber anzugeben, welcher bei einer langsamen Drehung des Lenkrades eine höhere Auflösung des gemessenen Lenkwinkels 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 Ausgangswerte der Lenkwinkelsensoren mit gleichbleibender Frequenz abzutasten. Das Ergebnis ist eine unterschiedliche Auflösung, die bei langsamer Drehung des Lenkrades größer ist als bei einer schnellen Drehung, da die Ausgangssignale des Lenkwinkelsensors ja in ihrer Frequenz von der Drehgeschwindigkeit 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 Auswerteelektronik, 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, Maximum) oder Amplitudenänderungen (Nulldurchgang) liegen.
• Durch die Verwendung von Sinusspannungen am Ausgang der Sensoreinheit lässt sich die Tabelle stark vereinfachen, da die möglichen Werte auch kurzzeitig berechnet werden können.
• Um die Störanfälligkeit des Systems und den Umfang des Aufbaus herabzusetzen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung 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. Vorteilhafte Weiterbildungen hierzu gibt Anspruch 4 an.
• In dem Mikrocontroller der Auswerteeinrichtung kann entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 6 auch eine Art Gedächtnisfunktion eingeführt werden, die die längerfristig üblichen Spannungswerte am Ausgang der Sensoreinheit bzw. Digitalwerte am Eingang des Mikrocontrollers festhält. Auf diese Weise können Aussagen hinsichtlich der Abweichungen der Amplitude 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 ähnliches. Aufgrund der festgestellten Abweichungen ist es dann entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 6 möglich, die Ausgangsspannung 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 phasenverschobene Eingangssignale des Modulators empfangen. Hier kann man das sog. Differenzprinzip anwenden, welches dafür sorgt, dass lange Zeit gültige Umgebungsparameter in beiden Signalen auftreten und somit sich durch Subtraktion eliminieren, dass die Differenz der Ausgangssignale der beiden 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 Zwischenwerte des Lenkwinkels festzulegen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 8. Danach werden die von einer Sensoreinheit abgegebenen Amplitudenwerte, nachdem sie in entsprechende Digitalwerte 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 Anspruch 8 angegebene Maßnahme. Danach wird die Abtastfrequenz so groß gewählt, daß bei schnellster zu messender Lenkradbewegung auf eine Ausgangsschwingung des Sensors mindestens zwei Abtastwerte fallen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild der prinzipiellen Anordnung der Erfindung,
• 2 exemplarisch den Signalverlauf bei schneller Drehung des Lenkrades und
• 3 exemplarisch den Signalverlauf bei langsamer Drehung des Lenkrades.
• 1 zeigt die beiden Sensoreinheiten 1 und 2, welchen eine Inkrementalspur gegenüberliegt, welche auf einem Modulator aufgebracht ist und in 1 herausgebrochen dargestellt wurde. Die Inkremente können dabei beispielsweise Zähne an einer Eisenscheibe sein, welche ein konstantes Magnetfeld beeinflussen, so daß die Sensoreinheiten Eingangssignale erhalten, welche hinsichtlich ihrer Amplitudenwerte vom Drehwinkel des Lenkrades abhängen. Die Inkrementalspur 3 auf der vorzugsweise kreisförmigen Scheibe weist somit äquidistante 0/1-Schritte auf, die durch die genannten Zähne gebildet werden. Statt der Zähne können aber auch Durchgangslöcher oder andere Einrichtungen verwendet werden, die eine konstante Größe (beispielsweise einen konstanten Lichtstrom einer Lichtquelle) in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Modulators beeinflussen. Die Inkrementalspur 3 wird mit zwei phasenverschoben positionierten Sensoren 1, 2 abgetastet. Hier können wie gesagt verschiedene physikalische Sensorprinzipien eingesetzt werden, z. B. ein magnetabhängiger differentieller Widerstand. Als Ausgangssignal 5, 6 erhält man zwei periodische, sich stetig über die Position ändernde Spannungen, die beispielsweise als Sinusfunktionen ausgestaltet sein können. Damit ist eine eindeutige Zuordnung von Sensorspannung und Position zwischen zwei Inkrementalschritten möglich. Will man die Drehrichtung erkennen oder zur Beseitigung von Offsetspannungen das Differenzprinzip anwenden, so sind zwei Sensoren notwendig. Die beiden analogen Ausgangssignale 5, 6 werden jeweils einem A/D-Wandler 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 können auch direkt in dem Controller integriert sein.
• Abhängig von vielfältigen Parametern ändert sich während des Betriebes zwangsweise der Spannungsbereich der Sensoren (Minimalwert und Maximalwert). Diese Veränderungen werden vom Controller permanent beobachtet und die Ergebnisse entweder direkt in der nachfolgenden Software-Signalauswertung berücksichtigt oder es werden wie in 1 dargestellt, die Sensoreinheiten entsprechend nachgeregelt (siehe Rückkopplung 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 abgegeben werden. Die konstante Abtastfrequenz ist so zu wählen, daß bei maximaler Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwindigkeit des Lenkrades pro Periode jedes Analogsignal häufiger als zweimal abgetastet wird. Damit ist bei dieser schnellen Bewegung ein korrektes Zählen der Schritte gewährleistet. Die erreichbare Auflösung entspricht mindestens der Schrittweite der Inkrementalspur. Der Nutzen dieses Verfahrens 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 Abtastwerte zwischen zwei Inkrementalschritten, wodurch, abhängig 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 Betriebszustand die oben angesprochenen Sensorspannungsbereiche beobachtet und eventuell erforderliche Änderungen durchgeführt. Die 2 und 3 zeigen exemplarisch die Signalverläufe der Sensorspannung bei langsamer und schneller Bewegung des Lenkrades bzw. des die Inkrementalschritte 3 tra genden Modulators bzw. der Modulatorscheibe. In 2 und 3 ist die Spannung über den Weg X bzw. den Drehwinkel ∝ aufgetragen. Die orthogonal auf der Abszisse stehenden Linien stellen die digitalisierten Werte bei zeitaequidistanter Abtastung dar. Jeweils eine Periode der Sensorspannung entspricht dem Abstand zweier Schritte der Inkrementalspur. Deutlich wird dabei der Effekt, daß je langsamer die Position 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 Sensoreinheiten beschränkt, sondern kann mit Erfolg auch schon bei einer Sensoreinheit angewendet werden. Das erfinderische Prinzip ist auch nicht nur bei Drehbewegungen von Lenkrädern sondern insgesamt für die Positionsbestimmung sich drehender Einrichtungen anwendbar. Es gilt darüber hinaus auch noch für geradeaus gerichtete lineare 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 Änderungsgeschwindigkeit des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs abhängig sind, und mit einer Auswerteeinrichtung (9), welche mit Hilfe der Amplitudenwerte und/oder deren Änderung den Lenkwinkel eines Kraftfahrzeugs bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9) die Amplitude der Wechselspannung (5, 6) mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet, und die Abtastwerte ausgewertet werden, wobei sowohl durch die Feststellung signifikanter Amplitudengrößen als auch die Bewertung zwischen diesen Amplitudengrößen abgetasteter Amplitudenwerte der Lenkwinkel bestimmt wird.
2. Lenkwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung (5, 6) im wesentlichen eine Sinusspannung mit einer von der Änderungsgeschwindigkeit des Lenkwinkels abhängigen Frequenz ist.
3. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Wechselspannung abgetasteten Analogwerte (5, 6) in Digitalwerte (7, 8) umgeformt und durch einen in der Auswerteeinrichtung (9) angeordneten Controller ausgewertet werden.
4. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung mit Hilfe eines mit dem Lenkstock eines Kraftfahrzeugs gekoppelten 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 Ansprüche, 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 Auswerteeinrichtung (9) oder die Sensoreinheit (1, 2) korrigierend nachregeln.
7. Lenkwinkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander versetzte Bereiche des Modulators abtastende Sensoreinheiten (1, 2) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale (5, 6) der Auswerteeinrichtung (7 bis 9) zueinander parallel zugeführt werden.
8. Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 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 mindestens doppelt so groß ist wie die höchste zu messende Frequenz der Ausgangssignale des Sensors (1).