DE19601674B4

DE19601674B4 - Nach dem Differenzmeßprinzip arbeitender Lenkwinkelgeber für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19601674B4
Application number: DE1996101674
Authority: DE
Inventors: Jürgen BENZ; Anton Grabmaier; Michael Schlegel
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: WO1997026171A1; DE19601674A1

Abstract

Lenkwinkelgeber zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkwinkelsensor, welcher ein Wechselspannungssignal abgibt, das sich stetig über die zu messende Winkelstellung ändert und mit einer Auswerteeinrichtung, die mittels der sich ändernden Amplitudenwerte des Wechselspannungssignals den Wert des sich ändernden Lenkwinkels bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkelsensor zwei zueinander parallel geschaltene Sensoren (7, 8) umfasst, welche zwei voneinander getrennte, gegeneinander phasenverschobene Spannungssignale der Auswerteeinrichtung zuführen und dass die Auswerteeinrichtung die Winkelstellung aus dem sich ändernden Amplitudenwert eines mit Hilfe der Differenzbildung der beiden Spannungssignale gewonnen Wechselspannungssignals bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelgeber, bei dem ein vom Lenkwinkel eines Kraftfahrzeugs abhängiges Spannungssignal eines Lenkwinkelsensors in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet und dann für weitere Steuerungs- und Regelungszwecke zur Verfügung gestellt wird. Das Spannungssignal soll sich dabei stetig über die zu messende Winkelstellung ändern. In der Praxis wird dabei derart vorgegangen, daß ein konstanter Lichtstrom auf eine mit dem Lenkrad des Fahrzeugs gekoppelte Scheibe gerichtet wird, welche mit auf einem Kreis angeordneten Durchgangslöchern versehen ist. Auf diese Weise wird das durch die Scheibe tretende Licht in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Lenkrades und damit der Scheibe moduliert. Ein mit einem lichtempfindlichen Detektor versehender Sensor wertet das durch die Scheibe tretende Licht aus und erhält somit eine Wechselspannung, deren Amplitudenwerte von der Winkelstellung der Scheibe abhängen.
Nachteilig bei diesem relativ einfachen Verfahren ist es, daß die Empfindlichkeit des Systems durch eine sog. Offset-Spannung beeinflußt wird, welche von den jeweils herrschenden Umgebungsparametern abhängt. Wird beispielsweise der Lichtstrom moduliert, so wird das Ausgangssignal des Sensors durch eine gewisse Grundhelligkeit beaufschlagt, die von der zu messenden Wechselspannung überlagert ist. Wendet man bei dem Meßverfahren die Änderung des Magnetfeldes infolge von mit der Scheibe verbundenen Zähnen oder Durchgangslöchern an, so macht sich eine auf den Sensor einwirkende ständige Feldstärke bemerkbar, welche dem wechselnden Magnetfeld überlagert ist. Diese Größen können sich zum Teil durch äußere Einflüsse wie Verschmutzung, Temperaturverschiebung, Feuchtigkeit oder ähnliches ändern. Außerdem kann durch Alterungsvorgänge auch die Ansprechempfindlichkeit des Sensors einer Änderung unterliegen.
Es besteht daher ein Bedarf darin, diese das Meßergebnis verfälschenden Faktoren weitgehend auszuschalten.

Aus der DE 40 09 007 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen des absoluten Lenkwinkels eines Lenkwinkelsensors für ein Fahrzeug bekannt geworden, wobei der Lenkwinkelsensor zwei Fotounterbrecher aufweist, wobei die jeweiligen Phasen der beiden Fotounterbrecher gegeneinander versetzt sind. Aus den beiden phasenverschobenen Impulszügen der Fotounterbrecher kann die Drehrichtung der Lenkwelle festgestellt werden.

Aus der DE 44 02 319 A1 ist ein Lenkwinkeldetektor bekannt geworden, der eine Lochscheibe vorsieht, die zum einen eine Spur b mit äquidistant angeordneten Zonen und zum anderen eine Spur a mit Zonen vorsieht, die teilweise unterschiedliche Abstände aufweisen. Durch Zählen (Inkrementierung) der Zonen der Spur b und durch analoge Auswertung der einzelnen Zonen der Spur b kann man zu einer genauen Messung des überstrichenen Lenkwinkels gelangen.

Gattungsgemäße Lenkwinkelsensoren sind in der EP 0 377 097, dort Spalte 1, Zeile 4 bis Zeile 49 bekannt geworden.

Die Erfindung geht daher aus von einem Lenkwinkelgeber der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Ausgangssignal des Lenkwinkelgebers selbst von den oben geschilderten Parametern weitgehend unabhängig zu machen, die andernfalls durch Justage und Kompensationseinrichtungen korrigiert werden müßten.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, mit zwei zueinander parallel geschalteten Sensoreinheiten zu arbeiten, die von dem gleichen Modulator zwei gegeneinander phasenverschobene Eingangssignale erhalten. Diese Eingangssignale sind jeweils mit den oben beschriebenen verfälschenden Größen behaftet, die gegenüber der zu messenden Winkelgröße vergleichsweise dauerhaft und konstant auftreten. Zieht man die beiden Eingangssignale voneinander ab, so werden auch die dauerhaften verlaufenden Parameter voneinander subtrahiert. Sind die Eingangssignale vollkommen identisch, so wird das Differenz signal zu Null und ist somit zur Messung nicht zu gebrauchen. Abhilfe läßt sich hier dadurch schaffen, daß die Eingangssignale gegeneinander phasenverschoben sind, so daß sich die verfälschenden, dauerhaften Größen zwar aufheben, wegen der Phasenverschiebung aber für die zu messenden Größen ein Differenzwert ergibt. Dieser Differenzwert ist am größten, wenn die Phasenverschiebung 90 Grad der Periode des Wechselspannungssignals beträgt, weshalb eine Phasenverschiebung angestrebt werden sollte, die einem Winkelabstand von 90° entspricht.
Um den Lenkwinkel eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen, der ja der Winkelstellung der Vorderräder des Fahrzeugs entspricht, lassen sich eine Reihe von Möglichkeiten angeben. Ein besonders einfaches System wird durch die Merkmale nach Anspruch 2 definiert, indem der Modulator mit dem Lenkrad gekoppelt und im einfachsten Fall starr mit dem Lenkstock verbunden ist. Auf den Modulator wirkt eine weitgehend zeitunabhängige Größe ein, die durch die Winkelbewegung des Modulators entsprechend moduliert wird und die so modulierte Größe steht den Sensoren zur Umformung in ein Wechselspannungssignal zur Verfügung.
Wie weiter oben schon erläutert, empfiehlt es sich dabei, die Sensoren gemäß Anspruch 3 derart anzuordnen, daß die periodischen Änderungen der Eingangssignale und damit auch der abgegebenen Wechselspannungssignale um 90° gegeneinander phasenverschoben sind.
Eine besonders einfache Ausgestaltung für den Modulator ergibt sich entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 4. Danach ist der Modulator eine einfache Kreisscheibe, auf der kreis förmig im allgemeinsten Sinne Einrichtungen verteilt sind, die die auf die Scheibe gerichtete konstante Größe beeinflussen bzw. verändern. Diese aufgrund der Lage der Scheibe und damit winkelabhängig beeinflußten Größen können ein von einer Lichtquelle ausgesandter konstanter Lichtstrom aber auch ein Magnetfeld sein, welches durch die Einrichtungen beeinflußt wird (Anspruch 5). Eine konkrete Ausgestaltung eines derartigen Modulators, der allerdings statt der Durchgangslöcher auf dem Umfang der aus Eisen bestehenden Scheibe vorspringende Zähne besitzt, ist in Anspruch 10 angegeben. Hinsichtlich der Durchgangslöcher nach Anspruch 4 kann aber auch als Ausgangssignal eine Lichtquelle dienen, die einen konstanten Lichtstrom aussendet. Der Lichtstrom ist auf den Kreisumfang der kreisförmig angeordneten Durchgangslöcher gerichtet, so daß beim Passieren eines Durchgangsloches zwischen Lichtquelle und Detektor der durch das Durchgangsloch durchgelassene Lichtstrom im wesentlichen sinusförmig sich verändert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird aber als konstantes Ausgangssignal ein magnetisches Feld bevorzugt, wobei die Durchgangslöcher der Eisenscheibe den Feldverlauf durch den sich winkelabhängig ändernden magnetischen Widerstand modulieren. Das modulierte magnetische Feld wird dann durch den oder die Sensoren aufgenommen und durch die Auswerteeinrichtung im Sinne einer Bestimmung des Lenkwinkels ausgewertet.
Die Erfindung gestattet die Möglichkeit, mit nur einer einzigen, die inkrementalen Winkelschritte bestimmenden Spur von Durchgangslöchern bzw. die konstante Ausgangsgröße modulierenden Einrichtungen auszukommen, so daß als einfacher Aufbau sich die Merkmalskombination nach Anspruch 6 empfiehlt.
Da mittlerweile auch schon zwei Sensoren beinhaltende Differenzelemente erhältlich sind, deren Abstand festgelegt ist, kann sich in Weiterbildung der Erfindung auch die Merkmalkombination nach Anspruch 7 empfehlen. Danach werden die magnetischen Sensoren bezogen auf den Drehpunkt der Scheibe radial hintereinander angeordnet, so daß sie die gleiche Winkelstellung haben. Die phasenverschobenen Ausgangssignale für die beiden nebeneinanderliegenden Sensoren ergeben sich durch eine versetzte Anordnung der auf zwei konzentrischen Kreisen liegenden Durchgangslöcher, die vorzugsweise um eine Phase von 90° gegeneinander versetzt sind.
Um hier radiale Lageänderungen und Unregelmäßigkeiten auszugleichen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 die Durchgangslöcher als Langlöcher auszugestalten, die sich in radialer Richtung erstrecken und wiederum gegeneinander wie oben geschildert versetzt sind.
Wie weiter oben schon erläutert, kann das gleichförmige, zu modulierende Ausgangssignal beispielsweise ein Magnetfeld oder ein Lichtstrom sein, wobei für beide Fälle das hinsichtlich der erwähnten Ansprüche Gesagte gültig ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt
1 eine Scheibe mit zwei auf konzentrischen Kreisen angeordneten Durchgangslöchern
2 in geschnittener Ansicht die Scheibe nach 1 mit optischen Sendern und Empfängern
3 eine Scheibe mit auf einem Kreis angeordneten Durchgangslöchern
4 eine geschnittene Darstellung der Scheibe nach 3 mit optischen Sendern und Empfängern
5 eine Eisenscheibe mit auf einem Kreis angeordneten Durchgangslöchern sowie weiterhin auf zwei konzentrischen Kreisen angeordneten versetzten Durchgangslöchern sowie die magnetischen Sender und Empfänger hierzu.
1 zeigt eine Scheibe 1, die beispielsweise aus Blech, Eisen oder Plastik gefertigt sein kann. Die Scheibe 1 ist starr mit dem Lenkstock des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs verbunden, so daß beim Drehen des Lenkrads sich die Scheibe um den Mittelpunkt M dreht. Die Scheibe ist weiterhin mit Durchgangslöchern 3 und 4 versehen, wobei sich die Durchgangslöcher 3 auf einem inneren Kreis befinden, während die Durchgangslöcher 4 auf einem hierzu konzentrischen zweiten Kreis angeordnet sind. 2 zeigt oberhalb der Scheibe 1 einen ersten optischen Sender 5 und einen zweiten optischen Sender 6, deren abgegebener Lichtstrom über die Durchgangslöcher 5 bzw. 6 zu optischen Empfängern 7, 8 gelangen, welche weiter oben als Sensoren bezeichnet wurden.
Die Durchgangslöcher 3 bzw. 4 sind nun so gegeneinander versetzt, daß die zu den Sensoren 7, 8 gelangende modulierte Strahlung um 90° phasenverschoben ist. Die Sensoren 7, 8 geben dementsprechend zwei um 90° phasenverschobene Wechselspannungssignale ab, die nach dem Differenzprinzip einer in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinrichtung ausgewer tet werden, indem das Ausgangssignal eines ersten Sensors beispielsweise 7 von dem eines zweiten Sensors, beispielsweise 8, abgezogen wird. Das sich ergebende Differenzsignal ist von äußeren Offset-Parametern weitgehend unabhängig und dementsprechend in der nicht dargestellten Auswerteeinrichtung vergleichsweise einfach zu bearbeiten.
In 1 ist noch zu erkennen, daß die beiden Empfangseinrichtungen (Sensoren) in radialer Richtung nebeneinander liegen, wobei in 1 vor dem Sensor 8 ein Durchgangsloch ist, so daß dieser im Augenblick den maximalen durch die Scheibe gelangenden Lichtstrom empfängt, während das Eingangssignal für Sensor 7 kein Eingangssignal empfängt, da es augenblicklich auf eine Stelle auf der Scheibe 1 gerichtet ist, in der kein Durchgangsloch vorgesehen ist. Es läßt sich somit vorstellen, daß abwechselnd die beiden Sensoren 7, 8 mit dem maximalen bzw. mininimalen Lichtstrom versorgt werden, während bei gleichzeitiger Beleuchtung der Sensoren der Lichtstrom der beiden auf Werten zwischen Maximum und Minimum liegt.
3 und 4 zeigen das gleiche Prinzip, nur daß die Durchgangslöcher auf einem einzigen Kreis liegen, während dementsprechend Sender und Empfänger ebenfalls in Umfangsrichtung des Kreises nebeneinander angeordnet sind. Die Arbeitsweise ist im wesentlichen die gleiche. Die kreisförmige Lochreihe wird doppelt ausgenutzt, indem sie beide Sensoren mit einem phasenverschobenen modulierten Lichtstrom versorgt.
5 und 6 zeigen das in den 1 bis 4 erläuterte Prinzip gleichzeitig, indem einmal ein einfacher Lochkreis entsprechend 3 und ein doppelter Lochkreis entsprechend 1 dargestellt ist. Dabei werden die beiden Prinzipien nicht gleichzeitig sondern wahlweise angewendet. Wichtig für die Erfindung ist weiterhin noch, daß das gleiche magno-sensitive Differenzelement 9 sowohl für den einfachen Lochkreis als auch für den doppelten Lochkreis einsetzbar ist, wobei das Differenzelement einmal in Umfangsrichtung des einfachen Kreises und zum anderen in radialer Richtung bei dem Doppelkreis ausgerichtet wird. Die Scheibe ist aus einem magnetisch leitfähigen Material, z.B. Eisen, dessen Löcher die umgebende Feldstärke beeinflußt.
In 5 ist noch dargestellt, daß die Durchgangslöcher zweckmäßig als Langlöcher ausgestaltet sein können, so daß hier ein Versatz in radialer Richtung wenig Einfluß auf eine Verfälschung der Meßergebnisse hat. Dasgilt auch für die anderen Ausführungsbeispiele. Ein derartiger Versatz kann durch Alterungserscheinungen, mechanische Ungenauigkeiten oder Temperatureinflüsse auftreten.

Claims

Lenkwinkelgeber zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkwinkelsensor, welcher ein Wechselspannungssignal abgibt, das sich stetig über die zu messende Winkelstellung ändert und mit einer Auswerteeinrichtung, die mittels der sich ändernden Amplitudenwerte des Wechselspannungssignals den Wert des sich ändernden Lenkwinkels bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkelsensor zwei zueinander parallel geschaltene Sensoren (7, 8) umfasst, welche zwei voneinander getrennte, gegeneinander phasenverschobene Spannungssignale der Auswerteeinrichtung zuführen und dass die Auswerteeinrichtung die Winkelstellung aus dem sich ändernden Amplitudenwert eines mit Hilfe der Differenzbildung der beiden Spannungssignale gewonnen Wechselspannungssignals bestimmt.
Lenkwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7, 8) jeweils eine Eingangsgröße aufnehmen, die durch einen mit dem Lenkrad mechanisch gekoppelten Modulator (1) derart moduliert ist, daß die Amplitude der aufgenommenen Größe sich stetig und periodisch in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Lenkrades ändert.
Lenkwinkelgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (7, 8) derart räumlich gegeneinander versetzt sind, daß die empfangenen periodischen Eingangssignale um 90° gegeneinander verschoben sind.
Lenkwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine vom Lenkrad angetriebene Scheibe ist, die über mindestens einen Kreisumfang gleichmäßig verteilte Durchgangslöcher aufweist, die ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal eines Senders (5, 6) modulieren.
Lenkwinkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender einen Lichstrom oder ein Magnetfeld abgibt und die Sensoren optische bzw. magnetische Sensoren sind.
Lenkwinkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (7, 8, 3) in Kreisumfangsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Lenkwinkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (3, 4) auf zwei voneinander konzentrischen Kreisen liegen und jedem der beiden Kreise ein Sensor (7, 8, 1) zugeordnet ist, wobei die Durchgangslöcher (3, 4) vorzugsweise in Kreisumfangsrichtung derart versetzt angeordnet sind, daß die radial miteinander fluchtenden Sensoren (7, 8, 1) um 90° phasenverschobene Eingangssignale erhalten.
Lenkwinkelgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher in radialer Richtung ausgerichtete Langlöcher sind (5).
Lenkwinkelgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Senders ein konstantes Magnetfeld (9, 5, 6) oder einen konstanten Lichtstrom (5, 6, 2) aussendet, der auf die Durchgangslöcher auf der Scheibe (1) gerichtet ist.
Lenkwinkelgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator eine mit Zähnen versehene magnetisch leitfähige, von dem Lenkrad angetriebene Scheibe vorzugsweise Eisenscheibe ist, deren vorzugsweise über mindestens einen Kreisumfang gleichmässig verteilte Zähne ein statisches Magnetfeld (9) modulieren.