DE19638911A1 - Drehwinkelsensor mit integrierter Umdrehungserkennung - Google Patents

Drehwinkelsensor mit integrierter Umdrehungserkennung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor insbesondere Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge. Derartige Sensoren wer­ den benötigt für z. B. Regeleinrichtungen zur Regelung der Fahrstabilität von Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Sensoren ist regelmäßig mindestens eine kreisförmig angeordnete Codespur auf einem Codierelement vorgesehen, wobei auf der Codespur sich nicht wiederholende Codeworte angebracht sind. Das Codierelement ist mit dem Lenkstock des Fahrzeugs gekop­ pelt. Auf diese Weise kann von der Drehbewegung des Codier­ elementes auf die Schwenkbewegung der Fahrzeugräder ge­ schlossen werden.
Da bei jeder Drehstellung des Codierelementes nur ein be­ stimmtes Codewort durch die Leseeinrichtung gelesen werden kann, kann aufgrund des gefundenen Codeworts auf die Stel­ lung der Codierscheibe und damit die Winkelstellung der Len­ kräder des Fahrzeugs geschlossen werden. Als Schwierigkeit hat sich herausgestellt, daß das Lenkrad mehrere Umdrehungen machen muß, um die insgesamt mögliche Schwenkbewegung der Lenkräder durchzuführen. Es ist somit nicht nur wichtig, die absolute Drehbewegung des Lenkrades zu kennen, sondern es müssen auch die Anzahl der Umdrehungen des Lenkstocks gegen­ über einer Nullstellung bekannt sein, um den Schwenkwinkel der Lenkräder eindeutig bestimmen zu können. Hierzu ist in der P 8636 der Anmelderin schon vorgeschlagen worden, ein Schrittschaltwerk mit Zähler vorzusehen, welches in Abhän­ gigkeit von den durch das Codierelement durchgeführten Um­ drehungen schrittweise vorwärts oder rückwärts geschaltet wird, so daß die Zahl der gegen eine Nullstellung bestehen­ den Umdrehungen des Codierelementes stets bekannt ist.
Die Erfindung geht daher aus von einem Drehwinkelsensor der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es auf ein besonderes Schritt­ schaltwerk zur Bestimmung der gerade gültigen Umdrehungszahl zu verzichten und die Messung der Umdrehung in den eigentli­ chen Drehwinkelsensor zu integrieren.
Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Drehwinkelsensor durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip darin, mehrere quer zur Bewegungsrichtung der Leseeinrichtung angeordnete Codespuren vorzusehen und die Leseeinrichtung in Abhängigkeit von der gerade gültigen Um­ drehungszahl zu den einzelnen Codespuren zu befördern. Dabei kann durch die gerade abgetastete Codespur die augenblick­ lich gültige Umdrehung festgelegt sein. Dies kann dadurch geschehen, daß innerhalb jeder Spur ein besonderer Code ab­ getastet werden kann, der einen Hinweis auf die Umdrehungs­ zahl gibt. Es ist aber auch möglich, einen fortlaufenden (beispielsweise Maximalcode) derart über alle Spuren zu ver­ teilen, daß mit Hilfe der entschlüsselten Codeworte nicht nur der absolute Drehwinkel, sondern gleichzeitig auch noch die Umdrehungszahl festgelegt ist.
Eine besonders einfache Anordnung der Codespuren ergibt sich durch die in Anspruch 2 angegebene Merkmalskombination. Da­ nach werden die einzelnen Codespuren spiralförmig mitein­ ander verbunden. Dies kann dadurch geschehen, daß bei einer bestimmten absoluten Winkelstellung die Leseeinrichtung in Abhängigkeit von ihrer Drehbewegung eine Spur höher oder niedriger befördert wird. Besonders einfach wird die Gesamt­ codespur aber dann, wenn sie eine durchgehende spiralförmige Spur bildet, so daß die Bewegungsrichtung der Leseeinrich­ tung abgesehen bei Umschaltung von der Vorwärts- nach Rück­ wärtsbewegung keine größere Änderung erfährt. Die Codespur kann dabei entsprechend der Merkmalskombination nach An­ spruch 3 spiralförmig sowohl auf einer Kreisscheibe oder auch auf einer Mantelfläche eines Zylinders angeordnet sein. Es kann dabei sowohl das Durchlichtprinzip als auch das Re­ flexionsprinzip angewendet werden. Soweit der Zylinder kein Hohlzylinder ist, ist das Reflexionsprinzip anzuwenden, bei­ spielsweise dann, wenn die Codespur spiralförmig auf den Lenkstock aufgebracht ist.
Es lassen sich eine große Anzahl von unterschiedlichen Transportmitteln zum Transport der Leseeinrichtung angeben. Besonders vorteilhaft hat sich dabei die in Anspruch 4 be­ schriebene Transporteinrichtung herausgestellt, indem die Führungsmittel direkt an Codierelement und Leseeinrichtung angeordnet sind. Dabei empfiehlt sich insbesondere die Aus­ gestaltung gemäß Anspruch 5, bei der das dem Codierelement zugeordnete Führungsmittel parallel zur spiralförmigen Codespur verläuft. Besonders einfach wird die Konstruktion durch die Maßnahmen nach Anspruch 6. Insbesondere dann, wenn die Codierung auf dem Codierelement nach dem Durchlichtprin­ zip arbeitet. Es ist dabei zweckmäßig, die Codierung, d. h. die Durchbrüche auf der Codescheibe am Boden der Führungsnut anzuordnen, da dort die Scheibe ohnedies eine geringere Dic­ ke hat. Gleichzeitig können die Leseelemente wie beispiels­ weise Dioden, CCD-Zeile, Hall-Element oder ähnliches an der dem Nutboden zugewandten Fläche der Leseeinrichtung ange­ ordnet sein, so daß sie seitlich abgeschirmt direkt unter­ halb der die Codierung bildenden Durchbrüche sich befinden.
Um nicht eine spezielle Codierung hinsichtlich der gerade eingenommenen Umdrehungszahl festlegen zu müssen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 7. Danach ist die Codierung durch einen fort­ laufenden, sich über die gesamte Spirale erstreckenden Maxi­ malcode gebildet. Da sich keines der Codeworte wiederholt, kann innerhalb dieser mehrschrittigen Codeworte auch gleich­ zeitig nicht nur der Absolutwinkel, sondern auch die ent­ sprechende Umdrehungszahl verschlüsselt werden.
Besonders einfach wird die Leseeinrichtung bei Verwendung einer CCD-Zeile. Die Leseelemente wie beispielsweise Dioden oder Hall-Element können aber auch auf zueinander parallel laufenden Spuren gerichtet sein, so daß sich hierdurch die absolute Drehlage aber auch die relative Drehlage des Codeelements gegenüber den Leseelementen bestimmen läßt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Codescheibe mit darunter tangential angeordne­ ter CCD-Zeile und
Fig. 2 eine Transporteinrichtung zum Transport der CCD-Zei­ le in radialer Richtung.
Fig. 1 zeigt als Codierelement eine Codescheibe 1, deren Drehwinkel ermittelt werden soll. Unterhalb der Codescheibe 1 ist eine CCD-Zeile angeordnet. Wie dies in Verbindung mit der Patentanmeldung p 8782 der Anmelderin beschrieben wurde. Die Arbeitsweise der CCD-Zeile in Verbindung mit einer Co­ dierscheibe wurde bereits in der Application Brief der Firma Texas Instruments "linear products, TSL 214 integrated Opto Sensor" beschrieben, die den Opto-Sensor TSL 214 der Firma Texas Instruments betrifft. Die Codierscheibe 1 ist mit ei­ ner spiralförmigen Codespur 3 versehen, auf der ein fort­ laufender Maximalcode über alle sechs Windungen angebracht ist. Dieser Maximalcode zeichnet sich dadurch aus, daß er eine fortlaufende Codierung erhält, wobei schrittweise mehr­ schrittige (beispielsweise 14-schrittige) Codeworte ausgele­ sen werden können und die einzelnen auslesbaren Codeworte über alle sechs Spuren sich nicht wiederholen (näheres hier­ zu auch in der Patentanmeldung P 8782 der Anmelderin).
In Fig. 1 ist somit nur ein kurzer Ausschnitt der gesamten Codierung gezeigt.
Die CCD-Zeile 2 ist mit einer Reihe (5) von nebeneinander­ liegenden lichtempfindlichen Elementen (sog. Pixel) ausge­ stattet, durch welche das gerade abgetastete Codewort ausge­ lesen wird. Die Codierung arbeitet nach dem sog. Durchlicht­ prinzip, d. h. oberhalb der Betrachtungsebene von Fig. 1 be­ findet sich eine Lichtquelle, welche die lichtdurchlässigen Codierfelder 7 durchleuchtet, während die undurchsichtigen Codierfelder 8 kein Licht zu der Pixel-Reihe 5 durchlassen. Hierdurch ergibt sich eine Lichtverteilung auf der Pixel-Reihe, durch welches das von der Drehwinkellage der Codescheibe abhängige Codewort über die Pixel-Reihe 5 gele­ sen werden kann. Für die Erfindung besonders wichtig ist nun ein sich in radialer Richtung erstreckender Schlitten 9, durch welchen die CCD-Zeile 2 in radialer Richtung führbar ist. Schlitten und CCD-Zeile befinden sich unterhalb der Codescheibe 1.
In Fig. 2 ist nun die Codescheibe 1 stark vergrößert im Schnitt dargestellt, wobei sich die Scheibe um die Längs­ achse L in Drehrichtung T (siehe auch Fig. 1) dreht. Der in Fig. 2 gezeigte Schnitt verläuft dabei entlang der Schnitt­ linie A-B in Fig. 1. Die Codescheibe 1 ist mit einer spiral­ förmigen Nut 10 versehen, in welche ein entsprechender Vor­ sprung 11 an der CCD-Zeile 2 eingreift. Vergleichbar mit dem Tonkopf eines Plattenspielers wird somit die CCD-Zeile beim Drehen der Codescheibe 1 in Abhängigkeit von der Drehrich­ tung T in Bewegungsrichtung R nach rechts oder links geför­ dert. Am Boden der spiralförmigen Nut 10 sind die undurch­ sichtigen bzw. durchsichtigen Codefelder 7, 8 eingearbeitet, wobei sie durch eine nicht dargestellte oberhalb der Codescheibe in Fig. 1 und 2 befindliche Lichtquelle ange­ strahlt werden. Die die Codefelder durchdringende Strahlung wird mit der Pixtel-Reihe 5 erkannt und das somit gelesene Codewort identifiziert, wodurch sich der Drehwinkel der Codescheibe 1 bestimmen läßt. Das identifizierte Codewort beschreibt aber nicht nur den absoluten Drehwinkel der Scheibe, sondern auch die gerade gültige Umdrehungszahl. Die ermittelten Codeworte bzw. die zur Ermittlung der Codeworte notwendigen Spannungswerte der einzelnen Pixels können an den Anschlüssen 13, 14 abgegriffen werden.
Um mittels der Leseeinrichtung der einzelnen Codeworte lesen zu können, ist es notwendig, eine Lichtquelle vorzusehen. Diese Lichtquelle kann im einfachsten Fall das gesamte Co­ dierelement im wesentlichen gleichmäßig ausleuchten, so daß alle Codeworte theoretisch lesbar sind, aber nur dasjenige Codewort gelesen wird, welches sich aus der augenblicklichen Position der Leseeinrichtung durch diese lesen läßt. Bei der großflächigen Ausleuchtung des Codierelements kann die Lichtquelle ortsfest angeordnet sein. Dabei eignet sich so­ wohl das Durchlichtprinzip als auch das Reflexlichtprinzip, d. h. die Leseeinrichtung wertet entweder die durch das Co­ dierelement hindurchtretende Strahlung oder die durch das Codierelement reflektierte Strahlung aus. Eine weitere Mög­ lichkeit besteht darin, die Lichtquelle parallel zu der Le­ seeinrichtung zu führen, wobei im wesentlichen der die Le­ seeinrichtung umgebende Bereich des Codierelements ausge­ leuchtet wird und wiederum das Durchlicht- oder Reflexlicht­ prinzip angewendet werden kann. Bei dieser Ausgestaltung wird die Lichtquelle vorzugsweise beweglich angeordnet. Dies gilt zumindest für die direkte Beleuchtung des Codierele­ ments. Eine andere Möglichkeit kann darin bestehen, die Lichtquelle auch in diesem Fall zwar ortsfest anzuordnen, das Licht aber beispielsweise über einen Lichtleiter der Positionsänderung des Leseelements nachzuführen.
Übersicht
Die bisherigen Systeme zur Erfassung des absoluten Lenkrad­ winkels sind prinzipiell, unabhängig vom gewählten physika­ lischen Sensorprinzip (z. B. optisch, magnetisch), auf einen Winkelbereich von 0-360° beschränkt. Liegt eine Lenkrad­ drehung vor, die diesen Bereich überschreitet, wird, ent­ sprechend der periodischen Fortsetzung, nur der Absolutwin­ kel in dem Wertebereich [0-360°] erkannt. Ist ein Absolut­ winkel mit entsprechender Umdrehungszahl n mit
α = n * 360° + α′
gewünscht, ist eine zusätzliche Sensoreinheit, bestehend z. B. aus Spezialgetriebe, Sensorik und Elektronik, erforder­ lich. Diese Zusatzeinheit ermittelt die Umdrehungszahl n, wobei über Software schließlich α berechenbar ist.
Inhalt dieser Anmeldung ist ein Sensorprinzip, mit dem, bei Verwendung von nur einer Sensoreinheit (z. B. foto- oder man­ getosensitiver Zeile), der Absolutwinkel, inklusive der Um­ drehungszahl, ermittelt werden kann. Ein derartiges Verfah­ ren ist nicht nur zur Bestimmung des Lenkradwinkels verwend­ bar, es kann für alle Applikationen eingesetzt werden, bei denen der Absolutwinkel über einen Bereich von mehreren Um­ drehungen bestimmt werden soll.
Sensorprinzip
Wesentliches Prinzip dieses absoluten Winkel­ meßsystems ist eine auf eine Codescheibe spiralförmig aufge­ brachte Codespur mit mehreren Windungen (die Anzahl der Codespurwindungen entspricht der Umdrehungszahl des zu de­ tektierenden Winkelbereiches). Dieser Code wird über eine Sensorzeile geführt. Abhängig von der Umdrehungszahl befin­ det sich diese Zeile aufgrund einer geeigneten mechanischen Mitnahme und Führung an der entsprechenden Windung der spi­ ralförmigen Codespur.
Bei dem auf der Codespur aufgebrachten Code handelt es sich um einen nach verschiedenen Kriterien optimierten Maximalco­ de. D.h. die jeweilige auf der Sensorzeile abgebildete Bit­ kombination existiert im gesamten Winkelmeßbereich nur uni­ kativ.
Realisierungsmöglichkeiten
Die Codespurspirale kann auf verschiedene Weise integriert werden: Mögliche Varianten wären die Aufbringung auf eine planare Scheibe (Bewegungs­ richtung der Sensorzeile: radial zur Lenksäule) oder Inte­ gration auf den Mantel eines rotationssymmetrischen Zylin­ ders (Bewegungsrichtung der Sensorzeile: axial zur Lenksäu­ le). Exemplarisch ist in der angefügten Abbildung eine Kon­ struktionsmöglichkeit dargestellt, die eine Scheibe mit spi­ ralförmiger Codespur, die Sensorzeile, die radiale Sensor­ führung und die mechanische Mitnahmemöglichkeit des Sensors enthält.
Für die Mitnahme des Sensors sind unterschiedliche Mechani­ ken denkbar: Wie im Konstruktionsbeispiel dargestellt, sind zwischen den Codespurwindungen Stege vorgesehen, welche das Sensorelement in radialer Richtung mitnehmen. Ebenso ist die Mitnahmemöglichkeit bei Codespuranbringung auf der Mantel­ fläche eines Kreiszylinders durch derartige Stege denkbar. Anstelle der hier gezeigten Stegen sind andere Varianten (z. B. Nuten) für die Mitnahme möglich. Die Sensorbewegung kann alternativ auch mit einem Getriebe realisiert werden. Das in der Abbildung dargestellte Beispiel stellt das von der konstruktiven Seite her gesehen einfachste Realisie­ rungsprinzip dar. Je nach Applikation müssen die einzelnen hier aufgezählten Möglichkeiten gegeneinander abgewogen wer­ den.
Als Sensorelement ist die auf dem fotoelektrischen Effekt basierende CCD- (Charge Coupled Device) Zeile prädestiniert. Denkbar sind ebenso linear angereihte, diskrete optische Sensoren (z. B. Opto-Array) oder magnetische Sensorelemente, die ebenfalls in einer Linie angeordnet sind. Die geometri­ schen Abmessungen der Anreihung und die Anzahl der benötig­ ten Sensorelementen sind mit dem Code abzustimmen.
Bei Verwendung des optischen Sensorprinzips (z. B. CCD-Zeile) eignen sich sowohl das Durchlicht, wie auch das Reflexlicht­ prinzip, wobei aus Gründen der Störunanfälligkeit das Durch­ lichtprinzip zu bevorzugen ist (durch Schmutz, Anlaufen, Alterung etc. reduziert sich der 0-1-Pegelabstand beim Re­ flexlichtprinzip). Die Lichtquelle kann bei beiden Verfahren entweder mit der Sensorbewegung geführt werden (fokussierter Lichtstrahl) oder aber der gesamte durch den Sensor über­ strichene Bereich wird großflächig ausgeleuchtet. Ist aus Konstruktionsgründen die Position der Lichtquelle einge­ schränkt, kann das Licht über einen Kunststofflichtleiter geführt werden, wobei, z. B. zur Erzeugung einer definierten Lichtverteilung in der Lichtaustrittsöffnung des Leiters eine Linsencharakteristik implementiert werden kann. Zur Erhöhung der Kantenschärfe, auch bei schneller Lenkraddre­ hung, und zur Kompensation von Helligkeitsschwankungen (z. B. Alter) arbeitet die Lichtquelle im adaptiven Pulsbetrieb.
Vorteile des Verfahrens
Absolutwinkel für großen Wertebe­ reichsmöglich: z. B. ± 1080° bei 6 Codespurwindungen. Keine zusätzliche Sensorik und Auswertung für die Umdrehungszahl erforderlich. Bei Nutzung einer CCD-Zeile und geeigneter Auswertealgorithmen sind hohe Auflösungen zu erreichen. Re­ lativ einfache Konstruktion. Geringer Platzbedarf.

Claims (10)

1. Drehwinkelsensor, insbesondere Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge mit einer im wesentlichen kreisförmig angeordneten Codespur, welche mit Codeworten versehen ist auf einem Codierelement (1), wobei der Drehwinkel aufgrund eines Codeworts (7, 8) bestimmt wird, welches durch die Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Codierelementes (1) gelesen wird und wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche die von dem Codierelement (1) gegenüber einer Nullstellung ein­ genommene Umdrehungszahl feststellbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere quer (in Richtung R) zur Abta­ strichtung (Richtung T) angeordnete, im wesentlichen kreisringförmige Codespuren vorgesehen sind, und daß eine Transporteinrichtung (10, 11) vorgesehen ist, welche die Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Umdre­ hungszahl gegenüber einer Nullstellung zu den einzelnen Codespuren befördert.
2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Codespuren (3) derart spiralförmig verbun­ den sind, daß die Gesamtcodespur eine Spirale ergibt.
3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Codespur (3) auf einer Kreisscheibe oder auf der Mantelfläche eines Zylinders angeordnet ist.
4. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Codierelement (1) und der Leseeinrichtung (2) Führungsmittel (10, 11) vor­ gesehen sind, welche die Leseeinrichtung (2) quer (in Richtung R) zur Leserichtung (in Richtung T) der Codeworte fördern.
5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungsmittel aus einer Nut-Vorsprung-Ver­ bindung bestehen, wobei das dem Codierelement (1) zu­ geordnete Verbindungsmittel (10) spiralförmig angeordnet ist.
6. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierelement (1) eine Codescheibe und das der Codescheibe zugeordnete Führungsmittel eine spiralförmige Nut (10) ist, und daß die Codierung (7, 8) am Boden der Nut und die Leseelemen­ te (5) der Leseeinrichtung (2) an der dem Nutboden (15) zugewandten Fläche (16) des Vorsprungs (11) an der Le­ seeinrichtung (2) angeordnet sind.
7. Drehwinkelsensor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung ein Maxi­ malcode ist, der sich über die gesamte spiralförmige Codespur (3) erstreckt.
8. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leseeinrichtung (2) eine CCD-Zeile ist, die tangential (T) zu den im wesent­ lichen kreisförmig angeordneten Codespuren (17 bis 22) ausgerichtet ist.
9. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Codierelement durch eine ortsfeste Lichtquelle ausgeleuchtet wird, wobei das Durchlichtprinzip oder das Reflexlichtprinzip Anwendung findet.
10. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle beweglich an­ geordnet ist und einen Teil des Codierelements im Be­ reich der Leseeinrichtung direkt ausleuchtet oder daß die Lichtquelle ortsfest angeordnet ist und der im Be­ reich der Leseeinrichtung befindliche Teil des Codier­ elements über einen nachgeführten Lichtleiter indirekt ausgeleuchtet wird.
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