DE19652935A1 - Mit einem Resolver versehene Meßeinrichtung zur Messung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Zur Dynamikregelung von Fahrzeugen ist die Messung des Lenk­ winkels bzw. der Lenkwinkeländerung eines Fahrzeugs von gro­ ßer Bedeutung. Zur Ermittlung des Lenkradwinkels, der dem Lenkwinkel entspricht, können verschiedene Meßprinzipien angewandt werden. Zu den digitalen optischen Verfahren zäh­ len die diskreten Sende- und Empfangsbausteine sowie Charge- Couplet-Device-Bausteine. Im Bereich der magnetsensitiven Bauelemente sind Hall- und MR-Elemente zu nennen. Aus der Zeitschrift Antriebstechnik, Jahrgang 33 (1994) ist in dem Heft Nr. 7 auf den Seiten 28, 29 als ein weiterer Drehwinkel­ sensor ein Resolver beschrieben, der für die Zwecke des Ma­ schinenbaus für Werkzeuge, Roboter, Druckereimaschinen, Ver­ packungsmaschinen und ähnliches einsetzbar ist.

Resolver bestehen im Prinzip aus einem Rotor und einem Sta­ tor (siehe Fig. 1). Auf dem Rotor wird ein sinusförmiges Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem Rotor dreht. Dieses Feld induziert Spannungen in den zwei Phasenwicklungen (se­ kundäre Statorwicklung), die von der Drehlage des Rotors abhängig sind. Um ein Sinussignal und ein Kosinussignal zu erhalten, sind die zwei Phasenwicklungen auf dem Stator um 90 Grad verschoben. Bei dem klassischen Resolver erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie mit Hilfe eines Kopp­ lungstransformators. Dieser besteht aus zwei konzentrischen Wicklungen, von denen die eine, die Primärwicklung, im Ge­ häuse des Stators eingebaut ist, die andere, die Sekundär­ wicklung, befindet sich auf dem Rotor, mit dem sie sich dreht. Die Sekundärwicklung speist die sinuserzeugende Wick­ lung über zwei Leitungen auf dem Rotor. Neuere Entwicklungen kommen ohne Schleifkontakte aus. Genaueres hierzu in dem oben genannten Aufsatz.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Meßeinrichtung zur Messung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs anzugeben, wel­ che sowohl den absoluten Drehwinkel anzugeben vermag, als auch in ihrem Aufbau sehr robust ist. Die Erfindung geht daher aus von einer Meßeinrichtung der sich aus dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, zur Messung des Lenkwinkels bzw. der Lenkwinkeländerung eines Fahrzeugs einen Resolver der oben beschriebenen Art anzuwenden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält der Resolver einen Stator mit drei Wicklungen. Es handelt sich dabei um eine Erregerwicklung als Primärwick­ lung und zwei um 90 Grad gegeneinander verschobenen Sekun­ därwicklungen. Je nach Resolvertyp ist der Rotor mit einer Hilfswicklung oder mit Magnetwerkstoffen ausgestattet. Über die zusätzlich erforderliche Auswerteelektronik, die bei­ spielsweise von der Firma Analog Devices als in einem Chip integriert bezogen werden kann, wird mit Einprägung einer konstanten Frequenz, z. B. 10 kHz und Auswertung der in den beiden um 90 Grad versetzten Sekundärwicklungen induzierten Spannung der Absolutwert des Drehwinkels bestimmt.

Die Verwendung eines Resolvers in der Meßeinrichtung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen. So ist zum einen die Abso­ lutwinkelerkennung zwischen 0 und 360° möglich. Die Meßwerte können ohne Schwierigkeiten auf 13 Bit genau angegeben wer­ den, das entspricht einer 0,05° Auflösung. Der verwendete Resolver ist weiterhin störunfällig gegenüber Temperatur, Schmutz, Stöße und hat eine gute EMV. Weiterhin sind die mechanischen Abmessungen des Resolvers gut an die in einem Fahrzeug herrschenden Anforderungen anpaßbar.

Ebenso wie dies bereits im Zusammenhang mit anderen Lenkwin­ kelsensoren beschrieben wurde, ist auch der erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor in den Lenkstockschalter integrierbar. Es ist hierzu nur notwendig, daß der Rotor mit der drehbaren Lenksäule und der Stator mit dem Mantelrohr der Lenksäule fest gekoppelt wird.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung gibt dabei eine zusätz­ liche Option, die mit Hilfe der Anwendung der in Anspruch 2 aufgeführten Merkmale erzielbar ist. Im Prinzip geht es dar­ um, eine berührungslose Signalübertragung im allgemeinsten Sinne zwischen chassisfest in dem Fahrzeug eingebauten Ein­ richtungen und in Verbindung mit dem Lenkrad drehbaren Ein­ richtungen zu schaffen. Hierzu wurden bisher spezielle Dreh­ verbinder angewendet, die die Signale über Spiralfedern oder spiralförmig aufgewickelte Flachbandkabel, sog. Wickel­ federn, zwischen Lenkrad und den chassisfesten Geräten über­ trugen. Auch eine schleifende Kontaktgabe wurde im Zusammen­ hang mit der genannten Signalübertragung eingesetzt. Ent­ sprechend der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 macht sich die vorliegende Erfindung nun die Tatsache zunut­ ze, daß zwischen dem mit dem Lenkrad verbundenen Rotor und dem Stator eine induktive Kopplung vorgegeben ist. Es ist somit möglich, über diese induktive Kopplung zwischen Rotor und der Primärwicklung des Stators bzw. der Sekundärwicklung des Stators Signale auszutauschen. Dabei können die Signale sowohl zum Lenkrad hin gelangen, um beispielsweise einen Aktuator für einen Airbag auszulösen oder aber auch von dem Lenkrad weg geleitet werden, etwa um bei Betätigung eines Hupkontaktes ein Steuersignal zu der chassisfest angeordne­ ten Hupe zu bringen. Es ist somit notwendig, daß zum einen in Richtung Lenkrad in die Statorwicklung Steuersignale bzw. Steuerinformationen eingespeist bzw. in entgegengesetzter Richtung abgenommen werden. Von der mit der Lenksäule ver­ bundenen Rotorwicklung werden dann die Steuersignale abge­ nommen und in einer Elektronikschaltung zur Steuerung am Lenkrad befindlicher Geräte weiterverarbeitet oder es werden entsprechende Signale vom Lenkrad kommend eingespeist, um chassisfest im Fahrzeug eingebaute Einrichtungen vom Lenkrad aus betätigen zu können.

Auf diese Weise ist aber nicht nur die Übertragung von In­ formationssignalen zur Ansteuerung von einzelnen Geräten, sondern auch die Energie zum Betrieb dieser mit dem Lenkrad verbundenen Umwandlungsschaltungen geeignet.

Wichtig ist allerdings entsprechend der Weiterbildung nach Anspruch 3, daß die einzelnen Signale sich nicht überschnei­ den oder gegenseitig stören. Die Erfindung schlägt daher entsprechend Anspruch 3 vor, die einzelnen Signale im zeit­ lichen Nacheinander über den Resolver zu übertragen oder für die zu übertragenden Signale getrennte Frequenz Kanäle vor­ zusehen. Dabei kann beispielsweise für die Drehwinkelmessung selbst eine Frequenz von 10 kHz vorgesehen werden, während zur Übertragung der anderen Signale ein oberhalb dieser Fre­ quenz liegendes Frequenzband verwendet werden kann. Auf die­ se Weise werden mehrere im Zeitmultiplex oder Frequenzmulti­ plex liegenden Kanäle im Resolver geschaffen, so daß er die unterschiedlichen weiter oben genannten Aufgaben störungs­ frei erledigen kann. Auch eine Kombination dieser Maßnahmen ist möglich.

Als mit dem Lenkrad verbundene elektrische Einrichtung kom­ men verschiedene einzelne Einrichtungen wahlweise oder in Kombination in Betracht. So kann die Einrichtung beispiels­ weise einer Auslöseschaltung eines Airbag oder eine Steuer­ schaltung zur Einschaltung von elektrischen Geräten sein, wobei die elektrischen Geräte wiederum chassisfest im Fahr­ zeug untergebracht sein können, wie Autohupe, Radio oder Fahrzeugleuchten. Es lassen sich nach dem beschriebenen Sy­ stem also durch Schaltmaßnahmen am Lenkrad bedingte Steuer­ signale berührungslos und zuverlässig über die als Resolver ausgestaltete Drehwinkelmeßeinrichtung Steuersignale für unterschiedliche Geräte übertragen. Um nun die Filterschal­ tungen in ihrem Umfang zu begrenzen, ist es empfehlenswert, die Merkmalskombination nach Anspruch 5 in Fortbildung der Erfindung anzuwenden. Hierbei wird im Prinzip vorgeschlagen, den einzelnen Signalen nicht nur unterschiedliche Frequenz­ bänder zuzuordnen oder diese im Zeitmultiplex zueinander zu übertragen. Vielmehr wird vorgeschlagen, nur ein einziges Informationssignal zu verwenden, wobei dies allerdings co­ diert wird und durch die Codierung somit unterschiedliche Informationsinhalte übertragen kann. Dabei können die Infor­ mationssignale in beiden Richtungen übertragen bzw. ausge­ tauscht werden, also sowohl zum Lenkrad hin als auch von diesem zu chassisfesten Einrichtungen im Fahrzeug. Damit ist es auch möglich, unterschiedliche Informationen, die aus dem Informationsnetz des Fahrzeugs stammen (CAN), berührungsfrei zum Lenkrad hin zu übertragen und somit quasi eine CAN-Über­ tragungsstrecke und die Gegenrichtung zum Lenkrad hin zu schaffen.

Diese Codierung kann mit Hilfe von Zentralelektroniken ge­ schehen, die am Eingang bzw. Ausgang der Statorwicklungen bzw. am Eingang bzw. Ausgang der Rotorwicklung angeordnet sind. Insbesondere können beispielsweise Informationen zum Zünden der Airbag-Zündpille dann übertragen werden, wenn die Sensoren des Fahrzeugs eine entsprechende Gefahrensituation festgestellt haben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Resolvers,

Fig. 2 in stark vereinfachter Darstellung den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit zusätzlicher Übertragung von Informationssignalen,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur zeitmultiplexen Übertragung von Signalen und

Fig. 5 eine Prinzipskizze zur frequenzmultiplexen Übertra­ gung von Signalen bei der erfindungsgemäßen Meßein­ richtung.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Resolvers. Dabei ist der Sta­ tor mit einer Primärwicklung 1 und zwei Hilfswicklungen bzw. Sekundärwicklungen 2, 3 versehen, die in Form eines Trans­ formators zusammengeschaltet sind. Für den Resolver beson­ ders wichtig ist nun ein Rotor 4 mit einer Rotorwicklung 5. Die Stellung dieser Wicklung beeinflußt die Größe der Signa­ le an der Sekundärwicklung 2, 3, so daß aufgrund dieser Si­ gnale auf die Drehlage des Rotors 4 geschlossen werden kann. Die Wicklungen 2, 3 sind zueinander um 90° gedreht, so daß die induzierten Spannungen jeweils dem Sinus- und dem Kosinus­ wert des Rotorwinkels entsprechen. Genauere Einzelheiten lassen sich dem 1994 erschienenen Prospekt der Firma Admotec Präzision AG, Küssnacht/Schweiz entnehmen, indem deren Rotor Rotasen detailliert beschrieben wird.

In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung gezeigt, wobei wieder die in Fig. 1 aufge­ führten Wicklungen in anderer Darstellung dargestellt sind. Zusätzlich zu der Darstellung nach Fig. 1 ist auch die Mög­ lichkeit einer Signalübertragung zwischen der mit dem Lenk­ rad verbundenen Rotorspule 5 und den Statorwicklungen ange­ deutet. Diese Übertragung kann im Zeitmultiplex oder Fre­ quenzmultiplex in beiden Richtungen geschehen. Zum einen ist gezeigt, wie aus den Hilfswicklungen 2 und 3 des Stators die Winkelinformation über den Drehwinkel α über eine in einem Tiefpaß 6 liegende Frequenz 7 von 10 kHz ausgekoppelt wird. Zusätzlich zu diesen Informationen können aber auch vom Lenkrad kommende Informationen 8 in die Wicklung 5 einge­ speist werden. Dies kann, wie durch den Bandpaß 9 angedeu­ tet, mit Frequenzen geschehen, welche hinreichend außerhalb der Meßfrequenz 7 zur Drehwinkelmessung liegen. Als Lenkrad­ information kann beispielsweise die Information eines Sen­ sors am Lenkrad oder die Schalterstellung dienen, die in einer Lenkradelektronik in geeignete Frequenzsignale umge­ wandelt wird. Diese Signale lassen sich dann über die Wick­ lungen 2, 3 des Stators und einen Bandpaß 11 sowie eine erste Statorelektronik 12 auskoppeln und entweder in das elektro­ nische Netz CAN einspeisen oder direkt zur Auslösung von Aktuatoren (Hupe, Blinker, Radio) einsetzen. In umgekehrter Richtung können über eine zweite Statorelektronik 13 Sensor­ informationen oder Informationen aus dem Netz CAN in für den Bandpaß 9 geeignete Frequenzen umgesetzt werden, so daß die­ se Informationen über die Lenkradelektronik 10 verarbeitet und somit zur Betätigung geeigneter Aktuatoren (z. B. Zündpille für Airbag) ausgewertet werden können.

In der Zeichnung ist noch ein Generator 14 gezeigt, der die für die Aktivierung des Resolvers notwendige Frequenz F0 in die Primärwicklung 1 einspeist, da diese Frequenz für die Drehwinkelmessung benötigt wird.

Fig. 3 zeigt noch eine weiter vereinfachte Darstellung der Zusammenhänge nach Fig. 2. Dabei ist zusätzlich zu dem nach Fig. 2 Dargestellten gezeigt, daß die Spannungsversorgung für die Lenkradelektronik 10 ebenfalls berührungslos über die Wicklungen 1 bis 5 des Resolvers zum Lenkrad hin über­ tragen werden kann. Außerdem sind noch ziffernmäßig die An­ zahl der parallel geführten Leitungen angedeutet. Zusätzlich zu den Anwendungen nach Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt, daß die Zentralelektronik und auch Teile des Resolvers selbst (Stator) in den Lenkstockschalter 15 integriert werden kön­ nen. Über die Zentralelektronik können auch Schaltzustände des Lenkstockschalters 15 über den CAN-Bus den chassisfest angeordneten elektrischen Geräten übertragen werden.

Fig. 4 deutet noch die Möglichkeit an, die Informationen zur Winkelerkennung (F0 = 10 kHz) und die verbleibenden Schalt­ informationen im Zeitmultiplex zu übertragen. Dabei ist durch die Größe A die Übertragung einer Information darge­ stellt, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums t1, t2, t3 übertragen wird.

In Fig. 5 ist angedeutet, daß für die gesicherte Übertragung der Schaltinformationen ein im höheren Bereich der Frequen­ zen f arbeitender Bandpaß verwendet wird, während die Dreh­ winkelinformationen bei einer Frequenz von 10 kHz bearbeitet werden.

Claims (5)

1. Meßeinrichtung zur Messung des Lenkwinkels α eines Fahr­ zeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwicklung (5) eines Resolvers mit der Lenksäule eines Fahrzeugs gekop­ pelt ist und die zur Bestimmung des Lenkwinkels dienen­ den Ausgangssignale des Resolvers an der ortsfesten Se­ kundärwicklung (2, 3) des Resolvers abgegriffen werden.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Lenkrad eine elektrische Einrichtung verbun­ den ist, die von einer chassisfesten Stromquelle und/oder Steuereinrichtung mit Signalen zur Energiever­ sorgung bzw. Betätigung versorgt wird oder welche der­ artige Signale abgibt und daß die Einrichtung mit An­ schlüssen der Rotorwicklung des Resolvers verbunden ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisesignale (f₀, 10 kHz) zum Betrieb des Resolvers als zur Winkelmesser- (α) und/oder Betriebs­ signale zur Erzielung der Versorgungs- bzw. Betätigungs­ signale in die Primärwicklung (1) im Zeitmultiplex oder Frequenzmultiplex (parallel durch Filterschaltung (6, 9, 11)) voneinander getrennte Kanäle in die Primär­ wicklung (1) des Resolvers eingespeist werden.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektrischen Ein­ richtung um eine Auslöseschaltung eines Airbag oder Steuerschaltungen zur Einschaltung von elektrischen Ge­ räten wie Autohupe, Radio oder Fahrzeugleuchten handelt.

5. Meßeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur berührungslosen Über­ tragung von Steuersignalen zwischen Lenkrad und entspre­ chenden chassisfesten Geräten Codierschaltungen bzw. Decodierschaltungen vorgesehen sind, welche die über einen neben den Meßsignalen zu übertragenden, die ent­ sprechende Betätigung auslösenden Informationssignale derart verschlüsseln bzw. entschlüsseln, daß über einen einzigen Kanal verschiedene Geräte betätigende Signale übertragbar sind.