DE19736346C1 - Arrangement for transferring electrical energy between a vehicle and its steering wheel - Google Patents

Arrangement for transferring electrical energy between a vehicle and its steering wheel

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Abstract

The arrangement has at least two stator windings (L1,L2) on the vehicle side arranged orthogonally wrt. each other in a plane perpendicular to the steering axle. The stator windings form primary coils. A secondary coil is formed by a rotor winding (L3) coupled to the steering shaft so as to rotate with it but not arranged rotation symmetrically wrt. it. At least one further physical parameter superimposed on the induced voltage can be tapped from the secondary coil. Sinusoidal voltages are applied to the stator windings to enable the steering angle to be detected from the rotor winding.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenkradseite eines Kraft­ fahrzeuges mittels eines koaxial zur Lenkachse angeordneten Transfor­ mators. Derartige Vorrichtungen werden von der Automobilindustrie ge­ fordert als Schnittstelle Lenksäule-Lenkrad, welche die Energieübertra­ gung berührungslos und robust erfüllt.The invention relates to a device for transmitting electrical Energy between the vehicle side and the steering wheel side of a force vehicle by means of a Transfor arranged coaxially to the steering axis mators. Such devices are used by the automotive industry as the steering column-steering wheel interface, which transfers the energy non-contact and robust.

Bekannt ist aus der DE 41 20 650 A1 eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art mit einem Transformator, der aus einer fahrzeugseitig statio­ nären Primärspule und einer lenkradseitig drehfesten mit der Lenkwelle verbundenen Sekundärspule besteht. Zusätzlich wird zur Übertragung von Daten ein Kondensator benutzt, der aus fahrzeugseitig stationären, die Lenksäule umgebenden Leiterbahnen und lenkradseitig gegenüberste­ henden, die Lenkwelle umgebenden, drehfest mit dieser verbundenen Leiterbahnen aufgebaut ist. Die Datenübertragung erfolgt dabei unabhän­ gig von der Energieübertragung über den zusätzlich angeordneten Kon­ densator, wobei die Kondensatoranordnung zusätzlichen Bauraum erfor­ dert, der jedoch in diesem Bereich zwischen Lenksäule und Lenkrad nur in beschränktem Maße zur Verfügung steht.From DE 41 20 650 A1 a device of the entry ge is known named type with a transformer, which from a vehicle-side statio primary primary coil and a steering wheel side non-rotatable with the steering shaft connected secondary coil. In addition to the transfer of Data used a capacitor, the stationary from the vehicle side, the Steering column surrounding traces and opposite steering wheel side existing, surrounding the steering shaft, rotatably connected to this Conductor tracks is built. The data transfer is independent gig of the energy transfer via the additionally arranged con capacitor, the capacitor arrangement requiring additional space dert, but only in this area between the steering column and steering wheel is available to a limited extent.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Übertra­ gung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenk­ radseite eines Kraftfahrzeuges vorzuschlagen, welche einfach im Aufbau ist, relativ geringen Bauraum erfordert und die Kombination mit einer Lenkwinkelsensorik und gegebenenfalls einer Datenübertragung ermög­ licht.The object of the invention is to provide a device for transmission supply of electrical energy between the vehicle side and the steering Propose wheel side of a motor vehicle, which is simple in construction is, requires relatively little space and the combination with a Steering angle sensors and possibly a data transmission possible light.

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.A device is proposed to solve this problem with the Features of claim 1.

Der prinzipielle Aufbau solcher Vorrichtungen ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die mit den Angaben L1 und L2 bzw. L2' und L1' bezeichne­ ten Primärspulen, die orthogonal zueinander fahrzeugseitig befestigt sind, bilden die Statorwicklungen. Die mit der Lenkwelle drehfest gekoppelte Rotorwicklung bildet die Sekundärspule L3.The basic structure of such devices is shown in FIGS. 1 and 2. The primary coils designated L1 and L2 or L2 'and L1', which are fastened orthogonally to one another on the vehicle side, form the stator windings. The rotor winding coupled to the steering shaft in a rotationally fixed manner forms the secondary coil L3.

Zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik wird ein Verfah­ ren gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen. Legt man an die beiden Stator­ wicklungen L1 und L2 die Spannungen
A method according to claim 2 is proposed for detecting the angle of rotation of a steering angle sensor system. Applying the voltages to the two stator windings L1 and L2

uL1 = U . sin(ωt) + RP (ωt)
u L1 = U. sin (ωt) + R P (ωt)

uL2 = U . sin(ωt - π/2) + RP(ωt - π/2)
u L2 = U. sin (ωt - π / 2) + R P (ωt - π / 2)

so wird in der Rotorwicklung L3 die vom Verdrehwinkel θ abhängige Spannung
the voltage dependent on the angle of rotation θ becomes in the rotor winding L3

uL3 = kU . sin(ωt - θ) + RS(ωt - θ)
u L3 = kU. sin (ωt - θ) + R S (ωt - θ)

induziert, wobei k das Wicklungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite und θ den Drehwinkel des Lenkrades gegenüber der Lenkachse darstellen, dieser Drehwinkel durch Phasenvergleich zwischen einer Primärspannung und der Sekundärspannung er­ mittelbar ist und wobei RP(ωt) RS(ωt) Restterme darstellen, welche aus Harmonischen der Grundfrequenz zusammengesetzt sind und so ausgebildet sein müssen, daß sie gegenüber dem Basisterm vernachlässigbar sind. induced, where k is the winding ratio between the primary and secondary side and θ the angle of rotation of the steering wheel relative to the steering axis, this angle of rotation is indirect by phase comparison between a primary voltage and the secondary voltage and where R P (ωt) R S (ωt) represent residual terms, which are composed of harmonics of the fundamental frequency and must be designed so that they are negligible compared to the base term.

Der Drehwinkel θ geht also direkt in die Phase der Sekundärspannung ein und kann somit durch einen einfachen Phasenvergleich zwischen einer Primär und der Sekundärspannung ermittelt werden. Dieser Phasenver­ gleich kann dabei vorteilhaft durch einen flankengetriggerten start/stop- Zähler realisiert werden, welcher mit einem n-fachen der Primärspan­ nungsfrequenz getaktet wird. Die Winkelauflösung des Verfahrens beträgt dann
The angle of rotation θ therefore goes directly into the phase of the secondary voltage and can therefore be determined by a simple phase comparison between a primary and the secondary voltage. This phase comparison can advantageously be implemented by an edge-triggered start / stop counter, which is clocked at an n-fold the primary voltage frequency. The angular resolution of the method is then

Neben der Lenkwinkelsensorik wird die Anordnung auch zur induktiven Energieübertragung eingesetzt. Als besonders vorteilhaft erweist sich hierbei die Tatsache, daß der Drehwinkel θ lediglich in die Phase, nicht aber in den Scheitelwert der Sekundärspannung eingeht.In addition to the steering angle sensor system, the arrangement also becomes inductive Energy transfer used. It has proven to be particularly advantageous here the fact that the angle of rotation θ only in phase, not but is included in the peak value of the secondary voltage.

Es ist daher, unter der Voraussetzung, daß die Ableitung des Drehwinkels dθ/dt klein ist gegen die Kreisfrequenz ω der induzierten Spannung
It is therefore, provided that the derivative of the angle of rotation dθ / dt is small against the angular frequency ω of the induced voltage

uL3 = kU . sin(ωt - θ) + RS(ωt - θ)
u L3 = kU. sin (ωt - θ) + R S (ωt - θ)

ein konstanter Energiefluß unabhängig vom Drehwinkel θ möglich.constant energy flow possible regardless of the angle of rotation θ.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gesamtsy­ stemes Lenksäule-Lenkrad unter Verwendung der bekannten induktiven Energie­ übertragung und der zugehörigen Lenkwinkelsensorik, die durch eine ge­ eignete bidirektionale Datenübertragung Vorrichtung ergänzt werden kann. Mit E und S ist eine Drehtransformatoranordnung nach dem bereits genannten Stand der Technik bezeichnet. Fig. 3 shows a block diagram of the total system stemes steering column steering wheel according to the invention using the known inductive energy transmission and the associated steering angle sensor system, which can be supplemented by a suitable bidirectional data transmission device. E and S denote a rotary transformer arrangement according to the prior art already mentioned.

Über das Verfahren nach Anspruch 4 mit einer Vorrichtung nach An­ spruch 1 ist eine überlagerte Datenübertragung auf induktivem Wege für verschiedene elektrische bzw. elektronische Einrichtungen im Bereich des Lenkrades bzw. der Lenksäule möglich. Für eine solche Datenübertra­ gung auf induktivem Wege über einen für die Energieübertragung vorge­ sehenen Drehtransformator mit einer Lenkwinkelsensorik ist es notwen­ dig, diese Sensorik in einem Zeitmultiplexbetrieb zu betreiben, da an­ dernfalls eine gegenseitige Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden kann. Der Zeitmultiplex wird dadurch ermöglicht, daß der Drehtransfor­ mator mit einer derartig hohen Frequenz angesteuert wird, daß neben der für die Lenkwinkelsensorik geforderten Anzahl von Messungen (ca. 100 Messungen/sek.) noch hinreichend Zeit für die Datenübertragung zur Verfügung steht. Die Daten werden dabei in geeigneter Weise der für die Energieübertragung und Lenkwinkelsensorik zur Verfügung stehenden Trägerfrequenz aufmoduliert. Hierzu eignen sich Codemodulationsverfah­ ren, welche ein gleichanteilfreies, spektral - aber nicht amplitudenmodu­ liertes Signal erzeugen.About the method according to claim 4 with a device according to An saying 1 is a superimposed data transmission by inductive way for various electrical or electronic devices in the field of Steering wheel or the steering column possible. For such a data transfer supply via induction via a for energy transmission Rotary transformer with a steering angle sensor system is necessary dig to operate this sensor system in a time-division multiplex mode, since otherwise mutual interference cannot be excluded can. The time multiplexing is made possible by the fact that the rotary transfor  mator is driven with such a high frequency that in addition to the required number of measurements for the steering angle sensor system (approx. 100 Measurements / sec.) Still sufficient time for data transmission to the Available. The data will be used in a suitable manner for the Energy transmission and steering angle sensors are available Carrier frequency modulated. Code modulation methods are suitable for this ren, which is a DC component free, spectral - but not amplitude mod generate signal.

Beispielsweise ist hierfür in besonderer Weise geeignet die Codierung der Daten im Biphase-Mark-Code genannt, welcher einer Pulsweitenmodula­ tion mit zwei diskreten Pulsweiten, also zwei spektralen Anteilen unab­ hängig von der zu codierenden Bitfolge entspricht. Hierbei werden aufein­ anderfolgende "Nullen" als im Grundtakt abwechselnde Folge von High- und Low-Werten gebildet, während bei einer "Eins" ein zusätzlicher Wechsel innerhalb einer Periode des Grundtaktes erfolgt. Hierdurch ent­ steht auch bei langen Null- oder Einsfolgen ein zur induktiven Übertra­ gung und Taktrückgewinnung besonders geeignetes alternierendes Si­ gnal. Schematisch ist in Fig. 4 eine solche Codierung angegeben.For example, the coding of the data in the biphase mark code, which corresponds to a pulse width modulation with two discrete pulse widths, that is to say two spectral components, independently of the bit sequence to be coded, is particularly suitable for this purpose. In this case, successive "zeros" are formed as an alternating sequence of high and low values in the basic cycle, while in the case of a "one" an additional change takes place within a period of the basic cycle. This results in an alternating signal that is particularly suitable for inductive transmission and clock recovery, even with long zero or single sequences. Such a coding is shown schematically in FIG .

Außerdem muß aus der Sicht der Datenübertragung lediglich jedes n-te- Datenwort aus einer Nullfolge bestehen, um eine zeitlich in den Datenfluß eingebettete Lenkwinkelsensorik zu ermöglichen. Beispielshaft wird eine solche Datenwortfolge in Fig. 5 angegeben.In addition, from the point of view of data transmission, only every nth data word has to consist of a zero sequence in order to enable a steering angle sensor system that is embedded in the data flow over time. Such a data word sequence is given by way of example in FIG. 5.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenkradseite eines Kraftfahrzeuges ge­ kennzeichnet durch mindestens zwei fahrzeugseitig in einer Ebene senkrecht zur Lenkachse zueinander orthogonal angeordnete, die Primärspulen bildende Statorwicklun­ gen (L1, L2) und eine mit der Lenkwelle drehfest gekoppelte, je­ doch nicht zur Lenkwelle rotationssymmetrische Rotorwicklung (L3) als Sekundärspule, an der zumindest eine weitere der induzierten Spannung aufgeprägte physikalische Größe abgreifbar ist.1.Device for the transmission of electrical energy between the vehicle side and the steering wheel side of a motor vehicle, characterized by at least two vehicle-side stator windings (L1, L2) which are arranged orthogonally to one another in a plane perpendicular to the steering axis and which are rotatably coupled to the steering shaft, but not as a secondary coil rotationally symmetrical rotor winding (L3) on which at least one further physical quantity impressed on the induced voltage can be tapped. 2. Verfahren zur Betreibung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik an den Statorwicklungen (L1, L2) folgende Spannungen anzulegen sind:
uL1 = U . sin(ωt) + RP (ωt)
uL2 = U . sin(ωt - π/2) + RP(ωt - π/2)
derart, daß in der Rotorwicklung (L3) eine Spannung
uL3 = kU . sin(ωt - θ) + RS(ωt - θ)
induziert wird, wobei k das Wicklungsverhältnis zwischen Primär und Sekundärseite und θ den Drehwinkel des Lenkrades gegen­ über der Lenkachse darstellen, dieser Drehwinkel durch Phasen­ vergleich zwischen einer Primärspannung und der Sekundärspan­ nung ermittelbar ist und wobei RP(ωt) RS(ωt) Restterme darstellen, welche aus Harmonischen der Grundfrequenz zusammengesetzt sind und so ausgebildet sein müssen, daß sie gegenüber dem Ba­ sisterm vernachlässigbar sind.2. A method of operating a device according to claim 1, characterized in that the following voltages are to be applied to the stator windings (L1, L2) to detect the angle of rotation of a steering angle sensor:
u L1 = U. sin (ωt) + R P (ωt)
u L2 = U. sin (ωt - π / 2) + R P (ωt - π / 2)
such that a voltage in the rotor winding (L3)
u L3 = kU. sin (ωt - θ) + R S (ωt - θ)
is induced, where k is the winding ratio between the primary and secondary side and θ the angle of rotation of the steering wheel relative to the steering axis, this angle of rotation can be determined by phase comparison between a primary voltage and the secondary voltage and where R P (ωt) R S (ωt) residual terms represent which are composed of harmonics of the fundamental frequency and must be designed so that they are negligible compared to the Ba sisterm. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleich durch einen flankengetriggerten start/stop-Zähler erfolgt, welcher mit einem n-fachen der Primärspannungsfrequenz getaktet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the Phase comparison using an edge-triggered start / stop counter takes place, which with an n times the primary voltage frequency is clocked.   4. Verfahren zur Datenübertragung mit einer Vorrichtung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit den Verfahren zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik nach Anspruch 2 oder 3 die Spulen im Zeitmultiplexbetrieb mit ho­ her Frequenz angesteuert werden, wobei die zu übertragenden Daten der Trägerfrequenz aufmoduliert werden.4. Method for data transmission with a device according to An saying 1, characterized in that in connection with the Method for detecting the angle of rotation of a steering angle sensor system according to claim 2 or 3, the coils in time division with ho forth frequency can be controlled, the to be transmitted Carrier frequency data are modulated.
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