DE19739823A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Winkels eines ersten drehbaren Körpers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Winkels eines ersten drehbaren KörpersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung des Winkels eines ersten drehbaren Körpers, der
mit zwei weiteren drehbaren Körpern zusammenwirkt, wobei
der Winkel der beiden weiteren Körper gemessen und daraus
der Winkel des ersten Körpers ermittelt wird.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 06 938 A1
bekannt. Dort ist als erster drehbarer Körper ein erstes
Zahnrad vorgesehen, das mit einer Anzahl Zähne versehen ist
und das um mehr als 360° drehbar ist. Die beiden weiteren
drehbaren Körper sind ebenfalls Zahnräder, die mit dem
ersten Zahnrad in Eingriff sind, und deren Anzahl Zähne
kleiner ist als die Anzahl des ersten Zahnrads. Des
weiteren unterscheiden sich die Anzahl der Zähne der beiden
weiteren Körper beispielsweise um einen Zahn.
Jedem der beiden weiteren Körper ist ein Sensor zugeordnet,
mit dem der Winkel des Körpers absolut, also auch bei
ruhendem Körper meßbar ist. Aus den gemessenen Winkeln der
beiden weiteren Körper kann der Winkel des ersten Körpers
ermittelt werden.
Die Genauigkeit des ermittelten Winkels des ersten Körpers
kann durch eine entsprechende Wahl der Anzahl der Zähne des
ersten Körpers und der beiden weiteren Körper beeinflußt
werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß auch nach
einer diesbezüglichen Optimierung der ermittelte Winkel des
ersten Körpers noch Ungenauigkeiten aufweist.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
derart weiterzubilden, daß eine exakte Ermittlung des
Winkels des ersten drehbaren Körpers möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer
Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Winkel der beiden weiteren Körper
gleichzeitig gemessen wird.
Durch die gleichzeitige Messung wird sichergestellt, daß
auch dann, wenn die Winkel der beiden weiteren Körper
während einer Drehung der Körper gemessen werden, eine
exakte Ermittlung des Winkels des ersten Körpers möglich
ist. Würden die Winkel der beiden weiteren Körper nicht
gleichzeitig gemessen werden, so könnte dies insbesondere
bei einer Drehung der Körper zur Folge haben, daß sich der
später vermessene Körper sich bereits um ein geringfügiges
Delta weitergedreht hat. Dieses Delta ist an sich sehr
klein, kann jedoch trotzdem dazu führen, daß in der
nachfolgenden Ermittlung des Winkels des ersten Körpers die
erforderliche Genauigkeit nicht mehr erreicht werden kann.
Dies wird durch die gleichzeitige Messung der Winkel der
beiden weiteren Körper sicher vermieden. Die Messung der
Winkel der beiden weiteren Körper wird also synchronisiert,
mit dem wesentlichen Vorteil, daß dadurch die Genauigkeit
der Ermittlung des Winkels des ersten Körpers verbessert
wird.
Aufgrund der Synchronisierung werden die Winkel der beiden
anderen Körper zu einem gleichen Abtastzeitpunkt, d. h.
gleichzeitig gemessen. Die Synchronisierung bzw. die
Festlegung des gleichen Abtastzeitpunktes, und somit die
gleichzeitige Messung, erreicht man mit Hilfe eines
Signals, mit dem die Messung der beiden Winkel gestartet
wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
die gemessenen Winkel der beiden weiteren Körper
gespeichert. Auf diese Weise wird erreicht, daß die
Ermittlung des Winkels des ersten drehbaren Körpers von der
Messung der Winkel der beiden weiteren Körper unabhängig
ist. Es ist also nicht erforderlich, die gemessenen Winkel
der beiden weiteren Körper unmittelbar weiterzuverarbeiten,
sondern es wird durch die Speicherung der gemessenen Winkel
möglich, diese gemessenen Winkel unabhängig vom Zeitpunkt
der Messung zu verarbeiten.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn jeder der beiden weiteren
Körper mit einem Magneten versehen ist, dem ein AMR-Sensor
zugeordnet ist, der zur Messung des Winkels des zugehörigen
weiteren Körpers vorgesehen ist, und wenn eine
Auswerteschaltung vorgesehen ist, die mit den beiden
AMR-Sensoren gekoppelt ist, und die zur Auswertung und ggf. zur
Umformung der gemessenen Winkel der beiden weiteren Körper
vorgesehen ist. Die genannten AMR-Sensoren sind dazu
geeignet, die Winkel der beiden weiteren Körper absolut zu
messen. Die Winkel können also gemessen werden, ohne daß
es hierzu erforderlich wäre, die beiden Körper in eine
Drehung zu versetzen. Die den beiden AMR-Sensoren
zugeordnete Auswerteschaltung ist dazu vorgesehen, die
gemessenen Winkel in einem ersten Schritt
weiterzuverarbeiten. Insbesondere ist es möglich, daß die
Auswerteschaltung die gemessenen Winkel beispielsweise im
impulslängenmodulierte oder in sonstige digitale Signale
umformt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die
Auswerteschaltung mit Mitteln, insbesondere mit Sample-and-
Hold-Gliedern, zur Speicherung der gemessenen Winkel der
beiden weiteren Körper versehen. Auf diese Weise wird die
bereits erwähnte Entkopplung der Messung der Winkel der
beiden weiteren Körper von der Ermittlung des Winkels des
ersten Körpers in einfacher Weise durchgeführt.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn zur Ermittlung des
Winkels des ersten Körpers ein Rechengerät, insbesondere
ein programmierbarer Microprozessor, vorgesehen ist. Damit
ist es auf besonders einfache Weise möglich, die Ermittlung
des Winkels des ersten Körpers beispielsweise an die
Geometrie der beiden weiteren Körper anzupassen. Dabei ist
es nur erforderlich, die entsprechenden Werte in dem
Programm des Mikroprozessors zu verändern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann
das Rechengerät ein Startsignal erzeugen, mit dem die
gleichzeitige Messung der Winkel der beiden weiteren Körper
durch die beiden AMR-Sensoren auslösbar ist. Das
Rechengerät ist also für die gleichzeitige Messung der
Winkel der beiden weiteren Körper verantwortlich. Das
Rechengerät löst dabei diese gleichzeitige Messung dadurch
aus, daß es ein einziges Startsignal erzeugt, mit dem bei
beiden AMR-Sensoren die Messungen hervorgerufen werden.
Dies stellt eine sichere, aber trotzdem sehr einfache
Möglichkeit dar, die gleichzeitige Messung der Winkel der
beiden weiteren Körper zu realisieren.
Durch dieses gemeinsame Startsignal erreicht man, daß die
Winkel der beiden weiteren Körper zu einem gleichen
Abtastzeitpunkt, d. h. gleichzeitig gemessen werden. Der
gleiche Abtastzeitpunkt wird durch das Startsignal
definiert bzw. vorgegeben.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist
eine Leitung vorgesehen, über die das Rechengerät mit der
Auswerteschaltung verbunden ist, und auf der das
Startsignal der Auswerteschaltung zuführbar ist. Mit Hilfe
dieser Leitung wird die Auswerteschaltung mit dem
Startsignal beaufschlagt.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren
der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle
beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in
beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den
Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung
bzw. in der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Ermittlung des Winkels eines
ersten drehbaren Körpers,
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer
elektrischen Schaltung für die Vorrichtung der
Fig. 1 und
Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm zweier in der
Schaltung der Fig. 2 auftretender Signale.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, die
einen ersten drehbaren Körper sowie zwei weitere drehbare
Körper aufweist. Als erster drehbarer Körper ist ein
Zahnrad 2 vorgesehen, das eine Anzahl von n Zähnen
aufweist. Die beiden weiteren drehbaren Körper sind
ebenfalls als Zahnräder 3, 4 ausgebildet, wobei das Zahnrad
3 eine Anzahl von m Zähnen und das Zahnrad 4 eine Anzahl
von m+1 Zähnen aufweist.
Das Zahnrad 2 ist beispielsweise mit einem Lenkrad eines
Kraftfahrzeugs gekoppelt. Insbesondere ist das Zahnrad 2
auf einer Achse 5 aufgebracht, die ein Bestandteil des
genannten Lenkrads darstellt.
Jedes der beiden Zahnräder 3, 4 ist mit einem Magneten 6
versehen, wobei jeder der Magnete 6 ein in einer bestimmten
Richtung ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt.
Die beiden Zahnräder 3, 4 und das Zahnrad 2 befinden sich
in Eingriff, so daß eine Drehung des Zahnrads 2
entsprechende Drehungen der Zahnräder 3, 4 bewirkt.
Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl Zähne der Zahnräder
2, 3, 4 sind die Drehwinkel der Zahnräder 2, 3, 4 bei einer
Drehung unterschiedlich.
Der Drehwinkel des Zahnrads 2 kann kleiner als 360° sein.
Insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung 1 bei einem
Lenkrad eines Kraftfahrzeugs kann das Zahnrad 2 mehrere
Drehungen ausführen. Insbesondere beträgt der Drehwinkel
des Zahnrads 2 zum Beispiel 1440°. Die Drehwinkel der
beiden Zahnräder 3, 4 sind vorzugsweise nicht begrenzt.
In der Fig. 2 ist eine Schaltung 7 dargestellt, die der
Vorrichtung 1 der Fig. 1 zugeordnet ist. Die Schaltung 7
der Fig. 2 weist zwei sogenannte AMR-Sonsoren 8, 9 auf,
bei denen es sich um Elemente mit einem veränderlichen
Widerstand handelt (AMR = anisitroper magnetischer
Widerstand). AMR-Sensoren sind Sensoren, die ihren
Widerstandswert abhängig davon ändern, wie der Sensor in
einem externen magnetischen Feld ausgerichtet ist. Folglich
eignen sich AMR-Sensoren zur Erfassung des Drehwinkels von
Körpern, an denen beispielsweise ein Magnet befestigt ist.
Die beiden AMR-Sensoren 8, 9 sind mit einer
Auswerteschaltung 10 verbunden, die aus zwei Blöcken 11, 12
zusammengesetzt ist. Dabei beaufschlagt der erste
AMR-Sensor 8 den Block 11 und der zweite AMR-Sensor 9 den Block
12. Die Auswerteschaltung 10 ist mit einem Rechengerät 13,
insbesondere einem Mikroprozessor verbunden. An das
Rechengerät 13 ist eine Takterzeugung 14 sowie ein Speicher
15 angeschlossen. Von einer Spannungsversorgung 16 wird
eine Versorgungsspannung Vcc erzeugt, mit der das
Rechengerät 13, die Takterzeugung 14, der Speicher 15, die
beiden Blöcke 11, 12 der Auswerteschaltung 10, sowie die
beiden AMR-Sensoren 8, 9 versorgt werden. Bei Verwendung
der Schaltung in einem Kraftfahrzeug, wird die genannte
Versorgungsspannung Vcc aus der Batteriespannung des
Kraftfahrzeugs erzeugt.
Über eine Mehrzahl weiterer Leitungen ist das Rechengerät
mit sonstigen Einrichtungen verbunden. Bei der Verwendung
der Schaltung 7 in einem Kraftfahrzeug ist das Rechengerät 13
über die genannten Leitungen insbesondere mit einem
Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der Funktionen
des Kraftfahrzeugs verbunden.
Die beiden AMR-Sensoren 8, 9 sind den beiden Magneten 6 der
beiden Zahnräder 3, 4 zugeordnet. Jeder der Magnete 6
erzeugt in dem zugehörigen ortsfesten AMR-Sensor 8, 9 eine
Spannung, die vom Winkel des zugehörigen Zahnrads 3, 4
abhängig ist. Bei einer Drehung des jeweiligen Zahnrads 3,
4 entsteht ein Spannungsverlauf der über einen Winkel von
etwa 180° ansteigt, um danach über einen Winkel von etwa
180° wieder abzufallen. Nach einer Umdrehung des Zahnrads
3, 4, also nach 360° wiederholt sich dieser
Spannungsverlauf.
In der Fig. 3 ist der Spannungsverlauf dargestellt, der
von den beiden AMR-Sensoren 8, 9 erzeugt wird, wenn sich
die Zahnräder 3, 4 drehen. Auf der horizontalen Achse ist
dabei die Drehung des Zahnrads 2 aufgetragen, die sich in
einem Bereich von 0° bis 1440° erstreckt. Eine derartige
Drehung des Zahnrads 2 bewirkt eine Vielzahl von Drehungen
der Zahnräder 3, 4. Diese Vielzahl der Drehungen der
Zahnräder 3, 4 hat wiederum zur Folge, daß sich die von den
beiden AMR-Sensoren 8, 9 erzeugten Spannungen verändern.
Dies ist auf der horizontalen Achse des Diagramms der Fig.
3 aufgetragen. Dabei bedeutet ein Anstieg des
Spannungsverlaufs eine Drehung des zugehörigen Zahnrads 3,
4 um 180°.
Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl Zähne der Zahnräder
3, 4 ergeben sich unterschiedliche Spannungsverläufe bei
den beiden AMR-Sensoren 8, 9. Wie dies in der Fig. 3
dargestellt ist, ist die Spannung der beiden AMR-Sensoren
8, 9 bei einem Winkel von 0° des Zahnrads 2 ebenfalls 0°.
Wird nun das Zahnrad 2 gedreht, so steigt die Spannung der
beiden AMR-Sensoren 8, 9 an. Aufgrund der unterschiedlichen
Anzahl Zähne der beiden Zahnräder 3, 4 ist dieser Anstieg
unterschiedlich steil. Dies hat zur Folge, daß die beiden
von den AMR-Sensoren 8, 9 erzeugten Spannungsverläufe nicht
identisch sind. Dies ist aus der Fig. 3 insbesondere bei
etwas größeren Winkeln des Zahnrads 2 zu erkennen, bei
denen die beiden Spannungsverläufe der AMR-Sensoren 8, 9
wesentlich voneinander abweichen.
In Betrieb der Vorrichtung 1 und der Schaltung 7 wird die
Spannung der beiden AMR-Sensoren 8, 9 gemessen. Diese
Spannung ist gleichbedeutend mit den Winkeln der beiden
Zahnräder 3, 4.
Aus diesen beiden gemessenen Winkeln der Zahnräder 3 und 4
und insbesondere aus der Differenz der beiden genannten
Winkel kann auf dem Winkel des Zahnrads 2 geschlossen
werden. In diese Berechnung des Winkels des Zahnrads 2
gehen dabei die Anzahlen n, m und m+1 der Zahnräder 2, 3
und 4 ein. Beispielhaft ist in der Fig. 3 der beschriebene
Zusammenhang für einen Winkel W eingezeichnet.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, ist eine Leitung 17
vorgesehen, mit der das Rechengerät 13 mit jedem der beiden
Blöcke 11, 12, und damit mit der Auswerteschaltung 10
verbunden ist. Auf der Leitung 17 ist ein Startsignal S der
Auswerteschaltung 10 und insbesondere den beiden Blöcken
11, 12 zuführbar, mit dem eine gleichzeitige Messung der
Winkel der beiden Zahnräder 3, 4 erreichbar ist. Diese
gleichzeitig gemessenen Winkel der beiden Zahnräder 3, 4
werden dann gespeichert.
Zu diesem Zweck ist in den beiden Blöcken 11, 12
insbesondere jeweils ein Sample-and-Hold-Glied enthalten,
das mit dem jeweils zugehörigen AMR-Sensor 8, 9 verbunden
ist. Des Weiteren ist das Sample-and-Hold-Glied von dem
Startsignal S beaufschlagt.
Erzeugt nun das Rechengerät 13 das Startsignal S, indem es
beispielsweise auf der Leitung 17 ein binäres Signal von
einem niederen auf ein hohes potential überführt, so hat
dies zur Folge, daß die beiden Sample-and-Mold-Glieder in
den beiden Blöcken 11 und 12 gleichzeitig die von den
beiden AMR-Sensoren 8, 9 gelieferten Spannungen einlesen
und speichern. Dies bedeutet, daß die von den beiden
AMR-Sensoren gemessenen Winkel der beiden Zahnräder 3, 4
synchron in den Sample-and-Hold-Gliedern gespeichert
werden.
Danach ist es möglich, daß das Rechengerät mit Hilfe
weiterer Ansteuersignale die gespeicherten Winkel der
beiden Zahnräder 3, 4 aus dem Sample-and-Hold-Gliedern der
beiden Blöcke 11, 12 ausliest und über entsprechenden
Leitungen 18, 19 in das Rechengerät 13 zur weiteren
Verarbeitung einliest.
Mit Hilfe des auf der Leitung 17 vorhandenen Startsignal S
erfolgt somit eine Synchronisierung der beiden Blöcke 11,
12 und damit letztlich eine Synchronisierung der Messung
der Winkel der beiden Zahnräder 3, 4. Damit ist der gleiche
Zeitbezug für die Messung der Winkel der beiden Zahnräder
3, 4 gewährleistet. Dies hat zur Folge, daß bei der
nachfolgenden Berechnung des Winkels des Zahnrads 2
aufgrund des genannten gleichen Zeitbezugs eine höhere
Genauigkeit erreichbar ist.
Der gleiche Zeitbezug für die Messung der Winkel der beiden
Zahnräder 3 bzw. 4 wird mit Hilfe des Startsignals S
realisiert. Durch den bereits oben angesprochenen Übergang
im Startsignal S von einem niederen auf ein höheres
Potential wird der Abtastzeitpunkt, und somit der gleiche
Zeitbezug, für die Messung besagter Winkel festgelegt bzw.
definiert. Ausgehend von dem Startsignal S wird ein
gemeinsamer Zeitbezug geschaffen, der zu einer
Synchronisierung der Messung der beiden Winkel und somit zu
einer gleichzeitigen Messung, d. h. zu einer Messung der
beiden Winkel zu einem Abtastzeitpunkt führt. Dabei ist es
durchaus denkbar, daß der Abtastzeitpunkt mit einem von
der Takterzeugung 14 erzeugten Zeitpunkt identisch ist.
Claims (12)
1. Verfahren zur Ermittlung des Winkels eines ersten
drehbaren Körpers, der mit zwei weiteren drehbaren
Körpern zusammenwirkt, wobei der Winkel der beiden
weiteren Körper gemessen und daraus der Winkel des
ersten Körpers berechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkel der beiden weiteren Körper
gleichzeitig gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die gemessenen Winkel der beiden weiteren Körper
gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Winkel der beiden weiteren
Körper mit einem gemeinsamen Zeitbezug, insbesondere
zu einem gleichen Abtastzeitpunkt, gemessen werden.
4. Vorrichtung (1, 7) zur Ermittlung des Winkels eines
ersten drehbaren Körpers, der mit zwei weiteren
drehbaren Körpern zusammenwirkt, wobei der Winkel der
beiden weiteren Körper meßbar und daraus der Winkel
des ersten Körpers berechenbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zur
gleichzeitigen Messung der Winkel der beiden weiteren
Körper.
5. Vorrichtung (1, 7) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der beiden weiteren Körper
mit einem Magneten (6) versehen ist, dem ein
AMR-Sensor (8, 9) zugeordnet ist, der zur Messung des
Winkels des zugehörigen weiteren Körpers vorgesehen
ist, und daß eine Auswerteschaltung (10) vorgesehen
ist, die mit den beiden AMR-Sensoren (8, 9) gekoppelt
ist, und die zur Auswertung und ggf. zur Umformung der
gemessenen Winkel der beiden weiteren Körper
vorgesehen ist.
6. Vorrichtung (1, 7) nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10) mit
Mitteln, insbesondere mit Sample-and-Hold-Gliedern,
zur Speicherung der gemessenen Winkel der beiden
weiteren Körper versehen ist.
7. Vorrichtung (1, 7) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des
Winkels des ersten Körpers ein Rechengerät (13)
insbesondere ein programmierbarer Mikroprozessor,
vorgesehen ist.
8. Vorrichtung (1, 7) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rechengerät (13) ein
Startsignal (S) erzeugen kann, mit dem die
gleichzeitige Messung der Winkel der beiden weiteren
Körper durch die beiden AMR-Sensoren (8, 9) auslösbar
ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß durch das Startsignal die Winkel der beiden
weiteren Körper mit einem gemeinsamen Zeitbezug,
insbesondere zu einem gleichen Abtastzeitpunkt,
gemessen werden.
10. Vorrichtung (1, 7) nach Anspruch 5 und Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (17)
vorgesehen ist, über die das Rechengerät (13) mit der
Auswerteschaltung (10) verbunden ist, und auf der das
Startsignal (S) der Auswerteschaltung (10) zuführbar
ist.
11. Vorrichtung (1, 7) nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper mit
einer Anzahl (n) von Zähnen versehen ist, und daß die
beiden weiteren Körper mit davon abweichenden,
unterschiedlichen Anzahlen (m, m+1) von Zähnen
versehen sind.
12. Vorrichtung (1, 7) nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper mit
einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
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