DE19744722A1

DE19744722A1 - Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE19744722A1
Application number: DE19744722A
Authority: DE
Inventors: Matthias Moerbe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: US6163746A; JPH11192963A; FR2769702B1; DE19744722B4; IT1302576B1; JP4215310B2; ITMI982110A1; FR2769702A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraft fahrzeugen mit einer Lenksäule, einem Lenkgetriebe und Spurstangen, bei der mit ersten Mitteln ein Feinsignal abgeleitet wird, das die Winkelstellung der Lenksäule anzeigt, bei der mit zweiten Mitteln ein Grobsignal abgeleitet wird, das die Anzahl der Umdrehungen der Lenksäule in der einen oder anderen Dreh richtung angibt, und bei der durch Verknüpfung von Feinsignal und Grobsignal der Lenkwinkel ermittelt wird.

Für bestimmte Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen, z. B. für die Fahrdynamik regelung, wird aus Sicherheitsgründen sofort nach Betätigung des Zündschalters des Kraftfahrzeuges die aktuelle Lenkradposition benötigt. In derartig aus gerüsteten Kraftfahrzeugen sind daher Lenkradwinkelsensoren erforderlich, die als Absolutsensoren unmittelbar nach dem Einschalten eine eindeutige Winkeler kennung ermöglichen. Ein Lenkradwinkelsensor ist aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 95/00343 bekannt.

Dieser bekannte Sensor zum Erfassen des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeuges weist eine erste Codierscheibe auf, die von einer ersten Anzahl von Aufnehmern abgetastet wird und sich mit derselben Geschwindigkeit wie das Lenkrad dreht. Eine zweite Codierscheibe dreht sich mit einem Viertel der Geschwindigkeit der ersten Codierscheibe und weist drei Codespuren auf, die von einer zweiten Anzahl von Aufnehmern abgetastet werden. In einem zugeordneten Mikrocon troller wird aus dem Ausgangssignal der der ersten Codescheibe zugeordneten Aufnehmer das sogenannte Feinsignal gewonnen, während die zweiten Aufneh mer das Grobsignal liefern, da sich erst nach einer Winkeldrehung von ± 720°, also 1440° wiederholt. Durch geeignete Verknüpfung der erzeugten Fein- und Grobsignale kann jederzeit eine eindeutige Winkelbestimmung durchgeführt werden.

Bei dem bekannten Sensor zum Erfassen des Lenkradwinkels werden also Code scheiben eingesetzt, die an vorgebbaren Stellen Aussparungen aufweisen, wobei diese Aussparungen den eigentlichen Code bilden. Als Aufnehmer werden Hall schranken eingesetzt, die mit je einem Magneten zusammenarbeiten. Die Hall schranken befinden sich dabei auf einer Seite der Codescheibe, während die Magnete auf der anderen Seite der Codescheibe angeordnet sind. Damit wirkt die Codescheibe als Blende und die Hallschranken geben Ausgangssignale ab, die erkennen lassen, ob sich zwischen ihnen und den zugeordneten Magneten eine Aussparung der Codescheibe befindet oder nicht.

Die bekannte Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen ist sehr aufwendig, insbesondere was die Herstellungstechnik und den konstruk tiven Aufbau betrifft. Wird das Grobsignal über ein von der Lenksäule ge steuertes Getriebe abgeleitet, dann gehen Toleranzen sehr stark in die Genauigkeit des ermittelten Lenkwinkels ein. Außerdem ist für die Anordnung ein entsprechendes Antriebsmoment erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß mit wesent lich reduziertem Aufwand und praktisch vernachlässigbarem Antriebsmoment eine genauere Erfassung des Lenkwinkels ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als erste Mittel ein Dauermagnet mechanisch fest mit der Lenksäule verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfind lichen Feinsignal-Sensor dreht, daß der Feinsignal-Sensor ein der Winkelstellung der Lenksäule entsprechendes analoges Feinsignal abgibt, und daß als zweite Mittel einer Spurstange eine Grobsignal-Sensoreinrichtung zugeordnet ist, welche die Verstellung der Spurstange innerhalb ihres gesamten Verstellberei ches nach Teilbereichen und Verstellrichtung berührungslos erfaßt und als digitale Grobsignale abgibt.

Bei dieser Ausgestaltung trägt die Lenksäule nur den Dauermagneten und eine Spurstange den Magnetstreifen. Die übrigen Elemente, wie Feinsignal-Sensor und Grobsignal-Sensor samt Auswerteeinrichtungen sind berührungslos mit dem Lenkmechanismus gekoppelt und können leicht an unterschiedlichen Lenksyste men angebracht werden. Die Toleranzen der kardanisch getriebenen Lenksäule werden eliminiert und die Anordnung ist unabhängig von der Konstruktion der Lenksäule und dem Lenkstockschalter. Ist das Kraftfahrzeug mit einer der ver schiebbaren Lenksäule versehen, dann wird mit der neuen Anordnung das Crashverhalten der Lenksäule nicht beeinträchtigt.

Die Grobsignal-Sensoreinrichtung ist leicht an andere Übersetzungen im Lenk getriebe, z. B. für Nutzfahrzeuge, anpaßbar. Ein weiterer Vorteil der neuen Ausgestaltung liegt darin, daß die Anordnung selbst keine Geräusche erzeugt. Die Sensoren brauchen nicht im Stand-by-Betrieb arbeiten, da mit der Ein schaltung der Versorgungsspannung sofort der aktuelle Lenkwinkel über das analoge Feinsignal und das digitale Grobsignal erfaßt wird.

Die Erfassung der Winkelstellung der Lenksäule wird dann besonders einfach, wenn vorgesehen wird, daß als magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor ein AMR-Sensor (anisotrope magnete resistance) verwendet ist, der in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Dauermagneten ein potentiometrisches Feinsignal abgibt.

Die Stellung der Spurstange in dem vorgegebenen, maximalen Verstellbereich wird nach einer Ausgestaltung dadurch eindeutig erfaßt, daß mit der Spurstange ein Magnetstreifen verbunden ist, der entsprechend der Teilbereiche ihres Verstellbereiches in Magnetfelder mit verschiedenen Magnetfeldrichtungen unterteilt ist, und daß ein Grobsignal-Sensor entsprechend der erfaßten Magnetfeldrichtungen zugeordnetes Grobsignale abgibt. Nach einer Ausgestal tung kann so verfahren werden, daß die Magnetfelder des Magnetstreifens eine Breite aufweisen, die der Verstellung der Spurstange bei einer halben Um drehung der Lenksäule entspricht.

Dabei wird ein schneller Übergang im Grobsignalcode dadurch sichergestellt, daß der Magnetstreifen in zwei Hälften mit jeweils gleicher Anzahl von vier Magnet feldern unterteilt ist, daß in jeder Hälfte von Magnetfeld zu Magnetfeld die Magnetfeldrichtung sich um 90° verändert und daß in der Mitte des Magnet streifens sich die Magnetfeldrichtung der benachbarten Magnetfelder um 135° ändert.

Als brauchbar hat sich ein Magnetstreifen erwiesen, der als magnetisierbarer Polymerstreifen hergestellt ist.

In zweckmäßiger Weise kann die Anordnung so erweitert sein, daß das analoge Feinsignal des Feinsignal-Sensors und das digitale Grobsignal des Grobsignal- Sensors einem Konverter zuführbar sind, der entsprechend des ermittelten Lenkwinkels angepaßte Informationssignale an eine Weiterverarbeitungsein richtung liefert.

Die Erfindung wird anhand eines anhand der Zeichnungen dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Lenkantrieb für ein Kraftfahrzeug,

Fig. 2 als Prinzip-Blockschaltbild die Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für einen an einer Spurstange an bringbaren Magnetstreifen,

Fig. 4 ein Spannungsdiagramm des Feinsignal-Sensors und

Fig. 5 einen Konverter zur Aufbesserung der Fein- und Grobsignale.

Von dem Lenkantrieb ist in Fig. 1 nur das untere Ende der Lenksäule 1 und das damit angetriebene Lenkgetriebe 4 schematisch dargestellt. Das Lenkgetriebe 4 steuert die Stellbewegung der beiden Spurstangen 2 und 3 in der Weise, daß bei einer Drehbewegung der Lenksäule 1 in dem Uhrzeigersinn beide Spurstangen 2 und 3 nach links und entgegen dem Uhrzeigersinn nach rechts verstellt werden. Dabei hängt der Verstellweg von dem Verstellwinkel α der Lenksäule 1 ab.

Wie Fig. 2 zeigt, ist mit der Lenksäule 1 ein Dauermagnet 10 mechanisch fest verbunden, so daß sich dieser spielfrei mit der Lenksäule 1 verdreht. Vor dem Dauermagneten 10 ist ein Feinsignal-Sensor 11 zum Erfassen des Verstellwin kels a angeordnet, der z. B. als magnetfeldrichtungsempfindlicher AMR-Sensor (anisotrope magnetic resistance) ausgebildet ist. Der Feinsignal-Sensor 11 erhält über seine Anschlüsse 12 und 14 die Versorgungsspannung und gibt an dem Ausgang 13 das Feinsignal ab, das entsprechend Fig. 4 je nach Winkelstellung α der Lenksäule 1 und damit des als Stabmagnet ausgebildeten Dauermagneten 10, welcher quer zur Längsachse der Lenksäule 1 und symmetrisch zu dieser angeordnet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gibt der Feinsignal-Sensor 11 in der Ausgangsstellung der Lenksäule 1 den unteren Spannungswert der ana logen Spannung V ab. Sowohl bei der Verstellung der Lenksäule 1 im Uhr zeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinnes nimmt mit zunehmendem Verstell winkel die Spannung V in der ersten Halb-Umdrehung bis auf den oberen Span nungswert zu. In der anschließenden Halb-Umdrehung nimmt die Spannung V wieder kontinuierlich auf den unteren Spannungswert ab. Dies bedeutet, daß die ungeradzahligen Halb-Umdrehungen der Lenksäule 1 Spannungsanstieg und die geradzahlingen Halb-Umdrehungen bezogen auf die der Geradeausfahrt zugeord neten Ausgangsstellung durch Spannungsabfall gekennzeichnet sind.

Um die Winkelstellung der Lenksäule 1 und damit den aktuellen Lenkwinkel zu erhalten, muß das Grobsignal nach Halb-Umdrehungen codierte Grobsignale liefern. Dazu ist ein Grobsignal-Sensor 5 vorgesehen, der abgedichtet in das Lenkgetriebe 4 eingeführt ist und die Verstellung einer Spurstange 2 in den beiden Verstellrichtungen nach Halb-Umdrehungen der Lenksäule 1 erfaßt. Dem Grobsignal-Sensor 5 ist ein Magnetstreifen 9 zugeordnet ist, der an der Spur stange 2 angebracht ist und sich am Grobsignal-Sensor 5 vorbei bewegt. Der Magnetstreifen 9 ist als magnetisierbarer Polymerstreifen ausgebildet, der nach dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in acht Magnetfelder a bis h unter teilt ist, die alle verschiedene Magnetfeldrichtungen aufweisen. Der Grobsignal- Sensor 5 ist magnetfeldrichtungsempfindlich und gibt je nach Stellung zu den Magnetfeldern a bis h acht verschiedene digitale Grobsignale ab. Die Breite der Magnetfelder a bis h erstreckt sich jeweils über einen Teil-Verstellweg der Spur stange 2, die einer halben Umdrehung von 180° der Lenksäule 1 entspricht. Beim Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Magnetstreifen 9 über acht Mag netfelder, die einer zweifachen Umdrehung der Lenksäule 1 in jeder Drehrichtung zugeordnet sind. Der gesamte Verstellbereich der Spurstange 2 wird also durch den Magnetstreifen 9 in acht gleiche Teil-Verstellbereiche unterteilt, der sich an dem feststehenden Grobsignal-Sensor 5 vorbei bewegt. In der Ausgangsstellung steht der Grobsignal-Sensor 5 zwischen den Magnetfeldern d und e. In jeder Stellung des Lenkgetriebes 4 kann daher sofort der aktuelle Lenkwinkel abge leitet werden, wobei das am Feinsignal-Sensor 11 anstehende analoge Feinsignal und das am Grobsignal-Sensor 5 anstehende digitale Grobsignal miteinander ver knüpft werden.

Wie Fig. 5 zeigt, kann die Versorgungsspannung für die Sensoren auch über einen Konverter 18 erfolgen, dem das Feinsignal vom Ausgang 13 und das Grobsignal vom Ausgang 7 der Sensoren 10 und 5 zugeführt werden. Der Kon verter 18 wird über die Anschlüsse 15 und 17 gespeist und liefert am Ausgang 16 ein Informationssignal, das aus dem anstehenden Feinsignal und dem an stehenden Grobsignal abgeleitet wird und an eine Weiterverarbeitungsein richtung, wie ein CAN-, VAN-, SCP- oder PWM-System angepaßt ist. Der Kon verter 18 kann, wie die Anschlüsse 6, 8, 12 und 14 zeigen, auch die Versor gung der Sensoren 5 und 9 mit einer Versorgungsspannung übernehmen. Der Konverter 18 und die Sensoren 5 und 9 können als Anbaugerät für das Lenk getriebe 4 ausgebildet sein.

Claims

1. Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen mit einer Lenksäule, einem Lenkgetriebe und Spurstangen, bei der mit ersten Mit teln ein Feinsignal abgeleitet wird, das die Winkelstellung der Lenksäule anzeigt, bei der mit zweiten Mitteln ein Grobsignal abgeleitet wird, das die Anzahl der Umdrehungen der Lenksäule in der einen oder anderen Dreh richtung angibt, und bei der durch Verknüpfung von Feinsignal und Grob signal der Lenkwinkel ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als erste Mittel ein Dauermagnet (10) mechanisch fest mit der Lenk säule (1) verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfindlichen Feinsignal-Sensor (11) dreht,
daß der Feinsignal-Sensor (11) ein der Winkelstellung der Lenksäule (1) entsprechendes analoges Feinsignal abgibt, und
daß als zweite Mittel einer Spurstange (z. B. 2) eine Grobsignal-Sensor einrichtung (5, 9) zugeordnet ist, welche die Verstellung der Spurstange (2) innerhalb ihres gesamten Verstellbereiches nach Teilbereichen (a bis h) und Verstellrichtung berührungslos erfaßt und als digitale Grobsignale abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor (11) ein AMR-Sensor (anisotrope magnete resistance) verwendet ist, der in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Dauermagneten (10) ein potentiometrisches Fein signal abgibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Spurstange (2) ein Magnetstreifen (9) verbunden ist, der ent sprechend der Teilbereiche ihres Verstellbereiches in Magnetfelder (a bis h) mit verschiedenen Magnetfeldrichtungen unterteilt ist, und
daß ein Grobsignal-Sensor (5) entsprechend der erfaßten Magnetfeldrich tungen zugeordnetes Grobsignale abgibt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder (a bis h) des Magnetstreifens (9) eine Breite aufweisen, die der Verstellung der Spurstange (2) bei einer halben Umdrehung (180°) der Lenksäule (1) entspricht.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetstreifen (9) in zwei Hälften mit jeweils gleicher Anzahl von vier Magnetfeldern (a bis d und e bis h) unterteilt ist, daß in jeder Hälfte von Magnetfeld zu Magnetfeld die Magnetfeldrichtung sich um 90° verändert und
daß in der Mitte des Magnetstreifens (9) sich die Magnetfeldrichtung der benachbarten Magnetfelder (d und e) um 135° ändert.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetstreifen (9) als magnetisierbarer Polymerstreifen her gestellt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Feinsignal des Feinsignal-Sensors (11) und das digitale Grobsignal des Grobsignal-Sensors (5) einem Konverter (18) zuführbar sind, der entsprechend des ermittelten Lenkwinkels angepaßte Informa tionssignale an eine Weiterverarbeitungseinrichtung (CAN; VAN; SCP; PWM) liefert.