DE19807522A1

DE19807522A1 - Drehwinkel- und Drehzahlsensor

Info

Publication number: DE19807522A1
Application number: DE1998107522
Authority: DE
Inventors: Harald Kazmierczak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-21
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 1999-03-25

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkel- und Drehzahlsen sor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Für eine Vielzahl von, in der Regel elektronischen, Steu er- und Regelsystemen in einem Kraftfahrzeug ist bei spielsweise eine Bestimmung des Drehwinkels des Lenkrades von großer Bedeutung. Für Regelungssysteme für das Fahr werk bzw. die Fahrdynamik sollte hierbei ein Istsignal über die Lenkradstellung oder eine Drehwinkeländerung des Lenkrades zur Verfügung stehen. Ein solches Istsignal ist auch für elektronisch gesteuerte Servolenksysteme von Be deutung.

Bereits bekannte Sensoren sind beispielsweise mit Drehpo tentiometern aufgebaut, die evtl. über ein Getriebe durch eine Veränderung der Schleiferstellung beim Drehpotentio meter ein elektrisches Signal aufgrund einer auswertbaren Widerstandsänderung erzeugen. Hierbei besteht die Gefahr eines Verschleißes der Widerstandsbahn und eine Störan fälligkeit des Schleifkontakts. Nach langem Betrieb kann sich hier auch eine zu Signalverfälschungen führende Er höhung des Übergangswiderstandes zwischen dem Schleifkon takt und der Widerstandsbahn ergebenen. Ebenfalls besteht die prinzipielle Möglichkeit eines Abhebens des Schleif kontakts bei schneller Drehung des Lenkrades.

Zum Beispiel ist in dem VDI-Bericht Nr. 509, (VDI-Verlag 1984), Seiten 263 bis 268, im Aufsatz "Neue, alternative Lösungen für Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magne toresistiver Basis" beschrieben, wie auch mit magneti schen Sonden als Messeelemente eine besonders einfache und unempfindliche Drehwinkelerfassung an einer drehenden Wellen oder an Zahnrädern durchführbar ist. Dies ist mög lich, weil die Feldlinienrichtung eines im Sensor befind lichen Dauermagneten durch eine Bewegung des Dauermagne ten veränderbar und detektierbar ist.

Bei der beschriebenen Drehwinkelerfassung, insbesondere bei der Erfassung des Lenkwinkels, ist eine Aussage über die Anzahl der vollen Umdrehungen der Lenkspindel als drehendes mechanisches Teil erforderlich. Hierzu ist zu sätzlich entweder ein mechanisches Untersetzungsgetriebe, eine elektronische bzw. mechanische Speicherung der vol len Umdrehungen oder eine Messeinrichtung notwendig, die einen Winkel größer als 360° messen kann.

Vorteile der Erfindung

Ein Drehwinkel- und Drehzahlsensor der eingangs beschrie benen Gattung ist in der Weiterbildung mit den erfin dungsgemäßen Merkmalen des Kennzeichens des Hauptan spruchs dadurch vorteilhaft, daß das mechanische Teil mit seiner Drehung ein magnetisch, optisch oder in son stiger Weise codiertes Band antreibt, das an mindestens einem feststehenden Sensorelement vorbeiführbar ist und in jeder Stellung des codierten Bandes, z. B. aus der ma gnetischen Codierung ein Absolutwert hinsichtlich der Winkelstellung und der absoluten Drehzahl des mechani schen Teils ermittelbar ist.

In vorteilhafter Weise wird somit mit dem erfindungsgemä ßen Sensor ein Winkelmeßbereich erfaßbar, der ein Viel faches von 360° sein kann. Es sind keine Schalter oder Ge triebe zur gesonderten Erfassung der vollen Umdrehungen erforderlich, die entweder unerwünschte Geräusche verur sachen oder einem erheblichen Verschleiß unterliegen.

Das codierte Band kann bevorzugt in einfacher Weise als eine Endlosschleife aufgebaut sein und mittels auf dem mechanischen Teil angeordneter Stifte oder Verzahnungen, die in entsprechende Ausnehmungen, z. B. Perforationen, in das formschlüssig auf dem mechanischen Teil liegende Band eingreifen, angetrieben werden. Das Band kann hierbei über Umlenkrollen vom drehenden Teil an einem oder mehre ren Sensoren vorbei geführt werden.

Die Länge L des codierten Bandes kann auf einfache Weise nach der Beziehung L = n.π.d ermittelt werden, wobei n die Anzahl der Umdrehungen und d der Durchmesser des zu messenden mechanischen Teils sind.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist das codierte Band an seinen Enden gegebenenfalls unter Federwirkung aufwickelbar, wobei auf dem mechanischen Teil angeordne ter Stifte oder Verzahnungen in entsprechende Ausnehmun gen im Band eingreifen.

Eine außerordentlich hohe Auflösung bei der Winkelmessung ist erreichbar, wenn die Codierungen auf dem Band durch lokal unterschiedliche Magnetpolungen in einem in Dreh richtung seriell aufgebauten 7-Bit-Code erfolgt.

Zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit kann neben dem 7-Bit-Code ein weiteres seriell aufgebautes inkrementel les oder dekrementelles Datenmuster zur Erhöhung der Auf lösung des 7-Bit-Codes auf dem Band angeordnet werden, welches das Datenmuster des 7-Bit-Codes verfeinernd un terstützt. Jeder absolut gemessene Winkelwert wird somit unterteilt in serielle 7-Bit, so daß hier eine Ge samtauflösung von 14-Bit realisiert werden kann. Hiermit kann daher eine Winkelmeßgenauigkeit von ca. 0,1° ermög licht werden.

Ein einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors ist möglich, wenn das codierte Band ein Kunststoffband aus Polyäthylen ist und durch eine Füllung mit einem hart magnetischem Stoff, z. B. Kobald-Samarium, die magnetische Codierung hergestellt werden kann. Alternativ zu einem Kunststoffband kann auch ein Metallband Verwendung fin den.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn auf dem drehenden mechanischen Teil zusätzlich zur Führung des codierten Bandes zwei mit unterschiedlichen Polzahlen ma gnetisch codierte Ringe vorhanden sind, mit denen eine Feinerfassung eines Drehwinkels nach dem Noniusprinzip durchführbar ist. Das codierte Band mit bestimmter Polzahl dient hier, gegebenenfalls mit einem reduzierten Code zur Erfassung des absoluten Drehwinkels und der Drehzahl.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsge mäßen Drehwinkel- und Drehzahlsensor sind als ein Be standteil des Übertragungsmittels mindestens zwei Magne tringe vorhanden, die sich mit dem mechanischen Teil drehen und mit jeweils unterschiedlichen Polzahlen verse hen sind, wobei durch Interpolation der Messergebnisse der magnetoresisitiven Sensorelemente der Absolutwert der Winkelstellung herleitbar ist. Zur Erhöhung der Meßge nauigkeit kann weiterhin als ein Bestandteil des Übertra gungsmittels ein über einen Zahnriemen angetriebenes Rad vorhanden sein, an dem sich ebenfalls zwei Magnetringe befinden, die sich mit dem Rad drehen und mit jeweils un terschiedlichen Polzahlen versehen sind.

Die Herstellung der Polarisierungen kann auf einfache Weise durch unterschiedliche Magnetisierungen auf der Pe riherie der Magnetringe durchgeführt werden. Die Magnet ringe sind hier auf einfache Weise jeweils auf einem mit den drehenden Teilen fest verbundenen Rohr angebracht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das mechanische Teil die Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges. Die Drehwinkelerfassung wird hier über vier volle Umdre hungen (n) der Lenkspindel, je zwei Umdrehungen in eine Richtung von der Ruhelage aus, durchgeführt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drehwinkel- und Drehzahlsensors werden anhand der Zeichnung erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer Lenkspindel als drehendes mechanisches Teil und ei nem über Umlenkrollen geführten codierten Bandes;

Fig. 2 ein Detailbild auf die Lenkspindel mit den Stiften zur Führung des codierten Bandes in zwei An sichten;

Fig. 3a und 3b eine Ansicht eines Ausschnittes des codierten Bandes;

Fig. 4 eine Ansicht einer gegenüber dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1 mit zwei Magnetringen er weiterten Lenkspindel;

Fig. 5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Lenkspindel mit einem mehrfach über Umlenkrol len geführten codierten Bandes;

Fig. 6 eine Prinzipskizze einer Lenkspindel für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 7 eine Ansicht auf einen Drehwinkel- und Dreh zahlsensor mit Magnetringen und einem Zahnriemenan trieb und

Fig. 8 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Aus Fig. 1 ist eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse 1 und einer Lenkspindel 2 als drehendes me chanisches Teil zu entnehmen. Um die Lenkspindel 2 und um Umlenkrollen 3, 4, 5 und 6 ist ein magnetisch codiertes Band 7 geführt. Das Band 7 gleitet als Endlosschleife an (magnetfeldempfindlichen) Sensorelementen 8 vorbei, die ein der absoluten Winkel- und Drehzahlstellung der Lenk spindel 2 entsprechendes Signal abgeben.

Aus Fig. 2 ist in der linken Hälfte eine Seitenansicht auf einen Teil der Lenkspindel 2 zu sehen, auf dem das codierte Band 7 mittels Stiften 12 geführt und angetrie ben ist. In der rechten Hälfte der Fig. 2 ist die Lenk spindel 2 mit den Stiften 12 im Schnitt gezeigt.

Das codierte Band 7 ist im Detail in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellt. In der Mitte sind Ausnehmungen in Form von Perforationen 9 vorhanden, in die die Stifte 12 der Lenkspindel 2 beim Antrieb eingreifen. Auf dem Band 7, das eine Kunststoff- oder Metallfolie sein kann, sind Be reiche 10 für Codierungen 11 vorhanden, die durch unter schiedliche Magnetisierungen eines hart-magnetischen Füllmaterials (z. B. Kobald-Samarium) hervorgerufen sind. Diese Codierungen können beispielsweise in einem 7-Bit-Code oder Graycode, wie ausschnittsweise dargestellt, zur seriellen Erfassung mit den Sensorelementen 8 auf das Band 7 aufgebracht werden. Jeder dieser einzelnen Codes gibt eine eindeutige Aussage über die Stellung der Lenk spindel 2 mittels eines leicht auswertbaren elektrischen Signals.

In der Fig. 3b befindet sich die Perforation 9 in der Mitte des Bandes 7 und es sind zwei Bereiche 10a und 10b für die Codierungen 11 jeweils beidseitig der Perforation vorhanden.

Aus Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Lenkspindel 2 zu entnehmen, bei der auf der Lenkspindel 2 noch zwei magnetisch codierte Ringe 13 und 14 aufgebracht sind. Diese hier magnetisch codierten Winkelinformationen können mit magnetfeldempfindlichen Sensorelementen 15 und 16 ausgewertet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Feinerfassung des Drehwinkels der Lenkspindel 2 mit den codierten Ringen 13 und 14 durchführbar. Das gegebe nenfalls mit einem reduzierten Code magnetisch codierte Band dient hier zur Groberfassung des absoluten Drehwin kels und der Drehzahl der Lenkspindel 2 und kann gemein sam mit den Codierungen der Ringe 13 und 14 ausgewertet werden.

Aus der Darstellung nach Fig. 5 ist das codierte Band 7 über Umlenkrollen 20, 21 und 22 geführt, wobei aus der unteren Ansicht der Fig. 5 eine mehrfache Führung des Bandes 7 mit einer Länge L über die Umlenkrollen 20, 21 und 22 erkennbar ist. Die Länge L des codierten Bandes 7 wird hier nach der Beziehung L = n.π.d ermittelt wer den, wobei n die Anzahl der Umdrehungen und d der Durch messer der Lenkspindel 2 sind.

Eine perspektivische Darstellung nach Fig. 6 zeigt die Anordnung nach Fig. 5 in einem Gehäuse 23, wobei hier die Führung des Bandes 7 über die Umlenkrollen 20, 21 und 22 mit gestrichelten Linien verdeutlicht ist.

Aus Fig. 7 und Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem kein codiertes Band, das mit einem ferromagnetischen Material gefüllt sein muß, vorhanden ist. Durch die Lenkspindel 2 wird hier ein Rohr 30 mitge nommen, an dem zwei Magnetringe 31 und 32 angeordnet sind, die mit jeweils unterschiedlichen Polzahlen, durch unterschiedliche Magnetisierungen auf der Peripherie der Magnetringe 31 und 32, versehen sind. Ein Zahnriemen 33 treibt ein Rad 34 an, auf dem ebenfalls zwei Magnetringe 35 und 36, mit wiederum unterschiedlichen Polzahlen, an geordnet sind. Durch eine Interpolation der Messergebnis se der magnetoresisitiven Sensoren 8 aller vier Magne tringe 31, 32, 35, 36 läßt sich somit der Drehwinkel der Lenkspindel 2 eindeutig auch über mehrere Umdrehungen er mitteln.

Claims

1. Drehwinkel- und Drehzahlsensor, bei dem

- durch die Drehung eines mechanischen Teils (2) eine mit einem Sensorelement (8; 15, 16) detektierbare Änderung ei ner physikalischen Größe auswertbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß
- das mechanische Teil (2) mit seiner Drehung ein Über tragungsmittel antreibt, das an mindestens einem festste henden Sensorelement (8) vorbeiführbar ist und in jeder Stellung des Übertragungsmittels ein Absolutwert hin sichtlich der Winkelstellung und der absoluten Drehzahl des mechanischen Teils (2) ermittelbar ist.

2. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmittel ein codiertes Band (7) ist und in jeder Stellung des Bandes (7) aus der Codierung der Absolutwert ermittelbar ist.

3. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Band (7) magnetisch codiert ist und die Sensoren Änderungen des Magnetfeldes bei der Vorbeiführung des co dierten Bandes (7) detektieren.

4. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Band (7) optisch codiert ist und die Sensoren Ände rungen der Lichtstärke bei der Vorbeiführung des codier ten Bandes (7) detektieren.

5. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das codierte Band (7) als eine Endlosschleife aufgebaut ist und mittels auf dem mechanischen Teil (2) angeordne ter Stifte (12) oder Verzahnungen, die in entsprechende Ausnehmungen (9) im Band (7) eingreifen, angetrieben wird.

6. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das codierte Band an seinen Enden aufwickelbar ist und mittels auf dem mechanischen Teil (2) angeordneter Stifte (12) oder Verzahnungen, die in entsprechende Ausnehmungen (9) im Band eingreifen, angetrieben wird.

7. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungen auf dem Band (7) durch lokal unter schiedliche physikalische Größen in einem parallel aufge bauten 7-Bit-Code erfolgt.

8. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß neben dem 7-Bit-Code ein weiteres seriell aufgebautes inkrementelles oder dekrementelles Datenmuster zur Erhö hung der Auflösung des 7-Bit-Codes auf dem Band (7) ange ordnet ist.

9. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Band eine vorgegebene Länge (L) über Umlenkrollen (3, 4, 5, 6; 20, 21, 22) geführt ist und die Länge (L) des co dierten Bandes (7) nach der Beziehung L = n.π.d ermittelt ist, wobei (n) die Anzahl der Umdrehungen und (d) der Durchmesser des mechanischen Teils (2) sind.

10. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 3 oder 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das codierte Band (7) ein Kunststoffband aus Polyäthy len oder ähnlichem elastischen Material, partiell gefüllt mit einem hart-magnetischem Stoff, ist.

11. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der Ansprü che 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

- auf dem drehenden mechanischen Teil (2) zusätzlich zur Führung des codierten Bandes (7) zwei mit unterschiedli chen Polzahlen versehene, magnetisch codierte Ringe (13, 14) vorhanden sind, mit denen eine Feinerfassung ei nes Drehwinkels durchführbar ist und daß
- das codierte Band (7) zur Groberfassung der absoluten Drehwinkel- und Drehzahlerfassung heranziehbar ist.

12. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als ein Bestandteil des Übertragungsmittels mindestens zwei Magnetringe (32, 32, 35, 36) vorhanden sind, die sich mit dem mechanischen Teil (2) drehen und mit jeweils un terschiedlichen Polzahlen versehen sind, wobei durch In terpolation der Messergebnisse der Sensorelemente (8) der Absolutwert der Winkelstellung des drehenden Teils (2) herleitbar ist.

13. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als ein Bestandteil des Übertragungsmittels ein über einen Zahnriemen (33) angetriebenes Rad (34) vorhanden ist, an dem sich ebenfalls zwei Magnetringe (35, 36) be finden, die sich mit dem Rad (34) drehen und mit jeweils unterschiedlichen Polzahlen versehen sind.

14. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetringe (31, 32, 35, 36) zur Herstellung der Pole mit unterschiedlichen Magnetisierungen auf der Peripherie der Magnetringe (31, 32, 35, 36) versehen sind.

15. Drehwinkel- und Drehzahlsensor nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Teil die Lenkspindel (2) eines Kraft fahrzeuges ist und die Drehwinkelerfassung über vier vol le Umdrehungen (n) der Lenkspindel in beiden Drehrichtun gen durchführbar ist.