DE19809585A1

DE19809585A1 - Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE19809585A1
Application number: DE1998109585
Authority: DE
Inventors: Norbert Bendicks; Frank Blaesing
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2018-03-07
Also published as: DE19809585C2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges - eine Lenkwinkelerfassungsvorrichtung 2 - umfaßt eine erste Winkeldetektionseinrichtung 3 zum Bestimmen der Lenkradstellung innerhalb eines vorbestimmten Erfassungsbereiches in bestimmten Winkelschritten. Der Winkeldetektionseinrichtung 2 ist eine zweite Winkeldetektionseinrichtung 4 zugeordnet, die ein an die Drehbewegung des Lenkrades bzw. der Lenksäule 1 gekoppeltes Geberelement 9 und ein diesbezüglich ortsfestes Aufnahmemittel 10 zur Aufnahme von winkelcodierten Gebersignalen umfaßt. Der Winkelerfassungsbereich der zweiten Winkeldetektionseinrichtung 4 ist deutlich kleiner als derjenige der ersten Winkeldetektionseinrichtung 3. Durch Vorsehen einer dem zu betrachtenden Winkelbereich abdeckenden Anzahl an gleichen signalgebenden Elementen auf dem Geberelement 9 wird der Gesamterfassungsbereich in den der Winkeldetektionseinrichtung 4 eigenen Winkelabschnitten in einer gegenüber der ersten Winkeldetektionseinrichtung 3 höheren Genauigkeit erfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges (Lenkwinkelerfassungsvorrichtung) umfassend eine Winkeldetektionseinrichtung zum Bestimmen der Lenk radstellung innerhalb eines Erfassungsbereiches in vorbestimmten Win kelabschnitten.

Eine Erfassung der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges wird benötigt, um mit diesem Wert beispielsweise ein Fahrdynamiksystem zu beaufschlagen oder um etwa eine elektronisch realisierte selbsttätige Rückstellung eines Fahrtrichtungsanzeigers nach einer Kurvenfahrt her beizuführen. In der DE 29 13 008 C3 ist eine derartige Lenkwinkelerfas sungsvorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung verwendet eine Ga bellichtschrankenanordnung bestehend aus mehreren als Sender einge setzten Fotodioden und einer entsprechenden Anzahl als Empfänger vor gesehenen Fototransistoren. Diese Anordnung ist bezüglich der Drehbe wegung des Lenkrades und entsprechend der Lenksäule ortsfest positio niert. Als Lichtschranke wird ein an die Drehbewegung der Lenksäule ge koppelter Ringkörper eingesetzt, der zwischen den Fotodioden und den Fototransistoren geführt ist. In den Ringkörper sind Fenster eingebracht, so daß beim Drehen des Lenkrades die Sichtverbindungen einzelner Sende-Empfangseinrichtungen unterbrochen werden. Die Vorrichtung ist an eine Steuerelektronik angeschlossen, so daß gemäß einem vorgege benen Algorithmus sowohl die Lenkraddrehrichtung als auch die Lenk radposition ausgehend von der Geradeausstellung des Lenkrades erfaßt werden kann.

Mit einer derartigen Lenkwinkelerfassungsvorrichtung konnten bislang zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Gestiegenen Anforderun gen in Bezug auf die Genauigkeit einer Lenkwinkelerfassung vermag die se Vorrichtung jedoch nicht nachzukommen. Dies liegt insbesondere in dem konstruktiv bedingten Auflösungsvermögen der Winkeldetektionsein richtung, welches durch den Abstand benachbarter Sende- Empfangseinrichtung zueinander bestimmt ist. Eine Lenkwinkelerfassung kann mit einer solchen Vorrichtung etwa in 2,5°- bis 3,5°-Schritten erfol gen. Derartige Lenkwinkelerfassungsvorrichtungen sind jedoch zahlreich im Einsatz und es wird gewünscht, diese nicht gegen andere komplett auszutauschen, um eine exaktere Lenkwinkelerfassung zu ermöglichen, sondern es ist vielmehr erwünscht, die vorhandenen zur Erzielung einer höheren Meßgenauigkeit aufzurüsten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lenkwinkelerfas sungsvorrichtung umfassend eine Winkeldetektionseinrichtung zum Be stimmen der Lenkradstellung innerhalb eines vorbestimmten Erfassungs bereiches in vorbestimmten Winkelschritten vorzuschlagen, deren Win kelmeßgenauigkeit auch unter Beibehaltung der ersten Winkeldetektions einrichtung erhöht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lenkwin kelerfassungsvorrichtung eine zweite Winkeldetektionseinrichtung zuge ordnet ist, die ein an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppeltes Ge berelement und ein diesbezüglich ortsfestes Aufnahmemittel zur Aufnah me von winkelcodierten Gebersignalen umfaßt, welche zweite Winkelde tektionseinrichtung zum Erfassen von gegenüber dem Erfassungsbereich der ersten Winkeldetektionseinrichtung deutlich kleinerer Absolutwinkelbe reiche in einer Genauigkeit ausgelegt ist, die größer ist als diejenige der ersten Winkeldetektionseinrichtung, welcher Winkelerfassungsbereich der zweiten Winkeldetektionseinrichtung durch dem Geberelement zugeord nete, sich über diesen Winkelbereich erstreckende, signalgebende Mittel bestimmt sind, wobei dem Geberelement zur Abdeckung des Erfassungs bereiches der ersten Winkeldetektionseinrichtung eine diesen Winkelbe reich entsprechend abdeckende Anzahl der signalgebenden Mitteln zuge ordnet ist.

Das Vorsehen einer zweiten, der Lenkwinkelerfassungsvorrichtung zuge ordneten Winkeldetektionseinrichtung, die gegenüber der ersten Winkel detektionseinrichtung zum Erfassen eines deutlich kleineren, sich wieder holender Winkelbereiches ausgelegt ist, jedoch in diesem Erfassungsbe reich eine die Meßgenauigkeit der ersten Winkeldetektionseinrichtung überschreitende Meßgenauigkeit aufweist, ist eine Lenkwinkelerfassungs vorrichtung geschaffen, deren Meßgenauigkeit im gesamten Erfassungs bereich der ersten Winkeldetektionseinrichtung der Meßgenauigkeit der zweiten Winkeldetektionseinrichtung entsprechend arbeitet. Zu diesem Zweck ist dem Geberelement ein sich über diesen Winkelbereich erstrec kendes signalgebendes Mittel zugeordnet, so daß die sich bei einer Lenk raddrehung ergebenden Gebersignale von dem Aufnahmemittel empfan gen werden können. Die in diesem Winkelbereich zu erzielende Genauig keit ist somit abhängig von der Ausgestaltung der signalgebenden Mittel sowie von der ortsaufgelösten Erfassung der sich bei einer Lenkraddre hung ändernden Gebersignale des Aufnahmemittels. Damit die erhöhte Meßgenauigkeit in diesem kleineren Winkelerfassungsbereich im gesam ten Erfassungsbereich der ersten Winkeldetektionseinrichtung zur Verfü gung steht, weist das Geberelement eine solche Anzahl an benachbart zueinander angeordneten, signalgebenden Mitteln auf, die notwendig sind, um den Winkelerfassungsbereich der ersten Winkeldetektionsein richtung abzudecken.

Eine Lenkwinkelbestimmung erfolgt sodann durch Bestimmen des Dreh winkels innerhalb des Erfassungsbereiches der ersten Winkeldetektions einrichtung in den der ersten Winkeldetektionseinrichtung eigenen Erfas sungsschritten und zur Überbrückung der konstruktiv bedingten Meßun genauigkeit durch eine genauere Winkelbestimmung in dem Winkelbe reich der erfaßbaren Winkelschritte durch die zweite Winkeldetektionsein richtung. Für die zweite Winkeldetektionseinrichtung ist es daher lediglich erforderlich, eine bestimmte Genauigkeit über diesen kleineren Winkelbe reich aufzuweisen.

Die zweite Winkeldetektionseinrichtung ist zweckmäßiger Weise ein opto elektronisches System mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten, Licht bestrahlten, eine die signalgebenden Elemente umfas sende Geberstruktur aufweisende Geberscheibe, der als Aufnahmemittel ein optischer Zeilensensor zugeordnet ist. Die Geberstrukturen können beispielsweise aus einer Vielzahl aneinandergrenzender, Licht durchlas sender Einzelstrukturen bestehen, wobei zur Erzielung einer Überlappung von einer Einzelstruktur auf die nächste die Erfassungsbreite des Zeilen sensors so bemessen ist, daß bei jeder Lenkradstellung zwei Kanten von Geberstrukturen auf der fotosensitiven Oberfläche des Zeilensensors durch Hell-Dunkel-Übergänge abgebildet sind. Dies gewährleistet eine Informationsredundanz. Das Auflösungsvermögen dieser zweiten Winkel detektionseinrichtung wird durch die Anzahl der dem Zeilensensor zuge ordneten Pixel bestimmt.

Vorhandene, nach derzeitigen Anforderungen zu ungenau arbeitende Lenkwinkelerfassungsvorrichtungen können somit durch Nachrüsten einer zweiten Winkeldetektionseinrichtung so modifiziert werden, daß eine sol che Lenkwinkelerfassungsvorrichtung den derzeitigen Anforderungen hin sichtlich der Genauigkeit genüge tut.

Weitere Vorteile der Erfindung sowie Weiterbildungen sind Bestandteil der übrigen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung nach Art einer Draufsicht auf eine Lenkwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 1a ein Diagramm zur Darstellung von Korrekturgrößen,

Fig. 1b eine Geberstruktur einer Winkeldetektionseinrichtung und

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung nach Art einer Draufsicht einer Lenkwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt in einem schematisierten Querschnitt eine gemäß den Pfeil richtungen drehbare Lenksäule 1. Der Lenksäule 1 ist eine Lenkwinkeler fassungsvorrichtung 2 zugeordnet, die eine erste Winkeldetektionsein richtung 3 und eine zweite Winkeldetektionseinrichtung 4 umfaßt. Die Winkeldetektionseinrichtung 3 besteht aus mehreren in einer Gabellicht schrankenanordnung angeordneten Sende-Empfangseinheiten 5, die ortsfest bezüglich der Drehbewegungen der Lenksäule 1 radial zur Lenk säule 1 positioniert angeordnet sind. Eine Sende-Empfangseinheit 5 weist als Sender eine Fotodiode und als Empfänger einen Fototransistor auf, die beide mit Abstand voneinander angeordnet sind. In dem Abstand zwi schen der Fotodiode und dem Fototransistor greift ein an die Drehbewe gung der Lenksäule 1 gekoppelter, als Lichtschranke dienender Ringkör per 6 ein. Der Lichtschrankenring 6 ist in Licht durchlassende Bereiche 7 und die Sichtverbindung zwischen einer Fotodiode und einem Fototransi stor unterbrechende Bereiche 8 unterteilt. Durch Drehen der Lenksäule 1 werden in Abhängigkeit von ihrer Winkelstellung einzelne Sichtverbindun gen durch den Lichtschrankenring 6 unterbrochen, woraus sich die Win kellage der Lenksäule 1 berechnen läßt. Aus der Anordnung der ersten Winkeldetektionseinrichtung 3 wird deutlich, daß diese hinsichtlich ihrer Meßgenauigkeit von der konstruktiven Größe der Fototransistoren und ihrer Beabstandung voneinander abhängig ist. Die Winkelmeßgenauigkeit dieser Winkeldetektionseinrichtung 3 beträgt etwa 2,5°.

Um der Lenkwinkelerfassungsvorrichtung 2 eine erhöhte Meßgenauigkeit zu verleihen, ist dieser die zweite Winkeldetektionseinrichtung 4 zugeord net. Diese Winkeldetektionseinrichtung 4 umfaßt eine an die Bewegung der Lenksäule 1 gekoppelte Geberscheibe 9 sowie einen Zeilensensor 10. Nicht dargestellt in Fig. 1 ist eine dem Zeilensensor 10 an der Geber scheibe 9 gegenüberliegenden Seite angeordnete Beleuchtungsquelle. Die Geberscheibe 9 weist umfänglich eine durch einzelne Einschnitte 11 gebildete, Licht durchlassende Fensterfolge auf. Die Einschnitte 11 sind voneinander durch Stege 12 getrennt. Die Einschnitte 11 und die Stege 12 sind bezüglich ihrer Bemaßung sämtlich gleich ausgebildet. Beim Dre hen des Lenkrades und somit der Lenksäule 1 wird die Geberscheibe 9 mit ihrer Fensterfolge mitbewegt, so daß auf der fotosensitiven Oberfläche des tangential zur Geberscheibe 9 angeordneten Zeilensensors 10 jeweils zwei entsprechend der Drehbewegung wandernde Hell-Dunkel- Übergänge abgebildet sind. Die Pixelzahl der Sensorzeile 10 bestimmt das Auflösungsvermögen und somit die Meßgenauigkeit der Winkeldetek tionseinrichtung 4. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Sensorzeile 10 für jedes 2,5°-Segment 16 Pixel.

Der Wechsel von hellen und dunklen Feldern auf der fotosensitiven Ober fläche des Zeilensensors 10 bedingt durch die bei Drehung des Lenkra des vorbei bewegten Einschnitte 11 bzw. Stege 12 kann zur Prozessor gesteuerten Selbstjustierung und Adaption an Ungenauigkeiten der Fen sterfolge oder an Längenänderungen durch thermische Einflüsse verwen det werden.

Die Winkeldetektionseinrichtung 3 dient in dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel zur Lenkwinkelbestimmung in 2,5°-Schrittintervallen; die Winkeldetektionseinrichtung 4 dient zu weiteren Auflösung der 2,5°- Intervalle. Durch die Kombination dieser beiden Winkeldetektionseinrich tung 3, 4 zur Bildung der Lenkwinkelerfassungsvorrichtung 2 resultiert für die Lenkwinkelerfassungsvorrichtung 2 eine Lenkwinkelerfassungsge nauigkeit, die derjenigen der zweiten Winkeldetektionseinrichtung 4 ent spricht.

Die in Fig. 1 durch die Einschnitte 11 und Stege 12 gebildete Geber struktur, die sich durch gerade Flanken der Stege 12 auszeichnet, bedarf einer Weg- und Winkel- bzw. Radiusfehlerkorrektur hinsichtlich des sich auf der fotosensitiven Oberfläche des Zeilensensors 10 abbildenden Hell- Dunkel-Überganges, wenn dieser aus der in Fig. 1 gezeigten Lage her ausbewegt wird (linke Flanke des Steges 12'). Bei einer angenommenen Drehung der Lenksäule 1 gegen den Uhrzeigersinn werden sukzessive oberhalb der Sensorzeile 10 befindliche Kantenabschnitte der Stegflanke auf der Sensorzeile 10 abgebildet, so daß eine Korrektur bezüglich des von der Sensorzeile 10 erfaßten Versatzes des Hell-Dunkel-Überganges zu der in Fig. 1 gezeigten Stellung abhängig vom Drehwinkel zur exak ten Lenkwinkelbestimmung durchgeführt werden muß. Die vorzunehmen de Wegkorrektur Δa berechnet sich wie folgt:

wobei sich die Bedeutung der Variablen aus der Fig. 1a ergibt. Ferner ist eine Korrektur hinsichtlich des radialen Abstandes desjenigen Kantenab schnittes, durch den der Hell-Dunkel-Übergang auf der Sensorzeile 10 gebildet ist und der von der Mitte des Zeilensensors 10 zu seinen rechten und linken Endbereichen hin zunimmt, zu korrigieren. Diese Radiuskor rektur erfolgt anhand nachfolgender Berechnung:

wobei sich die Bedeutung der Variablen auch dieser Formel ohne weite res der Fig. 1 entnehmen lassen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine solche Korrektur durch Verwendung eines entsprechenden Datenverarbeitung salgorithmus.

In einem weiteren, in den Figuren nicht näher dargestellten Ausführungs beispiel, welches im wesentlichem dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs beispiel entspricht, sind die Stege der Geberscheibe im Gegensatz zu den Stegen 12, 12' der Geberscheibe 9 mit gekrümmten Flanken zur Erstel lung eines sich nach außen hin verjüngenden Steges S ausgebildet ist. Ein solcher Steg S der nicht dargestellten Geberscheibe dieses Ausfüh rungsbeispieles ist in Fig. 1b gezeigt. Dieser Figur sind auch die Korrek turgrößen Δa und ΔR entnehmbar, so daß auf eine Verwendung von Kor rekturalgorithmen bei der Datenauswertung verzichtet werden kann.

Geberscheiben mit Stegen gemäß dem Steg S erlauben nicht nur eine korrekturfreie Winkelerfassung sondern sind zudem fertigungstechnisch einfacher herzustellen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Lenkwinkelerfassungsvorrichtung 13 mit zwei Winkeldetektionseinrichtungen 14, 15, wobei die Winkeldetektionsein richtung 14 der Winkeldetektionseinrichtung 3 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht. Die Winkeldetektionseinrichtung 15 ar beitet nach demselben Prinzip wie die Winkeldetektionseinrichtung 4 der Fig. 1, wobei jedoch anstelle der durch die Einschnitte 11 und 12 gebil deten Fensterfolge eine Lichtschlitzabfolge bestehend aus einzelnen etwa tangential angeordneten Lichtschlitzen 16 vorgesehen ist. Die der Winkel detektionseinrichtung 15 zugehörige Sensorzeile 17 ist in einer radialen Anordnung zur Lenksäule 1 vorgesehen, so daß beim Drehen der Lenk säule 1 die Lichtschlitze 16 der Geberscheibe 18 über die fotosensitive Oberfläche des Zeilensensors 17 bewegt werden, wobei sukzessiv be nachbarte Pixel des Zeilensensors 17 Licht beaufschlagt werden.

Anstelle der in Fig. 2 vorgesehenen Lichtschlitze kann bei einer radialen Anordnung des Zeilensensors ebenfalls die Geberscheibe umfänglich ein den Lichtschlitzen 16 entsprechendes Sägezahnmuster aufweisen, so daß auf der Sensorzeile in jeder Winkelstellung der Lenksäule 1 ein Hell- Dunkel-Übergang abgebildet ist.

Bezugszeichenliste

1

Lenksäule

2

Lenkwinkelerfassungsvorrichtung

3

Winkeldetektionseinrichtung

4

Winkeldetektionseinrichtung

5

Sende-Empfangseinheit

6

Lichtschrankenring

7

lichtdurchlassende Bereiche des Lichtschrankenringes

8

sichtunterbrechende Bereiche des Lichtschrankenringes

9

Geberscheibe

10

Zeilensensor

11

Einschnitt

12

,

12

' Steg

13

Lenkwinkelerfassungsvorrichtung

14

Winkeldetektionseinrichtung

15

Winkeldetektionseinrichtung

16

Lichtschlitz

17

Zeilensensor

18

Geberscheibe
S Steg

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges (Lenkwinkelerfassungsvorrichtung) umfassend ei ne Winkeldetektionseinrichtung (3, 14) zum Bestimmen der Lenk radstellung innerhalb eines vorbestimmten Erfassungsbereiches vorbestimmten Winkelschritten, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwinkelerfassungsvorrichtung (2, 13) eine zweite Winkeldetek tionseinrichtung (4, 15) zugeordnet ist, die ein an die Drehbewe gung des Lenkrades gekoppeltes Geberelement (9, 18) und ein diesbezüglich ortsfestes Aufnahmemittel (10, 17) zur Aufnahme von winkelcodierten Gebersignalen umfaßt, welche zweite Winkel detektionseinrichtung (4, 15) zum Erfassen von gegenüber dem Erfassungsbereich der ersten Winkeldetektionseinrichtung (3, 14) deutlich kleinerer Absolutwinkelbereiche in einer Genauigkeit aus gelegt ist, die größer ist als diejenige der ersten Winkeldetektions einrichtung (3, 14), welcher Winkelerfassungsbereich der zweiten Winkeldetektionseinrichtung (4, 15) durch dem Geberelement (9, 18) zugeordnete, sich über diesen Winkelbereich erstreckende, sig nalgebende Mittel (11, 12, 12'; S; 16) bestimmt sind, wobei dem Geberelement (9, 18) zur Abdeckung des Erfassungsbereiches der ersten Winkeldetektionseinrichtung (3, 14) eine diesen Winkelbe reich entsprechend abdeckende Anzahl der signalgebenden Mitteln (11, 12, 12'; S; 16) zugeordnet ist.

2. Lenkwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Winkeldetektionseinrichtung (4, 15) ein optoelektronisches System ist umfassend eine an die Drehbe wegung des Lenkrades gekoppelte, lichtbestrahlte, als signalge bendes Element vorgesehene Geberstruktur (11, 12, 12'; S; 16) aufweisende Geberscheibe (9, 18) sowie als Aufnahmemittel einen Zeilensensor (10, 17).

3. Lenkwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Geberstruktur der Geberscheibe (9) aus ei ner Vielzahl aneinandergrenzender, lichtdurchlassender Einzel strukturen (11, 12, 12'; S) besteht, wobei der von einer Einzel struktur (11, 12, 12'; S) abgedeckte Winkelbereich bezogen auf die Erfassungsbreite des Zeilensensors (10) so bemessen ist, daß bei jeder Lenkradstellung zwei Kanten von Geberstrukturen (11, 12, 12'; S) als Hell-Dunkel-Übergänge auf der photosensitiven Oberflä che des Zeilensensors (10) abgebildet sind.

4. Lenkwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Geberscheibe (9) als Geberstruktur um fänglich eine umlaufende, die Lichtstrahlen durchlassende Fen sterfolge aufweist, welche einzelnen Fenster (11) durch lichtun durchlässige Stege (12, 12'; S) voneinander getrennt sind, auf de ren Lichtquellen abgewandter Seite der Zeilensensor (10) in einer Tangentialanordnung zur Geberscheibe (9) angeordnet ist.

5. Lenkwinkelerfassungsvorrichtungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (S) der Geberscheibe sich nach außen hin verjüngende, gekrümmte Flanken aufweisen, wobei die Krümmung der Stegflanken dergestalt ausgebildet ist, daß eine rechnergestützte Weg- und Radiuskorrektur nicht erforderlich ist.

6. Lenkwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Geberscheibe (18) als Geberstruktur um fänglich eine umlaufende, die Lichtstrahlen durchlassende Licht schlitzfolge (16) aufweist, auf deren Lichtquellen abgewandter Seite der Zeilensensor (17) in einer Radialanordnung zur Geber scheibe (18) angeordnet ist.