DE19914397C2

DE19914397C2 - Lenkwinkelsensor

Info

Publication number: DE19914397C2
Application number: DE1999114397
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: DE19914397A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor zur Detek tierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerung an der Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Für eine Vielzahl von, in der Regel elektronischen, Steu er- und Regelsystemen in einem Kraftfahrzeug ist eine Be stimmung des Drehwinkels des Lenkrades von großer Bedeu tung. Beispielsweise für Regelungssysteme für das Fahr werk bzw. die Fahrdynamik sollte ein Istsignal über die Lenkradstellung oder eine Drehwinkeländerung des Lenkra des zur Verfügung stehen.

Bei einem aus der DE 197 03 903 A1 bekannten Lenkwinkel sensor zur Detektierung des Drehwinkels nach der eingangs beschriebenen Art ist ein Sensor so aufgebaut, dass er berührungslos, beispielsweise mit Hallsensoren, den Dreh winkel des Lenkrades detektiert. Dieser bekannte Sensor misst dabei ausschließlich den Relativwinkel zwischen der drehbaren Lenkspindel und der Lenksäule, welche ein fes ter Bestandteil des Chassis des Fahrzeuges ist. Hierbei ist also der drehbare Teil des Sensors stets mit der Lenkspindel verbunden, der feststehende mit dem Chassis. Da zwischen beiden Teilen erhebliche Montage- und Lageto leranzen im mm-Bereich bestehen, werden einerseits kon struktive Ausgleichsmittel erforderlich, die weitere Kos ten verursachen und zusätzlichen Bauraum erfordern und es entstehen andererseits größtenteils erhebliche Messfeh ler.

Aus der DE 24 39 823 A1 ist es bekannt, im Rahmen einer Lenkvorrichtung vom "steer by wire"-Typ den Sollwert des Radeinschlagwinkels aus einem vom Drehwinkel des Lenkra des abhängigen Anteil und aus einem von der Winkelbe schleunigung des Lenkrades abhängigen Anteil zu generieren. Zur Erfassung der Winkelbeschleunigung und damit auch der Drehwinkelän derung des Lenkrades sind dabei zwei Beschleunigungsauf nehmer vorgesehen, die am Lenkrad an diametralen Positio nen angebracht sind. Die Beschleunigungsaufnehmer liefern betragsmäßig gleiche, jedoch mit unterschiedlichen Vor zeichen behaftete Signale. Eine Bestimmung des Lenkrad drehwinkels aus Beschleunigungssignalen ist hier nicht vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

Ein Lenkwinkelsensor der eingangs angegebenen Art ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weiterge bildet. In vorteilhafter Weise kann dadurch, dass min destens ein Sensorelement an der Lenkspindel aus zwei Beschleunigungssensoren besteht, ein gravimetrischer Sensor gebildet werden, mit dem eine Absolutwinkelmessung durch geführt werden kann, die nicht unter den oben geschilder ten Nachteilen der Relativmessung leidet.

Besonders vorteilhaft ist hier vielmehr die Verwendung eines Neigungssensors, welcher in der Lage ist, einen Neigungswinkel über den ganzen Winkelbereich von 360° zu messen. Hierfür können z. B. Beschleunigungssensoren mit einem Messbereich von 1 bis 5 g eingesetzt werden, wobei g die Erdbeschleunigung bzw. das Erdlot darstellt. Der Messbereich von größer 1 g ist wegen einer eventuell er forderlichen Übersteuerungsfähigkeit bei Störbeschleuni gungen notwendig. Funktionsprinzipien solcher Beschleuni gungssensoren sind beispielsweise in "Kraftfahrtechni sches Taschenbuch, Bosch ", 22. Auflage, VDI Verlag, Sei ten 110 bis 112 beschrieben.

Die Beschleunigungssensoren sind auf einem Kreis um die Drehachse der Lenkspindel, vorzugsweise eng benachbart angeordnet und deren jeweilige Messrichtung ist um 90° gegeneinander versetzt, um den vollen Messbereich von 360° ausschöpfen zu können. Bei einer vorteilhaften Aus führungsform können diese beiden Sensoren auch an ein und dem selben Ort, eventuell sogar aus einem Stück als sog. 1-Chip-Sensor gefertigt und montiert werden, wenn ledig lich ihre Messrichtung um 90° versetzt ist. Bei einem an genommenen Lenkradwinkel α messen die beiden Beschleuni gungssensoren winkelabhängig die Komponenten der grund sätzlich in ihrem Wert bekannten Erdbeschleunigung g. Man kann somit aus dem der Schwerkraft entsprechenden Signal a₁ des ersten Beschleunigungssensors und dem Signal a₂ des zweiten Beschleunigungssensors an der Lenkspindel nach den Beziehungen:

a₁ = g.sinα, (1),

a₂ = g.cosα (2)

den Lenkwinkel α sehr genau rein rechnerisch in einer e lektronischen Auswerteschaltung ermitteln als:

α = arctan(a₁/a₂) (3).

In besonders vorteilhafter Weise wird hier auch eine e ventuell gleichlaufende Empfindlichkeitsdrift der Be schleunigungssensoren durch die Quotientenbildung bei der Signalauswertung völlig eliminiert. Dieser Zusammenhang und Vorteil gilt auch, wenn die Lenkspindel um den Winkel β gegen die Waagrechte im Fahrzeug geneigt sein sollte. An die Stelle der vollen Erdbeschleunigung g tritt dann der winkelabhängig verminderte Wert g'. In der elektroni schen Auswerteschaltung wird die Neigung der Lenkspindel gegenüber der Waagerechten um den Winkel β nach der Be ziehung

g' = g.cosβ (4)

berücksichtigt, wobei die winkelabhängig verminderte Erd beschleunigung g' anstelle der vollen Erdbeschleunigung g in die Formeln (1) und (2) eingefügt wird. Für eine ein wandfreie Berechnung sollte der Winkel allerdings stets kleiner 90° bleiben, was in der Regel bei allen Fahrzeu gen, eventuell mit Ausnahme von Sonderfahrzeugen, der Fall ist. Eine Neigung der Lenkspindel gegen die durch die Lotrichtung definierte Waagrechte kann beispielsweise auch schon dadurch zustande kommen, dass das Fahrzeug in einer Hanglage steht, wobei dann auch dieses, wie zuvor erwähnt, ohne verfälschenden Einfluss auf das Messergeb nis bleibt.

In einem anderen Fall können im Fahrbetrieb des Fahrzeugs zusätzliche Beschleunigungen auch quer zur Fahrtrichtung auftreten, z. B. als Zentrifugalbeschleunigung bei Kurven fahrten. Solche Beschleunigungen führen das bisher als unverfälscht angenommen Erdlot g über in ein Scheinlot g", welches sich aus der vektoriellen Addition von g und a_q, ergibt. In der elektronischen Auswerteschaltung kann dabei eine Querbeschleunigung a_q des Fahrzeuges nach der Beziehung

a₁ = g.sinα + a_q.cosα (5) und

a₂ = g.cosα + a_q.sinα (6)

auf einfache Weise berücksichtigt werden. Nun ergibt sich der gesuchte Winkel α nach einer mathematischen Umstel lung aus der Formel

In vorteilhafter Weise kann dabei die Querbeschleunigung a_q des Fahrzeuges aus Signalen von Beschleunigungssenso ren an der Lenksäule des Fahrzeugs ermittelt werden, wo bei diese dann ein weiteres am Fahrzeugchassis festste hendes Sensorelement bilden. Auch diese zwei Beschleuni gungssensoren sind auf einem Kreis um die Drehachse der Lenkspindel, vorzugsweise eng benachbart, angeordnet und ihre Messrichtung ist ebenso wie bei den Beschleunigungs sensoren auf der Lenkspindel um 90° gegeneinander ver setzt. Auf diese Weise können somit unabhängig vom Lenk radwinkel α die beiden Korrekturgrößen g' und a_q mit die sen Beschleunigungssensoren an der Lenksäule gemessen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann in der e lektronischen Auswerteschaltung sowohl die Querbeschleu nigung a_q als auch die Neigung um den Winkel β gegen die Waagerechte des Fahrzeuges nach der Beziehung

berücksichtigt werden. Andere Störbeschleunigungen, deren Frequenzen höher liegen als die höchste im Messsignal (x(t)) enthaltene Frequenz, die noch gemessen werden muss, lassen sich grundsätzlich auf einfache und in an sich bekannter Weise mit Tiefpässen ausfiltern und damit unschädlich machen.

Die Übertragung der beiden Messwerte a₁ und a₂ der beiden Beschleunigungssensoren von der Lenkspindel kann entweder mittels einer sogenannten Kontaktspirale zwischen der Lenksäule und der Lenkspindel erfolgen, wie sie üblicher weise zur Übertragung von Signalen von und zum Lenkrad verwendet wird, oder auch berührungslos über einen Dreh transformator. Beide Bauteile besitzen dabei eine ausrei chende Immunität gegen die oben erwähnten Maß- und Monta getoleranzen. In gleicher Weise kann auch die elektrische Versorgung der Sensoren auf der Lenkspindel erfolgen. Im Falle einer transformatorischen Übertragung muss sowohl die Versorgungsenergie als auch das jeweilige Messsignal in eine wechselstrommäßige Form gebracht werden, die dann auf der Lenkspindel mittels eines Gleichrichters und auf der Fahrzeugchassisseite mittels eines geeignete Demodu lators wieder in die meist gewünschte bzw. erforderliche Gleichspannungsform gebracht wird.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der erfin dungsgemäße Lenkwinkelsensor insbesondere unabhängig von mechanischen Toleranzen der Relativlage von beweglicher Lenkspindel und feststehender Lenksäule am Chassis ist. Es ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, da die erfor derlichen Beschleunigungssensoren in Mikrosystemtechnik ausgeführt werden können, z. B. durch Integration von zwei Beschleunigungssensoren auf einen Chip oder auch durch Hinzunahme der vorzugsweise digitalen Auswerteschaltung auf dem gleichen Chip, so dass sich der Sensor kosten günstig herstellen lässt. Es ergibt sich weiterhin eine vorteilhafte Integrationsmöglichkeit des Lenkwinkelsen sors in weitere, auf der Lenkspindel angebrachte Mess- und Übertragungssysteme wie z. B. Lenkmomentmessung, Air bag-Auslösesystem und sonstige Signalelektronik für Fahr zeugsicherheits- und Bediensysteme.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkwin kelsensors zur Detektierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerung am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Ansichten eines Abschnitts einer Lenk spindel als Bestandteil einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug im Ausgangszustand mit zwei auf der Lenkspindel angeordneten Beschleunigungssenso ren;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Lenkspindel nach der Fig. 1 in einem ausgelenkten Zustand;

Fig. 3 eine Ansicht eines Abschnitts der Lenkspin del in einem zur Waagerechten geneigten Zustand und

Fig. 4 einen Schnitt durch die Lenkspindel nach der Fig. 1 in einem querbeschleunigten Zustand mit ei nem Schaubild der auftretenden Beschleunigungen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Lenkspindel 10 ge zeigt, die Bestandteil einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ist, die beispielsweise in der eingangs als Stand der Technik gewürdigten DE 197 03 903 A1 beschrie ben ist. Die Lenkspindel 10 ist hier mittels eines Lenk rades drehbar, wobei am unteren Ende der Lenkspindel die Drehung in herkömmlich bekannter Weise mittels eines schrägverzahnten, auf eine Zahnstange antreibendes Ritzel in eine Linearbewegung umgesetzt wird. Die vom Fahrer des hier nicht dargestellten Fahrzeugs ausgeführten Lenkbewe gungen verstellen somit über die Linearbewegung der Zahnstange den Einschlag bzw. die Rollrichtung der Räder des Fahrzeugs.

In der Fig. 1 ist im linken Teil ein Schnitt durch die zunächst als waagrecht liegend angenommene Lenkspindel 10 gezeigt, die in Richtung der Pfeile 11 drehbar um eine Drehachse 12 ist. Auf dem Umfang der Lenkspindel 10 sind Beschleunigungssensoren 13 und 14 montiert, deren Winkel abstand auf der Lenkspindel 90° beträgt. Lediglich zum besseren Verständnis sind hier die Beschleunigungssenso ren 13 und 14 am Umfang verteilt gezeichnet, möglich und durchaus vorteilhaft ist auch eine eng benachbarte Anord nung, ev. sogar auf einem Chip, wenn dafür gesorgt ist, dass die Messrichtung, dass heißt die Richtung der Mess empfindlichkeit für die Beschleunigung um etwa 90° gegen einander versetzt ist. Auf die Lenkspindel 10 und damit auf die Beschleunigungssensoren 13 und 14 wirkt hier die Erdbeschleunigung g in der dargestellten Richtung. Im rechten Teil der Fig. 1 ist eine Seitenansicht auf einen Abschnitt der Lenkspindel 10 gezeigt, an dem die Be schleunigungssensoren 13 und 14 angebracht sind.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die gegenüber der Fig. 1 um einen Drehwinkel α gedrehte Lenkspindel 10, wobei auch die Beschleunigungssensoren 13 und 14 mitgedreht werden und sich somit die Erdbeschleunigung g in verän derter Weise auf das Messsignal der Beschleunigungssenso ren 13 und 14 auswirkt. Die beiden Beschleunigungssenso ren 13 und 14 messen daher drehwinkelabhängig die Kompo nenten der grundsätzlich in ihrem Wert bekannten Erdbe schleunigung g. Der Lenkwinkel α wird somit aus den der Beschleunigung entsprechenden Sensorsignalen a₁ des ers ten Beschleunigungssensors 13 und a₂ des zweiten Be schleunigungssensors 14 an der Lenkspindel 10 nach den Beziehungen

a₁ = g.sinα, (1),

a₂ = g.cosα (2)

α = arctan(a₁/a₂) (3)

in einer hier nicht dargestellten aber in herkömmlicher Weise aufgebauten, vorzugsweise digitalelektronischen Auswerteschaltung ermittelt. Hierbei ergibt sich aus der Formel (3), dass der absolute Wert von g keine Rolle mehr spielt, d. h. das Ergebnis ist im Prinzip von g unabhängig solange g < 0 ist. Dies ist insofern von Bedeutung, falls sich bei einer Abwärtsbewegung eines Fahrzeugs der wirk same Wert von g vermindert. Lediglich im freien Fall wäre dann die Schwerkraft völlig aufgehoben und eine Messung kurzzeitig nicht mehr möglich. In diesem extremen Fahrzu stand spielt der Lenkwinkel jedoch keine Rolle mehr.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist die Lenkspindel 10 um den Winkel β gegen die Waagrechte (Linie 15), bei spielsweise in einer Hanglage des Fahrzeugs, geneigt. An die Stelle der vollen Erdbeschleunigung g tritt dann der gemäß dem eingezeichneten Diagramm vom Winkel β abhängig verminderte Wert g'. Rechnerisch wird die Neigung der Lenkspindel 10 gegenüber der Waagerechten 15 um den Win kel β nach der Beziehung

g' = g.cosβ (4)

berücksichtigt, wobei die winkelabhängig verminderte Erd beschleunigung g' anstelle der vollen Erdbeschleunigung g in die oben angegebenen Formeln (1) und (2) eingefügt wird.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch die Lenkspindel 10 ge zeigt, bei dem davon ausgegangen wird, dass im Fahrbe trieb des Fahrzeugs zusätzliche Querbeschleunigungen a_q auch quer zur Fahrtrichtung auftreten, z. B. als Zentrifu galbeschleunigung bei Kurvenfahrten. Solche Querbeschleu nigungen führen die Erdbeschleunigung g über in ein Scheinlot g", welches sich aus der vektoriellen Addition von g und a_q, ergibt. Bei der Auswertung der Sensorsigna le kann die Querbeschleunigung a_q des Fahrzeuges nach der Beziehung

a₁ = g.sinα + a_q.cosα (5) und

a₂ = g.cosα + a_q.sinα (6)

berücksichtigt werden. Nun ergibt sich der gesuchte Win kel α aus der Formel

Insbesondere die Messgröße für die Berücksichtigung der Querbeschleunigung a_q des Fahrzeuges kann dabei aus Sig nalen von hier nicht dargestellten Beschleunigungssenso ren an der fest mit dem Fahrzeugchassis verbundenen Lenk säule des Fahrzeugs ermittelt werden, wobei diese dann ein weiteres Sensorelement bilden. Diese zwei Beschleuni gungssensoren sind dabei ebenfalls auf einem Kreis um die Drehachse der Lenkspindel angeordnet und deren Messrich tung ist ebenso wie bei den Beschleunigungssensoren auf der Lenkspindel um ca. 90° gegeneinander versetzt. Auf diese Weise können somit unabhängig vom Lenkradwinkel α die beiden Korrekturgrößen g' und a_q in der oben be schriebenen Art und Weise gemessen werden.

Mit einer entsprechenden elektronischen Auswerteschaltung kann somit sowohl die Querbeschleunigung a_q als auch die Neigung um den Winkel β gegen die Waagerechte 15 des Fahrzeuges bzw. der Lenkspindel 10 nach der Beziehung

ausgerechnet werden.

Claims

1. Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels oder der Drehwinkeländerung des Lenkrades eines Fahrzeuges, bei dem
mindestens an der Lenkspindel (10) ein Sensorelement (13, 14) zur Erzeugung eines dem Drehwinkel α oder der Drehwinkeländerung entsprechenden elektronischen Signals angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Sensorelement an der Lenkspindel (10) aus zwei Beschleunigungssensoren (13, 14) besteht, die auf einem Kreis um die Drehachse (12) der Lenkspindel (10) angeordnet sind und deren Messrichtung um 90° gegeneinan der versetzt ist.

2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass ein weiteres Sensorelement an der fest mit dem Fahrzeug chassis verbundenen Lenksäule des Fahrzeuges aus zwei weiteren Beschleunigungssensoren besteht, die auf einem Kreis um die Drehachse (12) der Lenkspindel (10) angeord net sind und deren Messrichtung um 90° gegeneinander ver setzt ist.

3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass der Lenkwinkel α aus den der Beschleunigung entsprechen den Signalen a₁ des ersten Beschleunigungssensors (13) und a₂ des zweiten Beschleunigungssensors (14) an der Lenkspindel (10) nach den Beziehungen
a₁ = g.sinα, (1)
a₂ = g.cosα (2) und
α = arctan(a₁/a₂) (3)
in einer elektronischen Auswerteschaltung herleitbar ist, wobei g die Erdbeschleunigung darstellt.

4. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass in der elektronischen Auswerteschaltung die Neigung der Lenkspindel (10) gegenüber der Waagerechten (15) um den Winkel β nach der Beziehung
g' = g.cosβ (4)
berücksichtigbar ist, wobei die winkelabhängig verminder te Erdbeschleunigung g' anstelle der vollen Erdbeschleu nigung g in die Formeln (1) und (2) einfügbar ist.

5. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass in der elektronischen Auswerteschaltung eine Querbe schleunigung a_q des Fahrzeuges nach der Beziehung
a₁ = g.sinα + a_q.cosα (5)
a₂ = g.cosα + a_q.sinα (6) und
berücksichtigbar ist.

6. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass die Querbeschleunigung a_q des Fahrzeuges aus den Signalen der weiteren Beschleunigungssensoren an der Lenksäule des Fahrzeugs ermittelbar ist.

7. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass in der elektronischen Auswerteschaltung eine Querbe schleunigung a_q und eine Neigung um den Winkel β gegen die Waagerechte (15) des Fahrzeuges nach der Beziehung
berücksichtigbar ist, wobei g' der neigungswinkelabhängig verminderte Wert der Erdbeschleunigung g ist.

8. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (13, 14) auf einem Chip integ riert sind.

9. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Messsignale von der Lenkspindel (10) und die Spannungsversorgung der Beschleunigungssensoren (13, 14) mittels einer Kontaktspirale zwischen der Lenk säule und der Lenkspindel (10) erfolgt.

10. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Messsignale der Beschleunigungssenso ren (13, 14) von der Lenkspindel (10) und die Spannungs versorgung der Beschleunigungssensoren (13, 14) mittels eines Drehtransformators erfolgt.