DE19931809C2 - Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lenkwinkelsensor zur Erfassung der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges.

Solche Sensoren werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Meßprinzipien ausgeführt. So ist zum Beispiel aus der DE 43 00 663 C1 ein Lenkwinkelsensor bekannt geworden, bei dem auf dem Kreisumfang verteilte Lichtschranken eine auf einem Blendenring realisierte Codierung abtasten. Mit einer derartigen Sensoreinrichtung konnten bislang zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden; allerdings ist das Auflösungsvermögen einer solchen Anordnung konstruktiv bedingt begrenzt und ihre Realisierung vergleichsweise kostspielig. Insbesondere durch den Einsatz von Lenkwinkelsensoren in sog. Fahrdynamiksystemen sind die Anforderungen an die Auflösung der verfügbaren Winkelinformation gestiegen, wobei gleichzeitig die Bestrebungen dahin gehen, zu deutlich kostengünstigeren Lösungen zu kommen.

Kapazitive Winkelsensoren sind insbesondere aus dem Maschinenbau bereits bekannt. So ist in der AT 398 245 B ein kapazitiver Winkelsensor offenbart, bei dem an einer auf einem ersten Stator vorhandenen Einkoppelseite Wechselspannungssignale angelegt und an einer auf einem axial gegenüberliegenden zweiten Stator vorhandenen Auskoppelseite der dadurch erzeugte Verschiebestrom gemessen werden, wobei ein zwischen diesen beiden Statoren drehbar gelagerter Rotor aus dielektrischem oder metallischem Material je nach Drehwinkel eine unterschiedliche Kopplung der Elektroden des ersten und des zweiten Stators und damit einen unterschiedlichen Verschiebestrom bewirkt.

In der US Patentschrift No. 4,092,579 ist ein kapazitiver Winkelsensor offenbart, bei dem in einer Ausführungsform vorgesehen ist, zwei kreisringförmige Einkoppelelektroden sowie vier kreisringsektorförmige Auskoppelelektroden auf einem gemeinsamen Stator anzuordnen, wobei die Einkoppelelektroden mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt werden, das mittels axial gegenüberliegender kreisring- und kreisringsektorförmige Flächenelemente aufweisender Koppelelektroden, die auf einem drehbar gelagerten Rotor angeordnet sind, je nach dessen Winkelstellung in unterschiedlichem Maße auf die Auskoppelelektroden übertragen wird.

Die DE 37 11 062 offenbart eine kapazitive absolute Positionsmeßvorrichtung, bei der in einer Ausführungsform zur Messung von Drehbewegungen mehrere an einem Stator angebrachte, kreisringsektorförmige Sendeelektroden sowie eine kreisringförmige Empfangselektrode mit einer an einem Rotor angebrachten Koppelelektrode kooperieren, wobei die Sendeelektroden gleichzeitig mit statischen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, die in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen und in ihrer gemeinsamen Wirkung ein winkelabhängiges statisches Potential auf der Empfangselektrode erzeugen.

Eine weitere kapazitive Meßeinrichtung zur Erfassung eines Stellwinkels ist aus der DE 40 34 991 A1 bekannt. Diese weist einen Stator mit Winkel- und Leseelektroden, auf, die mit einem eine kapazitive Kopplung zwischen diesen bewirkenden, an einem Rotor angebrachten zweiten Elektrodenanordnung kooperieren. Die Winkelelektroden sind dabei aufgeteilt in solche einer ersten Art, die für eine Grobmessung vorgesehen ist, und solche einer davon unterschiedlichen zweiten Art, die für eine Feinmessung vorgesehen ist.

Die DE 43 22 750 A1 offenbart darüberhinaus auch einen für eine Verwendung im Kraftfahrzeug z. B. als Drosselklappensensor, Lenkwinkelsensor oder Niveausensor vorgesehenen kapazitiven Drehwinkelsensor, bei dem mit Elektrodenstrukturen versehene Stator- und Rotorscheiben miteinander kooperieren.

Gegenüber dem geschilderten Stand der Technik zeichnet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß mit einer sehr einfachen Anordnung der Einkoppelelektroden sowie einer zu diesen koplanaren, zentralen Auskoppelelektrode auf der Statorseite eine genaue Bestimmung der Winkelposition durch eine Grobmessung unter Verwendung aller Sendeelektroden und eine nachfolgende Feinmessung unter Verwendung nur ausgewählter Sendeelektroden erfolgt.

Eine kostengünstige und hochauflösende Lenkwinkelsensoreinrichtung zur Verfügung zu stellen, die sich gleichzeitig aufgrund ihrer Robustheit gegenüber Störeinflüssen, wie Aufbautoleranzen, Fremdfeldern etc. für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug eignet, gelingt dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines einen Stator und einen Rotor umfassenden kapazitiven Meßsystems mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den zusätzlichen Unteransprüchen angegeben und gehen auch aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sowie möglicher Varianten desselben hervor.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, in der eine räumliche Ansicht einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Gegenstandes wiedergegeben ist, besteht der mechanische Aufbau aus einem als Leiterplatte ausgeführten Substrat 1, das den Stator des Lenkwinkelsensors bildet. Auf die Leiterplatte sind ein segmentierter Ring von insgesamt sechzehn Sendeelektroden 2.1 . . . 2.16, die jeweils einzeln mit einem elektrischen Signal beaufschlagt werden können, sowie eine konzentrisch zu diesen angeordnete, kreisringförmige Empfangselektrode 3 aufgebracht. Auf der gleichen Leiterplatte befindet sich, z. B. auf der Rückseite (in der Zeichnung nicht dargestellt) die Sende- und Empfangselektronik des Sensors, wodurch die Leitungslängen kurz gehalten werden, und damit die Störempfindlichkeit des Aufbaus verringert wird.

Ein Rotor 4 stellt mit elektrisch leitfähigen Kreisringsektorflächen 4' und 4" eine kapazitive Kopplung zwischen den von diesen überdeckten Sendeelektroden und der Empfangselektrode 3 des Stators her. Da diese Koppelelektroden nur als passive Elemente wirken, benötigen sie keine elektrische Kontaktierung. Sie können z. B. als einfache Stanzteile ausgeführt werden.

Der Rotor ist punktsymmetrisch aufgebaut und überdeckt mit jeder seiner Koppelelektrodenflächen zweieinhalb Sendeelektroden sowie einen entsprechenden Sektor der Empfangselektrode.

Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird sichergestellt, daß bei jeder Winkelposition des Rotors von jeder Koppelfläche zumindest eine Sendeelektrode vollständig überdeckt wird.

Durch die Bestimmung der Sendeelektroden, bei denen die kapazitive Kopplung mit der Empfangselektrode 3 maximal wird, erfolgt in einem ersten Meßschritt eine Grobbestimmung der Winkelposition des Rotors mit einer Auflösung von einem Segment. Im vorliegenden Fall von sechzehn Sendeelektroden entspricht dies bereits einer Genauigkeit von 4-Bit, die durch diese Vergleichsmessung gewonnen werden.

Zur Feinbestimmung der Rotorposition werden die Kapazitäten gemessen, die durch die in den Randbereichen der Koppelelektrode teilüberdeckten Sendeelektroden mit der Empfangselektrode 3 gebildet werden. Um eine Gesamtauflösung von 10-Bit zu erreichen, wird hierbei eine Auflösung von nur noch 6-Bit benötigt.

In der Praxis bedeutet dies, daß durch diese sequentielle Messung eine hohe Auflösung auch bei Verwendung eines preiswerten 6-Bit A/D-Wandlers erreichbar ist.

Durch Mittelwertbildung der Meßwerte an den gegenüberliegenden Seiten der Koppelelektrode kann eine Kompensation bei Achsverkippung oder Achsversatz des Rotors erfolgen. Als Referenzwerte stehen zur Kalibrierung bei jeder Winkelposition immer die durch gegenüberliegende voll-, teilweise- und nicht-überdeckte Sendeelektroden gebildeten Kapazitätswerte zur Verfügung.

Die Messung der Kapazität erfolgt als Amplitudenmessung mit Hilfe einer Senderfrequenz von z. B. 30 kHz. Zur Verringerung von Störeinflüssen wird im Empfänger ein selektiver Gleichrichter (Synchrongleichrichter) verwendet, der Frequenzanteile ungleich der Senderfrequenz oder ungeradzahligen Vielfachen davon stark abschwächt.

Ein Microcontroller steuert den sequentiellen Meßablauf und berechnet aus den Meßwerten den gesuchten Winkel.

Durch die Symmetrie des Rotors 4 kann mit der zuvor beschriebenen Anordnung der Winkel nur mit einer Periodizität von 180 Grad gemessen werden. Eine Erweiterung des Meßbereiches auf 360 Grad ist durch eine Aufhebung dieser Symmetrie des Rotors 4 durch eine entsprechende Veränderung seiner Form möglich. Die einfachste Möglichkeit dazu ist die Verwendung nur einer Koppelfläche, wodurch aber die zuvor geschilderten Kompensationsmöglichkeiten wegfallen, so daß diese Möglichkeit nur dort sinnvoll erscheint, wo durch entsprechend geringe Toleranzen im mechanischen Aufbau auf die Kompensation verzichtet werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beibehaltung der Symmetrie hinsichtlich der Anordnung, nicht aber der Größe der beiden Koppelelektroden 4' und 4", so daß sie durch den Meßvorgang unterschieden werden können, wobei aber auch bei dieser Lösung zumindest Einschränkungen in der Qualität der Kompensationsmöglichkeiten gegenüber der ursprünglich geschilderten Ausführung in Kauf zu nehmen sind.

Eine dritte Möglichkeit zur Aufhebung der Symmetrie des Rotors 4, die auch keine Einschränkungen hinsichtlich der Kompensationsmöglichkeiten mit sich bringt, besteht in der Anbringung einer weiteren Koppelelektrode zwischen den beiden anderen. Diese zusätzliche Elektrode, die eine deutlich kleinere Koppelfläche haben kann als die beiden anderen, wird im Zuge der Grobbestimmung der Rotorposition mit erfaßt und kann bei der folgenden Feinbestimmung außer acht gelassen werden.

Um bei jeder Winkelstellung des Rotors 4 eine gute Genauigkeit zu erreichen, wird die Größe der Koppelelektroden vorteilhafterweise so gewählt, daß niemals beide ihrer Kanten gleichzeitig mit den Grenzen zwischen jeweils zwei Statorelektroden zur Deckung kommen und sich damit in dem dort vorherrschenden, relativ inhomogenen Feldbereich befinden.

Claims (9)

1. Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator, der eine Mehrzahl n elektrisch leitfähiger, voneinander isolierter und gemeinsam einen Kreisring zumindest teilweise überdeckender, kreisringsektorförmiger Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.n) zum Einkoppeln elektrischer Signale sowie eine konzentrisch und koplanar zu diesen angeordnete, elektrisch leitfähige, kreisringförmige Empfangselektrode (3) zum Auskoppeln elektrischer Signale umfaßt, und einem mit der Lenkwelle verbundenen, zumindest eine zu den Elektroden (2.1, . . ., 2.n, 3) des Stators flächenparallele Koppelelektrode (4' oder 4") umfassenden Rotor (4), wobei die Elektroden (2.1, . . ., 2.n, 3) des Stators mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung die kreisringsektorförmigen Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.n) einzeln mit einem elektrischen Signal beaufschlagt und das dabei in der kreisringförmigen Empfangselektrode (3) eingekoppelte Signal zur Ermittlung der Winkelstellung der Koppelelektrode (4' oder 4") des Rotors (4) auswertet, wobei die genaue Bestimmung der Winkelposition durch eine Grobmessung unter Verwendung aller Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.n) und eine nachfolgende Feinmessung unter Verwendung nur ausgewählter Sendeelektroden (2.a, 2.b, . . .) erfolgt.

2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.n) gleiche Flächen aufweisen und gemeinsam einen Kreisring vollständig überdecken.

3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Koppelelektrode (4' oder 4") des Rotors (4) die Elektroden (2.1, . . ., 2.n, 3) des Stators in radialer Richtung voll überdeckt und daß in Umfangsrichtung nicht beide ihrer Kanten gleichzeitig mit den Grenzen zwischen jeweils zwei der Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.n) zur Deckung kommen.

4. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) zwei elektrisch leitfähige Koppelelektroden (4', 4") umfaßt.

5. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Koppelelektroden (4', 4") die gleiche Größe haben und einander bezüglich der Drehachse gegenüberliegen.

6. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator sechzehn gleichartige, kreisringsektorförmige Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.16) umfaßt.

7. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Koppelelektrode (4' oder 4") des Rotors in Umfangsrichtung zumindest zwei der Sendeelektroden (2.1, . . ., 2.16) flächenmäßig überdeckt.

8. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2.1, . . ., 2.n, 3) des Stators als leitfähige Flächen auf einem plattenförmigen, aus einem Isolierstoff bestehenden Substrat (1), insbesondere einer Leiterplatte, ausgeführt sind.

9. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) auch die zur Ansteuerung der Elektroden (2.1, . . ., 2.n, 3) des Stators verwendete elektronische Schaltung aufnimmt.