DE19955144C1 - Determining angular position of rotating rotary part, involves evaluating gradient of wire fed around rotary part in at least one partial circular arc, which varies with rotary motion - Google Patents
Determining angular position of rotating rotary part, involves evaluating gradient of wire fed around rotary part in at least one partial circular arc, which varies with rotary motionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils.The invention relates to a method and a device for determining the angular position a rotary part executing rotary movements.
Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen sind aus der DE 42 33 393 A1, DE 38 14 592 A1 und der DE 40 29 764 A1 bekannt.Such methods and devices are from DE 42 33 393 A1, DE 38 14 592 A1 and known from DE 40 29 764 A1.
In vielen Anwendungsgebieten, insbesondere im Kfz-Bereich, in der Automatisierungs-, Meß-, Steuerungs- und Übertragungstechnik oder im Werkzeugmaschinenbereich, muß der Drehwinkel und damit die Winkelposition von Drehbewegungen ausführenden Teilen bestimmt werden. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise ist für viele Anwendungsfälle der Lenkradwinkel bzw. die Lenk radposition als Maß für die Stellung des Lenkrads hilfreich bzw. unerläßlich, insbesondere zum Betrieb von Fahrdynamiksystemen (beispielsweise adaptive Dämpfungssysteme, Allradantrieb, Hinterachslenkung), Fahrassistenzsystemen (beispielsweise Abstandswarnsysteme, Abstandsre gelungssysteme) oder Navigationssystemen. Zur Erfassung der Winkelposition sind neben ma gnetischen Verfahren (inkrementale Messung des Winkels mittels einer Vielzahl von Magneten) auch optische Verfahren gebräuchlich (berührungslose und verschleißfreie Messung des Winkels mittels codierter Scheiben).In many areas of application, especially in the automotive sector, in the automation, measurement, Control and transmission technology or in the machine tool sector, the angle of rotation and thus the angular position of rotating parts are determined. At Motor vehicles, for example, is the steering wheel angle or the steering for many applications Wheel position as a measure of the position of the steering wheel helpful or indispensable, especially for Operation of vehicle dynamics systems (e.g. adaptive damping systems, all-wheel drive, Rear axle steering), driver assistance systems (e.g. distance warning systems, distance systems) or navigation systems. In addition to ma magnetic method (incremental measurement of the angle using a large number of magnets) Optical methods also used (non-contact and wear-free measurement of the angle by means of coded discs).
Oftmals können auch Drehbewegungen des rotatorischen Teils über eine vollständige Umdre hung hinaus (d. h. Drehungen mit mehr als 360°) realisiert werden, bsp. sind 6 vollständige Um drehungen des Lenkrads bezüglich der feststehenden Lenksäule möglich. Die dann erforderliche absolute Bestimmung beliebiger Winkelpositionen (Drehwinkel) ist oftmals nicht oder nur mit großem Aufwand möglich.Often, rotary movements of the rotary part can also be carried out over a complete revolution hung (i.e. rotations with more than 360 °) can be realized, e.g. are 6 complete um rotations of the steering wheel with respect to the fixed steering column possible. The then required Absolute determination of any angular position (angle of rotation) is often not or only with great effort possible.
In der DE 42 33 393 A1 wird zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung, insbesondere von gro ßen Winkelbereichen, eine von einer Wandermutter verformte, in Blattfedern unterteilte Feder membran verwendet.In DE 42 33 393 A1 is used for analog path or angle coding, especially of large wide angular ranges, a spring deformed by a traveling nut and divided into leaf springs membrane used.
In der DE 38 14 592 A1 wird die Drehwinkelposition einer verdrehbaren Einrichtung, insbeson dere des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, mit einer ortsfest angeordneten Kraftmeßvorrichtung bestimmt. DE 38 14 592 A1 describes the rotational angle position of a rotatable device, in particular that of the steering angle of a motor vehicle, with a stationary force measuring device certainly.
In der DE 40 29 764 A1 wird ein Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei dem mittels einer zwischen Lenkrad und Vorderachse angeordneten Längenmeßeinrichtung die in eine Relativbewegung zwischen zwei Elementen umgesetzte Drehbewegung des Lenkrads erfaßt wird.DE 40 29 764 A1 describes a steering angle sensor for motor vehicles, in which by means of a length measuring device arranged between the steering wheel and the front axle a relative movement between two elements converted rotational movement of the steering wheel is detected becomes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils mit vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Zuverlässigkeit, der Kosten und des Einsatzbereichs anzugeben.The invention has for its object a simple method and a simple device for determining the angular position of a rotary part carrying out rotary movements advantageous properties in terms of reliability, cost and area of use specify.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentan spruchs 1 und des nebengeordneten Patentanspruchs 2 gelöst.This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of the patent claim 1 and the independent claim 2 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.Advantageous embodiments of the device are part of the further claims.
Beim vorgestellten Verfahren bzw. der vorgestellten Vorrichtung wird eine Bestimmung der Win kelposition und damit eine absolute Positionserfassung eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils, d. h. die Erfassung beliebiger Drehwinkel des Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils, über die Umwandlung der Drehbewegung (Rotationsbewegung) in eine Line arbewegung erreicht. Diese Umwandlung wird mittels eines auf dem rotatorischen Teil in minde stens einem Teilkreisbogen angeordneten Drahts realisiert, dessen Steigung (d. h. der Winkel des Drahts bezüglich einer Bezugsebene) und dementsprechend die Winkeländerung des rotatori schen Teils von einem Sensor erfaßt wird. Diese Erfassung erfolgt vorzugsweise elektromagne tisch - insbesondere besteht der Sensor aus einem mit dem Draht (insbesondere mit einem En de des Drahts) verbundenen Geber und mindestens einer Spule als Meß-Induktivität, die das vom Geber erzeugte Signal detektiert. Die Drehbewegung des rotatorischen Teils und damit die Änderung der Steigung des Drahts wird hierdurch in eine Hubbewegung des (bsp. ferromagneti schen) Gebers umgesetzt, deren Änderung (Wegänderung des Gebers) von der mindestens ei nen Spule detektiert und von einer nachgeschalteten Auswerteeinheit dem entsprechenden Drehwinkel zugeordnet wird. Die Detektion der Wegänderung des Gebers bzw. der Position des Gebers kann nach unterschiedlichen Prinzipien erfolgen, bsp. mittels linearer Wegaufnehmer nach dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Differential Transducer), wobei entweder durch Verhält nisbildung die Ausgangssignale zweier Meß-Induktivitäten variometrisch bzw. ratiometrisch aus gewertet werden oder das Ausgangssignal einer Meß-Induktivität direkt als Absolutwert ausgewertet wird. Falls mehr als eine Meß-Induktivität vorgesehen ist, kann eine dieser Meß- Induktivitäten für Referenzmessungen zur Kalibrierung herangezogen werden.A determination of the win kelpposition and thus an absolute position detection of a rotary movement executing rotary part, d. H. the detection of any rotation angle of the rotary movements rotary part, about the conversion of the rotary motion (rotary motion) into a line ar movement reached. This conversion is carried out by means of a on the rotary part at least one partial arc arranged wire, the slope (i.e. the angle of the Wire with respect to a reference plane) and accordingly the change in angle of the rotatori rule is detected by a sensor. This detection is preferably done electromagnetic table - in particular, the sensor consists of a wire (in particular an En de of the wire) connected encoder and at least one coil as a measuring inductor, which Signal generated by the encoder detected. The rotational movement of the rotary part and thus the The change in the pitch of the wire is hereby converted into a stroke movement of the (e.g. ferromagneti ) implemented, the change (change in position of the encoder) from the at least one NEN coil is detected and the corresponding evaluation unit connected downstream Angle of rotation is assigned. The detection of the path change of the encoder or the position of the Donor can be done according to different principles, e.g. using linear displacement transducers according to the LVDT principle (Linear Variable Differential Transducer), whereby either by ratio The output signals of two measuring inductors are formed variometrically or ratiometrically be evaluated or the output signal of a measuring inductor evaluated directly as an absolute value becomes. If more than one measuring inductor is provided, one of these measuring Inductors for reference measurements can be used for calibration.
Die Meßanordnung zur Bestimmung der Winkelposition, insbesondere der Sensor, der Draht und die den Sensor und ggf. eine die Auswerteeinheit aufnehmende Leiterplatte, kann in einem Ge häuse angeordnet werden, wobei die Leiterplatte gleichzeitig die Bezugsebene für die Steigung des Drahts bildet. Durch geeignete am Draht befestigte Mittel (bsp. durch einen am dem Sensor gegenüberliegenden Ende des Drahts befestigten Drücker) kann eine mechanische Nullung der Meßanordnung bzw. des Sensors realisiert werden.The measuring arrangement for determining the angular position, in particular the sensor, the wire and the sensor and possibly a circuit board receiving the evaluation unit can be in one ge be arranged housing, the circuit board is also the reference plane for the slope of the wire forms. By suitable means attached to the wire (e.g. by a means attached to the sensor opposite end of the wire attached pusher) can be a mechanical zeroing of the Measuring arrangement or the sensor can be realized.
Zur Erhöhung der Kraftkopplung kann der Draht in einer ganzen Windung oder in mehreren Win dungen um das rotatorische Teil geführt werden. Hierdurch können entsprechend der Position des Drahts bezüglich des rotatorischen Teils unterschiedliche Zug-/Biegespannungen im Draht auftreten; zum Ausgleich dieser unterschiedlichen Zug-/Druckkräfte des Drahts können geeig nete Maßnahmen getroffen werden: bsp. kann eine mit dem freien Ende des Drahts verbundene Feder oder ein mit dem freien Ende des Drahts verbundener Drücker am Gehäuse angebracht werden, der sich in axialer Richtung in einer Gehäuseführung frei bewegen kann.To increase the force coupling, the wire can be used in one turn or in several win around the rotary part. This allows the position of the wire with respect to the rotary part different tensile / bending stresses in the wire occur; to compensate for these different tensile / compressive forces of the wire Measures are taken: e.g. can be one connected to the free end of the wire Spring or a pusher connected to the free end of the wire attached to the housing be that can move freely in the axial direction in a housing guide.
Vorteilhafterweise kann eine absolute Bestimmung der. Winkelposition über mehrere Umdrehun gen des rotatorischen Teils mit hohem Signalhub und hoher Störsicherheit durchgeführt werden. Durch die robuste mechanische Meßanordnung kann eine kleine Bauform realisiert werden, wo bei die absolute Bestimmung der Winkelposition des rotatorischen Teils unmittelbar nach der Aktivierung der Meßanordnung ermöglicht wird, ohne daß Standby-Ströme erforderlich sind.An absolute determination of the. Angular position over several revolutions against the rotary part with a high signal swing and high interference immunity. Due to the robust mechanical measuring arrangement, a small design can be realized where in the absolute determination of the angular position of the rotary part immediately after the Activation of the measuring arrangement is made possible without the need for standby currents.
Das Verfahren bzw. die Vorrichtung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben werden.The method and the device are to be described below using an exemplary embodiment in Described in connection with the drawing.
Hierzu ist in der Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung (Meßanordnung) zur Durchführung des Verfahrens und in der Fig. 2 im Schnittbild der Sensor der Meßanordnung dargestellt.For this purpose, a schematic representation of the apparatus (measuring device) for performing the method and in Fig. 2 is shown in Fig. 1 shown in the sectional view of the sensor of the measuring arrangement.
Gemäß der Fig. 1 ist zur Bestimmung der Winkelposition des Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils 1 ein gegen eine eine bestimmte Kontur aufweisende Schnecke 2 gespann ter elastischer Federstahldraht 5 vorgesehen; die Schnecke 2 ist als Hülse ausgeführt und auf der Oberfläche (Mantelfläche) des rotatorischen Teils 1 fest fixiert, wobei die Kehle der Schnec ke den Federstahldraht 5 führt. Der Federstahldraht 5 ist an einem Ende 6 durch einen Lager bock 8 fixiert und mit dem Sensor 12 verbunden, wobei der Federstahldraht 5 am Lagerbock 8 durch eine Wippe 17 beweglich gehalten und durch die Klemmschraube 16 (s. Fig. 2) positioniert wird. Die Meßanordnung aus dem Federstahldraht 5, dem Sensor 12 und der den Sensor 12 aufnehmenden Leiterplatte 4 ist in einem Gehäuse 3 angeordnet. . According to the Fig 1, the angular position of the rotary movements exporting rotary part 1, a strained against a particular contour having screw 2 ter elastic spring steel wire 5 is provided for the determination; the screw 2 is designed as a sleeve and fixed on the surface (lateral surface) of the rotary part 1 , the throat of the Schnec leads the spring steel wire 5 . The spring steel wire 5 is at one end 6 bock by a bearing 8 fixed and connected to the sensor 12, wherein the spring wire 5 is held on the bearing block 8 movably supported by a rocker 17 and is positioned by the clamping screw 16 (2 s. Fig.). The measuring arrangement consisting of the spring steel wire 5 , the sensor 12 and the circuit board 4 receiving the sensor 12 is arranged in a housing 3 .
Bei einer Drehbewegung des rotatorischen Teils 1 ändert sich entsprechend der Steigung der Schnecke 2 der Winkel α des Federstahldrahts 5 bezüglich der rechtwinklig zur Drehebene des rotatorischen Teils 1 befindlichen Leiterplatte 4, was durch den Sensor 12 erfaßt wird. Die Nullung der Meßanordnung erfolgt mittels mechanischem Druck auf den Federstahldraht 5 durch den Drücker 10, der über das Gegenlager 9 am dem Sensor 12 gegenüberliegenden Ende 7 des Federstahldrahts 5 mit dem Gehäuse 3 befestigt ist. Die als Führung wirkende Gabel 11 sichert mit ihrer Kulisse das Einrasten des Federstahldrahts 5 in die Kontur bzw. Kehle der Schnecke 2. Der Federstahldraht 5 ist bsp. in einer Windung (360°) um das rotatorische Teil 1 geführt; zum Ausgleich der je nach Position des Federstahldrahts 5 bezüglich des rotatorischen Teils 1 unterschiedlichen Zug-/Druckkräfte des Federstahldrahts 5 ist eine mit dem Drücker 10 verbundene Feder 18 vorgesehen.When the rotary part 1 rotates, the angle α of the spring steel wire 5 changes in accordance with the pitch of the screw 2 with respect to the printed circuit board 4 located at right angles to the rotary plane of the rotary part 1, which is detected by the sensor 12 . The measuring arrangement is zeroed by means of mechanical pressure on the spring steel wire 5 by the pusher 10 , which is fastened to the housing 3 via the counter bearing 9 at the end 7 of the spring steel wire 5 opposite the sensor 12 . The backdrop of the fork 11 acting as a guide ensures that the spring steel wire 5 snaps into the contour or throat of the worm 2 . The spring steel wire 5 is, for example. performed in one turn (360 °) around the rotary part 1 ; To compensate for the different tensile / compressive forces of the spring steel wire 5 depending on the position of the spring steel wire 5 with respect to the rotary part 1 , a spring 18 connected to the pusher 10 is provided.
Gemäß der Fig. 2 besteht der Sensor 12 aus einem ferromagnetischen Körper als Geber 13 und den beiden als Spulenwicklung realisierten Meß-Induktivitäten 14, 15 (Tauchspule). Der im Bereich des Sensors 12 abgewinkelte Federstahldraht 5 bewegt bei einer Drehbewegung des rotatorischen Teils 1 den ferromagnetischen Körper 13, dessen relative Lage bezüglich der Lei terplatte 4 bzw. dessen Wegänderung Δs ein Maß für die Lage des Federstahldrahts 5 in der Schnecke 2 und damit für den Drehwinkel bzw. die Winkelposition des rotatorischen Teils 1 ist. Da der die Steigung des Federstahldrahts 5 charakterisierende Winkel α in direktem Verhältnis zur Lage des Federstahldrahts 5 in der Schnecke 2 steht, kann durch den Sensor 12 eine belie bige Winkelposition des rotatorischen Teils 1 (insbesondere auch bei einer mehrfachen Drehung des rotatorischen Teils 1) abgebildet werden. Die Wegänderung Δs des ferromagnetischen Kör pers 13 wird durch die beiden Meß-Induktivitäten 14, 15 erfaßt und deren Ausgangssignal elek tronisch auf oszillatorische Weise ausgewertet.According to FIG. 2 12 is the sensor of a ferromagnetic body as a timer 13 and the two realized as a measuring coil inductors 14, 15 (moving coil). The angled in the area of the sensor 12 spring steel wire 5 moves with a rotational movement of the rotary part 1, the ferromagnetic body 13 , its relative position with respect to the Lei terplatte 4 or its path change Δs a measure of the position of the spring steel wire 5 in the screw 2 and thus for is the angle of rotation or the angular position of the rotary part 1 . Since the slope α of the spring steel wire 5 characterizing angle α is directly related to the position of the spring steel wire 5 in the screw 2 , an arbitrary angular position of the rotary part 1 (in particular also with a multiple rotation of the rotary part 1 ) can be imaged by the sensor 12 become. The path change Δs of the ferromagnetic Kör pers 13 is detected by the two measuring inductors 14 , 15 and their output signal is evaluated electronically in an oscillatory manner.
Selbstverständlich sind auch Verfahren und Vorrichtungen mit anderen als der hier beschriebe nen Auswertemethode denkbar. Bsp. erfolgt die Halterung des Drahts zweiseitig in einer als Wippe ausgebildeten Gabel (d. h. der Draht wird beidseitig von den Schenkeln der Wippe gehal ten), wobei die Gabel den Draht mit leichter Spannung gegen die als Buchse ausgeführte und auf der Oberfläche (Mantelfläche) des rotatorischen Teils aufgebrachte Schnecke drückt; die Wippe trägt einen Stahlkern als Geber des Sensors, der entsprechend der Drehbewegung des rotatorischen Teils bewegt wird (d. h. dessen Wegänderung ein Maß für die Lage des Federstahl drahts in der Schnecke und damit für den Drehwinkel bzw. die Winkelposition des rotatorischen Teils ist), was wiederum von mindestens einer Meß-Induktivität des Sensors (bsp. einer Tauch spule) ausgewertet werden kann.Of course, methods and devices with other than that described here are an evaluation method conceivable. For example, the wire is held on both sides in an as Rocker-formed fork (i.e. the wire is held on both sides by the legs of the rocker ten), the fork holding the wire with slight tension against the bushing and presses the worm attached to the surface (lateral surface) of the rotary part; the Rocker carries a steel core as the sensor of the sensor, which corresponds to the rotary movement of the rotatory part is moved (i.e. its path change is a measure of the position of the spring steel wire in the screw and thus for the angle of rotation or the angular position of the rotary Is in part), which in turn means at least one measuring inductance of the sensor (e.g. a dip coil) can be evaluated.
Bsp. soll die Winkelposition der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs erfaßt werden, wobei der durch die drehbare Lenksäule als rotatorischem Teil 1 vorgegebene Lenkradwinkel in einem Bereich von 6 Lenkradumdrehungen (≘ 2160°) liegen kann. Die aufgrund der Drehbewegung in den bei den Meß-Induktivitäten 14, 15 induzierte Ausgangsspannung ist ein Maß für den Drehwinkel der Lenksäule 1.For example, the angular position of the steering column of a motor vehicle is to be detected, wherein the steering wheel angle given by the rotatable steering column as rotary part 1 can be in a range of 6 steering wheel revolutions (≘ 2160 °). The output voltage induced in the measuring inductors 14 , 15 due to the rotary movement is a measure of the angle of rotation of the steering column 1 .
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| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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