DE19955475A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Drehmomentmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmomentmessung mit zumindest zwei Drehwinkelsensoren, die jeweils ein von den Drehwinkeln abhängiges, analoges Signal ausgeben, einem Element mit bekannter Torsionselastizität, der zwischen den zumindest zwei Drehwinkelsensoren zwischengeschaltet ist, einem Subtrahierer, der die analogen Signale der Drehwinkelsensoren empfängt und ein Differenzsignal bildet, einem Verstärker, der das vom Subtrahierer gebildete Signal empfängt und verstärkt, und einem A/D-Wandler, der das vom Verstärker gebildete Signal empfängt und in ein digitales Signal umwandelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmo­ mentmessung.

Es ist bekannt, zur Drehmomentermittlung beispielsweise Drehmomentsensoren mit Dehnmeßstreifen einzusetzen. Solche Drehmomentsensoren aus der industriellen Meßtechnik sind jedoch zum einen für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich nicht serientauglich. Zum anderen sind sie zu kostspielig und besitzen technische Nach­ teile.

Ein besonderes Anwendungsgebiet zur Drehmomenterfassung ergibt sich beim Einsatz von sog. steer-by-wire-Systemen, bei denen eine Messung von Drehmo­ menten an der Lenksäule und am Lenkgetriebe notwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmo­ mentmessung anzugeben, welche bzw. weiches kostengünstig und funktionssicher ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale vorrichtungsmä­ ßig und durch die im Anspruch 11 genannten Merkmale verfahrensmäßig gelöst.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, Winkelsensoren, die bereits ohnehin in einigen Systemen, bei denen ein Drehmoment erfaßt werden soll, vorhanden sind, zu verwenden. Grundsätzlich wird die an einem Torsionselement (z. B. Drehstab) auftretende, drehmomentabhängige Relativverdrehung mit zumindest zwei Dreh­ winkelsensoren ermittelt.

Dabei liegt ein Problem jedoch darin, daß zur Erfüllung einer geforderten Auflösung von kleinen Relativwinkeln eine große Bitanzahl für dessen Digitalisierung notwen­ dig ist. Genauer gesagt müßte für die geforderte Auflösung von kleinen Relativwin­ keln die Auflösung der Absolutwinkel sehr hoch sein. Um beispielsweise eine aus­ reichende Auflösung für Relativwinkel mit einem Maximum von +/- 5° zu erreichen, müßten Bitwörter mit 16 Bit zur Erfassung der Absolutwinkel verwendet werden.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die analogen Signale von zumindest zwei Drehwin­ kelsensoren voneinander subtrahiert werden und diese Differenz dann verstärkt wird, kann der gesamte Eingangsspannungsbereich eines vorhandenen Analog- Digital-Wandlers (A/C-Wandler) ausgenutzt werden. Es kann also die Winkeldiffe­ renz mit der vollen Auflösung des A/C-Wandlers digitalisiert werden, so daß bei einer im nachfolgenden Figurenbeispiel diskutierten Ausführungsform anstelle eines 16 Bit A/C-Wandlers ein 10 Bit A/C-Wandler ausreicht.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sollten die beiden Win­ kelsensoren oder -geber so zueinander ausgerichtet sein, daß sie im momentenlo­ sen Zustand des Systems das gleiche Spannungssignal liefern.

Als Problem ist zudem erkannt, daß bei herkömmlich eingesetzten Drehwinkelsen­ soren Linearitätsfehler auftreten. Diese Linearitätsfehler können im Prozentbereich liegen, so daß sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel ein variabler Offset von einer Idealkurve ergibt. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 3 hingewiesen. Um nun diese bei realen Drehwinkelsensoren auftretenden Fehler auszugleichen, ist es von Vorteil, den Offset und/oder die reale Steigung in jedem Arbeitspunkt eines Dreh­ winkelsensors zu erfassen. Das aufgrund der Signale von zwei Drehwinkelsensoren berechnete Differenzsignal kann dann mit diesen Offset- und/oder Steigungswerten korrigiert werden, so daß ein mit dem Idealzustand annähernd übereinstimmendes Differenzsignal gebildet werden kann.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform wird als Drehwinkelsensor ein po­ tentiometrischer Drehwinkelgeber verwendet. In einem Ausführungsbeispiel umfaßt dieser potentiometrische Drehwinkelgeber zwei elektrisch parallelgeschaltete Wi­ derstandsbahnen, die jeweils 180° abdecken, und zwei um etwa 90° versetzte Schleifer.

Wie nachfolgend noch erläutert wird, kann bei Verwendung dieser Drehwinkelsen­ soren jeweils ein Signal ausgewertet werden, das sich zwischen 0,25 und 0,75 ei­ nes vollen Meßsignales (Maximalmeßsignalwert = 1) befindet. Dabei werden die Drehmomentmessungen bezüglich der Signale paarweise ausgewertet, d. h. es werden Differenzpaare von Signalen A1 (= Schleifer 1 des Drehwinkelsensors 1) und B1 (= Schleifer 1 des Drehwinkelsensors 2) sowie A2 (= Schleifer 2 des Dreh­ winkelsensors 1) und B2 (= Schleifer 2 des Drehwinkelsensors 2) gebildet. Nur die Differenz der jeweils im Mittelbereich liegenden Signale wird dann ausgewertet, weil die beiden Schleifersignale in diesem Bereich genügend genau parallel laufen.

Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung wird vorliegend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung der Wirkungsweise einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Drehwinkelsensoren,

Fig. 2 ein Teil einer schematischen Schaltanordnung einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Abweichung eines realen Meßsignals ge­ genüber einem idealen Meßsignal aufzeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, welches die im Idealfall gleichen Differenzsignale bei unterschiedlichen absoluten Drehwinkelstellungen angibt,

Fig. 5 ein Diagramm wie Fig. 4, in dem jedoch die realen Verhältnisse darge­ stellt sind,

Fig. 6 ein Diagramm wie Fig. 4, in dem die Wirkung einer Steigungskorrektur dargestellt ist,

Fig. 7 ein schematisches Schaltdiagramm in Blockschaltausführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 eine schalttechnische Darstellung einer Ausführungsform eines Dreh­ winkelsensors,

Fig. 9 ein Diagramm, in dem die Meßsignale eines Drehwinkelsensors gemäß Fig. 8 dargestellt sind, und

Fig. 10 ein Diagramm wie Fig. 9, in dem die Signale zweier Drehwinkelsensoren gemäß Fig. 8, die gegeneinander relativ verdreht sind, dargestellt sind.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Wirkungsweise der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich gemacht. Dabei sind zwei Drehwinkelsensoren 10 und 12 vorgesehen, zwischen denen ein Drehstab 14 mit bekannter Torsionselastizität zwischengeschaltet ist. Die in Fig. 1 gezeigte Vor­ richtung ist vorliegend an einem steer-by-wire-Lenksystem, insbesondere an der Lenksäule und am Lenkgetriebe verwendet. Wird nun beispielsweise die (nicht dar­ gestellte) Lenksäule verdreht, so ergibt sich über das anliegende Drehmoment eine Relativverdrehung des Drehstabes um einen von dessen Torsionseigenschaft ab­ hängigen Relativwinkel. Dieser Relativverdrehung (Relativwinkel) ist durch den mit Bezugszeichen 16 bezifferten Doppelpfeil angegeben. Die beiden Drehwinkelsenso­ ren 10, 12 sind als potentiometrische Drehwinkelsensoren ausgebildet, welche später noch mit Bezugnahme auf die Fig. 8 erläutert sind.

Prinzipiell geben die beiden potentiometrischen Drehwinkelsensoren 10 und 12 ent­ sprechend ihrer Stellung ein elektrisches analoges Signal ab.

Diese Signale werden - wie in Fig. 2 näher dargestellt ist - einem Subtrahierer 18 zugeführt, der aus diesen beiden, von den Drehwinkelsensoren 10 und 12 einge­ henden analogen elektrischen Signale ein ebenfalls analoges Differenzsignal bildet. Dieses Differenzsignal wird an einen Verstärker 20 ausgegeben, der eine Verstär­ kung in einem vorbestimmten Maß bewirkt und das so entstehende Analogsignal an einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler oder ADC) weitergibt.

Durch die Verstärkung der Differenzspannung kann der gesamte Eingangsspan­ nungsbereich des vorliegend verwendeten Analog-Digital-Wandlers ausgenutzt werden, d. h. die Winkeldifferenz wird mit der vollen Auflösung digitalisiert. Insge­ samt ist daher vorliegend ein 10 Bit-Analog-Digital-Wandler ausreichend.

Um ein geeignetes Differenzsignal zu bekommen, sollen die beiden Drehwinkelsen­ soren vorzugsweise so ausgerichtet sein, daß sie im momentenlosen Zustand das gleiche Spannungssignal liefern.

Allerdings besitzen reale Drehwinkelsensoren üblicherweise einen Linearitätsfehler, der durchaus im Prozentbereich liegen kann.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weicht die reale Meßsignalkurve 28 über den gesam­ ten Winkelbereich in zum Teil nicht unbeträchtlicher Weise vom idealen Meßsignal ab. Diese Abweichung definiert einen variablen Offset, der bei der Differenzbildung zu einem variablen Proportionalitätsfaktor zwischen den erfaßten Signalen und dem tatsächlich vorhandenen Drehmoment führt.

Idealerweise sollte - wie dies in Fig. 4 gezeigt ist - sich eine jeweils gleiche Differenz der Meßsignale 30a, 30b unabhängig von dem absoluten Drehwinkel ergeben. Die Differenz des Meßsignals dürfte idealerweise nur von der Relativverdrehung des Drehstabes 14 und damit von dem Relativwinkel, um den beide Drehwinkelsenso­ ren gegeneinander verdreht sind, abhängen. In der Realität liegt jedoch eher ein Meßsignal bzw. liegen Meßsignaldifferenzen 32a und 32b vor, wie sie in Fig. 5 dar­ gestellt sind. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, schwanken die realen Meßsignale (A = Meßsignal des Drehwinkelsensors 10 bzw. B = Meßsignal des Drehwinkelsensors 12) um die Ideallinie eines idealen Meßsignals. Dies führt dazu, daß bei gleichem anliegenden Drehmoment je nach absolutem Drehwinkel die Differenz der Meßsi­ gnale voneinander abweichen (vgl. Bezugsziffern 32a und 32b).

Um diese Effekte zu vermindern, wird zu jedem Drehwinkelsensor 10, 12 eine Offset- und Steigungstabelle angelegt, in der für jeden Arbeitspunkt die entspre­ chenden Offset- und Steigungswerte eingegeben sind. Dieser Kalibriervorgang wird einmal durchgeführt, beispielsweise beim Zusammenbau eines Fahrzeugs am Bandende. Dabei werden in einer Kalibrierroutine die jeweiligen Antriebe um eine Umdrehung momentenlos durchgedreht. Zu jeder Winkelstellung werden die ent­ sprechenden Offsetwerte gemessen und direkt abgelegt. Die Steigungswerte wer­ den zunächst aus den zwischengespeicherten Werten für die Winkel des Drehwin­ kelgebers 10 und dem Differenzwinkel berechnet und dann ebenfalls abgelegt.

In Fig. 6 wird der Effekt einer solchen Steigungskorrektur deutlich. Dabei ist in ei­ nem bestimmten Arbeitspunkt der Kurve B (Drehwinkelsensor 12) eine reale Stei­ gung angegeben, die von der idealen Steigung abweicht. Ohne Berücksichtigung der realen Steigung würde man bei Ermittlung einer Differenz 34 der Meßsignale von beiden Drehwinkelsensoren 10, 12 einen Relativwinkel (vgl. Relativwinkel ohne Korrektur) erhalten, der vom tatsächlichen Relativwinkel (Relativwinkel real) deutlich abweicht. Mit der vorliegenden Korrektur erhält man einen Relativwinkel (Relativwinkel mit Korrektur), der sehr viel weniger von dem realen Relativwinkel abweicht. Damit kann bei Vorliegen eines Differenzsignals genauer auf das damit verbundene Drehmoment geschlossen werden.

Die schaltungstechnische Berücksichtigung der Offset-Werte und realen Stei­ gungswerte wird aus dem schematischen, in Fig. 7 gezeigten Schaltdiagramm deutlich.

Wie bereits anhand Fig. 2 erläutert, werden die analogen Signale der beiden poten­ tiometrischen Drehwinkelsensoren 10 und 12 im Subtrahierer 18 voneinander ab­ gezogen und nachfolgend in dem Verstärker 20 verstärkt. Das so erzeugte Diffe­ renzsignal wird sodann in dem A/C-Wandler 40 in ein 10 Bit-Wort umgewandelt und an einen weiterer Subtrahierer 42 weitergegeben.

Andererseits wird das vom Drehwinkelsensor 10 stammende Signal an einen zu­ sätzlichen A/C-Wandler 44 abgegeben, der das daraus gebildete digitale Signal zwei Speichereinheiten 46 und 48 zuführt. In der Speichereinheit 46 sind Offset- Tabellen enthalten, die - wie vorgenannt erwähnt - erzeugt worden sind und die jeweiligen Offsetwerte für jeden Arbeitspunkt des Drehwinkelsensors 10 beinhalten. In der Speichereinheit 48 sind die in jedem Arbeitspunkt vorliegenden realen Stei­ gungswerte des Drehwinkelsensors 10 angegeben. Aufgrund der digitalisierten und mittelbar vom Drehwinkelsensor 10 stammenden Eingangssignale können Offset- Signale und Steigungskorrektur-Signale ausgegeben werden. Das Offset-Signal wird an den Subtrahierer 42 abgegeben, der aus diesem Signal und dem vom A/C- Wandler 40 kommenden digitalisierten Differenzsignal ein korrigiertes Differenzsi­ gnal bildet und dieses an einen Multiplizierer 50 weitergibt. Der Multiplizierer 50 er­ hält das Steigungskorrektur-Signal von der Speichereinrichtung 48 und errechnet daraus ein Signal, das einem tatsächlichen Drehmomentwert 52 entspricht.

In der vorgenannten Ausführungsform sind als Drehwinkelsensoren 10 und 12 bei­ spielsweise normale Potentiometer verwendet worden.

In einer weiteren Ausführungsform werden als potentiometrische Drehwinkelsenso­ ren Winkelgeber verwendet, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind. Diese Winkelgeber bestehen aus zwei elektrisch parallelgeschalteten Widerstandsbahnen 60, 62, die jeweils 180° abdecken. Die Eindeutigkeit und Lückenlosigkeit einer Messung wird durch zwei um 90° versetzte Schleifer 64 und 66 gewährleistet, die entsprechend der Zeigerstellung Signale, vorliegend Signal 1 und Signal 2, an eine Auswerteein­ richtung abgeben. Der Winkelgeber liefert mit den zwei parallelgeschalteten Wider­ standsbahnen über die vollen 360° ein lückenloses Signal.

Die in Fig. 8 dargestellten Drehwinkelsensoren ergeben bei einer Drehung um 360° Meßsignale wie sie in Fig. 9 mit 1 (Signal 1) und 2 (Signal 2) dargestellt sind. Un­ terhalb dem Diagramm in Fig. 9 sind die tatsächliche Daten zu den Signalwerten (S1 zu Signal 1 und S2 zu Signal 2) angegeben. Dabei wird deutlich, daß je nach Winkelabschnitt die ausgegebenen Signale jeweils zwischen 0 und 0,5 oder zwi­ schen 0,5 und 1 eines Meßsignals mit dem Maximalwert 1 liegen. Bei der Winkel­ auswertung wird jedoch nur ein Signal verwendet, das sich in einem Bereich zwi­ schen 0,25 und 0,75 befindet. Dieser Bereich ist in Fig. 9 als nutzbarer Bereich be­ zeichnet.

Fig. 10 entspricht der Darstellung in Fig. 9. In Fig. 10 sind die Kurven A1, A2, B1 und B2 von zwei Drehwinkelsensoren angegeben, wie sie gemäß Fig. 8 ausgebildet sind. Entsprechend der Relativverdrehung der beiden Drehwinkelsensoren sind auch die Kurven der Signale versetzt.

Bei einer Drehmomentmessung werden diese Signale nun paarweise ausgewertet, d. h. die Differenz der Signale A1 (= Schleifer 1 des Drehwinkelsensors 1) und B1 (= Schleifer 1 des Drehwinkelsensors 2) sowie A2 (= Schleifer 2 des Drehwinkel­ sensors 1) und B2 (= Schleifer 2 des Drehwinkelsensors 2) werden gebildet und nur die Differenz der jeweils im Mittenbereich liegenden Signale wird ausgewertet. Bei der Verwendung von Drehwinkelsensoren gemäß Fig. 1 müssen daher zwei Aus­ wertevorrichtungen verwendet werden, wie sie in Fig. 7 angegeben sind. Eine Aus­ wertevorrichtung wird verwendet für das Schleiferpaar Schleifer1/GeberA und Schleifer1/GeberB und eine Auswertevorrichtung wird verwendet für das Schleifer­ paar Schleifer2/GeberA und Schleifer2/GeberB. Mit dieser Ausführungsform lassen sich im wesentlichen fehlerfreie Messungen durchführen.

Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren angegeben, das eine einfache und sichere Drehmomenterfassung gewährleistet. Kann auf bereits vorhandene Drehwinkelsensoren zurückgegriffen werden, so las­ sen sich die Kosten in besonderer Weise reduzieren.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit

• - zumindest zwei Drehwinkelsensoren (10, 12), die jeweils ein von den Drehwinkeln abhängiges, analoges Signal ausgeben,
• - einem Element (14) mit bekannter Torsionselastizität, das zwischen den zumindest zwei Drehwinkelsensoren (10, 12) zwischengeschaltet ist,
• - einem Subtrahierer (18), der die analogen Signale der Drehwinkelsensoren (10, 12) empfängt und ein Differenzsignal bildet,
• - einem Verstärker (20), der das vom Subtrahierer (18) gebildete Signal empfängt und verstärkt, und
• - einem A/D-Wandler (40), der das vom Verstärker (20) gebildete Signal empfängt und in ein digitales Differenzsignal umwandelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Speichereinrichtung (46) vorgesehen ist, in der für jeden Ar­ beitspunkt eines Drehwinkelsensors (10) ein Offset-Wert gespeichert ist, daß an einem Eingang der ersten Speichereinrichtung (46) das Signal des Drehwinkelsensors (10) anliegt und daß mit dem an einem Ausgang der Speichereinrichtung anliegenden Offset-Signal das analoge oder digitali­ sierte Differenzsignal korrigiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Subtrahierer (42) vorgesehen ist, der das analoge oder das digitalisierte Differenzsignal sowie das Offset-Signal empfängt und ein korri­ giertes Differenzsignal bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Speichereinrichtung (48) vorgesehen ist, in der für jeden Arbeitspunkt eines Drehwinkelsensors (10) ein Steigungswert gespeichert ist, daß an einem Eingang der zweiten Speichereinrichtung (48) das Signal des Drehwinkelsensors (10) anliegt und daß mit dem an einem Ausgang der Speichereinrichtung anliegenden Steigungssignal das analoge oder digitali­ sierte Differenzsignal korrigiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplizierer (50) vorgesehen ist, der das analoge oder digitalisierte Differenzsignal sowie das Steigungssignal empfängt und ein korrigiertes Differenzsignal bildet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehwinkelsensor ein potentiometrischer Sensor vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehwinkelsensor ein Winkelgeber mit zwei parallel geschalteten Widerstandsbahnen (60, 62), die jeweils etwa 180° abdecken, und mit zwei um 90° versetzte Schleifer (64, 66) vorgesehen ist, wobei bei zwei Drehwin­ kelsensoren die Signale paarweise ausgewertet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur Signale ausgewertet werden, die sich im Bereich von 0,25 bis 0,75 eines Meßsignals mit einem Maximalwert von 1 befinden.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als A/D-Wandler ein 10 Bit-Wandler verwendet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelsensoren (10, 12) derart ausgerichtet sind, daß sie im momentenlosen Zustand etwa das gleiche Spannungssignal liefern.

11. Verfahren zur Drehmomentmessung mit den Schritten:
Ermitteln von zumindest zwei Drehwinkeln, wobei zwischen den Drehwinkel­ positionen ein Element mit bekannter Torsionselastizität angeordnet ist,
Bilden von den Drehwinkeln zugeordneten analogen Signalen,
Bilden eines Differenz-Signales aus den analogen Signalen
Verstärken des Differenz-Signals und
Umwandeln des Differenz-Signals in ein digitales Signal.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
Ermitteln eines Offset-Wertes für jeden Arbeitspunkt eines Drehwinkelsen­ sors (10, 12) und
Korrigieren des Differenz-Signals mit einem aus dem Offset-Wert gebildeten Korrektursignal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Differenzsignal durch Subtraktion des aus dem Offset- Wert gebildeten Korrektursignals vom analogen oder digitalisieren Diffe­ renzsignal gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
Ermitteln eines Steigungswertes für jeden Arbeitspunkt eines Drehwinkel­ sensors (10, 12) und
Korrigieren des Differenz-Signals mit einem aus dem Steigungswert gebil­ deten Korrektursignal.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Differenzsignal durch Multiplikation des aus dem Stei­ gungswert gebildeten Korrektursignals mit dem analogen oder digitalisieren Differenzsignal gebildet wird.