DE3844578C2

DE3844578C2 -

Info

Publication number: DE3844578C2
Application number: DE3844578A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kimura; Shotaro Katsuta Jp Naito; Kunio Hitachi Jp Miyashita; Yasuo Katsuta Jp Noto; Noboru Mito Jp Sugiura; Tadashi Hitachi Jp Takahashi; Hirohisa Hitachiota Jp Yamamura; Seizi Katsuta Jp Yamashita; Syooichi Hitachi Jp Kawamata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2008-06-23
Also published as: GB8814893D0; GB2207763A; GB2245712A; GB9113393D0; GB2245712B; US4874053A; DE3844577C2; DE3844580C2; DE3821083C2; DE3844579C2; DE3821083A1; GB2207763B; KR890000890A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servo-Lenkanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Servo-Lenkanordnung ist aus der DE 33 09 214 A1 bekannt.

Die DE-33 09 214 A1 beschreibt eine Servo-Lenkanordnung, bestehend aus einem Drehmomentmeßgerät, das einen kontaktlosen Drehmomentfühler aufweist zur Ermittlung eines Drehmoments, das längs einer Lenkwelle einwirkt, einer elektronischen Steuerschaltung zur Steuerung eines Zusatz- Drehmoments, das auf die Lenkwelle übertragen wird, und einem Servomotor.

Diese Anordnung zeigt einen Drehmomentsensor, der außerhalb eines Gehäuses für die Steuerschaltung angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Servo-Lenkanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, deren elektronische Bauteile, insbesondere das Drehmomentmeßgerät und die elektronische Steuerschaltung, weitgehend gegen äußere Einwirkungen und Einflüsse abgeschirmt sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung macht von hochauflösenden Drehmomentmeßgeräten Gebrauch, die auch bei Stillstand Meßsignale abgeben. Durch die hohe Auflösung der Drehmomentmeßgeräte läßt sich die unterstützende Zusatzkraft genau kontrollieren.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehmomentmeßgeräts, das bei der Erfindung angewendet wird,

Fig. 2 eine kurze perspektivische Darstellung der ersten und zweiten Trommel;

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf den Zustand des Magnetsignals der ersten Trommel;

Fig. 4 ein Diagramm der Anordnung der MR- Elemente des magnetischen Sensors,

Fig. 5 ein Anschlußdiagramm der MR-Elemente;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm der Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale;

Fig. 7 und 8 Signalformdiagramme; und

Fig. 9 eine Darstellung einer Servo-Lenkanordnung;

Fig. 10 eine Gesamtansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Drehmomentmeßgeräts, das bei derr Erfindung eingesetzt werden kann;

Fig. 11 ein Diagramm der Anordnung der MR- Elemente des magnetischen Sensors;

Fig. 12 ein Anschlußdiagramm für die MR- Elemente;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm der Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale;

Fig. 14 ein Signalformdiagramm;

Fig. 15 ein schematisches Diagramm einer Erfassungsschaltung für eine Differentialspannung; und

Fig. 16 ein Signaldiagramm des Signales, das von der Erfassungsschaltung für die Differentialspannung empfangen wird;

Fig. 17 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 18 ein Blockdiagramm der Steuereinheit;

Fig. 19 ein Diagramm der Steuercharakteristika;

Fig. 20 ein schematisches Diagramm der Steuereinheit;

Fig. 21 ein Signalverlustdiagramm; und

Fig. 22 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise;

In Fig. 1 ist durch das Bezugszeichen 1 eine Getriebebox oder ein Getriebekasten bezeichnet, der durch einen Deckel 2 an der oberen Fläche geschlossen ist. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Antriebswelle, wie beispielsweise eine Lenkwelle, die drehbar durch den Deckel 2 mittels einer Lagerung 4 gelagert ist. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Öldichtung oberhalb der Lagerung 4. Das Bezugszeichen 6 ist eine angetriebene Welle, die drehbar in der Getriebebox 1 durch Lagerungen 7 und 8 gehalten ist. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Öldichtung für die angetriebene Welle. Die Antriebswelle 3 und die angetriebene Welle 6 sind derart angeordnet, daß ihre Achsen genau miteinander auf einer Linie ausgerichtet sind, wie man aus der Figur erkennt. Die Wellen 3 und 6 werden an einer Achsenexzentrizität oder einer Achsen-Fehlausrichtung durch ein Kopplungslager 10 gehindert. Das Kopplungslager 10 ist an seinem inneren Rand ausgestaltet, um einen Zylinderabschnitt mit kleinem Durchmesser aufzunehmen, der am unteren Ende der Antriebswelle 3 ausgebildet ist, während der äußere Rand so ausgestaltet ist, daß er eine Kopplung mit einem Zylinderabschnitt mit großem Durchmesser herstellt, der am oberen Ende der angetriebenen Welle 6 ausgebildet ist. Das Kopplungslager 10 und die zylindrischen Abschnitte mit kleinem und großem Durchmesser werden sehr genau durch Drehen in der Weise hergestellt, daß eine Wellenausrichtung aufrechterhalten wird.

Durch das Bezugszeichen 11 ist eine erste Trommel bezeichnet, die am unteren Ende der Antriebswelle 3 befestigt ist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite Trommel, die am oberen Ende der angetriebenen Welle 6 befestigt ist. Die Trommeln 11 und 12 bestehen aus einem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, und sind genau gedreht, damit sie genau die gleichen Abmessungen haben. Die Trommeln 11 und 12 sind vorzugsweise so nahe wie möglich aneinander angeordnet. Die Trommeln sind auf ihrem Umfang mit magnetisierbaren Medien versehen, wie nachfolgend erläutert wird, wobei diese Medien derart magnetisiert sind, daß sie abwechselnd magnetische Nordpole und Südpole in einem Abstand von 10 μm bilden. Das Bezugszeichen 13 ist ein Substrat eines magnetischen Sensors (MS). Das Bezugszeichen 14 bezeichnet ein magnetoresistives Element (MR-Element), das durch Dampfabscheiden oder Ätzen auf der Oberfläche des Substrates 13 ausgebildet ist.

Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Drehstab, der sich von der antreibenden Welle 3 zu der angetriebenen Welle 6 erstreckt und an beiden Enden mittels Stiften 16 und 17 befestigt ist. Die antriebene Welle 6 hat die Form eines Ritzels an ihrer unteren Außenfläche, so daß sie mit einem Servounterstützungssystem, wie beispielsweise einem Motorrahmen, gekoppelt ist. Am unteren Ende der angetriebenen Welle 6 liegt eine Ausgangsnabe, die mit dem Lenkmechanismus (nicht dargestellt) gekoppelt ist.

Es sei angenommen, daß ein Kraftfahrzeug mit seiner Radbereifung in Kontakt mit der Straßenoberfläche mit einem bestimmten Kontaktdrehmoment (Reibmoment) steht. Bei Drehen des Lenkrades, d. h. bei Aufbringen eines Drehmomentes auf die antreibende Welle 3 wird ein Drehmoment an dem Drehstab oder Torsionsstab proportional zum angelegten Drehmoment erzeugt, soweit das aufgebrachte Drehmoment der antreibenden Welle 3 kleiner als das Kontaktdrehmoment ist. Aufgrund der Drehdifferenz zwischen der antreibenden Welle 3 und der angetriebenen Welle 6, d. h. der Torsion des Torsionsstabes 15 wird das Drehmoment ermittelt. Wenn dieses Drehmoment, d. h. die vom Fahrer aufgebrachte Betätigungskraft auf die antreibende Welle 3 progressiv ansteigt, steigt gleichfalls die Torsion am Torsionsstab an und erreicht den kritischen Punkt, bei dem die Reibkraft überwunden wird. Dieser kritische Punkt stellt die Größe des Kontaktdrehmomentes dar oder, mit anderen Worten, die Größe der nötigen Lenkkraft. Wenn die Betätigungskraft weiterhin erhöht wird, drehen sich die antreibende Welle 3 und die angetriebene Welle 6 mit der Betriebsdrehzahl, während der Torsionsstab 15 einen bestimmten maximalen Torsionswert beibehält. In diesem Zustand sind die antreibende Welle 3 und die angetriebene Welle 6 in einer scheinbar festen Verbindung. Wenn das maximale Drehmoment, d. h. die nötige Betätigungskraft so groß ist, als daß der Fahrer hiermit fertig wird, wird ein Servounterstützungsgerät oder eine Unterstützungsantriebseinheit verwendet, um die für den Fahrer benötigte Betätigungskraft herabzusetzen.

Tatsächlich kann die Drehmomenterfassung durch Erfassen des Betrages der Torsion des Torsionsstabes ausgeführt werden. Der Torsionsstab 15 ist vergleichsweise dünn, so daß er eine bestimmte Federkraft hat. Ein dünner Torsionsstab weist eine niedrige Torsion, d. h. eine niedrige Verschiebung auf, so daß es schwierig ist, die Torsion direkt zu messen. Daher werden die erste Trommel 11 und die zweite Trommel 12 verwendet, um den Verschiebungsweg zu vergrößern und eine genaue Erfassung zu ermöglichen. Der Verschiebungswinkel ist konstant unabhängig vom Durchmesser.

Wenn gemäß Fig. 1 die antreibende Welle 3 gedreht wird, dreht sich die erste Trommel 11 einstückig mit der antreibenden Welle 3. Daher wird eine Antriebskraft durch den Torsionsstab 15 auf die angetriebene Welle 6 übertragen. Die angetriebene Welle 6 ist mit einer Last gekoppelt und dreht sich, während der Betrag der Torsion proportional zur Lasttorsion aufrechterhalten wird, d. h. mit einem bestimmten nacheilenden Drehwinkel. Die angetriebene Welle 6 hat eine zweite Trommel 12. Durch Messen der Differenz der Drehwinkel der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel 12 unter Verwenden der MR- Elemente 14 wird das Drehmoment erfaßt.

Als nächstes wird die Struktur des magnetischen Sensors und eine Einrichtung zum Erfassen des Drehwinkels und der Drehzahl erläutert. Die Fig. 2 und 3 zeigen Magnetisierungsmuster an der ersten und zweiten Trommel 11, 12. Die Magnetisierungsmuster haben einen Abstand von lambda. Die erste Trommel 11 und die zweite Trommel 12 sind koaxial bezüglich der Antriebswelle 3 befestigt. Eine inkrementale Spur Ti ist an der Umfangsfläche der ersten Trommel 11 angebracht, die eine Reihe von Mustern von N- und S-Polen darstellt. Ein Referenzzug Tr, der ein Paar von Referenzmustern ist, ist um einen Abstand lambda/8 bezüglich der Spur Ti versetzt. Die zweite Trommel 12 hat an ihrer Umfangsfläche eine Magnetisierung, die lediglich eine inkrementale Spur Ti ist. Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht der ersten Trommel 11, aus der eine Verschiebung mit einem Abstand von lambda/8 zwischen der inkrementalen Spur Ti und der Bezugsspur Tr erkennbar ist.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der MR-Elemente 14 auf dem Substrat 13 des magnetischen Sensors MS. Die MR-Elemente R01-R04, R1-R4, R5-R8, R9-R12 und R13-R16 sind mit einem Abstand angeordnet, wie dies in der Figur für einen magnetischen Aufzeichnungsabstand von lambda gezeigt ist. Eine Gruppe von MR-Elementen einschließlich der Elemente R01-R04 und R1-R8 liegt in der Nähe der Umfangsfläche der ersten Trommel 11, während eine Gruppe von MR-Elementen einschließlich der Elemente R9-R16 in der Nähe der Umfangsfläche der zweiten Trommel 12 liegt.

Fig. 5 zeigt die Verbindung bzw. den Anschluß der obenbeschriebenen MR-Elemente. Wie man aus dieser Figur erkennt, werden fünf Brückenschaltungen gebildet, die jeweils aus vier MR-Elementen bestehen. Durch die Bezugszeichen E_a1-E_a4, E_b1-E_b4 und E_z1 und E_z2 sind Ausgangsanschlüsse mit drei Anschlüssen bezeichnet, die am Knotenpunkt von zwei in Reihe geschalteten MR-Elementen herausgeführt sind. Das Bezugszeichen Vcc ist ein Leistungsspannungsanschluß. Das Bezugszeichen GND ist ein Masseanschluß.

Fig. 6 zeigt eine Signalverarbeitungsschaltung, die die Ausgangssignale gemäß Fig. 5 empfängt und Ausgangssignale gemäß den Fig. 7 und 8 erzeugt. In Fig. 7 sind die Signale E_A1 und E_B1 gezeigt, die von der ersten Trommel 11 erzeugt werden. Die Signale E_A3 und E_B3 werden von der zweiten Trommel 12 erzeugt. Jedes Signalpaar sind Sinussignale, die gegeneinander um einen elektrischen Winkel von lambda/4 versetzt außer Phase sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der ersten Trommel und den Signalen der zweiten Trommel entspricht einer Torsion der Torsionsstange 15, d. h. einer Last der antreibenden Welle 6.

Bei Vorliegen eines Lastsignales kann ein Lastmoment (eine Lenkkraft) durch Umwandeln der erfaßten Phasendifferenz ermittelt werden, wenn die Phasendifferenz zwischen den Signalen E_A1 und E_A3 aufgrund ihrer Größen oder Amplituden zum Zeitpunkt A beispielsweise erfaßt werden kann. Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung erzeugt Ausgangssignale, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind. Durch Zählen der Anzahl der Pulse beim Anstieg oder Abfall des Signales E_A kann beispielsweise bei einem lastfreiem Anfangs zustand der Betriebswinkel gleichzeitig bestimmt werden.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer Servo-Lenkanordnung. Das obenbeschriebene Drehmomentmeßgerät wird zum Erfassen des Drehmomentes (der Lenkkraft) und des Drehwinkels (Lenkwinkels) verwendet, wenn der Fahrer das Lenkrad 21 dreht. Das Drehmomentmeßgerät liegt in der Getriebebox oder in dem Getriebekasten 1. Seine Ausgangssignale werden einer Steuerung 22 zugeführt. Nach Empfang der Signale versorgt die Steuerung 22 einen Motor 23 unter Verwenden einer Batterie 24 mit Energie, indem ein Befehlssignal erzeugt wird, so daß die Betätigungskraft des Lenkrades 21 unterstützt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine kompakte integrale Struktur für den magnetischen Sensor (MS) und die beiden Trommeln einschließlich der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel 12, so daß diese Teile im Getriebekasten 1 untergebracht werden können.

In dieser Struktur spielt die Lagerung 10 die wesentliche Rolle in der Realisierung eines kompakten Konstruktionsdesigns und für die Erzielung einer hochgenauen Erfassung. Es koppelt nämlich eine einzige Lagerung 10 die freien Enden der antreibenden Welle 3 und der angetriebenen Welle 6, was zu einer genauen Ausrichtung der Achsen der Wellen führt. Selbst wenn eine Achsenverschiebung vorliegt, werden die Achsen in die gleiche Richtung verschoben, so daß kein relativer Erfassungsfehler bei den Signalen der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel 12 erzeugt wird. Das Drehmomentunterstützungssystem gemäß den Fig. 1 bis 9 hat bei Anwendung auf ein Automobillenksystem einen bedeutsamen Wirkungsgrad.

Fig. 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel zum Erfassen des Drehwinkels und des Drehmomentes unter Verwenden einer Signalformschaltung und einer Differenzspannungserfassungsschaltung. In der Figur beinhaltet die Anordnung eine erste Trommel 11, eine zweite Trommel 12 und einen magnetischen Sensor (MS), welche identisch zu demjenigen gemäß Fig. 2 ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die MR-Elemente 14 ausgangsseitig an eine Signalformschaltung 50 und ein eine Differenzspannungserfassungsschaltung 51 angeschlossen. Die Signalformschaltung 50 und der Magnetsensor (MS) sind an Versorgungsleitungen (Vcc, GND) 52, Signalleitungen 53 für die Signale E_a1, E_a2, E_b1 und E_b2 von den MR-Elementen und an Signalleitungen 54 für die Signale E_z1 und E_z2 von den MR-Elementen angeschlossen. Die Differenzspannungserfassungseinheit 51 ist mit einem magnetischen Sensor (MS) durch Signalleitungen 53a für die Signale E_a1 und E_a2 von einer MR-Elementgruppe 91 und durch Signalleitungen für die Signale E_A1 und E_A2 von einer MR-Elementegruppe 92 angeschlossen.

Die Signalformschaltung 50, deren Anordnung und Aufbau nachfolgend erläutert wird, ist derart konstruiert, daß ein Pulssignal P aufgrund der Signale E_a1, E_a2, E_b1, E_b2, E_z1 und E_z2 erzeugt wird, welche durch die MR- Elementegruppe 91 in dem magnetischen Sensor (MS) erzeugt werden. Das Pulssignal von der Signalformschaltung 50 wird durch eine arithmetische Schaltung 56 zum Erzeugen des Drehwinkels R gezählt.

Die Differenzspannungserfassungseinheit 51, deren Struktur nachfolgend erläutert wird, ist derart konstruiert, daß ein Differenzspannungssignal V_T aufgrund der Signale V_X und V_Y erzeugt wird, die von den Signalen E_a1 und E_A1 aus den erfaßten Signalen E_a1, E_a2, E_A1 und E_A2 abgeleitet werden. Das Differenzspannungssignal V_T, das durch die Schaltung 51 erzeugt wird, wird der arithmetischen Schaltung 56 zugeführt, die daraufhin die Last lambda aus dem obengenannten Drehwinkel und dem Differenzspannungssignal V_T berechnet.

Fig. 11 zeigt die Lage der MR-Elemente in dem magnetischen Sensor (MS). Obwohl in dieser Figur R01-R04 von MR-Elementen 14 in Richtung auf R4 um lambda/8 versetzt sind, wenn die Trommel gemäß gemäß Fig. 10 verwendet wird, wird eine symmetrische Anordnung mit den Elementen R01-R04 in Richtung auf das Element R5 um lambda/8 versetzt, damit diese der magnetischen Trommel 11 gemäß Fig. 10 gegenüberliegt.

Fig. 12 zeigt den Anschluß der MR-Elementegruppe 91-93 in dem magnetischen Sensor (MS). Unter den MR-Elementen 14 sind die Elemente R1-R4, R11-R14 und R01 sowie R03 jeweils mit einem Anschluß an die Leistungsquelle angeschlossen, während die Elemente R5-R8, R15-R18 und R02 sowie R04 mit jeweils einem Anschluß an Masse (GND) angeschlossen sind. Die anderen Anschlüsse der MR-Elemente 14 sind angeschlossen, um paarweise Reihenschaltungen zwischen R1 und R7, R3 und R5, R2 und R8, R4 und R6, R01 und R04, R03 und R02, R11 und R17, R13 und R15 zu bilden, wobei die Knotenpunkte Ausgangsklemmen E_a1, E_a2, E_b1, E_b2, E_z1, E_z2, E_A1 und E_A2 bilden, um hierdurch eine Brückenkonfiguration zu bilden.

Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm der Signalformschaltung 50. Die Schaltung empfängt die Ausgangssignale E_a1, E_ia₂, E_b1, E_b2, E_z1 und E_z2 von dem magnetischen Sensor (MS) während der Drehung in jeder Richtung und erzeugt Winkelpulse P_A und P_B und einen Referenzpuls P_Z als Ergebnis dieses Verfahrens.

Fig. 14 zeigt die Signalverläufe der Ausgangspulse P_A, P_B und P_Z, die von der Signalformschaltung 50 gemäß Fig. 13 erzeugt werden. Der Bezugspuls P_Z ist durch die Kante des Winkelpulses P_A mittig ausgerichtet, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.

Ohne eine lambda/8-Versetzung zwischen den aufeinanderfolgenden Signalen und Bezugssignalen auf der ersten Trommel gemäß Fig. 10 und ohne eine lambda/8-Versetzung in der Anordnung der MR-Elemente 14 (R01-R04) in dem magnetischen Sensor (MS) in Richtung auf das Element R3 gemäß Fig. 11 vorzusehen, so daß diese Signale asymmetrisch sind, sind die Signale ähnlich denjenigen gemäß Fig. 14.

Obwohl eine lambda/8-Verschiebung entweder durch Versatz des Bezugssignals auf der ersten Trommel 11 oder durch Versatz der MR-Elemente 17 in dem magnetischen Sensor zum Erzeugen des Bezugssignals stattfindet, ist es möglich, daß die Bezugspulse derart ansteigen, daß diese durch die Kante der Winkelpulse mittig ausgerichtet sind, wobei dies die Erfassung genau gestaltet, ohne daß ein Winkelablesefehler auftritt. Die Drehrichtung wird auf der Grundlage des Vergleiches der Phase A und der Phase B ermittelt, da beispielsweise die Phase A der Phase B um 90° im Gegenuhrzeigerdrehsinn voreilt und die entgegengesetzte Phasenbeziehung bei Drehung im Uhrzeigersinn auftritt. Durch Lesen der Winkel in einem bestimmten zeitlichen Abstand kann die Drehgeschwindigkeit gemessen werden.

Fig. 15 ist ein schematisches Diagramm der Differenzspannungserfassungsschaltung 51. Die Schaltung 51 umfaßt einen Differentialverstärker 11A, der die Differenz der beiden Eingangssignale verstärkt, und eine Ausgangsspannungeinstellschaltung 11B, die an den Differentialverstärker 11A angeschlossen ist, um diesen bezüglich der Ausgangsspannung einzustellen. Die Schaltung 51 empfängt das Signal E_a1 von dem Magnetsensor 91 und das Signal E_A1 von dem Magnetsensor 93 an den jeweiligen Eingangsklemmen, verstärkt die Differenzspannung der Eingangssignale und erzeugt ein Differentialspannungssignal V_T. Die Signale E_a2 und E_A2 von den magnetischen Sensoren 91 und 93 bleiben ohne Anschluß und bleiben ungenutzt.

Fig. 16 zeigt die Signale V_X und V_Y am Eingang der Differentialspannungserfassungsschaltung 51. Solange kein Drehmoment erzeugt wird, stimmen die Signale V_X und V_Y miteinander überein, wie dies bei (A) gemäß Fig. 16 gezeigt ist ,und die Differentialspanungserfassungsschaltung 51 erzeugt ein Null-Ausgangsspannungssignal V_T. Die Signale V_X und V_Y erzeugen eine Differenz gemäß der Größe des Drehmomentes, wie dies bei (B) in Fig. 16 gezeigt ist, so daß die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 ein Ausgangssignal V_T in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz erzeugt.

Die nachfolgende Beschreibung betrifft das Verhalten dieser Ausführungsform, die oben erläutert wurde. Die Ausgangssignale V_X (E_a1) und V_Y (E_A1) der Sensoren 91 und 93 in dem magnetischen Sensor (MS) werden als Funktionen des Drehwinkels R der Welle 3 und des Torsionssignals R_T der Torsionsstange 15 folgendermaßen berechnet:

V_X = C1 sin R (1)

V_Y = C2 sin (R±R_T) (2)

wobei C1 und C₂ Konstanten sind.

Die erfaßten Signale V_X und V_Y werden an die Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers 11A in der Differentialspannungserfassungsschaltung 11 angelegt.

Um Einflüsse der Konstanten C1 und C2 zu eliminieren, ist die Ausgangsspannungseinstellschaltung 11B derart eingestellt, daß C1=C2=C. Daher erzeugt der Differentialverstärker 11A eine Differentialspannung V_T, die unabhängig von Einflüssen von C1 und C2 ist, so daß der Differentialverstärker 11A folgende Gleichung erfüllt:

V_T = K (V_X-V_Y) (3)

wobei K den Verstärkungsfaktor des Verstärkers darstellt.

Die Substitution der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) ergibt folgende Gleichung:

V_T = K (V_X-V_Y)
= KC [sin R-sin (R±R_T)]
= Ko [sin R-sin (R±R_T)]
= Ko 2 cos [(2R±R_T)/2] sin (∓R_T/2)
= Ko [2 cos (R±R_T/2) sin (∓R_T/2)] (4)

wobei Ko=KC.

Da R_T allgemein sehr klein ist, kann die Gleichung (4) folgendermaßen reduziert werden:

V_T ≃ Ko∓R_Tcos (5)

Während Ko und R verfügbare Konstantwerte sind, erzeugt die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 eine Differentialspannung V_T, die proportional zum Torsionswinkel R_T der Torsionsstange 15 ist.

Die arithmetische Schaltung 56 empfängt die Spannung V_T und führt folgende Operation unter Verwendung von cos R durch, der vorab berechnet wurde, sowie unter Verwendung des Torsionswinkels R_T, d. h., des Drehmomentes T:

∓R_T = V_T/(Ko cos R) (6)

Die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 gemäß Fig. 15 kann integriert hergetellt werden, so daß sie an Kompaktheit gewinnt.

Die Servo-Lenkanordnung gemäß der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 17 bis 22 erläutert. Fig. 17 zeigt das Ausführungsbeispiel in Anwendung auf ein elektrisches Zahnstangen-Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Welle des Lenkrades, das Bezugszeichen 102 eine Welle des Ritzels, das Bezugszeichen 103 ein Ritzel, das Bezugszeichen 104 eine Zahnstangenwelle, das Bezugszeichen 105 einen Elektromotor, das Bezugszeichen 107 ein Zahnrad, das Bezugszeichen 108 eine Torsionsstange, die Bezugszeichen 109 und 110 Magnettrommeln des Drehmomentsensors, das Bezugszeichen 111 magnetische Widerstandselemente des Drehmomentmeßgerätes, das Bezugszeichen 112 eine Schaltungsplatine, das Bezugszeichen 113 verschiedene Steuerschaltungskomponenten einschließlich eines Ein-Chip-Mikrocomputers, das Bezugszeichen 114 Schaltleistungs-FETs, das Bezugszeichen 115 eine Wärmesenke, das Bezugszeichen 116 eine innere Verdrahtung, das Bezugszeichen 117 einen Verbinder, das Bezugszeichen 120 ein Sensortragteil, das Bezugszeichen 121 ein Motortragteil, das Bezugszeichen 122 ein Zahnstangentragteil, die Bezugszeichen 123-126 Lagerungen, die Bezugszeichen 127 und 128 Öldichtungen und letztlich das Bezugszeichen 129 eine Staubdichtung.

Ein Lenkrad ist an der Lenkwelle 101 angebracht. Das Lenkdrehmoment wird auf die Welle 101 ausgeübt und über die Torsionsstange 108 auf die Ritzelwelle 102 übertragen. Die Drehung des Ritzels 103 bewegt die Zahnstange 104, um hierdurch das Lenken des Fahrzeugs herbeizuführen.

Der Servomotor 105 hat ein Ritzel 106 auf seiner Antriebswelle und ist mit der Ritzelwelle 102 über das Zahnrad 107 gekoppelt. Wenn der Motor zum Erzeugen eines Drehmomentes aktiviert wird, wird dieses auf die Ritzelwelle 102 übertragen, um eine Hilfslenkkraft zu erzeugen. Die Magnettrommeln 109 und 110 haben Umfangsabschnitte, die mit einem bestimmten Abstand magnetisiert sind, und sind am unteren Ende der Lenkwelle 101 und am oberen Ende der Ritzelwelle 102 befestigt. Die Lenkwelle 101 und die Trommeln drehen sich allgemein miteinander. Aufgrund des von der Lenkwelle 101 auf die Ritzelwelle 102 übertragenen Drehmomentes wird die Torsionsstange 108 verdreht, was zu einer winkelmäßigen Verschiebung der magnetischen Trommeln 109 und 110 gegeneinander führt, so daß das Drehmoment aufgrund dieser Verschiebung gemessen werden kann.

Die magnetoresistiven Elemente 111 bilden ein kontaktfreies Drehmomentmeßgerät zusammen mit den magnetischen Trommeln 109 und 110 und sind einstückig mit einer Steuereinheit U zusammengebaut, die Steuerschaltungskomponenten 113 auf der Steuerschaltung 112, die Leistungs-FETs 114 auf der Kühlfläche 115 sowie den Verbinder 117 umfaßt, so daß die Elemente 111 eine geeignete Lagebeziehung zu der Trommel 109 und 110 haben, wenn die Steuerschaltungseinheit U in die vorgeschriebene Lage auf dem Gehäuse 120 eingesetzt wird.

Das Gehäuse 120, das Motortragteil 121 und das Zahnstangentragteil 122 bestehen aus einer Gußaluminiumlegierung oder einem ähnlichen Werkstoff und dienen nicht nur zur Halterung der Lenkwelle 101 und der Ritzelwelle 102 mittels der Lagerungen 123 bis 126 und zum Tragen der Steuereinheit U und des Motors 105, sondern dienen gleichfalls als Getriebebox für das Ritzel 103 und die Zahnstange 104 und dienen letztlich für einen modulartigen Aufbau der gesamten Anordnung.

Fig. 18 zeigt die gesamte Steuereinheit für den Motor 105 einschließlich der Steuerschaltungseinheit U. Die Schaltung führt ein Drehmomentsignal τ von den magnetoresitiven Elementen 111 und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal v von dem Geschwindigkeitssensor 130 einem Mikrocomputer 113A für die Berechnung zu, betätigt eine logische Schaltung 113B zum Realisieren der Signalverarbeitung, betreibt FETs 114A-114D in einer Brückenschaltung zum Antreiben des Motors 105 in einer Schaltbetriebsart mit Stromsteuerung aufgrund der Signale, die von dem Stromsensor 113D erfaßt werden, so daß die gewünschte Lenkunterstützungskraft bzw. das Drehmoment erzeugt wird.

Eine Batterie B führt Leistung zu einer Leistungsschaltung 113C durch einen Zündschalter K zu, wobei die Leistungsschaltung 113C eine stabilisierte +5-V-Spannung und eine stabilisierte +15-V-Spannung erzeugt, welche den Mikrocomputer 113A und der logischen Schaltung 113B zugeführt werden. Der Motor 105 wird mit Leistung durch ein Relais R versorgt, so daß die Leistung ausgeschaltet werden kann, indem das Relais deaktiviert wird, falls eine Abnormalität auftritt.

Fig. 19 zeigt die Charakteristika des Unterstützungsdrehmomentes (der unterstützenden Lenkkraft) in Abhängigkeit von dem Drehmomentmeßgerätausgangssignal, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit als Parameter verwendet ist. Das System ist derart konstruiert, daß es eine Lenkunterstützung erzeugt, die mit ansteigender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt.

Die Steuerschaltung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Fig. 20, 21 und 22 beschrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 beinhalten die magnetoresistiven Elemente 111, die Elemente 1A1-1A4 und 1B1-1B4 in zwei Sätzen von Brückenschaltungen, die einer magnetischen Trommel 109 gegenüberliegen, sowie die Elemente 2A1-2A4 und 2B1-2B4 in zwei Sätzen von Brückenschaltungen, die der anderen magnetischen Trommel 110 gegenüberliegen, also insgesamt vier Elementebrücken.

Wenn während des Betriebes das Lenkrad betätigt wird und die Lenkwelle 101 durch ein bestimmtes Drehmoment gedreht wird, erzeugt die Brücke einschließlich der Elemente 1A1-1A4 für die magnetische Trommel 109 eine Spannung e_A1 gemäß Fig. 21. Eine weitere Brücke mit den Elementen 1B1-1B4 erzeugt eine Spannung e_B1. Die Sensorelemente sind derart angeordnet, daß die erzeugten Spannungen e_A1 und e_B1 außer Phase zueinander um 90° sind. Die Lenkwelle 101 hat einen Drehwinkel R₁ bezüglich eines Bezugspunktes R, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

R₁ = tan^-1(e_B1/e_A1)

Eine Brücke beinhaltet die Elemente 2A1-2A4 für die Magnettrommel 110 und erzeugt eine Spannung e_A2. Eine weitere Brücke beinhaltet die Elemente 2B1-2B4 und erzeugt eine Spannung e_B2. Diese Spannungen e_A2 und e_B2 sind gleichfalls gegeneinander phasenverschoben um einen Winkel von 90°. Ein Meßpunkt R₂ bezüglich des Bezugspunktes R ist durch folgende Gleichung gegeben:

R₂ = tan^-1(e_B2/e_A2)

Da die Lenkwelle 101 und die Ritzelwelle 102 durch die Torsionsstange 108 verbunden sind, bewirkt die Übertragung des Drehmomentes zwischen den Wellen eine Differenz im Drehwinkel zwischen den Trommeln 109 und 110, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

R = R₁-R₂

Aufgrund des Differentialwinkels R wird das Drehmoment folgendermaßen bestimmt:

τ = KR = K (R₁-R₂)

Hierbei ist K eine Konstante in Abhängigkeit von der Steifheit der Torsionsstange 108.

Der Mikrocomputer 113A hat eine Interrupt-Verarbeitungsroutine, die in Fig. 22 gezeigt ist und die die Spannungen e_A1, e_B1, e_A2 und e_B2 in einem zeitlichen Abstand von 0,2-0,5 ms abtastet, die Drehwinkel R₁ und R₂ und das Drehmoment berechnet, den Drehwinkel aufgrund der Polarität des Drehmomentes ermittelt, in einer Tabelle für den Wert I_MC unter Verwenden des berechneten Drehmomentes nachsieht, den Wert I_MC auf der Grundlage des Fahrzeuggeschwindigkeits-Veränderungsfaktors kv berechnet und 8-Bit-Befehlsdaten für den Wert I_MC einem Digital/Analog-Wandler 144 zuführt. Bei diesem Verfahren werden die Spannungen e_A1 bis e_B2 durch Operationsverstärker 140-143 dem Mikrocomputer 113A zugeführt, der den A/D-Wandler beinhaltet. Das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal v wird durch einen Eingangsfilter F dem Mikrocomputer 113A zugeführt, welcher das Signal zählt.

Das Ergebnis dieses Verfahrens gemäß Fig. 22, das durch den Mikrocomputer 113A ermittelt wird, wird dem D/A- Wandler 114 zugeführt. Das sich ergebende Analogsignal wird dem nicht invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 145 zugeführt, an dessen invertierenden Eingang ein Stromsignal des Motors 105, welches durch einen Stromsensor 113D gemessen wird, anliegt. Der Verstärker 145 erzeugt ein Differentialausgangssignal, das einem Pulsbreitenmodulations-Signalgenerator (PWM) 146 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des PWM-Generators 146 wird durch UND-Gatter 147 und 148 derart zugeführt, daß es durch die Drehrichtungssignale r und l als Gattersignale verarbeitet wird, und wird den Eingängen der FETs 114B und 114D zugeführt. Eine Leistungsschaltung 113C erzeugt ein 15-V-Gattersteuerspannungssignal, das durch Treiber-FETs 149 und 150 an weitere FETs 114A und 114C für deren Schaltbetriebsweise zugeführt wird. Die Inverter 151 und 152 dienen als Puffer.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerschaltungseinheit U und die magnetoresistiven Elemente 111 als integrales Modul hergestellt, so daß eine äußere Verdrahtung unnötig wird, der Zusammenbau vereinfacht wird, das Gerät kompakte Abmessungen erhält, gegenüber Störungen unempfindlich wird und zuverlässig ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltungseinheit U nicht in Kontakt mit einem Teil, welches heiß werden kann, wie beispielsweise dem Servomotor 105, so daß thermische Probleme vermieden werden. Anstatt dessen ist sie direkt in das Gehäuse 120 eingepaßt, das aus einer Aluminiumdruckgußlegierung oder einem ähnlichen Material besteht, das in einem gewissen Umfang als Kühler dienen kann, so daß wärmeerzeugende Komponenten kleinere Kühlflügel brauchen oder derartige Kühlmittel vollständig entfallen können, wodurch das Gerätegewicht weiter reduziert wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die meisten mechanischen Komponenten der Servo-Lenkanordnung einschließlich des Servomotors 105 einstückig auf dem Gehäuse 120 vorab zusammengebaut sowie auf dem Motortragteil 121 und dem Zahnstangentragteil 122 vorab befestigt, so daß der Einbau in den Kraftfahrzeugmotorbereich vereinfacht wird und eine erhebliche Kostenreduktion herbeigeführt wird.

Ferner ermöglicht bei diesem Ausführungsbeispiel die Verwendung von magnetoresistiven Elementen 1A1-2B4 in vier Sätzen von Brückenschaltungen für das Drehmomentmeßgerät eine sichere Signalerfassung, so daß der Betrieb äußerst zuverlässig wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung des oben beschriebenen Drehmomentmeßgerätes aus magnetoresistiven Elementen und magnetischen Trommeln beschränkt, sondern kann mit jeglichen Sensortypen ausgeführt werden, die eine Drehmomenterfassung in kontaktfreier Art durchführen.

Claims

1. Servo-Lenkanordnung, bestehend aus

- einem Drehmomentmeßgerät (108-111), das einen kontaktlosen Drehmomentfühler aufweist zur Ermittlung eines Drehmomentes, das längs einer Lenkwelle (101) einwirkt,
- einer elektronischen Steuerschaltung (U; 112, 113A-D, 114A-D) zur Steuerung eines Zusatz-Drehmomentes, das auf die Lenkwelle (101) übertragen wird, und
- einem Servomotor (105),

dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmomentmeßgerät (108-111) und die elektronische Steuerschaltung (U; 112, 113A-D, 114A-D) als miteinander verbundene Baueinheiten ausgebildet und innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (120) befestigt sind, das die Lenkwelle (101) abstützt, die mit dem Lenkrad verbunden ist, wobei das Drehmomentmeßgerät eine magnetische Sensoreinrichtung (MS) aufweist, die bei der Drehung der Wellen (3, 6) elektrische Impulszüge liefert, und wobei die magnetische Sensoreinrichtung (MS; 11-14) magnetoresistive Elemente (14) aufweist, die sowohl bei Drehung als auch bei Stillstand der beweglichen Teile (11, 12) der Sensoreinrichtung elektrische Signale (z. B. E_A1, E_B1 . . .) zur Angabe der Lage der beiden Wellen (3, 6) abgeben.

2. Servo-Lenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmomentmeßgerät ferner aufweist:

- eine Antriebswelle (3), die über eine Torsionsstange (15) koaxial mit einer angetriebenen Welle (6) verbunden ist,
- ein Kupplungslager (10), das beide Wellen (3, 6) abstützt,
- eine Auswerteeinrichtung, die aus den Impulszügen eine Differenz der Drehwinkel zwischen der Antreibswelle (3) und der angetriebenen Welle (6) ermittelt, wobei
- das Kupplungslager (10) an den freien Enden der Antriebswelle (3) und der angetriebenen Welle (6) angeordnet ist und
- die magnetische Sensoreinrichtung (MS; 11-14) in unmittelbarer Nähe des Kupplungslagers (10) angeordnet ist.

3. Servo-Lenkanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Sensoreinrichtung besteht aus:

- einer ersten Trommel (11), befestigt an der Antriebswelle (3),
- einer zweiten Trommel (12), befestigt an der angetriebenen Welle (6), wobei beide Trommeln (11, 12) eine magnetisierbare Oberfläche aufweisen, die mit einem Magnetisierungsmuster (Ti, Tr) versehen ist,
- magnetoresistiven Elementen (14; R1-R14; R01-R04), die gegenüber den Trommeln (11, 12) auf einem Substrat (13) aufgebracht sind zur Lieferung von annähernd sinusförmigen Wellenzügen (E_A1, E_B1, E_A3, E_B3) bei Drehung der Trommeln (11, 12), und
- einer Signalverarbeitungsschaltung (Fig. 6) zur Umformung der sinusförmigen Wellenzüge (E_A1 . . .) in Rechtecksignalfolgen (E_A, E_B, E_Z).

4. Servo-Lenkanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkeldifferenz (R) zwischen den beiden Trommeln (11, 12) aus der Phasenverschiebung zwischen jeweils zwei der sinusförmigen Wellenzüge (z. B. E_A1 und E_B1) ermittelt wird.

5. Servo-Lenkanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Magnetisierungsmuster auf den Trommeln (11, 12) in Verbindung mit Gruppen von magnetoresistiven Elementen (91, 92, 93) Lagesignale (E_a1, E_a2; E_b1, E_b2; E_z1, E_z2; E_A1, E_A2) gebildet werden, die einer Signalformschaltung (50) zugeleitet werden zur Bildung von Winkelpulsen (P_A, P_B) und eines Referenzimpulses (P_Z),
daß aus einem Teil der Lagesignale (z. B. E_a1, E_a2; E_A1, E_A2) in einer Differenzspannungserfassungsschaltung (51) zwei Signalfolgen (V_X, V_Y) gebildet werden zur Abgabe eines Differenzspannungssignals (V_T), und
daß in einer arithmetischen Schaltung (56) aus den Signalen für den Referenzimpuls (P_z) und dem Differenzspannungssignal (V_T) die Drehwinkeldifferenz (R) zwischen den beiden Trommeln (11, 12) und das Drehmoment (T) berechnet werden.

6. Servo-Lenkanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist und daß das unterstützende Drehmoment als Servolenkkraft wirkt.