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Diese
Erfindung betrifft Verbesserungen bei elektrischen Fahrzeugservolenksystemen
der Art, bei der ein Elektromotor betrieblich über ein Getriebe mit einer
Lenkanordnung verbunden ist, um ein Unterstützungsdrehmoment auf die Lenkanordnung aufzubringen,
und insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition
eines Abschnitts einer Lenkanordnung.
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Es
ist allgemein bekannt, elektrische Servolenksysteme (EPAS) der angegebenen
Art vorzusehen. Die Lenkanordnung weist typischerweise ein Lenkrad
auf, welches mit einer Lenkwelle verbunden ist, welche betrieblich
mit einem oder mehreren Fahrbahnrädern über eine Lenkzahnstange verbunden ist,
obgleich viele unterschiedliche Anordnungen im allgemeinen Gebrauch
sind. Einige EPAS-Systeme verwenden bürstenlose Motoren, bei denen
der Elektromotor mit einem Motorpositionssensor versehen ist, um
den Zeitpunkt des Schaltens oder der Kommutation der Motorwicklungen
zu steuern. Der Motorpositionssensor weist typischerweise einen
Schalter oder Schalter des elektromagnetischen Typs auf, der oder
die den Zustand ändern,
wann immer ein an dem Rotor angeordneter Magnet an dem Sensor vorbeiläuft. Alternativ
kann eine magnetisierte Scheibe an der Rotorwelle angeordnet sein
und der Sensor kann eine Bewegung der Magnete an der Scheibe erkennen.
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Beispielsweise
können
bei einem 3-phasigem bürstenlosen
Permanentmagnetmotor drei Halleffekt-Sensoren um den Rotor herum
derart angeordnet sein, dass eine grobe Messung der elektrischen Rotorposition
erhalten werden kann. Dies ist jedoch für eine Anzeige der Position
der Lenkwelle ungeeignet, da sich der Ausgang innerhalb einer einzigen Umdrehung
der Motorwelle wiederholt und somit ein nicht eindeutiges Signal
erzeugt wird. Der Ausgang hängt
auch von dem Übersetzungsverhältnis des
Getriebes ab.
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Um
eine genaue Messung einer Lenkwellenposition zu ermöglichen,
ist es bekannt, einen Winkelpositionssensor vorzusehen, der entweder
direkt an der Lenkwelle angebracht ist oder mit ihr über einen
Getriebezug verbunden ist. Dies erzeugt einen Ausgang, der nicht
von dem Getriebeübersetzungsverhältnis abhängig ist,
da ein direkter Abgriff von der Lenkwelle erfolgt, jedoch ist die
Herstellung teuer.
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Uns
ist die
US 5 465 210 (Oberbegriff
des Anspruchs 1) bekannt, welche ein Verfahren beschreibt, bei dem
aus dem sensierten Lenkdrehmoment abgeschätzt wird, wann sich die Lenksäule in einer
bekannten Position befindet.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches Servolenksystem
der Art, bei der ein Elektromotor betrieblich über ein Getriebe mit einer
Lenkanordnung verbunden ist, um ein Unterstützungsdrehmoment auf die Lenkanordnung
aufzubringen, mit: einer Motorpositionssensierungsvorrichtung, die
einen Ausgang zu erzeugen vermag, der die Winkelposition des Motorrotors
angibt; gekennzeichnet durch eine Zählvorrichtung, die Zustandsänderungen
im Ausgang der Motorpositionssensierungsvorrichtung zu zählen vermag,
um ein Zählsignal
zu erzeugen, welches die Winkelposition des Rotors relativ zu einer
beliebigen Nullposition angibt; eine Lenkpositionssensierungsvorrichtung,
die wenigstens ein Positionsindexsignal zu erzeugen vermag, welches
eine bekannte Winkelposition eines Teils der Lenkanordnung anzeigt;
und eine Rücksetzvorrichtung,
die das von der Zählvorrichtung
erzeugte Zählsignal
zurückzusetzen
vermag, wann immer der Teil der Lenkanordnung in der bekannten Winkelposition
ist, indem das Indexsignal überwacht
wird.
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Die
Erfindung schafft somit eine Vorrichtung zur Überwachung der Winkelposition
der Lenkanordnung anhand des Ausgangs der Motorpositionssensierungsvorrichtung,
indem Änderungen
im Ausgang der Motorpositionssensierungsvorrichtung gezählt werden
und indem die Zählung
zurückgesetzt
wird, wann immer von einem Sensor ein Indexsignal erzeugt wird,
das anzeigt, dass die Lenkanordnungsposition der Geradeausposition
für das
Fahrzeug entspricht. Das Indexsignal kann von einem Lenksäulensensor,
unmittelbar von einem Sensor, der die Position einer Lenkzahnstange
der Lenkanordnung zu überwachen
vermag oder von einem Gierratensensor bereit gestellt werden, der
einen Ausgang zu erzeugen vermag, der die Gierrate des Fahrzeugs anzeigt.
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Somit
kann ein Indexpositionssensor zu niedrigen Kosten einfach an der
Lenkwelle angebracht werden, um die Rücksetz-Zeitsteuerung zu erleichtern.
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Unter
Zählen
von Zustandsänderungen
verstehen wir beispielsweise eine Erhöhung des Zählsignals, wenn sich der Zustand
des Sensierungsvorrichtungs-Ausgangs entsprechend einer Drehung
in einer Richtung ändert
und eine Verringerung des Zählsignals,
wenn eine Zustandsänderung
entsprechend einer Drehung in die entgegengesetzte Richtung auftritt.
Der Wert des Zählsignals
zeigt daher die Winkelposition der Lenkwelle relativ zu der bekannten
Winkelposition an, bei der das Rücksetzen
erfolgt.
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Vorzugsweise
kann die Motorpositionssensierungsvorrichtung einen oder mehrere
Elektromagneteffekt-Sensoren aufweisen, die die Position von einem
oder mehreren Rotormagneten oder von Magneten, die relativ zum Rotor
des Motors festgelegt sind, zu erkennen vermögen. In einer besonders vorteilhaften
Anordnung weist der Motor einen bürstenlosen Permanentmagnetmotor
auf und die Magneteffektsensoren erkennen die Position der Rotormagnete.
Selbstverständlich
können
als Alternative auch andere Sensortypen verwendet werden.
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Das
Ausgangssignal der Motorpositionssensierungsvorrichtung kann, zusätzlich zur
Erzeugung des Zählsignals,
vorteilhafterweise zur Steuerung des Zeitverhaltens von oder der
Kommutation der Motorrotorwicklungen verwendet werden. Die Sensierungsvorrichtung
kann einen oder mehrere Halleffektsensoren aufweisen. Bevorzugt
weist sie drei Halleffektsensoren auf, die ein Drei-Bit-Ausgangssignal
zu erzeugen vermögen.
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Das
System kann eine Vorrichtung aufweisen, welche die Motorpositionssensierungsvorrichtung
und/oder die Lenkpositionssensierungsvorrichtung zu „stroben" oder periodisch
mit Energie zu versorgen vermag, sowie Vorrichtungen zur Abtastung des
Ausgangs der Sensierungsvorrichtung, wenn diese mit Energie versorgt
wird. Die Sensoren können
dann zwischen den Abtastungen geschaltet sein. Dies minimiert den
durchschnittlichen Stromverbrauch im Vergleich zu einem durchgängigen Betrieb der
Sensoren. Es ermöglicht
auch, dass der Zähler die
Lenkwellenposition verfolgen kann, selbst wenn das Lenksystem durch
Abschalten der Zündung
des Fahrzeugs heruntergefahren ist, ohne dass die Fahrzeugbatterie übermäßig belastet
wird. Ein Zwischenspeicher kann vorgesehen werden, um den Abtastwert
zwischenzuspeichern.
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Die
Lenkpositionssensierungsvorrichtung kann in der Lage sein, ein einzelnes
Positionsindexsignal zu erzeugen, welches der Geradeausposition der
Lenkwelle oder irgendeinem anderen bevorzugten Winkel der Lenkung
entsprechen kann. Beispielsweise kann ein Impuls erzeugt werden,
wenn die Lenkwelle über
eine bekannte Position hinausdreht. Sie kann einen einzelnen Magneteffektsensor
aufweisen, der das Vorbeilaufen eines Magneten an der Welle zu erkennen
vermag. Damit kann der Ausgang der Lenkpositionssensierungsvorrichtung
einen ersten Ausgangswert für
alle Positionen der Welle abweichend von der Indexposition haben,
wo er einen zweiten Wert annimmt. Jedoch kann jeder geeignete Ausgang
verwendet werden, solange die Indexposition durch Verarbeitung des
Ausgangs identifiziert werden kann.
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Wenn
ein Indexsignal pro Umdrehung erzeugt wird, kann der Zähler einmal
pro Umdrehung der Lenkwelle auf Null (oder einen anderen bevorzugten
Wert) zurückgesetzt
werden. In diesem Fall wird der maximale, in dem Zähler gehaltene
Wert von der Anzahl der Zustandsänderungen
im Ausgang der Motorsensierungsvorrichtung für eine einzelne Umdrehung des
Motors und von der Anzahl von Umdrehungen des Motors für eine einzelne
Umdrehung der Lenkwelle abhängen.
Dies ist offensichtlich abhängig von
dem Getriebeübersetzungsverhältnis. Nichtsdestoweniger
stellt, da das Getriebeübersetzungsverhältnis konstant
bleibt, der in dem Zähler
gehaltene Wert eine genaue Anzeige der Wellenposition innerhalb
einer Umdrehung der Lenkwelle bereit. Ein Zurücksetzen hilft zu verhindern,
dass der Gesamtzählwert über die
Zeit hinweg gesehen driftet. Dies kann beispielsweise auftreten,
wenn falsche „Zustandsänderungen" aufgezeichnet werden.
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Vorzugsweise
wird das Indexsignal jedoch nur erzeugt, wenn die Lenkung in der
Geradeausposition oder einem bestimmten Winkel ist, der dieser Position
zugeordnet ist, so dass der in dem Zähler gehaltene Wert den absoluten
Lenkwinkel relativ zu dieser Geradeausposition darstellen kann.
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Die
Zähleinrichtung
kann einen 16-Bit-Zähler aufweisen,
obgleich kleinere oder größere Zähler verwendet
werden können.
Es können
Binärzähler sein.
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Das
System kann batteriebetrieben oder zumindest teilweise batteriebetrieben
sein. Eine Batteriestatusvorrichtung kann vorgesehen sein, welche zu
erkennen vermag, wann die Batterie von dem System getrennt wird.
Ein Fehlerflag kann gesetzt werden, wenn die Batteriestatusvorrichtung
eine Entfernung oder Abtrennung der Batterie erkannt hat. Wenn dieses
Flag gesetzt ist, kann der Zählerwert bei
einem nachfolgenden Hochfahren (d. h. einem Wiederanschließen der
Batterie) als fehlerhaft oder unzuverlässig behandelt werden. Dies
deshalb, weil der Motorrotor sich gedreht haben kann, ohne dass der
Zähler
aktualisiert wurde, wenn er nicht hochgefahren wurde.
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Eine
Verarbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, um den in dem Zähler gespeicherten Wert
mit einer Messung der Lenkwellenposition aus der Kenntnis des Übersetzungsverhältnisses
des Getriebes zu korrelieren.
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Es
wird nun rein exemplarisch eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben,
in der:
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1 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Servolenksystems gemäß der Erfindung ist;
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2 die
Anordnung von 3 Halleffektsensoren um einen 6-poligen Rotor eines
bürstenlosen Elektromotors
herum zeigt, der in dem System von 1 enthalten
ist, sowie die Abfolge der Ausrichtung der Magnete relativ zu den
Sensoren zeigt, wenn sich der Rotor dreht;
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3(a) einen Satz repräsentativer Ausgangssignale
der Halleffektsensoren zeigt, welche gemäß (b) kombiniert werden können, um
einen einzelnen Satz von 6 drei-Bit-Werten
pro 360 Grad elektrischer Drehung des Rotors zu erzeugen;
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4 ein
Indexsignal zeigt, welches von einem kombinierten Drehmomentpositionssensor
an der Lenkwelle zusätzlich
zu dessen Drehmomentausgang erzeugt wird, wenn die Welle die Geradeausposition
um +/– eine
Umdrehung durchläuft;
und
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5 ein
Blockdiagramm ist, welches eine Vorrichtung zur Verarbeitung des
Ausgangs der Halleffektsensoren und des Indexsignalausgangs des Drehmomentsensors
an der Lenkwelle zeigt, um die Lenkwellenposition zu messen.
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Das
in 1 gezeigte System weist eine Lenkwelle 1 auf,
welche betrieblich an einem Ende mit einem Lenkrad 2 und
an seinem gegenüberliegenden
Ende mit einem Paar von Fahrbahnrädern 3, 4 über ein
Zahnstangengetriebe 5, 6 verbunden ist.
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Um
eine Drehmomentunterstützung
für den Fahrer
zu erzeugen, weist das System ferner einen Elektromotor 7 auf,
der mit der Lenkwelle 1 über ein Untersetzungsgetriebe 8 mit
einem Untersetzungsverhältnis
von 16,5:1 verbunden ist. Der Motor 7 weist einen 3-phasigen
bürstenlosen
Permanentmagnetmotor auf und eine Sensierungsvorrichtung 9 mit drei
Halleffektsensoren A, B, C ist um den Motor 7 herum angeordnet,
um den elektrischen Winkel des Rotors durch Messung der Position
der Rotormagneten 10 zu erkennen. Dies ist in 2 gezeigt.
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Wie
in 3(a) gezeigt, erzeugt jeder
der Sensoren A, B, C einen Ausgang, der entweder Null oder Nicht-Null
ist, und zwar abhängig
davon, ob ein Nordpol eines Rotormagneten oder ein Südpol eines Rotormagneten
sich innerhalb des Erken nungsbereiches eines jeweiligen Sensors
befindet. Durch geeignete Beabstandung der Sensoren kann ein inkrementierender
Ausgang mit sechs 3-Bit-Werten erzeugt werden, wie in 3(b) gezeigt. Es ist wichtig, dass der Sensorausgang
ein Maß des
elektrischen Winkels und nicht des absoluten mechanischen Winkels
ist. Beispielsweise wird sich daher bei einem 3-phasigen Motor mit
sechs Rotorpolen die Sensorausgangsabfolge einmal pro mechanischen
120 Grad wiederholen. Für
das genannte Getriebeuntersetzungsverhältnis führt dies zu 297 Halleffekt-Zustandsänderungen
pro Lenksäulenumdrehung
mit einer Auflösung
an der Lenksäule
von etwas mehr als 1,2 Grad pro Zustandsänderung.
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Um
eine genaue Steuerung des Motors 7 zu erlangen, ist ein
kombinierter Drehmoment/Positionssensor 12 vorgesehen,
der das durch den Fahrer, der das Lenkrad handhabt, auf die Lenkwelle
aufgebrachte Drehmoment misst. Der Ausgang von dem Drehmomentsensor,
der das Drehmoment anzeigt, wird verwendet, um einen Motorstrom-Anforderungswert
zu erzeugen. Dieser wiederum wird dazu verwendet, ein Motorstromsignal
zu erzeugen, welches die an den Motor angelegten Ströme steuert.
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Zusätzlich zur
Erzeugung eines das Drehmoment anzeigenden Ausgangs erzeugt der
Drehmomentsensor ein Ausgangssignal, welches den Winkel der Lenkwelle
anzeigt. Dies ist in 4 gezeigt. In der dargestellten
Ausführungsform
weist dieses Signal ein einzelnes Indexsignal auf, das erzeugt wird,
wenn der Drehmomentsensor entsprechend der Geradeausposition der
Lenkwelle ausgerichtet ist. Tatsächlich
weist der Index einen schmalen Impuls auf, der erzeugt wird, wenn
die Lenkwelle die Geradeausposition durchläuft. Dies ist unabhängig von
dem Drehmoment.
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Alternativ
kann ein Geradeauslenkungs-Indexsignal von einem anderen Sensor
erhalten werden, der beispielsweise direkt an der Lenkzahnstange 6 angeordnet
ist oder von einem Gierratensensor, der die Rate misst, mit der
das Fahrzeug eine Kurve durchfährt.
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Eine
Verarbeitung des Indexsignals und des Ausgangs der Halleffektsensoren
ermöglicht
eine Erzeugung eines Messwerts für
die Lenkwellen-Winkelposition, der eine erheblich höhere Auflösung als
ein einzelnes Indexsignal hat. Die Verarbeitung wird elektrisch
vorgenommen.
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Der
Ausgang von allen drei Halleffektsensoren wird einer ersten Verarbeitungsstufe
zugeführt. Wann
immer ein Halleffektsensor einen Zustand ändert, erzeugt die erste Verarbeitungsstufe
entweder ein Hochzähl-
oder ein Herunterzählsignal.
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Ein
Hochzählsignal
wird immer dann erzeugt, wenn die Zustandsänderung in dem Halleffektzustand
eine Bewegung des Motorrotors in eine erste Richtung anzeigt. Das
Herunterzählsignal
wird immer dann erzeugt, wenn die Zustandsänderung eine Bewegung des Motorrotors
in eine zweite entgegengesetzte Richtung anzeigt. Beispielsweise
kann die erste Richtung Zustandsänderungen
des Hallsensorausgangs von S1–S2, S2–S3, S3–S4, S4-S5,
S5–S6, S6–S1 entsprechen. Die zweite Richtung kann Zustandsänderungen
S1–S6, S6–S5, S5–S4 ....... S2–S1 etc. entsprechen.
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Der
Ausgang der ersten Verarbeitungsstufe wird einem 16-Bit-Zähler zugeführt. Wenn
ein Hochzählsignaleffekt
empfangen wird, wird der in dem Zähler gehaltene Zählwert um
1 inkrementiert. Wenn ein Herunterzählsignal empfangen wird, wird
der im Zähler
gespeicherte Wert um 1 dekrementiert.
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Der
Wert in dem Zähler
ist anfänglich
auf Null gesetzt, wenn die Lenkwelle sich in der Geradeausposition
befindet. Dies entspricht dem Indexsignal des Drehmomentsensors
(oder einem anderen Sensor). Bei einem fortlaufenden Drehen des
Rads in eine Richtung wird sich der im Zähler gehaltene Wert in Stufen
bis zu dem Zeitpunkt erhöhen,
zu dem die Lenkwelle in die entgegengesetzte Richtung in die Geradeausposition
zurückkehrt.
Der Zähler
zählt in einer
Lenkrichtung hoch, in der anderen herunter. Am Geradeauspunkt wird
der Zähler
zurückgesetzt.
Somit werden jegliche Fehler im Zählwert kontinuierlich zurückgesetzt,
wenn das Lenkrad durch die Geradeausposition hindurch bewegt wird.
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Ein
Problem kann sich ergeben, wenn der Zähler nicht aktualisiert wird,
wenn das Lenksystem abgeschaltet wird. Beispielsweise kann das elektrische
Servolenksystem in einen inoperativen Zustand versetzt werden, wenn
die Zündung
des Fahrzeugs ausgeschaltet wird. Dies kann Absicht sein, um Stromfluss
aus der Batterie aufgrund eines Motorbetriebs zu verhindern, wenn
der Fahrzeugmotor nicht läuft.
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In
einem solchen Fall kann es jedoch noch möglich sein, dass das Lenkrad
gedreht wird. Der in dem Zähler
gehaltene Wert würde
nicht aktualisiert werden (da die Energieversorgung abgeschaltet
ist) und ein Neustart würde
ein fehlerhaftes Positionssignal liefern.
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Um
dieses Problem zu beseitigen, werden die Halleffektsensoren abgetastet
(engl. strobed), indem sie wiederholt für eine kurze Zeitdauer eingeschaltet
werden, unterbrochen von Zeiten, zu denen sie abgeschaltet sind.
Dies ermöglicht,
dass eine Le sung der Position vorgenommen und der Zähler aktualisiert
wird. Die Sensoren werden somit zwischen den Lesevorgängen abgeschaltet.
Um sicherzustellen, dass keine Zustandsänderungen verpasst werden,
sollte die Abtastfrequenz die maximale Änderungsrate des Sensorausgangs
zumindest um das Zweifache übersteigen.
Eine Grenze wird durch die physikalischen Beschränkungen der Maximaldrehzahl
des Motors auferlegt.
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Der
schematische Aufbau eines Systems 100 zum Betreiben der
Sensoren und Durchführen der
Verarbeitung ist in 5 gezeigt. Es weist einen Oszillator 101 auf,
dessen Ausgang an 110 angelegt wird, um Halleffektvorrichtungen 102 für 1/16 eines Taktzyklus
einzuschalten. Es sind jedoch auch andere Verhältnisse möglich. Der Oszillator wird
von einer 12-Volt-Fahrzeugbatterie über einen 5-Volt-Regler 103 betrieben.
Dieser betreibt auch die Halleffektsensoren über den Schalter 110,
sowie einen Zwischenspeicher 104, der die Ausgänge der
Sensoren abtastet und hält,
eine Decodierungslogik 105 und einen Zustandsänderungszähler 106,
der die Ausgänge der
Halleffektsensoren verarbeitet. Der Ausgang des Zählers wird
einem Mikroprozessor 107 zugeführt, der den Zählwert in
einen Winkel 108 umwandelt.
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Als
zusätzliche
Sicherheitsmaßnahme
ist ein Batterieabtrenn-Zwischenspeicher 109 vorgesehen, der
erkennt, dass die Batterie abgetrennt oder erschöpft ist, wenn das System heruntergefahren
ist. Der Zwischenspeicher 109 setzt ein Fehlerflag, wenn die
Energieversorgung entfernt wird. Beim Hochfahren wird das Flag vom
Mikroprozessor 107 abgefragt. Wenn es gesetzt ist, kann
der im Zähler
gehaltene Wert als fehlerhaft behandelt werden. Eine alternative
Vorgehensweise kann dann verwendet werden, um die Geradeausposition
zu bestimmen, wonach der Zähler
zurückgesetzt
und das Fehlerflag gelöscht wird.
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Die
Auflösung
des Systems hängt
von der Anzahl von Halleffektsensor-Zustandsänderungen für jede mechanische Umdrehung
des Motors und von dem Getriebeübersetzungsverhältnis ab.
Zum Zeitpunkt einer Halleffektsensor-Zustandsänderung ist jedoch die Genauigkeit
der Positionsmessung bei der Verwendung eines derartigen Systems
relativ hoch, ohne dass eine Notwendigkeit für einen teuren Absolutpositionssensor
an der Lenkwelle besteht.
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Ein
zusätzlicher
Eingang an den Mikroprozessor 107 weist ein Indexpositionssignal 111 auf. Dieses
Signal tritt auf, wenn der Ausgang des Säulenpositionssensors einen
gepulsten Index erzeugt. Wenn es auftritt, ist bekannt, dass die
Lenksäule
in der Geradeausposition ist und es kann dazu verwendet werden,
ein Zurücksetzen
des Zählers
auszulösen.