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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten
Winkelposition eines sich im Verhältnis zu einer festen Struktur
drehenden Organs, ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge sowie ein Wälzlager,
das eine derartige Vorrichtung umfasst.
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Bei
zahlreichen Anwendungen, insbesondere Kraftfahrzeugen wie die Wegkontrollsysteme
oder die elektrischen Servolenksysteme, ist es erforderlich die
absolute Winkelposition eines sich im Verhältnis zu einer festen Struktur
drehenden Organs zu kennen.
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Unter
absoluter Winkelposition versteht man den Winkel, der die Position
des sich drehenden Organs zu einem gegebenen Zeitpunkt von einer
Referenzposition des Drehorgans trennt, wobei diese Referenzposition
fest ist und sich auf die feste Struktur bezieht.
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Dem
gegenüber
ist die relative Winkelposition der Winkel, der die Position des
Organs von einer beliebigen in Bezug auf die feste Struktur variablen Ausgangsposition
ist.
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Aus
der Unterlage
EP-1 167 927 ist
eine derartige Vorrichtung bekannt, die insbesondere einen Kodierer
verwendet, der dazu bestimmt ist, zusammen mit dem sich drehenden
Organ in Rotation gebracht zu werden, wobei der genannte Kodierer
eine multipolare Hauptbahn und eine multipolare, als „Top Tour" bezeichnete Bahn
umfasst, die konzentrisch sind, wobei die genannte Top Tour-Bahn
eine Singularität
umfasst, so dass der zugeordnete Sensor einen Impuls pro Drehung
des Kodierers liefert. Nach ihrer Inbetriebsetzung bestimmt eine
derartige Vorrichtung die absolute Winkelposition, sobald der erste
Top Tour-Impuls ermittelt wurde.
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Diese
Vorrichtung ist dadurch beschränkt, dass
die Erfassung des Impulses nur einmal pro Drehung des Kodierers
erfolgt. In bestimmten Fällen
ergibt sich daraus, dass eine große Winkelverschiebung des Drehorgans
erfolgen muss, bevor man seine absolute Winkelposition kennt. Und
mit der bekannten Vorrichtung kann man die Anzahl der Singularitäten pro
Drehung des Kodierers nicht vergrößern, da man sie nicht untereinander
diskriminieren kann.
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Die
Erfindung schlägt
insbesondere eine weiter gebildete Vorrichtung vor, die nach ihrer
Inbetriebsetzung ermöglicht,
die absolute Winkelposition des Kodierers zu bestimmen nach einer
Winkelverschiebung, die je nach in Betracht gezogener Anwendung
kleiner und einstellbar ist.
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Zu
diesem Zweck und nach einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung eine Vorrichtung
vor zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines sich im Verhältnis zu
einer festen Struktur drehenden Organs, wobei die genannte Vorrichtung
folgendes umfasst:
- – einen Kodierer, der dazu
bestimmt ist, zusammen mit dem sich drehenden Organ in Rotation gebracht
zu werden, wobei der genannte Kodierer eine multipolare Hauptbahn
und eine multipolare, als „Top
Tour" bezeichnete
Bahn umfasst, die konzentrisch sind, wobei die genannte Top Tour-Bahn M
winkelförmig
verteilte Singularitäten
umfasst;
- – einen
gegenüber
und in Luftspaltentfernung des Kodierers angeordneten festen Sensor
mit wenigstens drei sensiblen Elementen, von denen wenigstens zwei
derart gegenüber
der Hauptbahn positioniert sind, dass zwei periodische elektrische
Signale S1, S2 in Quadratur ausgegeben werden und wenigstens eines
gegenüber
der Top Tour-Bahn derart positioniert ist, dass ein elektrisches
Signal S3 ausgegeben wird, wobei der Sensor einen elektronischen
Schaltkreis umfasst, der geeignet ist, ausgehend von den Signalen
S1, S2 und S3 zwei quadratische digitale Positionssignale A, B in
Quadratur auszugeben, die für
die Winkelposition des sich drehenden Organs repräsentativ
sind, und ein Signal Top Tour C in Form von M Impulsen pro Drehung
des Kodierers;
- – eine
Verarbeitungsvorrichtung der Signale A, B, C, die zur Bestimmung
der Abweichungen der Winkelposition des Kodierers ausgehend von
einer Anfangsposition geeignete Zählmittel umfasst;
- – Messmittel
der Winkelposition des sich drehenden Organs mit einer Winkelunsicherheit Δθ;
bei
der die M Singularitäten
jeweils für
eine absolute Winkelposition des sich drehenden Organs repräsentativ
sind und auf der Top Tour-Bahn mit einem Winkelabstand zwischen
jedem von ihnen verteilt sind, der größer ist als 2 Δθ, wobei
die Verarbeitungsvorrichtung Einstellungsmittel der Anfangsposition
umfasst, die bei der Feststellung eines Impulses geeignet sind,
den festgestellten Impuls in Abhängigkeit
von der aus den Messmitteln hervorgegangenen Winkelposition zu diskriminieren
und den Wert der dem genannten Impuls zugeordneten absoluten Winkelposition
als Anfangsposition zuzuordnen.
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Nach
einem zweiten Aspekt schlägt
die Erfindung ein mit einer derartigen Bestimmungsvorrichtung ausgerüstetes Wälzlager
vor, von dem Typ mit einem festen Ring, der dazu bestimmt ist, einem
festen Organ zugeordnet zu werden, einem sich drehenden Ring, der
dazu bestimmt ist, durch das sich drehende Organ und zwischen den
genannten Ringen angeordnete rollende Körper in Rotation gebracht zu werden,
bei dem der Kodierer dem sich drehenden Ring zugeordnet ist.
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Nach
einem dritten Aspekt schlägt
die Erfindung ein Lenksystem für
Kraftfahrzeuge vor, das eine derartige Bestimmungsvorrichtung umfasst,
wobei der Kodierer in Rotation fest mit dem Lenkrad des Fahrzeugs
verbunden ist und der Sensor fest mit dem Fahrgestell des Fahrzeugs
derart verbunden ist, dass die absolute Winkelposition des Lenkrads
im Verhältnis
zum Fahrgestell gemessen wird.
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Andere
Gegenstände
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Vorderansicht eines in einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung
einsetzbaren Kodierers ist, wobei der genannte Kodierer eine multipolare
Hauptbahn und eine multipolare Top Tour-Bahn umfasst;
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2 eine
schematische Teilansicht eines Lenksystems für Kraftfahrzeuge zeigt, das
mit einer Bestimmungsvorrichtung der absoluten Winkelposition des
Lenkrads ausgerüstet
ist;
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3 eine
Ansicht im Längsschnitt
eines Wälzlagers
zeigt, das mit einer Bestimmungsvorrichtung der absoluten Winkelposition
des sich in Bezug auf den festen Ring drehenden Rings ausgerüstet ist; wobei
der Sensor, die Signalverarbeitungsvorrichtung und die Messmittel
der Winkelposition nicht dargestellt sind.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten
Winkelposition eines sich im Verhältnis zu einer festen Struktur
drehenden Organs, die einen in 1 dargestellten
Kodierer 1 umfasst.
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Bei
einer in Betracht gezogenen besonderen Anwendung ist die Vorrichtung
derart in ein Lenksystem integriert, dass sie die absolute Winkelposition des
Lenkrads 2 in Bezug auf das Fahrgestell misst, wobei diese
Messung in Wegkontrollsystemen des Fahrzeugs oder in Servolenksystemen
verwendet werden kann.
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In
Verbindung mit 2 wird ein Lenksystem beschrieben,
das eine Lenksäule 3 umfasst,
an der ein Kodierer 1 montiert ist, wie derjenige der 1, um
die drehbare Verbindung der Säule 3 und
des Kodierers 1 zu gewährleisten.
In bekannter Weise ist die Säule 3 mit
einem Lenkrad 2 verbunden, über das der Fahrer ein Einschlagmoment
aufbringt. Ferner ist die Säule 3 vorgesehen,
um das Einschlagmoment an die Ränder
des Fahrzeugs zu übertragen.
Hierfür können die
Räder mechanisch über ein
Zahnstangenritzel und eine Zahnstange mit der Säule 3 verbunden sein,
um die Rotationsbewegung der Säule 3 in
eine Winkelverschiebung der Räder
zu verwandeln oder von der Säule 3 abgekoppelt
zu werden. Im letzteren Fall kann der Kodierer 1 direkt
einem Teil des Lenkrads 2 zugeordnet werden.
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Das
Lenkrad 2 ist vorgesehen, um eine Vielzahl von Umdrehungen,
typisch zwei, um die Position auszuführen, in der die Räder gerade
stehen.
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Das
Lenksystem umfasst ferner ein festes Element 4, das fest
mit dem Fahrgestell des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei dem
genannten Element ein Sensor 5 zugeordnet ist, so dass
sich die sensiblen Elemente des genannten Sensors gegenüberliegen
und in Luftspaltentfernung des Kodierers 1 angeordnet sind.
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Um
die absolute Winkelposition des Kodierers 1 und demnach
des Lenkrads 2 in Bezug auf das feste Element 4 und
demnach das Fahrgestell bestimmen zu können, umfasst der Kodierer 1 eine
multipolare Hauptbahn 1a und eine multipolare, als „Top Tour" bezeichnete Bahn 1b,
die konzentrisch sind. Die Top Tour-Bahn 1b umfasst M (mit
M > 1) winkelförmig verteilte
Singularitäten 1b1.
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Bei
einen besonderen Beispiel besteht der Kodierer 1 aus einem
multipolaren Magnetring, auf dem eine Vielzahl von Polpaaren 1c Nord
und Süd mit
einer konstanten Winkelbreite in gleichen Abständen magnetisiert sind, um
so die Hauptbahn 1a und die Top Tour-Bahn 1b zu
bilden, wobei eine magnetische Singularität der Top Tour-Bahn 1b aus
zwei Polen besteht, deren magnetischer Übergang anders ist als die
anderen.
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Gemäß der in 1 dargestellten
Ausführung
umfassen die innerhalb des Rings angeordnete Hauptbahn 1a und
die außerhalb
des Rings angeordnete Top Tour-Bahn 1b 24 Polpaare 1c,
wobei die Polpaare 1c der Top Tour-Bahn 1b phasenverspätet sind
um einen Wert φ in
Bezug auf diejenigen der Hauptbahn 1a.
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Jede
Singularität 1b1 besteht
aus einem Polpaar 1c, wobei die Breite der Pole so vorgesehen
ist, dass ein Pol um –φ in Bezug
auf den entsprechenden Pol der Hauptbahn 1a phasenverschoben
ist. Demnach entspricht jeder Impuls des Signals C einer Erfassung
einer Umkehrung des Phasenversatzes zwischen der Hauptbahn 1a und
der Top Tour-Bahn 1b.
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Ferner
umfasst der Sensor 5 wenigstens drei sensible Elemente,
von denen wenigstens zwei gegenüber
der Hauptbahn 1a positioniert sind und wenigstens eines
gegenüber
der Top Tour-Bahn 1b positioniert ist.
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Bei
einem besonderen Beispiel sind die sensiblen Elemente aus der Gruppe
gewählt,
die die Hall-Sonden, die Magnetwiderstände, die Riesen-Magnetwiderstände umfasst.
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Der
verwendete Sensor 5 kann zwei periodische elektrische Signale
S1, S2 in Quadratur über sensible
Elemente abgeben, die gegenüber
der Hauptbahn 1a angeordnet sind, und ein elektrisches Signal
S3 über
sensible Elemente, die gegenüber
der Top Tour-Bahn 1b angeordnet sind.
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Das
Prinzip des Erhalts der Signale S1 und S2 ab einer Vielzahl von
aneinander gereihten sensiblen Elementen ist beispielsweise in der
Unterlage
FR-2 792 403 der
Antragstellerin beschrieben.
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Sensoren
mit zwei sensiblen Elementen, die die Signale S1 und S2 abgeben
können,
sind jedoch ebenfalls bekannt.
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Der
Sensor umfasst ferner einen elektronischen Schaltkreis, der ab den
Signalen S1, S2 und S3 digitale quadratische Positionssignale A,
B in Quadratur und ein Top Tour-Signal C in Form von M elektrischen
Impulsen pro Drehung des Kodierers 1 abgibt.
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Ein
Prinzip für
den Erhalt der digitalen Signale A, B und C sowie verschiedene Ausführungsformen
der magnetischen Singularitäten
1b1 sind
in den Unterlagen
FR-2 769 088 und
EP-0 871 014 beschrieben.
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Gemäß einer
Ausführung
umfasst der Sensor
5 ferner einen Interpolator, beispielsweise
des in der Unterlage
FR-2 754 063 der
Antragstellerin beschriebenen Typs, der es ermöglicht, die Auflösung der
Ausgangssignale zu vergrößern.
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Der
Sensor 5 kann in ein Silizium-Substrat oder dergleichen,
beispielsweise AsGa, integriert sein, um so eine integrierte und
für eine
Anwendung spezifische Schaltung zu bilden, die zuweilen ASIO genannt
wird und teilweise oder komplett je nach Bedarf ausgelegt ist.
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Obwohl
die Beschreibung im Zusammenhang mit einer Baugruppe Kodierer/Magnetsensor erfolgt,
kann man die Erfindung ebenfalls analog umsetzen, indem man eine
Technologie optischen Typs verwendet. Beispielsweise kann der Kodierer 1 aus einem
Metall- oder Glasziel bestehen, auf dem die Hauptbahn 1a und
die Top Tour-Bahn 1b graviert sind, um ein dem oben genannten
multipolaren magnetischen Motiv ähnliches
optisches Motiv zu bilden, wobei die sensiblen Elemente dann aus
optischen Sensoren bestehen.
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Die
Bestimmungsvorrichtung umfasst eine Verarbeitungsvorrichtung 6 der
Signale A, B, C, die Zählmittel
aufweist, die ausgehend von einer Ausgangsposition die Schwankungen
der Winkelposition des Kodierers 1 bestimmen können. Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfassen die Zählmittel
ein Register, in dem der Wert der Winkelposition um einen Winkelwert
inkrementiert oder dekrementiert wird, der der Anzahl der ermittelten
Fronten der Signale A, B entspricht, wobei der Ausgangswert bei
der Inbetriebsetzung der Vorrichtung beispielsweise auf Null festgelegt
wird. So ermöglicht
die Verarbeitungsvorrichtung, die relative Position des Kodierers 1 in
Bezug auf die Ausgangsposition zu kennen.
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Außerdem umfasst
die Bestimmungsvorrichtung Messmittel 7 der Winkelposition
des sich drehenden Organs mit einer Winkelunsicherheit Δθ. Die Messmittel 7 können dem
sich drehenden Organ zugeordnete elektromechanische Mittel umfassen,
wie ein Potentiometer.
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Bei
der Anwendung Lenksystem können
die Messmittel 7 ein Analysemittel der Differentialgeschwindigkeit
der Räder
umfassen. Denn je nach Einschlagwinkel schwankt die Differentialgeschwindigkeit
der Räder,
was die Messung der Winkelposition des Lenkrads 2 ermöglicht,
insbesondere entsprechend dem Vorzeichen und dem Modul der genannten
Geschwindigkeit. In diesem Fall hängt die Winkelunsicherheit
von dem Modell ab, das verwendet wurde, um die Differentialgeschwindigkeit
entsprechend dem Einschlagwinkel zu kennen, sowie von den Fahrbedingungen.
Nach einer Ausführung kann
die Analyse der Differentialgeschwindigkeit an angetriebenen Rädern erfolgen,
um damit die Fehler zu begrenzen, die durch den Schlupf der Räder verursacht
werden können.
Gemäß einer
Variante kann die Analyse an den beiden Radsätzen erfolgen, um jede der
erhaltenen Differentialgeschwindigkeiten zu korrelieren.
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Nach
einer Ausführung
können
die Messmittel 7 einen Beschleunigungsmesser oder ein Gyroskop
umfassen.
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Mit
allen diesen Messmitteln 7 kann die Winkelposition des
sich drehenden Organs nur mit einer Unsicherheit Δθ erhalten
werden, die zu groß ist,
um die absolute Winkelposition des sich drehenden Organs im Rahmen
der in Betracht gezogenen Anwendungen mit einer ausreichenden Präzision zu
bestimmen. Denn die Unsicherheit Δθ beträgt typisch
zwischen 10° und
60°.
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Um
die absolute Winkelposition des sich drehenden Organs mit einer
ausreichenden Präzision
zu erhalten, ist vorgesehen, ebenfalls einen Kodierer 1 zu
verwenden, dessen Verteilung der Singularitäten 1b1 der Top Tour-Bahn 1b spezifisch
ist.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Top
Tour-Bahn 1b 6 Singularitäten 1b1 in einem Abstand
von 60° zueinander.
Vor der Verwendung der Bestimmungsvorrichtung kann die absolute
Winkelposition einer oder mehrerer Singularitäten 1b1 der Top Tour-Bahn 1b auf
eine Referenzposition indexiert werden. Insbesondere bei einer Anwendung
des Typs Lenksystem kann die Referenzposition die geradlinige Position
der Räder
sein. Diese Indexierung kann am Kettenausgang und auf einem dafür vorgesehenen
Stand vorgenommen werden, wobei der Wert der Absolutpositionen in
einem Speicher des Typs EEPROM oder Flash der Verarbeitungsvorrichtung
abgelegt werden kann. Diese Indexierung kann ebenfalls mechanisch
erfolgen.
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Bei
der Erfassung eines Impulses Top Tour beträgt die absolute Winkelposition
des sich drehenden Organs dann 0° M
modulo 60°.
Ein derartiger Kodierer 1 ist demnach dazu bestimmt, in
Kombination mit einem Messmittel 7 verwendet zu werden,
dessen Winkelunsicherheit in jedem Fall kleiner ist als 30°, um über Einstellmittel
den erfassten Impuls diskriminieren zu können.
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Bei
einem besonderen Beispiel hat das Messmittel eine Winkelunsicherheit
von etwa 16°. Bei
der Erfassung eines Impulses, wenn der von dem Messmitteln 7 gemessene
Winkel 49° +/– 16° beträgt, wird
der Impuls dann eindeutig als derjenige identifiziert, der der absoluten
Winkelposition von 60° entspricht.
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Ab
der Erfassung und der Diskriminierung des Impulses wird die entsprechende
absolute Winkelposition dann über
die Einstellmittel als Ausgangswert in der Verarbeitungsvorrichtung
zugewiesen, so dass man dann dank der Zählmittel die absolute Winkelposition
kontinuierlich kennt.
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Nach
einer Ausführungsform
ist die Verarbeitungsvorrichtung ein Mikroprozessor, der vorgesehen
ist, um die von dem Sensor 5 abgegebenen Signale A, B,
C zu erhalten, in dem die den Impulsen zugeordneten absoluten Winkelpositionen
abgelegt sind.
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Erfindungsgemäß kann man
also nach der Inbetriebsetzung der Vorrichtung die absolute Position
des Kodierers 1 und demnach diejenige des zugeordneten
sich drehenden Organs kennen, sobald es sich um einem maximalen
Winkel von 2 Δθ gedreht hat.
Ferner wird die absolute Winkelposition mit einer sehr viel größeren Präzision als Δθ bestimmt,
da sie nicht mehr von der Auflösung
der Messmittel 7 abhängig
ist.
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Je
nach verwendeten Messmitteln 7 kann man die Singularitäten 1b1 anders
auf der Top Tour-Bahn 1b verteilen, um damit den maximalen Drehwinkel
zu vergrößern oder
zu verkleinern, der die Bestimmung des Absolutwinkels ermöglicht.
Ferner kann man ebenfalls die Anzahl der Polpaare 1c und/oder
die Abmessungen des Kodierers 1 variieren.
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Es
kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Singularitäten 1b1 nicht
in gleichen Abständen
auf der Top Tour-Bahn 1b angeordnet sind, und dies insbesondere,
wenn die Unsicherheit Δθ nicht entsprechend
der gemessenen Winkelposition konstant ist.
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Im
Zusammenhang mit 3 wird ein Wälzlager beschrieben, das einen
festen Außenring 8 umfasst,
der einem festen Organ zugeordnet werden soll, sowie einen drehbaren
Innenring 9, der sich mit dem sich drehenden Organ drehen
soll, und zwischen den genannten Ringen angeordnete rollende Körper 10.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist der Kodierer 1 an eine ringförmige zylindrische Auflage
einer Armatur 11 angeformt, die beispielsweise durch Einstecken
mit einer Seite des Innenrings 9 verbunden ist.
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Der
Kodierer
1 ist mit dem drehbaren Ring
9 derart
verbunden, dass sich die Außenseite
des genannten Kodierers etwa in der Ebene P einer Seitenfläche des
festen Rings
8 befindet. Dieses insbesondere in der Unterlage
EP-0 607 719 der Antragstellerin
offenbarte Merkmal ermöglicht
einerseits, den Kodierer
1 innerhalb des Wälzlagers
zu schützen,
und andererseits, den Sensor
5 von dem Wälzlager
unter Beherrschung des Luftspalts zu trennen.
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Bei
einer Ausführungsform
wird die Drehung des Lenkrads 2 von einem derartigen Wälzlager
geführt,
um die absolute Winkelposition des Lenkrads 2 in Bezug
auf das Fahrgestell zu bestimmen. Demnach werden die Funktionen
Führung
und Messung des Winkels über
ein selbes mechanisches Mittel realisiert.
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IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE
REFERENZEN
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Diese
Liste der von dem Antragsteller genannten Referenzen soll nur dem
Leser helfen und ist kein Bestandteil der europäischen Patentunterlage. Selbst
wenn ihre Erstellung mit größter Sorgfalt
erfolgt ist, können
keine Fehler oder Auslassungen ausgeschlossen werden, und das EPA
kann diesbezüglich
nicht verantwortlich gemacht werden. In
der Beschreibung genannte Patentunterlagen