WO2001008961A1 - Verfahren zur bestimmung der winkelposition eines drehbewegungen ausführenden rotatorischen teils - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der winkelposition eines drehbewegungen ausführenden rotatorischen teils Download PDF

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Herbert Jochum
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    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the angular position of a rotary movement performing rotary movements according to the preamble of claim 1, as is known from DE 1 98 35 886 A1
  • the angle of rotation and thus the angular position of parts carrying out rotary movements must be determined.
  • the steering wheel angle or the steering wheel position as a measure of the position of the steering wheel is helpful or indispensable for many applications, in particular for the operation of vehicle dynamics systems (for example adaptive damping systems, all-wheel drive, rear axle steering), driver assistance systems (for example distance warning systems, distance control systems) or navigation systems.
  • vehicle dynamics systems for example adaptive damping systems, all-wheel drive, rear axle steering
  • driver assistance systems for example distance warning systems, distance control systems
  • navigation systems for example distance warning systems, distance control systems
  • magnetic methods increasing measurement of the angle using a large number of magnets
  • optical methods are also used to record the angular position (contactless and wear-free measurement of the angle using coded disks).
  • the rotary part performing the rotary movement is a one-on-one Carrier-guided and arranged in a housing flexible flat tape (winding tape) which consists of a single elect ⁇ scnen conductor or several parallel electrical conductors and with ⁇ em an electrically conductive connection and a signal transmission to a stationary part hm can be realized;
  • a winding tape is used in motor vehicles for the electrical connection of the steering wheel and steering column.
  • the rotato ⁇ scnen part of menr be realized and recorded as 360 °, osp.
  • a deflection for example realized by means of a deflection roller
  • the relative rotational path of the winding tape is detected and evaluated by means of a measuring device; According to the generic DE 1 98 35 886 A1, the relative number of revolutions between the stationary and the rotatonic part ⁇ is determined by measuring the inductance of the winding tape which is set or changed in accordance with the rotational path or the rotational position, the measurement between a fixed and a movable connection of a conductor of the winding tape.
  • the disadvantage here is that the inductances or changes in inductance of the winding tape to be measured are extremely small and thus parasitic inductances (e.g. those of supply lines) falsify the inductance measurement, that there is a non-linear relationship between the rotation path and the inductance and that between the beginning and a separate return line is required at the end of the winding band forming the inductance, which hinders the undisturbed movement of the winding band and the rotatonic part and thus impairs the mode of operation and does not permit the use of this method in series.
  • parasitic inductances e.g. those of supply lines
  • the invention is based on the object of specifying a simple method for determining the angular position of a rotary movement performing rotary movements with advantageous properties with regard to reliability, costs and area of use.
  • a determination of the angular position and thus an absolute position detection of a rotary motion performing rotary movements see partly realized over the entire rotation range of the winding tape without moving mechanical additional components, without additional torque, friction or noise, by the electromagnetic field coupling between the winding tape and at least one (additional) measuring inductance (coupling coil) is detected and evaluated.
  • the at least one measuring inductor is arranged on the winding tape or in the vicinity of the winding tape in such a way that the best possible electromagnetic field coupling between the winding tape and the measuring inductor results.
  • the at least one measuring inductor is arranged in a plane parallel to the winding tape, for example. applied to the housing or the carrier of the winding tape.
  • the at least one measuring inductor can, for example. as
  • Copper coil or as printed conductors arranged on a circuit board If more than one measuring inductor is provided, one of these measuring inductors can be used for reference measurements for calibration.
  • the detection of the electromagnetic field coupling takes place by feeding an alternating voltage as an input signal either via a measuring inductor or via the winding tape and evaluating the output voltage as the resulting output signal with regard to changes in the phase and / or the amplitude and / or the frequency.
  • the evaluation of the output signals can be done according to different principles, either by forming the ratio of the output voltage (ratiometric) or by directly measuring absolute values of the output voltage, whereby the output signal (the output voltage) is converted into a corresponding angle of rotation and thus into a corresponding angular position of the Rotaton part becomes.
  • the cables for feeding the input signal (outgoing conductor) and for tapping the output signal (return conductor) can be routed inside the housing of the winding tape. If the width of the windings of the measuring inductance is smaller than the width of the electrical conductors of the winding tape, that portion of the winding tape can be used as the return conductor which has the lowest electromagnetic field coupling to the windings of the measuring inductance within the winding tape. If the width of the windings of the measuring inductance is at least as large as the width of the winding tape, a partial area of the winding tape can be shielded by an electromagnetic shield. mung ⁇ erart shielded that an electromagnetic field coupling with the return conductor is partially or completely avoided.
  • an A / D converter and a peak value rectifier for effective value measurement can be provided for recording the measured variables and for evaluating the output signals.
  • the measuring inductors DZW. their connections (feed lines) are arranged with respect to the winding tape in such a way that a cancellation or weakening of the magnetic field generated by the winding tape and thus a reduction or cancellation of the measurement signal is avoided.
  • a contactless position detection (determination of the angular position) of the rotary movement executing rotary movements can advantageously be carried out without mechanical friction, torques or noise occurring as a result or mechanical parts being moved.
  • the position can be detected over several revolutions of the moving part with high
  • the detection range is limited only by the range of rotation of the winding tape and a high level of immunity to interference, in particular with respect to changes in position of the winding tape in the housing and external electromagnetic coupling.
  • FIG. 1 shows a top view of a schematic representation of the arrangement of the winding tape and
  • FIG. 2 shows a measurement diagram with the magnetic coupling as a function of the angle of rotation.
  • a winding band 5 which is arranged in a housing 3 and is applied to a carrier 4, is provided, which consists of electrical conductors 6 guided in parallel.
  • the required length of the winding tape 5 predetermined by the rotary movement is limited by the deflecting roller 7 and into an outer part 10 and an inner part Part 1 1 handledsDalten to r signal transmission and elekt ⁇ scne ⁇ connection to the fixed stationary part 2 hm the two electrical terminals 8, 9 of Wickelban ⁇ s 5 (a plug contact Ex.)
  • a rotary movement of the rotatonschen Teus 1 are provided on which the signal lines can be connected changes the winding up of the
  • the output voltage (induced voltage U, «) detected in the measuring inductors 1 2, 13 due to the rotary movement is shown as a function of the angle of rotation ⁇ .
  • an angle of rotation ⁇ of 0 ° to approx of the induced voltage U « can be detected

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Abstract

Das Verfahren dient der Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatorischen Teils (1). Die sich entsprechend der Drehbewegung ändernde Länge eines in einem Gehäuse (3) angeordneten und auf einem Träger (4) angeordneten, aus mindestens einem Leiter (6) bestehenden Wickelbands (5) wird auf einfache Weise, zuverlässig und ohne Beschränkungen ausgewertet. Mit mindestens einer Mess-Induktivität (12, 13) wird die elektromagnetische Feldkopplung zwischen der Meß-Induktivität und dem Wickelband (5) erfaßt und hieraus der Drehwinkel des rotatorischen Teils (1) bestimmt. Das Verfahren kann zur Bestimmung des Lenkradwinkels von Kraftfahrzeugen angewendet werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehpeweeungen ausfuhrenden rotatonschen Teils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wmkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatonschen Teils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , wie es aus der DE 1 98 35 886 A1 bekannt ist
In vielen Anwendungsgebieten, insbesondere im Kfz-Bereich, in der Automatisie- rungs-, Meß-, Steuerungs- und Übertragungstechnik oder im Werkzeugmaschinenbereich, muß der Drehwinkel und damit die Wmkelposition von Drehbewegungen ausführenden Teilen bestimmt werden. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise ist für viele Anwendungsfälle der Lenkradwinkel bzw. die Lenkradposition als Maß für die Stellung des Lenkrads hilfreich bzw unerläßlich, insbesondere zum Betrieb von Fahrdynamiksystemen (beispielsweise adaptive Dampfungssysteme, Allradantrieb, Hinterachslenkung), Fahrassistenzsystemen (beispielsweise Abstandswarnsysteme, Abstandsregelungssysteme) oder Navigationssystemen. Zur Erfassung der Winkel- position sind neben magnetischen Verfahren (inkrementale Messung des Winkels mittels einer Vielzahl von Magneten) auch optische Verfahren gebräuchlich (berührungslose und verschleißfreie Messung des Winkels mittels codierter Scheiben) Bestandteil des die Drehbewegung ausführenden rotatonschen Teils ist in vielen Fällen ein auf einem Träger geführtes und in einem Gehäuse angeordnetes flexibles flaches Band (Wickelband), das aus einem einzelnen elektπscnen Leiter oder mehreren parallelen elektrischen Leitern besteht und mit αem eine elektrisch leitende Verbindung und eine Signalübertragung zu einem stationären Teil hm realisiert werden kann; bsp wird ein derartiges Wickelband in Kraftfahrzeugen zur elektrischen Verbindung von Lenkrad und Lenksäule verwendet Oftmals sollen auch Drehbewe- gungen des rotatoπscnen Teils von menr als 360° realisiert und erfaßt werden, osp. sind 6 vollständige Umdrenungen des Lenkrads bezüglich αer feststehenden Lenksäule möglich; um die Länge des für die Drehbewegung erforderlichen Wickelbanαs zu verkürzen, kann eine Umlenkung (bsp. mittels einer Umlenkrolle realisiert) vorge- sehen werden. Zur Bestimmung der Winkelposition des Drehbewegungen ausführenden rotatonschen Teils (zur Positionsbestimmung) wird der relative Drehweg des Wickelbands mittels einer Meßeinrichtung erfaßt und ausgewertet; gemäß der gattungsbildenden DE 1 98 35 886 A1 wird die relative Zahl der Umdrehungen zwischen dem stationären und dem rotatonschen Teil αurch eine Messung der sich eπtspre- chend dem Drehweg bzw. der Umdrehungslage einstellenden bzw. ändernden Induktivität des Wickelbands erfaßt, wobei die Messung zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Anschluß eines Leiters des Wickelbands erfolgt. Nachteilig hierbei ist, daß die zu messenden Induktivitäten bzw. Induktivitätsänderungen des Wickelbands äußerst klein sind und damit parasitäre Induktivitäten (bsp. die von Zuleitungen) die Induktivitätsmessung verfälschen, daß sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Drehweg und der Induktivität ergibt und daß zwischen dem Anfang und dem Ende des die Induktivität bildenden Wickelbands eine separate Rückleitung erforderlich ist, welche die ungestörte Bewegung des Wickelbands und des rotatonschen Teils behindert und so die Wirkungsweise beein- trächtigt und eine serienmäßige Verwendung dieses Verfahrens nicht zuläßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehbewegungen ausführenden rotatonschen Teils mit vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Zuverlässigkeit, der Kosten und des Ein- satzbereichs anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.
Beim vorgestellten Verfahren wird eine Bestimmung der Winkelposition und damit eine absolute Positionserfassung eines Drehbewegungen ausführenden rotatori- sehen Teils über den gesamten Umdrehungsbereich des Wickelbands ohne bewegte mechanische Zusatzkomponenten, ohne zusätzliches Drehmoment, Reibung oder Geräuschentwicklung realisiert, indem die elektromagnetische Feldkopplung zwischen dem Wickelband und mindestens einer (zusätzlichen) Meß-Induktivität (Kop- pelspule) erfaßt und ausgewertet wird. Die mindestens eine Meß-Induktivität ist derart am Wickelband oder in der Nähe des Wickelbands angeordnet, daß sich eine möglichst gute elektromagnetische Feldkopplung zwischen dem Wickelband und der Meß-Induktivität ergibt. Bsp. ist die mindestens eine Meß-Induktivität in einer parallelen Ebene zum Wickelband angeordnet, bsp. auf dem Gehäuse oder dem Träger des Wickelbands aufgebracht. Die mindestens eine Meß-Induktivität kann bsp. als
Kupferspule oder als auf einer Leiterplatte angeordnete Leiterbahnen realisiert werden. Falls mehr als eine Meß-Induktivität vorgesehen ist, kann eine dieser Meßinduktivitäten für Referenzmessungen zur Kalibrierung herangezogen werden. Die Erfassung der elektromagnetischen Feldkopplung erfolgt mittels der Einspeisung einer Wechselspannung als Eingangssignal entweder über eine Meß-Induktivität oder über das Wickelband und der Auswertung der Ausgangsspannung als resultierendes Ausgangssignal hinsichtlich Änderungen der Phase und/oder der Amplitude und/oder der Frequenz. Die Auswertung der Ausgangssignale kann nach unterschiedlichen Prinzipien erfolgen, entweder durch Verhältnisbildung der Meßgröße Ausgangsspannung (ratiometrisch) oder durch direkte Messung von Absolutwerten der Meßgröße Ausgangsspannung, wobei das Ausgangssignal (die Ausgangsspannung) in einen entsprechenden Drehwinkel und damit in eine entsprechende Winkelposition des rotatonschen Teils umgesetzt wird. Die Leitungen zum Einspeisen des Eingangssignals (Hinleiter) und zum Abgreifen des Ausgangssignals (Rückleiter) können innerhalb des Gehäuses des Wickelbands geführt werden. Falls die Breite der Wicklungen der Meß-Induktivität kleiner als die Breite der elektrischen Leiter des Wickelbands ist, kann als Rückleiter derjenige Teilbereich des Wickelbands verwendet werden, der innerhalb des Wickelbands die geringste elektromagnetische Feldkopplung zu den Wicklungen der Meß-Induktivität aufweist. Falls die Breite der Wicklungen der Meß-Induktivität mindestens so groß wie die Breite des Wickelbands ist, kann ein Teilbereich des Wickelbands durch eine elektromagnetische Abschir- mung αerart geschirmt werden, daß eine elektromagnetische Feldkoppiung mit dem Rückleiter teilweise oder vollständig vermieden wird.
Bsp kann zur Erfassung der Meßgrößen und zur Auswertung der Ausgangssignale ein A/D-Wandler und ein Spitzenwertgleichrichter zur Effektivwertmessung vorge- sehen werαen.
Die Meß-Induktivitäten DZW. deren Anschlüsse (Zuleitungen) werden derart bezüglich des Wickelbands angeordnet, daß eine Aufhebung oder Schwächung des vom Wickelband generierten Magnetfelds und damit eine Reduzierung oder AufheDung des Meßsignals vermieden wird.
Beim vorgestellten Verfahren kann vorteilhafterweise eine koπtaktlose Positionserfassung (Bestimmung der Winkelposition) des Drehbewegungen ausführenden rotatonschen Teils erfolgen, ohne daß hierdurch mechanische Reibungen, Drehmomente oder Geräusche auftreten oder mechanisch Teile bewegt werden. Die Positi- onserfassung kann über mehrere Umdrehungen des beweglichen Teils mit hohem
Signalhub durchgeführt werden, wobei der Erfassungsbereich nur durch den Drehbereich des Wickelbands begrenzt wird und wobei eine hohe Störsicherheit, insbesondere gegenüber Lageänderungen des Wickelbands im Gehäuse sowie gegenüber äußeren elektromagnetischen Einkopplungen gegeben ist.
Das Verfahren soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben werden.
Hierzu ist in der Figur 1 in Draufsicht eine schematische Darstellung der Anordnung des Wickelbands und in der Figur 2 ein Meßdiagramm mit der magnetischen Kopp- lung als Funktion des Drehwinkels dargestellt.
Gemäß der Figur 1 ist zur Bestimmung der Winkelposition des Drehbewegungen ausführenden rotatonschen Teils 1 bezüglich des feststehenden stationären Teils 2 ein in einem Gehäuse 3 angeordnetes und auf einem Träger 4 aufgebrachtes Wik- kelband 5 vorgesehen, das aus parallel geführten elektrischen Leitern 6 besteht. Die durch die Drehbewegung vorgegebene erforderliche Länge des Wickelbands 5 wird durch die Umlenkrolle 7 begrenzt und in einen äußeren Teil 10 und einen inneren Teil 1 1 aufgesDalten Zur Signalubertragung und zur elektπscneπ Verbindung zum feststehenden stationären Teil 2 hm sind die beiden elektrischen Anschlüsse 8, 9 des Wickelbanαs 5 vorgesehen, an denen Signalleitungen angeschlossen werden können (bsp. ein Steckkontakt) Bei einer Drehbewegung des rotatonschen Teus 1 ändert sich die Aufwicklung des
Wickelbands 5 und damit das Langenverhaltnis von „Außenlagen" des äußeren Teils 10 des Wickelbands 5 zu den „Innenlagen" des inneren Teils 1 1 des Wickelbands 5 Zur Erfassung der hieraus resultierenden sich ändernden magnetischen Eigenscharten sind bsp. zwei als Spulenwicklungen realisierte Meß-Induktivitäten 1 2, 13 vorge- sehen, die bsp. im Gehäuse 3 des Wickelbands 5 unmittelbar angrenzend in einer parallelen Ebene zum Wickelband angeordnet sind und die jeweils Anschlüsse 14, 1 5 zum Abgreifen von Signalen aufweisen; die erste Meß-Induktivität 1 2 mit den Anschlüssen 14 ist hierbei an die „Außenlagen" des äußeren Teils 10 des Wickelbands 5 gekoppelt, die zweite Meß-Induktivität 1 3 mit den Anschlüssen 15 an die „Innenlagen" des inneren Teils 1 1 des Wickelbands 5 Durch die beiden Meß-
Induktivitäten 1 2, 13 wird die aufgrund der Drehbewegung des rotatonschen Teils 1 und damit des Wickelbands 5 resultierende Änderung der magnetischen Kopplung zum Wickelband 5 hin erfaßt, indem bsp. in einen der Anschlüsse 8, 9 des Wickelbands 5 ein Wechselspannungssignal als Eingangssignal eingespeist wird und die sich an den Anschlüssen 14, 1 5 der beiden Meß-Induktivitäten 1 2, 13 ergebende
Amplitude der Ausgangsspannung (der induzierten Spannung) gemessen wird
In einem Anwendungsbeispiel soll die Wmkelposition der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs als rotatoπschem Teil 1 bezüglich des mit dem Mantelrohr verbundenen sta- tionaren Teils 2 erfaßt werden, wobei der durch die drehbare Lenksäule 1 vorgegebene Lenkradwinkel in einem Bereich von 6 Lenkradumdrehungen (= 21 60°) liegen kann. Gemäß der Figur 2 ist die aufgrund der Drehbewegung resultierende in den Meß-Induktivitaten 1 2, 13 erfaßte Ausgangsspannung (induzierte Spannung U,«) als Funktion des Drehwinkels α dargestellt Hierbei kann ein Drehwinkel α von 0° bis ca 1 800° aufgrund der Änderung der induzierten Spannung U« erfaßt werden
Selbstverständlich sind auch Verfahren mit anderen als der hier beschriebenen Wik- kelbandtechnik denkbar

Claims

Patentansprüche
Verrahren zur Bestimmung der Wmkelposition eines Drehbewegungen ausfuh- renαen rotatonschen Teils (1 ), Dei dem die sich entsprechend der Drehbewegung ändernde Lange eines in einem Gehäuse (3) angeordneten und auf einem Trager (4) angeordneten, aus mindestens einem Leiter (6) bestehenden Wickelbands (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Meß-Induktivitat (12, 13) vorgesehen ist, mit der die elektromagnetische Feldkopplung zum Wickelbaπd (5) erfaßt und hieraus der Drehwinkel des rotatonschen Teils (1 ) bestimmt wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine
Meß-Induktivitat (1 2, 1 3) als Spule mit einer vorgegebenen Anzahl von Windun- gen ausgebildet ist
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Meß-Induktivitat (1 2, 13) als auf einem Tragerkorper angeordnete Leiterbahnstruktur realisiert ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Meß-Induktivitat (1 2, 13) in einer parallelen Ebene bezuglich des Wickelbandes (5) angeordnet ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als
Eingangssignal eine Wechselspannung eingespeist wird und das die aufgrund der elektromagnetischen Feldkopplung induzierte Spannung (U») hinsichtlich Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase ausgewertet und hieraus der
Drehwinkel des rotatonschen Teils (1 ) bestimmt wird Verfanren nacn einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Meß-Inαuktivitaten (1 2, 1 3) vorgesenen sind, und daß mindestens eine Meß-Induktivität (1 2, 1 3) für Referenzmessungen herangezogen wird
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