WO2008077861A1 - Lenkwinkel- und drehmomentsensor in einer hilfskraftlenkung eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Lenkwinkel- und drehmomentsensor in einer hilfskraftlenkung eines kraftfahrzeugs Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for determining an absolute steering angle in a power steering system of a motor vehicle.
  • DE 102 21 340 A1 describes a sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a shaft, having a magnetic element generating a magnetic element and a magnetic field sensing element, wherein the magnetic element is formed as a magnetic ring having a magnetic field, which relative to the shaft, an axial component and a tangential component.
  • the angle of rotation of the shaft can thus be determined by the respective magnetization angle.
  • EP 1 092 956 A1 describes an electromagnetic rotation angle sensor for detecting a rotation angle on an axis, having a magnetic rotor rotatable about the axis and a stationary stator, means for detecting a magnetic field directed to the rotor, and at least four first and at least four second ones Magnetic detectors for detecting the magnetic field.
  • the rotor and the stator are opposite each other so that between them a from Magnetic field enforced air gap forms.
  • the sensitivities of the first and second magnetic detectors have values along a circle which can be enveloped by a sine curve on a straight line in the development of the circle.
  • Hall sensors or induction coils are used as magnetic detectors.
  • DE 101 10 785 C2 describes a steering angle sensor with a rotatably mounted, the rotational angle of a steering wheel reproducing code disc, with a code of the code plate scanning scanning unit for determining the angular position of the steering wheel within a revolution, with a mechanically coupled to the steering column or code disc counting unit for counting the full revolution of the steering wheel relative to a zero position, wherein the counting unit has a counting wheel and the angular position of the counting wheel scanning sensors.
  • the gear ratio of the code disk to the counting wheel is less than one and the counting wheel has different polarities.
  • Two mutually offset in phase of 90 ° magnetic field sensors b determine the angular position of the counting wheel.
  • DE 102 10 372 A1 describes a rotation angle sensor, with a disc-shaped carrier of a first track of magnetic north and south poles and a second track of magnetic north and south poles with a deviating from the first track number of north and south poles and with one each Sensor element for detecting the first and the second track.
  • a first coarse detection of the rotation angle of the track carrier is carried out after the start of the rotation angle sensor and causes a high-resolution detection of the rotation angle with the second track.
  • the sinusoidal signal of the rotation angle sensor is linearized with an angular function.
  • DE 198 18 799 C2 a rotation angle sensor with two magnetic rings and three associated sensor elements is described. To determine a unique angle within 360 °, the known vernier method is used with a combination of Hall and MR sensors, wherein the signals of the Hall sensor are used for area discrimination.
  • the object of the invention is to propose a sensor arrangement for determining a steering angle within an angular range or torque in a steering line of a power steering, which has a simple structure and is operated with a simple evaluation effort, over an angular range of 360 ° uniquely Lenkwi nkelinformation achievable with a sufficiently accurate resolution.
  • FIG 1 shows schematically an embodiment of the steering angle sensor according to the invention.
  • a field sensor ring 1 On a hollow shaft 6, a field sensor ring 1 is arranged radially.
  • the ring is rotatably connected to the hollow shaft 6 and has exactly one pole pair 2, 3, which consists of a magnetic north pole 2 and a magnetic south pole 3.
  • At least two Hall sensors 5a, 5b are associated with the field sensor ring 1, which are glued on a flexible film 4 (flexible film) radially applied on the inside of the sensor housing 7 with respect to the shaft 6 on the inside of the sensor housing 7.
  • the foil 4 furthermore has contacting means for producing an electrical connection of the Hall sensors 5a, 5b from the inside to the outside of the sensor housing 7.
  • FIG. 2 shows a further advantageous embodiment of the angle sensor according to the invention.
  • the field sensor ring 1 is associated with two further Hall sensors 5c, 5d, so that an arrangement is formed which has a total of four Hall sensors 5a, 5b, 5c, 5d, which are mutually offset at an angle of exactly 90 °. This creates an electrical redundancy of the sensor arrangement.
  • the signals of the Hall sensors 5a, 5b and 5c, 5d can be made plausible against each other in order to determine therefrom a trustworthy angle value or steering angle value.
  • a field sensor ring 1 is shown schematically. It has a north-south magnetization that is artificially introduced into the material of the ring. It is characterized in that it divides the field sensor ring 1 into exactly one pole pair 2, 3, wherein the pole pair 2, 3 is symmetrical and consists of a magnetic north pole 2 and a magnetic south pole 3.
  • the period length A H of the artificial magnetization corresponds exactly to the length of the circumference of the field generator ring 1 with the mean radius r.
  • the magnetic north and south pole thus has exactly half a sinusoidal artificial magnetization.
  • the magnetic ring consists of a magnetizable material, such as a plastic-bonded ferrite material. By means of an injection molding process, this can be produced particularly quickly and easily.
  • the magnetization is introduced into the material after spraying.
  • a particularly advantageous magnetic ring material is a composite in which additional rare earth materials are introduced. Neodymium and iron drilling are considered as elements. The addition of such compounds allows a much stronger artificial magnetization of the field generator ring. The sinusoidal magnetization can thus be impressed more strongly into the material, which has a very advantageous effect on the accuracy and the detectability through the Hall sensors.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the steering angle sensor according to the invention for determining a torque acting in a shaft section in a steering train.
  • at least two field sensor rings 1 a, 1 b are provided within the sensor housing 7, which are non-rotatably connected to a pinion side output shaft 6b and a steering shaft side input shaft 6a.
  • a twistable shaft portion in the form of a torsion bar 8.
  • a field sensor ring 1 a, 1 b are associated with two Hall sensors. Due to the section, only one of the two Hall sensors, 5a and 5e, is shown in each case.
  • the torsion bar 8 has a torsional rigidity K. From the unique angle values, which can be calculated from the analog signals of the Hall sensor pairs, can be closed by means of difference formation and subsequent multiplication with the stiffness value K of the torsion bar 8 to the torque acting in the steering line.
  • the Hall sensors are glued in this embodiment on a flexible film and contacted by means of this, but this is not explicitly shown in Figure 4.

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Abstract

Sensoranordnung in einem Lenkstrang einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs. Zur Bestimmung eines Lenkwinkels und/oder eines Drehmoments einer tordierbaren Welle im Lenkstrang einer Hilfskraftlenkung wird eine Sensoranordnung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass - wenigstens zwei, um 90° zueinander versetzte Hall -Sensoren (5a, 5b) einem gemeinsamen und bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring (1) zugeordnet sind, - der Feldgeberring (1 ) ein aus einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3) bestehendes Polpaar aufweist, - der Feldgeberring (1) einen mittleren Radius r aufweist, - jeder der beiden Pole (2, 3) eine halbe sinusförmige Magnetisierung entsprechend einer Wellenlänge πr aufweist, und wobei - der Feldgeberring (1) aus einem magnetisierbaren Material besteht, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist.

Description

Lenkwinkel- und Drehmomentsensor in einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermittlung eines absoluten Lenkwinkels in einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoranordnungen zur Ermittlung eines Lenkwinkels oder eines Drehmoments in einer Lenksäule einer Hilfskraftlenkung bekannt.
Beispielhaft sei an dieser Stelle auf die DE 198 18 799C2, DE 100 60 287 A1 , DE100 41 090 A1 und die DE 100 36 281 A1 verwiesen.
Die DE 102 21 340 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Detektion des Drehwinkels einer Welle, mit einem, ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement und einem, ein Magnetfeld erfassenden Messelement, wobei das Magnetelement als Magnetring ausgebildet ist, der ein Magnetfeld aufweist, welches bezogen auf die Welle, eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente aufweist. Der Drehwinkel der Welle lässt sich somit durch den jeweiligen Magnetisierungswinkel ermitteln.
Die EP 1 092 956 A1 beschreibt einen elektromagnetischen Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels an einer Achse, mit einem um die Achse drehbaren magnetischen Rotor und einem feststehenden Stator, der Mittel zur Erfassung eines auf den Rotor gerichteten Magnetfeldes, sowie wenigstens vier erste und wenigsten vier zweite Magnetdetektoren zur Detektion des Magnetfeldes aufweist. Der Rotor und der Stator liegen sich so gegenüber, dass sich zwischen ihnen ein vom Magnetfeld durchsetzter Luftspalt ausbildet. Die Empfindlichkeiten der ersten und zweiten Magnetdetektoren weisen entlang eines Kreises Werte auf, die in der Abwicklung des Kreises auf einer Geraden jeweils von einer Sinuskurve einhüllbar sind. Als Mittel zur Erzeugung des periodischen Magnetfeldes kommen insbesondere Permanentmagneten und magnetische Spulen in Betracht. Als Magnetdetektoren werden Hallsensoren oder Induktionspulen angewandt.
Die DE 101 10 785 C2 beschreibt einen Lenkwinkelsensor mit einer drehbar gelagerten, den Drehwinkel eines Lenkrades wiedergebenden Codescheibe, mit einer den Code der Codescheibe abtastenden Abtasteinheit zur Bestimmung der Winkelstellung des Lenkrades innerhalb einer Umdrehung, mit einem mit der Lenksäule oder der Codescheibe mechanisch gekoppelten Zähleinheit zur Zählung der vollen Umdrehung des Lenkrades gegenüber einer Nulllage, wobei die Zähleinheit ein Zählrad und die Winkelstellung des Zählrades abtastende Sensoren aufweist. Das Übersetzungsverhältnis der Codescheibe zu dem Zählrad ist kleiner eins und das Zählrad weist unterschiedliche Polungen auf. Zwei in Phasenversatz von 90°zueinander angeordnete Magnetfeldsensoren b estimmen die Winkelstellung des Zählrades.
Die DE 102 10 372 A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor, mit einem scheibenförmigen Träger einer ersten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen und einer zweiten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen mit einer von der ersten Spur abweichenden Anzahl von Nord- und Südpolen und mit je einem Sensorelement zur Detektion der ersten und der zweiten Spur. Mit der ersten Spur wird nach Inbetriebnahme des Drehwinkelsensors eine erste grobe Erfassung des Drehwinkels des Spurträgers durchgeführt und mit der zweiten Spur eine hochaufgelöste Erfassung des Drehwinkels bewirkt. Das sinusförmige Signal des Drehwinkelsensors wird mit einer Winkelfunktion linearisiert. In der DE 198 18 799 C2 wird ein Drehwinkelsensor mit zwei magnetischen Ringen und drei zugeordneten Sensorelementen beschrieben. Zur Bestimmung eines eindeutigen Winkels innerhalb 360°wird das bekannt e Nonius-Verfahren mit einer Kombination aus Hall- und MR- Sensoren verwendet, wobei die Signale des Hall- Sensors zur Bereichs-Unterscheidung verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zur Bestimmung eines Lenkwinkels innerhalb eines Winkelbereichs oder eines Drehmoments in einem Lenkstrang einer Hilfskraftlenkung vorzuschlagen, die einen einfachen Aufbau aufweist und mit einem einfachen Auswerteaufwand zu betreiben ist, wobei über einen Winkelbereich von 360°eine eindeutige Lenkwi nkelinformation mit einer hinreichend genauen Auflösung erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors.
Auf einer Hohlwelle 6 ist ein Feldgeberring 1 radial angeordnet. Der Ring ist drehfest mit der Hohlwelle 6 verbunden und weist genau ein Polpaar 2, 3 auf, welches aus einem magnetischen Nordpol 2 und einem magnetischen Südpol 3 besteht. Dem Feldgeberring 1 sind in einem Sensorgehäuse 7 wenigstens zwei Hall-Sensoren 5a, 5b zugeordnet, die auf einer flexiblen und bezüglich der Welle 6 auf der Innenseite des Sensorgehäuses 7 radial aufgebrachten Folie 4 (Flexfolie) aufgeklebt sind. Die Folie 4 verfügt darüber hinaus über Kontaktierungsmittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung der Hall-Sensoren 5a, 5b von der Innenseite zur Außenseite des Sensorgehäuses 7. Mittels des aus dem Stand der Technik bekannten sin/cos - Auswerteverfahrens, dem so genannten Quadratur-Verfahren, kann aus den analogen Signalen der Hall- Sensoren ein zugehöriger Winkelwert ermittelt werden.
Figur 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Winkelsensors. Dem Feldgeberring 1 sind zwei weitere Hall-Sensoren 5c, 5d zugeordnet, sodass eine Anordnung entsteht, die insgesamt vier Hall-Sensoren 5a, 5b, 5c, 5d aufweist, die untereinander in einem Winkel von exakt 90°zueinander versetzt angeordnet sind. Damit entsteht eine elektrische Redundanz der Sensoranordnung. Die Signale der Hall-Sensoren 5a, 5b und 5c, 5d können gegeneinander plausibilisiert werden um daraus einen vertrauenswürdigen Winkelwert beziehungsweise Lenkwinkel wert zu ermitteln.
In der Figur 3a ist schematisch ein Feldgeberring 1 dargestellt. Er weist eine Nord- Süd- Magnetisierung auf, die künstlich in das Material des Rings eingebracht ist. Sie ist dadurch ausgezeichnet, dass sie den Feldgeberring 1 in exakt ein Polpaar 2,3 teilt, wobei das Polpaar 2,3 symmetrisch und aus einem magnetischen Nordpol 2 und einem magnetischen Südpol 3 besteht. Die Periodenlänge AH der künstlichen Magnetisierung entspricht dabei exakt der Länge des Umfangs des Feldgeberrings 1 mit dem mittleren Radius r. Der magnetische Nord- und Südpol weist somit exakt jeweils eine halbe sinusförmige künstliche Magnetisierung auf. Der Magnetring besteht aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise einem kunststoffgebundenen Ferritmaterial. Mittels eines Spritzguss- Verfahrens kann dieser besonders schnell und einfach hergestellt werden. Die Magnetisierung wird nach dem Spritzen in das Material eingebracht. Ein besonders vorteilhaftes Magnetring-Material stellt ein Verbundwerkstoff dar, in den zusätzlich Seltene Erden- Materialien eingebracht sind. Als Elemente kommen dabei Neodym und Eisen- Bohr in Betracht. Die Zugabe solcher Verbindungen ermöglicht eine erheblich stärkere künstliche Magnetisierbarkeit des Feldgeberrings. Die sinusförmige Magnetisierung kann somit stärker in das Material eingeprägt werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Genauigkeit und die Detektierbarkeit durch die Hall-Sensoren auswirkt.
Optimal bezüglich einer späteren Signalauswertung ist es, wenn die Magnetisierung sinusförmig und bezüglich der Hall-Sensoren optimierten, d. h. geringfügig modifizierten Feldstärkenverlaufs aufweist. Auch unter diesem Aspekt erweist sich die Einbringung von Seltenen-Erden Materialien als vorteilhaft: Ein korrigierter, von einer idealen Sinusform geringfügig abweichender Feldstärkenverlauf kann durch die erhöhte Magnetisierung besser abgefühlt werden.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können Genauigkeitswerte erreicht, die bisher nur mit aufwändigen Nonius- Verfahren erreicht werden konnten. Versuche haben gezeigt, dass es ausreichend ist, lediglich ein Poolpaar, bestehend aus einem magnetischen Nord- und einem Süd-Pol, mittels der Magnetisierung auszubilden um eine Genauigkeit von < 3°zu erreichen.
Die Bestimmung eines eindeutigen Lenkwinkes über den Lenkwinkelbereich von 360°hinweg kann ermöglicht werden, indem weitere I nformationen herangezogen werden:
So ist es vorgesehen, positionsabhängige Markierungen/Indexmarken am Getriebe anzubringen und zu Detektieren. Ferner ist vorgesehen, dass eine Rotorlageinformation eines Elektromotors der Hilfskraftlenkung hierzu verwendet wird. Diese zusätzlichen Informationen werden während des Betriebs oder auch in einem „Sleep-Mode" detektiert und in einem nicht-flüchtigen Speicher vorgehalten.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors zur Ermittlung eines in einem Lenkstrang befindlichen Wellenabschnitt wirkenden Drehmoments. In der gezeigten Anordnung sind wenigstens zwei Feldgeberringe 1 a, 1 b innerhalb des Sensorgehäuses 7 vorgesehen, die drehfest mit einer ritzelseitigen Ausgangswelle 6b beziehungsweise einer lenkspindelseitigen Eingangswelle 6a verbunden sind. Zwischen dem ersten Feldgebering 1 a und dem zweiten Feldgeberring 1 b befindet sich ein tordierbarer Wellenabschnitt in Form eines Drehstabes 8. Jeweils einem Feldgeberring 1 a, 1 b sind zwei Hall-Sensoren zugeordnet. Aufgrund des Schnittes ist jeweils nur einer der beiden Hallsensoren, 5a und 5e, dargestellt. Der Drehstab 8 weist eine Torsionssteifigkeit K auf. Aus den eindeutigen Winkelwerten, die aus den analogen Signalen der Hall-Sensor-Paare berechnet werden können, kann mittels Differenzbildung und anschließender Multiplikation mit dem Steifigkeitswert K des Drehstabes 8 auf das in im Lenkstrang wirkende Drehmoment geschlossen werden.
Die Hall-Sensoren sind auch in dieser Ausführungsvariante auf einer flexiblen Folie aufgeklebt und mittels dieser kontaktiert, dies ist jedoch in der Figur 4 nicht explizit dargestellt.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung in einem Lenkstrang einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenigstens zwei, um 90°zueinander versetzte Hall -Sensoren (5a, 5b) einem gemeinsamen und bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring (1 ) zugeordnet sind,
- der Feldgeberring (1 ) ein aus einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3) bestehendes Polpaar aufweist,
- der Feldgeberring (1 ) einen mittleren Radius r aufweist,
- jeder der beiden Pole (2,3) eine halbe sinusförmige Magnetisierung entsprechend einer Wellenlänge πr aufweist, und wobei
- der Feldgeberring (1 ) aus einem magnetisierbaren Material besteht, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sinusförmige Magnetisierung diametral und bezüglich der Signalerfassung mittels der Hall-Sensoren (5a, 5b) optimierten Feldstärkeverlaufs in das Material des Feldgeberrings (1 ) eingeprägt ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Feldgeberringe (1 a, 1 b) zur Bestimmung eines zwischen den Feldgeberringen (1 a, 1 b) in einem tordierbaren Wellenabschnitt (8) wirkenden Drehmoments vorgesehen sind, wobei die Feldgeberringe (1 a, 1 b) einem ritzelseitigen Lenkwellenabschnitt (6b) respektive einem spindelseitigen Lenkwellenabschnitt (6a) zugeordnet sind.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , 2, oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Hall-Sensoren (5a, 5b) auf einer flexiblen Folie (4) aufgebracht und mittels dieser kontaktiert sind.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Folie (4) in einem inneren Bereich eines Sensorgehäuses (7) angeordnet ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den analogen Signalen wenigstens zweier Hall- Sensoren (5a, 5b) eine über einen Winkelbereich von 360°eindeutige Lenkwinkelbestimmung mittels eines sin/cos- Auswerteverfahren ermöglicht ist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erweiterung der Lenkwinkelinformation über einen Winkelbereich von 360° hinweg mittels zusätzlicher Sensoren zur Erfassung von getriebeübersetzungsabhängigen Indexpositionen vorgesehen ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Erweiterung der Lenkwinkelinformation über einen Winkelbereich von 360° hinweg mittels Informationen aus der Rotorlageinformation eines Elektromotors der Hilfskraftlenkung erfolgt.
9. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material des Feldgeberrings (1 ) ein kunststoffgebundenes Ferritmaterial mit Zusatzanteilen von Seltenen Erden- Verbindungen ist.
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