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Die
Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Aus
der Druckschrift
EP
1 508 501 A1 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt,
das einen Servomotor zur Verstärkung
des Lenkmomentes und darüber
hinaus ein motorisch einstellbares Überlagerungsgetriebe in der
Lenkspindel zur Realisierung einer Aktivlenkung umfasst. Mithilfe
derartiger Aktivlenkungen kann dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel
ein zusätzlicher
Winkelwert überlagert
werden, wodurch das Fahrverhalten des Fahrzeugs und auch der Fahrkomfort
beeinflusst werden können.
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Die
Höhe des Überlagerungswinkels,
der im Überlagerungsgetriebe
erzeugt wird, hängt
vom aktuellen Fahr- und Betriebszustand des Fahrzeuges ab, zu dessen
Ermittlung Sensorsignale mit aktuellen Informationen über die
Winkelwerte im Lenksystem bereitgestellt werden. In der
EP 1 508 501 A1 ist
vorgesehen, den Lenkradwinkel, welcher vom Fahrer über das
Lenkrad vorgegeben wird, sowie den auf die Vorderräder wirkenden
Lenkwinkel (auch Ritzel- oder Summenwinkel genannt) über Motorwinkelsensoren des
Servomotors und des Stellmotors über
das Überlagerungsgetriebe
zu bestimmen. Hierzu werden die Motorlageinformationen von Servo-
und Stellmotor unter Berücksichtigung
der bekannten Getriebeübersetzungen
auf das Ritzel des Lenkgetriebes umgerechnet, anschließend können über eine
Winkelbilanz an dem Überlagerungsgetriebe
die noch fehlenden Winkelinformationen im Lenksystem ermittelt werden.
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Problematisch
ist allerdings, dass die Motorlagesensoren üblicherweise nur einen begrenzten, absoluten
Messbereich aufweisen und daher nicht den gesamten Lenkbereich abdecken,
so dass nur die Information über
einen Relativwinkel sensiert werden kann, jedoch nicht der Absolutwinkel.
Um auch den Absolutwinkel ermitteln zu können, ist eine zusätzliche
Zähleinrichtung
zum Zählen
der Motorumdrehungen des Stellmotors erforderlich; die Zähleinrichtung
ist jedoch an eine Energieversorgung gekoppelt. Wird diese unterbrochen,
beispielsweise beim Abklemmen der Batterie, geht auch die Information über die
Umdrehung des Motors verloren und es ist ohne weitere Maßnahmen
keine absolute Winkelbestimmung für das Lenkrad und die gelenkten
Räder mehr
möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen
ein Lenksystem für
ein Fahrzeug dahingehend auszubilden, dass die Winkelinformationen
im Lenksystem als Absolutwerte zur Verfügung stehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Das
Lenksystem ist mit einer motorisch angetriebenen Stelleinrichtung
versehen und außerdem
mit mindestens einem ersten Winkelsensor zur Ermittlung des Lenkwinkels
oder eines mit dem Lenkwinkel korrelierenden Winkels. Darüber hinaus
ist eine weitere Messeinrichtung vorgesehen, deren Messsignal mit
einem Winkelsignal in Bezug steht. Bei dieser weiteren Messeinrichtung
kann es sich entweder um einen zusätzlichen Winkelsensor, um einen
Indexsensor zur Erzeugung eines Indexsignals bei einem festgelegten
Lenkwinkelwert oder um eine Zähleinheit
zur Ermittlung der Signalperioden des Winkelsensors handeln. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Signal des ersten Winkelsensors – über seinen maximal möglichen
Winkelbereich gesehen – in
eine Mehrzahl aufeinander folgender Signalperioden unterteilt ist
und dass das Signal der weiteren Messeinrichtung innerhalb einer
definierten Signalperiode einem festgelegten Winkelwert des ersten Winkelsensors
zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Relativ-Winkelinformation
aus dem Winkelsensor mithilfe des Signals der weiteren Messeinrichtung
in einen Absolutwert umgerechnet werden kann, so dass im Prinzip
lediglich insgesamt zwei Messeinrichtungen im Lenksystem für die Bestimmung
der absoluten Winkelinformation ausreichend sind, selbst wenn eine
dieser Messeinrichtungen einen Winkelsensor umfasst, der lediglich
einen Relativwinkelwert generiert. Die weiteren Winkelwerte können mithilfe
der bekannten Getriebeübersetzungen
errechnet und ebenfalls als Absolutwerte ermittelt werden.
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Für den Fall,
dass die weitere Messeinrichtung ein Winkelsensor ist, wird das
Signal dieses weiteren Winkelsensors – über seinen maximal möglichen
Winkelbereich gesehen – ebenfalls
in eine Mehrzahl von Signalperioden unterteilt, wobei der erste
Winkelsensor und der weitere Winkelsensor unterschiedlich lange
Signalperioden besitzen. Unter dieser Voraussetzung ist das Nonius-Prinzip
anwendbar, unter dem man ein Messverfahren versteht, mit dem die
Auflösung
und Genauigkeit einer Messung sowie der absolute Messbereich erhöht werden
können,
indem der benötigte
Messbereich durch zwei Skalen mit unterschiedlicher Periode dargestellt
wird. Es wird der gesamte Winkel- bzw. Messbereich jedes der beiden
Winkelsensoren in einen ganzzahligen Wert von Signalperioden unterteilt, wobei
die Anzahl der Signalperioden sich zwischen den beiden Winkelsensoren
unterscheidet. Es wird hierdurch eine Verstimmung zwischen den Messbereichen
der beiden Winkelsensoren erzielt, wobei es mithilfe des Nonius-Verfahrens
möglich
ist, aus den beiden Einzelmessungen der Winkelsensoren, die jeweils
für sich
genommen nur Relativinformationen liefern, durch Bezugnahme aufeinander
einen absoluten Winkelwert zu bestimmen. Der Vorteil eines zweiten
Winkelsensors mit einer unterschiedlichen Anzahl von Signalperioden,
die in fester Beziehung zu den Signalperioden des ersten Winkelsensors
stehen, ist darin zu sehen, dass zu jedem Zeitpunkt und in jedem
Zustand des Lenksystems eine absolute Winkelinformation vorliegt
bzw. ermittelt werden kann, und zwar unabhängig von einer Unterbrechung der
Energieversorgung oder einem Systemausfall oder dergleichen. Auch
ist es nicht erforderlich, nach einem Neustart zunächst eine
bestimmte, vorgegebene Lenkbewegung des Lenksystems vorauszusetzen,
um auf diese Weise eine Kalibrierung zu erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
ist vorgesehen, dass die weitere, zusätzlich zum ersten Winkelsensor
vorgesehene Messeinrichtung als Indexsensor ausgebildet ist, der
bei einem festgelegten Lenkwinkelwert des Lenksystems ein Indexsignal
liefert. Dieses Indexsignal kann beispielsweise beim Nulldurchgang,
also in der Neutralstellung des Lenksystems, ein einzelnes, impulsähnliches
Signal liefern, das in einer definierten Beziehung zum Signalverlauf
des ersten Winkelsensors steht. Mit der Erzeugung des Indexsignals über den
Indexsensor ist somit eine Umrechnung der Relativ-Winkelinformation
aus dem ersten Winkelsensor in eine Absolut-Winkelinformation möglich. Voraussetzung ist, dass
der Indexsensor ein an eine definierte Bewegung des Lenksystems
gebundenes Indexsignal liefert.
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Eine
weitere Möglichkeit,
einen absoluten Winkelwert zu erhalten, liegt darin, als weitere
Messeinrichtung eine Zähleinheit
vorzusehen, über
die die Signalperioden des ersten Winkelsensors ermittelt werden. Über das
Zählen
der Signalperioden des ersten Winkelsensors kann festgelegt werden,
innerhalb welchen Winkelbereiches sich die betreffende Signalperiode
befindet, woraus der absolute Winkelwert ermittelbar ist. Um nach
einer Deaktivierung des Lenksystems wieder auf den absoluten Winkelwert schließen zu können, wird
der Zählwert
zweckmäßig in einer
Speichereinheit gespeichert und nach dem erneuten Start des Lenksystems
wieder abgerufen. Alternativ ist auch eine neue Initialisierung
möglich.
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Das
Lenksystem für
das Kraftfahrzeug ist vorteilhaft sowohl mit einem Servomotor als
auch mit einer aktiven Lenkeinrichtung ausgestattet, die ein Überlagerungsgetriebe
und einen Stellmotor umfasst. Zweckmäßig sind sowohl der Servomotor,
der ein unterstützendes
Lenkmoment bereitstellt, als auch der Stellmotor für das Überlagerungsgetriebe jeweils
als Elektromotor ausgebildet, wobei den beiden Elektromotoren jeweils
ein Motorwinkelsensor zur Ermittlung der Motor- bzw. Rotorlage des
Elektromotors zugeordnet sein kann. Hierbei ist es grundsätzlich ausreichend,
die Signale der beiden Motorwinkelsensoren in der vorbeschriebenen
Weise über den
zu vermessenden Winkelbereich mit einer jeweils unterschiedlichen
Anzahl an Signalperioden in Bezug zueinander zu setzen, um hieraus
Winkelinformationen in Absolutwerten im Lenksystem zu erhalten.
Aus wenigstens einem ermittelten Winkel in Absolutwerten können die
weiteren Winkelgrößen aus
den bekannten Getriebeübersetzungen
im Überlagerungsgetriebe
und im Lenkgetriebe errechnet werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug,
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2 zwei
Diagramme mit den Signalverläufen
von zwei Winkelsensoren im Lenksystem als Funktion eines mechanischen
Drehwinkels, wobei jeder Signalverlauf eine Mehrzahl an Signalperioden umfasst,
jedoch die Signalperioden der beiden Winkelsensoren eine unterschiedliche
Periodenlänge aufweisen,
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3 eine 2 entsprechende
Darstellung, wobei im unteren Schaubild nur ein einzelnes, impulsförmiges Indexsignal
eines Indexsensors dargestellt ist.
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Das
in 1 dargestellte Lenksystem 1 in einem
Kraftfahrzeug umfasst eine als Lenkrad 2 ausgebildete Lenkhandhabe, über die
der Fahrer eine Lenkbewegung auf das Lenksystem aufgibt, die über eine
Lenksäule 3 und
ein mit der Lenksäule 3 kinematisch
gekoppeltes Lenkgestänge 4 auf
lenkbare Fahrzeugräder 5 übertragen
wird. Zur Unterstützung des
vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomentes ist eine elektrische Servolenkung
EPS vorgesehen, über
die ein zusätzliches,
unterstützendes
Lenkmoment auf das Lenkgestänge 4 übertragbar
ist. Die elektrische Servolenkung EPS umfasst einen Elektromotor
M, der auf ein Lenkgetriebe G einwirkt, über das das Moment des Elektromotores
auf das Lenkgestänge 4 übertragen
wird.
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Des
Weiteren umfasst das Lenksystem 1 eine Aktivlenkung AFS, über die
ein zusätzlicher
Winkel erzeugbar ist, der als Überlagerungswinkel
dem vom Fahrer erzeugten Lenkradwinkel überlagert wird, wodurch fahrerunabhängig der
den Fahrzeugrädern 5 aufzugebende
Lenkwinkel variiert werden kann, beispielsweise um die Fahrdynamik
oder den Fahrkomfort zu beeinflussen. Die Aktivlenkung AFS umfasst
ein Überlagerungsgetriebe ÜG, das in
die geteilte Lenksäule 3 zwischengeschaltet
und über
einen Elektromotor M einzustellen ist. Aus Sicherheitsgründen ist
in der Aktivlenkung AFS eine mechanische Sperre MS vorgesehen, die
bei einem Systemausfall einen mechanischen Durchgriff über die Lenksäule 3 sicherstellt.
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Die
Einstellung der Elektromotoren M in der Aktivlenkung AFS und der
elektrischen Servolenkung EPS erfolgt mithilfe von Stellsignalen
einer Regel- und Steuereinheit, wobei die Stellsignale auf der Grundlage
von Eingangssignalen generiert werden, die den Fahr- und Betriebszustand
des Kraftfahrzeugs einschließlich
des Lenksystems kennzeichnen. Zu diesen Signalinformationen gehören diverse Winkelgrößen im Lenksystem 1,
die mithilfe von Sensoren ermittelt werden. In 1 sind
eine Reihe von Winkelsensoren eingetragen, die in unterschiedlicher Kombination
im Fahrzeug realisiert werden können. Exemplarisch
dargestellt sind ein Lenkwinkelsensor bzw. Lenkradwinkelsensor 6 zur
Ermittlung des vom Fahrer aufgebrachten Lenkradwinkels, ein Lenkmomentsensor 7 zur
Ermittlung des vom Fahrer erzeugten Lenkmomentes, ein Summenwinkelsensor 8,
der auch als Ritzel- oder Lenkwinkelsensor bezeichnet wird und den
auf die Fahrzeugräder 5 aufgebrachten Lenkwinkel
ermittelt, sowie zwei Motorwinkelsensoren 12 und 13, über die
die aktuelle Rotorlage der Elektromotoren M in der Aktivlenkung
AFS bzw. der elektrischen Servolenkung EPS feststellbar ist. Des Weiteren
sind zwei Indexsensoren 9 und 10 unmittelbar vor
bzw. hinter der Aktivlenkung AFS vorgesehen, die jeweils ein einzelnes,
impulsförmiges
Indexsignal generieren, beispielsweise bei dem Überstreichen einer bestimmten,
vorgegebenen Lenkradwinkelposition, insbesondere der Nulllage des
Lenksystems. Der Lenkradwinkelsensor 6 und der Lenkmomentsensor 7 sind
der Aktivlenkung AFS vorgeschaltet, der Summenwinkelsensor 8 ist
der Aktivlenkung AFS nachgeschaltet.
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Der
elektrischen Servolenkung EPS ist außerdem eine Zähleinheit 11 zugeordnet,
die im Ausführungsbeispiel
als Hardwarezähler
ausgeführt
ist, gegebenenfalls aber auch auf Softwarebasis realisiert sein
kann, und die die Signalperioden des Motorwinkelsensors 13 in
der elektrischen Servolenkung EPS zählt.
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Das
Lenksystem 1 kann in unterschiedlichen Varianten realisiert
sein, die jedoch alle die Aktivlenkung AFS und die elektrische Servolenkung
EPS und zweckmäßig auch
den Lenkmomentsensor 7 umfassen. Zudem sind in allen Varianten
die Motorwinkelsensoren 12 und 13 in der Aktivlenkung
AFS bzw. der elektrischen Servolenkung EPS vorgesehen.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Variante ist zusätzlich der Lenkwinkelsensor 6 und
der Summenwinkelsensor 8 angeordnet, darüber hinaus
jedoch keine weiteren Sensoren (mit Ausnahme der Motorwinkelsensoren 12 und 13)
und auch keine Zähleinheit.
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Gemäß einer
weiteren Variante umfasst das Lenksystem 1 die Aktivlenkung
AFS einschließlich des
Motorwinkelsensors 12, die elektrische Servolenkung EPS
einschließlich
des Motorwinkelsensors 13, jedoch ohne Hardwarezähler, und
darüber
hinaus den Lenkwinkelsensor 6 und den Lenkmomentsensor 7.
Weitere Sensoren sind nicht vorgesehen, insbesondere kein Summenwinkelsensor.
Gegebenenfalls kann diese Ausführung
aber noch mit einem der Aktivlenkung AFS nachgeschalteten Indexsensor 10 kombiniert
werden.
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In
noch einer weiteren Variante umfasst das Lenksystem die Aktivlenkung
AFS und die elektrische Servolenkung EPS einschließlich der
jeweiligen Motorwinkelsensoren 12 und 13 und darüber hinaus den
der Aktivlenkung AFS vorgeschalteten Lenkmomentsensor 7 sowie
den Summenwinkelsensor 8 im Bereich des Ritzels zwischen
Lenksäule
und Lenkgestänge.
Diese Ausführung
kann gegebenenfalls mit einem zwischen Aktivlenkung AFS und Summenwinkelsensor 8 angeordneten
Indexsensor 10 kombiniert werden; darüber hinaus sind keine weiteren
Sensoren und keine Zähleinheit
vorgesehen.
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In
noch einer weiteren Ausführung
ist dem Lenksystem 1 die Aktivlenkung AFS und die elektrische
Servolenkung EPS einschließlich
der jeweiligen Motorwinkelsensoren zugeordnet, darüber hinaus auch
ein der Aktivlenkung AFS vorgeschalteter Lenkmomentsensor 7 und
der Summenwinkelsensor 8. Die elektrische Servolenkung
EPS ist mit einer Hardware-Zähleinheit 11 ausgestattet,
die es erlaubt, die Signalperioden des von dem Motorwinkelsensor 13 in
der elektrischen Servolenkung EPS generierten Sensorsignal zu zählen und
abzuspeichern. Darüber hinaus
sind keine weiteren Sensoren vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren Variante besteht das Lenksystem 1 aus der Aktivlenkung
AFS, der elektrischen Servolenkung EPS – jeweils mit Motorwinkelsensoren 12 bzw. 13 –, der Hardware-Zähleinheit 11 an
der Servolenkung EPS sowie als der Aktivlenkung AFS vorgeschaltete
Sensoren dem Lenkmomentsensor 7 und einem zwischen Lenkmomentsensor
und Aktivlenkung AFS angeordneten Indexsensor 9. Der Indexsensor 9 ist
in dieser Ausführung
der Servolenkung EPS zugeordnet. Gemäß einer alternativen Ausführung kann
es aber auch zweckmäßig sein, den
Indexsensor der Aktivlenkung AFS nachzuschalten (Indexsensor 10)
und dieser Aktivlenkung zuzuordnen.
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Schließlich kann
es gemäß einer
weiteren Ausführung
auch ausreichend sein, zusätzlich
zu der Aktivlenkung AFS und der elektrischen Servolenkung EPS mit
den jeweiligen Winkelsensoren 12 und 13 lediglich
den Lenkmomentsensor 7 und ansonsten keine weiteren Sensoren
vorzusehen.
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In
noch einer weiteren Ausführung
umfasst das Lenksystem 1 die Aktivlenkung AFS, die elektrische
Servolenkung EPS einschließlich
der jeweiligen Winkelsensoren. Als weitere Sensoren bzw. Messeinrichtungen
ist der elektrischen Servolenkung EPS die Hardwarezähleinheit 11 zugeordnet,
außerdem ist
ein Lenkwinkelsensor 6, ein zwischen Lenkwinkelsensor und
Aktivlenkung AFS angeordneter Indexsensor 9 sowie ein weiterer,
der Aktivlenkung AFS nachgeschalteter Indexsensor 10 vorgesehen.
Der erste Indexsensor 9 ist der elektrischen Servolenkung
EPS, der zweite Indexsensor 10 der Aktivlenkung AFS zugeordnet.
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In 2 ist
der Signalverlauf von zwei Sensorsignalen β und γ dargestellt. Die Signalverläufe sind über einem
Drehwinkel α aufgetragen,
der beispielsweise den fortlaufend ansteigenden Rotationswert der
Rotorachse eines Elektromotors darstellt. Die Y-Komponente in den
Schaubildern repräsentiert einen
sich periodisch wiederholenden, definierten Phasendurchgang, beispielsweise
eine 180°-Umdrehung
pro Signalperiode. Der gesamte, dargestellte X-Bereich entspricht
dem maximal möglichen
Winkel-Verstellbereich des zu vermessenden Bauteiles; innerhalb
dieses maximal möglichen
Winkel-Stellbereiches liegen für
jedes der beiden Sensorelemente eine ganzzahlige Anzahl von Signalperioden.
Allerdings unterscheiden sich die Signalperioden von oberem und
unterem Sensorsignal, bezogen auf den gleichen maximal möglichen
Winkelbereich α.
Soweit die Beziehung zwischen den beiden Kurvenverläufen zueinander bekannt
ist, kann aus der jeweils gemessenen Relativ-Winkelinformation auf den absoluten Winkelwert
rückgerechnet
werden. Dies ist möglich, wenn
zu jedem Winkelwert β des
ersten gemessenen Signalverlaufes genau ein gemessener, zweiter
Wert des Signalverlaufs γ gehört (Nonius-Prinzip).
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Auf
das Lenksystem übertragen
bedeutet dies, dass die Informationen von zwei Winkelsensoren im
Lenksystem ausreichen, den absoluten Lenkwinkel bzw. jeden anderen
Winkel im Lenksystem absolut darzustellen, selbst wenn der von den
beiden Winkelsensoren gelieferte Signalverlauf jeweils nur einen
Relativwinkel darstellt.
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In 3 ist
eine Alternative zur Bestimmung des absoluten Winkelbereiches gezeigt.
Der untere Signalverlauf γ ist
als einzelnes, impulsähnliches
Indexsignal dargestellt, das aber ebenfalls in einer festen, bekannten
Beziehung zum Signalverlauf des im oberen Schaubild mit periodischem
Signalverlauf dargestellten Winkelbereich steht. Da jedoch das Indexsignal
ein Einzelsignal ist, muss in dem betreffenden Bauteil, in welchem
der das Indexsignal liefernde Indexsensor eingebaut ist, zunächst eine
bestimmte Position erreicht werden, damit der Indexsensor anspricht.
Diese Position ist insbesondere die Nulllage des Lenksystems.
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Als
weitere Alternative kann anstelle eines Indexsensors auch eine Zähleinheit
eingesetzt werden. In diesem Fall werden von der Zähleinheit
die einzelnen Signalperioden des Winkelverlaufes β durchgezählt, was
in 3 beispielhaft mit den mit 1 bis 5 durchnummerierten
Signalverläufen
dargestellt ist. Anhand des Zählwertes
und der zugeordneten Signalperiode kann auf den absoluten Winkelwert
rückgeschlossen
werden.
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenksäule
- 4
- Lenkgestänge
- 5
- Fahrzeugrad
- 6
- Lenkwinkelsensor
- 7
- Lenkmomentsensor
- 8
- Summenwinkelsensor
- 9
- erster
Indexsensor
- 10
- zweiter
Indexsensor
- 11
- Zähleinheit
- 12
- Motorwinkelsensor
- 13
- Motorwinkelsensor
- AFS
- Aktivlenkung
- EPS
- elektrische
Servolenkung
- M
- Motor
- ÜG
- Überlagerungsgetriebe
- MS
- Motorsperre
- G
- Lenkgetriebe