DE102006006359A1 - Drehwinkelsensor sowie Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers - Google Patents

Abstract

Ein Drehwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers, etwa einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges, mit zwei magnetisch arbeitend ausgelegten Messelementen, jeweils umfassend ein magnetisches, gegenüber einem Sensorelement rotatorisch bewegtes und von dem Körper angetriebenes Geberelement, wobei die beiden Geberelemente zum Bestimmen des sich aus der Differenz der Winkelinformation der Geberelemente ergebenden Schwebungswinkels mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis angetrieben sind, ist dadurch bestimmt, dass das Antriebsverhältnis zum Antreiben der Geberelemente ausgelegt ist, damit innerhalb des sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches des drehbaren Körpers mehr als eine Schwebungswinkelperiode enthalten ist und die Absolutwinkelstellung der Geberelemente in den Schwebungswinkelperioden unterschiedlich ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers, etwa einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges, mit zwei magnetisch arbeitend ausgelegten Messelementen, jeweils umfassend ein magnetisches, gegenüber einem Sensorelement rotatorisch bewegtes und von dem Körper angetriebenes Geberelement, wobei die beiden Geberelemente zum Bestimmen des sich aus der Differenz der Winkelinformation der Geberelemente ergebenden Schwebungswinkels mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis angetrieben sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines solchen Drehwinkelsensors.
• Drehwinkelsensoren werden eingesetzt, um Winkelinformationen hinsichtlich der aktuellen Drehwinkelstellung eines drehbar gelagerten Körpers, beispielsweise einer Welle, zu erhalten. Eingesetzt werden derartige Drehwinkelsensoren u.a. als Lenkwinkelsensoren zum Erfassen der Drehwinkelstellung der Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges. Als Lenkwinkelsensoren sind beispielsweise optoelektronisch arbeitend konzipierte bekannt, bei denen eine in Wirkverbindung mit der Lenkspindel angeordnete Codescheibe die Winkelinformation trägt. Diese Codescheibe umgibt die Lenkspindel umfänglich in radialer Richtung und benötigt eine gewisse radiale Erstreckung, damit die notwendige Winkelinformation auf dieser untergebracht werden kann. Dieses gilt insbesondere für solche Lenkwinkelsensoren, mit denen die absolute Winkelstellung der Lenkspindel innerhalb ihres sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches bestimmt werden soll. Neben diesen Lenkwinkelsensoren sind als absolut messende Drehwinkelsensoren auch magnetisch arbeitend ausgelegte bekannt geworden. Bei diesen vorbekannten Drehwinkelsensoren werden durch den drehbaren Körper, beispielsweise die Lenkspindel, zwei Coderäder angetrieben. Die Coderäder weisen jeweils einen äußeren Zahnkranz auf. Die Verzahnung der Coderäder greift ein in ein einen äußeren Zahnkranz aufweisendes Antriebsrad der Lenkspindel. Die Coderäder verfügen über jeweils ein magnetisches Geberelement, dessen Mag netfeldorientierung ein Maß für die Drehwinkelstellung des Coderades ist. Die beiden Coderäder sind mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis von dem dem drehbaren Körper zugeordneten Antriebsrad angetrieben. Unter Anwendung des sogenannten Nonius-Prinzips wird die Winkellage des drehbaren Körpers innerhalb seines sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches bestimmt. Die Coderäder weisen eine kleinere Zähnezahl auf, als das dem drehbaren Körper zugeordnete Antriebsrad. Die Untersetzung ist so konzipiert, dass sich die Coderäder innerhalb des sich über mehrere Runden des drehbaren Körpers erstreckenden Winkelmessbereich n-mal um 360° gedreht werden, wobei n größer ist als die Anzahl der Runden des Winkelmessbereiches. Während beispielsweise das eine Coderad über den vorgegebenen Winkelmessbereich des drehbaren Körpers neun Mal vollständig gedreht wird, wird das andere Coderad über denselben Messbereich hinweg zehn Mal um die eigene Achse vollständig gedreht. Als Empfängerelemente dienen magnetosensitive Sensoren, beispielsweise GMR-, AMR- oder Hall-Sensoren. Die Differenz der Winkelinformation der beiden Messelemente ergibt über den gesamten Messbereich hinweg einen Schwebungswinkel, der an dem einen Ende des Winkelmessbereiches den Wert 0 und am anderen Ende des Winkelmessbereiches des Drehwinkelsensors einen dem maximalen Ausgangssignal des einen Messelementes entsprechenden Wert aufweist. Der sich über den gesamten Winkelmessbereich erstreckende Schwebungswinkel weist eine konstante Steigung auf. Zum Bestimmen, in welcher Runde des Coderades sich der Drehwinkelsensor befindet, wird der Schwebungswinkel skaliert und von diesem die Winkelinformation des einen einem Coderad zugeordneten Messelementes abgezogen. Die Skalierung des Schwebungswinkels ist so ausgelegt, dass nach Abziehen der Winkelinformation von dem skalierten Schwebungswinkel einzelne horizontal verlaufende Kurvenabschnitte entstehen, die jeweils ein eigenes Niveau definieren. Jedes Niveau definiert eine Runde dieses Coderades, so dass auf diese Weise die zur Absolutwinkelbestimmung benötigte Kundeninformation gewonnen werden kann. Bekannt geworden ist ein solcher Drehwinkelsensor beispielsweise aus EP 0 877 916 A1 .
• Bei diesen Drehwinkelsensoren führen jedoch Störungen der Signale der Messelemente zu einer Reduzierung des effektiv nutzbaren Messbereiches.
• Die mittels eines solchen Drehwinkelsensors gewonnene Winkelinformation des drehbaren Körpers, beispielsweise der Lenkspindel, wird bei Lenkwinkelsensoren durch die Radwinkelstellung im Rahmen einer Plausibilitätsprüfung kontrolliert. Die Radwinkelstellung wird wiederum durch die unterschiedliche Raddrehzahl der gelenkten Vorderräder des Kraftfahrzeuges ermittelt. Die Messungenauigkeit dieser Radwinkelbestimmung kann in der Größenordnung des Winkelfehlers liegen, der bei der irrtümlichen Wahl einer benachbarten Runde auftritt. Dieses führt im Rahmen der Plausibilitätsprüfung der durch den Lenkwinkelsensor gewonnenen Winkelinformation zur Fehlwinkelbestimmungen.
• Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Drehwinkelsensor dergestalt weiterzubilden, dass nicht nur der Messbereich besser ausgenutzt werden kann, sondern dass eine Plausibilitätsprüfung trotz der relativ großen Fehlertoleranz bei der Radwinkelstellungsbestimmung keinen Anlass zu Fehlauswertungen gibt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Drehwinkelsensor gelöst, bei dem das Antriebsverhältnis zum Antreiben der Geberelemente ausgelegt ist, damit innerhalb des sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches des drehbaren Körpers mehr als eine Schwebungswinkelperiode enthalten ist und die Absolutwinkelstellung der Geberelemente in den Schwebungswinkelperioden unterschiedlich ist.
• Bei diesem Drehwinkelsensor ist der unterschiedlich übersetzte Antrieb der Geberelemente, die zweckmäßigerweise von Coderädern getragen sind, so ausgefegt, dass innerhalb des sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches mehr als eine Schwebungswinkelperiode enthalten ist, also beispielsweise sich diese innerhalb des Winkelmessbereiches mehrfach periodisch wiederholt. Möglich ist auch eine nicht ganzzahlige Wiederholung des Schwebungswinkels. Die Unterteilung des Winkelmessbereichs in mehrere Schwebungswinkelperioden hat zur Folge, dass die Steigung des Schwebungswinkels innerhalb jeder Periode entsprechend der Anzahl der innerhalb des Winkelmessbereiches vorgesehenen Schwebungswinkelperioden größer ist als bei einem einzigen, sich über den gesamten Winkelmessbereich erstreckenden Schwebungswinkel. Die größere Steigung hat unmittelbar zur Folge, dass der Abstand der für die Rundenbestimmung dienenden, über den skalierten Schwebungswinkel gebildeten Niveaus voneinander entsprechend größer ist. Bereits bei einer Unterteilung des Winkelmessbereiches eines Lenkwinkelsensors in zwei aufeinander folgende Schwebungswinkelperioden führt dieses zu einer Verdoppelung der Steigung des Schwebungswinkels in jeder Periode. Die größere Steigung des Schwebungswinkels führt automatisch zu einer Verringerung des aufgrund von Störsignaleinflüssen nicht auswertbaren Randbereiches des Winkelmessbereiches, der mithin insgesamt größer ist.
• Um trotz der zumindest teilweisen Wiederholung der Schwebungswinkelperiode innerhalb des Winkelmessbereiches eine Unterscheidbarkeit der Runden des Geberelementes zu erreichen, ist vorgesehen, dass sich die Absolutwinkel der Geberelemente in den Schwebungswinkelperioden voneinander unterscheiden. Im Ergebnis führt dieses dazu, dass der Abstand der einer Rundenbestimmung dienenden, unmittelbar benachbarter Niveaus voneinander größer ist als die mögliche Fehlertoleranz der im Rahmen einer Plausibilitätsprüfung zum Kontrollieren der Absolutwinkelmessung des Drehwinkelsensors heran gezogene Radwinkelstellung. Daher sind Winkelfehlbestimmungen, begründet durch eine fehlerbehaftete Plausibilitätsprüfung vermieden. Der Versatz beträgt bei einem Winkelmessbereich mit zwei Schwebungswinkelperioden beispielsweise 180°, unterstellend, dass der Messbereich eines Sensorelementes 360° beträgt. Diese Winkelverschiebung stellt eine zusätzliche Information dar, aus der die Schwebungswinkelperiode eindeutig ermittelt werden kann.
• Zum Erzielen der Ausbildung der Schwebungswinkelperioden innerhalb des vorgesehenen Winkelmessbereiches können die die Geberelemente tragenden Coderäder, ausgebildet als Zahnräder, jeweils eine unterschiedliche Zahnanzahl aufweisen und über die unterschiedliche Zahnanzahl von einem dem drehbaren Körper, beispielsweise der Lenkspindel zugeordneten Antriebsrad, angetrieben sein. Dabei ist es möglich, dass beide Coderäder unmittelbar von dem Antriebsrad angetrieben werden oder auch dass ein Coderad von dem Antriebsrad angetrieben wird, während das zweite Coderad von dem ersten Coderad angetrieben wird. Die Unterschiede im Übersetzungsverhältnis der beiden angetriebenen Coderäder ist beim Gegenstand dieses Drehwinkelsensors größer als bei vorbekannten Drehwinkelsensoren. Daher bietet es sich an, dem drehbaren Körper, beispielsweise der Lenkspindel, zwei unterschiedlich große Antriebsräder mit einer entsprechend unterschiedlichen Anzahl an Zähnen zuzuordnen, in die jeweils der Zahnkranz eines Coderades eingreift. Bei einem Lenkwinkelsensor ist der Durchmesser der Lenkspindel typischerweise deutlich größer als der Durchmesser der Coderäder, so dass daher ohne Weiteres Antriebsräder mit einer unterschiedlichen Zahnanzahl angeordnet werden können. In einem Ausführungsbeispiel dieser vorbeschriebenen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Coderäder jeweils eine gleiche Zahnanzahl und die als drehbarer Körper dienende Lenkspindel zwei mit jeweils einer unterschiedlichen Zahnanzahl aufweisende Antriebsräder trägt, wobei der Unterschied in der Zahnanzahl zwischen fünf und sieben Zähne beträgt. Bei einer Verwendung von zwei Antriebsrädern mit einer unterschiedlichen Zahnanzahl, können die Coderäder selbst ebenfalls eine unterschiedliche Zahnzahl aufweisen.
• Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
• 1: ein Diagramm darstellend die aus einem der beiden Coderäder eines Drehwinkelsensors gewonnene Winkelinformation aufgetragen mit den sich über den Winkelmessbereich der Lenkspindel erstreckenden Schwebungswinkelperioden zusammen mit der aus diesen Kurven ermittelten Rundeninformation bezüglich dieses Coderades,
• 2: ein Diagramm entsprechend demjenigen der 1, aufgezeichnet mit einem herkömmlichen Drehwinkelsensor und
• 3: eine schematisierte Darstellung der Stellung zweier, jeweils ein magnetisches Geberelement tragenden Coderäder eines Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung zu Beginn der ersten Schwebungswinkelperiode (linke Abbildung) und zu Beginn der daran anschließenden zweiten Schwebungswinkelperiode (rechte Abbildung).
• In den 1 und 2 sind Auswertediagramme mit mehreren Auswertekurven dargestellt. Um die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besser herausstellen zu können, sind die in den Diagrammen wiedergegebenen Signale störsignalüberlagert. Bei den erfassten Signalen handelt es sich somit um verrauschte Sensorsignale.
• In dem Diagramm der 1 ist auf der x-Achse der sich über mehrere Runden einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges erstreckende Winkelbereich aufgetragen. Dieser beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel fünf Runden (1800°). Der Drehwinkelsensor, mit dem die absolute Lenkwinkelstellung der Lenkspindel ermittelt werden soll, ist dergestalt ausgelegt, dass innerhalb dieses Messbereiches ein ein magnetisches Geberelement tragendes Coderad neun Mal um 360° gedreht wird. Das Ausgangssignal des diesem Geberelement zugeordneten Sensorelementes ergibt die in 1 dargestellte untere sägezahnartig ausgebildete Kurve. Innerhalb jeder Runde ist die Winkelstellung des Coderades eindeutig ermittelbar.
• Der Drehwinkelsensor verfügt über ein weiteres Coderad. Das weitere Coderad mit dem weiteren magnetischen Geberelement wird mittelbar oder unmittelbar von der Lenkspindel entsprechend unterschiedlich untersetzt angetrieben dergestalt, damit innerhalb des Winkelmessbereiches zwei Schwebungswinkelperioden entstehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel dreht über den Winkelmessbereich das Coderad mit dem weiteren Geberelement elf Mal um 360°. Der Schwebungswinkel wird gebildet durch Subtraktion der von dem Geberelement des einen Coderades generierten Winkelinformationssignale von denjenigen des anderen Coderades. Der Schwebungswinkel weist in den beiden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Schwebungswinkelperioden eine konstante Steigung auf. Über den Schwebungswinkel wird die zur Absolutwinkelbestimmung der Lenkspindel benötigte Rundeninformation des Coderades, dessen Messkurve in 1 gezeigt ist, ermittelt. Zu diesem Zweck wird der Schwebungswinkel skaliert. Anschließend wird von dem skalierten Schwebungswinkel die bei einer Abtastung gewonnene Winkelinformation subtrahiert. Dieses resultiert in der in 1 dargestellten treppenstufenartig verlaufenden Kurve, dessen einzelne horizontale Ab schnitte mit "Niveau" im Rahmen dieser Ausführungen bezeichnet sind. In jeder Schwebungswinkelperiode sind die Niveaus unterschiedlich, so dass jede Runde des Coderades eindeutig bestimmt werden kann. Die Sprunghöhe benachbarter Niveaus ist, bedingt durch die Steigung des Schwebungswinkels, ausreichend hoch, damit auch fehlerbehaftete Plausibilitätsprüfungsergebnisse das Rundenergebnis nicht so weit in Frage stellen könnten, dass dieses auf einem unmittelbar benachbarten Niveau angesiedelt sein könnte. In dem Diagramm der 1 ist das berechnete Winkelsignal eingetragen, welches als kontinuierlich steigende Kurve sich über den Winkelmessbereich erstreckt. Hieraus ist erkennbar, dass auf jeder Winkelstellung der Geberelemente in Abhängigkeit von seiner Runde eine eindeutige Winkelstellung der als drehbaren Körper dienenden Lenkspindel berechnet werden kann.
• Die Skalierung des Schwebungswinkels erfolgt dergestalt, dass nach Subtrahieren der bei der Abtastung gewonnenen Winkelinformation die einzelnen Niveaus der Niveau-Kurve eine horizontale Erstreckung und somit einen konstanten y-Wert über ihre Länge aufweisen.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Absolutwinkel der beiden ein magnetisches Geberelement tragenden Coderäder um den halben Messbereich eines Sensorelementes verschoben, was zu dem Sprung in der Kurve des skalierten Schwebungswinkels und in der Niveau-Kurve führt. Generell ist es zweckmäßig, den Versatz in dem Absolutwinkel der beiden Coderäder nach jeder Periode des Schwebungswinkels so zu konzipieren, dass dieser dem n-ten Teil des Messbereiches des Sensorelementes entspricht, wobei n der Anzahl der Schwebungswinkelperioden innerhalb des vorgesehenen Winkelmessbereiches entspricht. Die unmittelbar an die Sprungstelle angrenzenden Niveaus definieren dieselbe Runde des Coderades. Durch die eindeutige Bestimmung jeder Runde des Coderades ist ebenfalls eine eindeutige Zuordnung der Winkelstellung der Lenkspindel hinsichtlich derjenigen Runde, in der sich die Lenkspindel befindet, möglich.
• Zur Unterscheidung des mit einem Drehwinkelsensor gemäß der Erfindung aufgezeichneten Auswertediagramms (1) mit einem entsprechenden Auswertediagramm, aufgezeichnet mit einem herkömmlichen Drehwinkelsensor, ist ein solches Diagramm in 2 gezeigt. Deutlich erkennbar in dem Auswertediagramm des vorbekannten Drehwinkelsensors ist die deutlich geringere Sprunghöhe zwischen benachbarten Niveaus, die nur halb so groß ist wie die des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Störabstand ist deutlich geringer als beim Gegenstand der Erfindung.
• 3 zeigt die Absolutwinkelstellung der jeweils ein magnetisches Geberelement, beispielsweise einen Magneten tragenden Coderäder eines als Lenkwinkelsensor ausgebildeten Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung, und zwar im linken Abschnitt der 3 in der Ausgangsstellung der in 1 gezeigten linken Schwebungswinkelperiode und in der im rechten Teil der 3 in ihrer Stellung nach Durchlaufen der ersten Schwebungswinkelperiode und somit unmittelbar hinter der in 1 gezeigten Sprungstelle zu Beginn der zweiten Schwebungswinkelperiode. Der als Offset zu bezeichnende Versatz der Absolutwinkel der beiden Coderäder in den beiden Schwebungswinkelperioden beträgt 180°, mithin den halben Messbereich eines Sensorelementes.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles mit zwei Messelementen beschrieben worden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit oder Verfügbarkeit des Systems durch Redundanz kann der Drehwinkelsensor auch mehr als zwei Messelemente aufweisen.

Claims (11)

1. Drehwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers, etwa einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges, mit zwei magnetisch arbeitend ausgelegten Messelementen, jeweils umfassend ein magnetisches, gegenüber einem Sensorelement rotatorisch bewegtes und von dem Körper angetriebenes Geberelement, wobei die beiden Geberelemente zum Bestimmen des sich aus der Differenz der Winkelinformation der Geberelemente ergebenden Schwebungswinkels mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsverhältnis zum Antreiben der Geberelemente ausgelegt ist, damit innerhalb des sich über mehrere Runden erstreckenden Winkelmessbereiches des drehbaren Körpers mehr als eine Schwebungswinkelperiode enthalten ist und die Absolutwinkelstellung der Geberelemente in den Schwebungswinkelperioden unterschiedlich ist.
2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutwinkelstellung der Geberelemente in aufeinander folgenden Schwebungswinkelperioden um den n-ten Teil des Messbereiches eines Sensorelementes versetzt ist, wobei n die Anzahl der Schwebungswinkelperioden innerhalb des Winkelmessbereiches ist.
3. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Winkelmessbereiches sich die Schwebungswinkelperiode nicht ganzzahlig wiederholt.
4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Winkelmessbereiches zwei oder mehr Schwebungswinkelperioden enthalten sind.
5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberelemente jeweils Teil eines Coderades mit einem äußeren Zahnkranz sind, die wiederum in Wirkverbindung mit einem Antriebsrad des drehbaren Körpers stehen.
6. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Coderäder eine unterschiedliche Zahnanzahl aufweisen.
7. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Körper ein Antriebsrad mit einem äußeren Zahnkranz trägt, in den die Zahnkränze der Coderäder eingreifen.
8. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Körper zwei Antriebsräder mit jeweils einem äußeren Zahnkranz, jedoch mit unterschiedlicher Zahnanzahl trägt, wobei jeweils ein Coderad in die Verzahnung eines Antriebsrades eingreift.
9. Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung eines über mehrere Runden drehbaren Körpers, etwa einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges mit zwei magnetisch arbeitend ausgelegten Messelementen, jeweils umfassend ein magnetisches, gegenüber einem Messsensor rotatorisch bewegtes und von dem Körper angetriebenes Geberelement, wobei die beiden Geberelemente mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis angetrieben sind, welches Verfahren eine Bestimmung des Schwebungswinkels als Differenz der Winkelinformation der Ausgangssignale der Messelemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der sich über mehrere Runden erstreckende Winkelmessbereich in mehr als einen Schwebungswinkelperiodenabschnitt unterteilt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Schwebungswinkelperiodenabschnitt eine Schwebungswinkelperiode enthalten ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, in zumindest einen Schwebungswinkelperiodenabschnitt die Schwebungswinkelperiode nicht vollständig enthalten ist.