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Die Erfindung betrifft eine Drehstellungsmessvorrichtung mit einem Rotor, mit einem ersten und einem zweiten Sensor, die beide die Drehstellung des Rotors tangential erfassen, und mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung eines Drehstellungswinkels aus den Ausgangssignalen beider Sensoren.
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Eine derartige Drehstellungsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 040 150 A1 bekannt. Solche Drehstellungsmessvorrichtungen kommen bevorzugt in Kraftfahrzeugen zur Erfassung der Lenkradstellung zur Anwendung. Dabei sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, um eine redundante Erfassung des Lenkwinkels und/oder eine Lenkwinkelmessung über mehrere Umdrehungen mit Hilfe des Noniusprinzips zu ermöglichen. Es können sowohl Sensoren vorgesehen sein, die nach gleichen wie auch solche, die nach unterschiedlichen Messprinzipien funktionieren.
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Besonders bei Drehstellungsmessvorrichtungen, die wegen der Lagerspiele beweglicher Komponenten konstruktionsbedingt empfindlich auch für translatorische Verschiebungen des Rotors sind, ergibt sich das Problem größerer Ungenauigkeit, die es nach Möglichkeit zu kompensieren gilt. Ein Beispiel einer derartigen Drehstellungsmessvorrichtung ist aus der
DE 195 06 938 A1 bekannt und besitzt Magneträder mit Hallsensorchips, die durch einen Rotor angetrieben sind, wobei der Rotor und die Magneträder unterschiedliche Lagerstellen aufweisen. Ein anderes Beispiel bilden Drehstellungsmessvorrichtungen mit einem Codescheibensensor mit fixem optischen Sensorchip auf einem Stator und mit einer Codescheibe, die direkt mit dem Rotor verbunden ist.
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Es stellte sich die Aufgabe, eine Drehstellungsmessvorrichtung zu schaffen, welche neben einem kostengünstigen Aufbau ein hohes Maß an Genauigkeit und funktionaler Sicherheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zweite Sensor um 90°, 180° oder 270° gegenüber dem ersten Sensor um den Rotor herum versetzt angeordnet ist, und dass die Auswertevorrichtung aus den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Sensors ein Maß für eine translatorische Verschiebung des Rotors ermittelt.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft dargestellt und erläutert werden. Die 1 bis 5 zeigen skizzenhaft mehrere Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Drehstellungsmessvorrichtung.
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Die 1 skizziert eine Drehstellungsmessvorrichtung mit einem Rotor 1, der eine optische Codescheibe 2 mit einer optisch erfassbaren Codierung 14 aufweist, die durch einen optischen Codescheibensensor 4, ausgeführt beispielsweise durch eine PDA-Zeile, abgetastet wird. Der Rotor 1 mit der Codescheibe 2 ist um eine zentrale Drehachse 3 drehbar gelagert. Die Richtung der Drehachse 3 ist senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet und wird in dieser und den weiteren Figuren als z-Richtung bezeichnet. Die dazu senkrechten x- und y-Richtungen liegen innerhalb der Zeichnungsebene und sind durch zwei Koordinatenpfeile gekennzeichnet.
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Auf der optischen Codescheibe 2 ist eine optische Codierung 14 erkennbar, die aus sich radial erstreckenden hellen und dunklen Codestreifen besteht. Der ortsfest angeordnete optische Codescheibensensor 4 ist oberhalb der Codierung 14 angeordnet und erfasst jeweils einen tangentialen Ausschnitt aus dem Streifencode und erkennt daraus die relative Drehstellung der optischen Codescheibe 2.
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Der erfasste Drehstellungswert wird sowohl durch die tatsächliche und eigentlich zu erfassende Verdrehung des Rotors als auch durch seitliche Verschiebungen des Rotors bzw. der Codescheibe beeinflusst. Kommt es, etwa aufgrund einer spielbehafteten Lagerung der Codescheibe 2, zu einer Verschiebung der Drehachse 3 der Codescheibe 2 in x-Richtung, was durch einen Doppelpfeil im Zentrum der Codescheibe 2 angedeutet ist, so verschiebt sich auch die Codierung 14 unter dem optischen Codescheibensensor 4, wodurch der Codescheibensensor 4 einen fehlerbehafteten Drehwinkel erfasst. Derartige Fehler bei der Winkelmessung entstehen gewöhnlich durch Rundlauftoleranzen, zum Beispiel einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug, und werden auch als integrale Nichtlinearitäten bezeichnet.
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Zur Erläuterung des Prinzips mit den vorliegenden Beispielen von um 90° oder 270° zueinander versetzten Sensoren 4, 5, 5'', 5''' sei davon ausgegangen, dass nur die translatorischen Verschiebungen in x-Richtung bei der Messung kompensiert werden sollen und Verschiebungen in allen anderen Richtungen vernachlässigt werden können. Die Verschiebungen des Rotors 1 in der x-Richtung können z. B. in einem Kraftfahrzeug durch eine vom Fahrer über das Lenkrad eingebrachte radiale Kraft auf die Lenksäule (Drücken) oder durch die Schwerkraft des Rotors 1 in seiner Lagerung entstehen.
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Ersichtlich ist, dass eine Verschiebung der Codescheibe 2 in y-Richtung praktisch keine Änderung des vom optischen Codescheibensensor 4 erfassten Messwerts liefert, da sich hierdurch der Abschnitt der Codierung 14 im Erfassungsbereich des Codescheibensensors 4 nicht ändert. Konstruktionsbedingt können bei diesem Codescheibensensors 4 Verfälschungen durch Hysterese, Zahn- oder Lagerspiele ausgeschlossen oder vernachlässigt werden, sodass sich bei dieser Art Sensor nur Verschiebungen des Rotors 1 mit fixer Codescheibe 2 in der x-Richtung verfälschend auf die gemessene Drehstellung auswirken.
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Die Kompensation des oben beschriebenen Fehlers erfolgt mittels eines zweiten Sensors 5 der in x-Richtung auf einer Linie mit dem Drehachse 3 angeordnet ist. Als zweiter Sensor kann ein weiterer optischer Sensor 5 vorgesehen sein oder auch, wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird, ein Magnetsensor 5'', 5'''. Die vom zweiten Sensor ermittelte Winkelstellung ändert sich bei einer Verschiebung der Codescheibe 2 in x-Richtung nicht.
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Aus einem Vergleich der vom ersten und zweiten Sensor 4, 5 erfassten Sensordaten, kann, wenn diese nicht der erwarteten Winkeldifferenz von 90° entsprechen, eine Auswertevorrichtung 8 einen Mittenversatzfehler ermitteln und eine Kompensation der vom Codescheibensensor 4 erfassten Drehwinkelstellung vornehmen.
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Eine Messung des Mittenversatzes der optischen Codescheibe 2 in x-Richtung ist auch durch zwei in y-Richtung einander gegenüberliegend angeordnete optische Codescheibensensoren 4, 5' möglich, die identisch ausgeführt sein können. Eine derartige Anordnung skizziert die 2.
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Im Falle einer Verschiebung der Drehachse 3 in positiver oder negativer x-Richtung ermittelt einer der beiden Codescheibensensoren 4 bzw. 5' einen zu kleinen Messwert für den Drehwinkel, während der andere Codescheibensensor 5' bzw. 4 einen entsprechend zu großen Wert erfasst. Die Auslenkung der Codescheibe 2 in x-Richtung kann somit durch eine Differenzbildung des Messergebnisses beider Codescheibensensoren 4, 5' bestimmt werden. Ein Messwert am gegenüberliegenden Drehsensor 5', der nicht genau 180°-Drehung bezüglich des vom ersten Codescheibensensor 4 erfassten Wert entspricht, ist ein reziproportionales Maß für eine Auslenkung der Drehachse 3 in x-Richtung und damit ein Maß für den Fehler durch einen winkelverfälschenden Mittenversatz.
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Um 180° versetzte Sensoren 4, 5' haben den Vorteil, dass Verschiebungen in nicht nur einer speziellen Richtung wie der x-Richtung im ersten Beispiel eindeutig aufgedeckt und kompensiert werden können. Es kann nämlich davon ausgegangen werden, dass sich Verschiebungen in beliebigen Richtungen nur mit ihrer Komponente in der gemeinsamen Messachse (im Beispiel die x-Richtung) verfälschend auswirken.
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Das in den 1 und 2 skizzierte Prinzip kann zur Erfassung von Drehwinkeln weiter optimiert werden, da in den bisher angeführten Beispielen die beiden optischen Codescheibensensoren 4, 5' bzw. 5 lediglich winkelversetzte, aber ansonsten identische Sensorsignale liefern. Die beiden Sensoren 4, 5' bzw. 5 schaffen somit zwar eine Redundanz für Winkelwerte innerhalb einer 360°-Umdrehung, gestatten aber keine Winkelerfassung über mehrere Umdrehungen.
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Eine Drehstellungserfassung über mehrere Umdrehungen ermöglichen die in den 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen. Diese bestehen jeweils aus einem optischen Codescheibensensor 4, zu dem im rechten Winkel ein Magnetsensor 5'' angeordnet ist. Der Magnetsensor 5'', der vorzugsweise als Hallsensor ausgebildet ist, erfasst die Position eines Magneten 10, der an einem Magnetrad 7 angeordnet ist. Das Magnetrad 7 wird durch das mit der Codescheibe 2 verbundene Antriebsrad 6 angetrieben, welches um die Drehachse 3 drehbar gelagert ist.
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Der Magnetsensor 5'' misst üblicherweise mit einer geringeren Auflösung als der optische Codescheibensensor 4, ermöglicht aber eine Umdrehungszahlbestimmung nach dem Noniusprinzip. Hierzu stehen die Umdrehungszahlen des Antriebsrades 6 und der damit verbundenen optischen Codescheibe 2 einerseits, und des angetriebenen Magnetrads 7 andererseits in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander, so dass aus der relativen Stellung von Codescheibe 2 und Magnetrad 7 auf bekannte Weise eine absolute Drehstellung der Codescheibe 2 ermittelbar ist.
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Das Messergebnis für den absoluten Drehwinkel muss aufgrund des verwendeten Noniusprinzips, unter Berücksichtigung von Toleranzen, zu der Drehwinkelmessung am Magnetrad 7 passen. Können am Magnetrad 7 die Toleranzen durch Hysterese-, Lager- und Zahnspiel gegenüber einem möglichen Mittenversatz vernachlässigt werden, so kann die Differenz zwischen dem Drehwinkelwert am Magnetrad 7 und dem aus Codescheibenwinkel und Nonius gewonnenen Erwartungswert als Maß für eine Mittenversatzauslenkung angesehen werden, welche die Drehwinkelmessung per Magnetrad 7 und Magnetsensor 5'' wegen des Mittenversatzes verfälscht. Ein Mittenversatz zum Beispiel genau in y-Richtung bewirkt nämlich eine zusätzliche Verdrehung des Magnetrads 7, während der Codescheibensensor 4 keine Änderung erfasst. Dagegen bewirkt ein Mittenversatz in x-Richtung keine zusätzliche Verdrehung des Magnetrads 7, während der Codescheibensensor 4 die Änderung zu erfassen vermag. Aus der Differenz der einzelnen Messergebnisse kann unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses und der Kenntnis des Verschiebungsrichtung trigonometrisch ein Maß für die zu kompensierende Verschiebung der Drehachse 3 ermittelt werden. Der letztlich ermittelte Drehwinkelwert kann auf diese Weise hinsichtlich eines Mittenversatzes der Drehachse 3 in einer Richtung, die bekannt sein muss, fehlerbereinigt werden.
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Wie beim Beispiel aus der 1 können auch bei den Beispielen aus 3 und 4 hier nur Verschiebungen eindeutig kompensiert werden, wenn die Verschiebungsrichtung, vorzugsweise genau die x- oder die y-Richtung, vorgegeben ist oder zusätzlich ermittelt werden kann. Verschiebungen in allen anderen Richtungen außer denen auf der Bezugsrichtung sollten bei den orthogonal zueinander angeordneten Sensorvorrichtungen also unmöglich oder vernachlässig bar gemacht sein.
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Die nötige Kompensation einer Drift der Drehachse 3 in einer bekannten Richtung wird also aus der Differenz der Messergebnisse der beiden Sensoren 4, 5'' bestimmt. Mit der Auslenkung der Codescheibe 2 in y-Richtung über dem Codescheibensensor 4, ergibt sich bei gleichem Messergebnis an dem Codescheibensensor 4, zunehmend ein nicht dazu passendes Messergebnis am Magnetsensor 5''. Diese Differenz ist ein Maß der erforderlichen Winkelkompensation für den Mittenversatz der Drehachse 3 in y-Richtung, wenn Verschiebungen in anderen Richtungen nicht vorkommen können oder wenn über eine weitere Vorrichtung genau die y-Richtung als Verschiebungsrichtung ermittelt wurde.
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Beschreibt man die Drift der Drehachse 3 in einer Ebene aus x-Richtung und y-Richtung, so können auf die nachfolgend beschriebene Weise alle Driftbewegungen der Drehachse 3 in der Ebene unabhängig von der Drehbewegung erfasst und zur Erhöhung der Genauigkeit der erfassten Drehstellung kompensiert werden.
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Voraussetzung ist, dass der Codescheibensensor 4 den Drehstellungswinkel prinzipbedingt unabhängig von einer Drift in y-Richtung erfasst und der Magnetsensor 5'' mit Hilfe einer speziellen federnden Halterung 13 des Magnetrades 7 unabhängig gegenüber einer Drift in x-Richtung messen kann. Dies ist skizzenhaft in der 4 angedeutet.
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Die Kompensation eines Versatzes in x-Richtung kann nun, unabhängig von der eigentlichen Erfassung der Drehstellung, aus einer mit der Drift der Drehachse 3 variierenden Magnetfeldstärke des Magnetrades 7 über dem Magnetsensor 5'' errechnet werden. Je weiter das gesamte Magnetrad 7 in x-Richtung über dem als Chip ausgebildeten Magnetsensor 5'' ausgelenkt wird, desto mehr verringert sich die gemessene Feldstärke. Die erfasste Feldstärkeänderung ist somit ein Maß dafür, wie das Ergebnis des Codescheibensensors 4 positiv oder negativ korrigiert werden muss. Als Ergebnis ergibt sich ein hochgenauer Drehwinkelwert, der im Wesentlichen auf der genauen Messung des optischen Codescheibensensors 4 basiert und zusätzlich mittenversatzbereinigt ist.
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Der zweite Sensor 5'' kommt primär zur Anwendung des Noniusprinzips zur Ermittlung einer Drehstellung über mehrere Runden hinweg und als Redundanz für Absicherungsmaßnahmen zum Einsatz. Damit er gleichzeitig bzw. zusätzlich zur Bestimmung der Drehstellung die Auslenkung der Drehachse 3 in x-Richtung aufnehmen kann, ist eine federnde Halterung 13 des Magnetrads 7 über dem feststehenden Magnetsensor 5'' vorgesehen. Das Magnetrad 7 läuft durch eine Federspannung beaufschlagt direkt und eng am Antriebsrad 6. Durch ein Andrücken wird nebenbei die Genauigkeit der Drehwinkelmessung am Magnetrad 7 erhöht, weil Hysterese, Zahn- und Lagerspiele dadurch verringert werden.
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Bei der in der 4 skizzierten Anordnung ist somit ein gewisser Anpressdruck zur Erzeugung eines Formschlusses zwischen Antriebsrad 6 und Magnetrad 7 notwendig. Eine Verschiebung der Drehachse des Magnetrads 7 soll ausschließlich in x-Richtung möglich sein. Dieser Freiheitsgrad kann durch ein als Langloch 11 in x-Richtung ausgeführte Lagerstelle 9 für das Magnetrad 7 realisiert werden. Die lineare Auslenkung des Magnetrades 7 in x-Richtung ändert nichts am Drehwinkel des Magnetrades 7 und damit am Messwert des zweiten Sensors 5'' für die Winkelstellung des Magneten 10 in der xy-Ebene.
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Ein Maß für den Mittenversatz in x-Richtung kann durch eine Erfassung der linearen Verschiebung des Magneten 10 bestimmt werden. Dies kann durch hier nicht beschriebene Algorithmen aus der Änderung der vom Magnetsensor 5'' insgesamt erfassten Magnetfeldstärke erfolgen, die sich durch die translatorische Verschiebung des Magneten 10 relativ zum Magnetsensor 5'' ergibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Magnetsensor ein so genannter 3D-Hallsensor 5''' verwendet wird, der Magnetfeldstärken komponentenweise in drei Raumrichtungen gleichzeitig erfassen kann. In diesem Fall kann die Drehachse 15 des Magnetrads 7 an einer Seite fix und an der anderen Seite verschwenkbar gelagert werden, wie dies in der 5 skizziert ist. Das Magnetrad 7 führt damit bei einer Verschiebung der verschwenkbaren Seite der Drehachse 15 eine Schaukelbewegung im Langloch 11 aus, welche die Lage des aus zwei Magneten bestehenden Magnetsystems 12 zur z-Achse ändert.
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Die Verschiebung des Magnetsystems 12 in der z-Richtung kann von einem 3D-Hallsensor 5''' separat bestimmt werden und ist unabhängig vom Drehwinkelwert des Magneten 10 in der xy-Ebene ein Maß für den zu kompensierenden Mittenversatz in x-Richtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Codescheibe
- 3
- Drehachse
- 4
- erster Sensor (Codescheibensensor)
- 5, 5', 5'', 5'''
- zweiter Sensor
- 5'
- Drehsensor (Codescheibensensor)
- 5''
- Magnetsensor (Hallsensor)
- 5'''
- 3D-Hallsensor
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Magnetrad
- 8
- Auswertevorrichtung
- 9
- Lagerstelle
- 10
- Magnet
- 11
- Langloch
- 12
- Magnetsystem
- 13
- federnde Halterung
- 14
- Codierung
- 15
- Drehachse (des Magnetrads 7)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040150 A1 [0002]
- DE 19506938 A1 [0003]
