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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels
eines Drehkörpers.
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Die
Aufgabe, den Drehwinkel eines Drehkörpers zu messen, stellt sich
in vielen Bereichen der Technik. Die vorliegende Erfindung befasst
sich mit dem Problem, den Drehwinkel eines Drehkörpers zu messen, der eine begrenzte
Anzahl von Umdrehungen ausführen
kann, wie dies beispielsweise bei einer Lenkspindel im Kraftfahrzeug
der Fall ist.
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Eine
bekannte Lösung
für diese
Aufgabe besteht darin, den Drehwinkel des Drehkörpers mittels eines mechanischen
Getriebes so zu untersetzen, dass nur maximal 360° von einem
Winkelsensor zu erfassen sind. Nachteilig ist, dass die Messgenauigkeit
und Auflösung
des Winkelsensors um das Untersetzungsverhältnis besser sein muss, als
wenn man den Drehwinkel direkt messen würde, abgesehen von dem mechanischen
Rauschen des Untersetzungsgetriebes.
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Eine
andere vorbekannte Lösung
verwendet eine Art Nomius-System,
bei dem ein mit der Längsspindel
verbundenes Zahnrad mit zwei kleinen Zahnrädern in Eingriff steht, die
sich um einen Zahn unterscheiden. Dadurch bildet ihre gegenseitige
Phasenlage ein Maß für die absolute
Winkelstellung der Drehspindel. Abgesehen davon, dass diese Lösung einen
relativ hohen konstruktiven Aufwand erfordert, leidet auch sie an
den Nachteilen jeder mechanischen Lösung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers, der eine begrenzte Anzahl
von Umdrehungen ausführen
kann, zu schaffen, die ohne mechanisch miteinander in Eingriff treten de bewegte
Teile auskommt und gleichzeitig eine möglichst hohe Messgenauigkeit
hat.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst.
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Die
erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung umfasst einen Winkelsensor zum Erfassen des Drehwinkels
des Drehkörpers
bis höchstens
360° sowie
einen Grenzwertsensor, der jedes Mal, wenn der Drehkörper einen
Winkel von 360° über- oder
unterschreitet, ein Grenzwertsignal erzeugt, aus dem von einem elektronischen
Steuergerät
die Zahl der Umdrehungen ermittelt wird. Die Umdrehungszahl wird in
einem Informationsspeicher gespeichert und kann dann mit dem vom
Winkelsensor ermittelten Drehwinkel zu dem Gesamtdrehwinkel des
Drehkörpers verknüpft werden.
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Winkelsensoren
zum Erfassen eines Drehwinkels bis 360° sind in zahlreichen Ausführungsformen
bekannt. In Frage kommen beispielweise analoge Hallsensoren, magnetoresistive
Winkelsensoren (NiFe-Dünnschichtsensoren)
und dgl. Besonders interessant in diesem Zusammenhang sind sogenannte
IMS-Sensoren, bei denen eine meanderförmige Messspule und ein Teil
mit einer elektrisch leitenden Oberfläche vorgesehen sind, die unter
Zwischenschaltung eines Luftspaltes einander so gegenüberliegen,
dass die elektrisch leitende Oberfläche in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen
Lage die Messspule in einem entsprechenden Bereich induktiv kurzschließt und die
dadurch bedingten Änderungen
der Induktivität
der Messspule in einer Auswerteschaltung zum Erzeugen eines Winkelsignals
verwendbar sind, siehe z.B. die
DE 198 06 290 A1 .
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Der
Drehwinkelsensor kann selbst als Grenzwertsensor verwendet werden,
indem aus dem Drehwinkelsignal des Drehwinkelsensors jedes Mal, wenn
der Drehkörper
360° über- bzw.
unterschreitet, ein Grenzwertsignal abgeleitet wird.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, einen eigenen Grenzwertsensor vorzusehen. Der Grenzwertsensor
besteht dann zweckmäßigerweise
aus einem mit dem Drehkörper
drehbaren Sensorteil und einem ortsfesten Sensorteil, die induktiv,
kapazitiv, magnetisch oder elektrooptisch miteinander gekoppelt
sind.
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Der
Informationsspeicher zum Speichern der Zahl der Umdrehungen ist
vorzugsweise ein EEPROM oder FLASH-Speicher. Er kann jedoch auch als
SWITCHED-CAPACITOR-Schaltung oder als Magnetkernspeicher ausgebildet
sein, wie noch genauer erläutert
wird.
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Das
elektronische Steuergerät
ist zweckmäßigerweise
ein Mikrocontroller oder eine andere elektronische Intelligenz.
Dient die erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels einer Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges,
so wird das elektronische Steuergerät zweckmäßigerweise mit einer Lenkradsperre
des Kraftfahrzeuges so gekoppelt, dass es nur bei entriegelter Lenkradsperre aktiviert
wird. Der Mikrocontroller kann dann über die Wegfahrsperre oder
den Radioanschluss mit Energie versorgt werden; sein Stromverbrauch
ist dann im Vergleich zu den anderen Geräten unbedeutend.
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Wenn
dagegen die erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung als unabhängiges
Gerät („Stand alone"-Ausführung) betrieben
werden soll, sollte das elektronische Steuergerät zur Verringerung des Stromverbrauches
nicht ständig
in Betrieb sein. Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Vorrichtung als getaktetes System mit einer Wake-up-Schaltung
ausgebildet, die in vorgegebenen Zeitabständen das elektronische Steuergerät aktiviert.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin, den Grenzwertsensor so auszubilden, dass er jedes
Mal, wenn der Drehkörper einen
Winkel von 360° über- oder
unterschreitet, einen Weckimpuls erzeugt, der zum Aktivieren des elektronischen
Steuergerätes
verwendet wird.
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Die
erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Erkennung und Speicherung
der Zahl der Umdrehungen des Drehkörpers ohne mechanisches Getriebe
und ohne miteinander kämmende
mechanische Teile durchgeführt
werden. Da der Grenzwertsensor lediglich zum Erfassen der Zahl der
Umdrehungen verwendet wird, kommt er ohne hohe Messgenauigkeit aus,
ohne dass darunter die Messgenauigkeit des von der Vorrichtung ermittelten
Gesamtdrehwinkels leidet. Mit vergleichsweise geringem Aufwand lässt sich
daher der Gesamtdrehwinkel des Drehkörpers präzise und problemlos ermitteln.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
extrem schematisierte Darstellung eines Lenksystems, bei dem ein
elektrisches Signal in Abhängigkeit
vom Drehwinkel der Lenkspindel zum Betätigen einer Zahnstangenlenkung
für die Fahrzeugräder verwendet
wird;
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2 ein
schematisches Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels;
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3 bis 5 eine
stark schematisierte Draufsicht und Seitenansicht eines Grenzwertsensors
für die
Vorrichtung in 2;
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6 eine
Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Grenzwertsensors
der 3 bis 5;
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7, 8 eine
stark schematisierte Draufsicht und Seitenansicht einer anderen
Ausführungsform
eines Grenzwertsensors;
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9, 10 Seitenansichten
abgewandelter Ausführungsformen
des Grenzwertsensors in 7, 8;
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11 eine
schematisierte Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Grenzwertsensors;
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12 ein
Schaltungsdiagramm einer etwas anders ausgebildeten Ausführungsform
der Vorrichtung in 2;
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13 bis 15 Schaltungsdiagramme verschiedener
Ausführungsformen
eines Informationsspeichers.
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Die
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele werden anhand
einer Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels einer Lenkspindel eines
Kraftfahrzeuges erläutert.
Die erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung könnte
jedoch auch zum Messen von Drehwinkeln anderer Drehkörper verwendet
werden.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Lenksystem besteht
aus einem Lenkrad 1, einem Drehkörper 2 in Form einer
Lenkspindel und einer Vorrichtung 3 zum Messen des Drehwinkels
der Lenkspindel. Der von der Vorrichtung 3 erfasste Drehwinkel wird
in Form eines elektrischen Steuersignals 6, angedeutet
durch einen Pfeil, auf eine Zahnstangenlenkung 7 der (nicht
gezeigten) Fahrzeugräder übertragen.
Bei diesem Lenksystem ist somit die mechanische Übertragung der Drehbewegungen
der Lenkspindel auf die Zahnstangenlenkung durch die Übertragung
elektrischer Steuersignale ersetzt.
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Die
Vorrichtung 3 umfasst einen Winkelsensor 4 zum
Erfassen des Drehwinkels bis 360° und
einen Grenzwertsensor zum Erfassen der Zahl der Umdrehungen der
Lenkspindel.
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Der
Winkelsensor 4 kann aus irgendeinem bekannten Winkelsensor
bestehen, mit dem sich der Drehwinkel der Drehspindel mit hoher
Präzision
bis zu 360° erfassen
lässt.
Beispiele hierfür
sind in der Beschreibungseinleitung angegeben und werden an dieser
Stelle nicht weiter erläutert.
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Der
Grenzwertsensor liefert jedes Mal, wenn die Drehspindel einen Winkel
von 360° über- oder
unterschreitet, ein Grenzwertsignal. Eine Möglichkeit zum Erzeugen des
Grenzwertsignals besteht darin, aus dem Drehwinkelsignal des Drehwinkelsensors 4 bei
jeder Über-
bzw. Unterschreitung eines Winkels von 360° ein Grenzwertsignal abzuleiten.
In diesem Fall dient somit der Drehwinkelsensor 4 gleichzeitig als
Grenzwertsensor.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, einen eigenen Grenzwertsensor 5 vorzusehen.
Zur weiteren Erläuterung
sei auf 2 Bezug genommen. Wir dort schematisch
angedeutet, besteht der Grenzwertsensor 5 aus einem Sensorteil 5a und
einem Sensorteil 5b, von denen das Sensorteil 5a mit
dem Drehkörper 2 (der
Lenkspindel) drehfest verbunden ist und das Sensorteil 5b ortsfest
angeordnet ist, so dass die beiden Sensorteile relativ gegeneinander drehbar
sind. Wie dargestellt, ist das drehbare Sensorteil 5a flächig ausgebildet
und hat vorzugsweise die Form eines Kreissektors, der sich über 180° um die Achse
der Lenkspindel erstreckt.
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Die
Sensorteile 5a, 5b des Grenzwertsensors 5 sind
beispielsweise induktiv, kapazitiv, magnetisch oder elektrooptisch
so miteinander gekoppelt, dass jedes Mal, wenn die Lenkspindel einen
Winkel von 360° über- und
unterschreitet, ein Grenzwertsignal 9 erzeugt wird, das
einem elektronischen Steuergerät 10,
vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers, zugeführt wird.
Aus dem Grenzwertsignal 9 lässt sich auch die Drehrichtung
der Lenkspindel bestimmen.
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Das
elektronische Steuergerät 10 ermittelt aus
dem Grenzwertsignal 9 die Zahl der Umdrehungen der Lenkspindel,
also beispielsweise –1, –2, 0, +1,
+2 usw. Die Umdrehungszahl wird dann in einem Informationsspeicher 11 gespeichert,
der Teil des elektronischen Steuergerätes 10 bilden kann.
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Dem
elektronischen Steuergerät 10 wird
ferner ein von dem Drehwinkelsensor 4 gewonnenes Drehwinkelsignal 8 zugeführt. Das
elektronische Steuergerät 10 ermittelt
dann aus dem Drehwinkelsignal 8 den Drehwinkel und verknüpft ihn
mit der im Informationsspeicher 11 gespeicherten Umdrehungszahl
zur Bildung des Gesamtdrehwinkels, der dann als Steuersignal 6 der
Zahnstangenlenkung 7 zugeführt wird.
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Die 3 bis 5 zeigen
in sehr schematischer Weise einen Grenzwertsensor 5 in
Form eines induktiven Aufnehmers, bei dem das mit der Lenkspindel 2 drehbare
Sensorteil 5a und das ortsfeste Sensorteil 5b als
Primär-
und Sekundärspule ausgebildet
sind, welche nach dem Prinzip eines Transformators über magnetische
Feldlinien 12 induktiv miteinander gekoppelt sind. Die
Primär-
und Sekundärspule
haben die Form von Halbkreissektoren und sind so übereinander
angeordnet, dass bei jeder vollen Umdrehung der Lenkspindel eine
Spannung in der Sekundärspule
induziert wird, die als Grenzwertsignal 9 dient. Eine positive
oder negative erste Flanke der induzierten Spannung kann zum Bestimmen
der Drehrichtung verwendet werden.
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Bei
der abgewandelten Ausführungsform des
Grenzwertsensors 5 gemäß 6 ist
zusätzlich eine
Scheibe 13 aus ferromagnetischem Material wie z.B. Ferrit
vorgesehen, dessen Permeabilitätskonstante
sehr viel größer als
1 ist. Die Scheibe 13 dient zur Ausrichtung der Feldlinien 12 des
magnetischen Feldes und zur Verstärkung des Grenzwertsignals.
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Bei
dem in den 7 und 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Grenzwertsensor 5 als magnetisch wirkender Aufnehmer
ausgebildet, bei dem Änderungen
der elektrischen Eigenschaften eines Magnetkreises zum Erzeugen
des Grenzwertsignales 9 ausgenutzt werden. Wie dargestellt,
besteht das mit der Lenkspindel 2 drehfest verbundene Sensorteil 5a aus
einer halbkreisförmigen
Scheibe, die bei Verwendung von Gleichstrom aus einem ferromagnetischen
Material (z.B. Ferrit) und bei Ver wendung von Wechselstrom aus einem
elektrisch leitenden Material wie Aluminium, Kupfer oder Stahl besteht.
Das ortsfeste Sensorteil 5b ist als Magnetkreis mit einer
Erregerspule 15 und einem Eisenkern 14 ausgebildet,
welcher einen Spalt aufweist, durch den sich das bewegliche Sensorteil 5a bei
Drehungen der Spindel 2 hindurchbewegt. Tritt das bewegliche
Sensorteil 5a in den Spalt des Eisenkernes 14 ein
oder aus ihm heraus, so ändern
sich die elektrischen Eigenschaften (z.B. der Scheinwiderstand oder
die Induktivität)
des Magnetkreises, was zum Erzeugen des Grenzwertsignals 9 ausgenutzt
wird.
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Die
in 9 gezeigte abgewandelte Ausführungsform des Grenzwertsensors 5 unterscheidet sich
von der der 7 und 8 im wesentlichen dadurch,
dass im Magnetkreis ein Messelement 16 in Form beispielsweise
eines Hallsensors oder eines GMR (Giant Magnetic Resistor) vorgesehen
ist, mit dem die Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des Magnetkreises bei Drehungen der
Lenkspindel erfasst werden. Bei der abgewandelten Ausführungsform
der 10 ist statt der in 9 vorgesehenen Erregerspule 15 ein
Permanentmagnet 17 vorgesehen. Im übrigen arbeitet der Grenzwertsensor
der 10 in der gleichen Weise wie der in der 9.
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Bei
der in der 11 dargestellten Ausführungsform
ist der Grenzwertsensor 5 als elektrooptischer Sensor ausgebildet,
bei dem das drehbare Sensorteil 5a als scheibenförmiger Strahlunterbrecher
und das ortsfeste Sensorteil 5b als Lichtschranke ausgebildet
sind. Die Lichtschranke besteht aus einer Strahlungsquelle 18,
einer Optik 19 und einem optoelektronischen Empfänger 20.
Wenn die von der Strahlungsquelle 18 ausgehende Strahlung
durch das als halbkreisförmige
Scheibe ausgebildete Sensorteil 5a bei Drehungen der Lenkspindel
unterbrochen oder wieder freigegeben wird, erzeugt der optoelektronische
Empfänger 20 ein
Signal, das als Grenzwertsignal 9 dient.
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Wie
anhand der 2 erläutert wurde, wird das Grenzwertsignal 9 dem
elektronischen Steuergerät 10 (Mikrocontroller)
zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Das elektronische Steuergerät 10 wird zweckmäßigerweise
mit einer Lenkradsperre (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeuges so gekoppelt,
dass es nur bei entriegelter Lenkradsperre aktiviert wird. Solange
die Lenkradsperre nicht entriegelt ist, kann die Lenkspindel nicht
gedreht werden, so dass dann auch kein Drehwinkel erfasst werden
muss. Das elektronische Steuergerät 10 wie auch die
Sensoren 4 und 5 werden daher nur dann aktiviert,
wenn die Lenkspindel gedreht werden kann. Das elektronische Steuergerät 10 und
die Sensoren 4, 5 können dann über die Wegfahrsperre oder über einen
Radioanschluss mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei ihr
Stromverbrauch im Vergleich zu den übrigen Energie verbrauchenden
Geräten
unbedeutend ist.
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Soll
dagegen die Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels als unabhängiges Gerät mit eigener Stromversorgung
ausgebildet werden, so empfiehlt es sich, auf andere Weise dafür zu sorgen,
dass das elektronische Steuergerät 10 und
die Sensoren 4, 5 nicht ständig in Betrieb sind.
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Eine
Möglichkeit
besteht darin, eine Wake-Up-Schaltung 22 vorzusehen, um
in vorgegebenen Zeitabständen
das elektronische Steuergerät 10 und
somit die Sensoren 4, 5 zu aktivieren, wie dies
in 12 schematisch angedeutet ist. Die durch die Wake-Up-Schaltung 22 vorgegebenen
Zeitabstände werden
kleiner als die menschliche Reaktionszeit gewählt und betragen beispielsweise
200 ms. Aufgrund der flächigen
Ausbildung des drehbaren Sensorteils 5a bei den beschriebenen
Ausführungsbeispielen wird
die Reaktionszeit für
die Messvorrichtung wesentlich verlängert, so dass auch längere Zeitabstände vorgesehen
werden können.
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Eine
andere Möglichkeit,
den Stromverbrauch im Ruhezustand des Fahrzeugs niedrig zu halten,
besteht darin, jedes Mal, wenn die Lenkspindel einen Winkel von
360° über- bzw.
unter schreitet, einen Weckimpuls zu erzeugen, mit dem dann das elektronische
Steuergerät 10 aktiviert
wird. Dieser Weckimpuls kann durch den Grenzwertsensor 5 selbst
erzeugt werden. Ein entsprechender Weckimpuls 23 ist in 12 durch
einen Pfeil angedeutet, der den Sensorteilen 5a und 5b zugeordnet
ist. Der Weckimpuls 23 wird somit von dem Grenzwertsignal gebildet,
das, wie in 12 angedeutet, durch einen Verstärker 21 verstärkt wird.
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In 12 sind
beide Möglichkeiten
gemeinsam dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass bei einer bestimmten
Vorrichtung entweder nur die eine Möglichkeit (innerer Weckimpuls
durch eine Wake-Up-Schaltung) oder die andere Möglichkeit (äußerer Weckimpuls 23 durch
den Grenzwertsensor 5) vorgesehen wird.
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Der
Informationsspeicher 11 dient dazu, die Zahl der Umdrehungen
zu speichern, um sie jederzeit, auch nach einem Stillstand des Fahrzeuges,
abrufen und mit dem Drehwinkelsignal 8 des Winkelsensors 4 verknüpfen zu
können.
Vorzugsweise ist der Informationsspeicher 11 als EEPROM
oder FLASH-Speicher ausgebildet. Andere Ausführungsformen sind in den 13 bis 15 dargestellt.
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Der
in 13 dargestellte Informationsspeicher 11 ist
als SWITCHED-CAPACITOR-Schaltung mit einer Spannungsquelle 24,
einem ersten Schalter S1, einem ersten Kondensator
C1, einem zweiten Schalter S2,
einem zweiten Kondensator C2 und einem Operationsverstärker 25 ausgebildet.
Der Ladungszustand (Spannungsanstieg oder -abfall) des zweiten Kondensators
C2 stellt die Zahl der Umdrehungen der Lenkspindel
dar.
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Der
Informationsspeicher 11 der 14 unterscheidet
sich von dem der 13 im wesentlichen dadurch,
dass dem ersten Kondensator C1 zwei Schalter
S1 und S2 zugeordnet
sind, während
der zweite Kondensator C2 keinen Schalter
benötigt.
Da im übrigen
derartige SWITCHED-CAPACITOR-Schaltungen im Stand der Technik bekannt sind,
wird auf sie nicht weiter eingegangen.
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Der
in 15 dargestellte Informationsspeicher 11 ist
als Magnetkernspeicher ausgebildet, der mehrere Speicherkerne K1, K2, K3 in
Form von z.B. Ferritkernen aufweist. Die Speicherkerne K1, K2, K3 werden über Schalter
S1, S2, S3 mit Strömen
beaufschlagt und in entgegengesetzter Richtung von Leseströmen L durchflossen.
Der Magnetisierungszustand der Speicherkerne K1,
K2 und K3 stellt
hierbei die Zahl der Umdrehungen der Lenkspindel dar.
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
erlauben die beschriebenen Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung eine präzise
Erfassung des Gesamtdrehwinkels einer Lenkspindel oder eines anderen
Drehkörpers
ohne den Einsatz eines mechanischen Getriebes oder mechanisch miteinander
stehender bewegter Teile.