DE19638911B4 - Drehwinkelsensor mit integrierter Umdrehungserkennung - Google Patents

Drehwinkelsensor mit integrierter Umdrehungserkennung Download PDF

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Abstract

Drehwinkelsensor, insbesondere Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge, mit mehreren quer (in Richtung R) zur Abtastrichtung (Richtung T) auf einem Codierelement (1) angeordneten, im Wesentlichen kreisringförmigen-Codespuren (17 bis 22), welche mit Codeworten versehen sind, wobei der Drehwinkel aufgrund eines Codeworts (7, 8) bestimmt wird, welches durch eine Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Codierelementes (1) gelesen wird und wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche die von dem Codierelement (1) gegenüber einer Nullstellung eingenommene Umdrehungszahl feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Codierelement (1) und der Leseeinrichtung (2) Führungsmittel (10, 11) vorgesehen sind, welche die Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl gegenüber einer Nullstellung zu den einzelnen Codespuren (17 bis 22) quer (in Richtung R) zur Leserichtung (in Richtung T) der Codeworte fördern.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor insbesondere Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge. Derartige Sensoren werden benötigt für z. B. Regeleinrichtungen zur Regelung der Fahrstabilität von Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Sensoren ist regelmäßig mindestens eine kreisförmig angeordnete Codespur auf einem Codierelement vorgesehen, wobei auf der Codespur sich nicht wiederholende Codeworte angebracht sind. Das Codierelement ist mit dem Lenkstock des Fahrzeugs gekoppelt. Auf diese Weise kann von der Drehbewegung des Codierelementes a die Schwenkbewegung der Fahrzeugräder geschlossen werden.
  • Da bei jeder Drehstellung des Codierelementes nur ein bestimmtes Codewort durch die Leseeinrichtung gelesen werden kann, kann aufgrund des gefundenen Codeworts auf die Stellung der Codierscheibe und damit die Winkelstellung der Lenkräder des Fahrzeugs geschlossen werden. Als Schwierigkeit hat sich herausgestellt, dass das Lenkrad mehrere Umdrehungen machen muss, um die insgesamt mögliche Schwenkbewegung der Lenkräder durchzuführen. Es ist somit nicht nur wichtig, die absolute Drehbewegung des Lenkrades zu kennen, sondern es müssen auch die Anzahl der Umdrehungen des Lenkstocks gegenüber einer Nullstellung bekannt sein, um den Schwenkwinkel der Lenkräder eindeutig bestimmen zu können. Hierzu ist in der DE 196 01 965 A1 der Anmelderin schon vorgeschlagen worden, ein Schrittschaltwerk mit Zähler vorzusehen, welches in Abhängigkeit von den durch das Codierelement durchgeführten Umdrehungen schrittweise vorwärts oder rückwärts geschaltet wird, so dass die Zahl der gegen eine Nullstellung bestehenden Umdrehungen des Codierelementes stets bekannt ist.
  • Aus der EP 0 638 810 A1 ist eine Codiereinrichtung bekannt geworden, mit der ein auf einer sich drehenden Scheibe, entlang einer Kreisbahn angeordneter Code mittels eines Sensors abgetastet werden kann. Bei mehreren, nebeneinander vorgesehenen Codespuren ist es denkbar, den Code mittels eines Sensors durch eine schnelle Hin- und Herbewegung in radialer Richtung abzutasten.
  • Aus der DE 41 13 841 A1 ist eine Einrichtung zur Messung und Bestimmung eines Drehwinkels eines rotierenden Objekts bekannt geworden, wobei ein zur Drehachse radial verstellbarer Lesekopf verwendet werden kann.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es auf ein besonderes Schrittschaltwerk zur Bestimmung der gerade gültigen Umdrehungszahl zu verzichten und die Messung der Umdrehung in den eigentlichen Drehwinkelsensor zu integrieren.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip darin, mehrere quer zur Bewegungsrichtung der Leseeinrichtung angeordnete Codespuren vorzusehen und die Leseeinrichtung in Abhängigkeit von der gerade gültigen Umdrehungszahl zu den einzelnen Codespuren zu befördern. Dabei kann durch die gerade abgetastete Codespur die augenblicklich gültige Umdrehung festgelegt sein. Dies kann dadurch geschehen, dass innerhalb jeder Spur ein besonderer Code abgetastet werden kann, der einen Hinweis auf die Umdrehungszahl gibt. Es ist aber auch möglich, einen fortlaufenden (beispielsweise Maximalcode) derart über alle Spuren zu verteilen, dass mit Hilfe der entschlüsselten Codeworte nicht nur der absolute Drehwinkel, sondern gleichzeitig auch noch die Umdrehungszahl festgelegt ist.
  • Erfindungsgemäß sind die Führungsmittel zwischen dem Codierelement und der Leseeinrichtung angeordnet. Die Führungsmittel können dabei direkt an Codierelement und Leseeinrichtung angeordnet sein. Es empfiehlt sich insbesondere eine Ausgestaltung, bei der das dem Codierelement zugeordnete Führungsmittel parallel zur spiralförmigen Codespur verläuft. Besonders einfach wird die Konstruktion durch die Maßnahmen nach Anspruch 4. Insbesondere dann, wenn die Codierung auf dem Codierelement nach dem Durchlichtprinzip arbeitet. Es ist dabei zweckmässig, die Codierung, d. h. die Durchbrüche auf der Codescheibe am Boden der Führungsnut anzuordnen, da dort die Scheibe ohnedies eine geringere Dicke hat. Gleichzeitig können die Leseelemente wie beispielsweise Diode CCD-Zeile, Hall-Element oder ähnliches an der dem Nutboden zugewandten Fläche der Leseeinrichtung angeordnet sein, so dass sie seitlich abgeschirmt direkt unterhalb der die Codierung bildenden Durchbrüche sich befinden.
  • Eine besonders einfache Anordnung der Codespuren ergibt sich durch die in Anspruch 2 angegebene Merkmalskombination. Danach werden die einzelnen Codespuren spiralförmig miteinander verbunden. Dies kann dadurch geschehen, dass bei einer bestimmten absoluten Winkelstellung die Leseeinrichtung in Abhängigkeit von ihrer Drehbewegung eine Spur höher oder niedriger befördert wird. Besonders einfach wird die Gesamtcodespur aber dann, wenn sie eine durchgehende spiralförmige Spur bildet, so dass die Bewegungsrichtung der Leseeinrichtung abgesehen bei Umschaltung von der Vorwärtsnach Rückwärtsbewegung keine größere Änderung erfährt. Die Codespur kann dabei entsprechend der Merkmalskombination nach Anspruch 3 spiralförmig sowohl auf einer Kreisscheibe oder auch auf einer Mantelfläche eines Zylinders angeordnet sein. Es kann dabei sowohl das Durchlichtprinzip als auch das Reflexionsprinzip angewendet werden. Soweit der Zylinder kein Hohlzylinder ist, ist das Reflexionsprinzip anzuwenden, beispielsweise dann, wenn die Codespur spiralförmig auf den Lenkstock aufgebracht ist.
  • Um nicht eine spezielle Codierung hinsichtlich der gerade eingenommenen Umdrehungszahl festlegen zu müssen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 6. Danach ist die Codierung durch einen fortlaufenden, sich über die gesamte Spirale erstreckenden Maximalcode gebildet. Da sich keines der Codeworte wiederholt, kann innerhalb dieser mehrschrittigen Codeworte auch gleichzeitig nicht nur der Absolutwinkel, sondern auch die entsprechende Umdrehungszahl verschlüsselt werden.
  • Besonders einfach wird die Leseeinrichtung bei Verwendung einer CCD-Zeile. Die Leseelemente wie beispielsweise Dioden oder Hall-Element können aber auch auf zueinander parallel laufenden Spuren gerichtet sein, so dass sich hierdurch die absolute Drehlage aber auch die relative Drehlage des Codeelements gegenüber den Leseelementen bestimmen lässt.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
  • 1 eine Codescheibe mit darunter tangential angeordneter CCD-Zeile und
  • 2 eine Transporteinrichtung zum Transport der CCD-Zeile in radialer Richtung.
  • 1 zeigt als Codierelement eine Codescheibe 1, deren Drehwinkel ermittelt werden soll. Unterhalb der Codescheibe 1 ist eine CCD-Zeile angeordnet. Wie dies in Verbindung mit der Patentanmeldung DE 196 38 912 A1 der Anmelderin beschrieben wurde. Die Codierscheibe 1 ist mit einer spiralförmigen Codespur 3 versehen, auf der ein fortlaufender Maximalcode über alle sechs Windungen angebracht ist. Dieser Maximalcode zeichnet sich dadurch aus, dass er eine fortlaufende Codierung erhält, wobei schrittweise mehrschrittige (beispielsweise 14-schrittige) Codeworte ausgelesen werden können und die einzelnen auslesbaren Codeworte über alle sechs Spuren sich nicht wiederholen (näheres hierzu auch in der Patentanmeldung DE 196 38 912 A1 der Anmelderin).
  • In 1 ist somit nur ein kurzer Ausschnitt der gesamten Codierung gezeigt.
  • Die CCD-Zeile 2 ist mit einer Reihe (5) von nebeneinanderliegenden lichtempfindlichen Elementen (sog. Pixel) ausgestattet, durch welche das gerade abgetastete Codewort ausgelesen wird. Die Codierung arbeitet nach dem sog. Durchlichtprinzip, d. h. oberhalb der Betrachtungsebene von 1 befindet sich eine Lichtquelle, welche die lichtdurchlässigen Codierfelder 7 durchleuchtet, während die undurchsichtigen Codierfelder 8 kein Licht zu der Pixel-Reihe 5 durchlassen. Hierdurch ergibt sich eine Lichtverteilung auf der Pixel-Reihe, durch welche das von der Drehwinkellage der Codescheibe abhängige Codewort über die Pixel-Reihe 5 gelesen werden kann. Für die Erfindung besonders wichtig ist nun ein sich in radialer Richtung erstreckender Schlitten 9, durch welchen die CCD-Zeile 2 in radialer Richtung führbar ist. Schlitten und CCD-Zeile befinden sich unterhalb der Codescheibe 1.
  • In 2 ist nun die Codescheibe 1 stark vergrößert im Schnitt dargestellt, wobei sich die Scheibe um die Längs achse L in Drehrichtung T (siehe auch 1) dreht. Der in 2 gezeigte Schnitt verläuft dabei entlang der Schnittlinie A-B in 1. Die Codescheibe 1 ist mit einer spiralförmigen Nut 10 versehen, in welche ein entsprechender Vorsprung 11 an der CCD-Zeile 2 eingreift. Vergleichbar mit dem Tonkopf eines Plattenspielers wird somit die CCD-Zeile beim Drehen der Codescheibe 1 in Abhängigkeit von der Drehrichtung T in Bewegungsrichtung R nach rechts oder links gefördert. Am Boden der spiralförmigen Nut 10 sind die undurchsichtigen bzw. durchsichtigen Codefelder 7, 8 eingearbeitet, wobei sie durch eine nicht dargestellte oberhalb der Codescheibe in 1 und 2 befindliche Lichtquelle angestrahlt werden. Die die Codefelder durchdringende Strahlung wird mit der Pixel-Reihe 5 erkannt und das somit gelesene Codewort identifiziert, wodurch sich der Drehwinkel der Codescheibe 1 bestimmen lässt. Das identifizierte Codewort beschreibt aber nicht nur den absoluten Drehwinkel der Scheibe, sondern auch die gerade gültige Umdrehungszahl. Die ermittelten Codeworte bzw. die zur Ermittlung der Codeworte notwendigen Spannungswerte der einzelnen Pixels können an den Anschlüssen 13, 14 abgegriffen werden.
  • Um mittels der Leseeinrichtung die einzelnen Codeworte lesen zu können, ist es notwendig, eine Lichtquelle vorzusehen. Diese Lichtquelle kann im einfachsten Fall das gesamte Codierelement im wesentlichen gleichmäßig ausleuchten, so dass alle Codeworte theoretisch lesbar sind, aber nur dasjenige Codewort gelesen wird, welches sich aus der augenblicklichen Position der Leseeinrichtung durch diese lesen lässt. Bei dieser großflächigen Ausleuchtung des Codierelements kann die Lichtquelle ortsfest angeordnet sein. Dabei eignet sich sowohl das Durchlichtprinzip als auch das Reflexlichtprinzip, d. h. die Leseeinrichtung wertet entweder die durch das Codierelement hindurchtretende Strahlung oder die durch das Codierelement reflektierte Strahlung aus. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Lichtquelle parallel zu der Leseeinrichtung zu führen, wobei im wesentlichen der die Leseeinrichtung umgebende Bereich des Codierelements ausgeleuchtet wird und wiederum das Durchlicht- oder Reflexlichtprinzip angewendet werden kann. Bei dieser Ausgestaltung wird die Lichtquelle vorzugsweise beweglich angeordnet. Dies gilt zumindest für die direkte Beleuchtung des Codierelements. Eine andere Möglichkeit kann darin bestehen, die Lichtquelle auch in diesem Fall zwar ortsfest anzuordnen, das Licht aber beispielsweise über einen Lichtleiter der Positionsänderung des Leseelements nachzuführen.
  • Übersicht
  • Die bisherigen Systeme zur Erfassung des absoluten Lenkradwinkels sind prinzipiell, unabhängig vom gewählten physikalischen Sensorprinzip (z. B. optisch, magnetisch), auf einen Winkelbereich von 0-360° beschränkt. Liegt eine Lenkraddrehung vor, die diesen Bereich überschreitet, wird, entsprechend der periodischen Fortsetzung, nur der Absolutwinkel in dem Wertebereich [0-360°] erkannt. Ist ein Absolutwinkel mit entsprechend Umdrehungszahl n mit α = n·360° + α'gewünscht, ist eine zusätzliche Sensoreinheit, bestehend z. B. aus Spezialgetriebe, Sensorik und Elektronik, erforderlich. Diese Zusatzeinheit ermittelt die Umdrehungszahl n, wobei über Software schließlich α berechenbar ist.
  • Inhalt dieser Anmeldung ist ein Sensorprinzip, mit dem, bei Verwendung von nur einer Sensoreinheit (z. B. foto- oder magnetosensitiver Zeile), der Absolutwinkel, inklusive der Um drehungszahl, ermittelt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist nicht nur zur Bestimmung des Lenkradwinkels verwendbar, es kann für alle Applikationen eingesetzt werden, bei denen der Absolutwinkel über einen Bereich von mehreren Umdrehungen bestimmt werden soll.
  • Sensorprinzip: Wesentliches Prinzip dieses absoluten Winkelmeßsystems ist eine auf eine Codescheibe spiralförmig aufgebrachte Codespur mit mehreren Windungen (die Anzahl der Codespurwindungen entspricht der Umdrehungszahl des zu detektierenden Winkelbereiches). Dieser Code wird über eine Sensorzeile geführt. Abhängig von der Umdrehungszahl befindet sich diese Zeile aufgrund einer geeigneten mechanischen Mitnahme und Führung an der entsprechenden Windung der spiralförmigen Codespur.
  • Bei dem auf der Codespur aufgebrachten Code handelt es sich um einen nach verschiedenen Kriterien optimierten Maximalcode. D.h. die jeweilige auf der Sensorzeile abgebildete Bitkombination existiert im gesamten winkelmeßbereich nur unikativ.
  • Realisierungsmöglichkeiten: Die Codespurspirale kann auf verschiedene Weise integriert werden: Mögliche Varianten wären die Aufbringung auf eine planare Scheibe (Bewegungsrichtung der Sensorzeile: radial zur Lenksäule) oder Integration auf den Mantel eines rotationssymmetrischen Zylinders (Bewegungsrichtung der Sensorzeile: axial zur Lenksäule). Exemplarisch ist in der angefügten Abbildung eine Konstruktionsmöglichkeit dargestellt, die eine Scheibe mit spiralförmiger Codespur, die Sensorzeile, die radiale Sensorführung und die mechanische Mitnahmemöglichkeit des Sensors enthält.
  • Für die Mitnahme des Sensors sind unterschiedliche Mechaniken denkbar: Wie im Konstruktionsbeispiel dargestellt, sind zwischen den Codespurwindungen Stege vorgesehen, welche das Sensorelement in radialer Richtung mitnehmen. Ebenso ist die Mitnahmemöglichkeit bei Codespuranbringung auf der Mantelfläche eines Kreiszylinders durch derartige Stege denkbar. Anstelle der hier gezeigten Stegen sind andere Varianten (z.B. Nuten) für die Mitnahme möglich. Die Sensorbewegung kann alternativ auch mit einem Getriebe realisiert werden. Das in der Abbildung dargestellte Beispiel stellt das von der konstruktiven Seite her gesehen einfachste Realisierungsprinzip dar. Je nach Applikation müssen die einzelnen hier aufgezählten Möglichkeiten gegeneinander abgewogen werden.
  • Als Sensorelement ist die auf dem fotoelektrischen Effekt basierende CCD- (Charge Coupled Device) Zeile prädestiniert. Denkbar sind ebenso linear angereihte, diskrete optische Sensoren (z.B. Opto-Array) oder magnetische Sensorelemente, die ebenfalls in einer Linie angeordnet sind. Die geometrischen Abmessungen der Anreihung und die Anzahl der benötigten Sensorelemente sind mit dem Code abzustimmen.
  • Bei Verwendung des optischen Sensorprinzips (z.B. CCD-Zeile) eignen sich sowohl das Durchlicht- wie auch das Reflexlichtprinzip, wobei aus Gründen der Störunanfälligkeit das Durchlichtprinzip zu bevorzugen ist (durch Schmutz, Anlaufen, Alterung etc. reduziert sich der 0-1-Pegelabstand beim Reflexlichtprinzip). Die Lichtquelle kann bei beiden Verfahren entweder mit der Sensorbewegung geführt werden (fokussierter Lichtstrahl) oder aber der gesamte durch den Sensor überstrichene Bereich wird großflächig ausgeleuchtet. Ist aus Konstruktionsgründen die Position der Lichtquelle eingeschränkt, kann das Licht über einen Kunststofflichtleiter geführt werden, wobei, z.B. zur Erzeugung einer definierten Lichtverteilung in der Lichtaustrittsöffnung des Leiters eine Linsencharakteristik implementiert werden kann. Zur Erhöhung der Kantenschärfe, auch bei schneller Lenkraddrehung, und zur Kompensation von Helligkeitsschwankungen (z.B. Alter) arbeitet die Lichtquelle im adaptiven Pulsbetrieb.
  • Vorteile des Verfahrens: Absolutwinkel für großen Wertebereichmöglich: z.B. ± 1080° bei 6 Codespurwindungen. Keine zusätzliche Sensorik und Auswertung für die Umdrehungszahl erforderlich. Bei Nutzung einer CCD-Zeile und geeigneter Auswertealgorithmen sind hohe Auflösungen zu erreichen. Relativ einfache Konstruktion. Geringer Platzbedarf.

Claims (9)

  1. Drehwinkelsensor, insbesondere Lenkwinkelsensor für Kraftfahrzeuge, mit mehreren quer (in Richtung R) zur Abtastrichtung (Richtung T) auf einem Codierelement (1) angeordneten, im Wesentlichen kreisringförmigen-Codespuren (17 bis 22), welche mit Codeworten versehen sind, wobei der Drehwinkel aufgrund eines Codeworts (7, 8) bestimmt wird, welches durch eine Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Codierelementes (1) gelesen wird und wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche die von dem Codierelement (1) gegenüber einer Nullstellung eingenommene Umdrehungszahl feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Codierelement (1) und der Leseeinrichtung (2) Führungsmittel (10, 11) vorgesehen sind, welche die Leseeinrichtung (2) in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl gegenüber einer Nullstellung zu den einzelnen Codespuren (17 bis 22) quer (in Richtung R) zur Leserichtung (in Richtung T) der Codeworte fördern.
  2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Codespuren (17 bis 22) derart spiralförmig verbunden sind, dass die Gesamtcodespur (3) eine Spirale ergibt.
  3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Codespuren (17 bis 22) auf einer Kreisscheibe oder auf der Mantelfläche eines Zylinders angeordnet sind.
  4. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel aus einer Nut-Vorsprung-Verbindung bestehen, wobei das dem Codierelement (1) zugeordnete Verbindungsmittel (10) spiralförmig angeordnet ist.
  5. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (1) eine Codescheibe und das der Codescheibe zugeordnete Führungsmittel eine spiralförmige Nut (10) ist, und dass die Codierung (7, 8) am Boden der Nut und die Leseelemente (5) der Leseeinrichtung (2) an der dem Nutboden (15) zugewandten Fläche (16) eines Vorsprungs (11) an der Leseeinrichtung (2) angeordnet sind.
  6. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung ein Maximalcode ist, der sich über die gesamte spiralförmige Codespur (3) erstreckt.
  7. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leseeinrichtung (2) eine CCD-Zeile ist, die tangential (T) zu den im wesentlichen kreisförmig angeordneten Codespuren (17 bis 22) ausgerichtet ist.
  8. Drehwinkelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (1) durch eine ortsfeste Lichtquelle ausgeleuchtet wird, wobei das Durchlichtprinzip oder das Reflexlichtprinzip Anwendung findet.
  9. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle beweglich angeordnet ist und einen Teil des Codierelements (1) im Bereich der Leseeinrichtung (2) direkt ausleuchtet oder dass eine Lichtquelle ortsfest angeordnet ist und der im Bereich der Leseeinrichtung (2) befindliche Teil des Codierelements (1) über einen nachgeführten Lichtleiter indirekt ausgeleuchtet wird.
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