DE19648335C2 - Anordnung zur Positionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsmessung einer Hydraulikstange einer elektrisch angetriebenen Hydraulik-Servolenkung in einem Fahrzeug (Steer-by-Wire-System). Ein besonders kritisches Bauteil hydraulischer Systeme ist die Kolbenstange, da auf ihr wegen der erforderlichen Oberflächengüte keinerlei Marken optischer oder magnetischer Eigenschaften aufgebracht werden können, da sie als Inhomogentitäten des Materials unerwünscht sind.

Ein Positionssensor ist im allgemeinen aus den Komponenten Maßstab und Sensorelement aufgebaut. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten des Aufbaus eines solchen Sensors.

• 1. Eine codierte Stange oder Welle in Verbindung mit einem kompakten Sensorelement,
• 2. ein ausgedehntes Sensorelement und eine Markierung, die nur aus einem Element besteht.

Ein Beispiel für den zweiten Fall ist der Differentialtransformator. Sensorelement ist hier das Spulenelement, das die Ausdehnung des gesamten Wegmeßbereichs umfassen muß. Der Positionsgeber oder die Markierung besteht nur aus einem einzigen Ferritkern.

Aus der europäischen Patentschrift EP 05 09 244 B1 ist ein Sensor und Verfahren zur Messung der Position eines Kolbens in einem Schwingungsdämpfer bekannt. Der Kolben besteht aus magnetisierbarem Material wie auch die Zylinderwand und ist von einer Spule konzentrisch umgeben, die sich auf einem Schutzrohr befindet. Durch Bewegung des Kolbens wird ein veränderbarer induktiver Widerstand gebildet, der mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet und mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit durch den sich relativ nur wenig ändernden magnetischen Widerstand der Kombination von Kolben und Zylinder relativ klein ist.

Aus der WO 94/07037 A1 ist eine massive Kolbenstange mit einem Magnetmaßstab und einer Schutzhülle aus austenitischem Stahl bekannt. Für den Fall, daß mit der Kolbenstange Kräfte übertragen werden sollen, entnimmt der Fachmann der WO 94/07037 A1, daß mindestens drei Elemente zur Kraftübertragung vorzusehen sind, nämlich eine zentrale Kolbenstange als Element zur Kraftübertragung, ein Magnetmaßstab und eine Schutzhülle, wobei die Kraftübertragung mit der zentralen Stange erfolgt und die Schutzhülle lediglich zum Schutz des Magnetmaßstabes gegen Verschmutzung und Verschleiß dient. Die Ausbildung einer Hydraulikstange als Rohr zur Kraftübertragung ist aus der WO 94/07037 nicht bekannt. Ebenso ist aus der WO 94/07037 A1 nicht bekannt, die Kolbenstange in einer Hydraulikservolenkung zu verwenden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hydraulikstange als Rohr, wobei das Rohr sowohl die Funktion der Kraftübertragung als auch die Schutzfunktion für den Magnetmaßstab übernimmt, ermöglicht es, mit Vorteil auf eine zentrale Kolbenstange zur Kraftübertragung zu verzichten.

Die Erfindung geht davon aus, daß die herkömmlichen Verfahren, die beispielsweise eine passive magnetische Codierung an der Oberfläche einer Hydraulikstange vorsehen, in der Herstellung zu aufwendig und teuer sind. Der Wechsel der magnetischen Eigenschaften findet direkt an der Stangenoberfläche statt, wobei die relative Permeabilität sich von 4 = 1 zu einem Wert von g = 500 sprungartig ändern kann. Dabei wäre eine Stange aus nichtferromagnetischem Stahl (Austenit) durch ein spezielles Verfahren mit einer ferromagnetischen Struktur (Martensit) zu versehen. Auch für die Möglichkeit, einen sogenannten HNS-Stahl (High-Nitrogen-Steel) durch ein spezielles Verfahren mit einer ferromagnetischen Struktur zu versehen, kann trotz spezieller Behandlung keine vollständige Homogenisierung der mechanischen Oberflächeneigenschaften garantiert werden. Dadurch haben derartige Hydraulikstangen eine erhöhte Bruchneigung.

Die Lösungen, bei denen eine magnetische Markierung direkt auf die Kolbenstange aufgebracht werden, sind ungünstig, weil die Markierungen eine von der Matrix unterschiedliche Struktur und damit auch unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, welche zu unterschiedlicher Abnutzung und - wie erwähnt zum Bruch infolge von Rißbildung durch mechanische Wechselbeanspruchung der Kolbenstange führen. Aufgrund unterschiedlicher Abnutzung wird auch die Dichtung vorzeitig ausfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung anzugeben, welches keine Eingriffe in die Materialeigenschaften der Meßobjekte bedeutet, deren Verschiebung gemessen werden soll und die unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen ist, wobei eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Der Sensor nach der Erfindung zeichnet sich durch große Robustheit aus und benötigt praktisch zur Anbringung des raumsparenden und in integrierter Technik hergestellten Sensors keine störenden Anbauten oder zusätzliche Elemente. Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß für die verschiebliche Stange ein Werkstoff verwendet wird, der gleichzeitig paramagnetisch und von großer Härte ist. Aufgrund der magnetisch durchsichtigen Rohrwand sind die in dem verschieblichen Rohr angebrachten Permanentmagnete nach außen hin nicht abgeschirmt, so daß ihre magnetischen Felder von dem Sensorelement in voller Stärke erfaßt werden. Der Hauptvorteil des äußerst kompakt aufgebauten Sensors ist seine Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung und die hohe mechanische Festigkeit.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß Maßstab und überwachtes Bauelement eine Einheit bilden, und die Skalen des Maßstabs nach Außen optisch und mechanisch nicht erkennbar sind.

Das Bauelement ist aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt, der keine ferromagnetischen Bestandteile aufweist. Durch die spezielle Auswahl der Stahlsorte ist es ausgeschlossen, daß sich der üblicherweise immer vorhandene Verformungsmartensit bildet. Die in die Mechanik/Hydraulik integrierte und nach außen nicht sichtbare magnetische Skala ist keinerlei Verschleiß unterworfen und benötigt keine zusätzlichen Volumina oder größeren Baulängen für die Skala.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 Einen Hydraulikantrieb mit magnetischem Maßstab,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Brückenschaltung aus magnetoresistiven Sensoren,

Fig. 3 die Lage der Sensoren relativ zum auszumessenden Magnetfeld,

Fig. 4 die Signalspannung an einem Längensensor in Abhängigkeit vom Meßweg, Fig. 5 das Prinzip der absoluten Längenmessung mit zwei periodischen magnetischen Spuren unterschiedlicher Phase.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Integration eines magnetischen Maßstabs 1, der mit einem Sensorelement 3 abgetastet wird in einer Hydraulikstange 2. Das Sensorelement ist am Hydraulikgehäuse 4 befestigt. Das Hydrauliköl wird durch die Kanäle 5 zugeführt. Die Stange bzw. das Hydraulikrohr 2 wird durch Ringe 6 abgedichtet. Der Kolben 7 trägt eine Dichtung 8. Als Sensoren zum Auslesen des magnetischen Maßstabs kommen in Frage: magnetoresistive Sensoren, Hallsensoren und induktive Sensoren.

Magnetoresistive Sensorchips, wie beispielsweise aus der DE 42 37 540 C2 bekannt, sind in Analogie zur entsprechenden optischen Sensorchips entwickelt worden. Ein solcher Chip enthält zwei komplette Wheatstone-Brücken aus magnetoresistiven Sensorstreifen mit Barberpolstruktur. Die Anordnung der Sensorstreifen gegenüber einem Magnetmaßstab ist in Fig. 3 dargestellt. Die Widerstände der Brücke sind auf dem Chip so angeordnet, daß alle Barberpolstrukturen gleiche Richtung haben und in einem äußeren Magnetfeld die gleiche Widerstandsänderung erfahren. Sie liefern also im Nullzustand der Brücke kein Signal. Eine Aussteuerung der Brücken ist nun durch einen magnetisch codierten Maßstab möglich. Zwischen den Streifen der ersten Brücke und den Streifen der zweiten Brücke besteht eine Verschiebung um jeweils ein Viertel der Periodenlänge auf dem Maßstab. Die relative Anordnung des Sensorelements 3 zu den zu detektierenden Magnetfeldern des Maßstabs 1 zeigt Fig. 3 Daraus folgt, daß die Signale aus beiden Brücken um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, d. h. es stehen zur Auswertung und zur Interpolation ein sin- und ein cos- Signal zur Verfügung. Ein entsprechendes Meßergebnis ist in Fig. 4 dargestellt. Es zeigt die gemessene Sinus- und Cosinusausgangsspannung (in 0,1 V), den daraus ermittelten Meßweg s (in Pollängen) und die Abweichungen δ zum wirklichen Meßweg (in 0,1 Pollängen) bei 2 mm Abstand des Sensors von der Oberfläche des Maßstabs. Die magnetoresistiven Sensoren werden mit der von der Halbleitertechnik her bekannten Mikrostrukturtechnologie hergestellt. Das garantiert die erforderliche genaue relative Lage der Einzelsensoren auf einem Chip.

In einer Neuentwicklung der Linearsensoren müssen die Sensorchips und Maßstäbe so dimensioniert sein, daß über einen weiten Abstandsbereich eine abstandsunabhängige Signalamplitude erreicht wird. Dies ist möglich, obwohl der Abstand vom Maßstab eine rasch abnehmende Magnetfeldstärke zur Folge hat. Sie können bis zu Temperaturen von 150°C eingesetzt werden. Der optimale Abstand von Sensorelement und Maßstab sollte etwas kleiner als die Maßstabsperiode sein. Damit lassen sich Abstände bis zu 0,01 mm detektieren.

Magnetoresistive Sensoren haben folgende Vorteile:

• - bei hohen Feldstärken gibt es keine nennenswerte Abhängigkeit des Signals von der Magnetfeldstärke
• - durch eine Brückenschaltung gibt es keinen Signal-Offset
• - durch die Brückenschaltung werden Temperatureffekte weitgehend kompensiert
• - die Montage erfolgt mit geringen Justieraufwand, die Sensoren sind in die mechanischen Komponenten aufgrund des geringen Volumens leicht integrierbar
• - sie erlauben eine ausreichende Meßgeschwindigkeit.

Bei einer Skala mit einer vorgegebenen Veränderung der magnetischen Marken auf der Skala lassen sich auch absolute Wegmessungen vornehmen. Ein bekanntes Absolutweg-Meßsystem beruht auf der Auswertung von magnetischen Marken, die mit jeweils unterschiedlicher Periodenlänge auf zwei Maßstäben angebracht sind. Dabei gilt, daß beide Maßstäbe bei gleicher Gesamtlänge eine um eins differierenden Zahl von Perioden aufweisen müssen. Aus einem solchen Doppelmaßstab kann die Nummer der anliegenden Periode bestimmt werden.

Zur Erläuterung des Auswertverfahrens dient Fig. 5. Der errechnete Weg ist eine säge­ zahnförmige Kurve. Der Meßfehler 8 beträgt maximal nur Bruchteile von 1%. Zur Grobposition des absoluten Meßwerts wird noch der Interpolationswert für die Phase der bei der entsprechenden Position liegenden letzten Periode der Spur dazuaddiert, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Zum Auslesen magnetischer Maßstäbe sind Halleffekt-Sensoren von der Empfindlichkeit her ähnlich gut geeignet wie magnetoresistive Sensoren. Auch bei ihnen sind folgende Vorteile zu vermerken-

• - kostengünstige Herstellung mit Hilfe der von der Halbleitertechnik her bekannten Mikrostrukturtechnologie
• - geringes Zusatzvolumen
• - Integrierbarkeit in die betreffende mechanische Komponente
• - ausreichende Meßgeschwindigkeit

Das Hallsensor-Signal ist jedoch feldstärke- und damit stark abstandsabhängig. Dies verlangt sehr kleine Toleranzen bei der Montage. Induktive Sensoren können nicht ohne weiteres mit den von der Halbleitertechnik her bekannten Methoden hergestellt werden, da ihre Abmessungen zu groß sind. Sie werden daher für die Auswertung wahrscheinlich weniger gut geeignet sein.

Eine große Bedeutung im Zusammenhang mit dem Einsatz der Erfindung haben die mechanischen und magnetischen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Für den Einsatz in einer Hydraulikstange bedeutet dies einerseits eine große Härte auf der Oberfläche und andererseits eine Möglichkeit, das Material an der Oberfläche zu schleifen und zu polieren, so daß aus dem Hydraulikzylinder kein Öl verloren geht. Für die verlangten Festigkeitseigenschaften erscheint ein austenitischer rostfreier Stahl, welcher durch Stickstoffeinlagerung verfestigt wurde, am besten geeignet. Ein Stahl mit den Legierungsbestandteilen Chrom, Mangan und bis zu 1% Gewichtsprozent Stickstoff erreicht eine Streckgrenze von 700 Mpa. Dieser Stahl ist durch Kaltumformung bis zu einer Streckgrenze von 2.500 Mpa noch weiter zu verfestigen.

Claims (5)

1. Anordnung zur Positionsmessung in einer elektrisch angetriebenen Hydraulikservolenkung mit einem Hydraulikgehäuse (4) und einer Hydraulikstange (2) sowie einem magnetischen Maßstab (1) und einem Sensorelement (3) wobei das Sensorelement (3) an dem Hydraulik­ gehäuse (4) befestigt ist und die Position des magnetischen Maßstabs (1) abtastet, wobei
die Hydraulikstange (2) als Rohr aus austenitischen Stahl ausgebildet ist, in dessen Inneren der magnetische Maßstab angeordnet ist,
und wobei der Stahl die Legierungsbestandteile Chrom und Mangan sowie Stickstoff in Anteilen zwischen 0,2 bis 1 Gewichtsprozent hat und eine Streckgrenze zwischen 700 Mpa und 2500 Mpa aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hydraulikstange (2) der magnetische Maßstab mit seinen magnetischen Berei­ chen unverschiebbar angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Bereiche auf einer aus Vollmaterial hergestellten oder durchbohrten Stange angebracht sind, die zumindest an einer Stelle mit der Hydraulikstange (2) fest ver­ bunden ist und einen dem Ausdehnungskoeffizienten der Hydraulikstange (2) angepaßten Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hydraulikstange (2) zwei Maßstäbe angeordnet sind, welche magnetische Berei­ che mit jeweils verschiedenem Abstand voneinander aufweisen, so daß beide Maßstäbe zur Bestimmung der Absolutposition bei gleicher Gesamtlänge eine unterschiedliche Zahl von Perioden aufweisen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßstäbe parallel angeordnet sind, wobei beide Maßstäbe bei gleicher Gesamtlänge eine um eins differierende Zahl von Perioden aufweisen.