DE19744722B4

DE19744722B4 - Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE19744722B4
Application number: DE19744722A
Authority: DE
Inventors: Matthias Moerbe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: JP4215310B2; DE19744722A1; US6163746A; FR2769702A1; FR2769702B1; JPH11192963A; ITMI982110A1; IT1302576B1

Abstract

Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen mit einer Lenksäule, einem Lenkgetriebe und Spurstangen, bei der mit ersten Mitteln ein Feinsignal abgeleitet wird, das die Winkelstellung der Lenksäule anzeigt, bei der mit zweiten Mitteln ein Grobsignal abgeleitet wird, das die Anzahl der Umdrehungen der Lenksäule in der einen oder anderen Drehrichtung angibt, und bei der durch Verknüpfung von Feinsignal und Grobsignal der Lenkwinkel ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als erste Mittel ein Dauermagnet (10) mechanisch fest mit der Lenksäule (1) verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfindlichen Feinsignal-Sensor (11) dreht,
daß der Feinsignal-Sensor (11) ein der Winkelstellung der Lenksäule (1) entsprechendes analoges Feinsignal abgibt, und
daß als zweite Mittel einer Spurstange (2) eine Grobsignal-Sensoreinrichtung (5, 9) zugeordnet ist, welche die Verstellung der Spurstange (2) innerhalb ihres gesamten Verstellbereiches nach Teilbereichen (a bis h) und Verstellrichtung berührungslos erfaßt und als digitale Grobsignale...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für bestimmte Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen, z. B. für die Fahrdynamikregelung, wird aus Sicherheitsgründen sofort nach Betätigung des Zündschalters des Kraftfahrzeuges die aktuelle Lenkradposition benötigt. In derartig ausgerüsteten Kraftfahrzeugen sind daher Lenkradwinkelsensoren erforderlich, die als Absolutsensoren unmittelbar nach dem Einschalten eine eindeutige Winkelerkennung ermöglichen. Ein Lenkradwinkelsensor ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 95/25660 A1 bekannt.
Dieser bekannte Sensor zum Erfassen des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeuges weist eine erste Codierscheibe auf, die von einer ersten Anzahl von Aufnehmern abgetastet wird und sich mit derselben Geschwindigkeit wie das Lenkrad dreht. Eine zweite Codierscheibe dreht sich mit einem Viertel der Geschwindigkeit der ersten Codierscheibe und weist drei Codespuren auf, die von einer zweiten Anzahl von Aufnehmern abgetastet werden. In einem zugeordneten Mikrocontroller wird aus dem Ausgangssignal der der ersten Codescheibe zugeordneten Aufnehmer das sogenannte Feinsignal gewonnen, während die zweiten Aufnehmer das Grobsignal liefern, da sich erst nach einer Winkeldrehung von ±720°, also 1440° wiederholt. Durch geeignete Verknüpfung der erzeugten Fein- und Grobsignale kann jederzeit eine eindeutige Winkelbestimmung durchgeführt werden.
Bei dem bekannten Sensor zum Erfassen des Lenkradwinkels werden also Codescheiben eingesetzt, die an vorgebbaren Stellen Aussparungen aufweisen, wobei diese Aussparungen den eigentlichen Code bilden. Als Aufnehmer werden Hallschranken eingesetzt, die mit je einem Magneten zusammenarbeiten. Die Hallschranken befinden sich dabei auf einer Seite der Codescheibe, während die Magnete auf der anderen Seite der Codescheibe angeordnet sind. Damit wirkt die Codescheibe als Blende und die Hallschranken geben Ausgangssignale ab, die erkennen lassen, ob sich zwischen ihnen und den zugeordneten Magneten eine Aussparung der Codescheibe befindet oder nicht.
Die bekannte Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen ist sehr aufwendig, insbesondere was die Herstellungstechnik und den konstruktiven Aufbau betrifft. Wird das Grobsignal über ein von der Lenksäule gesteuertes Getriebe abgeleitet, dann gehen Toleranzen sehr stark in die Genauigkeit des ermittelten Lenkwinkels ein. Außerdem ist für die Anordnung ein entsprechendes Antriebsmoment erforderlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß mit wesentlich reduziertem Aufwand und praktisch vernachlässigbarem Antriebsmoment eine genauere Erfassung des Lenkwinkels ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als erste Mittel ein Dauermagnet mechanisch fest mit der Lenksäule verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfindlichen Feinsignal-Sensor dreht, daß der Feinsignal-Sensor ein der Winkelstellung der Lenksäule entsprechendes analoges Feinsignal abgibt, und daß als zweite Mittel einer Spurstange eine Grobsignal-Sensoreinrichtung zugeordnet ist, welche die Verstellung der Spurstange innerhalb ihres gesamten Verstellbereiches nach Teilbereichen und Verstellrichtung berührungslos erfaßt und als digitale Grobsignale abgibt.
Bei dieser Ausgestaltung trägt die Lenksäule nur den Dauermagneten und eine Spurstange den Magnetstreifen. Die übrigen Elemente, wie Feinsignal-Sensor und Grobsignal-Sensor samt Auswerteeinrichtungen sind berührungslos mit dem Lenkmechanismus gekoppelt und können leicht an unterschiedlichen Lenksystemen angebracht werden. Die Toleranzen der kardanisch getriebenen Lenksäule werden eliminiert und die Anordnung ist unabhängig von der Konstruktion der Lenksäule und dem Lenkstockschalter. Ist das Kraftfahrzeug mit einer der verschiebbaren Lenksäule versehen, dann wird mit der neuen Anordnung das Crashverhalten der Lenksäule nicht beeinträchtigt.
Die Grobsignal-Sensoreinrichtung ist leicht an andere Übersetzungen im Lenkgetriebe, z. B. für Nutzfahrzeuge, anpaßbar. Ein weiterer Vorteil der neuen Ausgestaltung liegt darin, daß die Anordnung selbst keine Geräusche erzeugt. Die Sensoren brauchen nicht im Stand-by-Betrieb arbeiten, da mit der Ein schaltung der Versorgungsspannung sofort der aktuelle Lenkwinkel über das analoge Feinsignal und das digitale Grobsignal erfaßt wird.
Die Erfassung der Winkelstellung der Lenksäule wird dann besonders einfach, wenn vorgesehen wird, daß als magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor ein AMR-Sensor (anisotrope magnete resistance) verwendet ist, der in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Dauermagneten ein potentiometrisches Feinsignal abgibt.
Die Stellung der Spurstange in dem vorgegebenen, maximalen Verstellbereich wird nach einer Ausgestaltung dadurch eindeutig erfaßt, daß mit der Spurstange ein Magnetstreifen verbunden ist, der entsprechend der Teilbereiche ihres Verstellbereiches in Magnetfelder mit verschiedenen Magnetfeldrichtungen unterteilt ist, und daß ein Grobsignal-Sensor entsprechend der erfaßten Magnetfeldrichtungen zugeordnetes Grobsignale abgibt. Nach einer Ausgestaltung kann so verfahren werden, daß die Magnetfelder des Magnetstreifens eine Breite aufweisen, die der Verstellung der Spurstange bei einer halben Umdrehung der Lenksäule entspricht.
Dabei wird ein schneller Übergang im Grobsignalcode dadurch sichergestellt, daß der Magnetstreifen in zwei Hälften mit jeweils gleicher Anzahl von vier Magnetfeldern unterteilt ist, daß in jeder Hälfte von Magnetfeld zu Magnetfeld die Magnetfeldrichtung sich um 90° verändert und daß in der Mitte des Magnetstreifens sich die Magnetfeldrichtung der benachbarten Magnetfelder um 135° ändert.
Als brauchbar hat sich ein Magnetstreifen erwiesen, der als magnetisierbarer Polymerstreifen hergestellt ist.
In zweckmäßiger Weise kann die Anordnung so erweitert sein, daß das analoge Feinsignal des Feinsignal-Sensors und das digitale Grobsignal des Grobsignal-Sensors einem Konverter zuführbar sind, der entsprechend des ermittelten Lenkwinkels angepaßte Informationssignale an eine Weiterverarbeitungseinrichtung liefert.
Die Erfindung wird anhand eines anhand der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Lenkantrieb für ein Kraftfahrzeug,
2 als Prinzip-Blockschaltbild die Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels,
3 ein Ausführungsbeispiel für einen an einer Spurstange anbringbaren Magnetstreifen,
4 ein Spannungsdiagramm des Feinsignal-Sensors und
5 einen Konverter zur Aufbesserung der Fein- und Grobsignale.
Von dem Lenkantrieb ist in 1 nur das untere Ende der Lenksäule 1 und das damit angetriebene Lenkgetriebe 4 schematisch dargestellt. Das Lenkgetriebe 4 steuert die Stellbewegung der beiden Spurstangen 2 und 3 in der Weise, daß bei einer Drehbewegung der Lenksäule 1 in dem Uhrzeigersinn beide Spurstangen 2 und 3 nach links und entgegen dem Uhrzeigersinn nach rechts verstellt werden. Dabei hängt der Verstellweg von dem Verstellwinkel α der Lenksäule 1 ab.
Wie 2 zeigt, ist mit der Lenksäule 1 ein Dauermagnet 10 mechanisch fest verbunden, so daß sich dieser spielfrei mit der Lenksäule 1 verdreht. Vor dem Dauermagneten 10 ist ein Feinsignal-Sensor 11 zum Erfassen des Verstellwinkels α angeordnet, der z. B. als magnetfeldrichtungsempfindlicher AMR-Sensor (anisotrope magnetic resistance) ausgebildet ist. Der Feinsignal-Sensor 11 erhält über seine Anschlüsse 12 und 14 die Versorgungsspannung und gibt an dem Ausgang 13 das Feinsignal ab, das entsprechend 4 je nach Winkelstellung α der Lenksäule 1 und damit des als Stabmagnet ausgebildeten Dauermagneten 10, welcher quer zur Längsachse der Lenksäule 1 und symmetrisch zu dieser angeordnet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gibt der Feinsignal-Sensor 11 in der Ausgangsstellung der Lenksäule 1 den unteren Spannungswert der analogen Spannung V ab. Sowohl bei der Verstellung der Lenksäule 1 im Uhrzeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinnes nimmt mit zunehmendem Verstellwinkel die Spannung V in der ersten Halb-Umdrehung bis auf den oberen Spannungswert zu. In der anschließenden Halb-Umdrehung nimmt die Spannung V wieder kontinuierlich auf den unteren Spannungswert ab. Dies bedeutet, daß die ungeradzahligen Halb-Umdrehungen der Lenksäule 1 Spannungsanstieg und die geradzahlingen Halb-Umdrehungen bezogen auf die der Geradeausfahrt zugeordneten Ausgangsstellung durch Spannungsabfall gekennzeichnet sind.
Um die Winkelstellung der Lenksäule 1 und damit den aktuellen Lenkwinkel zu erhalten, muß das Grobsignal nach Halb-Umdrehungen codierte Grobsignale liefern. Dazu ist ein Grobsignal-Sensor 5 vorgesehen, der abgedichtet in das Lenkgetriebe 4 eingeführt ist und die Verstellung einer Spurstange 2 in den beiden Verstellrichtungen nach Halb-Umdrehungen der Lenksäule 1 erfaßt. Dem Grobsignal-Sensor 5 ist ein Magnetstreifen 9 zugeordnet ist, der an der Spurstange 2 angebracht ist und sich am Grobsignal-Sensor 5 vorbeibewegt. Der Magnetstreifen 9 ist als magnetisierbarer Polymerstreifen ausgebildet, der nach dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in acht Magnetfelder a bis h unter teilt ist, die alle verschiedene Magnetfeldrichtungen aufweisen. Der Grobsignal-Sensor 5 ist magnetfeldrichtungsempfindlich und gibt je nach Stellung zu den Magnetfeldern a bis h acht verschiedene digitale Grobsignale ab. Die Breite der Magnetfelder a bis h erstreckt sich jeweils über einen Teil-Verstellweg der Spurstange 2, die einer halben Umdrehung von 180° der Lenksäule 1 entspricht. Beim Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Magnetstreifen 9 über acht Magnetfelder, die einer zweifachen Umdrehung der Lenksäule 1 in jeder Drehrichtung zugeordnet sind. Der gesamte Verstellbereich der Spurstange 2 wird also durch den Magnetstreifen 9 in acht gleiche Teil-Verstellbereiche unterteilt, der sich an dem feststehenden Grobsignal-Sensor 5 vorbeibewegt. In der Ausgangsstellung steht der Grobsignal-Sensor 5 zwischen den Magnetfeldern d und e. In jeder Stellung des Lenkgetriebes 4 kann daher sofort der aktuelle Lenkwinkel abgeleitet werden, wobei das am Feinsignal-Sensor 11 anstehende analoge Feinsignal und das am Grobsignal-Sensor 5 anstehende digitale Grobsignal miteinander verknüpft werden.
Wie 5 zeigt, kann die Versorgungsspannung für die Sensoren auch über einen Konverter 18 erfolgen, dem das Feinsignal vom Ausgang 13 und das Grobsignal vom Ausgang 7 der Sensoren 10 und 5 zugeführt werden. Der Konverter 18 wird über die Anschlüsse 15 und 17 gespeist und liefert am Ausgang 16 ein Informationssignal, das aus dem anstehenden Feinsignal und dem anstehenden Grobsignal abgeleitet wird und an eine Weiterverarbeitungseinrichtung, wie ein CAN-, VAN-, SCP- oder PWM-System angepaßt ist. Der Konverter 18 kann, wie die Anschlüsse 6, 8, 12 und 14 zeigen, auch die Versorgung der Sensoren 5 und 9 mit einer Versorgungsspannung übernehmen. Der Konverter 18 und die Sensoren 5 und 9 können als Anbaugerät für das Lenkgetriebe 4 ausgebildet sein.

Claims

Anordnung zum Erfassen des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen mit einer Lenksäule, einem Lenkgetriebe und Spurstangen, bei der mit ersten Mitteln ein Feinsignal abgeleitet wird, das die Winkelstellung der Lenksäule anzeigt, bei der mit zweiten Mitteln ein Grobsignal abgeleitet wird, das die Anzahl der Umdrehungen der Lenksäule in der einen oder anderen Drehrichtung angibt, und bei der durch Verknüpfung von Feinsignal und Grobsignal der Lenkwinkel ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Mittel ein Dauermagnet (10) mechanisch fest mit der Lenksäule (1) verbunden ist, der sich vor einem die Winkelstellung derselben erfassenden, magnetfeldrichtungsempfindlichen Feinsignal-Sensor (11) dreht, daß der Feinsignal-Sensor (11) ein der Winkelstellung der Lenksäule (1) entsprechendes analoges Feinsignal abgibt, und daß als zweite Mittel einer Spurstange (2) eine Grobsignal-Sensoreinrichtung (5, 9) zugeordnet ist, welche die Verstellung der Spurstange (2) innerhalb ihres gesamten Verstellbereiches nach Teilbereichen (a bis h) und Verstellrichtung berührungslos erfaßt und als digitale Grobsignale abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor (11) ein AMR-Sensor (anisotrope magnete resistance) verwendet ist, der in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Dauermagneten (10) ein potentiometrisches Feinsignal abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spurstange (2) ein Magnetstreifen (9) verbunden ist, der entsprechend der Teilbereiche ihres Verstellbereiches in Magnetfelder (a bis h) mit verschiedenen Magnetfeldrichtungen unterteilt ist, und daß ein Grobsignal-Sensor (5) entsprechend der erfaßten Magnetfeldrichtungen zugeordnete Grobsignale abgibt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder (a bis h) des Magnetstreifens (9) eine Breite aufweisen, die der Verstellung der Spurstange (2) bei einer halben Umdrehung (180°) der Lenksäule (1) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetstreifen (9) in zwei Hälften mit jeweils gleicher Anzahl von vier Magnetfeldern (a bis d und e bis h) unterteilt ist, daß in jeder Hälfte von Magnetfeld zu Magnetfeld die Magnetfeldrichtung sich um 90° verändert und daß in der Mitte des Magnetstreifens (9) sich die Magnetfeldrichtung der benachbarten Magnetfelder (d und e) um 135° ändert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetstreifen (9) als magnetisierbarer Polymerstreifen hergestellt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Feinsignal des Feinsignal-Sensors (11) und das digitale Grobsignal des Grobsignal-Sensors (5) einem Konverter (18) zuführbar sind, der entsprechend des ermittelten Lenkwinkels angepaßte Informationssignale an eine Weiterverarbeitungseinrichtung (CAN; VAN; SCP; PWM) liefert.