DE4115244A1 - Winkelsensor zur bestimmung der drehlage einer welle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen, aus der EP-3 86 439-A bekannten Win­ kelsensor besitzt der Grobsensor ein Geberelement, das auf einer spiralförmig verlaufenden Bahn gleitet. Die Spiralbahn ist dabei entweder in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Welle oder längs dieser Achse ausgebildet. In beiden Fällen legt das Geber­ element bei einem Durchlauf der Welle von einem zum anderen Endanschlag, bei dem mehrere Umdrehungen durchgeführt wer­ den, einen Weg zurück, der von einem Anfangs- zu einem End­ punkt verläuft. Die Mittellage ist durch eine Position des Gebere­ lements gekennzeichnet, die etwa in der Mitte zwischen den bei­ den Endpunkten der Bewegungsbahn liegt. Der Grobsensor liefert wie der Feinsensor eine absolute Winkelinformation.

Ein derartiger Winkelsensor erfordert bei seinem Einbau einen er­ heblichen Aufwand, da die Mittellage der Welle mit der entspre­ chende Lage des Geberelements korreliert werden muß. Nur dann ist sichergestellt, daß der Grobsensor eine exakte Aussage über die jeweils vorliegende Umdrehungszahl der Welle liefert. Da das Geberelement beispielsweise im Gehäuse der Welle gelagert und somit frei gegenüber der Spiralbahn beweglich ist, ergeben sich insbesondere in der Serienfertigung insbesondere bei schlechten Sichtverhältnissen erhebliche Einbauprobleme. Ferner kann es bei einem fehlerhaften Einbau zu einer Beschädigung oder sogar Zer­ störung des Grobsensors kommen, wenn das Geberelement bei den Drehbewegungen der Welle über seine Endposition hinaus­ läuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelsensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der fertigungstechnisch ver­ einfacht und auch bei einem fehlerhaften Einbau vor einer Be­ schädigung geschützt ist. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Aus­ gangssignal des Grobsensors nicht durch die Vorgabe einer Ein­ baulage vorzubestimmen, sondern für die jeweilige Einbaulage des Grobsensors, die in der Regel in einem weiten Bereich vari­ ierbar ist, die Mittellage der Welle durch die numerische Aus­ wertung zumindest eines der von den beiden Sensoren gelieferten Meßsignale zu bestimmen. Unter Einbaulage des Grobsensor ist dabei die Zuordnung zwischen dem Geberelement des Sensors und dem zugehörigen Aufnehmer zu bestimmen.

Die Erfindung bedingt einen Aufbau des Grobsensors, der sich von dem bei dem eingangs genannten Winkelsensor unterscheidet. Der Grobsensor soll nun gerade keinerlei Anschläge für die Be­ wegung des Geberelements besitzen. Vielmehr muß sichergestellt sein, daß er bei einer beliebigen Einbaulage der Drehbewegung der Welle ungehindert folgen kann.

Die Auswertung zumindest eines der beiden von den Sensoren gelieferten Meßsignale kann auf unterschiedliche Weise vorge­ nommen werden. So ist es beispielsweise bei einem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung, bei dem der Winkelsensor zur Be­ stimmung der Drehlage der Lenkwelle und damit des Lenkwinkels des Kraftfahrzeugs dient, möglich, die Auswertung einmalig bei Inbetriebnahme des Winkelsensors vorzunehmen. Dies kann bei­ spielsweise "am Band" erfolgen. Dort ist sichergestellt, daß sich die Räder des Kraftfahrzeugs in der Geradeaus-Stellung befinden.

In dieser Stellung erfolgt in der Regel auch die Montage des Lenkrads. Es ist damit möglich, bei dieser Montage gleichzeitig die Ausgangssignale der beiden Sensoren und insbesondere des Grobsensors festzuhalten und damit die Mittellage der Welle zu definieren.

Alternativ dazu und auch bei anderen Anwendungsfällen der Erfin­ dung, bei denen beispielsweise die Mittellage der Welle nicht zu einem definierten Zeitpunkt vorgegeben ist, kann die Auswertung zur Bestimmung der Mittellage der Welle auch in einer numeri­ schen Mittelung der vom Fein- und/oder Grobsensor gelieferten Meßsignale bestehen. Dabei ist angenommen, daß die Mittellage von allen Lagen der Welle die größte Häufigkeit besitzt. Für den bereits angesprochenen Anwendungsfall bei einem Kraftfahrzeug kann diese Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Information über die Mittellage der Welle, beispielsweise infolge einer Abkopplung der Sensoren vom Bordnetz verlorengegangen ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschäftigen sich mit der konstruktiven Seite des Winkelsensors. So kann das Geberele­ ment des Grobsensors ein mit der Welle synchronisiert bewegtes Endlosband sein, das bei der Umdrehung der Welle über ihren gesamten Drehbereich einen Weg zurücklegt, der der Lage des Endlosbandes gleich ist. Diese Lösung zeichnet sich durch einen geringen Herstellungs- und Wartungsaufwand auf.

Die Bandlänge kann beispielsweise gleich der Länge sein, die sich durch Abwicklung der Welle über ihre gesamten Umdrehun­ gen ergibt. Demgegenüber ergibt sich eine Verkürzung der erfor­ derlichen Bandlänge bei Verwendung eines Untersetzungsgetriebes zwischen der Welle und dem Endlosband. Ein derartiges Untersetzungsgetriebe ist im Prinzip aus der eingangs genannten EP-3 86 439-A bereits bekannt. Im Zusammenhang mit der Aus­ führungsform des Geberelements in Form eines Endlosbandes er­ gibt sich dadurch eine Verkleinerung des Bauraums für den Grob­ sensor.

Die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes hat im Hinblick auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung besondere Bedeu­ tung. Ist das Untersetzungsverhältnis mindestens gleich der Gesamtzahl der Umdrehungen der Welle, so läßt sich der Grobsensor als Absolut-Winkelsensor mit einem Winkelbereich von 360° ausgestalten. Da der Feinsensor in der Regel ebenfalls als Winkelgeber ausgebildet ist, kann der Grobsensor nach demselben Funktionsprinzip wie der Feinsensor arbeiten und mit diesem im wesentlichen baugleich sein. Dadurch ergeben sich beispielsweise bei der Auswertung der von den beiden Sensoren gelieferten Signale Ähnlichkeiten, die zu einer Vereinfachung der Signalauswertung führen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der zuletzt genannten Ausführungsform der Erfindung besteht in der Verwendung eines Planetengetriebes, über das Fein- und Grobsensor miteinanderver­ bunden sind. Das Innenrad sitzt dabei auf der Welle. Das Außen­ rad dient als Geberelement für den Grobsensor. Diese Ausfüh­ rungsform zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.

Die Kosten für den Winkelsensor können noch weiter verringert werden, wenn das Planetengetriebe mit dem Feinsensor lösbar verbunden ist. Damit besteht die Möglichkeit, die Anwendungs­ fälle, bei denen bereits der Feinsensor ausreicht, gerätetechnisch von den Anwendungsfällen zu unterscheiden, bei denen zusätzlich ein Grobsensor erforderlich ist. Wiederum auf das Kraftfahrzeug bezogen ist der erste Anwendungsfall beispielsweise für ein Navi­ gations- bzw. Zielführungssystem des Kraftfahrzeugs gegeben, bei dem eine Information über die Änderungen des Lenkwinkels aus­ reicht. Durch Hinzunahme des Grobsensors unter Hinzufügen des Planetengetriebes kann das Kraftfahrzeug dann mit einer Einrich­ tung zur Fahr- bzw. Wankstabilisierung versehen werden, bei der eine Information über den tatsächlichen Lenkwinkel des Kraftfahr­ zeugs erforderlich ist.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Winkelsensors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Abwandlung dieses Sensors hinsichtlich der kon­ struktiven Ausgestaltung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Sensors,

Fig. 4 ein Diagramm zur weiteren Erläuterung der Erfindung und

Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 handelt es sich um einen Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug. Eine Lenkwelle 1 ist strichliert dargestellt. Sie trägt auf ihren Umfang einen Feinsensor 2, bei dem es sich beispielsweise um einen Absolut-Winkelgeber handelt. Dieser enthält neun parallele Scheiben 2 ₁ bis 2 ₉ deren Winkellage durch optische Geber 3 ₁-3 ₉ abgetastet werden. Die Scheiben 2 ₁-2 ₉ tragen hierzu an ihrem Rand eine digital absolute Information z. B. in Form eines Gray-Codes. Damit ergibt sich eine Winkelauflösung von 360°/2⁹, d. h. ungefähr 0,7°.

Das Ausgangssignal des Feinsensors 2 ist für jede Umdrehung der Lenkwelle 1 periodisch, d. h. es wiederholt sich nach einer vollständigen Umdrehung.

Um die jeweils vorliegende Umdrehung erkennen zu können, ist zusätzlich ein Grobsensor 4 vorgesehen, der für den Ge­ samtbereich der Lenkwellen-Umdrehungen ein eindeutiges Signal liefert. Der Grobsensor 4 besteht hierzu aus einem Planetengetriebe 5, das ein Außenrad 6, ein Innenrad 7 und ein Planetenrad 8 enthält. Das Innenrad 7 ist mit der Lenkwelle 1 gekoppelt, während das Außenrad 6 in einem Gehäuse 9 sitzt, das fahrzeugfest angeordnet ist.

Das Untersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 5 ist mindestens gleich der Anzahl der Gesamtzahl der Umdrehungen der Lenkwelle 1.

Die Drehlage des Außenrads 6 wird mit Hilfe zweier Aufnehmer 10 und 11 bestimmt, die mit den Aufnehmern 3 ₁ bis 3 ₉ baugleich sind. Hierzu besitzt das Außenrad 6 Außenringe 12 und 13, die analog zu den Rändern der Scheiben 2 ₁-2 ₉ abgetastet werden. Die Information der Außenringe 12 und 13 stellt einen absoluten Digitalcode, z. B. ebenfalls einen Gray-Code mit einer Auflösung von 360°/2² = 90° dar.

Wesentlich ist dabei, daß es auf die besondere Einbaulage des Außen- bzw. Innenrads 6 bzw. 7 nicht ankommt, da die Mittel­ stellung der Lenkwelle 1 mit Hilfe einer arithmetischen Operation gewonnen wird. Dies kann beispielsweise bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs am Band bei einer definierten Geradeaus-Stellung der Räder und damit der Mittellage der Lenkwelle 1 aus dem Ausgangssignal des Feinsensors 2 und des Grobsensors 4 er­ folgen.

Ausgehend von dieser definierten Mittellage erfährt das Außenrad 6 bei einem Drehen der Lenkwelle 1 über ihren gesamten Drehbe­ reich, beispielsweise 3 1/2 Umdrehungen, eine Umdrehung von insgesamt 360°. Aus dem Ausgangssignal des Feinsensors 2 und des Grobsensors 4 kann dabei sowohl die Nummer der jeweils vorliegenden Umdrehung als auch der Drehwinkel innerhalb dieser Umdrehung bestimmt werden. Letzteres erfolgt mit Hilfe des Fein­ sensors 2, während ersteres mit Hilfe des Ausgangssignals des Grobsensors 4 gewonnen wird. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß für beide Informationen eine vorgegebene Justierung des Au­ ßen- bzw. Innenrades 6 bzw. 7 nicht erforderlich ist. Vielmehr ge­ nügt es, wie bereits ausgeführt, die Mittellage und damit von die­ ser ausgehend die Nummer der jeweils vorliegenden Umdrehung der Lenkwelle 1 aus der Situation bei Inbetriebnahme des Winkel­ sensors abzuleiten.

Anstelle der Definition der Mittelstellung der durch die Lenkwelle 1 gelenkten Räder bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann diese Mittelstellung auch durch eine statistische Auswertung der Ausgangssignale des Grob- und Feinsensors 2 bzw. 4 gewonnen werden. Diese Mittelstellung zeichnet sich durch die größte Häufigkeit der beiden Ausgangssignale aus.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist der elektronische Aufbau des Fein- und des Grobsensors identisch. Übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 gezeichnet. Zum Unterschied von Fig. 1 ist der Grobsensor nunmehr als demon­ tierbares Teil 4′ ausgebildet, das beispielsweise auch nachträglich auf die Lenkwelle 1 aufgebracht werden kann. Über eine Stift­ verbindung 14 bzw. 15 kann eine definierte Zuordnung zwischen der Fein- und dem Grobsensor vorgenommen werden. Nicht im einzelnen dargestellt ist ferner die Möglichkeit, den Fein- und den Grobsensor miteinander mechanisch lösbar zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch eine Clipsverbindung erfolgen.

Auch hier ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine definierte vorge­ gebene Lage des Außenrads 6 nicht eingestellt zu werden braucht. Vielmehr genügt es auch hier, die Mittellage bzw. selbstverständ­ lich auch die beiden Endlagen der Lenkwelle aus den Ausgangs­ signalen des Fein- und des Grobsensors durch eine arithmeti­ sche Operation zu bestimmen.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist das Geberelement für den Grobsensor 4′′ als Endlosband 15 ausgebildet, das um mehrere Rollen 16 umlenkbar ist. Die Länge des Endlosbands 15 ist gleich der Länge, die sich bei Abwicklung von der Lenkwelle 1 über ihre gesamte Anzahl von Umdrehungen ergibt. Das Endlosband 15 ist als Zahnriemen ausgebildet, der in eine - nicht dargestellte - An­ triebsvorrichtung in Form eines Zahnrads greift. Das Zahnrad ist mit der Lenkwelle 1 drehstarr gekoppelt. Der Zahnriemen enthält eine digitale 0/1-Information mit einer Auflösung von z. B. 1°, die mit einem Aufnehmer 17 abgetastet und in einen nicht dargestellten Vorwärts-Rückwärtszähler eingegeben wird. Der Zählerstand ist eindeutig durch die jeweilige Umdrehungszahl der Lenkwelle 1 und die jeweilige Drehlage bestimmt. Ein derartiger Geber stellt einen Inkrementalgeber dar.

Auch hier ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Voreinstellung des Endlosbands 15 in eine definierte Lage nicht erforderlich ist, sondern die Mittellage der Lenkwelle ebenfalls softwaremäßig, d.h durch eine arithmetische Operation gewonnen werden kann. Das­ selbe gilt für die beiden Endlagen sowie die Möglichkeit, die Mittellage aus den beiden Endlagen zu bestimmen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Anzahl der Umdrehungen n der Lenkwelle 1 und auf der Ordinate die Größe der Ausgangssignale des Feinsensors 2 und des Grob­ sensors 4 dargestellt. Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei dem Ausgangssignal des Feinsensors um eine digitale Absolut- Information. Diese Information ist repräsentativ für den Drehwinkel (zwischen 0° und 360°) und als analoger Wert w_fein dargestellt. Dieser zeigt einen sägezahnartigen Verlauf.

Entsprechend zeigt das Ausgangssignal des Grobsensors 4 ebenfalls einen sägezahnartigen Verlauf und ist mit w_grob bezeichnet.

Abhängig von der Einbaulage von Grob- und Feinsensor sind die beiden Signale w_fein und w_grob hinsichtlich der Abszisse unter­ schiedlich gelegen und zeigen in der Regel beide ein Sprungver­ halten.

Bei der Erfindung kommt es nun auf die jeweilige Einbaulage der Grob- bzw. Feinsensoren und damit die Lage der beiden Meßsi­ gnale in bezug auf die Abszisse nicht an. Vielmehr wird die Mit­ tellage der Lenkwelle 1 bzw. bei anderen Anwendungsfällen die Meßsignale für die beiden Endlagen der Drehbewegung der Welle mit Hilfe einer arithmetischen Operation bestimmt. Dabei kann es sich, wie bereits ausgeführt, um die Montagebedingung des Kraftfahrzeugs am Band handeln. Wird dabei der Wert der beiden Meßsignale w_fein und w_grob ermittelt und festgehalten, so kann aus dem Wert der beiden Meßsignale zu einem beliebigen Zeit­ punkt auf den Drehwinkel der Lenkwelle bzw. die jeweils aktuelle Umdrehungszahl geschlossen werden.

Bei vielen Anwendungen der Erfindungen ist es erforderlich, das Ausgangssignal des Feinsensors zumindest in gewissem Umfang redundant zu gestalten. Dies kann beispielsweise dadurch ge­ schehen, daß bei den Ausführungsformen gem. den Fig. 1 und 2 zusätzlich zu dem Absolut-Winkelgeber ein inkrementaler Win­ kelgeber vorgesehen ist, dem als Eingangssignale die digitale 0/1- Information der Scheibe 2 ₉, d. h. der Scheibe für die höchste Auf­ lösung, zugeführt ist. Ebenso ist es möglich, eine Scheibe, zweckmäßigerweise wiederum die Scheibe 2 ₉ mit höchster Auflö­ sung mit zwei Aufnehmer (3 ₉) abzutasten. Damit erhält man zwei phasenverschobene Rechtecksignale, mit denen ein separater In­ krementalzähler versorgt wird. Für das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist ein derartiger zweiter Aufnehmer 17′ dargestellt.

Ebenso ist es möglich, eine Scheibe, im Idealfall wiederum die Scheibe 2 ₉ doppelt auszuführen und mit jeweils einem Aufnehmer abzutasten. Auch hier liefert ein parallel laufender Inkremental­ zähler das redundante Signal.

Ohne zusätzliche Scheibe und zusätzlichen Aufnehmer arbeitet ein drittes Verfahren, das anhand von Fig. 5 erläutert ist. Dabei wird das mit Spur 1 bezeichnete Signal einer Scheibe, zweckmä­ ßigerweise wiederum der Scheibe 2 ₉ in einer Codewandlung mit Hilfe einer nicht dargestellten Flip-Flop-Schaltung auf die halbe Frequenz und die doppelte Pulslänge gebracht und damit in ein Signal umgewandelt, das dieselbe Frequenz und Pulslänge der nächstgröberen Spur (der Scheibe 2 ₈) besitzt, gegenüber diesem jedoch phasenverschoben ist. Diese Rechtecksignale enthalten im Vergleich auch eine Information über die Drehrichtung, da sich der charakteristische Signalverlauf hinsichtlich Anstieg (0-1) bzw. Abfall (1-0) der beiden Signale für beide, mit Pfeilen nach rechts bzw. links gekennzeichneten Drehrichtungen gerade unterscheidet. Sie sind daher für eine Auswertung in einem Inkrementalzähler geeignet, sobald an einem bestimmten Positionswechsel des als Absolut-Winkelgeber arbeitenden Feinsensor 2 der Dreh­ Richtungssinn der Welle 1 eindeutig definiert ist. Daraus läßt sich die Zählrichtung des redundanten Signals definieren und eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Zählerstand des Inkrementalzählers und dem jeweiligen Lenkwinkel erzielen.

Claims (9)

1. Winkelsensor zur Bestimmung der Drehlage einer Welle, die eine Mittellage besitzt und mehrere Umdrehungen ausführt, mit einem Feinsensor für ein erstes, über einen Drehbereich von 360° laufendes Feinmeßsignal und mit einem Grobsensor für ein zweites, über den gesamten Drehbereich der Welle verlaufendes Grobmeßsignal, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grobsensor eine belie­ bige Einbaulage bezüglich der Mittellage der Welle be­ sitzt und daß die Mittellage durch Auswertung des Fein­ und/oder Grobmeßsignals bestimmt ist.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des Fein- und/oder Grobmeßsignals einmalig bei Inbetriebnahme des Winkelsensors erfolgt.

3. Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung in einer numerischen Mittelung der Fein- und/oder Grobmeßsignale besteht.

4. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grobsensor als Geber ein mit der Welle synchronisiertes Endlosband enthält, das bei Umdrehung der Welle über ihren gesamten Drehbe­ reich einen Weg zurücklegt, der der Länge des Endlos­ bandes gleich ist.

5. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grobsensor über ein Un­ tersetzungsgetriebe mit der Welle verbunden ist, deren Untersetzungsverhältnis mindestens gleich der Gesamtzahl der Umdrehungen der Welle ist.

6. Winkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grobsensor ein Absolut-Winkelgeber mit einem Winkelbereich von 360° ist.

7. Winkelsensor nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe ein Plane­ tengetriebe ist, dessen Innenrad auf der Welle sitzt und dessen Außenrad als Geber für den Grobsensor dient.

8. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe mit dem Feinsensor lösbar verbunden ist.

9. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grob- und/oder Feinsen­ sor als Absolut-Winkelgeber ausgebildet ist und ein dazu paralleles Ausgangssignal für den Drehwinkel durch einen Inkrementalgeber geliefert ist.