WO2007144165A1 - Einrichtung zur bestimmung des absoluten drehwinkels einer welle, insbesondere einer lenkwelle, sowie verfahren hierfür - Google Patents

Einrichtung zur bestimmung des absoluten drehwinkels einer welle, insbesondere einer lenkwelle, sowie verfahren hierfür Download PDF

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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0245—Means or methods for determination of the central position of the steering system, e.g. straight ahead position
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
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    • G01D2205/26—Details of encoders or position sensors specially adapted to detect rotation beyond a full turn of 360°, e.g. multi-rotation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/28—The target being driven in rotation by additional gears

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the absolute angle of rotation of a shaft, in particular a steering shaft of a vehicle, within a number of N revolutions of the shaft, with a shaft arranged around the shaft or rotationally coupled to the shaft, carrying a Abtastcod ist main rotor, with one with the shaft or the main rotor rotationally coupled, also carrying a Abtastcod ist side rotor, comprising a first scanning unit for determining the rotational position of the main rotor and a second scanning unit for determining the rotational position of the secondary rotor,
  • the devices known from the prior art are comparatively expensive in terms of the use of the sampling codes and the associated sampling units.
  • the present invention is therefore based on the object of designing a device described at the outset in such a way that simplified scanning codes and / or scanning units can be used.
  • a device having the mentioned properties has the advantage that the angle of rotation of the main rotor can not be clearly determined within one revolution of the main rotor and / or that the rotational angle of the secondary rotor can not be determined univocally within one revolution of the secondary rotor. This results in a greater freedom in the selection of the sensor systems for the main rotor and the secondary rotor.
  • Translation ratio can be provided, for example, that the main rotor provides on its outer circumference twenty-four teeth and the secondary rotor provides only eleven teeth that are in engagement with the rotor-side teeth. Examples of further conceivable values are explained in the description of the figure.
  • the values 1 and q may be different from one another, the value q advantageously being equal to one, the value 1 being equal to one.
  • the accuracy and resolution of the scanning coding and the associated scanning unit of the main rotor at least largely corresponds to the accuracy and resolution of the scanning coding and the associated scanning unit of the secondary rotor.
  • the invention is also achieved by a method for determining the absolute angle of rotation & 'within a number of N revolutions of a shaft by means of a device according to the invention, the following relationships being used:
  • ⁇ ' is the rotation angle measured by the main rotor scanning unit over the number of N revolutions
  • the invention is based on the following findings:
  • P is an integer greater than 0.
  • k Since k is calculated from measurement data, it will usually not be integer. The calculated value is then rounded to the nearest integer.
  • a device 10 according to the invention is shown, with which the absolute angle of rotation S 'of the shaft 12 over several revolutions N can be determined.
  • a main rotor 14 is arranged, wherein the shaft 12 and the main rotor 14 rotate about the axis 16.
  • a scanning code for example in the form of code tracks concentric about the axis 16.
  • the coding is scanned by means of a scanning unit 18 and evaluated by an evaluation unit 20.
  • the evaluation unit 20 also takes into account the output signals of a scanning unit 22, which rotates about the axis 24 a Abtastcodtechnik one of the main rotor 14 rotatably coupled arranged sub rotor 26 scans.
  • the evaluation unit 20 determines from the signals of the two scanning units 18, 22 the absolute angle of rotation 3 'of the shaft 20 over several revolutions N.
  • the shaft 12 may be, for example, the steering shaft of a vehicle, in which case with the device the angle of rotation 3'. the steering shaft 12 is to be determined, for example, five to seven full revolutions of the steering shaft, or a steering wheel rotatably connected therewith.
  • the codes and scanning units are designed so that the rotation angle of the main rotor 14 and the rotation angle of the sub rotor 26 can be ambiguously determined within a respective revolution. As a result, a considerable simplification of the scanning coding on the respective rotor 14, 26 is made possible.
  • the rotation angle of the main rotor can be uniquely determined in an angular range of 360 ° / q, where q is an integer and greater than zero.
  • the rotation angle of the secondary rotor can be uniquely determined in an angular range of 360 ° / l, where 1 is an integer and greater than zero.
  • N the absolute rotation angle 3 'should be uniquely determined. Given these three specified values q, 1 and N, the required transmission ratio n / m of the main rotor to the secondary rotor can be calculated as follows:
  • n ⁇ pm ⁇ ⁇ 1 (2), where p is integer and greater than zero, and
  • the absolute angle of rotation 3 'can then be determined by the following relationships: where ⁇ 'is the rotation angle measured by the main rotor scanning unit over the number of N revolutions, or
  • ⁇ ' is the rotation angle measured by the scanning unit of the sub rotor over N revolutions of the main rotor, or from the average resulting from the equations (5) and (6):

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels einer Welle innerhalb einer Anzahl von N Umdrehungen der Welle.

Description

Titel : Einrichtung zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle, sowie Verfahren hierfür
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle eines Fahrzeugs, innerhalb einer Anzahl von N Umdrehungen der Welle, mit einem um die Welle angeordneten oder mit der Welle drehgekoppelten, eine Abtastcodierung tragenden Hauptrotor, mit einem mit der Welle oder dem Hauptrotor drehgekoppelten, ebenfalls eine Abtastcodierung tragenden Nebenrotor, mit einer ersten Abtasteinheit zur Bestimmung der Drehstellung des Hauptrotors und einer zweiten Abtasteinheit zur Bestimmung der Drehstellung des Nebenrotors,
Derartige Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 195 06 938 Al, der DE 101 37 098 Al oder der DE 101 10 785 C2 bekannt geworden.
Die aus dem Stand der Technik vorbekannten Einrichtungen sind vergleichsweise aufwändig, was die Verwendung der Abtastcodierungen und der zugehörigen Abtasteinheiten betrifft. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Einrichtung dahingehend auszubilden, dass vereinfachte Abtastcodierungen und/oder Abtasteinheiten Verwendung finden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abtastcodierung und die Abtasteinheit des Hauptrotors derart ausgebildet sind, dass eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels des Hauptrotors in einem Winkelbereich von 360° /q erfolgt, wobei q ganzzahlig und größer als eins ist und/oder dass die Abtastcodierung und die Abtasteinheit des Nebenrotors derart ausgebildet sind, dass eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels des Nebenrotors in einem Winkelbereich von 360 °/l erfolgt, wobei 1 ganzzahlig und größer als 1 ist, und wobei für das Übersetzungsverhältnis n/m vom Hauptrotor zum Nebenrotor gilt:
Figure imgf000003_0001
mit nλ : nλ = pmx ±1 ,
wobei p ganzzahlig und größer null ist, und
wobei für /W1 gilt:
mx=N*q . Eine die genannten Eigenschaften aufweisende Einrichtung hat den Vorteil, dass der Drehwinkel des Hauptrotors nicht eindeutig innerhalb einer Umdrehung des Hauptrotors zu bestimmen ist und/oder dass der Drehwinkel des Nebenrotors nicht innerhalb einer Umdrehung des Nebenrotors eindeutig zu bestimmen ist. Hierdurch ergibt sich eine größere Freiheit bei der Auswahl der Sensorsysteme für den Hauptrotor und den Nebenrotor.
Aufgrund den erfindungsgemäßen Bedingungen kann beispielsweise vorgegeben werden, dass der Drehwinkel des Hauptrotors lediglich doppeldeutig innerhalb einer Umdrehung zu bestimmen ist, wobei dann der Wert q = 2 beträgt. Für den Fall, dass bei dem in der Regel kleiner ausgebildeten Nebenrotor der Drehwinkel des Nebenrotors innerhalb einer vollen Umdrehung eindeutig bestimmt werden soll, beträgt der Wert 1 = 1. Soll ferner der absolute Drehwinkel der Welle innerhalb von 5,5 vollen Umdrehungen bestimmt werden, und wird der Wert p = 1 gewählt, so ergibt sich aufgrund den genannten Bedingungen ein Übersetzungsverhältnis von Hauptrotor zu Nebenrotor n/m = 24/11 = 2,1818.
Zur Realisierung eines erforderlichen
Übersetzungsverhältnisses kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Hauptrotor an seinem Außenumfang vierundzwanzig Zähne vorsieht und der Nebenrotor lediglich elf Zähne vorsieht, die im Eingriff mit den rotorseitigen Zähne stehen. Beispiele für weitere denkbare Werte werden in der Beschreibung zur Figur erläutert.
Vorteilhafterweise können die Werte 1 und q voneinander verschieden sein, wobei der Wert q vorteilhafterweise ungleich eins ist der Wert 1 gleich eins ist.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann vorgesehen sein, dass die Genauigkeit und Auflösung der Abtastcodierung und der zugehörigen Abtasteinheit des Hauptrotors der Genauigkeit und Auflösung der Abtastcodierung und der zugehörigen Abtasteinheit des Nebenrotors wenigstens weitgehend entspricht .
Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels &' innerhalb einer Anzahl von N Umdrehungen einer Welle mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei folgende Zusammenhänge Verwendung finden:
Figure imgf000005_0001
wobe φ' der von der Abtasteinheit des Hauptrotors gemessene Drehwinkel über die Anzahl von N Umdrehungen ist, oder
Figure imgf000005_0002
wob Ψ' der von der Abtasteinheit des Nebenrotors gemessene Drehwinkel über N Umdrehungen des Hauptrotors ist, oder
Figure imgf000006_0001
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
Bezeichnet man mit
& den tatsächlichen Winkel des Hauptrotors über 360°
( 0° > Θ < 360° ) , i9' den zu bestimmenden absoluten Drehwinkel des Hauptrotors über mehrere Umdrehungen (mit N= 5,5 ergibt sich:
(0°>.9'>1980o) bzw. (-990°>,91>+990o) , φ den vom Sensor des Hauptrotors gesehenen Winkel des
Hauptrotors über 360° ( 0° > φ > 360° mit q=2 ) , φ' den vom Sensor des Hauptrotors gesehenen Winkel des
Hauptrotors über mehrere Umdrehungen (0<^'<3960° mit q=2),
OC den tatsächlichen Winkel des Nebenrotors über 360°, Ct' den tatsächlichen Winkel des Nebenrotors über mehrere Umdrehungen,
^ den vom Sensor des Nebenrotors gesehenen Winkel des Nebenrotors über 360°,
^ vom Sensor des Nebenrotors gesehenen Winkel des Nebenrotors über mehrere Umdrehungen,
und mit Yl den Umfang, Radius oder Zähnezahl des Hauptrotors YYl den Umfang, Radius oder Zähnezahl des Nebenrotors, # den Faktor um den der Eindeutigkeitsbereich des Sensors vom Hauptrotors reduziert wurde,
/ den Faktor um den der Eindeutigkeitsbereich des Sensors vom Nebenrotors reduziert wurde, und mit
P eine ganze Zahl größer als 0.
und wählt man die ganzzahligen Zahlen YYl1 Yl, YY\ , Y\, Q, I1 p so, dass gilt :
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0002
dann kann man die absolute Position bzw. den absoluten
Drehwinkel & des Hauptrotors über —- Umdrehungen eindeutig
erkennen.
Die weiteren Berechnungen werden ohne Einschränkung der
Allgemeinheit mit
Figure imgf000007_0003
durchgeführt.
Aus den obigen Definitionen hat man die Beziehungen
Figure imgf000008_0001
Ferner folgt aus ( 3 ) und ( 6 )
Figure imgf000008_0002
Setzt man (7) und (8) in (9) ein, so erhält man
Figure imgf000008_0003
Durch weitere Simplifikation erhält man
Figure imgf000008_0004
Da e linke Seite von (6) ganzzahlig ist, muss die rechte Seite auch ganzzahlig sein.
Daraus erhält man eine einfache lineare diophantische Gleichung der Form
Figure imgf000008_0005
und der Partikularlösung (io,jo)=(k,pk) .
Da k aus Messdaten berechnet wird, wird es in der Regel nicht ganzzahlig sein. Der berechnete Wert wird dann auf die nächstgelegene Ganzzahl gerundet.
Jede weitere Lösung von Gleichung (12) ist in der Form
(*»j)=(*Ό -j»,f,h -(pm\ +!)0=fr-w*Pk-(pm\ +1X)' mit einem ganzzahligen t ganzzahlig.
Die relevante Lösung ergibt sich für t = tr so dass, i<mx ist.
Je nachdem, welche Abtasteinheit mit der besseren Auflösung und Genauigkeit den zugehörigen Drehwinkel bestimmt, wird sie zur Bestimmung des gesuchten Winkels & entsprechend (13) oder (14) bevorzugt
Figure imgf000009_0001
Haben beide Abtasteinheiten mit den zugehörigen Abtastcodierungen annähernd dieselbe Genauigkeit und Auflösung kann man für die Bestimmung des absoluten Winkels 3' des drehbaren Körpers eine Mittelung von (13) und (14) vornehmen :
Figure imgf000010_0001
Die absolute Winkelstellung des Hauptrotors kann folglich
eindeutig über Umdrehungen erkannt werden.
Figure imgf000010_0002
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die Erfindung, insbesondere das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung, näher beschrieben und erläutert ist.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 dargestellt, mit der der absolute Drehwinkel S' der Welle 12 über mehrere Umdrehungen N bestimmt werden kann. An der Welle 12 ist ein Hauptrotor 14 angeordnet, wobei sich die Welle 12 und der Hauptrotor 14 um die Achse 16 drehen. Am Rotor 14 ist eine Abtastcodierung angeordnet, beispielsweise in Form von um die Achse 16 konzentrisch umlaufenden Codespuren. Die Codierung wird mittels einer Abtasteinheit 18 abgetastet und von einer Auswerteeinheit 20 ausgewertet. Die Auswerteeinheit 20 berücksichtigt dabei auch die Ausgangssignale einer Abtasteinheit 22, die eine Abtastcodierung eines mit dem Hauptrotor 14 drehgekoppelten, um die Achse 24 drehbar angeordneten Nebenrotors 26 abtastet. Die Auswerteeinheit 20 bestimmt aus den Signalen der beiden Abtasteinheiten 18, 22 den absoluten Drehwinkel 3' der Welle 20 über mehrere Umdrehungen N. Bei der Welle 12 kann es sich beispielsweise um die Lenkwelle eines Fahrzeugs handeln, wobei dann mit der Einrichtung der Drehwinkel 3' der Lenkwelle 12 über beispielsweise fünf bis sieben volle Umdrehungen der Lenkwelle, beziehungsweise eines damit drehfest verbundenen Lenkrades, zu bestimmen ist.
Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Codierungen und Abtasteinheiten so ausgelegt sind, das der Drehwinkel des Hauptrotors 14 beziehungsweise der Drehwinkel des Nebenrotors 26 innerhalb einer jeweiligen Umdrehung mehrdeutig bestimmbar sein kann. Hierdurch wird eine erhebliche Vereinfachung der Abtastcodierung auf dem jeweiligen Rotor 14, 26 ermöglicht.
Gemäß der Erfindung kann der Drehwinkel des Hauptrotors in einem Winkelbereich von 360 °/q eindeutig bestimmt werden, wobei q ganzzahlig und größer als Null ist. Entsprechend kann der Drehwinkel des Nebenrotors in einem Winkelbereich von 360°/l eindeutig bestimmt werden, wobei 1 ganzzahlig und größer als Null ist. Ferner kann vorgegeben werden, innerhalb welcher Anzahl N von vollen Umdrehungen der Welle 12 beziehungsweise des Hauptrotors 14 der absolute Drehwinkel 3' eindeutig bestimmbar sein soll. Unter Vorgabe dieser drei genannten Werte q, 1 und N kann das hierzu erforderliche Übersetzungsverhältnis n/m des Hauptrotors zum Nebenrotor wie folgt berechnet werden:
Figure imgf000012_0001
mi nλ :
nλ = pm} ± 1 (2), wobei p ganzzahlig und größer null ist, und
wobei für mλ gilt : mλ = N*q :2.i)
In der nachfolgenden Tabelle sind für q, 1 und N sowie für p verschiedene Werte angegeben, aus denen sich aus den genannten Zusammenhängen ein entsprechend zu wählendes Übersetzungsverhältnis ergibt.
Figure imgf000012_0002
Der absolute Drehwinkel 3' kann dann über folgende Zusammenhänge bestimmt werden:
Figure imgf000013_0003
wobe φ' der von der Abtasteinheit des Hauptrotors gemessene Drehwinkel über die Anzahl von N Umdrehungen ist, oder
Figure imgf000013_0001
wobei Ψ' der von der Abtasteinheit des Nebenrotors gemessene Drehwinkel über N Umdrehungen des Hauptrotors ist, oder aus dem sich aus den Gleichungen (5) und (6) ergebenden Mittelwert :
Figure imgf000013_0002

Claims

Patentansprüche
Einrichtung (10) zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels ( £' ) einer Welle (12) innerhalb einer Anzahl von N Umdrehungen der Welle (12), insbesondere einer Lenkwelle eines Fahrzeugs, mit einem um die Welle (12) angeordneten oder mit der Welle (12) drehgekoppelten, eine Abtastcodierung tragenden Hauptrotor (26) , mit einem mit der Welle oder dem Hauptrotor (14) drehgekoppelten, ebenfalls eine Abtastcodierung tragenden Nebenrotor (26) , mit einer ersten Abtasteinheit (18) zur Bestimmung der Drehstellung des Hauptrotors (14) und einer zweiten Abtasteinheit (22) zur Bestimmung der Drehstellung des Nebenrotors (26) , dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastcodierung und die Abtasteinheit (18) des Hauptrotors (14) derart ausgebildet sind, dass eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels des Hauptrotors (14) in einem Winkelbereich von 360°/q erfolgt, wobei q ganzzahlig und größer als eins ist und/oder dass die Abtastcodierung und die Abtasteinheit (22) des Nebenrotors (26) derart ausgebildet sind, dass eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels des Nebenrotors in einem Winkelbereich von 360°/l erfolgt, wobei 1 ganzzahlig und größer als eins ist, wobei für das Übersetzungsverhältnis n/m vom Hauptrotor
(14) zum Nebenrotor (26) gilt:
Figure imgf000014_0001
mit H1 : «, = pmx ± 1 , wobei p ganzzahlig und größer null ist, und
wobei für W1 gilt: mλ=N*q
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte 1 und q voneinander verschieden sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert q ungleich eins ist und dass der Wert 1 gleich eins ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit und Auflösung der Abtastcodierung und der zugehörigen Abtasteinheit des Hauptrotors (14) der Genauigkeit und Auflösung der Abtastcodierung und der zugehörigen Abtasteinheit des Nebenrotors (26) wenigstens weitgehend entspricht.
5. Verfahren zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels & innerhalb einer Anzahl von N Umdrehungen einer Welle (12) mittels einer Einrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Verwendung folgender Zusammenhänge :
Figure imgf000015_0001
wobei φ} der von der Abtasteinheit des Hauptrotors (14) gemessene Drehwinkel über die Anzahl von N Umdrehungen ist, oder
Figure imgf000016_0002
wobei Ψ1 der von der asteinheit des Nebenrotors (26) gemessene Drehwinkel über N Umdrehungen des Hauptrotors ist, oder
Figure imgf000016_0001
PCT/EP2007/005234 2006-06-14 2007-06-14 Einrichtung zur bestimmung des absoluten drehwinkels einer welle, insbesondere einer lenkwelle, sowie verfahren hierfür WO2007144165A1 (de)

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