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DE202006009621U1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse (14), mit einer ersten Meßeinrichtung (10) zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und einer zweiten Meßeinrichtung (12) zur Bestimmung eines absoluten Winkelbereichs, wobei die erste Meßeinrichtung (10) einen an die Drehachse (14) gekoppelten Rotor (16) und einen relativ zum Rotor (16) stationären Träger umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder auf dem Rotor (16) oder auf dem Träger codierte Bereiche (18) angeordnet sind, die bezüglich der Drehachse (14) in Umfangsrichtung verteilt sind, und daß auf dem Träger bzw. auf dem Rotor (16) wenigstens ein erster Sensor (20) angeordnet ist, der bei einer Drehung der Drehachse (14) die Codierung der codierten Bereiche (18) erfaßt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse, mit einer ersten Meßeinrichtung zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und einer zweiten Meßeinrichtung zur Bestimmung eines absoluten Winkelbereichs, wobei die erste Meßeinrichtung einen an die Drehachse gekoppelten Rotor und einen relativ zum Rotor stationären Träger umfaßt.
  • Zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels eines Lenkrads bezüglich einer Ursprungslage (Mittelstellung) ist eine Drehwinkelmeßvorrichtung notwendig, deren Meßbereich größer als 360° ist, da ein Lenkrad mehrere Umdrehungen in beide Drehrichtungen ausführen kann. Aus der DE 10 2005 043 301 A1 und der DE 20 2005 001 887 U1 sind Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, die für eine solche absolute Drehwinkelmessung geeignet sind. Eine erste Meßeinrichtung mißt den Drehwinkel im Bereich von 0° bis 360°, eine zweite Meßeinrichtung zählt die halben oder vollen Umdrehungen der Drehachse und gibt so einen absoluten Winkelbereich (0°–180°, 180°–360° etc. bzw 0°–360°, 360°–720° etc.) an, in den der mit der ersten Meßeinrichtung gemessene Winkel fällt. Die Kombination der Ergebnisse der beiden Meßeinrichtungen ergibt dann den absoluten Drehwinkel der Drehachse bezüglich der Ursprungslage.
  • Die Erfindung schafft eine einfach aufgebaute und kostengünstige Vorrichtung, die zur Messung eines absoluten Drehwinkels in einem großen Meßbereich geeignet ist.
  • Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß entweder auf dem Rotor oder auf dem Träger codierte Bereiche angeordnet sind, die bezüglich der Drehachse in Umfangsrichtung verteilt sind, und daß auf dem Träger bzw. auf dem Rotor wenigstens ein erster Sensor angeordnet ist, der bei einer Drehung der Drehachse die Codierung der codierten Bereiche erfaßt. Die Codierung hat den Vorteil, daß zumindest im eingeschränkten ersten Meßbereich (in der Regel 0° bis 360°) immer ein eindeutiger Winkel bestimmbar ist. Dies ist insbesondere bei der Messung eines Lenkraddrehwinkels von besonderer Bedeutung, weil damit sichergestellt ist, daß sofort nach Aktivierung des Bordnetzes eine Information über die Lenkradstellung abgefragt werden kann.
  • Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der ersten Meßeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 2 eine schematische Darstellung der zweiten Meßeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die Kombination der in den Figuren dargestellten Meßeinrichtungen 10 und 12 ergibt eine Vorrichtung, die insbesondere zur Bestimmung des absoluten Lenkraddrehwinkels in einem Kraftfahrzeug geeignet ist. Das (nicht gezeigte) Lenkrad ist drehfest an eine Drehachse 14 (Lenksäule) gekoppelt, die ausgehend von einer Ursprungslage (Mittelstellung des Lenkrads) mehrere Umdrehungen in beide Drehrichtungen ausführen kann.
  • Die erste Meßeinrichtung 10 umfaßt einen an die Drehachse 14 gekoppelten Rotor 16, der beispielsweise eine drehfest mit der Drehachse 14 verbundene und senkrecht zu dieser orientierte Scheibe sein kann. Der Rotor 16 weist mehrere codierte Bereiche 18 auf. Die codierten Bereiche 18 sind elektrisch leitende Bereiche, die unterschiedliche Geometrien haben und ungefähr im gleichen radialen Abstand r vom Drehzentrum C der Drehachse 12 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
  • Auf einem (nicht gezeigten) Träger, der – bezogen auf den Rotor 16 – stationär ist, ist ungefähr im radialen Abstand r vom Drehzentrum C der Drehachse 12 ein induktiver erster Sensor 20 angebracht. Der erste Sensor 20 ist so angeordnet und ausgelegt, daß er bei einer Drehung der Drehachse 12 die Codierung der codierten Bereiche 18 erfaßt, indem er die Induktivität der vorbeigeführten codierten Bereiche 18 mißt.
  • Aus der momentan gemessenen Induktivität und/oder der Änderung der Induktivität wird in einer Auswerteelektronik die Winkelposition des Rotors 16 in einem Meßbereich von 0° bis 360° bestimmt.
  • Um eine absolut eindeutige Messung zu ermöglichen, ist die Codierung der einzelnen Bereiche 18 in Umfangsrichtung an jeder Stelle eindeutig.
  • Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit können mehrere, an geeigneten unterschiedlichen Stellen angeordnete erste Sensoren 20 vorgesehen sein.
  • Anstelle von induktiven ersten Sensoren 20 können auch kapazitive erste Sensoren 20 vorgesehen sein, mit denen eine Änderung der Kapazität der codierten Bereiche 18 erfaßt werden kann. Auch eine Kombination aus induktiven und kapazitiven ersten Sensoren 20 ist denkbar.
  • Es ist grundsätzlich auch möglich, das oben beschriebene Meßprinzip auf umgekehrte Weise zu realisieren, indem der bzw. die ersten Sensoren 20 auf dem Rotor 16 und die codierten Bereiche 18 auf dem stationären Träger angebracht werden.
  • Die zweite Meßeinrichtung 12 umfaßt ebenfalls einen an die Drehachse 14 gekoppelten Rotor, der identisch mit dem Rotor 16 der ersten Meßeinrichtung 10 oder z.B. der Gehäusedeckel der Meßvorrichtung sein kann. Der Einfachheit halber wird im folgenden davon ausgegangen, daß es sich um denselben Rotor 16 wie bei der ersten Meßeinrichtung 10 handelt.
  • Im Rotor 16 ist eine spiralförmige Kulissenführung 22 gebildet. In die Kulissenführung 22 greift ein Auslenkelement 24 ein, das eine von der Drehung der Kulissenführung 22 abhängige Auslenkung erfährt. Das Auslenkelement 24 kann z.B. ein Arm, der eine Drehbewegung ausführt, oder ein Schieber sein, der eine lineare Bewegung ausführt.
  • Auch das Auslenkelement 24 weist wenigstens einen codierten Bereich 26 auf. Der codierte Bereich 26 des Auslenkelements 24 kann wiederum ein elektrisch leitender Bereich mit einer speziellen Geometrie sein und/oder Abschnitte unterschiedlicher Kapazität aufweisen.
  • Die zweite Meßvorrichtung 12 umfaßt ferner einen zweiten Sensor 28, der im Auslenkbereich des Auslenkelements 24 stationär angeordnet ist. Abgestimmt auf den codierten Bereich 26 des Auslenkelements 25 ist der zweite Sensor 28 ein induktiver und/oder kapazitiver Sensor.
  • Mit dem zweiten Sensor 28 ist es möglich, die Änderung der Induktivität bzw. Kapazität des codierten Bereichs 26 zu erfassen. Aus diesen Daten kann mittels der Auswertelektronik auf die Richtung und Anzahl der Umdrehungen geschlossen werden, die die Drehachse 12 durchgeführt hat.
  • Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit können wiederum mehrere, an geeigneten unterschiedlichen Stellen angeordnete zweite Sensoren 28 vorgesehen sein.
  • Die zweite Meßeinrichtung 12 kann genügend viele Umdrehungen (oder Bruchteile davon) auflösen, um den gesamten Drehbereich des Lenkrads abzudecken. Die Bestimmung des absoluten Lenkraddrehwinkels erfolgt dann durch Kombination der Meßergebnisse der ersten und der zweiten Meßeinrichtung 10 bzw. 12.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sich mit Hilfe der Auswerteelektronik selbst auf Plausibilität überprüfen und ist redundant. Außerdem ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund des Einsatzes der beiden stetig ausgeführten Meßeinrichtungen 10, 12 möglich, bei einem Ausfall einer Meßeinrichtung mittels der anderen (funktionsfähigen) Meßeinrichtung die Winkelerfassung eingeschränkt aufrechtzuerhalten.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels einer Drehachse (14), mit einer ersten Meßeinrichtung (10) zur Messung eines Drehwinkels in einem eingeschränkten ersten Meßbereich und einer zweiten Meßeinrichtung (12) zur Bestimmung eines absoluten Winkelbereichs, wobei die erste Meßeinrichtung (10) einen an die Drehachse (14) gekoppelten Rotor (16) und einen relativ zum Rotor (16) stationären Träger umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder auf dem Rotor (16) oder auf dem Träger codierte Bereiche (18) angeordnet sind, die bezüglich der Drehachse (14) in Umfangsrichtung verteilt sind, und daß auf dem Träger bzw. auf dem Rotor (16) wenigstens ein erster Sensor (20) angeordnet ist, der bei einer Drehung der Drehachse (14) die Codierung der codierten Bereiche (18) erfaßt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung in Umfangsrichtung an jeder Stelle eindeutig ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die codierten Bereiche (18) elektrisch leitend sind und der erste Sensor (20) ein induktiver Sensor ist, mit dem die Änderung der Induktivität der codierten Bereiche (18) erfaßt werden kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die codierten Bereiche (18) unterschiedliche Kapazität haben und der erste Sensor (20) ein kapazitiver Sensor ist, mit dem die Änderung der Kapazität der codierten Bereiche (18) erfaßt werden kann.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, in Umfangsrichtung verteilte erste Sensoren (20) vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (12) einen an die Drehachse (14) gekoppelten Rotor (16) mit einer am Rotor (16) angeordneten spiralförmigen Kulissenführung (22) und ein Auslenkelement (24) umfaßt, das in die Kulissenführung (22) eingreift und eine von der Drehung der Kulissenführung (22) abhängige Auslenkung erfährt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Meß- Auslenkelement (24) wenigstens einen codierten Bereich (26) aufweist, wobei der zweite Sensor (28) bei einer Auslenkung des Auslenkelements (24) die Codierung des codierten Bereichs (26) des Auslenkelements (24) erfaßt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der codierte Bereich (26) des Auslenkelements (24) elektrisch leitend ist und der zweite Sensor (28) ein induktiver Sensor ist, mit dem die Änderung der Induktivität des codierten Bereichs (26) erfaßt werden kann.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der codierte Bereich (26) des Auslenkelements (24) Abschnitte unterschiedlicher Kapazität hat und der zweite Sensor (28) ein kapazitiver Sensor ist, mit dem die Änderung der Kapazität des codierten Bereichs (26) des Auslenkelements (24) erfaßt werden kann.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, im Auslenkungsbereich des Auslenkelements (24) verteilte zweite Sensoren (28) vorgesehen sind.
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