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WO2014095652A1 - Verfahren zum erfassen eines an einer welle anliegenden drehmoments - Google Patents

Verfahren zum erfassen eines an einer welle anliegenden drehmoments Download PDF

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Publication number
WO2014095652A1
WO2014095652A1 PCT/EP2013/076587 EP2013076587W WO2014095652A1 WO 2014095652 A1 WO2014095652 A1 WO 2014095652A1 EP 2013076587 W EP2013076587 W EP 2013076587W WO 2014095652 A1 WO2014095652 A1 WO 2014095652A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
periodic
shaft
torque
signals
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/076587
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Schmid
Wolfgang Jöckel
Klaus Rink
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co. Ohg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Teves Ag & Co. Ohg filed Critical Continental Teves Ag & Co. Ohg
Priority to US14/653,533 priority Critical patent/US9897498B2/en
Priority to EP13815441.4A priority patent/EP2936097A1/de
Priority to CN201380073477.6A priority patent/CN105074406B/zh
Priority to KR1020157019167A priority patent/KR102100530B1/ko
Publication of WO2014095652A1 publication Critical patent/WO2014095652A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0215—Determination of steering angle by measuring on the steering column
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/08—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque
    • B62D6/10—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque characterised by means for sensing or determining torque
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/109—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving measuring phase difference of two signals or pulse trains

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a torque applied to a shaft and a control device for carrying out the method and a torque sensor with the control device.
  • a torque sensor is known, which determines a torque applied to this shaft based on a phase angle of two axially spaced and rotating encoder wheels on a shaft. It is an object of the invention to improve the known torque sensor.
  • a method for detecting a phase difference between a first periodic measurement signal and a second periodic measurement signal wherein the two periodic measurement signals for the
  • the specified method is based on the consideration that the periodic measurement signals, in particular in a torque ⁇ sensor of the type mentioned in the stationary shaft are only present when the shaft rotates. In many However, applications such as a handlebar, it would be desirable to detect a torque acting on the shaft even if the shaft does not rotate, so stands still.
  • the specified method with the proposal to simulate the rotation of the shaft and to superimpose at least one of the two periodic measurement signals with a rotation-simulating periodic auxiliary signal. In this way, the phase angle of the shaft over the axial distance of the shaft away even at a standstill, or even detected at very slow rotations of the shaft and can be evaluated to the torque acting on the shaft.
  • the specified method comprises the step of superimposing the second periodic measurement signal with a further known speed for the shaft simu ⁇ lierenden further periodic auxiliary signal to another superposition signal.
  • the rotation is simulated at both points of the shaft over the axial distance.
  • the periodic auxiliary signal and the further periodic auxiliary signal are the same, so that the previously known speed and the further known speed are the same. In this way, the phase difference between the superposition signal corresponds directly to the further superposition signal
  • the first periodic measurement signal is superposed with the periodic beat signal if a real speed of the shaft falls below a predetermined value.
  • the predetermined value can be chosen arbitrarily. For example, it can be chosen so that the specified method is only performed when the shaft is stationary or near standstill.
  • the first and second periodic measurement signals are respectively based on a first and second magnetic rotating field generated, which are respectively non-rotatably delivered to the shaft of this.
  • the auxiliary signal can be generated arbitrarily.
  • the auxiliary signal can be output directly from an auxiliary signal source and superimposed with the first measurement signal.
  • the second measurement signal and the further auxiliary signal can be superposed with a periodic auxiliary magnetic field generating the periodic auxiliary signal.
  • a real speed of the shaft and the previously known speed of the shaft are directed opposite. In this way it is ensured that by increasing the real speed the real movement and the simulated movement of the shaft do not cancel each other out and thus a standstill is simulated at a very high movement of the shaft.
  • an apparatus is arranged to perform one of the specified methods.
  • the specified device has a memory and a processor.
  • a specified method in the form of a computer program is stored in the memory and the processor is provided for carrying out the method when the computer program is loaded from the memory into the processor.
  • a computer program comprises program code means for performing all the steps of one of the specified methods when the computer program is executed on a computer or one of the specified devices.
  • a computer program product comprises program code stored on a compu ⁇ terlesbaren disk and which, when executed on a data processing device, carries out one of the methods specified.
  • a torque sensor for detecting a voltage applied to a shaft torque comprises based on a phase position difference Zvi ⁇ rule a first periodic measurement signal and a second periodic measuring signal is any of the means for generating the two periodic measuring signals, and an evaluation device for determining of the torque based on the phase difference between the two measurement signals.
  • the specified torque sensor can be used in any application, for example in a vehicle for detecting a torque on a torsion shaft, such as a steering shaft.
  • a vehicle includes a specified torque sensor.
  • FIG a schematic view of a steering system for a vehicle
  • FIG. 2 is a schematic view of a torque sensor in the vehicle of FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic view of an evaluation circuit for the torque sensor of Fig. 2, and 4 shows a time diagram with measurement signals in the evaluation circuit of FIG. 3.
  • Fig. 1 shows a steering system 2 for a not further shown vehicle.
  • the steering system 2 comprises a steering wheel 4, which is mounted on a shaft 6, which in turn is rotatably arranged about a rotation axis 8.
  • the steering wheel 4 is thus set up, based on an angular position 10 about the axis of rotation 8 to specify a steering angle for adjusting a steering gear 12 of the vehicle, not shown.
  • the steering wheel 4 is rotated, for example, by a driver of the vehicle not shown.
  • the angular position 10 of the steering wheel 4 is detected in the present embodiment by a drive device 14 which then drives by means of a not further shown motor in the drive ⁇ device 14, a steering shaft 16 to the Lenkge ⁇ gear 12 to operate so that wheels 18 of the not shown further in accordance with the steering angle represented by the angular position 10 in a manner known to those skilled hammered.
  • the angular position 10 must be detected.
  • the steering angle sensors 20 shown in FIGS. 2 and 3 can be used.
  • Fig. 2 shows a steering angle sensor 20 for the steering system 2 of Fig. 1.
  • the steering angle sensor 20 has a first encoder wheel 22, an axially and concentrically connected to the first encoder 22 Thread in the form of a screw 24 and a second, axially and concentrically with the screw 24 connected to the second encoder wheel 26, the first encoder 22 at the
  • Worm 22 is axially opposite.
  • the worm 24 is formed in the present embodiment of an elastic material and can be elastically rotated by applying two opposite torques to the encoder wheels 22, 26.
  • the shaft 6 is axially interrupted at the location of the steering angle sensor 20 in two parts, wherein the first encoder wheel 22 and the second part of the broken shaft 6, the second encoder wheel 26 is disposed on the first part of the interrupted shaft 6. If the shaft 4 is therefore rotated with the steering wheel 4, the steering angle sensor 20 is transferred on the one hand to the angular position 10. At the same time, the steering ⁇ angle sensor 20 is rotated when transferred to the angular position 10 with a torque 28.
  • the angular position 10 and the torque 28 should be detectable by measurement.
  • the worm 24 For detecting the angular position, the worm 24 turns 30, in which a plate 32 of a donor element 34 engages a, on the viewed from the axis of rotation 8 of the shaft 6 radially from a donor magnet 36 is placed. If the shaft 6 is transferred in the manner shown in Fig. 1 by turning the steering wheel 4 in the angular position 10, the Ge ⁇ berelement 34 is moved by the rotating shaft 6 with the screw 24 axially to the shaft 6 and in one of the angular position 10 dependent axial position 38 set. The transmitter element 34 may be guided axially to the shaft 6 in a manner not shown.
  • the first magnetoresistive sensor 42 outputs in a manner known to those skilled in the axial position 38 of the transmitter magnet 36 of the transmitter element 34 linearly dependent absolute signal.
  • the evaluation circuit 40 with the first magnetoresistive sensor 42 with respect to the rotation of the shaft 6 and the axial movement of the encoder element 30 is arranged ⁇ assigns. Details for generating a linearly dependent on the position of a transmitter magnet signal with a
  • Magnetoresistive sensors can be removed, for example, from DE 10 2006 030 746 A1 and will therefore not be explained further for the sake of brevity.
  • the first encoder wheel 22 At the first encoder wheel 22 are circumferentially arranged magnets 48 whose poles extend in the circumferential direction of the first encoder wheel 22.
  • a radially extending magnetic field from ⁇ given which is function of location in the circumferential direction of the first encoder wheel 22 is from the first encoder wheel 22 by the magnets 48th Radially above the first encoder wheel 22, the second magnetoresistive sensor 46 is arranged, which detects the radially extending magnetic field from the first encoder wheel 22 and so outputs a shown in Fig. 3 first angle signal 50 indicating the angular position of the first encoder wheel 22.
  • the generation of the angle signal 50 is analogous to
  • Absolute signal 44 and can be looked up, if necessary, in the document DE 10 2006 030 746 AI.
  • Magnets 48 whose poles extend in the circumferential direction of the second encoder wheel 26, are arranged peripherally on the second encoder wheel 26 as on the first encoder wheel 22. In this way, a radially extending magnetic field is emitted from the second encoder wheel 26 via the magnets 48, which is location-dependent in the circumferential direction of the second encoder wheel 26.
  • a third magnetoresistive sensor 52 is arranged, which is the detects radially extending magnetic field from the second encoder wheel 26 and so outputs a second angle signal 54, which indicates the angular position of the second encoder wheel 26.
  • the generation of the second angle signal 54 is carried out analogously to the first angle signal 50 and the absolute signal 44 and may also be ⁇ may, in the publication DE 10 2006 030 746 Al are nachge ⁇ beat.
  • Fig. 3 shows a circuit diagram for a part 56 of the evaluation circuit 40 of Fig. 2, the determination of the torque 28 will be explained in more detail below.
  • the worm 24 is designed to be capable of torsion in the present embodiment. That is, by applying the torque 28, the worm 24 can be rotated in the direction of the torque 28, whereby between the first encoder 22 and the second encoder 26 a phase difference occurs, which means that the first encoder 22 a Win ⁇ kel ein 10, which is different from the angular position 10 of the second encoder wheel 26.
  • this is utilized because the torque 28 is dependent in a predetermined manner on this phase difference and thus the difference between the angular positions 10.
  • the angle signals 50, 54 are evaluated with the part 56 of the evaluation circuit 40 shown in FIG. 3, and the angular positions 10 of the encoder wheels 22, 26 are determined.
  • the angle signals 50, 54 are, as already explained, generated by means of the magnetoresistive sensor 46, 52, 26 change their electrical resistance by the movement of the encoder wheels 22, 26 in a conventional manner.
  • This electrical resistance change is evaluated in the present embodiment with measuring bridges 58, which are constructed in a conventional manner from electrical resistors 60.
  • Encoder wheels 22, 26 periodically, so that the angle signals generated by the resistance change 50, 54 are periodic measurement signals. A phase difference between these periodic angle signals 50, 54 is directly the sought, dependent on the torque 28 phase difference.
  • the phase difference can only be measured if the periodic angle signals 50, 54 are sufficiently large in amplitude. These periodic angle signals 50, 54 are in turn sufficiently large in amplitude only when the encoder wheels 22, 26 rotate. In other words, are the encoder wheels 22, 26 due to an applied torque 28 with a certain difference in their angular position 10 static to each other, the torque 28 can not detect solely based on the angle signals 50, 54, since these are not sufficiently large in amplitude to evaluate the Phasenla ⁇ gen difference.
  • the angle signals 50, 54 are superimposed in accordance with a first periodic auxiliary signal 62 and a second periodic auxiliary signal 64 in the present embodiment.
  • the two periodic auxiliary signals 62, 64 are output in the present embodiment from a common auxiliary signal source 66 and can be controlled, for example via a switch 68 such that the output, for example, takes place only below a certain rotational speed of the shaft 6.
  • the superposition of the angle signals 50, 54 and the Hilfssig ⁇ dimensional 62, 64 correspondingly leads to a first periodic beat signal 70 and a second Matterlagerungssig ⁇ nal 72, which are then respectively applied to comparators 74th
  • the auxiliary signals 62, 64 have in the present embodiment, a frequency that simulates a speed at which the shaft 6 is virtually rotated.
  • By the union difference below ⁇ angular positions 10 of the encoder wheels 22, 26 are the Auxiliary signals 62, 64 phase modulated based on the angle signals 50, 54 such that in the overlay signals 70, 72 a phase difference 74 is contained, from which the torque applied to the shaft 28 can be removed.
  • phase difference 74 needs to be determined and from this the desired torque 28 can be determined, for example based on a previously determined characteristic curve 75.
  • the phase difference 74 could be determined directly from the two beat signals 70, 72, in the present embodiment, the beat signals 70, 72 are converted into comparators 76 in periodic rectangular signals 78, the determination of the phase position difference 74 in a corresponding detection means 80 significantly simplify.
  • FIG. 4 shows a temporal diagram 82 with the superposition signals 70, 72 and the associated square-wave signals 78 in the part 56 of the evaluation circuit 40 of FIG.
  • the signal values clamping ⁇ voltage values 84 are plotted against time 86th
  • the square-wave signals are generated 78 based on switching points 88 at which the overlay ⁇ signals 70, 72 change sign.
  • switching points ⁇ 88 does not generate faulty and lead to incorrect phasing differential 74, the amplitudes 90 of the beat signals 70 must be sufficiently high 72.
  • auxiliary signals 62, 64 are present, which enter a signal offset 92 in the heterodyne signals 70, 72 in order to stimulate the comparators 76 in such a way that the abovementioned switching points 88 are generated in accordance with the angular position of the two encoder wheels 22, 26.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Phasenlagen-Unterschieds (74) zwischen einem ersten periodischen Messsignal (50) und einem zweiten periodischen Messsignal (54), wobei die beiden periodischen Messsignale (70, 72) für die Bestimmung eines an einer Welle (6) anliegenden Drehmomentes (28) eine Drehung der Welle (6) in einem axialen Abstand zueinander beschreiben, umfassend: Überlagern des ersten periodischen Messsignals (50) mit einem eine vorbekannte Drehzahl für die Welle (6) simulierenden periodischen Hilfssignal (62) zu einem Überlagerungssignal (70), und Bestimmen des Phasenlagen-Unterschieds (74) in Abhängigkeit des Überlagerungssignals (70) und des zweiten Messsignals (54).

Description

Verfahren zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden
Drehmoments
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden Drehmoments und eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Drehmomentsensor mit der Steuervorrichtung . Aus der DE 10 2007 059 361 AI ist ein Drehmomentsensor bekannt, der basierend auf einer Phasenlage zweier axial zueinander beabstandeter und sich drehender Encoderräder an einer Welle ein an diese Welle angelegtes Drehmoment bestimmt. Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Drehmomentsensor zu verbessern .
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der ab- hängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Phasenlagen-Unterschieds zwischen einem ersten periodischen Messsignal und einem zweiten periodischen Mess- signal, wobei die beiden periodischen Messsignale für die
Bestimmung eines an einer Welle anliegenden Drehmomentes eine Drehung der Welle in einem axialen Abstand zueinander beschreiben, die Schritte:
Überlagern des ersten periodischen Messsignals mit einem eine vorbekannte Drehzahl für die Welle simulierenden perio¬ dischen Hilfssignal zu einem Überlagerungssignal, und
Bestimmen des Phasenlagen-Unterschieds in Abhängigkeit des Überlagerungssignals und des zweiten Messsignals. Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass die periodischen Messsignale, insbesondere bei einem Drehmoment¬ sensor der eingangs genannten Art bei stillstehender Welle nur dann vorhanden sind, wenn sich die Welle dreht. In vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei einer Lenkstange, wäre es jedoch wünschenswert, ein auf die Welle wirkendes Drehmoment auch dann zu erfassen, wenn sich die Welle nicht dreht, also still steht. Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, das Drehen der Welle zu simulieren und wenigstens eines der beiden periodischen Messsignale mit einem die Drehung simulierenden periodischen Hilfssignal zu überlagern. Auf diese Weise kann die Phasenlage der Welle über den axialen Abstand der Welle hinweg auch im Stillstand, oder auch bei sehr langsamen Drehungen der Welle erfasst und zum auf die Welle wirkenden Drehmoment ausgewertet werden.
In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Überlagern des zweiten periodischen Messsignals mit einem eine weitere vorbekannte Drehzahl für die Welle simu¬ lierenden weiteren periodischen Hilfssignal zu einem weiteren Überlagerungssignal. Auf diese Weise wird an beiden Punkten der Welle über den axialen Abstand hinweg das Drehen simuliert. In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens sind das periodische Hilfssignal und das weitere periodische Hilfssignal gleich, so dass die vorbekannte Drehzahl und die weitere vorbekannte Drehzahl gleich sind. Auf diese Weise entspricht der Phasenlagen-Unterschied zwischen dem Überla- gerungssignal dem weiteren Überlagerungssignal direkt dem
Phasenlagen-Unterschied zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal.
In einer anderen Weiterbildung wird das erste periodische Messsignal mit dem periodischen Überlagerungssignal überlagert, wenn eine reale Drehzahl der Welle einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Der vorbestimmte Wert kann dabei beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann er so gewählt werden, dass das angegebene Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn die Welle still steht oder nahe dem Stillstand ist.
In einer noch anderen Weiterbildung werden das erste und zweite periodische Messsignal entsprechend basierend auf einem ersten und zweiten magnetischen Drehfeld erzeugt, die jeweils drehfest zur Welle von dieser abgegeben werden.
Das Hilfssignal kann dabei beliebig erzeugt werden. Bei- spielsweise kann das Hilfssignal direkt von einer Hilfssig- nalquelle abgegeben und mit dem ersten Messsignal überlagert werden. Entsprechendes gilt für das zweite Messsignal und das weitere Hilfssignal. In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens kann jedoch zum Überlagern des ersten periodischen Messsignals mit dem periodischen Hilfssignal auch das erste magnetische Drehfeld mit einem das periodische Hilfssignal erzeugenden periodischen Hilfsmagnetfeld überlagert werden.
In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens sind eine reale Drehzahl der Welle und die vorbekannte Drehzahl der Welle entgegengerichtet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich durch Erhöhen der realen Drehzahl die reale Bewegung und die simulierte Bewegung der Welle nicht gegenseitig aufheben und damit bei einer sehr hohen Bewegung der Welle ein Stillstand simuliert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen. In einer Weiterbildung der angegebenen Vorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist eines angegebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Compu- terprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem compu¬ terlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Drehmomentsensor zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden Drehmoments basierend auf einem Phasenlagen-Unterschied zwi¬ schen einem ersten periodischen Messsignal und einem zweiten periodischen Messsignal eine der angegebenen Vorrichtungen zum Erzeugen der beiden periodischen Messsignale und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Drehmoments basierend auf dem Phasenlagen-Unterschied zwischen den beiden Messsignalen. Der angegebene Drehmomentsensor kann in jeder beliebigen Applikation, beispielsweise in einem Fahrzeug zum Erfassen eines Drehmomentes an einer Torsionswelle, wie einer Lenkwelle verwendet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen angegebenen Drehmomentsensor.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei : Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lenksystems für ein Fahrzeug,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Drehmomentsensors in dem Fahrzeug der Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Auswerteschaltung für den Drehmomentsensors der Fig. 2, und Fig. 4 ein zeitliches Diagramm mit Messsignalen in der Auswerteschaltung der Fig. 3 zeigen.
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Lenksystem 2 für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug zeigt. Das Lenksystem 2 umfasst ein Lenkrad 4, das auf eine Welle 6 aufgesetzt ist, die wiederum um eine Rotationsachse 8 drehbar angeordnet ist. Das Lenkrad 4 ist somit eingerichtet, basierend auf einer Winkelstellung 10 um die Rotationsachse 8 einen Lenkwinkel zur Einstellung eines Lenkgetriebes 12 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges vorzugeben. Dazu wird das Lenkrad 4 beispielsweise von einem Fahrer des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gedreht.
Die Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 wird in der vorliegenden Ausführung von einer Antriebsvorrichtung 14 erfasst, die dann mittels eines nicht weiter gezeigten Motors in der Antriebs¬ vorrichtung 14 eine Lenkwelle 16 antreibt, um das Lenkge¬ triebe 12 so zu betätigen, dass Räder 18 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gemäß dem durch die Winkelstellung 10 repräsentierten Lenkwinkels in einer dem Fachmann bekannten Weise eingeschlagen werden.
Um die Räder 18 über die Antriebsvorrichtung 14 basierend auf der Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 einschlagen zu können, muss die Winkelstellung 10 erfasst werden . Dazu können beispielsweise die in Fig. 2 und 3 gezeigten Lenkwinkelsensoren 20 verwendet werden .
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen Lenkwinkelsensor 20 für das Lenksystem 2 aus Fig. 1 zeigt.
Der Lenkwinkelsensor 20 weist ein erstes Encoderrad 22, ein axial und konzentrisch mit dem ersten Encoderrad 22 verbundenes Gewinde in Form einer Schnecke 24 und ein zweites, axial und konzentrisch mit dem der Schnecke 24 verbundenes zweites Encoderrad 26 auf, das dem ersten Encoderrad 22 an der
Schnecke 22 axial gegenüberliegt.
Die Schnecke 24 ist in der vorliegenden Ausführung aus einem elastischen Material ausgebildet und kann durch Aufbringen zweier entgegengesetzter Drehmomente an den Encoderrädern 22, 26 elastisch verdreht werden. Die Welle 6 ist an der Stelle des Lenkwinkelsensors 20 axial in zwei Teile unterbrochen, wobei am ersten Teil der unterbrochenen Welle 6 das erste Encoderrad 22 und am zweiten Teil der unterbrochenen Welle 6 das zweite Encoderrad 26 angeordnet ist. Wird die Welle 4 daher mit dem Lenkrad 4 gedreht, wird der Lenkwinkelsensor 20 einerseits in die Winkelstellung 10 überführt. Gleichzeitig wird der Lenk¬ winkelsensor 20 beim Überführen in die Winkelstellung 10 mit einem Drehmoment 28 verdreht.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll die Winkelstellung 10 und das Drehmoment 28 messtechnisch erfassbar sein.
Zur Erfassung der Winkelstellung weist die Schnecke 24 Windungen 30 auf, in die ein Plättchen 32 eines Geberelementes 34 ein greift, auf das von der Rotationsachse 8 der Welle 6 aus betrachtet radial ein Gebermagnet 36 aufgesetzt ist. Wird die Welle 6 in der in Fig. 1 gezeigten Weise durch Drehen des Lenkrads 4 in die Winkelstellung 10 überführt, wird das Ge¬ berelement 34 durch die sich mit der Welle 6 drehende Schnecke 24 axial zur Welle 6 bewegt und in eine von der Winkelstellung 10 abhängige axiale Stellung 38 gesetzt. Das Geberelement 34 kann dabei in einer nicht weiter dargestellten Weise axial zur Welle 6 geführt sein.
Das heißt, dass wenn die axiale Stellung 38 des Geberelementes 34 bekannt ist, ist auch die Winkelstellung 10 der Welle 6 und damit des Lenkrads 4 bekannt.
Um die axiale Stellung 38 zu erfassen, ist in der vorliegenden Ausführung eine Auswerteschaltung 40 mit einem ersten
magnetoresistiver Messaufnehmer 42, wie beispielsweise ein Hallsensor, ein anisotroper magnetoresistiver Sensor oder ein gigamagnetoresitiver Sensor vorgesehen, wobei der erste magnetoresistive Messaufnehmer 42 in einer dem Fachmann bekannten Weise ein von der axialen Stellung 38 des Gebermagneten 36 des Geberelements 34 linear abhängiges Absolutsignal ausgibt. Dazu ist die Auswerteschaltung 40 mit dem ersten magnetoresistiver Messaufnehmer 42 hinsichtlich der Drehung der Welle 6 und der axialen Bewegung des Geberelementes 30 ange¬ ordnet. Details zur Erzeugung eines von der Position eines Gebermagneten linear abhängiges Signals mit einem
magnetoresisitiven Messaufnehmer können beispielsweise der DE 10 2006 030 746 AI entnommen werden und werden daher der Kürze halber nachstehend nicht weiter erläutert.
Am ersten Encoderrad 22 sind umfänglich Magnete 48 angeordnet, deren Pole sich in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades 22 erstrecken. Auf diese Weise wird vom ersten Encoderrad 22 über die Magnete 48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld ab¬ gegeben, das in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades 22 ortabhängig ist. Radial oberhalb des ersten Encoderrades 22 ist der zweite magnetoresistive Messaufnehmer 46 angeordnet , der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem ersten Encoderrad 22 erfasst und so ein in Fig. 3 gezeigtes erstes Winkelsignal 50 ausgibt, das die Winkellage des ersten Encoderrades 22 angibt. Die Erzeugung des Winkelsignals 50 erfolgt analog zum
Absolutsignal 44 und kann bedarfsweise in der Druckschrift DE 10 2006 030 746 AI nachgeschlagen werden.
Am zweiten Encoderrad 26 sind wie am ersten Encoderrad 22 umfänglich Magnete 48 angeordnet, deren Pole sich in Um- fangsrichtung des zweiten Encoderrades 26 erstrecken. Auf diese Weise wird auch vom zweiten Encoderrad 26 über die Magnete 48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld abgegeben, das in Um- fangsrichtung des zweiten Encoderrades 26 ortabhängig ist. Radial oberhalb der des zweiten Encoderrades 26 ist ein dritter magnetoresistive Messaufnehmer 52 angeordnet, der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem zweiten Encoderrad 26 erfasst und so ein zweites Winkelsignal 54 ausgibt, das die Winkellage des zweiten Encoderrades 26 angibt. Die Erzeugung des zweiten Winkelsignals 54 erfolgt analog zum ersten Winkel- signal 50 und zum Absolutsignal 44 und kann ebenfalls be¬ darfsweise in der Druckschrift DE 10 2006 030 746 AI nachge¬ schlagen werden.
Anhand von Fig. 3, die einen Schaltplan für einen Teil 56 der Auswerteschaltung 40 der Fig. 2 zeigt, soll nachstehend die Bestimmung des Drehmoments 28 näher erläutert werden.
Dazu ist die Schnecke 24 in der vorliegenden Ausführung torsionsfähig ausgebildet. Das heißt, dass durch Anlegen des Drehmomentes 28 die Schnecke 24 in Richtung des Drehmomentes 28 verdreht werden kann, wodurch zwischen dem ersten Encoderrad 22 und dem zweiten Encoderrad 26 eine Phasenlagen-Differenz auftritt, was heißt, dass das erste Encoderrad 22 eine Win¬ kelstellung 10 aufweist, die von der Winkelstellung 10 des zweiten Encoderrad 26 verschieden ist. Zum Messen des Drehmomentes 28 wird dies ausgenutzt, denn das Drehmoment 28 ist in einer vorbestimmten Weise von dieser Phasenlagen-Differenz und damit der Differenz zwischen den Winkelstellungen 10 abhängig. Um die Phasenlagen-Differenz zu bestimmen werden daher mit dem in Fig. 3 gezeigten Teil 56 der Auswerteschaltung 40 zunächst die Winkelsignale 50, 54 ausgewertet und die Winkellagen 10 der Encoderräder 22, 26 bestimmt. Die Winkelsignale 50, 54 werden, wie bereits erläutert, mittels den magnetoresistiven Messaufnehmer 46, 52 erzeugt, die durch die Bewegung der Encoderräder 22, 26 in an sich bekannter Weise ihren elektrischen Widerstand ändern. Diese elektrische Widerstandsänderung wird in der vorliegenden Ausführung mit Messbrücken 58 ausgewertet, die in an sich bekannter Weise aus elektrischen Widerständen 60 aufgebaut sind.
Da die Bewegung der Encoderräder 22, 26 Drehungen sind, ändert sich der elektrische Widerstand der magnetoresistiven
Messaufnehmer 46, 52 über die Winkelstellung 10 der
Encoderräder 22, 26 periodisch, so dass auch die durch die Widerstandsänderung erzeugten Winkelsignale 50, 54 periodische Messsignale sind. Eine Phasenlagen-Differenz zwischen diesen periodischen Winkelsignale 50, 54 ist direkt die gesuchte, von dem Drehmoment 28 abhängige Phasenlagen-Differenz.
Die Phasenlagen-Differenz ist jedoch nur dann messbar, wenn die periodischen Winkelsignale 50, 54 in ihrer Amplitude ausreichend groß sind. Diese periodischen Winkelsignale 50, 54 sind wie- derrum nur dann in ihrer Amplitude ausreichend groß, wenn sich die Encoderräder 22, 26 drehen. Anders ausgedrückt, stehen die Encoderräder 22, 26 aufgrund eines aufgebrachten Drehmoments 28 mit einer bestimmten Differenz in ihrer Winkellage 10 statisch zueinander, lässt sich das Drehmoment 28 nicht allein basierend auf den Winkelsignalen 50, 54 erfassen, da diese in ihrer Amplitude nicht ausreichend groß sind, um die Phasenla¬ gen-Differenz auszuwerten.
Um diesem Problem entgegenzutreten werden im Rahmen der vorliegenden Ausführung die Winkelsignale 50, 54 mit entsprechend einem ersten periodischen Hilfssignal 62 und einem zweiten periodischen Hilfssignal 64 überlagert. Die beiden periodischen Hilfssignale 62, 64 werden in der vorliegenden Ausführung aus einer gemeinsamen Hilfssignalquelle 66 ausgegeben und können beispielsweise über einen Schalter 68 derart gesteuert werden, dass die Ausgabe beispielsweise nur unterhalb einer bestimmten Drehgeschwindigkeit der Welle 6 erfolgt.
Die Überlagerung der Winkelsignale 50, 54 und der Hilfssig¬ nale 62, 64 führt entsprechend zu einem ersten periodischen Überlagerungssignal 70 und einem zweiten Überlagerungssig¬ nal 72, die dann entsprechend an Komparatoren 74 angelegt werden. Die Hilfssignale 62, 64 weisen im Rahmen der vorliegenden Ausführung eine Frequenz auf, die eine Drehzahl simuliert, mit der die Welle 6 virtuell gedreht wird. Durch die unter¬ schiedlichen Winkellagen 10 der Encoderräder 22, 26 werden die Hilfssignale 62, 64 basierend auf den Winkelsignalen 50, 54 derart phasenmoduliert , dass in den Überlagerungssignalen 70, 72 eine Phasenlagen-Differenz 74 enthalten ist, aus das an die Welle angelegte Drehmoment 28 entnehmbar ist. Daher braucht im Rahmen der vorliegenden Ausführung lediglich diese Phasenlagen-Differenz 74 bestimmt und daraus das gesuchte Drehmoment 28 beispielsweise basierend auf einer vorab bestimmten Kennlinie 75 bestimmt zu werden. Zwar könnte die Phasenlagen-Differenz 74 direkt aus den beiden Überlagerungssignalen 70, 72 bestimmt werden, im Rahmen der vorliegenden Ausführung werden die Überlagerungssignale 70, 72 in Komparatoren 76 in periodische Rechtecksignale 78 gewandelt, die die Ermittlung der Phasenlagen-Differenz 74 in einer entsprechenden Ermittlungseinrichtung 80 deutlich vereinfachen .
Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die ein zeitliches Diagramm 82 mit den Überlagerungssignalen 70, 72 und den dazugehörigen Rechtecksignalen 78 in dem Teil 56 der Auswerteschaltung 40 der Fig. 3 zeigt. In dem Diagramm sind als Signalwerte Span¬ nungswerte 84 über die Zeit 86 aufgetragen.
Wie in Fig. 4 zu sehen, werden die Rechtecksignale 78 basierend auf Schaltpunkten 88 generiert, an denen die Überlagerungs¬ signale 70, 72 ihr Vorzeichen wechseln. Damit diese Schalt¬ punkte 88 nicht fehlerhaft erzeugt werden und zu einer falschen Phasenlagen-Differenz 74 führen, muss die Amplituden 90 der Überlagerungssignale 70, 72 ausreichend hoch sein.
Hierzu sind die Hilfssignale 62, 64 vorhanden, die in die Überlagerungssignale 70, 72 einen Signaloffset 92 eintragen, um die Komparatoren 76 so zu stimulieren, dass die oben genannten Schaltpunkte 88 entsprechend der Winkelstellung der beiden Encoderräder 22, 26 generiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erfassen eines Phasenlagen-Unterschieds (74) zwischen einem ersten periodischen Messsignal (50) und einem zweiten periodischen Messsignal (54), wobei die beiden periodischen Messsignale (70, 72) für die Bestimmung eines an einer Welle (6) anliegenden Drehmomentes (28) eine Drehung der Welle (6) in einem axialen Abstand zueinander beschreiben, umfassend :
- Überlagern des ersten periodischen Messsignals (50) mit einem eine vorbekannte Drehzahl für die Welle (6) simulierenden periodischen Hilfssignal (62) zu einem Überlagerungssig¬ nal (70), und
Bestimmen des Phasenlagen-Unterschieds (74) in Abhän- gigkeit des Überlagerungssignals (70) und des zweiten Mess¬ signals ( 54 ) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend Überlagern des zweiten periodischen Messsignals (54) mit einem eine weitere vorbekannte Drehzahl für die Welle (6) simulierenden weiteren periodischen Hilfssignal (64) zu einem weiteren Überlagerungssignal (72).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das periodische Hilfs¬ signal (62) und das weitere periodische Hilfssignal (64) gleich sind, so dass die vorbekannte Drehzahl und die weitere vor¬ bekannte Drehzahl gleich sind.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste periodische Messsignal (50) mit dem periodischen Überlagerungssignal (62) überlagert wird, wenn eine reale
Drehzahl der Welle (6) einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste und zweite periodische Messsignal (50, 54) ent- sprechend basierend auf einem ersten und zweiten magnetischen Drehfeld (48) erzeugt werden, die jeweils drehfest zur Welle (6) von dieser abgegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zum Überlagern des ersten periodischen Messsignals (50) mit dem periodischen Hilfssig¬ nal (62) das erste magnetische Drehfeld (48) mit einem das periodische Hilfssignal (62) erzeugenden periodischen Hilfs- magnetfeld überlagert wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste periodische Messsignal (50) direkt mit dem periodischen Hilfssignal (62) überlagert wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine reale Drehzahl der Welle (6) und die vorbekannte Drehzahl der Welle (6) entgegengerichtet sind.
9. Vorrichtung (56), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
10. Drehmomentsensor (20) zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden Drehmoments (28) basierend auf einem Phasenla- gen-Unterschied (74) zwischen einem ersten periodischen
Messsignal (50) und einem zweiten periodischen Messsignal (54) umfassend eine Vorrichtung (56) nach Anspruch 9 zum Erzeugen der beiden periodischen Messsignale (50, 54) und eine Auswerte¬ einrichtung (40) zum Bestimmen des Drehmoments (28) basierend auf dem Phasenlagen-Unterschied (74) zwischen den beiden Messsignalen (50, 54).
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