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WO2019149669A1 - Induktiver winkelsensor für eine kraftfahrzeuglenkung - Google Patents

Induktiver winkelsensor für eine kraftfahrzeuglenkung Download PDF

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Publication number
WO2019149669A1
WO2019149669A1 PCT/EP2019/052045 EP2019052045W WO2019149669A1 WO 2019149669 A1 WO2019149669 A1 WO 2019149669A1 EP 2019052045 W EP2019052045 W EP 2019052045W WO 2019149669 A1 WO2019149669 A1 WO 2019149669A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
angle sensor
steering shaft
coils
angle
electrically conductive
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/052045
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gergely RACZ
Zoltán BARANYAI
Gergely DZSUDZSÁK
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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 Thyssenkrupp Presta Ag, Thyssenkrupp Ag filed Critical Thyssenkrupp Presta Ag
Priority to EP19702397.1A priority Critical patent/EP3746746A1/de
Publication of WO2019149669A1 publication Critical patent/WO2019149669A1/de

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Definitions

  • the present invention relates to an angle sensor having the features of the preamble of claim 1, an electromechanical power steering system and a steer-by-wire steering system for a motor vehicle having the angle sensor and a method for determining a rotational angle of the rotational position of a rotatably mounted steering shaft of a motor vehicle the features of the preamble of claim 15.
  • Angle sensors are used in a motor vehicle, among other things, to measure the steering angle of the steering wheel.
  • angle sensors are magnetic sensors whose measurement can easily be disturbed by external magnetic fields. Motor vehicles will be operated in the future, and in part already, fully or partially electrically, which can lead to high external field influence measurements by high-current cables, which are often in the vicinity of the steering system. Furthermore, currently used magnetic sensors have a low accuracy.
  • steer-by-wire steering systems require higher resolution angle sensors than conventional electromechanical steering systems to replace torque-based steering control.
  • Claim 1 and a method for determining a rotational angle of the rotational position of a rotatably mounted steering shaft of a motor vehicle with the features of claim 15.
  • an angle sensor for measuring a rotational angle of the rotational position of a steering shaft of a motor vehicle in comparison to a predefined Starting rotational position provided.
  • the angle sensor is an inductive sensor having a rotatably connected to the steering shaft carrier plate and a relation to the support plate fixed circuit board, wherein on the support plate at least one electrically conductive track and on the circuit board a scanning device with two coils that are part of a resonant circuit are arranged, and wherein the scanning device for scanning the at least one electrically conductive track for generating an angle-dependent sensor signal is formed during rotational movement of the steering shaft.
  • the inductive sensor system on which the angle sensor is based is one
  • Non-contact, short-range sensor technology that allows low-cost, high-resolution detection of conductive objects in the presence of dust, dirt, oil and moisture, making them highly reliable.
  • the at least one electrically conductive track is self-contained and extends around the center of the carrier plate.
  • the at least one electrically conductive track has a wave pattern that allows an absolute angle determination via a steering shaft rotation.
  • a single electrically conductive trace is provided, which is scanned by the two coils, the two coils being arranged at an angle of 90 degrees to each other.
  • the scanning device preferably has an electronic control unit, which is set up by means of a Cordic algorithm, the rotation angle of
  • circuit board is arranged asymmetrically to the center of the steering shaft, since this configuration allows a particularly compact design.
  • two electrically conductive tracks are preferably provided, each of which is scanned by one of the two coils.
  • the two electrically conductive tracks do not overlap.
  • the two coils are stretched coils with an inhomogeneous magnetic field.
  • the stretched coils along the radius are arranged one behind the other on the circuit board and formed stretched in the direction of the radius. A displacement of the part of the electrically conductive track located above the track along the radius thus leads to a change in the resonant frequency of the resonant circuit, which can be detected.
  • the two electrically conductive tracks in their wave pattern on an equal number of wave crests and wave troughs, which are arranged circumferentially offset from each other on the support plate.
  • the measured signal can be clearly assigned to a rotation angle within a revolution of the steering shaft.
  • the above-described electrically conductive traces are formed of copper.
  • the two coils are arranged to be used independently of each other. This allows, for example, the counting of the revolutions of the steering shaft or the detection of a sector.
  • an electromechanical power steering system for a motor vehicle, comprising a steering shaft which is rotatably mounted about a steering shaft axis and can assume different rotational positions, a
  • Electric motor to assist a steering movement and a previously described inductive angle sensor.
  • the inductive angle sensor may also be part of a steer-by-Wi steering system for motor vehicles, comprising a steering actuator acting on the steered wheels, electronically controlled as a function of a driver's steering request, a reaction of the road to a control-transmitting feedback actuator, and a control unit that the feedback actuator and the
  • a method for determining a rotational angle of the rotational position of a rotatably mounted steering shaft of a motor vehicle is provided, wherein in the method, the rotational position of the rotation of the steering shaft is measured with an inductive angle sensor having two spatially fixed coils which are part of a resonant circuit, wherein the coils at least one rotating with the steering shaft, electrically conductive, extending around the steering shaft and in to scan closed track, in which a change of a resonant frequency of the resonant circuit is detected.
  • Fig. 1 a schematic representation of a steering system of a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a steering system of a
  • Fig. 3 is a simplified representation of an inductive sensor with
  • Fig. 4 is a plan view of two electrically conductive tracks, which are each scanned by a stretched coil, as well as
  • Fig. 5 a schematic representation of an electromechanical
  • FIG. 1 shows a rotating steering shaft 1 of a steer-by-wire motor vehicle steering system with an angle sensor 2 and an associated electronic control unit (ECU) 3.
  • the angle sensor 2 has a carrier plate 4 connected to the rotating shaft 1 and a stationary scanning device 5 which is arranged on a printed circuit board 6 connected to the electronic control unit 3.
  • the carrier plate 4 has a track 7 made of an electrically conductive material, preferably copper.
  • the track 7 is self-contained and has no beginning and no end.
  • the pattern of the track 7 is preferably a wave pattern that is curved
  • the wave pattern has peaks and troughs and repeats periodically.
  • the pattern of the track 7 is not formed concentrically with the steering shaft. It is designed in such a way that an absolute angle determination is possible via a shaft rotation.
  • the printed circuit board 6 is preferably formed as a PCB (printed circuit board) and carries all electronic components of the sensor 2, in particular an evaluation circuit and the coils 80,81.
  • the circuit board 6 with the coils 80,81 is located immediately below the copper track 7.
  • the circuit board is not arranged concentrically to the central axis of the steering shaft 1.
  • the angle of rotation is estimated by the inductive sensor 1, in which the copper track 7 is queried on the support plate 4.
  • the coils 80,81 are parts of a resonant circuit. They 80,81 produce a high-frequency magnetic field. As the track 7 moves in the magnetic field, an induction current begins to flow due to the electromagnetic induction. Based on the mutual inductance coupling, the resonant frequency of the resonant circuit changes. When a non-ferrous metal object such as the copper trace approaches, the resonant frequency of the electrical resonant circuit increases. The mutual inductance coupling thus changes as the copper trace rotates across the coils 80,81.
  • the sensor monitors the
  • Two coils 80, 81 are sufficient to calculate the angle when placed at 90 degrees to each other.
  • the output of the two coils 80, 81 is a sine signal and a cosine signal in the case of the previously described triangular pattern.
  • the angle calculation is based on the industry standard Coordinate Rotation Digital Computer (Cordic) algorithm. This algorithm makes it possible to efficiently compute elementary trigonometric and hyperbolic functions using almost exclusive use of fast operations such as additions and multiplications with powers of two.
  • Multiple printed circuit boards with two coils each can be used to provide high redundancy and electronic error compensation capability (misalignment, mechanical errors).
  • the coil pairs may be arranged in pairs on separate PCBs or on a common PCB.
  • Figure 2 shows an embodiment in which two coils 82,83 along the radius of the circuit board 60 are aligned one behind the other.
  • Support plate 4 has two tracks 70,71 of an electrically conductive
  • the tracks 70, 71 are self-contained, without beginning and end, and extend around the steering shaft 1.
  • a track 70, 71 is in each case interrogated by one of the two coils 82, 83 by measuring mutual induction.
  • the circuit board 60 is fixed in space and the support plate 4 with the two tracks rotates with the steering shaft 1.
  • the steering shaft 1 is in the example shown part of a steer-by-wire steering, which has no mechanical connection to the steering gear.
  • the coils 82, 83 are elongated coils.
  • the operation of the stretched coils 82, 83 is shown in FIG.
  • the stretched coils 82,83 have a non-homogeneous magnetic field, i. H. on one side of the coil, the magnetic field is stronger than on the other side. This is achieved in the case shown by the rectangular
  • Windings 800 of the coil 82, 83 lie inside one another and become longer as viewed from the inside to the outside. On the one short side of the coil 82,83, therefore, the turns are very close to each other, while on the other short side of the coil 82,83 the turns have a wide, uniform distance from each other. The magnetic field is therefore to the right of the
  • FIG. 4 shows an example of an arrangement of two tracks 70, 71 and two elongate coils 82, 83.
  • the coils 82,83 extend in the radial direction and are placed one behind the other in the radial direction. They are each arranged directly below the corresponding track 70,71.
  • the patterns of the tracks are preferably wave patterns that have curved, rounded triangular shapes that extend around the center 40 of the carrier plate 4.
  • Both tracks 70, 71 preferably have the same number of wave crests 90 and wave troughs 91, which are distributed uniformly over the circumference.
  • the wave crests 90 and wave troughs 91 of the two tracks 70, 71 are arranged with an angular offset in the circumferential direction relative to one another.
  • the tracks 70,71 are thus designed so that an absolute angle determination is possible over a shaft rotation.
  • the two tracks and the respective readout of a stretched coil allow a determination of the absolute position also immediately after a wake-up of the sensor. A renewed calibration can thus be dispensed with.
  • the illustrated arrangement of the elongated coils 82,83 is only exemplary. It may also be provided to place the coils on opposite sides of the carrier plate center 40.
  • FIG. 5 shows a steering shaft 11 of an electromechanical steering system.
  • the angle sensor 2 corresponds to the sensor of Figure 1. Die
  • Support plate 4 of the sensor with the track 7 rotates with the steering shaft 11 and the circuit board 6 with the coils 80,81 is disposed adjacent to the steering shaft 11 below the track 7.
  • steer-by-wire steering systems is in electromechanical steering systems significantly less space for the circuit board 6 and the electronic control unit 3 available because the steering shaft 11 via mechanical components with the steering gear
  • the two coils 80,81 can be used independently of each other, for example, to count the revolutions of the steering shaft or to detect a sector. But they can also be used together, for example in a steering angle sensor with a reduction gear that works on the vernier scale. It may also be provided to use the angle sensor of Figures 2 to 4 for measuring the steering angle of an electromechanical steering system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor (2) zur Messung eines Drehwinkels der Drehlage einer Lenkwelle (1,11) eines Kraftfahrzeuges im Vergleich zu einer vordefinierten Ausgangsdrehlage, wobei der Winkelsensor (2) ein induktiver Sensor ist, der eine mit der Lenkwelle (1,11) drehfest verbindbare Trägerplatte (4) und eine gegenüber der Trägerplatte (4) raumfeste anbringbare Leiterplatte (6,60) aufweist, wobei auf der Trägerplatte (4) wenigstens eine elektrisch leitende Spur (7,70,71) und auf der Leiterplatte (6,60) eine Abtasteinrichtung (5) mit zwei Spulen (80,81,82,83), die Teil eines Schwingkreises sind, angeordnet sind, und wobei die Abtasteinrichtung (5) zur Abtastung der wenigstens einen elektrisch leitenden Spur (7,70,71) zur Erzeugung eines winkelabhängigen Sensorsignales bei Drehbewegung der Lenkwelle (1,11) ausgebildet ist.

Description

Induktiver Winkelsensor für eine Kraftfahrzeuglenkung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine elektromechanische Hilfskraftlenkung und eine Steer-by-Wire Lenkung für ein Kraftfahrzeug aufweisend den Winkel- sensor und ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 15.
Winkelsensoren werden in einem Kraftfahrzeug unteranderem dazu eingesetzt den Einschlagwinkel des Lenkrades zu messen. Derzeit verwendete Winkel- sensoren sind magnetische Sensoren, deren Messung sehr leicht durch externe Magnetfelder gestört werden kann. Kraftfahrzeuge werden in Zukunft und zum Teil schon jetzt, vollständig oder teilweise elektrisch betrieben, was zu hohen externen Feldbeeinflussungsmessungen durch hochstromführende Kabel führen kann, die sich häufig in der Nähe des Lenksystems befinden. Weiterhin weisen derzeit verwendete magnetische Sensoren eine niedrige Genauigkeit auf. Steer-by-Wire Lenksysteme erfordern aber im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Lenkungen, Winkelsensoren mit einer höheren Auflösung, um die drehmomentbasierte Lenksteuerung zu ersetzen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Winkelsensor anzu- geben, der eine erhöhte Genauigkeit und einen verringerten Einfluss eines vorhandenen magnetischen Störfeldes auf die Ermittlung des Drehwinkel- wertes aufweist.
Diese Aufgabe wird von einem Winkelsensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Demnach ist ein Winkelsensor zur Messung eines Drehwinkels der Drehlage einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges im Vergleich zu einer vordefinierten Ausgangsdrehlage vorgesehen. Der Winkelsensor ist ein induktiver Sensor, der eine mit der Lenkwelle drehfest verbundene Trägerplatte und eine gegenüber der Trägerplatte raumfeste Leiterplatte aufweist, wobei auf der Trägerplatte wenigstens eine elektrisch leitende Spur und auf der Leiterplatte eine Abtast- einrichtung mit zwei Spulen, die Teil eines Schwingkreises sind, angeordnet sind, und wobei die Abtasteinrichtung zur Abtastung der wenigstens einen elektrisch leitenden Spur zur Erzeugung eines winkelabhängigen Sensor- signales bei Drehbewegung der Lenkwelle ausgebildet ist.
Die dem Winkelsensor zugrunde liegende induktive Sensorik, ist eine
berührungslose Sensortechnologie mit kurzer Reichweite, die es ermöglicht, leitende Objekte in Gegenwart von Staub, Schmutz, Öl und Feuchtigkeit kostengünstig und hochauflösend zu erfassen, was sie äußerst zuverlässig macht.
Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Spur in sich geschlossen ist und sich um den Mittelpunkt der Trägerplatte erstreckt.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine elektrisch leitende Spur ein Wellen- muster aufweist, dass über eine Lenkwellenumdrehung eine absolute Winkel- bestimmung ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist eine einzige elektrisch leitende Spur vorgesehen, die von den zwei Spulen abgetastet wird, wobei die beiden Spulen in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. In diesem Fall weist die Abtasteinrichtung bevorzugt eine elektronische Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, mittels eines Cordic-Algorithmus den Drehwinkel der
Lenkwelle zu bestimmen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Leiterplatte asymmetrisch zur Mitte der Lenkwelle angeordnet ist, da diese Ausgestaltung eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht.
In einer zweiten Ausführungsform sind bevorzugt zwei elektrisch leitende Spuren vorgesehen, die jeweils von einer der beiden Spulen abgetastet werden. Die beiden elektrisch leitenden Spuren überlappen sich nicht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die beiden Spulen gestreckte Spulen mit einem inhomogenen Magnetfeld sind. Vorzugsweise sind die gestreckten Spulen entlang des Radius hintereinander auf der Leiterplatte angeordnet und in Richtung des Radius gestreckt ausgeformt. Eine Verschiebung des über der Spur befindlichen Teils der elektrisch leitenden Spur entlang des Radius führt somit zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, die detektiert werden kann.
Vorzugweise weisen die beiden elektrisch leitenden Spuren in ihrem Wellen- muster eine gleiche Anzahl an Wellenbergen und Wellentälern auf, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt auf der Trägerplatte angeordnet sind. So kann das gemessene Signal eindeutig einem Drehwinkel innerhalb einer Umdrehung der Lenkwelle zugeordnet werden.
Es ist bevorzugt, dass die zuvor beschriebenen elektrisch leitenden Spuren aus Kupfer gebildet sind.
Es kann auch vorgsehen sein, dass die beiden Spulen dazu eingerichtet sind, unabhängig von einander verwendet zu werden. Dies ermöglicht zum Beispiel das Zählen der Umdrehungen der Lenkwelle oder die Detektion eines Sektors.
Weiterhin ist eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine Lenkwelle die drehbar um eine Lenkwellendreh- achse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen
Elektromotor zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen zuvor beschriebenen induktiven Winkelsensor.
Der induktive Winkelsensor kann auch Teil eines Steer-by-Wi re- Lenksystem für Kraftfahrzeuge sein, aufweisend einen auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit eines Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, einen Rückwirkungen der Straße auf ein Steuer übertragenden Feedback- Aktuator, und eine Steuereinheit, die den Feedback-Aktuator und den
Lenksteller ansteuert.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei bei dem Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle mit einem induktiven Winkelsensor gemessen wird, der zwei raumfest angeordnete Spulen, die Teil eines Schwingkreises sind, aufweist, wobei die Spulen wenigstens eine sich mit der Lenkwelle drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle erstreckende und in sich geschlossene Spur abtasten, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises detektiert wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen :
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines
Kraftfahrzeuges mit einem induktiven Lenkwinkelsensor,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines
Kraftfahrzeuges mit einem induktiven Lenkwinkelsensor mit zwei gestreckten Sensorspulen,
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines induktiven Sensors mit
gestreckter Spule,
Fig. 4 eine Draufsicht auf zwei elektrisch leitende Spuren, die jeweils von einer gestreckten Spule abgetastet werden, sowie
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines elektromechanischen
Lenksystems eines Kraftfahrzeuges mit einem induktiven
Lenkwinkelsensor.
In der Figur 1 ist eine rotierende Lenkwelle 1 eines Steer-by-Wire-Kraftfahr- zeuglenksystems mit einem Winkelsensor 2 und einer dazugehörigen elektronischen Steuereinheit (ECU) 3 dargestellt. Der Winkelsensor 2 weist eine mit der rotierenden Welle 1 verbundene Trägerplatte 4 auf und eine stationäre Abtasteinrichtung 5, die auf einer mit der elektronischen Steuer- einheit 3 verbundenen Leiterplatte 6 angeordnet ist. Die Trägerplatte 4 weist eine Spur 7 aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, auf. Die Spur 7 ist in sich geschlossen und weist keinen Anfang und kein Ende auf. Das Muster der Spur 7 ist bevorzugt ein Wellenmuster, das gebogene
Dreiecksformen aufweist, die sich um den Mittelpunkt der Trägerplatte 4 erstrecken. Das Wellenmuster weist Wellenberge und Wellentäler auf und wiederholt sich periodisch. Das Muster der Spur 7 ist nicht konzentrisch zur Lenkwelle ausgeformt. Es ist so ausgebildet, dass damit über eine Wellen- umdrehung eine absolute Winkelbestimmung möglich ist.
Auf der Leiterplatte 6 sind zwei Spulen 80,81 der Abtasteinrichtung 5 angeordnet. Die Leiterplatte 6 ist bevorzugt als PCB (printed Circuit board) ausgebildet und trägt sämtliche elektronische Komponenten des Sensors 2, insbesondere eine Auswerteschaltung und die Spulen 80,81. Die Leiterplatte 6 mit den Spulen 80,81 befindet sich unmittelbar unter der Kupferspur 7. Die Leiterplatte ist nicht konzentrisch zur Mittelachse der Lenkwelle 1 angeordnet.
Der Drehwinkel wird von dem induktiven Sensor 1 geschätzt, in dem die Kupferspur 7 auf der Trägerplatte 4 abgefragt wird. Die Spulen 80,81 sind Teile eines Schwingkreises. Sie 80,81 erzeugen ein hochfrequentes Magnet- feld. Wenn sich die Spur 7 in dem Magnetfeld bewegt, beginnt aufgrund der elektromagnetischen Induktion ein Induktionsstrom zu fließen. Basierend auf der gegenseitigen Induktivitätskopplung ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Nähert sich ein Nichteisen- Metallobjekt, wie beispielsweise die Kupferspur, steigt die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises. Die gegenseitige Induktivitätskopplung ändert sich somit, wenn sich die Kupfer- spur über die Spulen 80,81 hinweg dreht. Der Sensor überwacht die
Bewegung der leitenden Spur mit der Trägerplatte bzw. der rotierenden Welle und berechnet dadurch seine absolute Winkelposition. Zwei Spulen 80,81 sind ausreichend, um den Winkel zu berechnen, wenn sie in 90 Grad zueinander angeordnet sind. Die Ausgabe der beiden Spulen 80,81 ist in dem Fall des zuvor beschriebenen Dreiecks-Musters ein Sinussignal und ein Cosinussignal. Die Winkelberechnung basiert auf dem Coordinate Rotation Digital Computer (Cordic)-Algorithmus nach Industriestandard. Dieser Algorithmus ermöglicht es, elementare trigonometrische und hyperbolische Funktionen unter fast ausschließlicher Verwendung von schnellen Operationen, wie Additionen und Multiplikationen mit Zweier-Potenzen, effizient zu berechnen. Mehrere Leiterplatten mit jeweils zwei Spulen können verwendet werden, um eine hohe Redundanz sowie eine Fähigkeit zur elektronischen Fehler- kompensation (Fehlausrichtung, mechanische Fehler) zu ermöglichen. Die Spulenpaare können paarweise an separten PCBs oder an einem gemeinsamen PCB angeordnet sein.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Spulen 82,83 entlang des Radius der Leiterplatte 60 hintereinander liegend ausgerichtet sind. Die
Trägerplatte 4 weist zwei Spuren 70,71 aus einem elektrisch leitenden
Material, vorzugsweise Kupfer, auf. Die Spuren 70,71 sind in sich geschlossen, ohne Anfang und Ende und erstrecken sich um die Lenkwelle 1. Eine Spur 70,71 wird jeweils von einer der beiden Spulen 82,83 durch Messung von wechselseitiger Induktion abgefragt. Die Leiterplatte 60 ist raumfest befestigt und die Trägerplatte 4 mit den beiden Spuren dreht sich mit der Lenkwelle 1. Die Lenkwelle 1 ist dabei in dem gezeigten Beispiel Teil einer Steer-by-Wire- Lenkung, die keine mechanische Verbindung zum Lenkgetriebe aufweist. Bei den Spulen 82,83 handelt es sich um gestreckte Spulen.
Die Funktionsweise der gestreckten Spulen 82,83 ist in Figur 3 dargestellt. Die gestreckten Spulen 82,83 weisen ein nicht homogenes Magnetfeld auf, d. h. auf einer Seite der Spule ist das Magnetfeld stärker als auf der anderen Seite. Das wird in dem gezeigten Fall dadurch erzielt, dass die rechteckigen
Windungen 800 der Spule 82,83 ineinander liegen und von innen nach außen gesehen länglicher werden. Auf der einen kurzen Seite der Spule 82,83 liegen die Windungen daher sehr nahe aneinander, während auf der anderen kurzen Seite der Spule 82,83 die Windungen einen weiten, gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen. Das Magnetfeld ist daher rechts von der
geometrischen Mitte der Spule am Größten. Bewegt sich ein dünner Leiter 100 von einem Ende der Spule zu dem anderen Ende kann eine lineare
Induktivitätsänderung gemessen werden. In dem Beispiel der Figur 2 wird der dünne Leiter 100 durch die auf der Trägerplatte aufgebrachte Spur 70,71 gebildet. Die mit der rotierenden Welle drehende Spur 70,71 bewegt sich über die gestreckte Spule 82,83 entlang des Radius der Leiterplatte, wobei die Lage des über der Spule befindlichen Spurabschnitts relativ zu den Spulenenden detektiert wird. Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von zwei Spuren 70,71 und zwei gestreckten Spulen 82,83. Die Spulen 82,83 erstrecken sich in Radialrichtung und sind in Radialrichtung hintereinander platziert. Sie sind jeweils unmittelbar unter der entsprechenden Spur 70,71 angeordnet. Die Muster der Spuren sind bevorzugt Wellenmuster, die gebogene, abgerundete Dreiecksformen aufweisen, die sich um den Mittelpunkt 40 der Trägerplatte 4 erstrecken.
Beide Spuren 70,71 weisen bevorzugt die gleiche Anzahl an Wellenberge 90 und Wellentäler 91 auf, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die Wellenberge 90 und Wellentäler 91 der beiden Spuren 70,71 sind dabei mit einem Winkelversatz in Umfangsrichtung zueinander angeordnet. Die Spuren 70,71 sind somit so ausgebildet, dass damit über eine Wellenumdrehung eine absolute Winkelbestimmung möglich ist. Die beiden Spuren und die jeweilige Auslese von einer gestreckten Spule ermöglichen eine Bestimmung der absoluten Position auch unmittelbar nach einem Aufwachen des Sensors. Auf eine erneute Kalibrierung kann somit verzichtet werden.
Die gezeigte Anordnung der gestreckten Spulen 82,83 ist nur beispielhaft. Es kann auch vorgesehen sein, die Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerplattenmitte 40 zu platzieren.
In der Figur 5 ist eine Lenkwelle 11 eines elektromechanischen Lenksystems dargestellt. Der Winkelsensor 2 entspricht dem Sensor aus Figur 1. Die
Trägerplatte 4 des Sensors mit der Spur 7 dreht sich mit der Lenkwelle 11 und die Leiterplatte 6 mit den Spulen 80,81 ist neben der Lenkwelle 11 unterhalb der Spur 7 angeordnet. Im Gegensatz zu Steer-by-Wire Lenksystemen steht bei elektromechanischen Lenksystemen deutlich weniger Bauraum für die Leiterplatte 6 und die elektronische Steuereinheit 3 zur Verfügung, da die Lenkwelle 11 über mechanische Komponenten mit dem Lenkgetriebe
verbunden ist. Die beiden Spulen 80,81 können unabhängig von einander verwendet werden, zum Beispiel zum Zählen der Umdrehungen der Lenkwelle oder zur Detektion eines Sektors. Sie können aber auch zusammen, zum Beispiel in einem Lenkwinkelsensor mit einem Untersetzungsgetriebe, der nach dem Noniusprinzip funktioniert, eingesetzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, den Winkelsensor der Figuren 2 bis 4 zur Messung des Lenkwinkels eines elektromechanischen Lenksystems zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Winkelsensor (2) zur Messung eines Drehwinkels der Drehlage einer Lenkwelle (1,11) eines Kraftfahrzeuges im Vergleich zu einer
vordefinierten Ausgangsdrehlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (2) ein induktiver Sensor ist, der eine mit der Lenkwelle (1,11) drehfest verbindbare Trägerplatte (4) und eine gegenüber der Trägerplatte (4) raumfeste Leiterplatte (6,60) aufweist, wobei auf der Trägerplatte (4) wenigstens eine elektrisch leitende Spur (7,70,71) und auf der Leiterplatte (6,60) eine Abtasteinrichtung (5) mit zwei Spulen (80,81,82,83), die Teil eines Schwingkreises sind, angeordnet sind, und wobei die Abtasteinrichtung (5) zur Abtastung der wenigstens einen elektrisch leitenden Spur (7,70,71) zur Erzeugung eines winkel- abhängigen Sensorsignales bei Drehbewegung der Lenkwelle (1,11) ausgebildet ist.
2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Spur (7,70,71) in sich geschlossen ist und sich um den Mittelpunkt der Trägerplatte (40) erstreckt.
3. Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Spur (7,70,71) ein Wellenmuster aufweist, dass über eine Lenkwellenumdrehung eine absolute
Winkelbestimmung ermöglicht.
4. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine einzige elektrisch leitende Spur (7) vorgesehen ist, die von den zwei Spulen (80,81) abgetastet wird, wobei die beiden Spulen (80,81) in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind.
5. Winkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (5) eine elektronische Steuereinheit (3) aufweist, die dazu eingerichtet ist, mittels eines Cordic-Algorithmus den Drehwinkel der Lenkwelle (1,11) zu bestimmen.
6. Winkelsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6,60) asymmetrisch zur Mitte der Lenkwelle (1,11) angeordnet ist.
7. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrisch leitende Spuren (70,71) vorgesehen sind, die jeweils von einer der beiden Spulen (82,83) abgetastet werden.
8. Winkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
beiden Spulen (82,83) gestreckte Spulen mit einem inhomogenen
Magnetfeld sind.
9. Winkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
gestreckten Spulen (82,83) entlang des Radius hintereinander auf der Leiterplatte (60) angeordnet sind und in Richtung des Radius gestreckt sind.
10. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrisch leitenden Spuren (70,71) eine gleiche Anzahl an Wellenbergen (90) und Wellentälern (91) aufweisen, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt auf der Trägerplatte (4) angeordnet sind.
11. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Spur (7,70,71) aus Kupfer gebildet ist.
12. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (80,81) dazu eingerichtet sind, unabhängig von einander verwendet zu werden.
13. Elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkwelle (11) die drehbar um eine Lenkwellendrehachse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen Elektromotor zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen Winkelsensor (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Steer-by-Wire-Lenksystem für Kraftfahrzeuge aufweisend einen auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit eines Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, einen Rückwirkungen der Straße auf ein Steuer übertragenden Feedback-Aktuator, eine Steuereinheit, die den Feedback-Aktuator und den Lenksteller ansteuert, und einen
Winkelsensor (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle (1,11) eines Kraftfahrzeuges, wobei bei dem
Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle (1,11) mit einem induktiven Winkelsensor (2) gemessen wird, der zwei raumfest ange- ordnete Spulen (80,81,82,83), die Teil eines Schwingkreises sind, aufweist, wobei die Spulen (80,81,82,83) wenigstens eine sich mit der Lenkwelle (1,11) drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle (1,11) erstreckende und in sich geschlossene Spur (7,70,71) abtasten, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises detektiert wird.
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