DE102008021883A1

DE102008021883A1 - Einrichtung zum Erfassen einer Lenkraddrehbewegung

Info

Publication number: DE102008021883A1
Application number: DE200810021883
Authority: DE
Inventors: Rupert Stitzinger
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05
Also published as: WO2009132642A1

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zum Erfassen einer Lenkraddrehbewegung, die sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und das sichere Erkennen von Störsituationen auszeichnet und zudem auch in jeder Betriebssituation zuverlässig die absolute Lenkradstellung erfasst. Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erfassen einer Lenkraddrehbewegung umfasst eine mit dem Lenkrad gekoppelte Inkrementalwinkelsensoreinheit (8), die bei Drehbewegung des Lenkrades ein den dabei zurückgelegten Drehwinkel repräsentierendes Inkrementalwinkelsignal (43) ausgibt. Eine mit dem Lenkrad gekoppelte Absolutwinkelsensoreneinheit (21) gibt Positionssignale (alpha1, alpha2) aus, die die Absolutstellung des Lenkrades repräsentieren. Eine Auswerteeinheit (25) generiert aus den Positionssignalen (alpha1, alpha2) bei einer Drehbewegung ein den zurückgelegten Drehwinkel der Lenkraddrehbewegung repräsentierendes Drehwinkelsignal (41). Eine Vergleichseinheit (28) gibt bei einer Differenz der durch das Inkrementalwinkelsignal (43) und das Drehwinkelsignal (41) repräsentierten Drehwinkel ein Fehlersignal (46) aus.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Drehbewegungen (Rotationsbewegungen um die Lenkachse) eines Lenkrads, die beispielsweise bei Sonderfahrzeugen Verwendung finden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Begriff des Lenkrades weit zu verstehen und keinesfalls auf kreisförmige Lenkmittel oder Räder im klassischen Sinne beschränkt. Vielmehr sind auch Lenkeinrichtungen anderer Form unter dem Begriff „Lenkrad” zu verstehen, beispielsweise Steuerknüppel oder Lenksticks.
Während bei Personenkraftfahrzeugen und Lastkraftfahrzeugen jedenfalls derzeit noch aufgrund einschlägiger Vorschriften stets eine mechanische Verbindung und Lenkbewegungsübertragung von dem Lenkrad auf die zu lenkenden Räder erfolgen muss, sind bei Sonderfahrzeugen, wie z. B. Ga belstaplern, auch so genannte indirekte oder als „Steer-by-Wire” bezeichnete Lenkeinheiten einsetzbar. Diese erfordern eine Umsetzung der physikalischen Bewegung (Drehbewegung des Lenkrades) in elektrische Signale, mit denen dann aktiv die zu lenkenden Räder in Umsetzung der Lenkbewegung gesteuert werden.
Aufgrund der nur mittelbaren mechanischen Kopplung zwischen Lenkeinheit einerseits und den zu lenkenden Rädern andererseits sind erhöhte Sicherheitsanforderungen und Zuverlässigkeitskriterien zu erfüllen.
Dazu ist es grundsätzlich denkbar, die Lenkeinrichtung redundant auszulegen, indem mehrere gleiche Winkelsensoren vorgesehen werden. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass diese räumlich relativ dicht benachbart sein müssten und deshalb bei auftretenden Störungen, beispielsweise magnetischen Störfeldern, gleichermaßen gestört werden würden. Eine Störung wäre deshalb nicht in jedem Fall sicher detektierbar.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Einrichtung zum Erfassen einer Lenkraddrehbewegung, die sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und das sichere Erkennen von Störsituationen auszeichnet und zudem auch in jeder Betriebssituation zuverlässig die absolute Lenkradstellung erfasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demgemäß sieht die Einrichtung eine mit dem Lenkrad gekoppelte Inkrementalwinkelsensoreinheit vor, die bei Drehbewegung des Lenkrades ein den dabei zurückgelegten Drehwinkel repräsentierendes Inkrementalwinkelsignal ausgibt.
Ferner umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung eine mit dem Lenkrad gekoppelte Absolutwinkelsensoreinheit, die die Absolutstellung des Lenkrades repräsentierende Positionssignale ausgibt.
Eine Auswerteeinrichtung generiert bei einer Drehung des Lenkrades aus dem Positionssignal zu Beginn der Bewegung und am Ende der Bewegung ein den zurückgelegten Drehwinkel der Lenkraddrehbewegung repräsentierendes Drehwinkelsignal. Erfindungsgemäß ist zudem eine Vergleichseinheit vorgesehen, die bei einer Abweichung der durch das Inkrementalwinkelsignal und das Drehwinkelsignal repräsentierten Drehwinkel ein Fehlersignal generiert. Die Vergleichseinheit und/oder die Auswerteeinheit kann in einer externen Steuerung oder direkt in einer der Sensoreinheiten integriert sein.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer synergetischen Kombination einer Absolutwinkelsensoreinheit und einer Inkrementalwinkelsensoreinheit. Die Absolutwinkelsensoreinheit liefert einerseits bei Betriebsaufnahme bzw. nach Betriebsunterbrechung das gewünschte, die absolute Position der Lenkradstellung angebende Positionssignal. Andererseits wird aus den Positionssignalen der Absolutwinkelsensoreinheit zusätzlich eine redundante Information über die Lenkbewegung – also über den zurückgelegten Drehwinkel – gewonnen, so dass diese zur zuverlässigen Fehleraufspürung eine Vergleichsbasis bildet zum Vergleich mit dem Inkrementalwinkelsignal. Mit anderen Worten: Aus Lenkraddrehbewegungen resultierende Winkeländerungen in der Lenkradstellung erfasst die erfindungsgemäße Einrichtung auf zwei prinzipiell verschiedene und damit in ihrer Störanfälligkeit und Störfallreaktion unterschiedliche Arten, deren Vergleich zuverlässige Rückschlüsse auf etwaige Störungen erlaubt. Das im Störfall generierte Fehlersignal ist deshalb außerordentlich verlässlich und vermeidet zuverlässig Fehlalarme.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch eingangs skizzierten Lösungsansätzen, die benachbart angeordnete artgleiche Winkelsensoren verwenden, in ihrer Leistungsfähigkeit (Erkennung der Absolutposition des Lenkrades) und in ihrem Detektionsvermögen von Störsituationen weit überlegen. Dennoch ist die erfindungsgemäße Einrichtung in ihrem Aufbau relativ kompakt, robust und vergleichsweise einfach. Sie kann insbesondere als einbaufertige Einheit ausgebildet sein.
Als Inkrementalwinkelsensoreinheit kommt z. B. eine mit dem Lenkrad oder der Lenksäule gekoppelte Magnetscheibe mit einer Multipol-Magnetisierung und einer entsprechenden, den Wechsel der Magnetpole detektierenden Auswerteeinheit (Sensor) in Betracht.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Inkrementalwinkelsensoreinheit ein Zahnrad, das mit einer Lenkachse gekoppelt ist, und einen das Zahnrad auf Wechsel zwischen Zahn und Lücke abtastenden Inkrementalwinkelsensor. Die Verzahnung des Zahnrades kann axial (Stirnverzahnung) oder radial sein. Eine radiale Verzahnung ist für die meisten Anwendungsfälle einbautechnisch und fertigungstechnisch bevorzugt.
Dabei kann der Inkrementalwinkelsensor den Wechsel Zahn/Lücke optisch erfassen. Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch das Zahnrad aus ferromagnetischem Material gebildet, so dass eine halleffektbasierte Abtastung mit entsprechenden Hall-Sensoren als eine besonders zuverlässige, wartungsarme und verschleißfreie Abtastart möglich ist. Zur Erkennung des Drehsinns können mehrere Hallsensoren in Folge vorgesehen sein.
Nach einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung umfasst die Absolutwinkelsensoreinheit einen mit dem Lenkrad gekoppelten diametral magnetisierten Magneten und einen dessen Position abtastenden Absolutwinkelsensor, beispielsweise einen Magnetfeldlinien als Vektor messenden Sensor. Derartige, auch als Kompasssensoren bezeichnete Absolutwinkelsensoren sind für sich bekannt und handelsüblich. Sie werden beispielsweise von Firmen wie iC Haus, Am Kuemmerling 18, 55294 Bodenheim, NXP oder Honeywell unter Bezeichnungen wie Angular Hall Encoder angeboten.
Nach einer einbautechnisch bevorzugten Ausgestaltung sind sowohl der Inkrementalwinkelsensor als auch der Absolutwinkelsensor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet, die ihrerseits gegenüber dem freien Ende der Lenkachse positioniert ist.
Eine besonders kompakte und einbautechnisch bevorzugte Einrichtung lässt sich realisieren, indem nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf der Platine auch die Auswerteeinheit und die Vergleichseinheit angeordnet sind.
Zudem kann die Platine bevorzugt auch eine Anpassungsschaltung zur Aufbereitung der von der Inkrementalwinkelsensoreinheit bzw. der Absolutwinkelsensoreinheit gelieferten Signale sowie bedarfsweise eine Anpassungsschaltung zur Anpassung des Fehlersignals in ein gewünschtes Ausgabeformat tragen.
Um in der Praxis unbeachtliche geringfügige Abweichungen zwischen dem Inkrementalwinkelsignal und dem Drehwinkelsignal bzw. der durch diese repräsentierten Drehwinkel zu tolerieren, ist nach einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Vergleichseinheit das Fehlersignal erst bei Überschreiten einer Differenztoleranz generiert.
Weitere vorteilhafte Aspekte und Ausgestaltungsmöglichkeiten sowie ergänzende Erläuterungen der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Einrichtung im Längsschnitt,
2 eine Ansicht in Pfeilrichtung A in 1 und
3 schematisch ein Signalverarbeitungsschaubild einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einer Realisierung einer Lenkeinheit 1 eines nicht näher dargestellten Gabelstaplers exemplarisch erläutert. Das nicht dargestellte Lenkrad ist mit dem oberen Ende einer Lenkachse 2 verbunden und bewirkt bei entsprechenden Bewegungen eine Rotation der Lenkachse 2 um deren Längsachse 3. Schematisch ist die Lagerung 4 des anderen unteren freien Endes 5 der Lenkachse 2 dargestellt. Die gesamte Anordnung ist von einem Gehäuse 6 umgeben. Mit dem Ende 5 der Lenkachse 2 ist als Bestandteil einer Inkrementalwinkelsensoreinheit 8 ein Zahnrad 10 mit einer radialen Verzahnung 11 verbunden. Das Zahnrad 10 ist auf der Stirnfläche 12 des Endes 5 aufgebracht und besteht aus einem ferromagnetischen Material.
Auf einer Platine 15 ist gegenüber der Verzahnung 11 in geringem Abstand ein Inkrementalwinkelsensor 16 angeordnet. Dieser basiert beispielsweise auf dem so genannten Hall-Effekt und tastet mit hoher Auflösung den Wechsel zwischen Zähnen und Lücken des Zahnrades 10 ab. Beispielsweise kann der Sensor beim relativen Vorbeidrehen eines Zahnes ein logisches High-Signal ausgeben, während eine Stellung mit gegenüberliegender Lücke ein logisches Low-Signal bewirkt. Diese Einheit ist so ausgebildet, dass sie die Drehrichtung erkennt (z. B. durch den Einsatz mehrerer Hallelemente in einer Sensoreinheit).
Auf der Stirnfläche 12 ist zentrisch bzw. koaxial mit der Achse 3 ein so genannter diametral magnetisierter Magnet 20 angeordnet. Dieser ist eine Komponente einer Absolutwinkelsensoreinheit 21 und bildet im Zusammenspiel mit einem auf der Platine 15 angeordneten Absolutwinkelsensor 22 ein Winkelmeßsystem, das die Absolutstellung des Lenkrades repräsentierende Positionssignale (vergleiche hierzu 3) erzeugt.
Zudem ist auf der Platine 15 eine Auswerteeinheit 25 angeordnet, die aufgrund einer Änderung der Absolutwinkelsignale ein Drehwinkelsignal 41 generiert. Die bei Bewegung des Lenkrades entstehenden, von dem Absolutwinkelsensor gelieferten unterschiedlichen Positionssignale werden dahingehend aufbereitet, dass aus den Positionssignalen des Absolutwinkelsensors bei Lenkraddrehbewegung quasi ein weiteres Inkrementalwinkelsignal – nämlich das Drehwinkelsignal 41 – mit entsprechender Drehrichtungsinformation entsteht. Eine ebenfalls auf der Platine 15 angeordnete Vergleichseinheit 28 gibt – gegebenenfalls mit einer Toleranz – bei einer Differenz der durch das Inkrementalwinkelsignal repräsentierten Drehbewegung und der durch das (von dem Absolutwinkelsystem generierten) Drehwinkelsignal repräsentierten Drehbewegung ein Fehlersignal aus.
Zudem sind auf der Platine 15 noch weitere Schaltungselemente 30 bzw. Schaltungen angeordnet, die z. B. zur Aufbereitung der Inkrementalwinkelsignale und Positionssignale in andere Ausgabeformate dienen und die Elektronik EMV- und EMD-gerecht werden lassen.
2 zeigt zur Verdeutlichung der Anordnung der Komponenten in Blickrichtung A auf die Stirnfläche 12 den diametral magnetisierten Magneten 20, der zentral und konzentrisch zur Längsachse 3 ausgerichtet ist. Diametral magnetisierte Magneten sind handelsüblich und werden beispielsweise von der Fa. Bomatec, CH-8181 Höri angeboten. Am äußeren Umfang 33 ist die Verzahnung 11 des Zahnrades 10 ausgebildet.
3 zeigt schematisch die Signale bzw. Signalaufbereitung bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Bei einer Drehbewegung des Lenkrades bewirkt die Verzahnung 11 schematisch dargestellte Rechteck-Signale (High-Low) am Ausgang des Inkrementalwinkelsensors 16. Daneben liefert der Absolutwinkelsensor 22 der Absolutwinkelsensoreinheit 21 die Absolutstellung des Lenkrades repräsentierende Positionssignale, die in 3 mit α₁ und α₂ bezeichnet sind. Dabei sind α₁ und α₂ beispielsweise die Sinus- und Cosinuswerte des Drehwinkels und repräsentieren die absolute Winkelstellung zu Beginn einer betrachteten Lenkraddrehbewegung bzw. die absolute Winkelstellung bei beendeter betrachteter Lenkraddrehbewegung.
Die Auswerteeinheit 25 ermittelt aus den Signalen α₁ und α₂ den zurückgelegten Drehwinkel und generiert daraus wie beschrieben das Drehwinkelsignal 41. Das gegebenenfalls in einer Aufbereitungsschaltung 42 aufbereitete Inkrementalwinkelsignal 43 wird der Vergleichseinheit 28 zugeführt. Diese vergleicht die Signale 41 und 43 und damit die von ihnen repräsentierten zurückgelegten Drehwinkel und gibt – gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer zulässigen Toleranz – ein Fehlersignal 46 jedenfalls dann aus, wenn die Differenz der Signale 41 und 43 und damit die Differenz der von ihnen repräsentierten Drehwinkel die vorgegebene Toleranz überschreitet.

1: Lenkeinheit
2: Lenkachse
3: Längsachse
4: Lagerung
5: Ende
6: Gehäuse
8: Inkrementalwinkelsensoreinheit
10: Zahnrad
11: Verzahnung
12: Stirnfläche
15: Platine
16: Inkrementalwinkelsensor
20: Magnet
21: Absolutwinkelsensoreinheit
22: Absolutwinkelsensor
25: Auswerteeinheit
28: Vergleichseinheit
30: Schaltungselemente
33: Umfang
41: Drehwinkelsignal
42: Aufbereitungsschaltung
43: Inkrementalwinkelsignal
46: Fehlersignal
A: Blickrichtung
α₁: Positionssignal
α₂: Positionssignal

Claims

Einrichtung zum Erfassen einer Lenkraddrehbewegung – mit einer mit dem Lenkrad gekoppelten Inkrementalwinkelsensoreinheit (8), die bei Drehbewegung des Lenkrades ein den dabei zurückgelegten Drehwinkel repräsentierendes Inkrementalwinkelsignal (43) ausgibt, – mit einer mit dem Lenkrad gekoppelten Absolutwinkelsensoreinheit (21), die die Absolutstellung des Lenkrades repräsentierende Positionssignale (α₁, α₂) ausgibt, – wobei eine Auswerteeinheit (25) aus den Positionssignalen (α₁, α₂) bei einer Drehbewegung ein den Drehwinkel der Lenkraddrehbewegung repräsentierendes Drehwinkelsignal (41) generiert und – mit einer Vergleichseinheit (28), die bei einer Differenz der durch das Inkrementalwinkelsignal (43) und das Drehwinkelsignal 41) repräsentierten Drehwinkel ein Fehlersignal (46) generiert.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementalwinkelsensoreinheit (8) ein Zahnrad (10) umfasst, das mit einer Lenkachse (2) gekoppelt ist, und einen Inkrementalwinkelsensor (16) umfasst, der das Zahnrad (10) auf Wechsel zwischen Zahn und Lücke abtastet.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (10) aus ferromagnetischem Material gebildet ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutwinkelsensoreinheit (21) einen mit dem Lenkrad gekoppelten diametral magnetisierten Magneten (20) und einen dessen Position abtastenden Absolutwinkelsensor (22) umfasst.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Inkrementalwinkelsensor (16) als auch der Absolutwinkelsensor (22) auf einer gemeinsamen Platine (15) angeordnet sind, die gegenüber dem freien Ende (5) der Lenkachse (2) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Platine (15) auch die Auswerteeinheit (25) und/oder die Vergleichseinheit (28) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (15) eine Anpassungsschaltung (30) zur Aufbereitung der von der Inkrementalwinkelsensoreinheit (8) und/oder der Absolutwinkelsensoreinheit (21) gelieferten Signale (43; α₁, α₂) trägt.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (15) eine Anpassungsschaltung zur Anpassung des Fehlersignals (46) in ein gewünschtes Ausgabeformat trägt.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (28) das Fehlersignal (46) erst bei Überschreiten einer Differenztoleranz generiert.