WO2012136481A1 - Verfahren zum erfassen einer winkelposition - Google Patents

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WO2012136481A1
WO2012136481A1 PCT/EP2012/055027 EP2012055027W WO2012136481A1 WO 2012136481 A1 WO2012136481 A1 WO 2012136481A1 EP 2012055027 W EP2012055027 W EP 2012055027W WO 2012136481 A1 WO2012136481 A1 WO 2012136481A1
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magnetic field
shaft
sensor element
angular position
magnets
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PCT/EP2012/055027
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Holger Behrens
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/80—Manufacturing details of magnetic targets for magnetic encoders

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting an angular position of a shaft of a motor vehicle when the ignition is switched off and to a sensor arrangement for detecting an angular position of a shaft of a motor vehicle with the ignition switched off.
  • Rotatable shafts are used in different devices, for example.
  • a rotation angle sensor or a torque sensor In this case, a relative rotation of two shafts relative to one another can be detected with a torque sensor.
  • torque sensors a magnetic method is typically used, as described, for example, in the document DE 10 2005 031 086 A1. In this case, a magnetic field of a magnetic multipole, which is arranged on a shaft, measured. With a so-called True Power On function (TPO), the angular position of a steering wheel of a motor vehicle when switching on the ignition can be determined by sensors.
  • TPO True Power On function
  • a gear transmission is needed, which translates the rotational movements, so that after the Switching on the ignition can be calculated based on the translation a clear signal.
  • two gears can be used with unequal numbers of teeth, with their teeth engage in teeth of a gear which is arranged on a hub of a shaft.
  • a hypercycloidal transmission can also be used, as described, for example, in the document DE 10 2008 01 1 448 A1.
  • the steering angle of a steering column can be calculated from the position of a rotor position sensor used in power steering systems (EPS) and detects the rotation of the steering column via the reduction of an EPS motor used in the power steering.
  • EPS power steering systems
  • a magnet unit which comprises a multipole wheel of circular or annularly arranged magnets.
  • Field lines of a magnetic field of a magnet are oriented according to the definition of the north pole to the south pole of the magnet or vice versa.
  • the field lines of immediately adjacent magnets are oppositely oriented.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element measures and detects the magnetic field of the multipole wheel, which results from superposition of the magnetic fields of all the magnets of the multipole wheel. From the position of the magnetic field, furthermore, the position of the multipole wheel and thus the angular position of the shaft, for example by calculation, can be derived and / or determined. In an embodiment of the invention can be detected by the rotation of the shaft change of the magnetic field at a position at which the at least one magnetic field-sensitive sensor element is arranged, of the at least one magnetic field-sensitive sensor element with the ignition off.
  • the change in the angular position can thus be registered quickly and reliably, so that a wake-up function is activated by the at least one magnetic-field-sensitive sensor element, thereby signaling the change with the ignition switched off to a control device, for example for a steering system comprising the shaft.
  • the resulting prompt changes and thus reorientations and / or rotations of the field lines of the moving magnetic field can be counted incrementally. From this, it can be determined from the number of resulting changes of the magnetic field, which result from passing interfaces, by how many degrees the angular position of the shaft has changed during one rotation. Starting from a previous angular position, taking into account the rotation, it is possible to reconstruct which angular position the shaft currently has.
  • this circuit can be arranged in the at least one magnetic field-sensitive sensor element or in a control unit as a component of the sensor arrangement.
  • the circuit and / or the at least one magnetic field-sensitive sensor element may comprise the magnetic-field-sensitive switch, which registers a usually spatial change in the magnetic field of the multipole wheel and reacts thereto by activating the wake-up function.
  • a change in the magnetic field can cause a position of the magnetic-field-sensitive switch to be changed and a circuit to be closed, which in turn activates the wake-up function.
  • the values acquired for at least one angular position and / or at least one rotation can also be stored in the circuit, which is embodied, for example, as an application-specific integrated circuit (ASIC) and used when the ignition is switched on.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • a non-contact rotational angle and / or torque sensor with a wake-up function is provided by the invention. It is possible, even a multiple complete revolution of the shaft, d. H. by more than 360 °, to capture and thus realize a so-called multi-turn function.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element may include, as possible components in addition to the magnetic field-sensitive switch, an AMR element for measuring an anisotropic magnetoresistance, a GMR element for measuring the giant magnetoresistor, or a Hall element.
  • an orientation of the field lines of the magnetic field of the multipole wheel oriented largely radially to the axis of rotation of the shaft is determined.
  • the position of the multipole wheel can also be calculated on the basis of the field strength of the magnetic field.
  • the angle of the interface between two magnets and thus within a pole region, which is arranged between two adjacent magnets net is to be determined very precisely.
  • Rotation of the multipole wheel relative to the at least one magnetic field sensitive sensor element and thus the magnetic field sensitive switch from a first pole region to an adjacent next pole region disposed between the two nearest magnets is due to the change in direction of the field lines with the magnetic field sensitive switch good to determine.
  • a movement of the magnets relative to the at least one magnetic field-sensitive sensor element caused by rotation or further rotation and a change in the magnetic field resulting therefrom are detected and configured in a memory configured as an EEPROM which is designed as a component of the at least one magnetic field-sensitive sensor element and / or the control device can, saved.
  • At least one stored value for the change of the magnetic field and / or the angular position can be further processed by the at least one magnetic-field-sensitive sensor element or the control device, whereby it is usually determined how large the angle through which the shaft rotates during the performed rotation Has.
  • This at least one stored value can be available to the control unit at a start of the motor vehicle by activation of the ignition.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element which comprises the ASIC-designed circuit, for example, in which the wake-up function for waking up the control unit is implemented via the magnetic-field-sensitive switch, is supplied with electrical energy by the control unit.
  • the ignition is switched off, a low quiescent current is provided to the at least one magnetic field-sensitive sensor element by the control unit.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element can be configured to detect a rotation of the shaft even when the ignition is switched on, wherein the control unit provides a current or alternating current which is generally constant and whose magnitude can be greater than that of the quiescent current to the at least one magnetic field-sensitive sensor element ,
  • a period p at which the angular position of the shaft is interrogated is chosen so that movement of the shaft, usually the steering shaft, can be reliably detected when the ignition is off, but due to the mechanical inertia of the shaft as long as possible resting phase between two periods of the quiescent current is present.
  • the idle phase reduces power consumption when the ignition is off.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element which comprises the switch designed as a reed switch, is also supplied with energy when the ignition is switched off. If the magnetic field of the multipole wheel changes, the magnetic field-sensitive switch is switched and the wake-up function is activated. Alternatively or additionally, the change in the magnetic field registered as a result of the change in the movement can be stored in the memory of the magnetic-field-sensitive sensor element. Due to the change in the magnetic field, it is also possible to determine and store a resulting change in the angular position.
  • At least one such determined and stored angular position can be interrogated within the fixed period p and compared with at least one value of the previous period, wherein a comparison and optionally a storage of at least one of the values of the sensor element and / or the control unit can be made.
  • the magnetic-field-sensitive switch is then switched and thus activated if a value of the magnetic field changes by a defined minimum amount, which depends on a sensitivity of the magnetic-field-sensitive switch.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element comprising the magnetic field-sensitive switch can detect the further rotation of the shaft, activate the wake-up function and send a signal to the control unit, wherein the
  • Control unit of the signal which may also include a detected value of the magnetic field and / or the angular position is awakened.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element can automatically store information about a rotational movement in the memory.
  • the control unit which is designed to control, ie to control and / or regulate or monitor a function of the shaft, immediately upon switching on the ignition, the current angular position of the shaft and thus a steering wheel, which may be connected to the shaft ready. be put.
  • the wake-up function implemented in the at least one magnetic-field-sensitive sensor element upon detection of rotation of the shaft which can be designed as an EPS rotor
  • a function for controlling the shaft can be awakened for the control device when the ignition is switched off by a signal from the at least one magnetic field-sensitive sensor element and thus activated.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element can be interrogated by the control unit alternatively or additionally in regular periods p, wherein a rotational movement of the shaft is recorded and stored, so that the current angular or rotational position after switching on the ignition is available.
  • the sensor arrangement according to the invention is designed to carry out all the steps of the presented method.
  • individual steps of this method can also be carried out by individual components of the sensor arrangement.
  • functions of the sensor arrangement or functions of individual components of the sensor arrangement can be implemented as steps of the method.
  • steps of the method it is possible for steps of the method to be realized as functions of at least one component of the sensor arrangement or of the entire sensor arrangement.
  • Figure 1 shows an embodiment of a sensor arrangement according to the invention from a first perspective in a schematic representation.
  • FIG. 2 shows components of the sensor arrangement according to the invention from FIG. 1 from a second perspective in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows components of the sensor arrangement 2 according to the invention and of the steering system 4 from a direction which is oriented axially relative to the axis of rotation 6.
  • the steering system 4 comprises a first shaft 8 and a second shaft 10, which can rotate here about the common axis of rotation 6 and are connected to each other via a torsion bar 12.
  • the first shaft 8 comprises a magnet unit 14 which has a multipole wheel 16 arranged on the first shaft 8.
  • This Multipolrad 16 includes a plurality of ring and / or ring-shaped magnets arranged 18, 20.
  • Pol Suitee of first magnet 18 from the axis of rotation 6 outward in north-south direction and Pol Schemee of second magnet 20, the the first magnet 18 are immediately adjacent, oriented from the axis of rotation 6 outward in the south-north direction.
  • the multipole wheel 16 alternately adjacent to each other adjacent first and second magnets 18, 20 which comprise mutually oppositely oriented magnetic fields.
  • Field lines 22 of a common magnetic field which is formed by superposition of the magnetic fields of the individual magnets 18, 20, are also indicated in FIGS. 1 and 2.
  • the sensor arrangement 2 comprises a first magnetic-field-sensitive sensor element 24, which is arranged on a first printed circuit board 26 and has an ASIC as a circuit. It is provided that the first magnetic field-sensitive Sensor element 24 and thus the ASIC is arranged parallel to the multipole 16 of the magnet unit 24.
  • Magnetic field of the multipole 16 which changes between two adjacent magnets 18, 20 by 180 °, are detected quantitatively and / or qualitatively.
  • a second magnetic field-sensitive sensor element 28 is assigned to the second shaft 10 and arranged on a second printed circuit board 30, on which furthermore a
  • the second magnetic field-sensitive sensor element 28 is formed as a component of a so-called sensor unit 34 of a torque sensor, with which a relative rotation of the two shafts 8, 10 about the common axis of rotation 6 is detected. In this case, a twisting of the torsion bar 12 between the two shafts 8, 10 is caused by a torque.
  • the magnetic field of the multipole wheel 16 is amplified by a magnetic flux unit 36, which is arranged on the second shaft 10 and formed of ferromagnetic material, so that the magnetic field can also be detected by the second magnetic field-sensitive sensor element 28.
  • the sensor arrangement 2 shown here also has a control unit 38, which is connected via a connecting line 40 to the magnetic field-sensitive sensor elements 24, 28, here via the printed circuit boards 26, 30.
  • the connecting line 40 may be formed as a cable, semi-flexible printed circuit board, etc.
  • a connection between the two circuit boards 26, 30 is not necessarily necessary, but leads to a cost-effective design, since only one connection to the control unit 38 is required.
  • the first magnetic field-sensitive sensor element 24 can be connected via the plug 32 on the second printed circuit board 30 or directly to the control unit 38 (connecting line 40 shown in dashed lines).
  • At least one of the two magnetic-field-sensitive sensor elements 24, 28 has a magnetic-field-sensitive switch designed here as a reed switch 50, which wakes the sensor arrangement 2 when the generated magnetic field 22 changes.
  • a change in the angular position of at least one shaft 8, 10 in a movement of the multipole 16, by the here spatial change of the magnetic field is registered.
  • a qualitative detection of the magnetic field usually the change of the magnetic field, is detected and / or registered at least by the magnetic-field-sensitive switch.
  • Quantitative changes in the magnetic field can also be determined by a further component of a magnetic-field-sensitive sensor element 24, 28, which may be designed as a GMR, AMR or Hall element.
  • the multipole wheel 16 of the magnet unit 14 is configured to provide a signal of a measured steering angle as the angular position of the first shaft 8 and to provide a signal of measured torque between both shafts 8, 10.
  • both functions can be integrated in a sensor arrangement 2.
  • a multipole wheel to be arranged on the second shaft 10, whose rotating magnetic field is detected by the second magnetic field-sensitive sensor element 28. From the difference of the angular positions of both shafts 8, 10, the torque and / or a relative angle between the two shafts 8, 10 can be determined within the scope of the invention even when the ignition is switched off.
  • the sensor arrangement 2 which has at least one magnetic field-sensitive sensor element 24, 28, for detecting an angular position of at least one shaft 8, 10 of a motor vehicle with the ignition switched off.
  • a multipole wheel 16 made of magnets 18, 20 is arranged on the at least one shaft 8, 10.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element 24, 28 detects a magnetic field generated by the magnets 18, 20 and thus the multipole 16.
  • an orientation or orientation of the field lines 22 of the magnetic field and / or a field strength of the magnetic field as parameters of the magnetic field can be detected qualitatively and / or quantitatively.
  • At least one parameter of the magnetic field is interrogated periodically via a quiescent current, and values of at least one magnetic field-sensitive sensor element 24 are detected by the at least one parameter and, if necessary, processed.
  • This may mean that a value of the magnetic field, which is detected at a first, for example, previous, period, with a value of the magnetic field at a second, for example, current, period, which is usually directly after the first period, is detected is compared.
  • a change in the angular position upon rotation of the at least one shaft 8 causes a change in the magnetic field generated by the Multipolrad 50, which is registered by the magnetic field-sensitive switch and / or relay designed here as a reed switch 50.
  • the change can be stored in a memory of the at least one magnetic field-sensitive sensor element 24 and / or the control device 38 configured as an EEPROM.
  • a wake-up function implemented in a circuit of the at least one magnetic-field-sensitive sensor element 24 can be activated via the reed switch 50 and the control device 38 thereby awakened.
  • a transition usually an interface between two adjacent magnets 18, 20 detected. If the transition between two adjacent magnets 18, 20 moves past the magnetic-field-sensitive switch 50 and thus passes by it, a circuit is closed via the magnetic-field-sensitive switch 50 and the wake-up function is also activated. Accordingly, the at least one magnetic field-sensitive sensor element 24 with the magnetic field-sensitive switch 50 comprises an event-triggered circuit.
  • a registered event is usually a minimum movement of the multipole wheel 16, which causes a spatial change of the magnetic field at the position of the magnetic-field-sensitive switch 50. In this case, a movement of the magnets 18, 20 relative to the at least one magnetic field-sensitive sensor element 24 can be counted incrementally.
  • the at least one magnetic field-sensitive sensor element 24 and thus the reed switch 50 of the sensor arrangement 2 are supplied with a normally periodic quiescent current when the ignition is switched off, which is provided, for example, by the control unit 38.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition wenigstens einer Welle (8, 10) eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung, wobei an der wenigstens einen Welle (8, 10) mindestens ein Multipolrad (16), das Magnete (18, 20) umfasst, angeordnet ist, wobei das Verfahren mit einer Sensoranordnung (2) durchgeführt wird, die mindestens ein magnetfeldsensitives Sensorelement (24, 28) aufweist, mit dem ein von den Magneten (18, 20) erzeugtes Magnetfeld erfasst wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition einer Welle eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung und eine Sensoranordnung zum Erfassen einer Winkelposition einer Welle eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung. Stand der Technik
Drehbare Wellen kommen bei unterschiedlichen Vorrichtungen zum Einsatz, bspw. auch in Lenkanlagen von Kraftfahrzeugen. Zum Betreiben einer Welle kann es erforderlich sein, Informationen über deren Drehwinkel und somit deren Stellung zu haben. Derartige Informationen über den Drehwinkel werden mit einem Drehwinkelsensor oder einem Drehmomentsensor ermittelt. Dabei kann mit einem Drehmomentsensor eine relative Drehung von zwei Wellen zueinander er- fasst werden. Bei Drehmomentsensoren wird typischerweise ein magnetisches Verfahren verwendet, wie dies bspw. in der Druckschrift DE 10 2005 031 086 A1 beschrieben ist. Dabei wird ein Magnetfeld eines magnetischen Multipols, der auf einer Welle angeordnet ist, gemessen. Mit einer sogenannten True Power On Funktion (TPO) kann die Winkelposition eines Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Einschalten der Zündung sensorisch ermittelt werden. Bei Vorliegen einer Multi-Turn-Fähigkeit ist es auch möglich, die Anzahl der erfolgten vollständigen Umdrehungen des Lenkrads zu erfassen. Demnach werden hierbei Drehbewegungen, die bei ausgeschalteter Zündung er- folgt sind, registriert. Zur Umsetzung der True Power On Funktion wird ein Zahnradgetriebe benötigt, das die Drehbewegungen übersetzt, so dass nach dem Einschalten der Zündung anhand der Ubersetzung ein eindeutiges Signal berechnet werden kann. Hierfür können zwei Zahnräder mit ungleicher Anzahl an Zähnen eingesetzt werden, wobei deren Zähne in Zähne eines Zahnrads eingreifen, das an einer Nabe einer Welle angeordnet ist. Zu einer derartigen Ermittlung des Drehwinkels kann auch ein Hyperzykloidgetriebe verwendet werden, wie es bspw. in der Druckschrift DE 10 2008 01 1 448 A1 beschrieben ist.
Alternativ kann der Lenkwinkel einer Lenksäule aus der Position eines Rotorlagesensors berechnet werden, der bei Servolenkungen (EPS- bzw. electric power steering-Anlagen) zum Einsatz kommt und die Drehung der Lenksäule über die Untersetzung eines bei der Servolenkung verwendeten EPS-Motors erfasst.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Sensoranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Winkelposition und somit Drehposition einer bspw. als Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Welle bei ausgeschalteter Zündung über eine Drehung von wenigstens 360° mit mindestens einem magnetfeldsensitiven Sensorelement erfasst werden.
Hierbei ist vorgesehen, dass an der Welle eine Magneteinheit angeordnet ist, die ein Multipolrad aus kreis- oder ringförmig angeordneten Magneten umfasst. Feldlinien eines Magnetfelds eines Magneten sind je nach Definition vom Nordpol zum Südpol des Magneten orientiert oder umgekehrt. Innerhalb des Multipolrads sind die Feldlinien unmittelbar benachbarter Magnete entgegengesetzt orientiert.
Das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement misst und erfasst das Magnetfeld des Multipolrads, das sich durch Überlagerung der Magnetfelder sämtlicher Magnete des Multipolrads ergibt. Aus der Stellung des Magnetfelds kann weiterhin die Position des Multipolrads und somit die Winkelposition der Welle, bspw. durch Berechnung, abgeleitet und/oder ermittelt werden. In Ausgestaltung der Erfindung kann von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement bei abgeschalteter Zündung eine durch Drehung der Welle verursachte Änderung des Magnetfelds an einer Position, an der das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement angeordnet ist, erkannt werden. Dies ist u. a. dann der Fall, wenn sich zwei benachbarte Magnete des Multipol- rads an dem magnetfeldsensitiven Sensorelement vorbei bewegen und somit eine Grenzfläche zwischen den beiden Magneten vorbei bewegt, wodurch von dem mindestens einem magnetfeldsensitiven Sensorelement eine sich prompt ergebende Änderung des Magnetfelds unter plötzlicher Umorientierung der Feldlinien durch einen bspw. als Reed-Schalter ausgebildeten magnetfeldsensitiven Schalter erfasst wird. Somit kann eine Drehung des Magnetfelds zwischen benachbarten Multipolpaaren registriert werden.
Die Änderung der Winkelposition kann somit schnell und sicher registriert werden, so dass von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement eine Aufwachfunktion aktiviert und dadurch einem Steuergerät, bspw. für eine Lenkanlage, die die Welle umfasst, die Änderung bei ausgeschalteter Zündung signalisiert wird.
Die sich ergebenden prompten Änderungen und somit Umorientierungen und/oder Drehungen der Feldlinien des sich bewegenden Magnetfelds können inkrementell gezählt werden. Daraus kann aus der Anzahl der sich ergebenden Änderungen des Magnetfelds, die sich durch vorbei bewegende Grenzflächen ergeben, ermittelt werden, um wieviel Grad sich die Winkelposition der Welle bei einer Drehung geändert hat. Ausgehend von einer vorherigen Winkelposition kann unter Berücksichtigung der Drehung nachvollzogen werden, welche Winkelposition die Welle aktuell aufweist.
Bei ausgeschalteter Zündung kann die Drehung und demnach eine Drehbewegung der Welle über die Aufwachfunktion, die in einem Schaltkreis implementiert sein kann, registriert und somit erfasst werden. Dabei kann dieser Schaltkreis in dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement oder in einem Steuergerät als Komponente der Sensoranordnung angeordnet sein. Der Schaltkreis und/oder das das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement kann den magnetfeldsensitiven Schalter aufweisen, der eine üblicherweise räumliche Änderung des Magnetfelds des Multipolrads registriert und darauf durch Aktivierung der Aufwachfunktion reagiert. Dabei kann eine Änderung des Magnetfelds bewirken, dass eine Stellung des magnetfeldsensitiven Schalters geändert und ein Stromkreis geschlossen wird, wodurch wiederum die Aufwachfunktion aktiviert wird. Der magnetfeldsensitive Schalter kann bspw. als Reed-Schalter ausgebildet sein, der auch als Reed-Relais bezeichnet werden kann. Der üblicherweise als Reed-Schalter ausgebildete magnetfeldsensitive Schalter umfasst einen Kontakt, der bei einer Änderungen eines äußeren, an dem magnetfeldsensitiven Schalter anliegenden Magnetfeld geschlossen wird.
Die zu mindestens einer Winkelposition und/oder mindestens einer erfolgten Drehung erfassten Werte können ebenfalls in dem Schaltkreis, der bspw. als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) ausgebildet ist, gespeichert und bei einem Einschalten der Zündung verwendet werden.
Aufgrund der vorgenommenen Erfassung des Magnetfelds wird mit der Erfindung ein berührungsloser Drehwinkel- und/oder Drehmomentsensor mit Aufwachfunktion bereitgestellt. Dabei ist es möglich, auch eine mehrfache vollständige Umdrehung der Welle, d. h. um mehr als 360°, zu erfassen und somit eine sogenannte Multi-Turn-Funktion zu realisieren.
Das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement kann als mögliche Komponenten neben dem magnetfeldsensitiven Schalter ein AMR-Element zur Messung eines anisotropen Magnetowiderstands, ein GMR-Element zur Messung des Riesenmagnetowiderstand oder ein Hall-Element umfassen. Mit dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement wird eine Orientierung der weitgehend radial zu der Drehachse der Welle ausgerichteten Feldlinien des Magnetfelds des Multipolrads ermittelt. Alternativ oder ergänzend kann die Position des Multipolrads auch anhand der Feldstärke des Magnetfelds berechnet werden.
Dabei kann der Winkel der Grenzfläche zwischen zwei Magneten und somit innerhalb eines Polbereichs, der zwischen zwei benachbarten Magneten angeord- net ist, besonders genau bestimmt werden. Eine Drehung des Multipolrads relativ zu dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement und somit dem magnetfeldsensitiven Schalter von einem ersten Polbereich zu einem benachbarten, nächsten Polbereich, der zwischen den beiden nächsten Magneten ange- ordnet ist, ist aufgrund der Änderung der Richtung der Feldlinien mit dem magnetfeldsensitiven Schalter gut zu ermitteln.
Eine durch ein Drehen oder ein Weiterdrehen verursachte Bewegung der Magnete relativ zu dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement sowie eine daraus resultierende Änderung des Magnetfelds wird erfasst sowie in einem als EEPROM ausgebildeten Speicher, der als Komponente des mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelements und/oder des Steuergeräts ausgebildet sein kann, gespeichert. Mindestens ein gespeicherter Wert zu der Änderung des Magnetfelds und/oder der Winkelposition kann von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement oder dem Steuergerät weiterverarbeitet werden, wobei in der Regel ermittelt wird, wie groß der Winkel ist, um den sich die Welle bei der durchgeführten Drehung gedreht hat. Dieser mindestens eine gespeicherte Wert kann dem Steuergerät bei einem Start des Kraftfahrzeugs durch Aktivierung der Zündung zur Verfügung stehen.
Üblicherweise ist vorgesehen, dass das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement, das den bspw. als ASIC ausgebildeten Schaltkreis umfasst, in dem die Aufwachfunktion zum Wecken des Steuergeräts über den magnetfeldsensitiven Schalter implementiert ist, von dem Steuergerät mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei ausgeschalteter Zündung wird dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement von dem Steuergerät ein geringer Ruhestrom bereitgestellt.
Das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement kann auch bei ange- schalteter Zündung zum Erfassen einer Drehung der Welle ausgebildet sein, wobei dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement von dem Steuergerät ein in der Regel konstanter Strom oder Wechselstrom bereitgestellt wird, dessen Betrag größer als der des Ruhestroms sein kann. Eine Periode p, zu der die Winkelposition der Welle abgefragt wird, ist so gewählt, dass eine Bewegung der Welle, üblicherweise der Lenkwelle, bei ausgeschalteter Zündung sicher erkannt werden kann, aber aufgrund der mechanischen Trägheit der Welle eine möglichst lange Ruhephase zwischen zwei Perioden des Ruhestroms vorhanden ist. Durch die Ruhephase wird der Stromverbrauch bei abgeschalteter Zündung reduziert. Mittels dieses Ruhestroms wird das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement, das den als Reed-Schalter ausgebildeten Schalter umfasst, auch bei ausgeschalteter Zündung mit Energie versorgt. Falls sich das Magnetfeld des Multipolrads ändert, wird der magnetfeldsensitive Schalter geschaltet und die Aufwachfunktion aktiviert. Alternativ oder ergänzend kann die aufgrund der Ände- rung der Bewegung registrierte Änderung des Magnetfelds in dem Speicher des magnetfeldsensitiven Sensorelements gespeichert werden. Aufgrund der Änderung des Magnetfelds ist es auch möglich, eine daraus resultierende Änderung der Winkelposition zu bestimmen und abzuspeichern. Mindestens eine derartig bestimmte und gespeicherte Winkelposition kann innerhalb der festen Periode p abgefragt und mit mindestens einem Wert der vorherigen Periode verglichen werden, wobei ein Vergleich und ggf. eine Speicherung mindestens eines der Werte von dem Sensorelement und/oder dem Steuergerät vorgenommen werden kann. Der magnetfeldsensitive Schalter wird dann geschaltet und somit aktiviert, falls sich ein Wert des Magnetfelds um einen definierten Mindestbetrag, der von einer Empfindlichkeit des magnetfeldsensitiven Schalters abhängig ist, ändert. Somit kann das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement, das den magnetfeldsensitiven Schalter umfasst, das Weiterdrehen der Welle erkennen, die Auf- wachfunktion aktivieren und ein Signal an das Steuergerät senden, wobei das
Steuergerät von dem Signal, das auch einen erfassten Wert des Magnetfelds und/oder der Winkelposition umfassen kann, geweckt wird.
Alternativ oder ergänzend kann das mindestens eine magnetfeldsensitive Sen- sorelement eine Information über eine erfolgte Drehbewegung in dem Speicher selbsttätig speichern. Dadurch kann dem Steuergerät, das zur Kontrolle, d. h. zur Steuerung und/oder Regelung oder Überwachung einer Funktion der Welle ausgebildet ist, sofort beim Einschalten der Zündung die aktuelle Winkelposition der Welle und somit einem Lenkrad, das mit der Welle verbunden sein kann, bereit- gestellt werden. Uber die in dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement implementierte Aufwachfunktion bei Erkennung einer Drehung der Welle, die als ein EPS-Rotor ausgebildet sein kann, kann für das Steuergerät bei ausgeschalteter Zündung durch ein Signal von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement eine Funktion zur Kontrolle der Welle geweckt und somit aktiviert werden. Das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement kann von dem Steuergerät alternativ oder ergänzend in regelmäßigen Perioden p abgefragt werden, wobei eine Drehbewegung der Welle aufgenommen und gespeichert wird, damit die aktuelle Winkel- oder Drehposition nach Einschalten der Zündung zur Verfügung steht.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Sensoranordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Sensoranordnung oder der gesamten Sensoranordnung realisiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus einer ersten Perspektive in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt Komponenten der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus Figur 1 aus einer zweiten Perspektive in schematischer Darstellung. Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
In Figur 1 sind die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2 und Komponenten einer Lenkanlage 4 eines Kraftfahrzeugs in radialer Richtung zu einer Drehachse 6 der Lenkanlage 4 schematisch dargestellt. Figur 2 zeigt Komponenten der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2 und der Lenkanlage 4 aus einer Richtung, die axial zu der Drehachse 6 orientiert ist.
Dabei umfasst die Lenkanlage 4 eine erste Welle 8 und eine zweite Welle 10, die sich hier um die gemeinsame Drehachse 6 drehen können und über einen Torsionsstab 12 miteinander verbunden sind. Die erste Welle 8 umfasst eine Magneteinheit 14, die ein an der ersten Welle 8 angeordnetes Multipolrad 16 aufweist. Dieses Multipolrad 16 umfasst mehrere ring- und/oder kranzförmig angeordnete Magnete 18, 20. Dabei sind in der hier gezeigten Ausführungsform Polbereiche von ersten Magneten 18 von der Drehachse 6 nach außen in Nord-Süd-Richtung und Polbereiche von zweiten Magneten 20, die zu den ersten Magneten 18 unmittelbar benachbart sind, von der Drehachse 6 nach außen in Süd-Nord- Richtung orientiert.
Demnach weist das Multipolrad 16 abwechselnd nebeneinander benachbarte erste und zweite Magnete 18, 20 auf, die zueinander entgegengesetzt orientierte Magnetfelder umfassen. Feldlinien 22 eines gemeinsamen Magnetfelds, das durch Überlagerung der Magnetfelder der einzelnen Magnete 18, 20 gebildet wird, sind in den Figuren 1 und 2 ebenfalls angedeutet.
Die Sensoranordnung 2 umfasst ein erstes magnetfeldsensitives Sensorelement 24, das auf einer ersten Leiterplatte 26 angeordnet ist und einen ASIC als Schaltkreis aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 24 und somit der ASIC parallel neben dem Multipolrad 16 der Magneteinheit 24 angeordnet ist.
Von dem ersten magnetfeldsensitiven Sensorelement 24 kann eine Feldstärke des Magnetfelds und/oder eine Orientierung der Feldlinien 22 des gemeinsamen
Magnetfelds des Multipolrads 16, die sich zwischen zwei benachbarten Magneten 18, 20 um 180° ändert, quantitativ und/oder qualitativ erfasst werden.
Ein zweites magnetfeldsensitives Sensorelement 28 ist der zweiten Welle 10 zu- geordnet und auf einer zweiten Leiterplatte 30 angeordnet, auf der weiterhin ein
Stecker 32 angeordnet ist. Das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 28 ist als Komponente einer sogenannten Sensoreinheit 34 eines Drehmomentsensors ausgebildet, mit dem eine relative Drehung der beiden Wellen 8, 10 um die gemeinsame Drehachse 6 erfasst wird. Dabei wird durch ein Drehmoment eine Verdrillung des Torsionsstabs 12 zwischen den beiden Wellen 8, 10 hervorgerufen. Hierbei wird das Magnetfeld des Multipolrads 16 durch eine Magnetflusseinheit 36, die an der zweiten Welle 10 angeordnet und aus ferromagnetischem Material gebildet ist, verstärkt, so dass das Magnetfeld auch von dem zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelement 28 erfasst werden kann.
Außerdem weist die hier gezeigte Sensoranordnung 2 auch ein Steuergerät 38 auf, das über eine Verbindungsleitung 40 mit den magnetfeldsensitiven Sensorelementen 24, 28, hier über die Leiterplatten 26, 30, verbunden ist. Die Verbindungsleitung 40 kann als Kabel, halbflexible Leiterplatte etc. ausgebildet sein. Eine Verbindung zwischen beiden Leiterplatten 26, 30 ist nicht zwangsläufig notwendig, führt aber zu einer kostengünstigen Ausführung, da nur eine Verbindung zum Steuergerät 38 erforderlich ist. Demnach kann das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 24 über den Stecker 32 auf der zweiten Leiterplatte 30 oder direkt mit dem Steuergerät 38 verbunden sein (gestrichelt dargestellte Verbin- dungsleitung 40).
Mindestens eines der beiden magnetfeldsensitiven Sensorelemente 24, 28 weist einen hier als Reed-Schalter 50 ausgebildeten magnetfeldsensitiven Schalter auf, der die Sensoranordnung 2 aufweckt, wenn sich das erzeugte Magnetfeld 22 ändert. Dabei wird eine Änderung der Winkelposition zumindest einer Welle 8, 10 bei einer Bewegung des Multipolrads 16, durch die die hier räumliche Änderung des Magnetfelds bewirkt wird, registriert. Eine qualitative Erfassung des Magnetfelds, üblicherweise der Änderung des Magnetfelds, wird zumindest durch den magnetfeldsensitiven Schalter erfasst und/oder registriert. Quantitative Änderungen des Magnetfelds können auch durch eine weitere Komponente eines mag- netfeldsensitiven Sensorelements 24, 28, die als GMR-, AMR- oder Hall-Element ausgebildet sein kann, ermittelt werden.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das Multipolrad 16 der Magneteinheit 14 zur Bereitstellung eines Signals eines gemessenen Lenkwinkels als Winkel- position der ersten Welle 8 und zur Bereitstellung eines Signals eines gemessenen Drehmoments zwischen beiden Wellen 8, 10 ausgebildet. Somit können beide Funktionen in einer Sensoranordnung 2 integriert werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass an der zweiten Welle 10 ebenfalls ein Multipol- rad angeordnet ist, dessen sich drehendes Magnetfeld von dem zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelement 28 erfasst wird. Aus der Differenz der Winkelpositionen beider Wellen 8, 10 kann im Rahmen der Erfindung auch bei abgeschalteter Zündung das Drehmoment und/oder ein relativer Winkel zwischen beiden Wellen 8, 10 ermittelt werden.
Üblicherweise ist die Sensoranordnung 2, die mindestens ein magnetfeldsensitives Sensorelement 24, 28 aufweist, zum Erfassen einer Winkelposition wenigstens einer Welle 8, 10 eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung ausgebildet. Dabei ist an der wenigstens einen Welle 8, 10 ein Multipolrad 16 aus Magneten 18, 20 angeordnet. Das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement 24, 28 erfasst ein von den Magneten 18, 20 und somit dem Multipolrad 16 erzeugtes Magnetfeld. Dabei kann eine Ausrichtung oder Orientierung der Feldlinien 22 des Magnetfelds und/oder eine Feldstärke des Magnetfelds als Parameter des Magnetfelds qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden.
Dabei wird zumindest ein Parameter des Magnetfelds über einen Ruhestrom periodisch abgefragt und von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement 24 Werte zu dem zumindest einen Parameter erfasst und ggf. verarbeitet. Dies kann bedeuten, dass ein Wert des Magnetfelds, der bei einer ersten, bspw. vorherigen, Periode erfasst wird, mit einem Wert des Magnetfelds, der bei einer zweiten, bspw. aktuellen, Periode, die in der Regel direkt auf die erste Periode folgt, erfasst wird, verglichen wird.
Eine Änderung der Winkelposition bei einer Drehung der wenigstens einen Welle 8 bewirkt eine Änderung des Magnetfelds, das von dem Multipolrad 50 erzeugt wird, was von dem hier als Reed-Schalter 50 ausgebildeten magnetfeldsensitiven Schalter und/oder Relais registriert wird. Dabei kann die Änderung in einem als EEPROM ausgebildeten Speicher des mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelements 24 und/oder des Steuergeräts 38 gespeichert werden.
Weiterhin kann bei Auftreten der Änderung der Winkelposition eine in einem Schaltkreis des mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelements 24 implementierte Aufwachfunktion über den Reed-Schalter 50 aktiviert und dadurch das Steuergerät 38 geweckt werden.
Zum Erfassen der Winkelposition und/oder der Änderung der Winkelposition wird von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement 24 ein Übergang, in der Regel eine Grenzfläche, zwischen zwei benachbarten Magneten 18, 20 erfasst. Falls sich der Übergang zwischen zwei benachbarten Magneten 18, 20 an dem magnetfeldsensitiven Schalter 50 vorbei bewegt und somit an diesem vorbeistreicht, wird über den magnetfeldsensitiven Schalter 50 ein Stromkreis geschlossen und weiterhin die Aufwachfunktion aktiviert. Demnach umfasst das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement 24 mit dem magnetfeldsensitiven Schalter 50 eine eventgetriggerte Schaltung. Bei einem registrierten Er- eignis handelt es sich üblicherweise um eine minimale Bewegung des Multipol- rads 16, die eine räumliche Änderung des Magnetfelds an der Position des magnetfeldsensitiven Schalters 50 hervorruft. Hierbei kann eine Bewegung der Magnete 18, 20 relativ zu dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement 24 inkrementell gezählt werden.
Bei Durchführung des Verfahrens wird das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement 24 und somit der Reed-Schalter 50 der Sensoranordnung 2 bei ausgeschalteter Zündung mit einem üblicherweise periodischen Ruhestrom versorgt, der bspw. von dem Steuergerät 38 bereitgestellt wird.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition wenigstens einer Welle (8, 10) eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung, wobei an der wenigstens einen Welle (8, 10) ein Multipolrad (16), das Magnete (18, 20) umfasst, angeordnet ist, wobei das Verfahren mit einer Sensoranordnung (2) durchgeführt wird, die mindestens ein magnetfeldsensitives Sensorelement (24, 28) aufweist, mit dem ein von den Magneten (18, 20) erzeugtes Magnetfeld er- fasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Magnetfeld periodisch erfasst wird, wobei ein Wert des Magnetfelds, der bei einer ersten Periode erfasst wird, mit einem Wert des Magnetfelds, der bei einer zweiten Periode, die auf die erste Periode folgt, erfasst wird, verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Änderung der Winkelposition der zumindest einen Welle (8, 10) bei einer Bewegung des Multipolrads (16) registriert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Winkelposition der zumindest einen Welle (8, 10) bei Auftreten der Änderung gespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem bei Auftreten der Änderung der Winkelposition eine in dem zumindest einen magnetfeldsensitiven Sensorelement (24, 28) implementierte Aufwachfunktion aktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem von dem mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensorelement (24, 28) ein Übergang zwischen zwei benachbarten Magneten (18, 20) erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Bewegung der Magnete (18, 20) inkrementell gezählt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Winkelposition zumindest einer Welle (8, 10) einer Lenkanlage (4) des Kraftfahrzeugs erfasst wird.
9. Sensoranordnung zum Erfassen einer Winkelposition zumindest einer Welle (8, 10) eines Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Zündung, wobei an der zumindest einen Welle (8, 10) ein Multipolrad (16), das Magnete (18, 20) um- fasst, angeordnet ist, wobei die Sensoranordnung (2) mindestens ein magnetfeldsensitives Sensorelement (24, 28) aufweist, das ein von den Magneten (18, 20) erzeugtes Magnetfeld erfasst.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, bei der das mindestens eine magnetfeldsensitive Sensorelement (24, 28) einen Reed-Schalter (50) aufweist, der die Sensoranordnung (2) aufweckt, wenn sich das erzeugte Magnetfeld ändert.
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