DE10224288A1

DE10224288A1 - Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE10224288A1
Application number: DE2002124288
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Abele; Walter Cerny
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels phi, insbesondere zur Bestimmung eines Lenkdrehmomentes einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs. Die Messung des Drehwinkels phi eines rotierbaren magnetischen Körpers 3 erfolgt über einen in dessen Nähe angeordneten magnetoresistiven Sensor, der zwei phasenverschobene, sinusförmige Ausgangssignale 4, 5 bei Bewegung des Körpers erzeugt. Um eine exakte Festlegung des Nullpunktes der Vorrichtung vornehmen zu können, wird der Nullpunkt 7 in einen Bereich des Drehwinkels phi gelegt, in dem beide Ausgangssignale einen hohen Gradienten haben, bevorzugt dort, wo die Summe der Ableitungen der sinusförmigen Ausgangssignale 4, 5 maximal ist und ein Signalkurzschluß keine sicherheitsrelevanten Auswirkungen auf das Lenkverhalten hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels, insbesondere zur Bestimmung eines Lenkdrehmomentes einer Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind magnetoresistive Sensoren zur berührungslosen Erfassung von Lageänderungen von Körpern bekannt. Dies kann beispielsweise eine Messung einer translatorischen Bewegung oder eine Winkelmessung an einem drehbar gelagerten Teil sein. Die Winkelmessung basiert auf einem anisotropen magnetoresistiven Effekt. Ferromagnetische Werkstoffe (3d-Übergangsmetalle) weisen eine spontane Magnetisierung aufgrund atomarer Austauschwechselwirkungen auf. Der elektrische Widerstand R eines magnetoresistiven Widerstandsstreifens ist eine Funktion des Winkels ⊖_JM zwischen dem Vektor der Stromdichte J und der Magnetisierung M. Der elektrische Widerstand ändert sich periodisch mit der halben magnetischen Wellenlänge, bzw. mit der Polbreite des magnetischen Maßstabs und nimmt den maximalen Wert an, wenn die Vektoren der elektrischen Stromdichte J und der Magnetisierung M parallel ausgerichtet sind. Der minimale Widerstandswert R wird erreicht, wenn die beiden Vektoren J und M senkrecht zueinander stehen.

In einem langgestreckten Streifen aus magnetoresistivem Material wie Permalloy, einer Legierung aus etwa 80% Nickel und 20% Eisen, stellt sich eine Magnetisierung M ohne äußeres Magnetfeld H in Längsrichtung des Streifens ein. Ein quer zu dem langgestreckten Streifen aus magnetoresitivem Material angelegtes Magnetfeld H dreht die Magnetisierung M abhängig von der Feldstärke mehr oder weniger stark in Richtung des Magnetfeldes H. Dadurch ändert sich der Winkel ⊖_JM zwischen elektrischer Stromdichte J und Magnetisierung M und der Gesamtwiderstand R des Streifens aus magnetoresistivem Material.

Bei einer vollen Umdrehung des magnetoresistiven Sensors gegenüber dem Magnetfeld ergeben sich zwei Perioden der Widerstandsänderung. Der magnetoresistive Streifen ist mäanderartig in Dünnfilmtechnik auf einem Substrat aufgebracht, wobei zwei magnetoresistive Widerstandmäander so angeordnet sind, dass sich phasenverschobene sinusförmige Ausgangssignale des magnetoresistiven Sensors ergeben.

Eine vorzugsweise im magnetoresistiven Sensor integrierte Auswerteschaltung ermittelt dabei den momentanen Drehwinkel des das Magnetfeld H induzierenden Teils gegenüber dem Sensor oder dem Drehwinkel des Sensors gegenüber dem Magnetfeld.

Die Berechnung des Drehwinkels durch die Auswerteschaltung erfolgt mittels einer Arcustangens-Berechnung der beiden Ausgangssignale, wobei der Nullpunkt des magnetoresistiven Sensors bei arctan - 0 (sinφ = 0, cosφ = 1) gewählt wird.

Wird die Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels zur Bestimmung von Positionen sicherheitsrelevanter Systemteile, wie etwa zur Bestimmung von Drehmomenten an Lenkungen benutzt, so kann es möglich sein, dass durch einen Signalkurzschluss zwischen Sinus φ und Cosinus φ ein plausibles Signal, aber um 45° falsches Signal erzeugt wird. Daher sind zusätzliche Plausibilitätskontrollen der Signale erforderlich.

Zudem ist die Genauigkeit der Drehwinkelermittlung um den solchermaßen festgelegten Nullpunkt nicht optimal, da das Cosinus-Signal sich im Nullpunkt nur wenig (0,02%) ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels zu schaffen, die bei einfachem Aufbau verbesserte Messergebnisse ermöglicht und bei Leitungskurzschlüssen keine sicherheitsrelevanten Fehlsignale erzeugt.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass durch die Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels, insbesondere durch die Auswerteschaltung der Vorrichtung, der Nullpunkt des magnetoresistiven Sensors in einen Bereich der sinusförmigen Ausgangssignale gelegt ist, in dem beide Signale einen hohen Gradienten, d. h. eine hohe Steigung haben, ist der Nullpunkt exakt detektierbar. Der Nullpunkt wird dabei an eine Stelle gelegt, an der die Summe der Ableitungen der einzelnen sinusförmigen Ausgangssignale am größten ist.

Zudem ist durch die Vorrichtung, insbesondere durch die Auswerteschaltung sichergestellt, dass bei einem Kurzschluss der Signale kein plausibles Signal generiert wird, so dass beispielsweise bei der Anwendung der Vorrichtung als Sensor für Lenkdrehmomente einer Lenkung, keine Fehllenker auftreten können.

Im Nullpunkt des magnetoresistiven Sensors ist die Gleichung
d(sinφ/dφ + dcosφ/dφ)/dφ = 0, wobei φ der Drehwinkel ist.

Der Nullpunkt wird demzufolge bei φ = 45° oder φ = 225° festgelegt. Er lässt sich über eine Differenzmessung |sinφ - cosφ| = 0 bestimmen.

Da es sich um eine Bestimmung des Nullpunktes mit relativen Größen handelt, ist die Bestimmung des Nullpunktes unabhängig von etwaigen Versorgungsspannungsschwankungen des magnetoresistiven Sensors.

Es ist zweckmäßig, auf die sinusförmigen Spannungs-Ausgangssignale des Sensors eine konstante Spannung zu addieren, um diese in den positiven Bereich zu verschieben.

Mit der Vorrichtung lassen sich auch in Verbindung mit Summiergliedern oder einer getrieblichen Verbindung der Vorrichtung mit der Lenkung Lenkwinkel der Lenkung ermitteln.

Zur Verbesserung der Temperaturkompensation kann es zweckmäßig sein, den magnetoresistiven Sensor mit einem als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgebildeten Sensorelement auszubilden, da dadurch die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Widerstandsmäander weitgehend kompensiert ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels
Fig. 2 einen Signalverlauf zweier phasenverschobener, sinusförmiger Ausgangssignale eines magnetoresistiven Sensors der Vorrichtung in Fig. 1.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung 1 zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels φ eines um eine Achse 8 rotierbar angeordneten magnetischen Körpers 3 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen magnetoresistiven Sensor 2 mit eine integrierten Auswerteschaltung 6 auf. Der magnetoresistive Sensor 2 ist so angeordnet, dass bei Rotation des magnetischen Körpers 3 die Feldlinien den Sensor 2 analog dem Drehwinkel 9 durchfluten.
Dadurch, dass die Widerstandsmäander in dem Sensor 2 derart angeordnet sind, dass zeitgleich eine dem Sinus und eine dem Cosinus des zweifachen Magnetisierungswinkels proportionale Messspannung oder Ausgangssignale 4, 5 abgreifbar sind, können zeitgleich die beiden Ausgangssignale 4, 5 erfaßt werden.
Um eine möglichst exakte Nullpunkt-Festlegung der Vorrichtung zu bewirken, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Nullpunkt 7 der Vorrichtung durch die Auswerteschaltung in einem Bereich des Drehwinkels φ zu legen (Fig. 2), in dem beide sinusförmigen Ausgangssignale 4, 5 einen hohen Gradienten aufweisen. Der Nullpunkt 7 wird dabei so festgelegt, dass die Summe der Ableitungen der Ausgangssignale in diesem Punkt ein absolutes Maximum erreicht.
Im Nullpunkt 7 sind folgende Bedingungen erfüllt:

sinφ = cos
wobei der Nullpunkt 7 beispielsweise bei φ = 45° oder φ = 225° liegen kann.
Dadurch ist die Nullpunkteinstellung durch eine Differenzmessung gemäß |sinφ - cosφ| = 0 vorgenommen.
Diese Bedingung beschreibt den Kurzschluss beider Signale, wobei in dem Fall die Vorrichtung einen Nullwert ausgibt. Wird die Vorrichtung etwa zur Messung eines Verdrehwinkels eines Drehstabes in einer Lenkung, zur Messung eines Lenkdrehmomentes eingesetzt, so ergibt sich hierbei kein Selbstlenkvorgang und kein Unterstützungslenkmoment wird von der Lenkung erzeugt. Durch die Differenzmessung ist die Messgenauigkeit der Vorrichtung weitgehend temperaturunabhängig und unabhängig von Schwankungen in deren Versorgungsspannung. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Vorrichtung
2 Sensor, magnetoresistiv
3 Körper, magnetisch
4 Ausgangssignal
5 Ausgangssignal
6 Auswerteschaltung
7 Nullpunkt
8 Achse
φ Drehwinkel

Claims

1. Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels (φ), insbesondere zur Bestimmung eines Lenkdrehmomentes einer Lenkung, mit einem magnetoresistiven Sensor (2), wobei der magnetoresistive Sensor (2) unter dem Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes, hervorgerufen durch einen magnetischen Körper (3) in der Nähe des magnetoresistiven Sensors (2) zwei phasenverschobene sinusförmige Ausgangssignale (4, 5) erzeugt, und mit einer Auswerteschaltung (6) zur Bestimmung des jeweiligen Drehwinkels (φ) des Körpers (3), dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteschaltung (6) der Nullpunkt (7) des magnetoresistiven Sensors (2) in einem Bereich des Drehwinkels (φ) festgelegt ist, in dem beide sinusförmigen Ausgangssignale (4, 5) einen hohen Gradienten aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Signalkurzschluss der Ausgangssignale (4, 5) kein plausibles Ausgangssignal generiert ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Nullpunkt (7) des magnetoresistiven Sensors (2) die Summe der Ableitungen der sinusförmigen Ausgangssignale (4, 5) maximal ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt (7) des magnetoresistiven Sensors (2) durch eine Differenzmessung |sinφ - cosφ| = 0 bestimmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen der Versorgungsspannung des magnetoresistiven Sensors (2) keinen Einfluß auf die Lage des Nullpunkts (7) haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu den sinusförmigen Ausgangssignalen (4, 5) eine konstante Spannung addiert ist, so dass die Wertigkeit der sinusförmigen Ausgangssignale (4, 5) positiv ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorrichtung (1) zusammen mit einer getrieblichen Verbindung der Lenkung mit der Vorrichtung (1) ein Lenkwinkel einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist.